RU2225619C2 - Procedure measuring parameters of reflecting surface in fleeting processes - Google Patents
Procedure measuring parameters of reflecting surface in fleeting processes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2225619C2 RU2225619C2 RU99118800/28A RU99118800A RU2225619C2 RU 2225619 C2 RU2225619 C2 RU 2225619C2 RU 99118800/28 A RU99118800/28 A RU 99118800/28A RU 99118800 A RU99118800 A RU 99118800A RU 2225619 C2 RU2225619 C2 RU 2225619C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- reflected
- recording
- probing
- parameters
- Prior art date
Links
Landscapes
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике регистрации быстропротекающих процессов, в частности, к способам измерения параметров фронтов пламени ударной и/или детонационной волны в химической физике, в том числе в физике горения и взрыва. The invention relates to techniques for recording fast processes, in particular, to methods for measuring the flame fronts of a shock and / or detonation wave in chemical physics, including combustion and explosion physics.
Уровень техники
Известен оптический метод измерения скорости движения отражающей лазерный луч поверхности [1].State of the art
A known optical method for measuring the speed of movement of a surface reflecting a laser beam [1].
На поверхность, скорость которой необходимо измерить, направляют лазерный пучок. Отраженный пучок направляют в интерферометр Фабри-Перо. Задача состоит в определении частоты отраженного пучка в функции скорости движения мишени и углов падения и отражения при известной частоте падающего лазерного пучка. Интерферометр регистрирует изменения положения интерференционных колец во времени с помощью фотохроногрофа. A laser beam is directed onto a surface whose speed is to be measured. The reflected beam is sent to the Fabry-Perot interferometer. The task is to determine the frequency of the reflected beam as a function of the velocity of the target and the angles of incidence and reflection at a known frequency of the incident laser beam. The interferometer detects changes in the position of the interference rings in time with the help of a photo chronograph.
Оптический метод измерения температуры поверхности путем регистрации ее теплового излучения описан в [2]. Исследуется тепловое излучение, испущенное излучаемой поверхностью. В данном методе поверхность находится 5 контакте с позолоченным полусферическим зеркалом (при этом коэффициент излучения системы поверхность - зеркало становится близким к единице). В качестве детектора используется кремниевый фотоэлемент. The optical method for measuring the surface temperature by recording its thermal radiation is described in [2]. The thermal radiation emitted by the emitted surface is investigated. In this method, the surface is in 5 contact with a gilded hemispherical mirror (in this case, the emissivity of the surface-mirror system becomes close to unity). A silicon photocell is used as a detector.
Недостаток всех оптических методов связан с невозможностью измерения параметров (скорости, температуры и т.д.) отражающей поверхности, закрытой от регистрирующих приборов непрозрачным для света экраном. The disadvantage of all optical methods is the impossibility of measuring the parameters (speed, temperature, etc.) of the reflecting surface, which is closed from recording devices by an opaque screen for light.
Известен способ измерения скорости движения отражающей поверхности, включающий облучение поверхности электромагнитным излучением и регистрацию отраженного излучения [3] . Регистрацию отраженного излучения осуществляют посредством интерферометра, в котором происходит интерференционное сложение излучений, отраженного от движущейся границы с исходным зондирующим излучением. Мерой скорости границы является частота доплеровского смещения fд:
где λз - длина волны зондирующего излучения в рассматриваемой среде;
V - скорость движения границы;
φ - разность фаз отраженного и зондирующего излучений.A known method of measuring the speed of movement of a reflective surface, including irradiation of the surface with electromagnetic radiation and registration of reflected radiation [3]. Registration of reflected radiation is carried out by means of an interferometer in which interference summation of radiation reflected from a moving boundary with the initial probe radiation occurs. A measure of the velocity of the boundary is the frequency of the Doppler shift f d :
where λ s is the wavelength of the probe radiation in the medium under consideration;
V is the speed of the border;
φ is the phase difference of the reflected and probing radiation.
Недостаток известного способа связан с относительно большим минимальным разрешением его по перемещению и, соответственно, по времени. Так, при регистрации половины периода доплеровского смещения предельное разрешение способа по перемещению составляет λз/4, т.е. при λз=8 мм - 2 мм. Кроме того, при измерениях возникают проблемы, связанные с недостаточной мощностью отраженного излучения и расшифровкой полезного сигнала [4]. Последний из описанных способов, как наиболее близкий по технической сущности, выбран в качестве прототипа.The disadvantage of this method is associated with a relatively large minimum resolution for its movement and, accordingly, in time. So, when registering half the period of the Doppler shift, the limiting resolution of the movement method is λ s / 4, i.e. with λ s = 8 mm - 2 mm. In addition, when measuring, problems arise associated with insufficient power of the reflected radiation and decoding of the useful signal [4]. The last of the described methods, as the closest in technical essence, is selected as a prototype.
Сущность изобретения
Техническая задача - уменьшение минимального разрешения и регистрация других параметров: коэффициента излучения поверхности и ее температуры в быстропротекающих процессах.SUMMARY OF THE INVENTION
The technical task is to reduce the minimum resolution and register other parameters: the emissivity of the surface and its temperature in fast processes.
Технический результат - повышение точности (минимальное разрешение по перемещению составляет <0,1 мм при λз з=8 мм) и информативности измерений, упрощение расшифровки сигналов (напряжений), а также расширение функциональных возможностей - диагностика параметров реальных поверхностей, снижение требований к генератору зондирующего излучения, измерения коэффициента излучения и температуры.The technical result is an increase in accuracy (the minimum resolution for movement is <0.1 mm with λ s s = 8 mm) and informational content of measurements, simplification of decoding of signals (voltages), and also expansion of functionality - diagnostics of parameters of real surfaces, reduction of requirements for the generator sounding radiation, measuring emissivity and temperature.
Это достигается тем, что в известном способе измерения параметров отражающей поверхности в быстропротекающих процессах, включающем облучение поверхности зондирующим излучением и регистрацию отраженного электромагнитного излучения, отраженное излучение, а также тепловое излучение поверхности преобразуют посредством криогенных детекторов на основе переходов Джозефсона в напряжения, усиливают их с помощью таких же криодетекторов, регистрируют усиленные напряжения, и по ним определяют скорость перемещения и/или коэффициент излучения и температуру поверхности. При этом зондирующим излучением служит когерентное излучение СВЧ-диапазона. This is achieved by the fact that in the known method of measuring the parameters of the reflecting surface in fast processes, including irradiating the surface with probe radiation and registering the reflected electromagnetic radiation, the reflected radiation, as well as the thermal radiation of the surface, are transformed by cryogenic detectors based on Josephson transitions into voltages, amplified by them of the same cryodetectors, amplified voltages are recorded, and the speed of movement and / or emissivity are determined from them and surface temperature. In this case, the probing radiation is coherent microwave radiation.
С середины 1960 гг. криогенные детекторы на основе джозефсоновских переходов (ДП) нашли применение в физике, метрологии, медицине и т.д. в качестве сверхчувствительных детекторов электромагнитного поля, позволяющих, например, регистрировать:
1) магнитное поле ~10-14 Тл/Гц1/ 2;
2) мощность электромагнитного излучения ~10-15 Вт/Гц1/ 2;
3) напряжение ~10-15 В/Гц1/ 2; т.е. 10-12 В в полосе частот ~106 Гц [5, 6].Since the mid-1960s cryogenic detectors based on Josephson junctions (DP) have found application in physics, metrology, medicine, etc. as supersensitive electromagnetic field detectors, allowing, for example, to record:
1) the magnetic field is ~ 10 -14 T / Hz 1/2;
2) The power of the electromagnetic radiation 10 ~ -15 W / Hz 1/2;
3) the voltage ~ 10 -15 / Hz 1/2; those. 10 -12 V in the frequency band ~ 10 6 Hz [5, 6].
Так как на ДП выполняется 1-е соотношение Джозефсона
f = 2e•V/ℏ,
где f - частота излучения;
V - напряжение на ДП;
е - заряд электрона;
ℏ - постоянная Планка,
не зависящее от типа перехода, материала электродов, мощности и частоты слабого СВЧ-сигнала, можно использовать ДП в качестве преобразователя частоты в напряжение:
V≈f/483,6 МГц/мкВ.Since the first Josephson relation is satisfied on the DP
f = 2e • V / ℏ,
where f is the radiation frequency;
V is the voltage at the DP;
e is the electron charge;
ℏ - Planck constant,
independent of the type of transition, electrode material, power and frequency of a weak microwave signal, you can use the DP as a frequency to voltage converter:
V≈f / 483.6 MHz / μV.
При измерении скорости движения поверхности отраженное от нее электромагнитное излучение, например, с частотой f0=35 ГГц (λз=8 мм) попадает на точечный ДП, предварительно настроенный на эту частоту. Напряжение на ДП составляет при этом
При движении границы со скоростью U~103 м/с частота отраженного излучения из-за эффекта Доплера увеличивается примерно на 10-3%
где C - скорость света в вакууме;
ε - диэлектрическая проницаемость среды перед поверхностью.When measuring the surface velocity, the electromagnetic radiation reflected from it, for example, with a frequency f 0 = 35 GHz (λ s = 8 mm), falls on a point DP pre-tuned to this frequency. The voltage on the DP is
When the boundary moves at a speed of U ~ 10 3 m / s, the frequency of the reflected radiation increases by about 10 -3 % due to the Doppler effect
where C is the speed of light in vacuum;
ε is the dielectric constant of the medium in front of the surface.
При ε=2-3 получим 
Это изменение напряжения регистрируется с помощью следующего детектора на ДП, исполняющего функцию вольтметра с чувствительностью ~10-15 В/Гц1/ 2. Для данной полосы частот Δf~ 35•104 Гц минимальное измеряемое напряжение составляет ~6•10-13 В, что означает возможность измерения ΔV соответственно U с точностью не хуже ~1%. При этом минимальное разрешение перемещения поверхности становится не зависящим от длины волны зондирующего излучения и определяется временным разрешением канала регистрации. Кроме того, отсутствуют проблемы, связанные с недостаточной мощностью отраженного излучения и расшифровкой полезного сигнала [4].This voltage change is detected by the following detector PD executing voltmeter function with a sensitivity of ~ 10 -15 / Hz 1/2. For this frequency band Δf ~ 35 • 10 4 Hz, the minimum measured voltage is ~ 6 • 10 -13 V, which means that it is possible to measure ΔV, respectively, U with an accuracy of no worse than ~ 1%. In this case, the minimum resolution of surface displacement becomes independent of the wavelength of the probe radiation and is determined by the time resolution of the recording channel. In addition, there are no problems associated with insufficient power of the reflected radiation and decoding of the useful signal [4].
При измерении температуры поверхности криодетектор на основе ДП используется в качестве квадратичного приемника СВЧ-излучения, непосредственно измеряющего его мощность (преобразующего мощность излучения в напряжение) [5]. Регистрируется тепловое излучение поверхности, например фронта пламени, ударной и/или детонационной волны в диапазоне СВЧ, где выполняется закон Рэлея-Джинса [7]
где Е - спектральная плотность излучения черного тела;
λ - длина волны;
C1=5,9•10-17 Вт•м2;
С2=1,44•10-2 м•К.When measuring the surface temperature, a DP-based cryodetector is used as a quadratic microwave radiation detector that directly measures its power (converts the radiation power to voltage) [5]. The thermal radiation of a surface is recorded, for example, a flame front, a shock and / or detonation wave in the microwave range, where the Rayleigh-Jeans law is fulfilled [7]
where E is the spectral radiation density of the black body;
λ is the wavelength;
C 1 = 5.9 • 10 -17 W • m 2 ;
C 2 = 1.44 • 10 -2 m • K.
Пусть регистрация производится в диапазоне длин волн λ=1-3 мм, т.е. в диапазоне частот f= (1-3)•102 ГГц. При Т~103 К мощность излучения с части поверхности площадью S~3•10-3 м2 будет
При пороговой чувствительности приемника ~10-14 Вт/Гц1/ 2 и данной полосе частот f~102 ГГц минимальная измеряемая мощность равна W~4,5•10-9 Вт. Таким образом, запас чувствительности приемника позволяет не заботиться о потерях мощности излучения при передаче и о пониженной излучательной способности поверхности с эффективным коэфицентом излучения в диапазоне частот регистрации меньшим 1 (нечерное тело).Let the registration be performed in the wavelength range λ = 1-3 mm, i.e. in the frequency range f = (1-3) • 10 2 GHz. At T ~ 10 3 K, the radiation power from a part of the surface with an area of S ~ 3 • 10 -3 m 2 will be
When the sensitivity threshold of the receiver 10 ~ -14 W / Hz 1/2 and this band 10 f ~ 2GHz minimum measured power is equal to W ~ 4,5 • 10 -9 Watt. Thus, the sensitivity margin of the receiver allows not to worry about the loss of radiation power during transmission and the reduced emissivity of the surface with an effective radiation coefficient in the recording frequency range less than 1 (non-black body).
В данном случае амплитуда полезного сигнала, усиленного с помощью ДП, так же, как и при измерении скорости, будет прямо пропорциональна измеряемой величине ΔV~W~∈•T. Для измерения температуры необходимо определить коэффицент излучения ∈ = 1-λ, где λ - коэффицент отражения поверхности. In this case, the amplitude of the useful signal amplified by the DP, as well as when measuring speed, will be directly proportional to the measured value ΔV ~ W ~ ∈ • T. To measure temperature, it is necessary to determine the radiation coefficient ∈ = 1-λ, where λ is the reflection coefficient of the surface.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На отражающую поверхность (пластины, оболочки, фронта ударной (детонационной) волны, являющуюся границей раздела с радиопрозрачной средой (вакуумом, газом, диэлектриком, взрывчатым веществом), подают зондирующее излучение СВЧ-диапазона. Регистрируют излучение поверхности на 3-х каналах регистрации: на 1-м и 2-м каналах - отраженное и тепловое излучения с одного участка поверхности, на 3-м канале регистрируют тепловое излучение с другого участка поверхности. При этом в каждом канале осуществляют преобразование параметров излучений в напряжения посредством криогенных детекторов на основе джозефсоновских переходов, усиливают их ими и на 1-м канале преобразуют частоту в напряжение и регистрируют скорость перемещения поверхности, по данным 2-го и 3-го каналов, на которых преобразуют мощности в напряжения, определяют коэффицент отражения поверхности, по нему коэфицент излучения и температуру поверхности (предполагаем, что коэффицент пропускания равен нулю). Предполагаем, что частота (распределение частот) зондирующего излучения находится внутри диапазона частот регистрации теплового излучения. The proposed method is implemented as follows. Microwave sounding radiation is applied to the reflecting surface (plate, shell, front of the shock (detonation) wave, which is the interface with a radio-transparent medium (vacuum, gas, dielectric, explosive). The surface radiation is recorded on 3 recording channels: 1st and 2nd channels - reflected and thermal radiation from one surface area, on the 3rd channel thermal radiation is recorded from another surface area.In this case, the radiation parameters are converted in voltage in each channel using cryogenic detectors based on Josephson junctions, amplify them with them and on the 1st channel convert the frequency to voltage and record the surface velocity, according to the 2nd and 3rd channels, on which power is converted to voltage, determine the surface reflection coefficient , according to it, the radiation coefficient and the surface temperature (we assume that the transmission coefficient is zero). We assume that the frequency (frequency distribution) of the probing radiation is within the recording frequency range fishing radiation.
Перед измерением проводится калибровка каналов регистрации, в частности измеряется мощность излучения, отраженного от поверхности с известным коэффицентом излучения. Таким образом, в предлагаемом способе оказываются возможными одновременное измерение скорости (на 1-м канале), коэффицента излучения и температуры (на 2-м и 3-м каналах). Ввиду малых размеров криодетекторов ~ 1 мм все 3 канала регистрации могут быть размещены в одном криостате, заполненном жидким гелием. Before the measurement, the registration channels are calibrated, in particular, the radiation power reflected from the surface with a known radiation coefficient is measured. Thus, in the proposed method, it is possible to simultaneously measure the speed (on the 1st channel), the radiation coefficient and temperature (on the 2nd and 3rd channels). Due to the small size of cryodetectors ~ 1 mm, all 3 recording channels can be placed in one cryostat filled with liquid helium.
При работе на частотах ~109-1012 Гц требуемое отношение сигнал/шум >103 обеспечивается благодаря пренебрежимо малых собственным шумам криодетекторов; практическому отсутствию технического, атмосферного и галактического шумов [8]; применению стандартных радиотехнических средств подавления помех. Предлагаемый способ найдет применение в экспериментальной физике, в частности для определения скорости распространения, температуры и формы (в случае многоканальной регистрации) фронтов ударных и детонационных волн.When operating at frequencies of ~ 10 9 -10 12 Hz, the required signal-to-noise ratio> 10 3 is ensured due to the negligibly small intrinsic noise of cryodetectors; the practical lack of technical, atmospheric and galactic noise [8]; the use of standard radio interference suppression equipment. The proposed method will find application in experimental physics, in particular for determining the propagation velocity, temperature and shape (in the case of multi-channel recording) of the fronts of shock and detonation waves.
Источники информации
1. Макмиллан, Гусман, Паркер и др. Применение интерферометра Фабри-Перо для измерения скорости движения поверхности // Приборы для научных исследований, 1988, 1, с.3-28.Sources of information
1. Macmillan, Guzman, Parker and others. The use of the Fabry-Perot interferometer for measuring surface velocity // Instruments for Scientific Research, 1988, 1, pp. 3-28.
2. Т.Куинн. Температура. - М.: Мир, 1985, с.309-393. 2. T. Quinn. Temperature. - M .: Mir, 1985, p.309-393.
3. Б.Кох. Радиоэлектрические методы исследования быстропротекающих процессов. В кн.: Физика быстропротекающих процессов, т.1. - М.: Мир, 1971, с. 382-462 - прототип. 3. B. Koch. Radioelectric methods for the study of fast processes. In the book: Physics of fast processes, v. 1. - M .: Mir, 1971, p. 382-462 is a prototype.
4. С. В. Баталов, В.П.Филин, В.В.Шапошников. Радиоволновый метод исследования физических явлений в и химических превращений в гетерогенных ВВ под действием УВ // ФГВ, 1991, т.27, 6, с.107-109. 4. S.V. Batalov, V.P. Filin, and V.V. Shaposhnikov. The radio wave method for studying physical phenomena in and chemical transformations in heterogeneous explosives under the influence of hydrocarbons // FGV, 1991, v. 27, 6, pp. 107-109.
5. А.Ф.Волков, Н.В.Заварицкий, Ф.Я.Надь. Электронные устройства на основе слабосвязанных сверхпроводников. - М.: Советское радио, 1978. 5. A.F. Volkov, N.V. Zavaritsky, F.Ya. Nad. Electronic devices based on loosely coupled superconductors. - M .: Soviet Radio, 1978.
6. Слабая сверхпроводимость. Квантовые интерферрометры и их применение / Под ред. Б.Б.Шварца и С.Фонера. - М.: Мир, 1980. 6. Weak superconductivity. Quantum interferometers and their application / Ed. B. B. Schwartz and S. Foner. - M .: Mir, 1980.
7. Г.Эберт. Краткий справочник по физике. - М.: Физматгиз, 1963, с.325. 7. G. Ebert. A quick reference to physics. - M .: Fizmatgiz, 1963, p.325.
8. Э. Ред. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. - М.: Мир, 1990, с.78. 8. E. Ed. Reference manual on high-frequency circuitry. - M.: Mir, 1990, p. 78.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99118800/28A RU2225619C2 (en) | 1999-08-30 | 1999-08-30 | Procedure measuring parameters of reflecting surface in fleeting processes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99118800/28A RU2225619C2 (en) | 1999-08-30 | 1999-08-30 | Procedure measuring parameters of reflecting surface in fleeting processes |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU99118800A RU99118800A (en) | 2001-07-20 |
| RU2225619C2 true RU2225619C2 (en) | 2004-03-10 |
Family
ID=32389931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99118800/28A RU2225619C2 (en) | 1999-08-30 | 1999-08-30 | Procedure measuring parameters of reflecting surface in fleeting processes |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2225619C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111208313A (en) * | 2020-01-15 | 2020-05-29 | 西安科技大学 | Method for acquiring real propagation speed of gas explosion flame in pipeline |
-
1999
- 1999-08-30 RU RU99118800/28A patent/RU2225619C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111208313A (en) * | 2020-01-15 | 2020-05-29 | 西安科技大学 | Method for acquiring real propagation speed of gas explosion flame in pipeline |
| CN111208313B (en) * | 2020-01-15 | 2023-01-31 | 西安科技大学 | Method for acquiring real propagation speed of gas explosion flame in pipeline |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4503708A (en) | Reflection acoustic microscope for precision differential phase imaging | |
| Cohen et al. | Radio Interferometry at One-Thousandth Second of Arc: Intercontinental interferometer base lines are used to refine our knowledge of compact radio sources. | |
| Gordon et al. | The design and capabilities of an ionospheric radar probe | |
| US3649125A (en) | Direction sensing method and apparatus for laser doppler velocity measurements | |
| US5020920A (en) | Method and apparatus for millimeter-wave detection of thermal waves for materials evaluation | |
| Hunt et al. | Transition-edge superconducting antenna-coupled bolometer | |
| RU2225619C2 (en) | Procedure measuring parameters of reflecting surface in fleeting processes | |
| Fischer et al. | Ten‐channel grating polychromator for electron cyclotron emission plasma diagnostics | |
| US5757488A (en) | Optical frequency stability controller | |
| US3755678A (en) | Apparatus and processes for detection, generation and frequency measurements of electro-magnetic radiation in the infrared and visible domain | |
| Arzhannikov et al. | Eight-Channel Polychromator for Spectral Measurements in the Frequency Band of 0.1-0.6 THz | |
| Sheridan | The Culgoora Radiospectrograph | |
| Hartfuss | RF techniques in plasma diagnostics | |
| CN113932729B (en) | Terahertz antenna-shaped surface detection system and method based on optical frequency comb | |
| JP3034675B2 (en) | Measurement device of internal temperature distribution by microwave | |
| RU2063641C1 (en) | Method of and device for measuring effective dissipation area | |
| Clark et al. | Long wavelength VLBI | |
| Doeleman | Approaching the event horizon: 1.3 mmλ VLBI of SgrA | |
| LUTHER et al. | A microwave interferometer to measure particle and shock velocities simultaneously | |
| How et al. | A two-scanning mirror fourier transform interferometer for plasma diagnostics | |
| Ulich et al. | A new surface measuring technique using phase retrieval by amplitude interferometry | |
| Balan et al. | Design of a high resolution HF phased array for ionospheric applications at the equator | |
| Marcaide et al. | Millimeter-wavelength VLBI-First results from intercontinental observations with a resolution of 0.2 milliarcseconds | |
| SU730065A1 (en) | Millimeter, submillimeter and infrared region spectrometer | |
| Wagner | High speed heterodyne holographic interferometry |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040831 |