RU2497132C1 - Способ измерения скорости разлета и элементного состава газоплазменного потока - Google Patents
Способ измерения скорости разлета и элементного состава газоплазменного потока Download PDFInfo
- Publication number
- RU2497132C1 RU2497132C1 RU2012118107/28A RU2012118107A RU2497132C1 RU 2497132 C1 RU2497132 C1 RU 2497132C1 RU 2012118107/28 A RU2012118107/28 A RU 2012118107/28A RU 2012118107 A RU2012118107 A RU 2012118107A RU 2497132 C1 RU2497132 C1 RU 2497132C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma flow
- image
- gas
- flow
- gas plasma
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области оптико-спектральных измерений быстропротекающих процессов и может найти применение для измерения скорости разлета и элементного состава газоплазменных потоков, скорости разлета светящихся частиц и осколков при детонации и взрыве. С помощью оптической системы строится изображение разлетающегося газоплазменного потока и все измерения проводятся в плоскости оптического изображения. С помощью системы диафрагм и фотоприемников выделяют фрагменты изображения вдоль направления газоплазменного потока и по временным изменениям яркости фрагментов определяют скорость распространения потока. Элементный состав сепарированного по массам частиц газоплазменного потока определяется в результате анализа временных изменений спектрального состава свечения фрагмента изображения газоплазменного потока, выделяемого с помощью оптоволоконного кабеля. Изобретение позволяет проводить измерения дистанционно и оперативно. 3 ил.
Description
Изобретение относится к области оптико-спектральных измерений быстропротекающих процессов, в частности к измерительной технике, и может найти применение для измерения скорости разлета и элементного состава газоплазменных потоков.
При проведении фундаментальных исследований и в ряде прикладных задач возникает потребность в измерении параметров быстропротекающих процессов, например скорости разлета и элементного состава газоплазменного потока (ионов, атомов, молекул) при воздействии мощного лазерного излучения на материалы, скорости распространения ударных волн и продуктов детонации в реагирующих средах, скорости разлета светящихся микрочастиц и осколков при взрыве и т.д..
Традиционно для контроля и измерения скорости разлета и состава газоплазменного потока используются методы масс-спектрометрии, зондовые методы и различные оптические и эмиссионные методы.
В работе (см. Н.А.Понькин («Что в имени твоем, масс-спектрометрия?» сайт Всероссийского масс-спектрометрического общества), http://www.vmso.ru/datadocs/Ponkin.pdf) приведен подробный анализ различных методов масс-спектрометрии, на конкретных примерах показаны возможности их использования для диагностики сложных физико-химических процессов. Широкое использование нашли времяпролетные масс-спектрометры для измерения зарядового и массового состава ионов газоплазменных потоков (см., например, патент RU 2314594 C1, патент RU 2059982 C1)
Однако общим недостатком масс-спектрометрических методов, в том числе и времяпролетных, является то, что измерительный блок масспектрометра либо устройство ввода (забора) анализируемого вещества должны находиться непосредственно в разлетающемся газоплазменном потоке, что не всегда представляется возможным.
Аналогичные трудности возникают и при использовании зондовых методов, так как зонд также должен находиться непосредственно в разлетающемся газоплазменном потоке, что во-первых, вносит возмущения в исследуемый процесс, а во-вторых, это не всегда возможно.
В ряде конкретных случаев, более предпочтительными, а иногда и единственно возможными являются оптические и эмиссионные методы диагностики, так как они позволяют проводить дистанционные измерения, что особенно важно при исследовании высокотемпературных и реакционноспособных газоплазменных потоков.
Так, в работе (патент №2029307) был предложен способ измерения скорости и размеров частиц в потоке путем зондирования потока частиц лучом лазера с известной периодической пространственно-временной структурой. Приемной оптической системой выделялся свет, рассеянный частицами, и далее проводилась обработка рассеянного излучения. В результате соответствующей обработки рассеянного излучения определяли значения скорости разлета частиц в потоке и их размеры.
Во многих случаях для определения скорости разлета газоплазменного потока используются эмиссионные методы диагностики. Эти методы позволяют дистанционно по спектрам эмиссии и изменениям спектров эмиссии частиц при разлете определять состав и скорости разлета газоплазменного потока. Например, в работах (см. А.К. Шуаибов, М.П. Чучман, Л.Л. Шимон. Оптические характеристики и параметры лазерной плазмы сурьмы, ЖТФ, 2003, том 73, вып.4, стр.77-81; А.К. Шуаибов, М.П. Чучман. Пространственное изменение характеристик эрозионной плазмы свинца при распространении лазерного факела от мишени, ЖТФ, том 76, вып.11, стр.61-65) методом эмиссионной спектроскопии определялись скорость разлета и температура лазерной плазмы.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ определения скоростей частиц в продуктах детонации и взрыва по тепловому излучению разлетающегося потока частиц предложенный в работе (см. патент №2193781). Способ заключается в выделении теплового излучения частиц, измерении интенсивности теплового излучения частиц в сечениях, задаваемых фотоприемниками расположенными вдоль потока частиц на известном расстоянии друг от друга. По результатам измерения интенсивности и отношения интенсивностей теплового свечения на фотоприемниках проводят соответствующую обработку результатов, из которых определяют интенсивность потока частиц, плотность потока частиц и скорость потока частиц. Недостатком данного способа является то, что измерения скорости проводятся по тепловому излучению потока частиц, представляющего собой широкополосное интегральное тепловое излучение всего газоплазменного потока. Этот способ не позволяет выделять спектральные компоненты отдельных атомов и молекул в разлетающемся потоке и таким образом не позволяет дифференциально определять скорости их разлета.
Целью предлагаемого изобретения является разработка простого и информативного способа, позволяющего дистанционно и оперативно проводить измерения скорости разлета и элементного состава светящегося в видимой области спектра газопламенного потока.
Цель достигается тем, что измерения проводятся не в самом газоплазменном потоке, а используется динамическое изображение разлетающегося газоплазменного потока. Для этого с помощью оптической системы установленной на определенном расстоянии от разлетающегося газоплазменного потока формируют динамическое изображение. Все дальнейшие измерения проводятся с использованием динамического изображения газоплазменного потока.
Для измерения скорости разлета газоплазменного потока в плоскости изображения устанавливается фотодиодная линейка, ориентированная вдоль направления разлета. Число фотодиодов и расстояние между ними может меняться в зависимости от конкретной задачи. По мере разлета газоплазменного потока свечение переднего фронта последовательно попадает на фотодиоды, расположенные на определенном расстоянии Δx друг от друга. На фотодиодах с определенной временной задержкой Δt формируются сигналы, характеризующие временные изменения интенсивности (яркости) газоплазменного потока. Зная расстояние между фотодиодами Δx и время задержки Δt между сигналами, можно определить скорость разлета и изменение скорости разлета газоплазменного потока.
На рис.1 приведена конкретная схема для реализации предлагаемого способа измерения скорости разлета газоплазменного потока. Измеряется скорость разлета газоплазменного потока (эрозионного факела), возникающего при воздействии мощного лазерного импульса на мишень. Излучение лазера 1 с помощи линзы 2 фокусируется на мишень 4 (в данном случае керамика Y-Ba-Cu-O). Мишень находится в вакуумной камере 3. При воздействии мощного лазерного импульса возникает разлетающийся от поверхности мишени светящийся эрозионный факел 5. С помощью оптической системы (в данном случае с помощью линзы 6) формируется оптическое изображение эрозионного факела 7 за пределами вакуумной камеры. Для удобства измерений и проведения последующих расчетов оптическая линза устанавливается на двойном фокусном расстоянии от эрозионного факела, так чтобы размеры его изображения были такими же, как и у самого эрозионного факела. В плоскости изображения эрозионного факела устанавливается фотодиодная линейка, ориентированная вдоль направления разлета. Фотодиодная линейка содержит пять фотодиодов (1*-5*), расстояние между которыми Δx=5 мм. Перед фотодиодной линейкой установлен непрозрачный экран с отверстиями (диафрагмами) перед фотодиодами. Размеры отверстий (диафрагм) составляли Δr≈0.5 мм, таким образом фотодиоды регистрируют излучение небольшого участка изображения (фрагмента изображения размером Δr=0.5 мм) газоплазменного потока. Первый фотодиод расположен непосредственно у основания эрозионного факела (Δx=0). Сигналы от фотодиодов через многоканальную интерфейсную плату подаются на компьютер.
На рис.2 в качестве примера показаны сигналы от фотодиодов с номерами 3 и 5, расположенных на расстоянии Δx3-1=10 мм, Δx5-1=20 мм от основания эрозионного факела (от поверхности мишени) и соответственно на расстоянии Δx5-3=10 мм друг от друга. Время задержки между сигналами составляет Δt5-3≈3.5 мкс. Тогда для средней скорости разлета фронта эрозионного факела можно написать:
Подставляя численные значения. получим: Vcp≈2.8×103 м/с
Для анализа элементного состава эрозионного факела используются спектральные методы анализа (по спектрам эмиссии элементов). По мере разлета эрозионного факела будет происходить пространственная сепарация частиц по массе. Более легкие частицы (ионы и атомы легких элементов), имеющие большую скорость разлета, будут группироваться на переднем фронте. Атомы и ионы более тяжелых элементов имеют меньшую скорость разлета, поэтому они будут отставать от лидирующей группы легких частиц. Кластеры и микрокапли имеют еще большую массу, чем атомы и ионы, в результате для них будет наблюдаться еще больше отставание от лидирующей группы атомов и ионов. Таким образом по мере разлета газоплазменного потока будет происходить пространственное разделение частиц по массе.
Для регистрации спектров на место фотодиодной линейки в плоскости изображения устанавливается оптоволоконный кабель (многомодовое оптоволокно). Оптоволоконный кабель закрепляется на подвижном столике и может перемещаться в плоскости изображения. На рис.3 показана схема регистрации свечения локальных участков эрозионного факела. Излучение локального участка эрозионного факела попадает на вход 8 оптоволоконного кабеля и передается на полихроматор 11. Регистрация спектра осуществляется с помощью ПЗС линейки 12 с управляемым запуском. Сигналы с ПЗС линейки подаются на рабочий компьютер для анализа. Перемещая входную головку оптоволоконного кабеля вдоль изображения эрозионного факела на определенное расстояние (на расстояние достаточное для сепарации частиц по массам), можно измерять скорости частиц (по пройденному расстоянию и времени задержки), анализировать элементный состав и изменение элементного состава в зависимости от расстояния от основания эрозионного факела (от поверхности мишени).
Способ иллюстрируется Рис.1, Рис.2, Рис.3.
Рис.1 - 1 - лазер, 2 - фокусирующая линза, 3 - камера, 4 - мишень, 5 - разлетающийся газоплазменный поток (лазерный эрозионный факел), 6 - оптическая система, 7 -изображение эрозионного факела в плоскости изображений, 8 - линейка фотодиодов, расположенных на расстоянии Δx=5 мм, 9 - компьютер.
Рис.2 - Сигналы с фотодиодной линейки. Временная задержка сигналов от фотодиодов, отстоящих на расстоянии Δx3-1=10 мм, Δx5-1=20 мм от основания эрозийного факела (от поверхности мишени).
Рис.3 - 1 - лазер, 2 - фокусирующая линза, 3 - камера, 4 - мишень, 5 - разлетающийся газоплазменный поток (лазерный эрозионный факел), 6 - оптическая система, 7 -изображение эрозионного факела в плоскости изображений, 8 - входная головка оптоволоконного кабеля, 9 - оптоволоконный кабель, 10 - фокусирующий объектив, 11 -полихроматор, 12 - ПЗС матрица.
Claims (1)
- Способ измерения параметров разлетающегося газоплазменного потока, отличающийся тем, что с помощью оптической системы формируют динамическое изображение потока, выделяют фрагменты изображения, расположенные на определенном расстоянии вдоль направления распространения потока, формируют временные зависимости интенсивности свечения выделенных фрагментов и по этим зависимостям судят о скорости потока, выделяют фрагмент изображения, находящийся на определенном расстоянии от начала потока, формируют временную зависимость спектрального состава излучения фрагмента и по отдельным участкам этой зависимости судят о составе потока.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012118107/28A RU2497132C1 (ru) | 2012-05-04 | 2012-05-04 | Способ измерения скорости разлета и элементного состава газоплазменного потока |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012118107/28A RU2497132C1 (ru) | 2012-05-04 | 2012-05-04 | Способ измерения скорости разлета и элементного состава газоплазменного потока |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2497132C1 true RU2497132C1 (ru) | 2013-10-27 |
Family
ID=49446840
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012118107/28A RU2497132C1 (ru) | 2012-05-04 | 2012-05-04 | Способ измерения скорости разлета и элементного состава газоплазменного потока |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2497132C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117425260A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-01-19 | 哈尔滨工业大学 | 等离子体推进器羽流激发态离子速度分布的光谱监测方法 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59230126A (ja) * | 1983-06-13 | 1984-12-24 | Hitachi Ltd | 定量分光分析装置 |
US4919536A (en) * | 1988-06-06 | 1990-04-24 | Northrop Corporation | System for measuring velocity field of fluid flow utilizing a laser-doppler spectral image converter |
FR2752617A1 (fr) * | 1996-08-20 | 1998-02-27 | Renault | Procede de visualisation d'un ecoulement gazeux a l'interieur d'une enceinte |
RU2193781C2 (ru) * | 2000-10-11 | 2002-11-27 | Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова | Способ определения скоростей частиц в продуктах детонации и взрыва |
US20060087651A1 (en) * | 2004-10-01 | 2006-04-27 | The George Washington University | In-situ droplet monitoring for self-tuning spectrometers |
RU2314594C1 (ru) * | 2006-08-07 | 2008-01-10 | Федеральное государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики" | Времяпролетный способ измерения зарядового и массового составов ионов плазмы |
RU2366930C1 (ru) * | 2008-07-28 | 2009-09-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (СФУ) | Способ измерения дымности отработавших газов дизелей |
-
2012
- 2012-05-04 RU RU2012118107/28A patent/RU2497132C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59230126A (ja) * | 1983-06-13 | 1984-12-24 | Hitachi Ltd | 定量分光分析装置 |
US4919536A (en) * | 1988-06-06 | 1990-04-24 | Northrop Corporation | System for measuring velocity field of fluid flow utilizing a laser-doppler spectral image converter |
FR2752617A1 (fr) * | 1996-08-20 | 1998-02-27 | Renault | Procede de visualisation d'un ecoulement gazeux a l'interieur d'une enceinte |
RU2193781C2 (ru) * | 2000-10-11 | 2002-11-27 | Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова | Способ определения скоростей частиц в продуктах детонации и взрыва |
US20060087651A1 (en) * | 2004-10-01 | 2006-04-27 | The George Washington University | In-situ droplet monitoring for self-tuning spectrometers |
RU2314594C1 (ru) * | 2006-08-07 | 2008-01-10 | Федеральное государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики" | Времяпролетный способ измерения зарядового и массового составов ионов плазмы |
RU2366930C1 (ru) * | 2008-07-28 | 2009-09-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (СФУ) | Способ измерения дымности отработавших газов дизелей |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117425260A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-01-19 | 哈尔滨工业大学 | 等离子体推进器羽流激发态离子速度分布的光谱监测方法 |
CN117425260B (zh) * | 2023-12-19 | 2024-04-19 | 哈尔滨工业大学 | 等离子体推进器羽流激发态离子速度分布的光谱监测方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6034768A (en) | Induced breakdown spectroscopy detector system with controllable delay time | |
US7619742B2 (en) | High-speed spectrographic sensor for internal combustion engines | |
CN102262075B (zh) | 基于分光法的激光诱导击穿光谱测量元素浓度的方法 | |
Merk et al. | Increased identification rate of scrap metal using laser induced breakdown spectroscopy echelle spectra | |
WO2012005775A1 (en) | Laser induced breakdown spetroscopy instrumentation for real-time elemental analysis | |
US10871450B2 (en) | Laser-induced breakdown spectroscopy system and method, and detection system and method therefor | |
Melikechi et al. | Correcting for variable laser-target distances of laser-induced breakdown spectroscopy measurements with ChemCam using emission lines of Martian dust spectra | |
CN104568910B (zh) | 应用于录井现场的狭缝分光拉曼光谱气体分析系统 | |
Harilal et al. | On-and off-axis spectral emission features from laser-produced gas breakdown plasmas | |
JP5716187B2 (ja) | 分光器、光計測装置 | |
CN109827950A (zh) | 一种激光诱导爆破和激光加热分解产物的检测分析系统 | |
US9080982B1 (en) | Spectrographic applications of trichel pulses | |
RU2497132C1 (ru) | Способ измерения скорости разлета и элементного состава газоплазменного потока | |
Lee et al. | Stand-off laser-induced breakdown spectroscopy of aluminum and geochemical reference materials at pressure below 1 torr | |
Tempesta et al. | Crystal Chemical Characterisation of Red Beryl by ‘Standardless’ Laser‐Induced Breakdown Spectroscopy and Single‐Crystal Refinement by X‐Ray Diffraction: An Example of Validation of an Innovative Method for the Chemical Analysis of Minerals | |
CN109030463B (zh) | 单次多点同时测量的激光诱导击穿光谱系统及测量方法 | |
CN102788772A (zh) | 基于双脉冲激光的粉状物质元素含量测量方法 | |
US20110031393A1 (en) | Laser Multi-Sensor System for the Selective Trace Analysis of Organic Materials | |
Prüfert et al. | Inline process analysis of copper-bearing aerosols using laser-induced breakdown spectroscopy, laser-induced incandescence and optical imaging | |
Voropay et al. | Kinetics of alloy emission spectra with double-pulse laser ablation | |
RU2006119726A (ru) | Способ диагностики состояния двигателей | |
Chand et al. | Probing the central engine and environment of AGN using ARIES 1.3-m and 3.6-m telescopes | |
Carney et al. | TIME‐RESOLVED OPTICAL MEASUREMENTS OF DETONATION AND COMBUSTION PRODUCTS | |
US11359963B2 (en) | Variable laser energy multi-spectrometer for gas and particulate chemicals in air | |
Hargather et al. | Optical diagnostics for energetic materials research |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150505 |