RU2799656C1

RU2799656C1 - Method for determining the localization of gas ionization

Info

Publication number: RU2799656C1
Application number: RU2023106630A
Authority: RU
Inventors: Лариса Борисовна Рулева; Сергей Иванович Солодовников
Filing date: 2023-03-21
Publication date: 2023-07-10

Abstract

FIELD: experimental aerothermodynamics.

SUBSTANCE: shock tube contains series-connected high-pressure chambers, a means of closing the channel and a low-pressure chamber in the form of a cylindrical channel, in which pressure sensors are placed in series, in the plane of one of which there is a viewing window, against which a photomultiplier tube (PMT) is located outside the shock tube. Signals from pressure transducers and photomultipliers are displayed on the computer through analogue-to-digital converters.

EFFECT: determination in the shock tube of the start of gas ionization in the shock wave.

1 cl, 3 dwg

Description

Способ относится к области экспериментальной аэротермодинамики, в частности к лабораторным ударным трубам кратковременного действия, обеспечивающим моделирование условий полета летательных аппаратов, возникновение и развитие ударных волн. Ударная труба содержит последовательно связанные между собой камеры высокого давления, средство перекрытия канала и камеру низкого давления в виде цилиндрического канала, в котором последовательно размещены датчики давления, в плоскости одного из которых имеется смотровое окно, против которого снаружи ударной трубы расположен фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Сигналы датчиков давлений и ФЭУ через аналого-цифровые преобразователи отображаются в компьютере.The method relates to the field of experimental aerothermodynamics, in particular to short-term laboratory shock tubes, which provide modeling of aircraft flight conditions, the occurrence and development of shock waves. The shock tube contains series-connected high-pressure chambers, a means of closing the channel and a low-pressure chamber in the form of a cylindrical channel, in which pressure sensors are placed in series, in the plane of one of which there is a viewing window, against which a photomultiplier tube (PMT) is located outside the shock tube . Signals from pressure transducers and photomultipliers are displayed on the computer through analog-to-digital converters.

При контактном разрыве между камерами высокого и низкого давлений образуется ударная волна, которая «бежит» по каналу низкого давления, тормозится у ее торца (падающая ударная волна), затем отражается (отраженная ударная волна) от торца, при этом возникает пробка высокого давления и температуры, аэротермодинамические параметры в которой квазипостоянны. За ударной волной следует контактная поверхность с меньшей, чем у ударной волны скоростью. При ее торможении давление в пробке возрастает, достигая максимума до прихода волны разрежения. При задании разных давлений в камерах высокого и низкого давлений, давление, температура, скорости потока различные.In the contact gap between the high and low pressure chambers, a shock wave is formed, which “runs” along the low pressure channel, slows down at its end (incident shock wave), then is reflected (reflected shock wave) from the end, and a high pressure and temperature plug appears. , in which the aerothermodynamic parameters are quasi-constant. The shock wave is followed by a contact surface with a velocity lower than that of the shock wave. When it decelerates, the pressure in the plug increases, reaching a maximum before the arrival of the rarefaction wave. When setting different pressures in the high and low pressure chambers, pressure, temperature, flow rates are different.

При больших скоростях ударной волны в ее фронте возникает эмиссия электронов, характеризующаяся свечением газа (первичная эмиссия). Свечение газа может быть не во фронте бегущей ударной волны, а в пробке нагретого при торможении газа: в отраженной ударной волне, или при подошедшей контактной поверхности (вторичные эмиссии). В смотровом окне можно видеть свечение газа, регистрируемое фотоэлектронным умножителем (ФЭУ).At high shock wave velocities, electron emission occurs in its front, which is characterized by gas glow (primary emission). The glow of the gas may not be in the front of the traveling shock wave, but in the plug of the gas heated during deceleration: in the reflected shock wave, or when the contact surface has approached (secondary emissions). In the viewing window, one can see the gas glow recorded by a photomultiplier tube (PMT).

Исследования эмиссионных процессов в ударных волнах имеют практическое применение. Например, при спуске космических аппаратов, полете высокоскоростных летательных объектов. Поэтому в лабораторных условиях необходимо различать эмиссию электронов во фронте ударной волны на высоких скоростях (толщина которых от 2 до 8 длин свободного пробега молекул) или вызванную повышением давления и температуры нагретой пробки. Необходимую энергию для отрыва электрона от атома дают столкновения вследствие повышения температуры.Studies of emission processes in shock waves have practical applications. For example, during the descent of spacecraft, the flight of high-speed aircraft. Therefore, under laboratory conditions, it is necessary to distinguish between the emission of electrons in the front of a shock wave at high speeds (the thickness of which is from 2 to 8 molecular mean free paths) or those caused by an increase in pressure and temperature of a heated plug. The necessary energy to detach an electron from an atom is provided by collisions due to an increase in temperature.

Известна работа [1], в которой ионизация экспериментально выявлена при добавлении в канал низкого давления тяжелого газа на основе молибдена, который обеспечивает и высокую плотность во фронте ударной волны и светимость да счет выбивании электронов из тяжелых частиц. Скорость фронта ударной волны измерялась по четырем пьезодатчикам, расположенным в разных сечениях вблизи торца ударной трубы.There is a well-known work [1], in which ionization was experimentally revealed when a molybdenum-based heavy gas is added to a low-pressure channel, which provides both a high density in the shock wave front and luminosity and due to the knocking out of electrons from heavy particles. The shock wave front velocity was measured using four piezoelectric transducers located in different sections near the end of the shock tube.

Все измерения были проведены в падающих ударных волнах в диапазоне чисел Маха М=(2,5–3,4), Проводились измерения излучательных и электрофизических свойств фронта ударной волны. В диэлектрический торец ударной трубы был закреплен игольчатый зонд особой конструкции, иголки которого были параллельны друг другу. Установлено, что максимальная величина проводимости увеличивается как квадрат концентрации Мо(СО). Определен эффективный порог процесса появления зарядов во фронте ударной волны, который составил (1.35±0.15) эВ. Предложен механизм, рассматривающий разделения зарядов во фронте УВ и "горячего" крыла функции распределения энергии парных соударений.All measurements were carried out in incident shock waves in the range of Mach numbers М=(2.5–3.4). Measurements were made of the radiative and electrophysical properties of the shock wave front. A needle probe of a special design was fixed to the dielectric end of the shock tube, the needles of which were parallel to each other. It is found that the maximum conductivity increases as the square of the Mo(CO) concentration. The effective threshold for the process of the appearance of charges in the shock wave front was determined, which was (1.35±0.15) eV. A mechanism is proposed that considers the separation of charges in the SW front and the "hot" wing of the distribution function of the energy of pair collisions.

Данный способ сложен. Начало ионизации определяется не за один, а за несколько экспериментов, вдвигая электроды (зонд Ленгмюра) навстречу потоку, пока он не попадет в начало свечения. Для разных заданных режимов давлений начало свечений будет в разное время. Без присадки примесей тяжелых газов при скоростях М=3,5 фронт ударной волны светиться не будет. Светимость из-за присадки Мо(СО), не отражает естественные процессы. С помощью зонда можно узнать электронную температуру и концентрацию электронов, но не место в камере низкого давления, где газ начал светиться. Свечение тяжелого газа на основе молибдена ищется с помощью фиксации его длины волны монохроматором. Таким образом, недостатком способа является невозможность измерения первичной ионизации газа в бегущей ударной волне. Невозможно определить места в канале низкого давления, где газ начинает светиться, что мешает однозначно определить расстояние, на которое надо ввести зонды.This method is difficult. The beginning of ionization is determined not in one, but in several experiments, by pushing the electrodes (Langmuir probe) towards the flow until it hits the beginning of the glow. For different given pressure regimes, the beginning of glows will be at different times. Without the addition of impurities of heavy gases at speeds M = 3.5, the front of the shock wave will not glow. The luminosity due to the addition of Mo(CO) does not reflect natural processes. With the help of a probe, one can find out the electron temperature and electron concentration, but not the place in the low-pressure chamber where the gas began to glow. The glow of a heavy gas based on molybdenum is sought by fixing its wavelength with a monochromator. Thus, the disadvantage of this method is the impossibility of measuring the primary ionization of the gas in a traveling shock wave. It is impossible to determine the places in the low pressure channel where the gas begins to glow, which makes it difficult to unambiguously determine the distance at which the probes must be inserted.

Известен [2] способ транспортировки ионных потоков в источниках ионов с ионизацией при атмосферном давлении для хромато-масс-спектрометров ГХ-МС. Он основан на формировании газовой, транспортирующей струи, коаксиально обдувающей область образования ионов закрученной вихревой струей с образованием объемного закрученного потока с осевым течением и дополнительного газового потока, формирующего вихревую пробоотборную струю в виде составного вихря, фокусирующего ионы на оси пробоотборного потока в центре вихревого ядра, при этом область ионизации потока парогазовой пробы, выходящей из прогреваемого капилляра хроматографа, коаксиально обдувается ламинарным потоком азота при нормальных условиях, при этом линейные скорости потока парогазовой пробы и азота равны, а суммарный поток превышает поток, отбираемый в интерфейс прибора.Known [2] is a method of transporting ion streams in ion sources with ionization at atmospheric pressure for GC-MS chromato-mass spectrometers. It is based on the formation of a gas transporting jet coaxially blowing around the region of ion formation with a swirling vortex jet with the formation of a volumetric swirling flow with axial flow and an additional gas flow that forms a vortex sampling jet in the form of a composite vortex that focuses ions on the axis of the sampling flow in the center of the vortex core, in this case, the area of ionization of the gas-vapor sample flow leaving the heated capillary of the chromatograph is coaxially blown by a laminar flow of nitrogen under normal conditions, while the linear flow rates of the gas-vapor sample and nitrogen are equal, and the total flow exceeds the flow taken into the instrument interface.

Недостаток устройства в том, что источник ионов вставляется в газовый поток. Самостоятельное образование ионизации во фронте ударной волны, регистрация времени и расстояния возникновения ионизации не определяются.The disadvantage of the device is that the ion source is inserted into the gas stream. Independent formation of ionization in the front of the shock wave, registration of the time and distance of the occurrence of ionization are not determined.

В способе [3] осуществляется анализ примесей в газовых смесях при их напуске в виде внеосевого сверхзвукового газового потока через источник электронной ионизации и радиочастотный квадруполь с последующим выводом ионов в масс-анализатор. Поток газа получают на выходе одного или нескольких каналов с направлениями, отклоняющимися от оси упомянутой ловушки так, что плотность газа в потоке около упомянутой оси не превышала средней плотности остаточных газов в упомянутой ловушке. Подбором постоянных, переменных и импульсных электрических полей внутри упомянутой ловушки с учетом возможного влияния ионов буферного газа, сфокусированных вблизи оси ловушки, организуют движение анализируемых ионов вдоль оси и в направлениях, ортогональных оси, с различными скоростями, частотами и на различных удалениях от оси и/или образованием ионов из анализируемых соединений за счет перезарядки на ионах буферного газа, и/или динамической локализацией анализируемых ионов в среднем в определенных местах вдоль оси ловушки с некоторым средним удалением от упомянутой оси, так чтобы регистрировались сигналы, пропорциональные числу выбранных из анализируемых ионов в ловушке, пропорциональные диффузионному потоку выбранных ионов, постепенно поступающих на детектор с характеристическими временами, специфичными при данных условиях измерений для ионов с различными сечениями столкновений с атомами и/или молекулами буферного газа, и/или отличающихся в разных зарядовых состояниях, и/или различающихся по степени устойчивости к мономолекулярному распаду, вызванному столкновениями с атомами и/или молекулами буферного газа, в том числе с метастабильно возбужденными, плотность которых в потоке газа может изменяться контролируемым образом изменением потока и энергии электронов в источнике электронной ионизации.In the method [3], the analysis of impurities in gas mixtures is carried out when they are admitted in the form of an off-axis supersonic gas flow through an electron ionization source and a radio-frequency quadrupole, followed by the withdrawal of ions into a mass analyzer. A gas flow is obtained at the outlet of one or more channels with directions deviating from the axis of said trap so that the gas density in the flow near said axis does not exceed the average density of residual gases in said trap. By selecting constant, variable and pulsed electric fields inside the said trap, taking into account the possible influence of buffer gas ions focused near the axis of the trap, the movement of the analyzed ions along the axis and in directions orthogonal to the axis is organized at different speeds, frequencies and at different distances from the axis and / or the formation of ions from the analyzed compounds due to charge exchange on buffer gas ions, and/or dynamic localization of the analyzed ions, on average, in certain places along the axis of the trap with some average distance from the said axis, so that signals proportional to the number of selected from the analyzed ions in the trap are recorded , proportional to the diffusion flux of selected ions gradually arriving at the detector with characteristic times specific under the given measurement conditions for ions with different collision cross sections with atoms and/or molecules of the buffer gas, and/or differing in different charge states, and/or differing in degree resistance to monomolecular decay caused by collisions with buffer gas atoms and/or molecules, including metastablely excited ones, whose density in the gas flow can be changed in a controlled manner by changing the electron flux and energy in the electron ionization source.

Недостатком данного способа является то, что сверхзвуковой газовый поток пропускают через источник электронной ионизации и первичная ионизация электронов во фронте ударной волны не регистрируется. Также в способе отсутствует сравнение по времени сигналов фотоэлектронных сигналов с сигналами датчиков давления.The disadvantage of this method is that the supersonic gas flow is passed through the source of electron ionization and the primary ionization of electrons in the front of the shock wave is not recorded. Also in the method there is no comparison in time of the signals of photoelectronic signals with the signals of pressure sensors.

Способ определения абсолютной чувствительности вакуумных ионизационных приборов к потоку газа [4] осуществляется путем подачи газа в калибруемый прибор из объема напуска через натекатель, отсекают газ, находящийся в объеме напуска, от общего объема газа, пропускают через калибруемый прибор известное количество газа, одновременно измеряют интеграл величины соответствующего ионного тока по времени прохождения газа из объема напуска через калибруемый прибор и определяют абсолютную чувствительность, используя абсолютную величину ионного тока в момент времени определения величины.The method for determining the absolute sensitivity of vacuum ionization devices to the gas flow [4] is carried out by supplying gas to the device being calibrated from the inlet volume through the leak valve, cutting off the gas in the inlet volume from the total gas volume, passing a known amount of gas through the calibrated device, simultaneously measuring the integral the values of the corresponding ion current by the time of passage of gas from the volume of the inlet through the calibrated device and determine the absolute sensitivity using the absolute value of the ion current at the time of determining the value.

Данный способ предназначен для работы течеискателей, где малый отбор газа из вакуумного блока пропускают через масс-спектрометр, и использовать его для быстрых и мощных процессов, таких, как высокоскоростная ударная волна, невозможно.This method is intended for use in leak detectors where a small amount of gas from a vacuum unit is passed through a mass spectrometer and cannot be used for fast and powerful processes, such as a high-velocity shock wave.

Способ [5] измерения скорости и размеров частиц в потоке предусматривает формирование в исследуемой области потока зондирующего поля с известной пространственно-временной структурой и формирование оптического сигнала, содержащего изображение рассеивающей частицы. Оптический сигнал пространственно разделяют на два, в одном из которых выполняют обращение изображения частицы и рекомбинируют прямой и обращенный оптические сигналы. Рекомбинированный оптический сигнал пространственно разделяют на два, в одном из которых обращенный и прямой оптические сигналы находятся в фазе, а в другом - в противофазе. Затем выполняют фотоэлектрическое преобразование синфазных и противофазных оптических сигналов, вычитают фотоэлектрические сигналы, соответствующие синфазному и противофазному оптическим сигналам, измеряют длительность радиоимпульсов в результирующем дифференциальном электрическом сигнале и скорость частицы. Размер последней определяют путем умножения длительности радиоимпульсов на половину измеренного значения скорости, что позволяет с высокой точностью, наряду с измерением скорости, контролировать линейные размеры частиц в потоке с расширением динамического диапазона измерений. The method [5] for measuring the velocity and size of particles in a flow provides for the formation of a probing field with a known spatiotemporal structure in the investigated area of the flow and the formation of an optical signal containing an image of a scattering particle. The optical signal is spatially divided into two, in one of which the particle image is reversed and the direct and reversed optical signals are recombined. The recombined optical signal is spatially divided into two, in one of which the reversed and direct optical signals are in phase, and in the other - in antiphase. Then, the photoelectric conversion of the in-phase and anti-phase optical signals is performed, the photoelectric signals corresponding to the in-phase and anti-phase optical signals are subtracted, the duration of the radio pulses in the resulting differential electrical signal and the particle velocity are measured. The size of the latter is determined by multiplying the duration of radio pulses by half of the measured velocity value, which allows, along with velocity measurement, to control with high accuracy the linear dimensions of particles in the flow with the expansion of the dynamic range of measurements.

В данном способе измеряется оптический сигнал с помощью ФЭУ, однако его разделяют на два противофазных и сравнивают их в противофазе и с пространственно-временной структурой, сформированной лазером, определяя размеры частиц. Способ не может измерить начало ионизации электронов во фронте ударной волны.In this method, the optical signal is measured using a PMT, however, it is divided into two antiphase and compared in antiphase and with the space-time structure formed by the laser, determining the particle size. The method cannot measure the beginning of electron ionization in the front of the shock wave.

Устройство [6] для анализа потока текучей среды в трубе содержит по меньшей мере один источник излучения, предназначенный для направления излучения сквозь поток. Источник или источники испускают излучение по меньшей мере на двух уровнях. Один или каждый детектор подает сигнал на процессорное средство, предназначенное для обработки сигнала, с целью создания рядов размещенных в хронологической последовательности значений, группирования значений по величине. The device [6] for analyzing the fluid flow in a pipe contains at least one radiation source designed to direct radiation through the flow. The source or sources emit radiation on at least two levels. One or each detector sends a signal to the signal processing means to create a series of chronologically arranged values, grouping the values by magnitude.

Данное устройство изначально содержит источник излучения. Оно предназначено для определения состава и расхода потока текущей среды бытового назначения и предусмотрено для ударных труб.This device initially contains a radiation source. It is designed to determine the composition and flow rate of the current household medium and is provided for shock pipes.

Ионно-меточный измеритель [7] скорости воздушного потока, содержащий измерительный преобразователь, включающий в себя разрядник генератора ионных меток, подключенный к генератору высоковольтных импульсов, вход которого соединен с блоком обработки сигнала, электроды регистратора меток, измерительный преобразователь состоит из двух одинаковых, скрепленных между собой узлов, имеющих форму диска, отстоящих друг от друга, образуя между собой проточный канал, и обращенных рабочей поверхностью друг к другу, при этом каждый узел на рабочей поверхности содержит электрод регистратора меток, расположенный вдоль окружности, центр которого находится в точке размещения разрядника генератора ионных меток, а электроды регистратора меток обоих узлов через усилители связаны с сумматором, выход которого подключен к блоку обработки сигнала.An ion-tag meter [7] of air flow velocity, containing a measuring transducer, including an ion-marker generator spark gap connected to a high-voltage pulse generator, the input of which is connected to the signal processing unit, mark recorder electrodes, the measuring transducer consists of two identical, fastened between disc-shaped nodes spaced from each other, forming a flow channel between them, and facing each other with a working surface, while each node on the working surface contains a mark registrar electrode located along a circle, the center of which is at the location of the generator spark gap ion labels, and the electrodes of the label recorder of both nodes are connected through amplifiers to the adder, the output of which is connected to the signal processing unit.

Недостатком способа является невозможность измерения первичной ионизации газа в бегущей ударной волне.The disadvantage of this method is the impossibility of measuring the primary ionization of the gas in a traveling shock wave.

Наиболее близким к реализации заявляемого способа является техническое решение «Ударная труба» [8], содержащая последовательно соединенные между собой камеру высокого давления, цилиндрический канал, средство перекрытия канала, установленное между камерой высокого давления и цилиндрическим каналом, а также систему наполнения газом камеры высокого давления, систему вакуумной откачки и датчики динамического давления, установленные на внутренней стороне цилиндрического канала, соединенные с регистрирующей аппаратурой, на наружной поверхности цилиндрического канала, в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси трубы, с датчиками динамического давления, размещенными на внутренней стороне цилиндрического канала, установлены дополнительные датчики динамического давления, соединенные с регистрирующей аппаратурой. Средство перекрытия канала срабатывает и ударная волна распространяется по цилиндрическому каналу к входу в сопло. Датчики динамического давления, расположенные внутри цилиндрического канала и датчики снаружи него, регистрируют прохождение ударной волны. Амплитуды сигналов всех датчиков в текущем времени с высокой частотой регистрируются через АЦП в компьютер, образуя базу данных. В каждой строке с фиксированным временем получены значения амплитуд датчиков динамического давления внутренних и наружных, расположенных в одной плоскости, которые вычитаются, а их разность является уточненным значением динамического давления ударной волны, проходящей через плоскость, перпендикулярную продольной оси трубы в данный момент времени.The closest to the implementation of the proposed method is the technical solution "Shock tube" [8], containing a series-connected high-pressure chamber, a cylindrical channel, a means of closing the channel installed between the high-pressure chamber and the cylindrical channel, as well as a system for filling the high-pressure chamber with gas , a vacuum pumping system and dynamic pressure sensors installed on the inner side of the cylindrical channel, connected to the recording equipment, on the outer surface of the cylindrical channel, in the same plane perpendicular to the longitudinal axis of the pipe, with dynamic pressure sensors located on the inner side of the cylindrical channel, additional dynamic pressure sensors connected to the recording equipment. The means of closing the channel is triggered and the shock wave propagates along the cylindrical channel to the nozzle inlet. Dynamic pressure sensors located inside the cylindrical channel and sensors outside it register the passage of the shock wave. The amplitudes of the signals of all sensors in the current time with a high frequency are recorded through the ADC to the computer, forming a database. In each row with a fixed time, the amplitude values of the internal and external dynamic pressure sensors located in the same plane are obtained, which are subtracted, and their difference is the refined value of the dynamic pressure of the shock wave passing through the plane perpendicular to the longitudinal axis of the pipe at a given time.

Задачей настоящего изобретения является расширение технологических возможностей, а именно - осуществление возможности определения в ударной трубе начала ионизации газа в ударной волне.The objective of the present invention is to expand the technological capabilities, namely, the implementation of the possibility of determining in a shock tube the beginning of gas ionization in a shock wave.

Если начало ионизации наступает до отражения ударной волны от торца трубы, то это первичная ионизация. Если после отражения (пробка) – вторичная ионизация. При известном расстоянии датчиков от торца трубы и времени регистрации ионизации, определяется расстояние начала ионизации. If the beginning of ionization occurs before the shock wave is reflected from the end of the pipe, then this is primary ionization. If after reflection (plug) - secondary ionization. With a known distance of the sensors from the end of the pipe and the time of registration of ionization, the distance of the beginning of ionization is determined.

Экспериментальное определение первичной или вторичной ионизации ударной волны позволит правильно классифицировать ионизацию для теоретического моделирования процессов. Определение расстояния возникновения ионизации позволит за один эксперимент определить место для расположения электродов (зонда Ленгмюра) в камере низкого давления.Experimental determination of the primary or secondary ionization of the shock wave will make it possible to correctly classify the ionization for theoretical modeling of processes. Determining the distance of ionization occurrence will allow one experiment to determine the location for the location of the electrodes (Langmuir probe) in the low pressure chamber.

Способ определения локализации ионизации газа в скоростном потоке в ударной трубе заключается в измерении сигналов датчиков давления перед торцом и фотоэлектронного умножителя, установленного в одной плоскости с датчиком давления, The method for determining the localization of gas ionization in a high-speed flow in a shock tube consists in measuring the signals of pressure sensors in front of the end face and a photomultiplier installed in the same plane as the pressure sensor,

при этом локализация первичной ионизации в ударной волне определяется по времени срабатыванию фотоэлектронного умножителя до, а вторичная ионизация после отраженной ударной волны в торце, а место ионизации определяется по произведению скорости ударной волны, измеренной по известному расстоянию между датчиками давления и временем прохождения ударной волны, и времени между сигналами фотоэлектронного умножителя и торцевого датчика давления:in this case, the localization of primary ionization in the shock wave is determined by the time of operation of the photomultiplier before, and the secondary ionization after the reflected shock wave at the end, and the place of ionization is determined by the product of the shock wave velocity measured from the known distance between the pressure sensors and the time of passage of the shock wave, and the time between the signals of the photomultiplier and the end pressure sensor:

,

где L, t - расстояние и время, соответственно, n - последний датчик у торца ударной волны,

- время регистрации сигнала фотоэлектронного умножителя.where L, t - distance and time, respectively, n - the last sensor at the end of the shock wave,

- time of registration of the photomultiplier signal.

Ударная труба для осуществления способа состоит из камер высокого и низкого давлений, датчиков давления, установленных на внутренней стороне камеры низкого давления и соединенных с регистрирующей аппаратурой. В продольной стенке ударной трубы, ближней к ее торцу установлено смотровое окно в одной плоскости с датчиком давления, а снаружи ударной трубы перед смотровым окном размещен фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), подключенный к регистрирующей аппаратуре. The shock tube for implementing the method consists of high and low pressure chambers, pressure sensors installed on the inner side of the low pressure chamber and connected to the recording equipment. A viewing window is installed in the longitudinal wall of the shock tube, closest to its end, in the same plane as the pressure sensor, and outside the shock tube, in front of the viewing window, there is a photomultiplier tube (PMT) connected to the recording equipment.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами.The present invention is illustrated by the following graphics.

На фиг. 1 представлена схема ударной трубы.In FIG. 1 shows a diagram of a shock tube.

На фиг. 2 приведен пример свечения газа. In FIG. 2 shows an example of gas glow.

На фиг. 3 показаны графики регистрации ФЭУ и датчиков давления, ближайших к торцу ударной трубы при разных режимах: In FIG. Figure 3 shows the registration graphs of PMTs and pressure sensors closest to the shock tube end in different modes:

3 а – график при числе Маха М=3; 3a – graph at Mach number М=3;

3 б – график при числе Маха М=4,4.3 b – graph at Mach number М=4.4.

Ударная труба состоит из камеры высокого давления 1, камеры низкого давления 2,The shock tube consists of a high pressure chamber 1, a low pressure chamber 2,

датчиков давления 3,4,5; регистрирующей аппаратуры 6, смотрового окна 7, фотоэлектронного умножителя 8. pressure sensors 3,4,5; recording equipment 6, viewing window 7, photomultiplier 8.

Реализация способа заключается в измерении времени сигналов датчиков давления 3, 4, 5 и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 8 при прохождении мимо них ударной волны. Анализ графиков локализации показывает, что первичная ионизация в ударной волне определяется по опережающему срабатыванию фотоэлектронного умножителя, если сигнал фотоэлектронного умножителя регистрируется во время отраженной ударной волны, то определяется вторичная ионизация. При первичной ионизации фронта ударной волны всплеск сигнала ФЭУ пришелся бы на области падающей ударной волны, т.е. первых «полочек» в сигналах датчиков 3,4, или между 4 и 5. Если начало ионизации произойдет после сигнала датчика 5 на участках отраженной ударной волны (нагретой пробки повышенного давления), то ионизация может считаться вторичной. The implementation of the method consists in measuring the time of the signals of the pressure sensors 3, 4, 5 and the photomultiplier tube (PMT) 8 when a shock wave passes by them. An analysis of the localization graphs shows that the primary ionization in the shock wave is determined by the advanced operation of the photomultiplier, if the signal of the photomultiplier is recorded during the reflected shock wave, then the secondary ionization is determined. In the case of primary ionization of the shock wave front, the burst of the PMT signal would fall on the region of the incident shock wave, i.e. the first “shelves” in the signals of sensors 3,4, or between 4 and 5. If the onset of ionization occurs after the signal of sensor 5 in the areas of the reflected shock wave (heated high-pressure plug), then ionization can be considered secondary.

Расстояние между датчиками давления, например, 3 и 4; 4 и 5, известны: L_n-1и L_n, где n - последний датчик, 5 - датчик у торца ударной трубы. Время регистрации падающей ударной волны t_n-1 и t_n, соответственно. Скорость ударной волны вычисляется по расстоянию и времени преодоления этого расстояния ударной волной. За время регистрации сигнала фотоэлектронного умножителя (ФЭУ)

расстояние начала ионизации от торца ударной трубы составляет:Distance between pressure sensors, e.g. 3 and 4; 4 and 5 are known: L _n-1 and L _n , where n is the last sensor, 5 is the sensor at the end of the shock tube. The time of registration of the incident shock wave t _n-1 and t _n , respectively. The shock wave velocity is calculated from the distance and time it takes the shock wave to overcome this distance. During the registration of the signal of a photomultiplier tube (PMT)

the distance of the beginning of ionization from the end of the shock tube is:

Таким образом, определено расстояние, на которое надо вводить зонды для исследования ионизации, которое отсчитывается от торца ударной трубы.Thus, the distance at which the probes must be inserted to study ionization has been determined, which is measured from the end of the shock tube.

Приведем пример.Let's take an example.

1. Для фиг. 3б при прохождении ударной волны расстояния 100 мм между датчиками 4 и 5 за 0,068 мс и сигнала ФЭУ, зарегистрированного на временном расстоянии 0,2 мс от торца ударной трубы, получим:1. For FIG. 3b, when the shock wave passes a distance of 100 mm between sensors 4 and 5 in 0.068 ms and the PMT signal recorded at a time distance of 0.2 ms from the end of the shock tube, we obtain:

Знак минус показывает направление от торца. Зонд надо вводить на расстояние 28,6 см. The minus sign shows the direction from the end. The probe must be inserted at a distance of 28.6 cm.

2. Для фиг. 3а, где скорость ударной волны меньше, получим:2. For FIG. 3a, where the shock wave velocity is less, we obtain:

При этом зонд вводится на меньшую дистанцию, 7 см.In this case, the probe is inserted at a shorter distance, 7 cm.

Технический эффект заключается в определении типа ионизации первичной во фронте ударной волны или вторичной, обусловленной нагревом, увеличением плотности давления в пробке торможения ударной волны. Также предлагаемый способ позволяет однозначно определить расстояние от торца ударной трубы для введения зонда, вместо многих проб попадания в ядро ионизации.The technical effect consists in determining the type of primary ionization in the front of the shock wave or secondary, due to heating, an increase in pressure density in the shock wave deceleration plug. Also, the proposed method makes it possible to unambiguously determine the distance from the end of the shock tube for the insertion of the probe, instead of many samples of hitting the ionization core.

Список использованных источников List of sources used

[1] Зиборов В.С. и др. Эффект ионизации во фронте слабой ударной волны, распространяющейся в инертном газе, разбавленном малой концентрацией Мо(СО)6, Письма в ЖЭТФ, 2007, том 86, выпуск 3, 211–215. https://www.mathnet.ru/links/1911eaa555a4c20adf63cbf7bd96abe5/jetpl817.pdf[1] Ziborov V.S. Ionization effect in the front of a weak shock wave propagating in an inert gas diluted with a low concentration of Mo(CO)6, JETP Letters, 2007, volume 86, issue 3, 211–215. https://www.mathnet.ru/links/1911eaa555a4c20adf63cbf7bd96abe5/jetpl817.pdf

[2] Патент ИЗ 2584272 «Способ транспортировки ионных потоков в источниках ионов с ионизацией при атмосферном давлении для хромато-масс-спектрометров ГХ-МС».[2] Patent IZ 2584272 "Method of transporting ion flows in ion sources with ionization at atmospheric pressure for GC-MS GC-MS".

[3] Патент ИЗ 2576673 «Способ анализа примесей в газовых смесях при их напуске в виде внеосевого сверхзвукового газового потока через источник электронной ионизации и радиочастотный квадруполь с последующим выводом ионов в масс-анализатор».[3] Patent IZ 2576673 "Method for analysis of impurities in gas mixtures when they are admitted in the form of an off-axis supersonic gas flow through an electron ionization source and a radio frequency quadrupole, followed by the extraction of ions into a mass analyzer".

[4] Патент ПМ 754300 «Способ определения абсолютной чувствительности вакуумных ионизационных приборов к потоку газа».[4] Patent PM 754300 "Method for determining the absolute sensitivity of vacuum ionization devices to the gas flow".

[5] Патент ИЗ 2029307 «Способ измерения скорости и размеров частиц в потоке».[5] Patent IZ 2029307 "Method for measuring the speed and size of particles in a stream".

[6] Патент ИЗ 2145708 «Устройство для анализа потока текучей среды в трубе».[6] Patent IZ 2145708 "Device for analyzing the flow of fluid in a pipe".

[7] Патент ИЗ 209331 «Ионно-меточный измеритель скорости воздушного потока». [7] Patent IZ 209331 "Ion-tag airflow velocity meter".

[8] Патент ПМ 180405 «Ударная труба». [8] Patent PM 180405 "Shock tube".

Claims

A method for determining the localization of gas ionization in a high-speed flow in a shock tube, which consists in measuring the signals of pressure sensors in front of the end face and a photomultiplier installed in the same plane as the pressure sensor,

characterized in that the localization of primary ionization in the shock wave is determined by the operation of the photomultiplier before, and the secondary ionization after the reflected shock wave at the end, and the place of ionization is determined by the product of the shock wave velocity measured from the known distance between the pressure sensors and the time of passage of the shock wave, and time between the signals of the photomultiplier and the end pressure sensor:

where L, t - distance and time, respectively, n - the last sensor at the end of the shock wave,

- time of registration of the photomultiplier signal.