СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ РАЗЛЕТА И ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ГАЗОПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА
METHOD TO MEASURE EXPANSION VELOCITY AND ELEMENT COMPOSITION OF GAS PLASMA FLOW

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.
3-1
5-1
5-3
5-3
На рис.2 в качестве примера показаны сигналы от фотодиодов с номерами 3 и 5, расположенных на расстоянии Δx=10 мм, Δx=20 мм от основания эрозионного факела (от поверхности мишени) и соответственно на расстоянии Δx=10 мм друг от друга. Время задержки между сигналами составляет Δt≈3.5 мкс. Тогда для средней скорости разлета фронта эрозионного факела можно написать:
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mrow><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>3</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>3</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
cp
3
Подставляя численные значения. получим: V≈2.8×10 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.
3-1
5-1
Рис.2 - Сигналы с фотодиодной линейки. Временная задержка сигналов от фотодиодов, отстоящих на расстоянии Δx=10 мм, Δx=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.