Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Обзор литературы 26
1.1 Основы методов РР, СКР, КАРС, ЛИФ 26
1.2 Возможности средств для измерений в потоках в конце 1980-х... 34
Раздел 2. Аппаратура 38
2.1 Двухволновый КАРС-спектрометр для одновременных измерений температур и концентраций вещества 38
2.2 Многоцелевой КАРС-спектрометр на основе мощного лазера 44
2.2.1 Несущая конструкция 48
2.22 Лазер накачки 49
2.2.3 Перестраиваемый лазер 58
2.2.4 Приемная система 61
2.2.5 Тестирование в пламенах водорода, пропана и этанола 66
Раздел 3. Расчет спектров 71
3.1 Спектры однофотонных переходов - ЛИФ. Алгоритмы расчета
спектров флуоресценции и эмиссии радикалов 71
3.1.1 Радикал ОН (система А Ґ-Х2П) 71
3.12 Радикал SiH (система А2А-Х2П) 76
3.1.3 Радикал СН (системы А2А-Х2Ц В2Х-Х2Ц С2Ґ-Х2П) 81
3.1.4 Ион N2+ (система В2 Zu+-X2 Zg+) 83
3.1.5 Сравнение с известными экспериментальными спектрами ЛИФ 83
3.2 Спектры двух- и четырехфотонных переходов - КР и КАРС 86
3.2.1 Программа “CARSspectra" 87
322 Алгоритмы расчета спектров 93
3.2.3 Сравнение с известными экспериментальными спектрами КАРС 104
Раздел 4. Способы уменьшения случайной погрешности при импульсных измерениях карс 107
4.1 Уменьшение случайной погрешности измерений в схеме широкополосного КАРС с двукратно вырожденными частотами лазера накачки 107
4.2 Уменьшение случайной погрешности измерений в схеме двойного широкополосного КАРС для чисто вращательных спектров 113
Раздел 5. Применения методов в исследованиях 121
5.1 Измерения методом РР 121
5.1.1 Конденсация смесей в свободной струе .121
5.1.2 Применимость рэлеевского рассеяния для исследования пламен 133
5.2 Измерения методом КР 139
5.2.1 Бесконтактные измеpения в пламени для проверки данных зондового масс-спектрометрического метода 139
5.2.2 Применение метода вращательного КР для исследования газовых примесей 143
5.3 Измерения методом КАРС 152
5.3.1 Двухточечные измерения .152
5.3.2 Измерение температуры горения твердого топлива 159
5.3.3 Исследование вихревого течения методом двойного широкополосного КАРС .167
5.4 Измерения методом ЛИФ .174
5.4.1 Применение ЛИФ в линейном режиме для исследования пламен этанола и водорода 175
5.4.1.1 Температура в диффузионных пламенах .179
5.4.1.2 Температура при горении смеси H2-O2 .181
5.4.1.3 Концентрация радикалов ОН .182
5.4.2 Применение ЛИФ в режиме с насыщением сигнала для исследования пламен этанола и водорода 185
5.4.2.1 Концентрация радикалов ОН в пламенах этанола и водорода 186
5.4.2.2 Концентрация радикалов СН при горении на сфере 190
5.4.2.3 Концентрация радикалов ОН в пограничном слое с горением этанола... 192
Заключение 199
Список сокращений и условных обозначений 202
Список литературы
- Возможности средств для измерений в потоках в конце 1980-х...
- Тестирование в пламенах водорода, пропана и этанола
- Радикал СН (системы А2А-Х2Ц В2Х-Х2Ц С2Ґ-Х2П)
- Уменьшение случайной погрешности измерений в схеме двойного широкополосного КАРС для чисто вращательных спектров
Введение к работе
з
Диссертация посвящена разработке, совершенствованию и применению аппаратуры и методов лазерной диагностики реагирующих газовых потоков. Рассматриваются различные методы оптических исследований с использованием лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ), рэлеевского рассеяния света (РР), а также комбинационного - спонтанного (КР) и когерентного (КАРС). В процессе работы была построена многоцелевая измерительная система с использованием в качестве компонентов как серийно выпускавшейся аппаратуры, так и созданной в лаборатории. Были разработаны лазеры с улучшенными энергетическими и спектральными характеристиками, оптические схемы фокусировки излучения, электронные схемы регистрации импульсных сигналов, методики калибровки и уменьшения погрешности, компьютерные программы обработки спектральных данных. Техника применялась при исследовании газофазных пламен, горения испаряющегося этанола в пограничном слое и твердого топлива при повышенном давлении, конденсации в расширяющейся струе. Каждое из применений служило тестированием, позволяя изучить возможности и ограничения методов.
Актуальность темы. Многие задачи газовой динамики, энергетики приводят к проблеме невозмущающих исследований газовых потоков и пламени с высоким временным и пространственным разрешением. Сложная структура, широкий диапазон термодинамических параметров, турбулентный характер движения серьезно затрудняют применение как «чистого» математического моделирования для их решения, так и контактных методов экспериментального исследования. Широко используемые лазерная анемометрия и методы визуализации не обеспечивают необходимой полноты информации об исследуемых объектах. Горение - многопараметрический процесс, при экспериментальном исследовании которого необходимы опытные данные, характеризующие различные стороны этого явления: химические, газодинамические, тепловые и т. д. Результаты измерений средних во времени концентраций, температур, скоро-
4 стей движения газа, а также тепловых и массовых потоков отражают наиболее
общие свойства реагирующего течения. Для этих целей успешно применяются традиционные зондовые методы. Оптические бесконтактные методы измерений, получившие широкое развитие с применением лазеров, позволяют измерять с высоким временным и пространственным разрешением мгновенные значения параметров, необходимые для углубленного изучения процессов в потоках. Оптические методы измерения скалярных параметров в сфокусированных пучках, основанные на многофотонных процессах взаимодействия света с молекулами в газах, открывают возможность измерять населенности уровней молекул и радикалов. А это прямой путь для получения недостающей информации о локальных температуре и абсолютных концентрациях. Отсюда следует, что применение этих методов является важной и актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Пропуская историю предсказания, открытия и исследования эффектов, связанную с именами Стретта (Рэлея), Эйнштейна, Смекала, Рамана, Кришнана, Ландсберга, Мандельштама и др., можно сказать, что основанные на их использовании методы в современном понимании появились после изобретения лазера. В последующий период они развивались усилиями большого количества исследователей вслед за появлением новых образцов лазерной, фотоприемной и компьютерной техники. Lapp и Penney измеряли сечения КР. Inaba и Kobayasi совершенствовали технику лидарных КР-измерений в исследованиях загрязнений атмосферы. Тагап с сотрудниками первыми применили КАРС для измерений в пламени. Yuratich исследовал влияние ширины лазерной линии на спектр КАРС. Eckbreth и Anderson предложили схему DBCARS для чисто вращательных спектров, a Leipertz исследовал возможности этой схемы. Alden проводил двухволновые измерения в турбулентном пламени. Stepovsky, Crosley, Kohse-Hoinghaus, Cattolica в своих исследованиях использовали ЛИФ радикалов. Hanson применял флуоресценцию для двумерной визуализации. В нашей стране известны работы по методам нелинейной оптики Ахманова С. А. и Коротеева Н. И. из Московского государственного университета. В Институте общей физики Академии наук Смир-
5 нов В. В. развивал КАРС со сканированием спектра. Анализ литературы по методам измерений за годы, предшествующие началу наших исследований в конце 1980-х гг., позволяет выявить следующие недостатки, препятствовавшие использованию всех потенциальных возможностей спектроскопии:
оставались неисследованными границы применимости методов к реальным объектам для получения количественной информации о параметрах газовых сред; отсутствовала готовая к применению техника;
обычно использовалось накопление сигнала, пригодное только для стационарных объектов; импульсные измерения КАРС сдерживались высокой погрешностью из-за нескомпенсированного спектрального шума лазеров;
не было доступных программ расчета спектров; обработка данных ограничивалась интенсивностями изолированных линий в рамках одной ветви; накопленная информация о восприимчивости газов требовала нового формата для ее верификации и использования.
Следует отметить слабую освещенность темы в отечественной литературе.
Цель работы - исследование реальных возможностей и ограничений методов оптических исследований в газах с использованием РР, КР, КАРС, ЛИФ с применением имевшейся техники и разработка новых эффективных технических средств измерения параметров среды с высоким временным и пространственным разрешением применительно к исследованиям течений реагирующих газов.
Основные задачи:
разработка и создание аппаратуры для возбуждения и регистрации спектров и компьютерных программ обработки экспериментальных данных;
исследование способов уменьшения погрешности спектральных импульсных измерений;
получение опытных данных о температуре и концентрации молекул и радикалов в условиях, когда применение других методов затруднено.
Объект и предмет исследования. При разработке аппаратуры и программных средств объектом исследования служили различные процессы взаимодействия лазерного излучения с молекулами вещества и промежуточными продук-
6 тами химических реакций - свободными радикалами. Это - рэлеевское рассеяние, комбинационное (рамановское) рассеяние в спонтанном и когерентном вариантах, индуцированная лазером флуоресценция. Предмет исследования -возможности их использования для импульсных измерений температуры и состава в движущихся многокомпонентных газовых средах, в том числе, химически реагирующих. При тестировании и применении аппаратуры объектом служили струи, пламена, пограничные слои, вихревое течение. В каждом случае предмет исследования определялся поставленными и решаемыми задачами, исходя из эффективности методов и применявшейся лазерной и фотоприемной техники, например, условия возникновения конденсации, определение температуры горения в сложных условиях, а также абсолютных концентраций основных компонентов и радикалов, определение структуры течения и др. Научная новизна. Новыми результатами диссертации являются:
- экспериментальная оптическая схема двухволнового КАРС-спектромет-
ра для одновременного определения температуры и концентрации в газах, эф
фективно использующая энергию имеющегося лазерного излучения для возбу
ждения сигнала последовательно в контрольном и измерительном объемах,
с разделением пучков излучения, рассеянного в этих объемах, при помощи оп
тического клина. Она позволяет в диапазоне применимости метода получить
высокую чувствительность аппаратуры при имеющейся невысокой энергии ла
зерной системы;
- способы уменьшения случайной погрешности измерений методами
КАРС и двойного широкополосного КАРС, обусловленной пульсациями спек
тральной интенсивности сигнала. В отличие от известных решений, в методе
КАРС с вырожденными частотами предлагается регистрировать импульсные
спектры широкополосного лазера при одновременном исключении контрольного
объёма из оптической схемы. В методе двойного широкополосного КАРС пред
лагается использовать альтернативные варианты фазового согласования пучков
в измерительном и контрольном объемах с нормировкой на линии перекрест-
7 ной ветви. Эти способы применимы при моноимпульсных измерениях, когда неэффективно повышение интенсивности сигнала и невозможно накопление;
- универсальная компьютерная программа для КР- и КАРС-спектроско-
пии, реализующая функции расчета спектров и обработки экспериментальных
спектральных данных с детальным учетом параметров регистрирующей аппа
ратуры. Она предоставляет пользователю наглядное отображение данных, их
накопление и обработку, широкие возможности для оптимизации измерений;
применима в случае существенного перекрывания линий в спектрах, в том чис
ле, в спектрах смесей газов. Не имеет отечественных аналогов.
Оригинальность перечисленных решений подтверждена патентами РФ. Также предложены и впервые применены:
оптические схемы КАРС для двухточечных измерений корреляционных характеристик в потоках;
схема двухволнового КАРС для импульсного измерения температуры в струе продуктов горения твердого топлива при высоком давлении по неразрешаемому спектру азота;
спектральные схемы ЛИФ для измерения температуры и концентрации радикалов при горении газофазного топлива.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Создана аппаратура, превосходящая по совокупности характеристик применявшуюся ранее технику для контактных измерений. Показана ее применимость в реагирующих турбулентных потоках при давлении до 4 МПа в химически агрессивной газовой среде при температуре до 3 100 К и при сверхзвуковых скоростях движения. Она позволяет исследовать процессы с временным разре-шением 10 не и пространственным разрешением 0,1x0,1x1,0 мм .
Предложен и апробирован вариант КАРС-спектрометра с наиболее эффективным использованием располагаемой энергии лазерного излучения.
Многоцелевой КАРС-спектрометр адаптирован для применения на различных аэродинамических установках.
Создана универсальная программа для ЭВМ «CARSspectra», предназначенная для обработки спектров, полученных методами КР, КАРС и двойного широкополосного КАРС. Помимо расчета теоретических спектров, она содержит инструментарий для обработки экспериментальных спектров - методы калибровки, коррекции, сравнения, интегрирования сигнала в выбранных диапазонах. Программа зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, размещена на сайте ИТ СО РАН и открыта для использования как специалистами, так и в учебном процессе.
Созданы программы расчета спектров ЛИФ радикалов. Их тексты помещены в приложения к диссертации.
Предложены и апробированы схемы и методики измерений в спектрах КАРС и двойного широкополосного КАРС, уменьшающие влияние спектрального шума лазеров на результат измерений.
Полезность решений зафиксирована в патентах и научных статьях.
Полученные опытные данные о диапазоне применимости оптических методов измерения скалярных параметров газовых сред в сфокусированных пучках могут быть полезны специалистам в соответствующих областях:
параметры возникновения конденсации в свободных струях смесей мо-носилана можно использовать при выборе режимов напыления тонких пленок;
температура факела при горении твердого топлива может быть использована для проверки расчетных значений;
учет величины смещения места отбора пробы зондом позволит уменьшить систематическую ошибку при масс-спектрометрических исследованиях;
опытные данные по распределению абсолютных концентраций радикалов ОН в турбулентном пограничном слое с горением этанола размещены на сайте Института и могут использоваться для тестирования расчётных моделей.
Методология и методы исследований. Диссертационное исследование строилось на системной методологии оптической спектроскопии. Оно опиралось на представленную в научной литературе обширную информацию о моле-
9 кулярных константах, системах энергетических уровней, свойствах оптических переходов, тензорных свойствах восприимчивости вещества. Основным методом исследования в работе является физический эксперимент, включающий в себя измерение параметров лазерного излучения и сигнала рассеяния или флуоресценции, возникающих в результате воздействия лазерного излучения на объекты исследования. Для многофотонного воздействия на молекулы использовались апробированные способы частотного и фазового согласования пучков. Регистрация широкополосного сигнала проводилась методами многоканальной оптической спектроскопии. Результаты исследований, представленные в диссертации, получены с применением численного моделирования при обработке спектральных данных. Программы создавались самостоятельно средствами Microsoft Visual Studio 2008. В части, касающейся тестирования и применения разработанных аппаратуры и программ, использованы данные об исследуемых объектах, ранее полученные другими авторами методами газовой хроматографии, масс-спектрометрии, лазерной анемометрии и др. Основные положения, выносимые на защиту:
а) разработан многоцелевой спектрометр на основе мощного Nd:YAG ла
зера и накачиваемого им лазера на красителях. В нем используются двух-, че
тырех-, а также однофотонные межуровневые переходы в молекулах и радика
лах для бесконтактных количественных измерений температуры (до 3 100 К)
и концентраций (от 0,01 %) в реагирующих газовых потоках в сложных услови-
ях при высоком временном (10 с) и пространственном (0,1 мм ) разрешении.
Имеет приближенные к предельным энергетические характеристики и адапти
рован для использования на разных аэродинамических установках;
б) доказана взаимосвязь профилей спектральной интенсивности широкопо
лосного лазера и антистоксова сигнала, полученных при моноимпульсной регист
рации в схеме КАРС с вырожденными частотами. Их одновременное измерение
в одной вспышке лазеров и совместная обработка позволяют уменьшить случай
ную погрешность измерения температуры без использования контрольного объема;
в) показано, что изменение варианта синхронизма для взаимодействующих
лазерных компонент на альтернативный изменяет знак рамановского сдвига для
рассеянной компоненты двойного широкополосного КАРС (схема с невырож
денными частотами). Это обеспечивает коррелированные пульсации для одно
именных линий, соответственно, в О- и ^-ветвях двух спектров, полученных
в одном импульсе лазеров, и может использоваться для уменьшения случайной
погрешности измерений при одновременном упрощении аппаратуры;
г) температура и концентрации радикалов и молекул могут быть получены
из широкополосных спектральных данных при расчете полной базы данных
межуровневых переходов (одно-, двух- и четырехфотонных) и с учетом пара
метров лазерного излучения и регистрирующей аппаратуры;
д) также автор защищает полученные при исследованиях возможностей
методов измерений в сфокусированных лазерных пучках в газах - РР, КР,
КАРС и ЛИФ опытные данные:
о плотности газа в свободных струях смесей моносилана;
о составе газов при диффузии воздуха в Не и Н2 в широком диапазоне концентрации воздуха: 0,01 %-100 %;
о температуре факела при горении твердого топлива;
о температуре и концентрации радикалов при горении газофазного топлива;
о распределении абсолютных концентраций радикалов ОН в пограничном слое с горением этанола.
Диссертация соответствует паспорту научной специальности 01.04.05 -«Оптика» (технические науки, разработка инженерных аспектов построения оптических систем и приборов, а также методов и технологии изготовления оптических материалов), ее формуле и областям исследования, обозначенных в пунктах: 3 - «Молекулярная оптика. Дисперсия, поглощение, рассеяние света. Оптическая активность сред и структур. Оптика сред при внешних воздействиях. Оптические исследования фундаментальных свойств материи»; 4 - «Кван-
11 товая природа света. Спонтанные и вынужденные процессы. Статистика фотонов. Оптические методы передачи и обработки информации, физические основы квантовых вычислений»; 5 - «Люминесценция. Излучение и поглощение света изолированными и взаимодействующими атомами и молекулами. Источники света. Физические основы методов и техники спектроскопии. Лазерная спектроскопия, оптические прецизионные измерения и стандарты, спектроскопия одиночных атомов».
Степень достоверности и апробация результатов исследования.
Достоверность результатов достигалась:
применением методов измерений, основанных на эффектах с математически строгой зависимостью сигнала от параметров исследуемой среды;
расчетом полной базы данных межуровневых переходов и использованием известных молекулярных констант при обработке спектральных данных;
принципом минимизации расхождения между расчетным и экспериментальным спектрами, положенным в основу методов обработки данных;
выбором разнообразных объектов исследований (пограничный слой с горением над испаряющейся поверхностью, истекающие в вакуум и затопленные струи, газофазные пламена и продукты горения твердого топлива);
воспроизводимостью полученных данных и их сравнением с известными апробированными данными других авторов, которые были получены в аналогичных условиях, в том числе, с применением контактных методов измерений;
- калибровкой разработанной измерительной аппаратуры по эталонным
объектам с известными параметрами.
Результаты работы регулярно обсуждались по месту выполнения на семинаре Лаборатории термохимической аэродинамики Института теплофизики СО РАН, руководимой академиком РАН Волчковым Э. П. (1989-2013 гг.), получили одобрение на заседании ученого совета института и общеинститутском семинаре академика РАН НакоряковаВ. Е. в 2013г., докладывались на международных конференциях ICDERS-1989 (Анн Арбор, США), ISFS-1989 (Алма-Ата)/
12 1992/2011 (Новосибирск), ICMAR-1996/2002/2004/2007/2010 (Новосибирск), ММФ-2004/2008/2012 (Минск), NEPCAP-2005 (Сочи), ШТС-2006 (Сидней, Австралия), FLUCOME-2009 (Москва), конференции по явлениям в ионизованных газах - 1999 (Варшава, Польша) и симпозиуме по химии плазмы - 1999 (Прага, Чехия), симпозиумах по горению и взрыву GV-2005/2008 (Черноголовка), а также на Всесоюзной конференции «Генераторы низкотемпературной плазмы» - 1989 (Новосибирск), Всесоюзной/ Межреспубликанской конференции «Оптические методы исследования потоков» - 1989 /1993 (Новосибирск), Российских национальных конференциях по теплообмену РНКТ-1994/2006/2010 (Москва), Сибирском теплофизическом семинаре СТС-2004 (Москва - Новосибирск).
Внедрение результатов работы. В Институте теплофизики им. С. С. Кутате-ладзе СО РАН внедрены аппаратура, программы и методики измерений в газах. Работа проводилась по координационным планам НИР Института при поддержке Сибирского отделения РАН (Интеграционные проекты №№ 28, 24-12), фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере и президиума СО РАН (НИОКР №№ 3886, 2887Р/14801), фонда Сорос-ННЦ. Отдельные результаты получены в ходе выполнения проектов РФФИ (гранты №№ 93-02-14517, 96-02-19418, 96-03-33924, 99-02-17171, 00-15-99090, 02-02-16170, 05-02-16478, 09-03-00471), Фонда Президента РФ (гранты «Научные школы» №№ НШ-816.2003.8, НШ-6965.2006.8, НШ-2855.2008.8, НШ-4349.2010.8, НШ-656.2012.8), Международного научно-технического центра ISTC-МНТЦ (проект №2015), Международной ассоциации INTAS (проект №01-2257), РАН (№3.1.3), ИТФ СО РАН (№ 4.1.6, ОЭММПУ РАН 4.1), Федеральной целевой программы (ГК 02.516.12.0017), бюджетных проектов (Ф8-3.2.2.5 ГР 01.2007.05684 и Ф10 III 16.2.5 ГР 01.2010.53716). В Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) внедрены оптические схемы измерений в спектрах КАРС. Также двухволновый КАРС-спектрометр использовался при измерении температуры продуктов горения твердого топлива в ходе выполнения проекта РФФИ № 00-03-32429 и догово-
13 ров на создание научно-технической продукции в Институте химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН (ИХКиГ СО РАН).
Публикации. Опубликовано 37 печатных работ по теме диссертации, в том числе 16 статей из перечня российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, а также 2 патента РФ на изобретения, свидетельство на программу для электронных вычислительных машин, монография «Законы горения».
Все результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии в ходе многолетней работы в Институте теплофизики СО РАН. По инициативе и под руководством автора коллективно с ИФП СО РАН создавалась многоцелевая система. Исследования с применением оптических методов выполнялись совместно с сотрудниками ИТ СО РАН, а также ИТПМ СО РАН, ИХКиГ СО РАН. Представление в диссертации результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с коллегами, которым автор выражает благодарность за сотрудничество.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы, включающего 187 наименований, и 9 приложений. Общий объем работы 314 страниц, включая 125 рисунков, 26 таблиц и приложения. Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 002-2013.
Возможности средств для измерений в потоках в конце 1980-х...
Группа Тарана из ONERA (Франция) первыми применили КАРС для диагностики процессов горения. В обзоре [89] приведены схемы КАРС, параметры лазерной техники, которую они использовали для измерения температуры и концентраций, а также полученные спектры. Они провели измерения вращательной температуры в пламени, показавшие соответствие с термопарными измерениями, установили предел чувствительности, обусловленный нерезонансным фоном.
Обычная схема КАРС (с двукратно вырожденными частотами лазера накачки) используется для получения колебательных спектров молекул и вращательных спектров водорода. Однако, вращательные линии большинства молекул имеют рамановские сдвиги меньше, чем неизбежно существующее стоксово смещение частоты генерации красителя относительно частоты его накачки. Получение этих спектров требует усложнения аппаратуры. Например, часть излучения накачки преобразуют в третью гармонику для накачки красителя, излучающего в области второй гармоники. Другая схема волнового взаимодействия, известная как двойной широкополосный КАРС, позволяет получать спектры с малым рама-новским сдвигом, используя те же лазеры, что и в первой схеме. Это схема с невырожденными частотами. В ней используют два пучка, полученные разделением широкополосного излучения лазера на красителе, произвольные частотные компоненты которых воздействуют на вращательные переходы с рамановскими сдвигами в пределах лазерной полосы. А третий пучок, который рассеивается – это узкополосное излучение твердотельного лазера. Эта схема была впервые представлена в работе [92], она расширила возможности метода для одновременного измерения состава в многокомпонентной газовой среде.
В работе [181] было проанализировано влияние спектральной ширины лазеров на спектр сигнала КАРС и приведены формулы для свертки спектров лазерного излучения при расчете интенсивности сигнала КАРС.
В СССР методология КАРС развивалась на кафедре нелинейной оптики Московского государственного университета. В книге [3] рассмотрены все разновидности четырехфотонных процессов в спектроскопии. Также известны работы по исследованию газового разряда, проводившиеся в Физическом институте Акаде 34 мии наук [52, 51]. В них использовали узкополосные лазеры и сканирование спектра с регистрацией сигнала на ФЭУ. Измерение в каждой точке спектра происходило за время импульса лазеров, но применялось накопление сигнала чтобы уменьшить случайную ошибку. Сканирование протяженного участка спектра было продолжительным, благодаря тому, что объект исследования был стационарным. Были получены колебательно-вращательные спектры по относительной интенсивности компонент которых, расположенных внутри одной и в разных колебательных полосах, определяли вращательную и колебательную температуру. Мощности лазеров были не высоки, но они обеспечивали удовлетворительную интенсивность сигнала благодаря узкой линии лазеров и узким линиям азота в разреженном газе. Следует отметить, что практически в неизмененном виде метод был востребован и позднее. Например, известна совместная работа с ИТ СО РАН [60] по использованию этой методики КАРС для измерений в струях. В относительно недавней работе [28] подобным образом исследовалась колебательная кинетика молекул азота в импульсном разряде. В работе [61] уже методом широкополосного КАРС исследовалась низкотемпературная плазма высокочастотного разряда (давление 1-10 Тор). Схема фокусирования пучков обеспечивала пространственное разрешение всего лишь 20 мкм. Для анализа спектров КАРС при нарушении термодинамического равновесия по внутренним степеням свободы молекулы азота применялись собственные вычислительные коды. В работе [62] эта техника применялась для исследования тлеющего разряда.
В конце 80-х было заметным усиление интереса к четырехволновой спектроскопии. Он был вызван публикациями, связанными с недавним 50-летием открытия, например, [53]4 и произошедшим улучшением лазерной техники, способной обеспечить новые схемные решения. Не только в мире, но и у нас отмечался всплеск количества работ. Но многие из них не получили продолжения, т.к. не было средств расчета спектров – компьютеров и программ. Характеристики первых появлявшихся компьютеров не соответствовали сложности расчетной задачи. А отдельные попытки выполнить упрощенные вычисления на основе интеграль-4 См. также более поздние публикации [54] и [182]. ных интенсивностей полос, заимствованные из линейной спектроскопии, неприменимы без дополнительного обоснования.
Исследования с применением ЛИФ также отражали состояние экспериментальной техники в тот период. Создание лазеров на красителе, работавших в режимах удвоения и суммирования частоты, делало возможным возбуждение электронных переходов различных радикалов. Имевшиеся компьютеры, требования к которым были не такие высокие, как для КАРС, позволяли моделировать взаимодействие света с радикалами и рассчитывать спектры ЛИФ, используя всю информацию, накопленную в предшествующий период. Послуживший основой таких вычислений подробный алгоритм расчета эмиссионного спектра для радикала OH впервые был приведен в известной работе [84]. Однако, широкодоступных программ также еще не было создано.
В работе [127] измеряли температуру в водородо-воздушном и метано-воздушном пламенах при атмосферном давлении с применением трех методов – ЛИФ (радикала OH), КАРС (Q-ветви N2) и КР. Полученные данные оказались в хорошем соответствии друг с другом и с известными литературными данными.
Известен метод измерения мгновенной температуры, когда в двухволновой схеме с настройкой на две линии проводят разделенное во времени возбуждение радикалов с двух уровней нижнего состояния на общий уровень верхнего [76]. Такое двухэтапное измерение необходимо провести с короткой задержкой по времени. Отношение измеренных населенностей не будет искажено тушением и в случае больцмановского распределения по уровням будет пригодно для получения температуры.
Тестирование в пламенах водорода, пропана и этанола
Температура в пламени вихревой пропановой горелки. Для оценки возможностей метода при измерении высоких температур использовалось пламя вихревой пропан-бутановой горелки. Она обеспечивает однородную в области измерительного объема и при этом относительно невысокую температуру горения, которую можно измерить с помощью термопары. Помимо термопары для контроля температуры в пламя вводилась молибденовая проволочка. Ее температура накаливания измерялась пирометром с исчезающей нитью. На рисунке 2.17 показаны результаты измерений температуры. По данным для 245 спектров получено, что на уровне 1700 К дисперсия температуры составляет 219 К.
Температура в пламени плоской водородо - воздушной горелки.
Кроме пламени вихревой пропан-бутановой горелки, использовалось плоское диффузионное водородо - воздушное пламя щелевой горелки (220 мм). Такое горелка (слева); профиль температуры (в центре); гистограмма (справа) в точке x = 5 мм, на оси Рисунок 2.17 – Температура в пламени пропан-бутановой горелки диаметром 16 мм пламя имеет протяженный размер области с высокой температурой без пульсаций, превышающий продольный размер измерительного объема, и служит удобным объектом для тестирования аппаратуры. Оно обеспечивает известную стабильную высокую температуру близкую к заданной для камеры сгорания модельного ГПВРД. На рисунке 2.18 показан поперечный профиль осреднённой температуры на различных расстояниях от среза горелки. Видно, что максимальный её уровень
Развитие профиля осреднённых температур (в центре) и гистограмма (справа) в точке x = 60 мм на оси в пламени плоской (220 мм) водородо - воздушной горелки (слева) согласуется с измерениями [30]. Для получения средних значений, как правило, использовались 300-400 единичных спектров, каждый из которых получен за один импульс излучения лазерной системы ( 15 нс). Гистограммы, построенные на их основе, показаны на рисунке. Они соответствует области пламени, где температура не меняется во времени и характеризуют возможности аппаратуры при измере 68 нии мгновенных её значений. По данным для 367 спектров получено, что на уровне 2300 К дисперсия температуры составляет 211 К.
Последующие опыты в пламенах показали, что для измерений в объекте, удалённом на 2 м с характерным масштабом тепловых неоднородностей 2-5 мм, предпочтительна «плоская схема» фокусировки и пересечения лазерных пучков, обеспечивающая пространственное разрешение 0,10,11 мм. Эта схема использовалась для дальнейших измерений.
До создания аппаратуры КАРС импульсные измерения температуры были выполнены с применением метода рэлеевского рассеяния (см. 5.1.2). В одном из режимов, когда турбулентность набегающего потока составляла 8%, было обнаружено значительное расхождение (до 500 К) для осреднённых температур, полученных в ходе зондовых и оптических измерений. Причинами такого расхождения могли быть, во-первых, недостатки метода рэлеевского рассеяния, несвободного от рассеяния на частицах сажи, вызывающего появление паразитных засветок; во-вторых, проявление температурной перемежаемости во внешней области реагирующего пограничного слоя и, в-третьих, изменившаяся структура течения в канале. Проверить корректность метода рэлеевского рассеяния предполагалось в результате проведения прямых измерений мгновенной температуры методом КАРС. На рисунке 2.19 показаны результаты измерений мгновенной темпе 69 ратуры в пограничном слое с горением этанола при турбулентности 1% и 8%, скорости набегающего потока 10 м/с при высоте стабилизатора пламени 3 мм, удаление от стабилизатора вниз по потоку х = 160 мм.
Видно, что между данными прямых измерений температуры, полученными КАРС-спектрометром (кружочки) и термопарой (треугольники) нет расхождения. Квадратами показаны результаты косвенных измерений температуры по рэлеев-скому рассеянию. Аналогичные сопоставления проведены для опытов с внешней турбулентностью 18%. Таким образом, в ходе испытаний аппаратуры КАРС показано, что данные по осреднённым температурам, полученным зондовым методом (термопара) и оптическим (КАРС) для турбулентности набегающего потока 1 -18 % совпадают между собой.
Выводы. В ходе испытаний многоцелевого КАРС-спектрометра получены данные, которые свидетельствуют о его применимости для исследования высокоскоростных газовых потоков. Получены параметры, характеризующие точность разработанной аппаратуры, имеющей исходную энергию излучения 300 мДж/имп. При измерении высоких мгновенных температур, которые характерны для процесса в камере сгорания модельного ГПВРД, показано, что на уровне 2300 К дисперсия составляет 211 К.
Показана применимость оптического бесконтактного и безынерционного метода КАРС для измерений мгновенных температур в турбулентном пламени. Показано, что в рассматриваемом случае горения этанола в пограничном слое результаты среднемассового осреднения, которые характерны для термопарных измерений, а также данные осреднения по ансамблю (осреднённые КАРС-измерения) совпадают между собой.
Проявились и недостатки отдельных составляющих аппаратуры, связанные с невозможностью проводить накопление сигнала при регистрации спектров КАРС из нестационарного объекта. Большая ошибка импульсного измерения и квадратичная зависимость интенсивности от концентрации, приводили к тому, что интенсивность сигнала из турбулентного пламени пульсировала в широком диапазоне. Небольшой динамический диапазон имеющейся линейки (см. рисунок 2.12) затруднял измерение такого сигнала.
Радикал СН (системы А2А-Х2Ц В2Х-Х2Ц С2Ґ-Х2П)
Она обусловлена, в частности, спектральным шумом широкополосного лазера, вызванным в свою очередь «флуктуациями амплитуды и фазы лазерных мод», как сказано в работе [123]. Для учета флуктуации формы спектра используют опорный сигнал, полученный в том же импульсе. В колебательных спектрах принято в качестве опорного использовать сигнал, полученный на нерезонансной восприимчивости Х(3)т при рассеянии в инертном газе в том же спектральном диапазоне [162]. Для измерения двух спектров, опорного и измерительного, используют две линейки. Этот же способ нормировки применяется и при измерении во вращательных спектрах [183].
В этих опытах впервые изучалась возможность использовать для нормировки спектрального профиля опорные линии, расположенные в другом частотном диапазоне. Для этого предлагается возбуждать два спектра, в которых линии разных ветвей, взаимно симметричные относительно лазерной частоты ю3, порождены идентичными спектральными компонентами лазеров накачки, что приводит к корреляции флуктуации их интенсивности.
Эта возможность появляется при использовании двух схем неколлинеарного фазового синхронизма для четырехволнового взаимодействия с невырожденными частотами. Поскольку спектральные профили пучков накачки идентичны, то при вычитании волновых векторов к\ и 1І2 В соответствии с формулой )І4 = кі - к2 + кз в среде появляются два наведенных волновых вектора q, направленных в противоположные стороны. Далее в зависимости от направления волнового вектора лазерной волны кз возможны два направления волнового вектора сигнала к4. Это иллюстрируется на рисунке 4.8 двумя альтернативными вариантами синхронизма а и б.
Учитывая эти варианты фазового согласования, рассмотрим взаимодействие отдельных компонент в спектральных профилях пучков накачки. При синхронизме а компонента со одного из пучков накачки, выполняющая роль частоты со} формуле со 4 = со г - со 2 + со3, взаимодействуя с компонентами со" и со " дpугого, выполняющими pоль 2, в конечном итоге пpиводит к появлению антистоксовой a и, соответственно, стоксовой s частот вблизи лазерной частоты 3. Очевидно, что пpи синхpонизме б взаимодействие указанных лазерных компонент пpиводит с обpатным соответствием к появлению частот s и a. Т.о. в такой схеме накачки pассеяние в стоксову либо антистоксову область пpоисходит в зависимости от схемы фазового синхpонизма. Другими словами, выбирая разное направление узкополосного пучка в измерительном и опорном объемах, можно обеспечить формирование различных линий в спектре сигнала из одних и тех же
Альтернативные варианты фазового согласования волновых векторов при взаимодействии пучков накачки и формировании спектра сигнала лазерных спектральных компонент. С целью экспеpиментальной пpовеpки сделанных пpедположений измеpялись pасположенные по pазные стоpоны от лазерной частоты 3 "половинки" полных спектpов из двух объемов. Для этого был разpаботан способ их совмещения на одной "линейке".
В опытах энеpгия в импульсе пpобного пучка 3 (втоpая гаpмоника Nd:YAG лазеpа, 532 нм) составляла 50 мДж, общая энеpгия пучков накачки 1,2 (шиpокополосное излучение лазеpа на кpасителе 6-аминофеналенон, 600-620 нм) – 10 мДж. Подобно [99] излучение в пучке 3 и в одном из 1,2 было поляpизовано вдоль оси Y, а в дpугом 1,2 - вдоль X. Пучки сводились по схеме boxcars последовательно в опорном и измерительном объемах (рис. 4.9), каждый из которых находился в струе кислорода при атмосферном давлении и температуре. Между линзами Л2 и Л3 пробный пучок параллельным переносом, без изменения плоскости поляризации, смещался как показано на рисунке. Таким образом в опорном объеме обеспечивался фазовый синхронизм а и взаимодействие осуществлялось на компонентеХхуух3\ а в измерительном, соответственно, - б кХхуху(3)- Пучки из опорного и измерительного объемов - со4оп и ш4, пройдя через призму Глана для устранения остаточной засветки от пучка а з, попадали на входную щель двойного монохроматора ДФС-24. Благодаря клину К пучки были разнесены в вертикальном направлении. В промежуточной фокальной плоскости оба спектра попадали на установленную вместо средней щели плоскопараллельную пластину П, таким образом, что лазерная частота оказывалась на краю пластины. Наклоном пластины вокруг оси X можно было совместить на одной прямой стоксову ветвь опорного спектра с антистоксовой ветвью измерительного и получить т.н. комбинированный спектр. Вместо выходной щели устанавливался многоканальный анализатор оптических спектров (МАОС), представляющий собой фотодиодную линейку с усилителем яркости. Спектры за Внизу указаны взаимные положения пучков на элементах схемы
Пpи двух положениях пластины П pегистpиpовались комбиниpованные (пpи наклонном) и обычные (пpи веpтикальном) КАPС-КСPС спектpы. Пpогpамма обpаботки спектpов позволяла получать значения интегpальных интенсивностей указываемых спектpальных линий. Далее по ним pассчитывались отношения ин-тенсивностей, темпеpатуpы и статистические хаpактеpистики этих паpаметpов.
Уменьшение случайной погрешности измерений в схеме двойного широкополосного КАРС для чисто вращательных спектров
В наших опытах исследовались процессы диффузионного горения этанола и водорода, а также горения смесей водорода с кислородом. Исследования проводились методом ЛИФ в линейном режиме (5.4.1) и с насыщением сигнала (5.4.2). В обоих режимах использовалась одна и та же аппаратура, а энергетические, пространственно-временные и спектральные характеристики лазерного излучения и приёмной системы настраивались в соответствии с условиями измерений. Калибровка и учет тушения флуоресценции основаны на привлечении известных данных по абсолютной концентрации ОН при горении водорода [135] и имеющихся данных о составе газов в спиртовоздушных пламенах [10].
Аппаратура. На рисунке 5.39 показана схема измерений. Импульсно-периодический твердотельный Nd: YAG лазер с модуляцией добротности и преобразованием излучения во вторую гармонику использовался для накачки лазера на красителе родамин 6Ж с последующим удвоением частоты (Е= 0,05 мДж/имп., At = 15 нс, Fповт. = 10 Гц). Узкополосное (М = 0,4 ) ультрафиолетовое излучение лазера на красителе, перестраиваемое в требуемом диапазоне со скоростью примерно 10 /мин, фокусировалось линзой (F = 140 мм) в объект измерений. Флуоресценция из области перетяжки лазерного пучка с размерами 0,1x0,1x1,0 мм собиралась в вертикальном направлении системой двух линз F = 130 мм и F = 500 мм и фокусировалась с увеличением 3,5х на входной щели призменного монохроматора ДМР-4 (входная щель 200 мкм, высота 3 мм, средняя - 2 мм, выходная - 1 мм).. Прошедшее излучение регистрировалось фотоумножителем ФЭУ-97 (с напряжением 2,2 кВ), включенным на нагрузку 50 Ом, сигнал которого через линию задержки 260 нс (45 м кабеля РК-50) подавался в систему регистрации. Одновременно измерялась импульсная мощность УФ лазерного излучения с помощью фотодиода ФД-24К. Перед ним устанавливался фильтр УФС-5 для подавления посторонних засветок и экран из белой бумаги для конвертации излучения в видимый диапазон. При измерении ЛИФ в линейном режиме оба сигнала подавались на входы ЗЦП-4, установленного в крейте КАМАК, и интегрировались в течении 200 нс. Показанный на схеме стробоскопический осциллограф С1-74 использовался в измерениях, описанных в 5.4.2. Для синхронизации всех компонентов системы регистрации использовался импульс лавинного фотодиода, установленного за плотным зеркалом ЗГ Nd:YAG лазера. Импульс подавался на запуск
Программа ЗЦП-КАМАК на экране монитора (автор Волков А. А.) используемого для контроля сигналов осциллографа С1-75, а также на вход генератора Г5-56. Сформированные последним, импульсы с требуемыми амплитудами и задержками запускали ЗЦП-4 и С1-74. Данные накапливались в компьютере с применением программы ЗЦП-КАМАК (см. рисунок 5.40).
В режиме записи спектра ЛИФ непрерывно сканировалась длина волны лазерного излучения, а данные при суммировании по 5 имп/(на точку) отображались на экране компьютера. Время измерений в одной точке, определявшееся временем записи спектра, составляло 5 6 мин. В последующем из сравнения формы спектра, полученного в ходе эксперимента, со спектрами, рассчитанными для различных температур, определялось её значение в месте измерений. Для перехода в режим измерения интенсивности изолированной линии развертку спектра останавливали в момент прохождении пика нужной линии и сигнал вручную подстраивали до максимального значения. В этом режиме проводились “мгновенные” измерения концентрации за время импульса лазерного излучения. Объекты исследования.
В опытах с горением спирта использовалась та же сфера диаметром 15 мм из пористой нержавеющей стали (рисунок 5.8), которая была описана выше в 5.1.2. Измерения спектров возбуждения ЛИФ ОН проводились по обычной схеме рассеяния, показанной на рисунке 5.41.
В опытах с горением водорода воспроизводились условия экспериментов [134, 135]: в спутный воздушный поток 9.2 м/c устанавливалась горелка с диаметром сопла d = 3 мм, число Рейнольдса Rе = Udlv = 660 (ламинарное течение). Данные измерений концентрации ОН, полученные Lucht et al, в настоящей работе приняты, как эталон. Измерения сигнала ЛИФ для калибровки аппара 178 туры проводились в этом пламени (рисунок 5.42) на расстоянии от среза сопла x/d = 10, где наибольшая концентрация радикала ОН 4,5-1016 cм"3+30%, а также на расстояниях от среза сопла от 15 до 165 мм с шагом через 15 мм. Измерения проводились в пламени при вертикальном и горизонтальном перемещениях горелки. Исследовались диффузионные пламена этанола и водорода в воздухе, а также пламена заранее перемешанного топлива - водород с кислородом в соотношении, соответствующем стехиометрической, богатой и бедной смесям.
