Введение к работе
Актуальность работы.
Необходимость исследований ширин линий 2-ветви водорода (Av = \,AJ = О, где v - колебательное и J - вращательное квантовые числа) при высоких температурах, проведенных в данной работе, продиктованы в первую очередь потребностью в этой информации в задачах термометрии кислородно-водородных пламен.
Поскольку при высоких температурах традиционные (термопарные) методы измерения температур неприменимы, используются преимущественно оптические бесконтактные методы диагностики, среди которых одним из наиболее информативных является метод /4РС-спектроскопии.
В кислородно-водородных камерах сгорания для стабилизации процесса горения обычно используются богатые смеси, так что молекулы водорода присутствуют в исследуемом объеме как на стадиях перемешивания и горения, так и в продуктах сгорания и являются удобными для ТСЛРС-термометрии. При этом для измерения температуры экспериментально регистрируется КАРС-спектр g-ветви молекулы водорода, содержащий несколько разрешенных линий J = 0 - 12, из соотношения интенсивностей которых восстанавливается Больцмановское распределение молекул по вращательным состояниям (температура является параметром этого распределения).
При давлениях газовых смесей выше 1 атм спектральные линии водорода имеют преимущественно столкновительное уширение, контуры линий — лоренцевские, с ширинами, зависящим от вращательного квантового числа J, температуры и партнера по столкновениям. Поэтому для корректного определения температуры из КАРС-спскгров g-ветви водорода необходимо обладать информацией о ширинах линий спектра и температурных зависимостях коэффициентов уширения линий водорода молекулами воды, поскольку вода является основным компонентом продуктов сгорания.
В то время как спектроскопические константы молекулы . можно считать хорошо известными, информация об особенностях уширения
спектральных линий водорода водой при высоких температурах 2000 - 3500 К и давлениях (100 - 200 атм), характерных для Н2/02 камер сгорания, отсутствовала. Более того, ввиду невозможности реализации высоких температур (более 1800 К) и давлений (80 - 200 атм) в стационарной нагреваемой кювете с парами воды [1], в данной работе была использована альтернативная возможность измерений непосредственно в кислородно-водородной камере сгорания высокого давления, предложенная в [2].
Таким образом, в работе имеется, с одной стороны, спектроскопическая направленность: исследование методом Л4РС-спектроскопии уширения спектральных линий водорода водой при высоких температурах, а с другой -направленность диагностическая, связанная с измерением температуры, процедура определения которой по фрагментам разрешенных А^РС-спектров (3-ветви водорода учитывает температурную и /-зависимости ширин спектральных линий водорода.
Цели диссертационной работы.
Основной целью диссертационной работы является исследование столкновительного уширения спектральных линий g-ветви водорода молекулами воды при высоких температурах в кислородно-водородном пламени с применением методики /С4РС-спектроскопии, позволяющей за один лазерный импульс регистрировать с высоким спектральным разрешением контур отдельной спектральной линии.
Кроме того, получение экспериментальных данных о температурных и J-зависимости ширин спектральных линий водорода имеет своей целью также их применение в практической термометрии кислородно-водородных пламён.
Основные задачи работы:
1. Провести исследования влияния спектральных шумов лазеров накачки КАРС спектрометра в схемах широкополосного (BroadBand - ВВ) и двойного широкополосного (Dual BroadBand - DBB) КАРС на форму контура отдельной линии КАРС-спекгра, регистрируемого с помощью
интерферометра Фабри-Перо (ИФП) за один лазерный импульс (~ 10 нсек). Для реализации схемы двойного широкополосного КАРС провести модернизацию узкополосного ІС4РС-спектрометра измерительного комплекса.
-
Исследовать диапазон возможных контролируемых изменений температуры и давления, реализуемых в камере сгорания от цикла к циклу, и установить режимы, соответствующие устойчивой их воспроизводимости. Для получения данных о давлении в камере сгорания дополнить комплекс двухканальным АЦП и создать в среде LabView программу чтения с АЦП отклика датчика давления и фотодиода, регистрирующего момент лазерного импульса зондирования, для последующей записи этих данных на ПК.
-
Разработать и программно реализовать алгоритмы обработки ИФП-интерферограмм Л^РС-спектров и определения на их основе ширин контуров регистрируемых линий КАРС-спектров.
-
Провести измерения ширин и определение коэффициентов уширения линий -ветви водорода, обусловленных столкновениями с молекулами воды, в температурном диапазоне 2000 - 3500 К.
-
Провести измерения и оценить уменьшение систематической ошибки в определении газовой температуры в кислородно-водородных пламенах в диапазоне 2000-3500 К на основе переходов g-ветви молекул водорода, связанное с учетом измеренной J-зависимости ширин линий этих переходов.
Научная новизна.
1. Проведено исследование столкновительного уширения спектральных линий 0-ветви молекул водорода (./=1,3,5,7,9) и экспериментально измерены ширины линий и—коэффициенты уширения, обусловленные столкновениями с молекулами воды, в температурном диапазоне 2000-3500 К.
2. Реализована процедура определения температуры на основе спектров Q-ветви водорода в кислородно-водородных пламенах при высоких температурах 2000 - 3500 К, учитывающая экспериментально измеренные ./-зависимости ширин линий.
Практическая значимость работы.
-
Измеренная при высоких температурах /-зависимость коэффициентов столкновительного уширения водой линий переходов g-ветви водорода может быть рекомендована к использованию при термометрии кислородно-водородных пламен в диапазоне 2000 - 3500 К.
-
Полученные данные также могут представлять интерес для теории столкновительного уширения спектральных линий при высоких температурах.
Защищаемые положения.
-
Коэффициенты уширения линий с ./=1,3,5,7,9 g-ветви молекул водорода, обусловленные столкновениями с молекулами воды в температурном диапазоне 2000-3500 К равны в пределах экспериментальной точности значениям, измеренным в данной работе.
-
Применение схемы DBB-KAPC при исследовании контура отдельной изолированной линии А^РС-спектра, регистрируемого с помощью интерферометра Фабри-Перо за один лазерный импульс (~ 10 нсек) даже в случае ограниченной ширины спектров лазеров (~1 см') уменьшает искажения формы контура, обусловленные спектральными шумами лазеров накачки, за счет усреднения шумов в спектре бигармонической накачки и позволяет реализовать спектральное разрешение 0.1 см'1.
-
Разработанные алгоритмы и программы обработки интерферограмм Фабри-Перо позволяют реализовать процедуры: а) определения центра симметрии и усреднения по углу пространственной двумерной картины интерференционных колец, приводящие к одномерному распределению интенсивностей по радиусу; б) определения ширин контуров отдельных
спектральных линий, регистрируемых интерферограмм Фабри-Перо, путем подгонки спектральных профилей интерференционных полос сверткой функций Эйри и Лоренца. 4. Учет измеренных в данной работе ./-зависимостей ширин линий Q1-Q9 молекул водорода уменьшает систематическую ошибку определения газовой температуры в Я/Ог-пламенах, основанном на измерениях интегральных интенсивностей линий Л^РС-спектров )-вегви водорода в диапазоне температур 2000 - 3500 К, на ~ 20 - 30% соответственно.
Личный вклад.
Результаты, представленные в работе, получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 14 работах, из них 5 публикаций в журналах из списка ВАК [1-5], и докладывались на конференциях:
1. XXIII Европейская конференция по нелинейно-оптический спектроскопии
ECONOS-2004, Эрланген, Германия, апр. 2004 г.
2. Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике
ICONO/LAT2005, Санкт-Петербург, Россия, 11-15 Мая 2005 г.
-
Российский Научный Форум с международным участием ДЕМИДОВСКИЕ ЧТЕНИЯ. Москва - Екатеринбург - Томск, 25 февраля - 6 марта 2006 г. Конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики».
-
XXV Европейская конференция по нелинейно-оптический спектроскопии ECONOS-2006, Братислава, Словакия, апр. 2006 г.
-
XIX Международная конференция по молекулярной спектроскопии высокого разрешения, (ICHIRMS) Прага, Чешская Республика, 29.08-02.09 2006 г.
6. XXVI Европейская конференция по нелинейной оптике и спектроскопии
ECONOS-2007, С.-Петербург, Россия, май 2007 г.
-
Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO/LAT2007, Minsk, Belarus, 28 May -1 June, 2007 г.
-
XXI Международная конференция по спектроскопии комбинационного рассеяния ICORS-2008, Лондон, Англия, 17-22 августа 2008 г.
9. Международная конференция «Комбинационное рассеяние — 80 лет
исследований» («КР-80»), ФИАН, Москва, Россия, 08-10 октября 2008 г.
10. XXVIII Европейская конференция по нелинейной оптике и спектроскопии
ECONOS-2009, Фраскати, Италия, май 2009 г.
11. 10-я Международная Научно-Техническая Конференция "Оптические
методы исследования потоков" (ОМИП-2009), Московский энергетический
институт (технический университет), Москва, РФ, 23 - 26 июня 2009 г.
-
XX Европейская конференция по нелинейной оптике и спектроскопии ECONOS-2011, Энсхеде, Нидерланды, май 2011 г.
-
VIII Тихоокеанский Симпозиум по Визуализации Течений и Обработке Изображений (PSFV1P-8), Москва, РФ, 21-25 августа 2011 г.
Структура и объем работы.
