Введение к работе
Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию методов лазерного зондирования аэрозольных частиц и молекул газов в многокомпонентных газовых потоках и содержит решение ряда задач, связанных с проблемой исследования и создания лазерных систем дистанционного зондирования таких потоков и предназначенных для использования в науке, технике, экологии и медицине.
Актуальность темы. Поиск новых лазерных методов и систем для дистанционного измерения параметров газовых потоков остается актуальным на протяжении последних четырех десятилетий с момента первого применения лазера для зондирования атмосферы в 1967 году. Дальнейшее развитие исследований в этом направлении привело к созданию новых лазерных систем, пригодных для практического применения и обогатило фундаментальные разделы физики и смежных областей. Пpи исследовании многокомпонентных газовых потоков важную pоль играют экспериментальные методы, так как экспериментальная информация в большинстве случаев является необходимой в качестве исходных данных для проведения дальнейших исследований параметров газовых потоков или их более детального изучения.
Из всего многообразия методов и измерительных систем для исследования газовых потоков в условиях рассеяния в свободной атмосфере были выбраны различные системы лазерного дистанционного зондирования, реализующие рассеяние Ми на аэрозольных частицах, комбинационное рассеяние света, флуоресценцию и дифференциальное поглощение и рассеяние лазерного излучения молекулами газа в потоке. Эти методы сегодня являются наиболее пеpспективными, так как пpименимость стандартных методов для измерения параметров газовых потоков оперативно и дистанционно пpедставляется пpоблематичной.
Эффективное использование методов лазерных дистанционных измерений для исследования газовых потоков тpебyет разработки физической модели таких потоков и оптических эффектов, наблюдающихся в них под действием лазерного излучения, использования единого подхода для их описания, тщательной оценки потенциальных возможностей таких методов, диапазона их применимости в дистанционном контроле конкретных компонент потока и влияния условий измерений на режимы работы лазерной системы. Создание таких лазерных систем для решения таких исследовательских задач привело к появлению нового класса автоматизированных лазерных измерительных комплексов, обладающих уникальными свойствами и делающих такие системы незаменимыми в ряде научных и практических применений.
Поэтому пpавильный выбоp эффективного метода дистанционного измеpения параметров газового потока для конкpетной экспериментальной задачи делает такие экспериментальные исследования актуальными. Для этого также необходимы тщательные исследования самих методов регистрации сигналов рассеяния для получения максимального полезного сигнала, определяющего измеряемый параметр потока.
Изменение ослабления излучения в атмосфере с ростом длин волн как лазерного излучения, так и излучения комбинационного рассеяния, нелинейная спектральная чувствительность фотоприемника и зависимость дифференциального сечения комбинационного рассеяния света молекулами от длины волны лазерного излучения в исследуемом газовом потоке приводят к сложному перераспределению интенсивностей спектральных полос молекул в спектре комбинационного рассеяния таких потоков. Поэтому такие исследования необходимы для учета конкретных параметров газовых потоков, выбранных длин волн лазера, расстояния зондирования и типа спектрометра для прогнозирования аналитических возможностей такого газоанализатора и выбора полос комбинационного рассеяния света молекулами, по которым могут быть измерены их концентрации в потоке.
Таким образом, актуальность работы состоит в необходимости комплексного подхода к описанию лазерных методов дистанционного зондирования на основе разработанной физической модели многокомпонентных газовых потоков, экспериментального обоснования эффективности этих методов, экспериментального поиска новых вариантов таких лазерных систем, эффективных способов обработки сигналов рассеяния и создания принципиально новых методов лазерного зондирования газовых потоков. В данной работе отражен научный вклад автора в развитие этого направления. Начало исследований, представленных в диссертации, относится к 1986 году. В это время в Институте НИПИОТСТРОМ НПО"Стромэкология" (г.Новороссийск) возникла проблема дистанционного зондирования параметров воздушного потока аэрозольных частиц, связанная с необходимостью комплексных исследований и детального изучения зависимости параметров различных оптических эффектов, возникающих под действием лазерного излучения от характеристик самих потоков.
Предметом исследования в настоящей работе являются многокомпонентные газовые потоки, включающие твердые частицы и газовые молекулы. В экспериментальных исследованиях использовались частицы реального цементного аэрозоля в воздушном потоке, вакуумные кюветы с молекулярным водородом и молекулярным йодом, для генерации аэрозольных частиц в воздущный поток использовались специально изготовленные авторами устройства. В вычислительных экспериментах дополнительно рассматривались углеродные частицы, радионуклиды, молекулы предельных, ароматических и серосодержащих углеводородов, а также окислы азота и серы в условиях свободной атмосферы.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка комплексного подхода к исследованию методов лазерного зондирования многокомпонентных газовых потоков на основе физической модели таких потоков с учетом их временной и пространственной динамики, теоретические и экспериментальные исследования методов лазерных дистанционных измерений параметров таких потоков и перспективные методы и системы лазерного зондирования.
Основные задачи научных исследований:
-разработка комплексного подхода к исследованию методов лазерного зондирования многокомпонентных газовых потоков на основе предложенной физической модели зондируемых потоков;
-экспериментальные исследования индикатрисы рассеяния на частицах реального цементного аэрозоля;
-экспериментальные исследования зависимости интенсивности рассеяния Ми на таких частицах от их концентрации в потоке методом лазерного зондирования;
-экспериментальные исследования зависимости параметров лазерной искры в воздушном потоке частиц реального цементного аэрозоля от параметров потока, контролируемых лазерным доплеровским анемометром;
-экспериментальные исследования параметров молекул водорода лазерным дистанционным газоанализатором на комбинационном рассеянии света;
-проведение экспериментальных исследований параметров молекул йода на лабораторном газоанализаторе дифференциального поглощения и дистанционном флуоресцентном газоанализаторе;
-вычислительные эксперименты для проверки физической модели и построения оптимальной системы дистанционных газоанализаторов комбинационного рассеяния, флуоресценции и дифференциального поглощения исследуемых молекул;
-анализ полученных результатов и оценка возможности применения такого газоанализатора комбинационного рассеяния в лазерной системе управления качеством атмосферного воздуха или предупреждения аварийных выбросов в нижние слои атмосферы над АЭС.
Для выполнения поставленных в работе задач использовались газодинамические, оптические и электрические методы экспериментальных исследований. Часть из них была усовершенствована для наших экспериментов и объектов, другие были разработаны автором. Исследования проводились как с непрерывными He – Ne газовыми лазерами, так и с импульсными YAG – Nd твердотельными лазерами в режиме с модулированной добротностью. Лазерные импульсы длительностью 10 нс, кроме большой пиковой мощности, позволяют получить высокое пространственное разрешение по расстоянию зондирования и исследовать временную динамику лазерной искры в аэрозольном потоке для выяснение физических механизмов взаимодействия мощного лазерного излучения с такими газовыми потоками. На всех этапах экспериментов широко использовались спектроскопические методы и зондовые измерения для исследования твердой фазы в газовом потоке. Для регистрации импульсных оптических сигналов и их обработки использовались разработанные под руководством автора микропроцессорные измерительные системы, работающие на линии с компьютером.
Научная новизна диссертации определяется тем, что на основе выполненных впервые экспериментальных и теоретических исследований динамики состава или концентраций многокомпонентных газовых потоков предложен и результатами вычислительных экспериментов подтвержден единый подход к анализу и развитию методов лазерного зондирования таких потоков. Предложенный подход включает в себя физическую модель зондируемых потоков, учитывает их временную и пространственную динамику, а также позволяет связать параметры исследуемых потоков с характеристиками рассеянного излучения. С помощью развитых методов получены новые физические константы для частиц и молекул, входящих в состав исследованных потоков.
К наиболее существенным из полученных впервые научных результатов можно отнести следующие:
1 Получена индикатриса рассеяния Ми на аэрозольных частицах при их импульсной генерации в воздушный поток на участке временного релаксационного спада концентрации частиц в течение времени эксперимента.
2 Установлена линейная зависимость между интенсивностью рассеяния Ми в направлении назад на длине волны излучения лазера 532 нм и счетной концентрацией частиц.
3 Исследованы зависимости пороговых параметров оптического пробоя или лазерной искры от счетной концентрации твердых частиц в воздушном потоке и установлено, что интенсивность свечения плазмы лазерной искры линейно возрастает с концентрацией частиц для плотностей энергии лазерного импульса на длине волны 1064 нм менее 500 Дж/см2.
4 В результате экспериментов на лабораторном дистанционном газоанализаторе комбинационного рассеяния света получено дифференциальное сечение комбинационного рассеяния света молекулой водорода на длине волны 532 нм.
5 Экспериментально измерены дифференциальное сечение флуоресценции молекул I2 и сечение дифференциального поглощения молекул йода на длине волны 532 нм и на длине волны 1064 нм в качестве опорной на расстояниях до 8 м.
Наибольшую научную значимость имеют результаты выполненных впервые экспериментальных и теоретических исследований, которыми был подтвержден единый подход к анализу и развитию методов лазерного зондирования аэрозольных частиц и молекул газов в многокомпонентных газовых потоках. Предложенный подход включает в себя физическую модель таких потоков с учетом их временной и пространственной динамики. На основе такого подхода получены новые физические константы для частиц и молекул, входящих в состав исследованных потоков, и показана возможность построения эффективных лазерных систем для дистанционного зондирования, что позволит сделать дистанционные измерения концентраций частиц и молекул массовыми.
Практическая значимость состоит в том, что предложенные в работе лазерные системы для экологического мониторинга могут быть использованы при разработке и создании экспериментальных образцов таких систем, параметры которых свидетельствуют о перспективности их использования в науке и различных технологиях. Наиболее важными из них являются:
- результаты экспериментальных исследований и создание экспериментальных образцов лазерных доплеровских анемометров для непрерывного измерения скорости и концентрации аэрозольных частиц в газовом потоке;
- результаты экспериментальных исследований и создание лабораторного стенда с замкнутым газоходом и генератором частиц для исследования индикатрисы рассеяния на частицах в воздушном потоке;
- результаты комплексных исследований по дистанционному измерению концентрации твердых частиц и газовых молекул на лабораторной установке и создание экспериментальных образцов дистанционных измерителей и газоанализаторов для решения различных экспериментальных задач.
Созданные экспериментальные образцы использовались при выполнении научных исследований в лабораториях НПО «Стромэкология», СПбГПУ, НПИ КубГТУ, в учебной работе на Радиофизическом факультете СПбГПУ и НПИ КубГТУ, а также передавались в виде экспериментальных образцов лазерных систем – Управление природных ресурсов Администрации г. Уфы, Институт океанологии РАН, ОКБ «Аметист» (Краснодар), ООО «ЭОЛ» (Новороссийск) и другим организациям.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1 Комплексный подход к анализу и развитию методов лазерного зондирования многокомпонентных газовых потоков, включающий в себя физическую модель зондируемых потоков, предложен на основе выполненных впервые экспериментальных и теоретических исследований динамики состава таких потоков и подтвержден результатами вычислительных экспериментов.
2 Индикатриса рассеяния Ми на твердых частицах в воздушном потоке была получена в режиме импульсной генерации частиц в воздушный поток на участке временного спада концентрации частиц в течении эксперимента с компенсацией изменения концентрации частиц за это время по прозрачности потока на длине волны 850 нм.
3 Сечение рассеяния Ми на длине волны 532 нм, отнесенное к единице счетной концентрации твердых частиц в воздушном потоке, и энергия свечения лазерной искры в потоке с единичной концентрацией твердых частиц при заданной плотности энергии лазерного излучения на длине волны 1064 нм, инициирующего эту искру, были измерены в результате одновременных дистанционных экспериментальных исследований интенсивности рассеяния Ми и пороговых параметров лазерной искры в таком аэродисперсном потоке при непрерывном контроле параметров потока лазерным доплеровским анемометром.
4 Дифференциальное сечение комбинационного рассеяния света молекулой Н2 на длине волны излучения второй гармоники YAG – Nd лазера 532 нм было измерено по экспериментальной зависимости энергии комбинационного рассеяния света на молекулах водорода от расстояния зондирования. Дифференциальное сечение флуоресценции молекулы I2 при зондировании на длине волны лазерного излучения 532 нм было измерено в результате экспериментальных исследований зависимости энергии флуоресценции на молекулах йода от расстояния зондирования. Сечение дифференциального поглощения молекулы I2 на длинах волн YAG – Nd – лазера 532 и 1064 нм было измерено в экспериментах по дифференциальному поглощению лазерного излучения молекулами йода на лабораторном трассовом газоанализаторе.
5 Варианты перспективных лазерных систем для экологического мониторинга были разработаны по результатам вычислительных экспериментов на основе измеренных постоянных молекул, которые позволили определить оптимальные параметры и режимы работы лазерных систем дистанционного зондирования исследованных молекул в газовых потоках и чистой атмосфере.
Достоверность полученных результатов, научных положений и сделанных выводов подтверждается применением общепринятых методик исследований, созданием лабораторных лазерных систем для проведения комплексных исследований многокомпонентных газовых потоков, соответствием результатов экспериментальных и теоретических исследований, а также экспериментальными данными, полученными другими авторами.
Личный вклад автора. В исследованиях, определивших защищаемые положения и основные выводы диссертации, автору принадлежат постановка исследовательских задач, их решение, руководство всеми экспериментами и их проведение, в том числе и вычислительных экспериментов, в большинстве которых автор принимал непосредственное участие, а также объяснение или интерпретация полученных результатов.
Апробация диссертационной работы.
Основные результаты настоящей работы докладывались:
на Всесоюзной конференции «Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении» в Белгороде, 1989 г.; на 14 и 15-ой Всесоюзных конференциях «Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов» в Москве, ВНИИОФИ, 1989 и 1991 гг.; Научно - технической конференции «Экологические проблемы застройки Крыма» в Севастополе, 1990 г.; Международной конференции по измерительной технике «MERA-91» в Москве, 1991 г.; 9-ой Научно - технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» в Москве, ВНИИОФИ, 1992 г.; семинаре «Лазеры в медицине и биологии» в Санкт-Петербурге, 1993 г.;, Российской Аэрозольной конференции в Москве, 1993 г.; научной конференции «Лазеры в экологии» в Санкт-Петербурге, 1994 г.; Международном Аэрозольном симпозиуме в Москве, 1994 г.; Первой Международной конференции по коммерциализации экологических технологий в Москве, 1994 г.; Международной школе - семинаре - выставке «Лазеры и современное приборостроение» в Санкт-Петербурге, 1993 - 1995 гг.; 5-м Санкт-Петербургском семинаре - выставке «Лазеры для медицины и биологии» в Санкт-Петербург, 1997 г.; симпозиумах «Газовые лазеры на парах металлов и их применения» (ЛПМ) в Ростове-на-Дону, Новороссийске, Сочи, Туапсе, 1996, 1998, 2000, 2002 и 2004 г.г.; на Международной конференции «Оптика лазеров» в Санкт-Петербурге, 1993 г.; на конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии» в Санкт-Петербурге, 2000 – 2006 г.г., Всероссийском симпозиуме «Лазерная диагностика и аналитика в науке и технологиях» в Санкт-Петербурге, 2000 г.; конференции «Лазеры, Измерения, Информация» в Санкт-Петербурге, 2000 – 2006 г.г.; на 5-й и 6-й Международных конференциях «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул» (AMPL) в Томске, 2001, 2003г.г.; Международной конференции «Уравнения состояния вещества» в п. Эльбрус (Кабардино-Балкария), 2000, 2002, 2004 и 206 г.г.; VI Международной конференции «Прикладная оптика» в С.- Петербурге, 2004 и 2005 г.г.; Международном семинаре «Современные технологии мониторинга и освоения природных ресурсов южных морей» в Ростове-на-Дону, 2005 г.; Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» в п. Эльбрус, 1999, 2001, 2003, 2005 г.г. и 8-ой Международной конференции «Оптические методы исследования потоков» в Москве, 2005 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 52 работах, в том числе 1 препринт, 1 учебное пособие (в соавторстве), 34 статьи в центральных журналах и 16 статей - в сборниках.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, общим объемом 278 страниц, включая 36 таблиц, 98 рисунков, и список использованных источников из 288 наименований, из них 93 – работы автора.