一种同时测量HF转动温度和振动能级粒子数分布的方法技术

本发明专利技术涉及一种同时测量HF转动温度和振动能级粒子数分布的方法，它基于自发辐射荧光光谱技术，是一种利用直线作图法同时测量HF分子转动温度和振动能级粒子数分布的新方法。本发明专利技术主要应用于HF化学激光测试诊断技术领域，可以同时测量转动温度和振动粒子数分布，只需要将HF基频自发辐射荧光光谱各个振转谱带的P支谱线强度进行简单的处理之后作图即可，具有简单方便、直观准确、非侵入性等特点。利用本发明专利技术，可以实现HF化学激光器中转动温度和振动激发态各个能级粒子数分布的同时快速测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种HF化学激光器的测量诊断技术，具体的说是一种同时测量HF转动温度和振动能级粒子数分布的方法。利用傅里叶变换红外光谱仪测量得到的HF基频跃迁辐射光谱，可以用于监测HF分子的转动温度T以及v=1,2,3等振动激发态的粒子数分布情况，从而监控HF化学激光器的运转性能。
技术介绍
自从1964年第一台化学激光器问世以来，化学激光器的发展堪称突飞猛进，速度惊人，其中尤以HF化学激光器的发展最为成熟，连续波输出功率高达MW级别的美国Alpha HF化学激光器曾一度是激光武器的代名词。HF化学激光器的主要运行原理如下：（1）含F化合物在燃烧室中热解产生F原子，也可能会有少量F2分子，另外，在通过喷嘴的过程中F原子也可能复合产生F2分子；（2）从喷嘴中出来的F原子与加入的H2分子发生反应，产生振动激发态的HF分子（用HF(v)表示），F+H2→HF(v)+H，此反应的放热量较小（31.5kcal/mol），被称为冷反应，产物HF分子的振动量子数最高可以到v=3；（3）产生的H原子又会与F2分子发生冷反应，产生振动激发态的HF分子（用HF(v)表示），H+F2→HF(v)+F，此反应的发热量很大（98.0kcal/mol），被称为热反应，产物HF分子的振动量子数最高可以到v=10；（4）根据爱因斯坦受激辐射原理，振动激发态分子HF(v)在光腔中发生谐振，产生激光。为了深入了解HF化学激光器的运行状况，有必要对气体流速、光腔压力、光腔温度、HF各振动态的粒子数分布等运行参数进行测量诊断。由于HF化学激光一般都在超音速条件下运转，因此常规的侵入式温度测量方法对超音速流场有严重的影响，不适合HF化学激光流场的温度测试。光学方法由于具有非侵入性的特点，所以最为适合这种测量场合。另外，一般温度测量或粒子数分布测量都是单独进行的，很少将二者结合起来，这样会造成需要多次重复试验的现象，这不但会造成物质材料的浪费，还会造成宝贵试验时间的浪费。本专利技术正是在这样的背景下，充分考虑到HF各辐射谱带的特性而设计的一种测量同时测量HF转动温度和振动能级粒子数分布的技术。该技术的基本原理如下：Iv,J=hcωv,JAv,JNv,J  (1)不同振转跃迁辐射的强度可以用公式（1）表示，其中h为Planck常数，c为光速，v,J为跃迁波数，Av,J为爱因斯坦自发辐射系数，Nv,J为振转态(v,J)的粒子数密度。Nv,JNv=gv,Jexp(-hcEv,J/KT)Qv---(2)]]>HF分子振动态的各个转动态粒子数分布符合转动热平衡分布（波尔兹曼分布定律），各个振转态的粒子数密度可以用公式（2）表示，其中Nv为振动态(v)的粒子数密度，gv,J为振转态(v,J)的简并度，Ev,J是(v,J)态的转动能级，k为波尔兹曼常数，T为气体温度，Qv为转动配分函数。HF转动配分函数一般可以表示为：Qv=kThcBv---(3)]]>
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用直线作图法同时测量HF化学激光器转动温度和HF高振动态粒子数分布的方法。通过该方法，可以实现同时测量HF化学激光器转动温度和HF高振动态粒子数分布，进而考察HF激光器燃烧室和光腔运行状况的目的。为实现本专利技术的目的，我们给出如下公式：将（2）和（3）式代入（1）式，并对两边取对数，则可以得到：ln(Iv,Jωv,JAv,Jgv,J)=-hcEv,JkT+ln(h2c2NvBvkT)---(4)]]>令y=hcEv,Jk,x=ln(Iv,Jωv,JAv,Jgv,J),]]>由公式（4）可以得到：y=-Tx+Tln(h2c2NvBvkT)---(5)]]>利用公式（5），根据1-0振动谱带系的不同转动谱线的强度分布情况，通过一系列处理后进行作图，可以得到一条直线，其斜率的负数就是温度T。令y=ln(Iv,Jωv,JAv,Jgv,J),x=hcEv,Jk,JJv=ln(h2c2NvBvkT),]]>由公式（4）可以得到：y=-T-1x+JJv  (6)可以看到，y与x成线性关系，其斜率为-T-1，而截距则为JJv。根据1-0,2-1，3-2三个振动谱带系的不同转动谱线的强度分布情况，通过一系列处理后进行作图，可以得到三条直线，每一条直线的斜率基本相同，但是其截距相差很大，分别标记为JJ1、JJ2和JJ3。根据不同直线的截距情况就可以得到不同振动态的粒子数分布之比,由于Bv变化不大，因此具体计算公式为：Nv+1Nv=exp(JJv+1-JJv)---(7)]]>为了实现本专利技术的目的，具体的技术方案为：一种同时测量HF转动温度和振动能级粒子数分布的方法，该方法包括以下步骤：（1）HF基频辐射光谱的测量和处理。（2）对(1-0)的R支数据作图得到一条直线，利用直线的斜率得到HF分子的转动温度。（3）对1-0,2-1,3-2三个振动谱带的P支数据作图得到三条直线，利用不同直线的截距得到HF分子v=1,2,3等振动能级的粒子数分布情况。所述步骤（1）中，利用傅里叶变换红外光谱仪进行HF基频辐射光谱测量，测得HF振动激发态分子的自发辐射荧光光谱，主要是v=1,2,3等振动态的基频辐射跃迁，产生的光谱谱带包括1-0,2-1,3-2。对所得的光谱图进行数据处理的具体步骤包括：（1）读取各振动谱带的R支和P支谱线强度Iv,J；（2）利用公式ln得到量Ln(I/wag)，其中Iv,J为谱线强度，ωv,J为跃迁波数、Av,J为爱因斯坦自发辐射系数，gv,J为上能级简并度；（3）利用公式得到量hcFu/k，其中h为普朗克常数，c为光速，k为波尔兹曼常数，Ev,J为转动能级。得到HF分子转动温度的步骤为，对1-0振动谱带的R支转动谱线进行处理，以量hcFu/k对量Ln(I/wag)作图，剔除R0和R1两个数据点，对剩下的数据点进行直线拟合，得到的斜率的负值就是转动温度T。得到HF分子v=1,2,3等振动能级的粒子数分布情况的步骤为，对1-0、2-1、3-2三个振动谱带的P支数据进行处理后，以量Ln(I/wag)对量hcFu/k作图，得到三条直线，剔除显著不符合规律的数据点，对剩下的数据点分别进行直线拟合，则根据每两条直线的截距差值就获知它们对应的振动能级的粒子数之比。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术通过采用傅里叶变换红外光谱仪测量HF基频辐射（Δv=1）光谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同时测量HF转动温度和振动能级粒子数分布的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：（1）HF基频辐射光谱的测量和处理；（2）对(1‑0)的R支数据作图得到一条直线，利用直线的斜率得到HF分子的转动温度；（3）对1‑0,2‑1,3‑2三个振动谱带的P支数据作图得到三条直线，利用不同直线的截距得到HF分子v=1,2,3等振动能级的粒子数分布情况。

【技术特征摘要】
1.一种同时测量HF转动温度和振动能级粒子数分布的方法，其特征在
于：该方法包括以下步骤：
（1）HF基频辐射光谱的测量和处理；
（2）对(1-0)的R支数据作图得到一条直线，利用直线的斜率得到HF
分子的转动温度；
（3）对1-0,2-1,3-2三个振动谱带的P支数据作图得到三条直线，
利用不同直线的截距得到HF分子v=1,2,3等振动能级的粒子数分布情况。
2.按照权利要求1所述的一种同时测量HF转动温度和振动能级粒子数
分布的方法，其特征在于：
所述步骤（1）中，利用傅里叶变换红外光谱仪进行HF基频辐射光谱测
量，测得HF振动激发态分子的自发辐射荧光光谱，主要是v=1,2,3等振
动态的基频辐射跃迁，产生的光谱谱带包括1-0,2-1,3-2。
3.按照权利要求2所述的一种同时测量HF转动温度和振动能级粒子数
分布的方法，其特征在于：
对所得的光谱图进行数据处理的具体步骤包括：
（1）读取各振动谱带的R支和P支谱线强度Iv,J；
（2）利用公式得到量Ln(I/wag)，其中Iv,J为谱线强度...

【专利技术属性】
技术研发人员：李留成，多丽萍，金玉奇，唐书凯，李国富，王元虎，于海军，汪健，王增强，曹靖，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21