ГЛАВА 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Экспериментальная установка.
Техника эксперимента.
Для получения адекватной информации о структуре горящего объекта необходима спектральная установка, обладающая высоким пространственным, временным и спектральным разрешением. Первое из требований обеспечивает возможность разрешения тонкой структуры пламени, второе - исключает влияние нестабильности объекта и переходные процессы, третье условие позволяет получить информацию о газовом компоненте по линейчатым и полосатым спектрам. Кроме того, установка должна обладать высокой чувствительностью, особенно в УФ диапазоне длин волн, поскольку температура углеводородных пламен в воздухе едва достигает 2000К. Располагая значительным опытом исследования процессов горения металлических частиц и их газовзвесей, мы модифицировали и дорабатывали аппаратуру, описанную в работах [14,17-19].
В основе установок для исследования спектров излучения и поглощения использовался спектральный прибор, собранный по схеме Черни-Турнера, блок-схема которой приведена на рис.2.1. Входная щель (3) располагалась в фокальной плоскости сферического зеркала (4), формирующего параллельный пучок на дифракционную решетку (5). Разложенное в спектр излучение фокусировалось зеркалом (6) в плоскости входной щели (8). Плоское зеркало (7) находилось на якоре электромагнитного устройства и совершало колебательное движение (при необходимости), возбуждаемое генератором пилообразного напряжения (11). Амплитуда колебаний изменялась регулировкой напряжения, подаваемого на электромагнитное устройство, что и позволяло, в частности, изменять ширину сканируемого участка спектра от 1 до 20 нм. Частота следования спектров могла меняться от 1 до 120 спектров в секунду. Необходимый спектральный интервал выставлялся поворотом дифракционной решетки, которая могла поворачиваться с помощью электромотора, с целью регистрации спектра в достаточно широком диапазоне длин волн (от 0,25 до 0,8 мкм). Излучение регистрировалось с помощью ФЭУ-106 (9) и фиксировалось запоминающим осциллографом (10). Зафиксированный сигнал фотографировался. Разрешающая способность прибора с решеткой 1200 штрихов/мм во втором порядке дифракции достигала 2 ? 104. Излучение от объекта (1) с помощью линзы (2) фокусировалось в плоскость входной скрещенной щели (3). Для повышения пространственного разрешения линза (2) диафрагмировалась. Радиальные распределения излучения регистрировались с помощью плоского зеркала (на рис.2.1 не изображено), совершавшего колебательное движение подобно зеркалу (7). Поворот зеркала (7) приводил к смещению изображения объекта и, тем самым, к записи радиальных распределений. Пространственное разрешение установки в области объекта было не хуже 50 мкм.
Градуировка установки по длинам волн и контроль ее разрешающей способности проводились с помощью газоразрядных ламп низкого давления. Рис.2.2 иллюстрирует контур аппаратной функции и разрешающей способности. На рис.2.2 (осциллограмме) зафиксированы линии Hg (?1 = 5769,6А и ?2 = 5789,66А) и одна из них записана с малым временем развертки. Это позволяет судить о контуре линии, а, вернее, о виде аппаратной функции, поскольку полуширина линии излучения не превышает ?? ? 0,02А. Использовалась газоразрядная лампа низкого давления.
На рис.2.3 представлена блок-схема установки для исследования экстинкции конденсированной фазы горящего источника на различных длинах волн. Точечный источник (1) располагался в фокусе линзы (2) так, что объект (3) просвечивался параллельным пучком. Линза (4) фокусирует излучение на точечную щель спектрального прибора (5). Излучение регистрировалось фотоэлектронным
Рис.2.1.Схема установки Черни-Турнера
Рис.2.2. Контур аппаратной функции.
Рис.2.3. Блок-схема для измерения экстинкции.
умножителем ФЭУ-106 (6). Линзы (2) и (4) сильно диафрагмировались: так что рассеянное излучение на малые углы уже не попадало в точечную цель. Для регистрации зависимости экстинкции от координат использовалось поворотное зеркало, совершающее колебательное движение. Оно располагалось между объектом (3) и линзой (4) и на рис.2.3 не указано.
Обратимся теперь к методикам экспериментов.
2.2. Полицветовой метод определения температуры конденсированной фазы. Спектральная светимость. Спектральная испускательная способность пламени.
Существуют различные методы определения температуры при температурах горения [20-22]. Наиболее распространенными методами определения температуры К-частиц являются так называемые методы оптической пирометрии. В работе [23] предлагается модифицированный метод измерения температуры по положению виновского максимума. Главным недостатком традиционных методов оптической пирометрии является то, что при этом измеряется не истинная температура объекта. Проводится измерение радиационной либо яркостной, либо цветовой температуры [24]. Эти методы требуют изначальной информации о спектральной испускательной способности. Иначе в первых двух случаях измеренная температура оказывается заниженной, в последнем - возможны любые варианты. В связи с этим, в работах [18, 37] разработан так называемый полицветовой метод определения температуры К-фазы, лишенный указанного недостатка и позволяющий проводить измерение истинной температуры. Суть метода заключается в следующем. Измеряется спектральная светимость (r?) объекта в достаточно широком спектральном интервале. Далее, используя формулу Вина и закон Кирхгофа, строится график зависимости lnr??5 от 1/?.
(2.1)
где r? - спектральная светимость; ?? - спектральная излучательная способность пламени; с1, с2 - известные константы; ? - длина волны; Т - истинная температура. В интервале длин волн, в котором график представляет собой прямую, излучение можно считать серым, что и позволяет определить истинную температуру: T = -c1/tg? (tg? - тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс). Спектрал