專利名稱：一種碘流量測量裝置及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于吸收光譜法測量碘流量的技術。通過這種測量方法，使窗口
污染導致測量不準確甚至無法進行的問題得以解決。普遍采用的單波長吸收光譜很難將碘 流量測量準確，因為碘蒸汽會凝結(jié)在測試窗口上，同時碘在容器和管道中形成的一些雜質(zhì) 也會污染窗口，這部分污染是無法用加熱的方法去除掉的。該碘流量測量技術抗窗口污染 能力強，工程可靠性好，為氧碘化學激光器關鍵參數(shù)測量提供了可靠的保障，從而可以推動 高能氧碘化學激光器的發(fā)展。
背景技術：
超音速氧碘化學激光器主要是由單重態(tài)氧發(fā)生器，分離器和除水冷阱，碘發(fā)生器， 超音速混合噴管，光腔及真空系統(tǒng)等幾部分組成?；驹怼獊喎€(wěn)態(tài)粒子0J1 A)與碘原 子近共振傳能
。2 (1 △) + /(2尸3/2) < V ^ 〉化(3 S) + /(2尸1/2)
激射出光I (2P1/2) +hv — I (2P3/2) +2hv(A = 1 315 ii m)
其中02CA)是在單重態(tài)氧發(fā)生器中反應產(chǎn)生的，即
C12+2K0H+H202 — 2KCl+2H20+02 (1 A ) 但作為激射介質(zhì)碘原子是如何來的呢？它是由碘分子發(fā)生器蒸發(fā)出的12與 02CA)碰撞解離而產(chǎn)生的?？偟膩碇v
02 (1 E ) +I2 (X) — 21 (2P3/2) +02 (3 E )
02 (1 A ) +I2 (X) — I2* (X) +02 (3 E )
02C A)+I2*(X) — 2I(2P3/2)+02(3 E )
I (2P, J +1 (X) — I (2P3/2) +I2
-3I(2P3/2)
'(X)
i(2p1/2)+i2(x)- I(2P1/2)+I2*(X)
氧碘化學激光器中各種原料之間的配比比例是非常關鍵的，比例不合適會導致激
右
光輸出功率下降甚至不出光。碘蒸汽作為激光器的重要原料，準確計量并實時監(jiān)測它的沒 量是尤為重要的。目前采用的是文氏管計量，測量的準確度依賴于噴管的加工精度，而且在 流速條件沒有滿足的條件下是無法得到有效數(shù)據(jù)的。單一波長的吸收光譜法由于受到測試 窗口污染的限制而無法進行。基于上述的問題，本發(fā)明提出采用雙波長吸收光譜法對碘流 量進行實時監(jiān)控和測量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種實時在線的碘流量測量技術，即一種碘流j 其應用，通過本發(fā)明可實現(xiàn)對氧碘化學激光器的重要參數(shù)碘流量進行在線測 優(yōu)化激光器性能的目的。 為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，具體的技術方案是
:，從而達到
—種碘流量測量裝置，在所需測定碘流量的測試吸收池的一側(cè)設置有光源，在光 源的發(fā)射光路上、于測試吸收池左右兩側(cè)分別設置有對稱的石英玻璃測試窗口 ，在測試窗 口和光源之間設置有聚焦透鏡，在測試吸收池的另一側(cè)測試窗口外側(cè)設置有分束片；
光源的發(fā)射光經(jīng)過測試吸收池后被分束片分成兩部分光，透過分束片即為測試 光，反射的即參考光；在分束片外側(cè)的測試光路和參考光路上分別依次設置有聚焦透鏡和 帶通干涉濾光片及硅探頭；硅探頭通過導線與計算機上的數(shù)據(jù)采集板連接，由計算機進行 數(shù)據(jù)采集和處理。 在測試吸收池的外側(cè)壁面上包裹有加熱元件；在測試吸收池的外壁上設置有壓力 傳感器和溫度傳感器；所述光源的光譜發(fā)射范圍為300-700納米。 上述碘流量測量裝置可用于氧碘化學激光器中進行碘流量的測量和關鍵實驗參
數(shù)的日常診斷上。 本發(fā)明的有益效果是 1 、本發(fā)明通過采用雙波長吸收光譜法實現(xiàn)了對碘流量的實時監(jiān)控和測量。 2、本發(fā)明解決了窗口污染導致碘流量測量不準確甚至無法測量的問題。 3、本發(fā)明可以用于其他因窗口污染導致無法采用吸收光譜法測量物種濃度的測
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實施的工藝流程圖。
具體實施方式
實施例1 本發(fā)明是基于光譜吸收法的創(chuàng)新應用，根據(jù)比爾吸收定律，一束光經(jīng)過氣體后會 被吸收，透射光強和初始光強存在如下的關系
I = I0exp (_ o nL) I。為初始光強，I為透射光強，o為吸收截面(cm2) ， n為氣體濃度(個分子/cm3)， L為吸收長度(cm)。由于窗口會被氣流攜帶的灰塵污染，所以透射光強和初始光強的關系 應改為 I = I0 (1- a》*exp (- o nL) (1_ a 2) aJP a2分別為光入射窗口和出射窗口的污染吸收系數(shù)。如果采用單波長的光 譜吸收法，測量的氣體濃度要比實際值偏大。為了解決這個問題，我們采用雙波長光譜吸收 進行測量，其中碘蒸汽不吸收的波長用來監(jiān)測除了碘蒸汽吸收之外的其他光損失，而其中 碘蒸汽吸收的波長測到的光損失不僅包括碘蒸汽吸收還包含以上的成分。下面以470nm和 365nm為例。碘蒸汽在470nm是有吸收的，而在365nm沒有吸收，則對應這兩個波長的透射
光強和初始光強的關系分別如下 I470 = I。470 (1- a ,0) e鄧(-o nL) (1_ a 2470) I365 = I0365 (1- a ,5) (1- a 2365) 由于窗口污染導致的光損失比例對于470nm和365nm而言是相同的，所以氣體的濃度就可以由下式給出 n = (In (I365/I。365) —In (I477l。470)) / 。 L 根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程，可以計算得到碘蒸汽的氣體壓力，另根據(jù)測量得到的 氣體總壓和載氣的流量和Dalton定律就可以得到流動體系中碘蒸汽的準確流量
MI2 = PI2Mc〃Pt0「PI2) MI2為碘蒸汽的摩爾流量，Pu碘蒸汽的氣體分壓，Pt。t為氣體總壓，M。為載氣的摩爾流量。 針對上述碘流量測量技術，本發(fā)明進行了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概念設計，如圖1所示。該系 統(tǒng)可以滿足氧碘化學激光器對碘流量實時在線測量的要求。 —種碘流量測量裝置，在所需測定碘流量的不銹鋼測試吸收池11的一側(cè)設置有 光源6，在光源6的發(fā)射光路上、于測試吸收池11左右兩側(cè)分別設置有對稱的石英玻璃測試 窗口 5，在測試窗口 5和光源6之間設置有聚焦透鏡2，在測試吸收池11的另一側(cè)測試窗口 5外側(cè)設置有分束片3 ; 光源6的發(fā)射光經(jīng)過測試吸收池后被分束片3分成兩部分光，透過分束片3的光 即為測試光，反射的光即為參考光； 在分束片3外側(cè)的測試光路上依次設置有聚焦透鏡2和帶通干涉濾光片1及硅探 頭7; 在分束片3 —側(cè)的參考光路上依次設置有聚焦透鏡2和帶通干涉濾光片1及硅探 頭7; 硅探頭7通過導線與計算機8上的數(shù)據(jù)采集板連接，由計算機8進行數(shù)據(jù)采集和 處理。 在測試吸收池11的外側(cè)壁面上包裹有加熱元件4，所述加熱元件4可為加熱器套 管，在測試吸收池11的外壁上設置有壓力傳感器9和溫度傳感器10。
所述光源6為具有較寬譜帶，至少應含有300 700nm的光； 用不銹鋼制成碘蒸汽測試吸收池，將石英窗口鏡片密封在兩端作為探測光的進口 和出口。應用前準備將測試吸收池連接在碘蒸汽的管路上，探測光經(jīng)準直透鏡后在兩個石 英窗口的中心通過。從窗口透過的光經(jīng)45度分束片后分成不同光譜成分的光(即于測試 吸收池透射光出口處設置有光分束片，將光按照光譜成分分成兩部分。這兩個不同光譜成 分的光用光電探頭探測)，含有365nm的光經(jīng)干涉濾光片后由硅探頭進行探測，含有470nm 的光同樣經(jīng)過中心波長為470nm的干涉濾光片后由硅探頭進行探測。光學探測光路調(diào)整好 后，用計算機采集兩種不同波長的初始透射光強并保存到文件中。實驗時，由計算機遠程控 制兩種波長透射光強的采集時間和采樣速率。測試池氣體壓力和溫度以及載氣流量同樣輸 入到計算機記錄和監(jiān)測。最終經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計算得到隨時間變化的碘流量。
具體操作步驟如下
實驗前準備 第一步給加熱元件通電，加熱到設定溫度并穩(wěn)定20分鐘。 第二步調(diào)整光路。使經(jīng)過準直的探測光經(jīng)過測試池后照射到硅探頭光敏面上，調(diào)
整硅探頭的位置使得其輸出的電信號達到最大值。
實驗過程
第三步由計算機測控系統(tǒng)設定采集時間和采樣頻率，將測量得到的數(shù)據(jù)存入計算 機。 第四步結(jié)束實驗。對計算機采集得到的硅探頭信號、載氣流量信號、測試池的氣體 總壓和溫度進行綜合分析處理，得到碘流量。
具體實施流程圖參見圖2。 該發(fā)明具體應用到氧碘化學激光器上，可根據(jù)具體碘蒸汽分壓的不同值要求，選 用不同的干涉濾光片，以獲得較高的測量靈敏度。 本發(fā)明通過雙波長光譜吸收法測量流動系統(tǒng)中碘蒸汽的流量。碘蒸汽對光譜范圍 為300 700nm之間的光有不同程度的吸收，利用碘蒸汽的這一性質(zhì)，根據(jù)比爾定律，可以 測量并計算得到碘蒸汽的分壓。在此流動體系中，碘蒸汽是依靠載氣(He或者N》來攜帶 的，根據(jù)已知的載氣流量和測量得到的氣體溫度、總壓和碘蒸汽的分壓，就可以計算出碘流 量。實驗結(jié)果表明，本發(fā)明可以有效解決測試窗口污染導致測量不準確，甚至無法進行的問 題，而且結(jié)構(gòu)小巧，具有普遍的適用性。
權利要求
一種碘流量測量裝置，其特征在于在所需測定碘流量的測試吸收池(11)的一側(cè)設置有光源(6)，在光源(6)的發(fā)射光路上、于測試吸收池(11)左右兩側(cè)分別設置有對稱的石英玻璃測試窗口(5)，在測試窗口(5)和光源(6)之間設置有聚焦透鏡(2)，在測試吸收池(11)的另一側(cè)測試窗口(5)外側(cè)設置有分束片(3)；光源(6)的發(fā)射光經(jīng)過測試吸收池后被分束片(3)分成兩部分光，透過分束片(3)即為測試光，反射的即參考光；在分束片(3)外側(cè)的測試光路和參考光路上分別依次設置有聚焦透鏡(2)和帶通干涉濾光片(1)及硅探頭(7)；硅探頭(7)通過導線與計算機(8)上的數(shù)據(jù)采集板連接，由計算機(8)進行數(shù)據(jù)采集和處理。
2. 按照權利要求l所述碘流量測量裝置，其特征在于在測試吸收池(11)的外側(cè)壁面 上包裹有加熱元件(4)。
3. 按照權利要求l所述碘流量測量裝置，其特征在于在測試吸收池(11)的外壁上設 置有壓力傳感器(9)和溫度傳感器(10)。
4. 按照權利要求l所述碘流量測量裝置，其特征在于所述光源(6)的光譜發(fā)射范圍 為300-700納米。
5. —種權利要求1所述碘流量測量裝置可用于氧碘化學激光器中進行碘流量的測量 和關鍵實驗參數(shù)的日常診斷上。
全文摘要
一種碘流量測量裝置，在所需測定碘流量的測試吸收池的一側(cè)設置有光源，在光源的發(fā)射光路上、于測試吸收池左右兩側(cè)分別設置有對稱的石英玻璃測試窗口，在測試窗口和光源之間設置有聚焦透鏡，在測試吸收池的另一側(cè)測試窗口外側(cè)設置有分束片；光源的發(fā)射光經(jīng)過測試吸收池后被分束片分成兩部分光，透過分束片即為測試光，反射的即參考光；在分束片外側(cè)的測試光路和參考光路上分別依次設置有聚焦透鏡和帶通干涉濾光片及硅探頭；硅探頭通過導線與計算機上的數(shù)據(jù)采集板連接，由計算機進行數(shù)據(jù)采集和處理。實驗結(jié)果表明，本發(fā)明可以有效解決測試窗口污染導致測量不準確，甚至無法進行的問題，而且結(jié)構(gòu)小巧，具有普遍的適用性。
文檔編號G01F1/76GK101726337SQ200810228229
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月22日 優(yōu)先權日2008年10月22日
發(fā)明者于海軍, 多麗萍, 李國富, 汪健, 王增強 申請人:中國科學院大連化學物理研究所