一種氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置和方法，包括標(biāo)記激光器、顯示激光器、ICCD相機(jī)和延遲發(fā)生器；標(biāo)記激光器的輸出激光經(jīng)整形為標(biāo)記線狀激光束，顯示激光器的輸出光束經(jīng)整形為片狀顯示激光束，標(biāo)記線狀激光束處于片狀顯示激光束的所在的平面內(nèi)，片狀顯示激光束處于待測(cè)氣體介質(zhì)中，ICCD相機(jī)正對(duì)片狀顯示激光束成像；延遲發(fā)生器的三路延時(shí)輸出端分別接標(biāo)記激光器、顯示激光器和ICCD相機(jī)。本發(fā)明建立了一種新的分子擴(kuò)散過(guò)程觀測(cè)方法，這種觀測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)非穩(wěn)態(tài)條件下分子擴(kuò)散過(guò)程的精確測(cè)量，可用來(lái)觀測(cè)現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法觀測(cè)的部分分子的擴(kuò)散過(guò)程，進(jìn)而測(cè)量得到氣體分子的擴(kuò)散系數(shù)。
【專利說(shuō)明】一種氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于分子擴(kuò)散過(guò)程觀測(cè)，特別是涉及一種氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于由兩種或兩種以上分子組成的混合氣體，只要它們的相對(duì)濃度在各點(diǎn)之間是不同的，那么一定會(huì)存在自發(fā)擴(kuò)散過(guò)程來(lái)減少組分的不均勻度。這種與體系內(nèi)部任何對(duì)流無(wú)關(guān)的宏觀質(zhì)量傳遞，被定義為分子擴(kuò)散(Molecular diffusion)。擴(kuò)散起因于會(huì)導(dǎo)致完全混合的分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，描述擴(kuò)散的基本數(shù)學(xué)模型——費(fèi)克擴(kuò)散定律引入了擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)是表示物質(zhì)擴(kuò)散能力的物理量。擴(kuò)散系數(shù)是研究擴(kuò)散過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)，因此，測(cè)量擴(kuò)散系數(shù)就成為擴(kuò)散研究的主要任務(wù)之一。
[0003]目前測(cè)量擴(kuò)散系數(shù)的方法主要有:1)膜池法。該方法操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求也不高，且測(cè)定準(zhǔn)確。其缺點(diǎn)是操作時(shí)間長(zhǎng)，并且當(dāng)膜內(nèi)微孔較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生主體流動(dòng)。一般主要用于測(cè)量液體溶液中分子的擴(kuò)散系數(shù)；2)光干涉法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是快速準(zhǔn)確，能夠直接測(cè)定擴(kuò)散系數(shù)的絕對(duì)值，但對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求較高。由于主要由被測(cè)介質(zhì)折射率的不同獲得干涉條紋，因此一般不適合于測(cè)量折射率變化微小的氣體分子擴(kuò)散系數(shù)；3)Tayl0r法。該方法的優(yōu)點(diǎn)就是測(cè)定速度快，操作方便且可以在高壓下操作。其缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)所用的細(xì)長(zhǎng)管必須是內(nèi)表面非常光滑的毛細(xì)管，以保證流體能在管道內(nèi)作滯流流動(dòng)，而內(nèi)表面光滑的毛細(xì)管是不容易得到的。另外毛細(xì)管必須很長(zhǎng)，而實(shí)際生產(chǎn)中很長(zhǎng)的毛細(xì)管往往做成螺旋狀，因此將產(chǎn)生誤差；4)核磁共振法。該方法是利用測(cè)定置于外磁場(chǎng)中試樣的原子核磁于一定條件下透出的電壓峰值進(jìn)而計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)為測(cè)定時(shí)間短，可以排除外界的干涉，并且可以在高壓下操作。該方法的缺點(diǎn)是只適用于分子中至少有一種核磁矩與角動(dòng)量均不為零的物質(zhì)。5)放射性同位素法。是一種利用物質(zhì)和其放射性示蹤物之間的相互擴(kuò)散系數(shù)代替自擴(kuò)散系數(shù)的方法。該方法廣泛應(yīng)用于自擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量。
[0004]上述分子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法大多只能測(cè)量溶液中的分子擴(kuò)散系數(shù)，或是在靜態(tài)條件下測(cè)量部分特定氣體組分的擴(kuò)散系數(shù)。對(duì)于一般非靜態(tài)條件下的氣體介質(zhì)，特別是燃燒環(huán)境下分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量，目前尚沒(méi)有有效的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:建立一種新的分子擴(kuò)散過(guò)程觀測(cè)方法和裝置，利用該方法可以觀測(cè)氣體介質(zhì)中部分組分的擴(kuò)散過(guò)程，可以測(cè)量得到分子的擴(kuò)散系數(shù)，彌補(bǔ)現(xiàn)有分子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量方法的不足。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置，包括標(biāo)記激光器、顯示激光器、IC⑶相機(jī)和延遲發(fā)生器；所述的標(biāo)記激光器的輸出激光經(jīng)整形為標(biāo)記線狀激光束，所述顯示激光器的輸出光束經(jīng)整形為片狀顯示激光束，所述的標(biāo)記線狀激光束處于片狀顯示激光束的所在的平面內(nèi)，所述的片狀顯示激光束處于待測(cè)氣體介質(zhì)中，所述的ICCD相機(jī)正對(duì)片狀顯示激光束成像；所述的延遲發(fā)生器的三路延時(shí)輸出端分別接標(biāo)記激光器、顯示激光器和ICCD相機(jī)。
[0008]上述氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置中，標(biāo)記激光器是可將H2O解離為OH并進(jìn)行標(biāo)記的激光器或者是將NO2解離為NO并進(jìn)行標(biāo)記的激光器。
[0009]上述氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置中，標(biāo)記激光器為輸出波長(zhǎng)193nm的ArF準(zhǔn)分子激光器。
[0010]上述氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置中，顯示激光器為能被羥基共振吸收并產(chǎn)生突光的激光器.[0011]上述氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置中，顯示激光器為輸出波長(zhǎng)282nm的可調(diào)諧染料激光器。
[0012]上述氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置中，ICCD相機(jī)窗口前安裝有濾光片，所述的濾光片對(duì)顯示激光所激射的熒光波長(zhǎng)高透射，對(duì)其他波長(zhǎng)吸收或反射。
[0013]上述氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置中，濾光片6的中心波長(zhǎng)為310nm，半高寬為20nm。
[0014]一種分子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量的方法，包括以下步驟:
[0015][I]設(shè)置延遲發(fā)生器的延時(shí)時(shí)間，使ICXD相機(jī)曝光時(shí)間與標(biāo)記激光器、顯示激光器同步輸出，用相機(jī)拍攝初始時(shí)刻標(biāo)記激光被氣體共振吸收產(chǎn)生的熒光圖像，計(jì)算初始時(shí)刻被標(biāo)記分子空間分布曲線的半高寬Cl0 ；
[0016][2]調(diào)節(jié)延遲發(fā)生器參數(shù)，保持IC⑶相機(jī)的曝光時(shí)間與顯示激光同步，調(diào)節(jié)數(shù)字脈沖延遲發(fā)生器，將標(biāo)記激光與顯示激光之間的延時(shí)調(diào)節(jié)至預(yù)設(shè)時(shí)間t，用相機(jī)拍攝標(biāo)記激光被氣體共振吸收產(chǎn)生的的熒光圖像，計(jì)算經(jīng)過(guò)時(shí)間t后被標(biāo)記分子空間分布曲線的半高寬dt ；
[0017][3]將擴(kuò)散時(shí)間t、d0和dt代入
【權(quán)利要求】
1.一種氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于:包括標(biāo)記激光器(I)、顯示激光器(7)、ICXD相機(jī)(10)和延遲發(fā)生器⑶； 所述的標(biāo)記激光器(I)的輸出激光經(jīng)整形為標(biāo)記線狀激光束(3)，所述顯示激光器(7)的輸出光束經(jīng)整形為片狀顯示激光束(5)，所述的標(biāo)記線狀激光束(3)處于片狀顯示激光束(5)的所在的平面內(nèi)，所述的片狀顯示激光束(5)處于待測(cè)氣體介質(zhì)(4)中，所述的ICCD相機(jī)(10)正對(duì)片狀顯示激光束(5)成像；所述的延遲發(fā)生器的三路延時(shí)輸出端分別接標(biāo)記激光器(I)、顯不激光器(7)和ICCD相機(jī)(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于:所述的標(biāo)記激光器(I)是可將H2O解離為OH并進(jìn)行標(biāo)記的激光器或者是將NO2解離為NO并進(jìn)行標(biāo)記的激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于:所述的標(biāo)記激光器(X)為輸出波長(zhǎng)193nm的ArF準(zhǔn)分子激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于:所述的顯示激光器(12)為能被羥基共振吸收并產(chǎn)生熒光的激光器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于:所述顯示激光器(12)為輸出波長(zhǎng)282nm的可調(diào)諧染料激光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于:所述的ICCD相機(jī)(15)窗口前安裝有濾光片，所述的濾光片(14)對(duì)顯示激光所激射的熒光波長(zhǎng)高透射，對(duì)其他波長(zhǎng)吸收或反射。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于:所述濾光片6的中心波長(zhǎng)為310nm,半高寬為20nm。
8.利用權(quán)利要求1所述的氣體介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量裝置進(jìn)行分子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量的方法，其特征在于，包括以下步驟: [8.1]設(shè)置延遲發(fā)生器的延時(shí)時(shí)間，使ICXD相機(jī)曝光時(shí)間與標(biāo)記激光器、顯示激光器同步輸出，用相機(jī)拍攝初始時(shí)刻標(biāo)記激光被氣體共振吸收產(chǎn)生的熒光圖像，計(jì)算初始時(shí)刻被標(biāo)記分子空間分布曲線的半高寬Cltl ； [8.2]調(diào)節(jié)延遲發(fā)生器參數(shù)，保持ICCD相機(jī)的曝光時(shí)間與顯示激光同步，調(diào)節(jié)數(shù)字脈沖延遲發(fā)生器，將標(biāo)記激光與顯示激光之間的延時(shí)調(diào)節(jié)至預(yù)設(shè)時(shí)間t，用相機(jī)拍攝標(biāo)記激光被氣體共振吸收產(chǎn)生的的熒光圖像，計(jì)算經(jīng)過(guò)時(shí)間t后被標(biāo)記分子空間分布曲線的半高寬dt ； [8.3]將擴(kuò)散時(shí)間t、d0和dt代入


【文檔編號(hào)】G01N13/00GK103926173SQ201410171719
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】張振榮, 李國(guó)華, 葉景峰, 胡志云, 邵珺, 劉晶儒, 葉錫生 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所