一种气体介质中分子扩散系数的测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种气体介质中分子扩散系数的测量装置和方法，包括标记激光器、显示激光器、ICCD相机和延迟发生器；标记激光器的输出激光经整形为标记线状激光束，显示激光器的输出光束经整形为片状显示激光束，标记线状激光束处于片状显示激光束的所在的平面内，片状显示激光束处于待测气体介质中，ICCD相机正对片状显示激光束成像；延迟发生器的三路延时输出端分别接标记激光器、显示激光器和ICCD相机。本发明建立了一种新的分子扩散过程观测方法，这种观测方法能够实现非稳态条件下分子扩散过程的精确测量，可用来观测现有技术无法观测的部分分子的扩散过程，进而测量得到气体分子的扩散系数。
【专利说明】一种气体介质中分子扩散系数的测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于分子扩散过程观测，特别是涉及一种气体介质中分子扩散系数测量装置和方法。
【背景技术】
[0002]对于由两种或两种以上分子组成的混合气体，只要它们的相对浓度在各点之间是不同的，那么一定会存在自发扩散过程来减少组分的不均匀度。这种与体系内部任何对流无关的宏观质量传递，被定义为分子扩散(Molecular diffusion)。扩散起因于会导致完全混合的分子随机运动，描述扩散的基本数学模型——费克扩散定律引入了扩散系数，扩散系数是表示物质扩散能力的物理量。扩散系数是研究扩散过程的关键参数，因此，测量扩散系数就成为扩散研究的主要任务之一。
[0003]目前测量扩散系数的方法主要有:1)膜池法。该方法操作简单，对设备要求也不高，且测定准确。其缺点是操作时间长，并且当膜内微孔较大时会产生主体流动。一般主要用于测量液体溶液中分子的扩散系数；2)光干涉法。该方法的优点是快速准确，能够直接测定扩散系数的绝对值，但对实验设备要求较高。由于主要由被测介质折射率的不同获得干涉条纹，因此一般不适合于测量折射率变化微小的气体分子扩散系数；3)Tayl0r法。该方法的优点就是测定速度快，操作方便且可以在高压下操作。其缺点是实验所用的细长管必须是内表面非常光滑的毛细管，以保证流体能在管道内作滞流流动，而内表面光滑的毛细管是不容易得到的。另外毛细管必须很长，而实际生产中很长的毛细管往往做成螺旋状，因此将产生误差；4)核磁共振法。该方法是利用测定置于外磁场中试样的原子核磁于一定条件下透出的电压峰值进而计算扩散系数。其优点为测定时间短，可以排除外界的干涉，并且可以在高压下操作。该方法的缺点是只适用于分子中至少有一种核磁矩与角动量均不为零的物质。5)放射性同位素法。是一种利用物质和其放射性示踪物之间的相互扩散系数代替自扩散系数的方法。该方法广泛应用于自扩散系数的测量。
[0004]上述分子扩散系数测量方法大多只能测量溶液中的分子扩散系数，或是在静态条件下测量部分特定气体组分的扩散系数。对于一般非静态条件下的气体介质，特别是燃烧环境下分子扩散系数的测量，目前尚没有有效的方法。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:建立一种新的分子扩散过程观测方法和装置，利用该方法可以观测气体介质中部分组分的扩散过程，可以测量得到分子的扩散系数，弥补现有分子扩散系数测量方法的不足。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]—种气体介质中分子扩散系数的测量装置，包括标记激光器、显示激光器、IC⑶相机和延迟发生器；所述的标记激光器的输出激光经整形为标记线状激光束，所述显示激光器的输出光束经整形为片状显示激光束，所述的标记线状激光束处于片状显示激光束的所在的平面内，所述的片状显示激光束处于待测气体介质中，所述的ICCD相机正对片状显示激光束成像；所述的延迟发生器的三路延时输出端分别接标记激光器、显示激光器和ICCD相机。
[0008]上述气体介质中分子扩散系数的测量装置中，标记激光器是可将H2O解离为OH并进行标记的激光器或者是将NO2解离为NO并进行标记的激光器。
[0009]上述气体介质中分子扩散系数的测量装置中，标记激光器为输出波长193nm的ArF准分子激光器。
[0010]上述气体介质中分子扩散系数的测量装置中，显示激光器为能被羟基共振吸收并产生突光的激光器.[0011]上述气体介质中分子扩散系数的测量装置中，显示激光器为输出波长282nm的可调谐染料激光器。
[0012]上述气体介质中分子扩散系数的测量装置中，ICCD相机窗口前安装有滤光片，所述的滤光片对显示激光所激射的荧光波长高透射，对其他波长吸收或反射。
[0013]上述气体介质中分子扩散系数的测量装置中，滤光片6的中心波长为310nm，半高宽为20nm。
[0014]一种分子扩散系数测量的方法，包括以下步骤:
[0015][I]设置延迟发生器的延时时间，使ICXD相机曝光时间与标记激光器、显示激光器同步输出，用相机拍摄初始时刻标记激光被气体共振吸收产生的荧光图像，计算初始时刻被标记分子空间分布曲线的半高宽Cl0 ；
[0016][2]调节延迟发生器参数，保持IC⑶相机的曝光时间与显示激光同步，调节数字脉冲延迟发生器，将标记激光与显示激光之间的延时调节至预设时间t，用相机拍摄标记激光被气体共振吸收产生的的荧光图像，计算经过时间t后被标记分子空间分布曲线的半高宽dt ；
[0017][3]将扩散时间t、d0和dt代入
【权利要求】
1.一种气体介质中分子扩散系数的测量装置，其特征在于:包括标记激光器(I)、显示激光器(7)、ICXD相机(10)和延迟发生器⑶； 所述的标记激光器(I)的输出激光经整形为标记线状激光束(3)，所述显示激光器(7)的输出光束经整形为片状显示激光束(5)，所述的标记线状激光束(3)处于片状显示激光束(5)的所在的平面内，所述的片状显示激光束(5)处于待测气体介质(4)中，所述的ICCD相机(10)正对片状显示激光束(5)成像；所述的延迟发生器的三路延时输出端分别接标记激光器(I)、显不激光器(7)和ICCD相机(10)。
2.根据权利要求1所述的气体介质中分子扩散系数的测量装置，其特征在于:所述的标记激光器(I)是可将H2O解离为OH并进行标记的激光器或者是将NO2解离为NO并进行标记的激光器。
3.根据权利要求2所述的可气体介质中分子扩散系数的测量装置，其特征在于:所述的标记激光器(X)为输出波长193nm的ArF准分子激光器。
4.根据权利要求1所述的气体介质中分子扩散系数的测量装置，其特征在于:所述的显示激光器(12)为能被羟基共振吸收并产生荧光的激光器。
5.根据权利要求4所述的气体介质中分子扩散系数的测量装置，其特征在于:所述显示激光器(12)为输出波长282nm的可调谐染料激光器。
6.根据权利要求5所述的气体介质中分子扩散系数的测量装置，其特征在于:所述的ICCD相机(15)窗口前安装有滤光片，所述的滤光片(14)对显示激光所激射的荧光波长高透射，对其他波长吸收或反射。
7.根据权利要求6所述的气体介质中分子扩散系数的测量装置，其特征在于:所述滤光片6的中心波长为310nm,半高宽为20nm。
8.利用权利要求1所述的气体介质中分子扩散系数的测量装置进行分子扩散系数测量的方法，其特征在于，包括以下步骤: [8.1]设置延迟发生器的延时时间，使ICXD相机曝光时间与标记激光器、显示激光器同步输出，用相机拍摄初始时刻标记激光被气体共振吸收产生的荧光图像，计算初始时刻被标记分子空间分布曲线的半高宽Cltl ； [8.2]调节延迟发生器参数，保持ICCD相机的曝光时间与显示激光同步，调节数字脉冲延迟发生器，将标记激光与显示激光之间的延时调节至预设时间t，用相机拍摄标记激光被气体共振吸收产生的的荧光图像，计算经过时间t后被标记分子空间分布曲线的半高宽dt ； [8.3]将扩散时间t、d0和dt代入
【文档编号】G01N13/00GK103926173SQ201410171719
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】张振荣, 李国华, 叶景峰, 胡志云, 邵珺, 刘晶儒, 叶锡生 申请人:西北核技术研究所