一种利用痕量氢气法测量氟化氢激光器燃烧室温度的方法与流程

本发明涉及一种氟化氢化学激光器的测量诊断方法。在光腔内，利用痕量氢气注入方法，测量燃烧室气流经过喷嘴膨胀后的光腔气流温度T_cav，然后根据气动力学知识反推即可得到燃烧室温度T₀。本发明可以实现在燃烧室无观察窗的条件下利用非侵入性光学测量技术获得燃烧室温度T₀。

背景技术：

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，其中尤以氟化氢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Alph氟化氢化学激光器曾一度是激光武器的代名词。

氟化氢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。

由于氟原子是由三氟化氮在燃烧室中热解产生的，因此燃烧室的温度直接决定了氟原子的产率，为了深入了解氟化氢化学激光器的运行状况，有必要对燃烧室气体温度T₀进行测量诊断。

氟化氢化学激光器的燃烧室一般都是超高温运转的，约为2000K左右，超过了一般热偶的测量上限，热偶可能会烧化掉，因此常规的侵入式温度测量方法(即热偶法)不适合氟化氢化学激光燃烧室的温度测试。

光学方法由于具有非侵入性的特点，所以最为适合这种超高温的测试场合。然而，氟化氢化学激光器的燃烧室一般都是密封运转的，添加观察窗比较困难，不适合直接在燃烧室挖一个观察窗。另外，燃烧室压力较高，一般在1～2大气压之间，发光粒子的寿命很短，而且发光强度也比较弱，因此综合来讲，在燃烧室位置直接开个观察窗利用发光光谱测量温度是不适合的。

本发明正是在这样的背景下，充分考虑到气动力学技术和F+H₂放热的特性而设计的一种利用痕量氢气法测量氟化氢激光器燃烧室温度的技术。该技术的基本原理如下，首先让燃烧室高温气流通过喷管膨胀后进入光腔，在光腔入口位置注入约为主气流流量0.01％～0.1％的痕量氢气，氢气与氟原子反应产生振动激发态的HF(v)，通过腔镜收集光腔内的化学荧光，可以获得HF(v)的振转跃迁光谱，根据该光谱可以测量得到光腔内气流温度T_cav；由于注入的痕量氢气对主气流的扰动很小，所以所得到的光腔内气流温度T_cav可以视为等于主气流通过超音速喷嘴膨胀后的下游静温T，同时测量燃烧室压力P₀和光腔压力P，接着估算出比热比γ，最后根据气体动力学公式就可以得到燃烧室压力T₀。

光腔温度是很容易使用发光光谱法进行测量的，HF(v)振动态粒子的不同振转跃迁辐射的发光强度可以用如下公式表示：

I_v,J＝hcω_v,JA_v,JN_v,J (1)

其中h为Planck常数，c为光速，ω_v,J为跃迁波数，A_v,J为爱因斯坦自发辐射系数，N_v,J为振转态(v,J)的粒子数密度。

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)，即其中N_v为振动态(v)的粒子数密度，g_v,J为振转态(v,J)的简并度，E_v,J是(v,J)态的转动能级，k为波尔兹曼常数，T为气体温度，Q_v为转动配分函数。HF转动配分函数一般可以表示为代入(1)式，并对两边取对数，则可以得到如下公式：

将简写为Ln(I/wag)，将常数代入得到hc/k＝1.44，所以可以将标记为1.44F_u，可得到如下公式：

可以看到Ln(I/wag)与1.44F_u成线性关系，其斜率的负数就是HF分子的转动温度T_rot，即光腔内气体温度T_cav。

根据气动力学知识，氟化氢激光器的超音速喷嘴上游总温T₀和下游静温T之间存在着如下关系：

其中，氟化氢激光器的超音速喷嘴上游总温T₀即为燃烧室的温度。考虑到上游总压P₀和下游静压P是比较使用压力表容易测量的，如果再知道了主气流膨胀后的下游静温T，那么就可以利用(4)式求出燃烧室温度T₀。

然而，虽然光腔内气体温度T_cav很容易得到，但是一般工况下的氟化氢化学激光器运转的时候，光腔内气体温度T_cav并不等同于下游静温T，这是一方面由于氟原子和氢气分子的化学反应会放出大量的热量，导致主气流的温度升高；另一方面氢气的热容很大，会吸收一部分热量。这两方面综合起来，非常复杂，因此很难根据光腔内气体温度T_cav给出下游静温T。

假设加入的氢气流量很小，小到F+H₂化学反应放热的影响可以忽略(一般设为燃烧室总气体流量的0.1％～1％即可)，那么光腔内气流温度T_cav可以视为等同于主气流通过超音速喷嘴膨胀后的下游静温T，即有以下关系成立：

T＝T_cav (5)

即加入痕量氢气时，光腔内气体温度T_cav等于下游静温T，这样通过光学方法测量得到光腔内气体温度T_cav也就相当于得到了下游静温T。

将(5)带入(4)可以得到：

至此，根据上游总压P₀、下游静压P以及光腔内气体温度T_cav，就可以利用公式(6)反推燃烧室温度了。

其中，公式(6)中的比热比γ可以通过估算得到，由于燃烧室内燃烧后的产物主要是DF、N₂、F、He等，以双原子分子和原子为主，且处于高温状态下，理论计算显示其比热比γ的值大约在1.4附近，具体可以根据各气体流量n_i进行估算，计算公式为：

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用痕量氢气法测量氟化氢激光器燃烧室温度的方法。通过该方法，可以实现不用在燃烧室开观察窗即可利用非侵入式的光学方法测量燃烧室温度，进而考察HF激光器燃烧室运行状况的目的。

为实现本发明的目的，具体的技术方案是：

一种利用痕量氢气法测量氟化氢激光器燃烧室温度的方法，具体包括：(1)不影响主气流气动参数的痕量氢气注入方法；(2)利用光学测量方法测量氟化氢激光器的光腔温度；(3)根据光腔温度，利用气动力学反推燃烧室温度。

所述的“不影响主气流气动参数的痕量氢气注入方法”：在测量诊断过程中，所加入的氢气流量很小，远远小于氟化氢化学激光器主气流的流量，一般约为0.1％～1％，以至于氢气和氟原子的反应放热几乎不影响主气流的温度。痕量氢气条件下光腔温度T_cav等于燃烧室气体经过喷管膨胀后在光腔入口处的气体静温T。

所述的“利用光学测量方法测量氟化氢激光器的光腔温度”：利用傅里叶变化红外光谱仪测量振动激发态氟化氢分子的基频辐射光谱,对振动谱带的转动谱线强度数据进行处理后，以1.44F_u对Ln(I/wag)作图，可以得到一条直线，该直线斜率的负数即为光腔内气体温度。

所述的“根据光腔温度，利用气动力学反推燃烧室温度”：首先测量得到燃烧室压力P₀和光腔压力P，并根据公式估算出燃烧室主气流的比热比γ，再根据光谱方法测量得到光腔温度T_cav，根据公式即可反推得到燃烧室的温度T₀。

本发明的有益效果是：

本发明结合了气动力学技术和非侵入式光学测量技术的优点，采用注入痕量氢气的方法，既可以在光腔内观测HF(v)荧光辐射，又不会让F+H₂大量放热对主气流的温度产生大的干扰。实现了既不用在燃烧室开窗口又可以通过非侵入式光学方法测量密闭燃烧室温度的目的。

附图说明

图1为本发明的操作流程示意图。其中，(1)根据各气体流量计算比热比γ；(2)测量燃烧室压力P₀和光腔压力P；(3)利用P0、P和计算得到T₀/T的比值；(4)根据HF(v)光谱得到，在痕量氢气条件下即等同于主气流膨胀后的下游静温T；(5)根据T0/T比值和光腔温度T计算得到燃烧室温度T0。

图2为利用(1-0)谱带的R支谱线进行作图得到转动温度的过程，可以看到本次实验的光腔内HF分子转动温度约为377K，即光腔内气体的宏观温度为377K。

具体实施方式

实施例1

一次利用痕量氢气法测量氟化氢激光器燃烧室温度的实例。

具体操作步骤如下：

第一步打开闸板阀，抽真空，进行不出光的HF化学激光实验，即只进行F+H2化学反应发出荧光辐射；但没有腔镜，不会出现激光。

燃烧室入口的各气体流量(mmol/s)为：D₂(114),NF₃(125),He(81)。

需要注意的是，加入的氢气量比正常实验时小得多，确保F+H₂化学反应放热不会影响主气流温度；H₂流量设置为3mmol/s。

第二步估算燃烧室内各气体混合物的比热比γ。

NF₃经过热解变成N₂和F原子，F原子与D₂反应生成DF，因此燃烧室内经过化学反应和热解后的各气体流量n_i(mmol/s)为：

DF(228),F(147),N₂(62.5),He(81)；总流量为518.5mmol/s。

它们的比热比γ_i分别为：DF(1.40),F(1.67),N₂(1.40),He(1.67)；

根据公式可以估算出，燃烧室内气体的比热比γ为1.49。

第三步测量燃烧室P₀＝0.95atm和光腔压力P＝6Torr。利用P0、P和γ计算得到T₀/T的比值为4.83。

第四步采集HF基频辐射光谱，将(1-0)的R支谱线强度进行一系列处理后，以1.44Fu对Ln(I/wag)作图，得到图2，其斜率为-377，所以得到光腔内气体温度T_cav为斜率的负数，即377K。

由于实验中加入的氢气为痕量，只有燃烧室内总气体流量的0.6％，因此光腔温度T_cav等于燃烧室气体在光腔入口处的气体静温T，即T＝377K。

第五步至此已经知道T₀/T的值为4.83以及T的值为377K，于是可以得到燃烧室温度T₀为1821K。