CC BY
53
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ Том III 1972
№ 2
УДК 533.9.07
ЭЛЕКТРОННООПТИЧЕСКАЯ РЕГИСТРАЦИЯ СПЕКТРА СВЕЧЕНИЯ ВОЗДУХА, НАГРЕТОГО СИЛЬНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНОЙ, В БЛИЖНЕЙ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ
Е. М. Давыдов, В. А. Мишин
Сообщается о результатах применения электроннооптической методики для регистрации спектров свечения воздуха, нагретого падающей ударной волной, в ближней инфракрасной области при скорости ударного фронта 11,3 км/сек.
Приведены фотографии полученного спектра и результаты их расшифровки.
Вопросы экспериментального изучения распределения энергии в спектре свечения воздуха и его компонентов в ближней инфракрасной области освещены в литературе слабо. Спектроскопическое изучение воздуха и азота, нагретых в отраженной ударной волне, описывается в работах [1] и [2], в работе [3] приведены спектры излучения воздуха, азота и кислорода, возбуждаемых пучком быстрых электронов. Результаты спектроскопического исследования воздуха, нагретого с помощью высокочастотного безэлектродного разряда, в области длин волн 0,2—0,8 мкм содержатся в работе [4].
Основные экспериментальные данные об излучательных свойствах воздуха и его компонентов были получены с помощью ударных труб. Обычная методика исследования заключается в регистрации интегральных по времени спектров свечения с последующим изучением отдельных участков спектра (линии, канты молекулярных полос, участки сплошного спектра) с помощью фотоэлектрической аппаратуры. В некоторых случаях излучение в инфракрасной области регистрировалось с помощью системы фотоприемников, снабженных набором узкополосных инфракрасных фильтров [5, 6]. Очевидно, что такой метод не позволяет детально исследовать структуру спектра, поскольку проводится усреднение по выбранному спектральному интервалу. Известно, однако [7], что в спектре воздуха, в ближней инфракрасной области, при температуре 104°К и давлении примерно 1 ата, помимо непрерывного излучения, присутствует значительное количество интенсивных атомарных линий азота и кислорода, для исследования которых необходимо иметь подробные спектрограммы излучения.
В настоящей статье сообщается о результатах экспериментов по регистрации спектра свечения воздуха, нагретого падающей ударной волной, в ближней инфракрасной области при скорости ударного фронта 11,3 км!сек.
Эксперименты проводились в электроразрядной ударной трубе диафраг-менного типа при следующих рабочих параметрах: начальное давление гелия в разрядной камере — 2,5 ата-, напряжение на конденсаторной батарее—25 кв при емкости 48 мф; начальное давление воздуха в канале трубы—0,2 мм рт. ст. Воздух предварительно осушался силикагелем. Внутренний диаметр канала трубы равен 57 мм, длина канала—5 м.
Малое время наблюдения, характерное для исследований в ударной трубе (в условиях экспериментов протяженность „пробки* ударно-нагретого воздуха составляла несколько сантиметров и соответственно время наблюдения—порядка нескольких микросекунд), приводит к значительным экспериментальным трудностям в получении спектрограмм излучения воздуха с помощью обычной фотографической методики, поскольку чувствительность имеющихся фотографических материалов в инфракрасной области очень мала. Поэтому для регистрации спектров свечения воздуха была использована электроннооптическая методика. Как следует из работы [8], применение двухкаскадного электроннооптического преобразователя (ЭОП) с кислородно-цезиевым фотокатодом позволяет увеличить чувствительность регистрирующей аппаратуры в области 6500—10000 А в Юз-104 раз по сравнению с непосредственной регистрацией спектра с помощью существующих инфракрасных фотоматериалов.
/7 Л;
■*а 6''$3 —
ц 3 -63 ~ ¥7 "'„т,® -7^-75 —
ч иг И-Ч? згеччб---------------
■охзгт-ез-ве
ж ТЗ&?Я-.%Є~&Сі~ЄЄ
Фиг. 1
шаги-ч 2, 013222-33
гг/ да-д---------------
ОІ77Т2-75’-------------
*1 "гМ-ъ-и-з-М .....і
■ ■■
/• /’ 73£ ^
А Г
I.
■і г.? 4 23 КдНЬ'їі!
Яг$,СО/{:~
/гг 7*$ г
Яг 772*
Фиг. 2
Регистрация спектра свечения воздуха проводилась в сечении канала трубы, находящемся на расстоянии 450 мм от диафрагмы. На щель стеклянного спектрографа ИСП-51 (использовались камеры с фокусным расстоянием /=120 и 270 мм) с помощью ахроматического конденсора проектировалось изображение приосевого участка канала трубы. Кассетная часть камеры снималась, и плоскость изображения спектра совмещалась с фотокатодом двухкаскадного ЭОП типа УМ-92. Временная селекция при регистрации спектра осуществлялась путем подачи на фотокатод первой камеры ЭОП высоковольтного прямоугольного импульса напряжения отрицательной полярности, длительностью 1—4 мк/сек, с амплитудой 10—15 кв. Эти одиночные отпирающие импульсы вырабатывались специальным генератором высоковольтных импульсов. Остальные каскады преобразователя питались постоянным напряжением от стабилизированного высоко-
большого источника. Синхронизация момента съемки спектра с приходом ударной волны обеспечивалась запуском аппаратуры от фотоумножителя, расположенного на некотором расстоянии вверх по потоку относительно сечения трубы, в котором проводилась регистрация спектра. Спектр с экрана ЭОП фотографировался с помощью объектива с относительным отверстием 1:1,5 на пленку типа КН-4С.
Использование ЭОП с кислородно-цезиевым фотокатодом позволило регистрировать спектр в области 0,4—1,2 мкм. На фиг. 1 приведен спектр свечения воздуха в ближней инфракрасной области за падающей ударной волной при скорости ударного фронта 11,3 км/сек и начальном давлении воздуха в канале трубы 0,2 мм рт. ст. Время экспозиции составляло 2 мксек. Для расшифровки полученных спектрограмм использовался спектр аргона и ртути.
Несколько ранее были проведены эксперименты по регистрации интегрального по времени спектра свечения воздуха за отраженной ударной волной в ближней инфракрасной области. При этом использовался однокамерный ЭОП типа М9 с кислородно-цезиевым фотокатодом, работающий в статическом режиме. Сечение, в котором регистрировался спектр, находилось на расстоянии 5 мм от отражающей поверхности. Спектр воздуха за отраженной ударной волной при параметрах падающей ударной волны, указанных выше, приведен на фиг. 2. (Длины волн на фиг. 1 и 2 даны в ангстремах). Поскольку дисперсия спектрографа ИСП-51 в ближней инфракрасной области при работе с малой и средней камерами недостаточна для точного определения длины волны, то следует считать, что в этом смысле расшифровка спектра носит приближенный характер.
Результаты экспериментов полностью подтвердили целесообразность выбора электроннооптической методики. Расшифровка и анализ полученных спектров позволяют сделать следующие выводы:
1. В ближней инфракрасной области в спектре свечения воздуха, нагретого падающей ударной волной при скорости ударного фронта 11,3 км/сек и начальном давлении 0,2 мм рт. ст., доминирующим является линейчатое излучение.
2. Длины волн интенсивных линий, наблюдаемых в спектре, соответствуют интенсивным атомарным линиям азота и кислорода. Исключение составляет очень интенсивная линия водорода НаХ 6563 А.
3. В спектре, полученном в области за отраженной ударной волной, отмечается присутствие интенсивного сплошного фона. Однако, несмотря на значительную разницу в температурах и давлениях, качественный характер линейчатого спектра такой же, как у спектра, полученного за падающей ударной волной. Можно отметить факт отсутствия линий примесей Ыа, К, Са, Ва, Ре и т. д., которые обычно наблюдаются в спектрах газов, возбуждаемых в ударных трубах. По-видимому, это связано с тем, что примеси поступают в пробку ударно-нагретого газа со стенок ударной трубы и требуется конечное время, чтобы концентрация примеси достигла уровня, достаточного для регистрации. В работе [2] отмечается, что при регистрации спектра за отраженной ударной волной это время составляет примерно 25 мксек. Почти все наблюдаемые линии имеют сложную мультиплетную структуру, которая не разрешается при использовании спектрографа ИСП-51 со средней камерой. Поэтому вследствие слияния отдельных мультиплетов, а также взаимного наложения линий азота и кислорода регистрируемая ширина линий становится весьма большой.
В заключение приводим таблицу интенсивных линий, наблюдаемых в спектре воздуха за падающей ударной волной.
Элемент] Х[А] ^возб [Э8] Переход Элемент А [А] -^'возб [э«] Переход
н* 6562.7 6562.8 12,09 Зр2 ^1/2, 3/2 — 3^3’ ^3/2, 5/2 01 7771,9 7774,2 7775,4 10,74 з*6 ^2 — 3/>5 яз> 2, X
N1 7423,9 7442.6 7468.7 11,99 354 ^1,2,3/2, 5/2 — 3Р* ^3/2 N1 8184,8 8188,0 8200,4 11,84 3*4 ^3/2,1.2 ^5/2, 3/2, 1/2
Элемент| ЦА] ^возб [эв] Переход Элемент ЧА] ^возб [эз] Переход
N1 8210,7 8216.3 8223,1 8242.4 11,84 3s4 Р3/2, 5/2“_3/’4^3/2, 5/2, 1/2 N1 8711.7 8718.8 8728.9 11.75 11.76 11,75 3s4 Лз/2 — 3Р4 ^3/2 3s4 ^5/2 — W D\/1 3«4 Рз/2 3pi
01 8221,8 8227,7 8230.0 8233.1 14,05 З^-Зр'з/Х, з Зя'здО-Зр'з/?, 2 3 3s^D°1-3p'«Dl N1 9028.9 9045.9 9049.9 9060,5 12,98 13,72 12,97 3p*s°/2-3dzp1/2 3s’2 DSj% — 3p' 2 Fy2 3s 2 DZj2 3p'2 F°5/2 3P2 Si/2 3rf2 P3I2
01 8446,2 8446,4 8446,8 10,99 3&S\-3p*P^ 2_ ! 9260.8 9260,85 9260.9 9262.6 9262.7 9262.8 9265.9 9266,0 ЗроР, ~3d»Dll 2 3pbp2 — 3d^D°h%3 Pa - 3d5 4
N1 8567,7 8594,0 8629,2 8655,9 12,12 12,12 З-S2 Р\/2 ~ 3.Р2 Р%2, 1/2 3'S'2 ^3/2 ~ 3^2 ^3/2, 1/2 01 12,08
8680.3 8683.4 8686,2 8703,3 11,76 11,75 3s* Р5/2 — Зр* Dy2 3i'4 ^3/2 ~ 3^4 ^*5/2 3s< P\j2 — 3Р* ^3/2, 1,2 N1 9386.8 9392.8 12,00 12,01 3s2 P\/2, 3/2 — 3P2 Дз/2, 5/2
ЛИТЕРАТУРА
1. Keck J. С., С а га га J. С., К > v е I В., Wen tin к J. Radiation of from hot air. Annals of Physics, vol. 7. No 1, 1959.
2. Пластинин Ю. А. Спектроскопические исследования излучения нагретого азота. В сб. .Свойства газов при высоких температурах". М., „Наука“, 1967.
3. Коваль А. Г., Коппе В. Т., Фогель Я. М. Спектры испускания некоторых молекулярных газов, возбужденных быстрыми электронами в инфракрасной области спектра. В сб. .Проблемы космической физики”, вып. 4, Киев, Изд. Киевского университета, 1969.
4. Буевич Ю. А., Николаев В. М., Пластинин Ю. А., Сипачев Г. Ф., Якушин М. И. Оптические свойства плазмы безэлектродного разряда в воздушном потоке. ПМТФ, 1968, № 6.
5. Wurster W. Н. Measured transition probability for the first-positive band system of nitrogen. J. Chem. Phys. vol. 36, No 8, 1962.
6. Cooper P. M. Equilibrium air radiation from layers at 11,3 km/sec. A1AA J., vol. 4, No 12, 1966. См. также .Ракетная техника и космонавтика", т. 4, № 12, 1966.
7. Авилова И. В. и др. Оптические свойства горячего воздуха. JQSRT, vol. 9, No 1, 1969.
8. Дронов А. П., Соболев Н. Н. и Файзулов Ф. С. Определение силы электронного перехода первой положительной системы полос азота. „Оптика и спектроскопия*, т. XXI, вып. 3, 1966.
9. С т р и г а н о в А. Р., СвентиЦкий Н. С. Таблицы спектральных линий нейтральных и ионизованных атомов. М., Атомиздат, 1966.
Рукопись поступила 2jIV 1971 г.
