说明书一种同时测量HF转动温度和振动能级粒子数分布的方法
技术领域
本发明涉及一种HF化学激光器的测量诊断技术，具体的说是一种同时测量HF转动温度和振动能级粒子数分布的方法。利用傅里叶变换红外光谱仪测量得到的HF基频跃迁辐射光谱，可以用于监测HF分子的转动温度T以及v=1,2,3等振动激发态的粒子数分布情况，从而监控HF化学激光器的运转性能。
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HF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Alpha HF化学激光器曾一度是激光武器的代名词。
HF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。
为了深入了解HF化学激光器的运行状况，有必要对气体流速、光腔压力、光腔温度、HF各振动态的粒子数分布等运行参数进行测量诊断。由于HF化学激光一般都在超音速条件下运转，因此常规的侵入式温度测量方法对超音速流场有严重的影响，不适合HF化学激光流场的温度测试。光学方法由于具有非侵入性的特点，所以最为适合这种测量场合。
另外，一般温度测量或粒子数分布测量都是单独进行的，很少将二者结合起来，这样会造成需要多次重复试验的现象，这不但会造成物质材料的浪费，还会造成宝贵试验时间的浪费。
本发明正是在这样的背景下，充分考虑到HF各辐射谱带的特性而设计的一种测量同时测量HF转动温度和振动能级粒子数分布的技术。该技术的基本原理如下：
Iv,J=hcωv,JAv,JNv,J (1)
不同振转跃迁辐射的强度可以用公式（1）表示，其中h为Planck常数，c为光速，v,J为跃迁波数，Av,J为爱因斯坦自发辐射系数，Nv,J为振转态(v,J)的粒子数密度。
Nv,JNv=gv,Jexp(-hcEv,J/KT)Qv---(2)]]>
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），各个振转态的粒子数密度可以用公式（2）表示，其中Nv为振动态(v)的粒子数密度，gv,J为振转态(v,J)的简并度，Ev,J是(v,J)态的转动能级，k为波尔兹曼常数，T为气体温度，Qv为转动配分函数。HF转动配分函数一般可以表示为：
Qv=kThcBv---(3)]]>
发明内容
本发明的目的是提供一种利用直线作图法同时测量HF化学激光器转动温度和HF高振动态粒子数分布的方法。通过该方法，可以实现同时测量HF化学激光器转动温度和HF高振动态粒子数分布，进而考察HF激光器燃烧室和光腔运行状况的目的。
为实现本发明的目的，我们给出如下公式：
将（2）和（3）式代入（1）式，并对两边取对数，则可以得到：
ln(Iv,Jωv,JAv,Jgv,J)=-hcEv,JkT+ln(h2c2NvBvkT)---(4)]]>
令y=hcEv,Jk,x=ln(Iv,Jωv,JAv,Jgv,J),]]>由公式（4）可以得到：
y=-Tx+Tln(h2c2NvBvkT)---(5)]]>
利用公式（5），根据1-0振动谱带系的不同转动谱线的强度分布情况，通过一系列处理后进行作图，可以得到一条直线，其斜率的负数就是温度T。
令y=ln(Iv,Jωv,JAv,Jgv,J),x=hcEv,Jk,JJv=ln(h2c2NvBvkT),]]>由公式（4）可以得到：
y=-T-1x+JJv (6)
可以看到，y与x成线性关系，其斜率为-T-1，而截距则为JJv。
根据1-0,2-1，3-2三个振动谱带系的不同转动谱线的强度分布情况，通过一系列处理后进行作图，可以得到三条直线，每一条直线的斜率基本相同，但是其截距相差很大，分别标记为JJ1、JJ2和JJ3。
根据不同直线的截距情况就可以得到不同振动态的粒子数分布之比,由于Bv变化不大，因此具体计算公式为：
Nv+1Nv=exp(JJv+1-JJv)---(7)]]>
为了实现本发明的目的，具体的技术方案为：
一种同时测量HF转动温度和振动能级粒子数分布的方法，该方法包括以下步骤：
（1）HF基频辐射光谱的测量和处理。
（2）对(1-0)的R支数据作图得到一条直线，利用直线的斜率得到HF分子的转动温度。
（3）对1-0,2-1,3-2三个振动谱带的P支数据作图得到三条直线，利用不同直线的截距得到HF分子v=1,2,3等振动能级的粒子数分布情况。
所述步骤（1）中，利用傅里叶变换红外光谱仪进行HF基频辐射光谱测量，测得HF振动激发态分子的自发辐射荧光光谱，主要是v=1,2,3等振动态的基频辐射跃迁，产生的光谱谱带包括1-0,2-1,3-2。
对所得的光谱图进行数据处理的具体步骤包括：
（1）读取各振动谱带的R支和P支谱线强度Iv,J；
（2）利用公式ln得到量Ln(I/wag)，其中Iv,J为谱线强度，ωv,J为跃迁波数、Av,J为爱因斯坦自发辐射系数，gv,J为上能级简并度；
（3）利用公式得到量hcFu/k，其中h为普朗克常数，c为光速，k为波尔兹曼常数，Ev,J为转动能级。
得到HF分子转动温度的步骤为，对1-0振动谱带的R支转动谱线进行处理，以量hcFu/k对量Ln(I/wag)作图，剔除R0和R1两个数据点，对剩下的数据点进行直线拟合，得到的斜率的负值就是转动温度T。
得到HF分子v=1,2,3等振动能级的粒子数分布情况的步骤为，对1-0、2-1、3-2三个振动谱带的P支数据进行处理后，以量Ln(I/wag)对量hcFu/k作图，得到三条直线，剔除显著不符合规律的数据点，对剩下的数据点分别 进行直线拟合，则根据每两条直线的截距差值就获知它们对应的振动能级的粒子数之比。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过采用傅里叶变换红外光谱仪测量HF基频辐射（Δv=1）光谱，然后对光谱数据进行独特的直线作图处理，最终同时得到HF分子转动温度和v=1,2,3等振动态粒子数分布情况。通过一次试验即可得到温度和粒子数分布结果，节省了试验材料和试验时间。
2、本发明采用直线作图法，将每个恰当的数据点都利用起来，并剔除了一些由于大气吸收或者读数误差而出现的有问题数据点，有效地保证了测量结果的准确度。
附图说明
图1为本发明的操作流程示意图。
其中，1-HF化学激光器实验装置；2-傅里叶变换红外光谱仪；3-光谱仪探测系统对波长的响应系数校正；4-HF第二泛频发射光谱；5-测量计算得到高振动态HF粒子数分布情况。
图2为本发明的实施例中采集的HF基频辐射（Δv=1）光谱，
其中，PvJ代表(v,J-1)振转态到(v-1,J)振转态的辐射跃迁。
图3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转动温度约为689K。
横坐标为量Ln(I/wag)，计算公式为
其中Iv,J为谱线强度，ωv,J为跃迁波数、Av,J为爱因斯坦自发辐射系数，gv,J 为上能级简并度。纵坐标为量hcFu/k，计算公式为其中h为普朗克常数，c为光速，k为波尔兹曼常数，Ev,J为转动能级。
图4为利用(1-0)、(2-1)、(3-2)等三个谱带的P支谱线进行作图得到振动粒子数分布的过程。可以看到三条直线基本保持平行，说明转动温度是相同的。而从三条直线的截距则可以得出粒子数分布为N1:N2:N3=0.729:0.240:0.031。
横坐标为量hcFu/k，计算公式为
其中，h为普朗克常数，c为光速，k为波尔兹曼常数，Ev,J为转动能级。纵坐标为量Ln(I/wag)，
计算公式为Ln(I/wag)=ln(Iv,Jωv,JAv,Jgv,J),]]>
其中，Iv,J为谱线强度，ωv,J为跃迁波数、Av,J为爱因斯坦自发辐射系数，gv,J为上能级简并度。
具体实施方式
实施例1
一次同时测量HF转动温度和振动能级粒子数分布的实例。
根据图1的操作流程，具体操作步骤如下：
实验前准备：
第一步对傅里叶红外光谱仪的波长响应度进行校正。
第二步将傅里叶红外光谱仪的波数范围设为3200-4500cm-1，另外设置合适的光阑大小，确保光谱强度最大但又不会过饱和。
实验过程：
第三步打开闸板阀，抽真空，进行不出激光的HF化学激光实验，即只进行燃烧化学反应发出荧光辐射；但没有腔镜，不会出现激光。
第四步采集HF基频辐射（Δv=1）光谱，并对得到的结果进行响应度校正，得到校正后的光谱图，如图2所示。
实验结果：
第五步将HF的1-0、2-1、3-2等振动跃迁谱带的P支和R支谱线分离出来，读出其谱线高度作为该跃迁的发光强度，并标出每一根谱线的光谱符号，如图2所示，其中PvJ代表(v,J-1)振转态到(v-1,J)振转态的辐射跃迁。
第六步将(1-0)的R支谱线强度进行一系列处理后作图，得到一些列的数据点，这些数据点的线性很好，如图3所示，对这些数据点进行拟合后根据其斜率可以得到温度为689K。
第七步将（1-0）、（2-1）、（3-2）等振动跃迁谱带的P支谱线强度进行一系列处理后作图，如图4所示，可以看到三个振动跃迁谱带的数据点分别位于三条直线上，而且线性很好，根据其截距并依据公式（7）可以得到各振动态的粒子数分布为N1:N2:N3=0.729:0.240:0.031。