Внедрение: 2017 г.

В Институте проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН был применён PCI‑Express модуль АЦП L‑502 для многоканальной регистрации сигналов с фотоприемников лазерного излучения [1]. Данное применение относится к новой экспериментальной установке для определения концентрации, среднего размера частиц и функции распределения частиц по размерам аэрозольной среды в динамическом режиме.

Структурная схема экспериментальной установки (рисунок 1) состоит из семи источников лазерного излучения (1): гелий-неоновый лазер 3,39 мкм и 0,632 мкм, полупроводниковые лазеры 0,905 мкм, 0,850 мкм и 0,780 мкм, диодные лазеры 0,532 мкм и 0,405 мкм.

Сведение лазерного излучения один световой пучок в диапазоне длин волн от 0,405 мкм до 0,905 мкм происходит с использованием блока дихроических зеркал. Затем объединение светового пучка с лазерным излучением 3,39 мкм происходит с использованием плоскопараллельной пластины из германия (Ge). Канал контроля мощности гелий-неонового лазера 3,39 мкм состоит из светоделительной плоскопараллельной пластины из кремния (Si) и фотоприемника. Лазерное излучение, пройдя диафрагму (3), попадает в измерительный объем (4), где ослабляется аэрозольной средой. Далее ослабленное лазерное излучение попадает в фотоприемный блок, где происходит разделение лазерного пучка на исходные составляющие с использованием дифракционной решетки (5).

Лазерное излучение, ослабленное облаком аэрозоля, регистрируется фотоприемниками отдельно для каждой длины волны. Для регистрации лазерного излучения в диапазоне длин волн от 0,405 мкм до 0,905 мкм используются кремниевые фотоприемники ФДУК-11. Для регистрации лазерного излучения с 3,39 мкм используются фотоприемные устройства AMP48 (компании АИБИ) на основе гетероструктуры GaSb/GaInAsSb/GaAlAsSb с однокаскадным термоэлектрическим модулем. AMP48 предназначены для регистрации оптического излучения в диапазоне от 0,8 мкм до 4,9 мкм с частотой от 150 Гц до 350 кГц. Механический обтюратор (2) производит модуляцию оптического излучения с частотой 480 Гц и скважностью 2. Регистрация сигналов с фотоприемников осуществляется АЦП L‑502 (фирмы L‑Card).

Рисунок 1. Структурная схема измерительной установки: 1 – лазерные источники излучения; 2 – механический модулятор света; 3 – диафрагмы; 4 – измерительный объем; 5 – дифракционная решетка; Si – плоскопараллельная пластина из кремния; Ge – плоскопараллельная пластина из германия.

На рисунке 2 приведен внешний вид экспериментальной установки.

Рисунок 2. Внешний вид экспериментальной установки.

В рамках исследований проведена серия экспериментов по определению динамики аэрозольной среды, при этом первоначально для каждого момента времени была рассчитана функция распределения частиц по размерам. Далее по известному значению была рассчитана массовая концентрации частиц. Определение дисперсных характеристик аэрозольной среды осуществлялось при заполнении измерительного объема облаком аэрозоля, создаваемым распылителем «Муссон‑2». В качестве модельной жидкости для создания аэрозоля использовалась дистиллированная вода. На рисунке 3 приведена типичная динамика аэрозоля в измерительном объеме.

Рисунок 3. Динамика D₃₂ водного аэрозоля в замкнутом объеме (слева); динамика концентрации водного аэрозоля (справа).

Эволюция аэрозоля определяется совокупным воздействием трех основных факторов: коагуляция, испарение и гравитационное осаждение. Совокупность этих основных факторов определяет динамику концентрации и размеров частиц аэрозольной среды (рисунок 4).

Рисунок 4. Зависимость скорости гравитационного осаждения от диаметра частиц (слева); зависимость времени прохождения пути 12 см при осаждении частиц от их диаметра (справа).

Выводы:

• Разработана экспериментальная лазерная установка для определения концентрации, среднего размера частиц и функции распределения частиц по размерам аэрозольной среды в динамическом режиме.
• Разработан математический аппарат решения обратной задачи оптики аэрозолей, позволяющий определять функцию распределения частиц по размерам с использованием априорной информации об экспериментально измеренном значении среднего объемно-поверхностного диаметра частиц исследуемой среды.
• Проведена серия экспериментальных исследований по определению динамики среднего объемно-поверхностного диаметра частиц аэрозольной среды, также для каждого момента времени определена функция распределения частиц по размерам и массовая концентрация частиц.
• Показана возможность исследования эволюции различных аэрозольных сред с использованием разработанной установки. Результаты измерений позволяют судить о различных процессах эволюции аэрозоля, таких как коагуляция, испарение, гравитационное осаждение частиц.

 
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант мол_нр 16‑32‑50111).

Источник:
Мецлер Э.А., Титов С.С., Муравлев Е.В., Павленко А.А., Архипов В.А.. Экспериментальная установка для определения дисперсных параметров аэрозольных субмикронных сред // Ползуновский вестник. – 2017. – № 1. – С. 56‑62.

Разработчик: Э.А. Мецлер, С.С. Титов, Е.В. Муравлев, А.А. Павленко, В.А. Архипов (ФГБУН ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск)