Суть спектрально-томографической методики, позволяющей определять пространственное распределение яркостных (истинных) температур, можно свести к следующим положениям. Если в качестве эталонного источника выбрать ленточную лампу накаливания, то энергетические светимости горящей смеси Ef и эталона Ее связаны соотношением
Для реконструкции распределения истинных температур необходимо знать функцию распределения «коэффициента серости» светящегося объекта. Эта функция может быть определена через функцию поглощения внешнего зондирующего излучения для данной длины волны
Вывод формул см. в печатной версии журнала.
Заметим, что томографические исследования процессов горения в ДВС целесообразно проводить с использованием одноцилиндровых четырехтактных двигателей, эмулирующих фазы газораспределения, впрыск, частоту вращения коленчатого вала и т. д. и многоцилиндровых, причем форма головки поршня и камеры сгорания должны быть идентичны последним. В одноцилиндровом варианте жидкостная зона охлаждения должна ограничиваться областью цилиндра, а головка выполняется как легко съемный элемент. Практика показывает, что время использования кварцевых «входных» линз без их очистки от нагара и копоти составляет 3.. .5 минут, а при употреблении природного (13) газа оно несколько больше. Этого времени вполне достаточно, чтобы довести до рабочего режима предварительно прогретый двигатель и получить исходные данные.
На рис.2-а приведена томограмма функции распределения яркостной температуры в камере сгорания ДВС, на рис. 26, 2в - томограммы переноса примеси в установке типа ТОКАМАК ФТ-2. Данные томограммы получены в соответствии с описанной методикой реконструкции и, как показали дальнейшие исследования, достаточно точно отображают исследуемые процессы. Системы такого рода дают возможность анализировать пространственную динамику процессов (изображения 26, 2в получены в одном процессе в разные моменты времени), наглядность очевидна.
Рис. 2. Примеры томограмм при упьтрамалоракурсной реконструкции
Особый интерес представляют исследования процессов в плазме электрической дуги, в плазменных потоках плазматронов, факелах горящего газа (трубки Пито), поскольку на сегодняшний день нет адекватных представлений и моделей процессов, происходящих в таких объектах. Методы малоракурсной томографии, позволяющие получить пространственные функции распределения исследуемых параметров, оказываются эффективными, так как они дают возможность получать качественную информацию, например, о распределении локальных концентраций электронной и ионной компонент, локальных температур и т. д. Данный класс физических задач дает возможность использовать малоракурсный подход при числе исходных проекций 6...24, что существенно повышает точность реконструкции.
На рис. З-а представлена оптическая схема малоракурсного томографа для исследования процессов в дуговых разрядах, плазменных потоках плазмотронов. Представленная система позволяет регистрировать собственное излучение источника плазмы и зондирующее излучение от внешнего источника, например лазера. В данном случае показана возможность регистрации в геометрии 0...7Т, но установка дает возможность получать исходные данные и в геометрии 0...2л.
Принцип работы системы заключается в следующем: излучение исследуемого источника 1 с помощью входных объективов 2 проецируется на торцы светопроводов 3. Таким образом, на этих торцах формируются двумерные проекции исследуемого объекта. Выходные торцы светопроводов собираются в «последовательный» пакет 4. Оптическое изображение с торца пакета с помощью длиннофокусной линзы 5 проецируется на входную щель спектрографа 6 (например ИСП - 51). Таким образом выбираются требуемые поперечные сечения плазменного объекта. Спектры сечений проекций в зоне формирования физического спектра с помощью объектива 7 проецируют на ПЗС матрицу 8, которая через устройство сопряжения подключается к шине ПК (PC). Внешнее зондирующее излучение от источника 9, сформированное в виде плоскопараллельного потока, через систему непрозрачных 10 и полупрозрачных зеркал 11, пройдя исследуемый объект, также проецируется на входные торцы све-
топроводов 3. . Применение зондирующего излучения полезно при исследовании газодинамики сильно запыленной плазмы, при разработке систем плазменного напыления, при определении концентраций ионных компонент в дуговых разрядах, при анализе процессов горения топлив в ЖРД, ПРД и т. д. Входные объективы 2, 11 выполняются по двухлинзовой 12 или трехлинзовой схемам и дают возможность уменьшить изображения исследуемых объемов и в какой-то степени скорректировать веерную геометрию до плоскопараллельной. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить габариты оптиковолоконного сканера и располагать его непосредственно на оптической скамье спектрографа. Таким образом, для достаточно широкого класса задач оптиковолоконный сканер и система регистрации спектров проекций оказываются системами, дополняющими стандартную комплектацию серийно выпускаемых спектрографов. Устройство сопряжения с шиной ПК так же, как и в вышеописанном случае, содержит микропроцессор, ОЗУ и позволяет не только вводить данные в компьютер, но и управлять сервоприводом для перемещения ПЗС камеры в зоне спектров проекций.
Рассмотрим основные положения малоракурсной спектрально-томографической методики реконструкции параметров плазменных объектов - дуга, плазменные потоки малогабаритных плазматронов.
Рис. 3. Оптические схемы малоракурсных томографических систем для исследования параметров плазмы и потоков высокотемпературных газов
Дуговой разряд характеризуется высокой степенью ионизации, и его можно считать высокотемпературным, сильно ионизированным газом, состоящим из электронов положительных и отрицательных ионов, нормальных и возбужденных атомов.
Компоненты плазмы дуги находятся в непрерывном движении, которое обусловлено, с одной стороны, электрическим полем между электродами и, с другой стороны, электромагнитными полями, создаваемыми электронными и ионными токами в объеме дуги. Понятно, что характер движения частиц в каждом элементарном объеме отличается от соседних. Отличаются также и концентрации частиц, суммарные энергии, импульсы, излу-чательные и поглощательные способности. Но эти отличия не столь велики, и поэтому можно сделать предположение, что разряд находится в состоянии термодинамического равновесия. В этом случае можно воспользоваться следующей моделью:
Вывод формул см. в печатной версии журнала.
Рис. 4. Внешний вид малоракурсного оптического томографа для спектрально-томографических исследований
Погрешность реконструкции не превышает 20 %. При расчете погрешности системы в целом учитывались погрешности алгоритмов интерполяции, процедуры свертки (при этом использовалась методика моделирования процесса реконструкции с учетом реальной геометрии). Кроме того, учитывался аппаратурный класс погрешностеи: оптиковолоконных каналов, геометрии проецирования линзовыми системами, погрешности считывания спектров проекций, передаточной функции ПЗС камеры.
В качестве выводов отметим следующее. Описанные методы и средства малоракурсной томографической диагностики параметров физических объектов позволяют получать уникальную информацию о пространственном распределении исследуемых характеристик. Погрешности алгоритмов реконструкции говорят о высокой достоверности получаемых результатов, сами алгоритмы и методики восстановления функций распределения параметров относительно просты в реализации и ориентированы на стандартные ПК. В силу гибкости разработанного программного обеспечения представленные методы 2D, 3D реконструкции позволяют решать широкий класс задач от физико-технической экспериментальной диагностики и неразрушающего контроля до медико-биологических приложений. Аппаратурная реализация разработанных методов и алгоритмов относительно проста и предназначена для использования в обычных физических лабораториях. Некоторые системы, например ма-лоракурсный оптический томограф, могут быть использованы как дополнение к штатной комплектации спектрографов для существенного расширения их возможностей. Опыт использования систем подобного типа показывает, что время, затрачиваемое на проведение экспериментальных исследований, значительно сокращается, а экспериментатор получает в свое распоряжение важную информацию, у него появляется возможность исследовать реальную динамику процессов.
Список литературы
1. Филонин О. В., Левченко М. А., Панин В. В. Томографические методы определения параметров пламен и потоков низкотемпературной плазмы. Сб. научн. тр. «Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах». Томск, СО АН СССР, 1986.
2. Филонин О. В., Панин В. В., Левченко М. А. Принципы построения мультимало-ракурсных томографов для ВТ - диагностики факелов и пламен. Сб. трудов 5 Всесоюзного симпозиума по ВТ, Институт физики Земли АН СССР. М., 1991.
3. Филонин О. В., Яблоков Д. Е. Автоматизированная система сбора и обработки данных для ультрамалоракурсной оптико-томографической микроскопии. Сб. научн. тр. «Инновационные технологии проектирования и производства». Пенза, 2003.
4. Филонин О. В., Явцев В. Ф. Методы малоракурсной вычислительной томографии в диагностике сварных соединений. Техническая диагностика и неразрушающий контроль. №2, 1989, Киев.
5. Луис А. К., Натеррер А. С. Математические проблемы реконструктивной вычислительной томографии, ТИИЭР 1983, т. 1 (71), №3.
6. Герцберг Г. Атомные и молекулярные спектры. М.: Наука, 1985.
7. Олейникова Г. В., Меркулов А. М. Томографические системы для диагностики высокотемпературных потоков ионизованного газа. Сб. научн. тр. «Реконструктивная томография», Куйбышев, 1987.
Источник - "Вестник Самарского Государственного Аэрокосмического университета имени Академика С.П. Королёва", выпуск №1, печатная версия.
Полную версию статьи со всеми чертежами, формулами и приложениями см. в печатной версии журнала.