izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2024-6-32-39izmertech-2176Research ArticleОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯOPTICOPHYSICAL MEASUREMENTSАнализ границ применимости фотоэлектронных умножителей в составе лазерного доплеровского анемометраAnalysis of the limits of applicability of photomultiplier as part of a laser Doppler anemometerhttps://orcid.org/0000-0001-9835-6520РахмановВ. В.RakhmanovV. V.

Виталий Владиславович Рахманов

Новосибирск

Vitaly V. Rakhmanov

Novosibirsk

rahmanov@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7124-3921КашкароваМ. В.KashkarovaM. V.

Маргарита Владимировна Кашкарова

Новосибирск

Margarita V. Kashkarova

Novosibirsk

m.agafontseva@gmail.comКакаулинС. В.KakaulinS. V.

Сергей Витальевич Какаулин

Новосибирск

Sergey V. Kakaulin

Novosibirsk

kakaulin_sergei@mail.ruЗубановК. С.ZubanovK. S.

Кирилл Сергеевич Зубанов

Новосибирск

Kiril S. Zubanov

Novosibirsk

k.zubanov@g.nsu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0018-7675ДвойнишниковС. В.DvoynishnikovS. V.

Сергей Владимирович Двойнишников

Новосибирск

Sergey V. Dvoynishnikov

Novosibirsk

dv.s@mail.ruИнститут теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАНРоссияKutateladze Institute of thermophysics SB RASRussian Federation2024250720247363441Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20242024ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2176

Рассмотрено использование методов лазерной доплеровской анемометрии для бесконтактного измерения скорости движущейся среды в различных фазовых состояниях. Отмечена специфика условий применения лазерных доплеровских анемометров – в ряде случаев существуют ограничения на использование фотоэлектронных умножителей. С целью поиска альтернативы классическому фотоэлектронному умножителю лазерного доплеровского анемометра исследованы фотоумножители трёх типов: классический электровакуумный; кремниевый лавинный мультипикселный; с микроканальной пластиной. Проведены физические эксперименты по измерению скорости аэро- и гидродинамических потоков лазерным доплеровским анемометром с фотоумножителями трёх типов. Измерены скорости вращающегося стеклянного диска, аэродинамического потока в канале прямоугольного сечения и потока аэрозоля, а также гидродинамической затопленной струи. Полученные экспериментальные данные проанализированы по критериям оценки качества (эффективности) работы указанных фотоумножителей и границам их применимости. На основе физических свойств исследованных фотоумножителей объяснены показатели их эффективности в различных экспериментах. Определены границы эффективного использования данных фотоумножителей в широком классе физических экспериментов. Полученные результаты имеют важное значение для исследователей, занимающихся изучением аэро- и гидродинамических потоков, где необходимы точные и надёжные измерения скорости потока. Выбор оптимального фотоумножителя для лазерного анемометра позволяет повысить точность и простоту получения экспериментальных данных и снизить стоимость конечного оборудования.

This paper considers the use of laser Doppler anemometry methods for non-contact measurement of the velocity of a moving medium in various phase states. It notes the specifi city of conditions of application of laser Doppler anemometers, in that in a number of cases there are restrictions on the use of photomultipliers. In order to find an alternative to the classic photomultiplier of a laser Doppler anemometer, three types of photomultipliers were investigated: classic electric vacuum; silicon avalanche multipixel; with microchannel plate. Physical experiments were conducted to measure the velocity of aero- and hydrodynamic fl ows by laser Doppler anemometer with photomultipliers of three types. The velocities of a rotating glass disk, aerodynamic fl ow in a channel of rectangular cross-section, and aerosol flow, as well as hydrodynamic flooded jet, were measured. The obtained experimental data were analyzed according to the criteria for assessing the quality (efficiency) of operation and finding the limits of applicability of the specified photomultipliers. Based on the physical properties of the studied photomultipliers, their efficiency indicators in various experiments are explained. The boundaries of the effective use of these photomultipliers in a wide class of physical experiments are determined. The results obtained are important for researchers involved in the study of aero- and hydrodynamic flows, where accurate and reliable measurements of flow velocity are required. The choice of an optimal photomultiplier tube for the laser anemometer allows increasing the accuracy and ease of obtaining experimental data and reducing the cost of the final equipment.

лазерный доплеровский анемометрфотоэлектронный умножительмикроканальная пластинакремниевый мультипикселный фотоумножительизмерения скоростиаэродинамический потокгидродинамический потокlaser Doppler anemometerphotomultipliermicrochannel platesilicon multi-pixel photomultipliervelocity measurementsaerodynamic flowhydrodynamic flowРабота выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 23-29-00203. Авторы выражают благодарность ЗАО «Экран ФЭП» за предоставленные образцы МКП ФЭУ.ReferencesArastoopour Hamid, Sy Shao. Laser Doppler anemometry: Applications in multiphase fl ow systems, Elsevier Science (1997). https://doi.org/10.1016/B978-044482521-6/50014-0Arastoopour Hamid, Sy Shao. Laser Doppler anemometry: Applications in multiphase fl ow systems, Elsevier Science (1997). https://doi.org/10.1016/B978-044482521-6/50014-0Поплавский С. В., Нестеров А. Ю., Бойко В. М. Разработка и применение лазерного доплеровского анемометра с прямым спектральным анализом для исследования высокоскоростных многофазных потоков. Теплофизика и аэромеханика, 27(4), 583–591 (2020). https ://www.elibrary.ru/hovoccPoplavski S. V., Nesterov A. Yu., Boiko V. M. Development and application of the laser Doppler anemometer with direct spectral analysis for studying high-velocity multiphase fl ows. Thermophysics and Aeromechanics, 27, 555–563 (2020). https://doi.org/10.1134/S0869864320040083Kabar din I. K., Meledin V. G., Yavorskiy N. I. et al . Small disturbance diagnostic inside the vortex tube with a square crosssection. AIP Conference Proceeding, (1770), 030003-1–030003-9 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4963945Kabardin I. K., Meledin V. G., Yavorskiy N. I. et al. Small disturbance diagnostic inside the vortex tube with a square crosssection. AIP Conference Proceeding, (1770), 030003-1–030003-9 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4963945Alekseenko S. V., Anufriev I. S. Glavniy V. G. et al. Study of 3D fl ow structure and heat transfer in a vortex furnace. Heat Transfer Research, 47(7), 653–667 (2016). https://doi.org/10.1615/HeatTransRes.2016015721Alekseenko S. V., Anufriev I. S. Glavniy V. G. et al. Study of 3D fl ow structure and heat transfer in a vortex furnace. Heat Transfer Research, 47(7), 653–667 (2016). https://doi.org/10.1615/HeatTransRes.2016015721Durao D. F. G., Whitelaw J. H. Relationship between velocity and signal quality in laser Doppler anemometry. Journal of Physics E: Scientifi c Instruments, 12, 47 (1979). https://doi.org/10.1088/0022-3735/12/1/014Durao D. F. G., Whitelaw J. H. Relationship between velocity and signal quality in laser Doppler anemometry. Journal of Physics E: Scientifi c Instruments, 12, 47 (1979). https://doi.org/10.1088/0022-3735/12/1/014Ota R. Photon counting detectors and their applications ranging from particle physics experiments to environmental radiation monitoring and medical imaging. Radiological Physics and Technology, 14, 134–148 (2021). https://doi.org/10.1007/s12194-021-00615-5Ota R. Photon counting detectors and their applications ranging from particle physics experiments to environmental radiation monitoring and medical imaging. Radiological Physics and Technology, 14, 134–148 (2021). https://doi.org/10.1007/s12194-021-00615-5Dolgoshein B et al. Silicon photomultipliers in particle physics: possibilities and limitations. Innovative Detectors for Supercolliders, pp. 442–456 (2004). https://doi.org/10.1142/9789812702951_0029Dolgoshein B. Silicon photomultipliers in particle physics: possibilities and limitations. Innovative Detectors for Supercolliders, pp. 442–456 (2004). https://doi.org/10.1142/9789812702951_0029Sen Qian, Qi Wu, Lishuang Ma et al. The R&D of the ultra-fast MCP-PMTs for high energy physics. Journal of Physics: Conference Series, 2374, 012131 (2022). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2374/1/012131Sen Qian, Qi Wu, Lishuang Ma et al. The R&D of the ultra-fast MCP-PMTs for high energy physics. Journal of Physics: Conference Series, 2374, 012131 (2022). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2374/1/012131Rakhmanov V. V., Dvoynishnikov S. V., Meledin V. G. et al. Application features of micro-pixel avalanche photodetectors in the laser Doppler anemometers. Journal of Physics: Conference Series, 2057, 012088 (2021). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2057/1/012088Rakhmanov V. V., Dvoynishnikov S. V., Meledin V. G. et al. Application features of micro-pixel avalanche photodetectors in the laser Doppler anemometers. Journal of Physics: Conference Series, 2057, 012088 (2021). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2057/1/012088Bortfeldt J., Brunbauer F., David C. et al. Timing performance of a micro-channel-plate photomultiplier tube. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research – section A (NIM-A), 960, 163592 (2020). https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.163592Bortfeldt J., Brunbauer F., David C. et al. Timing performance of a micro-channel-plate photomultiplier tube. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research – section A (NIM-A), 960, 163592 (2020). https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.163592Климов А. В., Меледин В. Г., Аникин Ю. А. и др. Спектральный метод детектирования сигналов лазерного доплеровского измерителя скорости турбулентных потоков. Автометрия, 54(3), 85–93 (2018). https://doi.org/10.15372/AUT20180311Klimov A. V., Meledin V. G., Anikin Y. A. et al. Spectral method of detection of laser Doppler velocimeter signals in turbulent fl ows. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 54, 284–291 (2018). https://doi.org/10.3103/S8756699018030111Аникин Ю. А. Исследование закрученного потока в кубическом контейнере доплеровским полупроводниковым анемометром для жидкостей с плохой оптической разрешимостью: автореф. дис. канд. техн. наук. ИТ СО РАН, Новосибирск (2011).Anikin Yu. A. Candidate’s dissertation in Technical Sciences. IT SB RAS, Novosibirsk (2011).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.