Анализ границ применимости фотоэлектронных умножителей в составе лазерного доплеровского анемометра

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.

1. Arastoopour Hamid, Sy Shao. Laser Doppler anemometry: Applications in multiphase fl ow systems, Elsevier Science (1997). https://doi.org/10.1016/B978-044482521-6/50014-0

2. Поплавский 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/hovocc

3. Kabar 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/10.1063/1.4963945

4. Alekseenko 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.2016015721

5. Durao 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/10.1088/0022-3735/12/1/014

6. Ota 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/s12194-021-00615-5

7. Dolgoshein 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_0029

8. Sen 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/10.1088/1742-6596/2374/1/012131

9. Rakhmanov 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/10.1088/1742-6596/2057/1/012088

10. Bortfeldt 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.2020.163592

11. Климов 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/AUT20180311

12. Аникин 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).