Импульсно-периодический электроионизационный CO-лазер с криогенным охлаждением

Среди мощных электроразрядных лазеров замкнутого рабочего цикла основная роль до настоящего времени принадлежит электроразрядным СО2 -лазерам. Созданные в конце 60-х годов 20-го века и непрерывно совершенствуемые, они широко используются в различных областях науки и техники. Высокие выходные характеристики в сочетании с относительной простотой устройства на долгие годы обеспечили постоянный интерес к этим лазерам. Однако рост спроса на лазерные технологии является причиной развития других типов лазеров. Одним из перспективных может оказаться электроразрядный лазер на окиси углерода.

Созданный практически одновременно с СО2 -лазерами на базе однотипной техники, электроразрядный СО-лазер для практической реализации своего более высокого квантового КПД требует охлаждения рабочей среды до криогенных температур. В начале становления лазерной технологии, в период быстрого развития и совершенствования СО2 -лазеров, работающих при комнатной температуре, это было существенным недостатком. Именно поэтому, в то время как электроразрядные С02-лазеры широко использовались в лазерной технологии, разработка СО-лазеров ограничивалась лишь созданием лабораторных макетов.

Основная задача исследователей того времени состояла в изучении кинетики этого лазера и достижении максимальных энергии, мощности и спектра перестройки. К концу 70-х годов прошлого века в некоторых лабораториях, в основном США и СССР, был выполнен ряд исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию мощных электроразрядных СО-лазеров с высокими выходными параметрами. Однако, открытый рабочий цикл электроразрядных СО-лазеров принципиально не позволял говорить о них, как о технологических лазерах.

Работа по созданию опытного образца технологического электроразрядного лазера на окиси углерода в Самарском (Куйбышевском) филиале ФИАН началась в 1984 году. Она являлась продолжением работ по СО-лазерам, в частности, по электроионизационным СО-лазерам, проводимых в лаборатории КРФ в Физическом институте им. П. Н. Лебедева с 1972 г. На основе экспериментальных данных, полученных в ФИАНе, по моноимпульсным криогенным электроионизационным СО-лазерам в филиале к 1985 г. была спроектирована, а к 1987 г. изготовлена установка с импульсно-периодическим режимом излучения.

После создания этой установки появилась возможность провести экспериментальную проверку многих предложений по практической реализации уникальных особенностей электроионизационного СО-лазера, которые высказывались в литературе. В первую очередь это касалось мощностных и спектральных характеристик.

Данный лазер обладает рядом особенностей, главными из которых являются следующие:

1. Отсутствие резкого пика мощности излучения в начале импульса генерации, что позволяет обрабатывать материал без образования плазменного факела в зоне воздействия излучения. (Возникновение факела плазмы в начале импульса излучения приводит к тому, что большая часть энергии импульса излучения поглощается и отражается этой плазмой, сильно снижая тем самым эффективность лазерного воздействия на обрабатываемый материал).

2. На СО-лазерах возможно получать длинные импульсы излучения (1000−3000мкс), что позволяет работать без оптических пробоев в диапазоне энергий до ЮкДж в импульсе.

3. Широкий спектр излучения на основной частоте и обертоне в диапазоне от 2.5 до 7 мкм, возможность работы на выделенной длине волны в пределах этого диапазона дает богатые возможности по использованию излучения СО-лазера для исследовательских и технологических применений.

Целью данной работы являлось следующее:

Разработка и создание импульсно-периодического электроионизационного СО-лазера с криогенным охлаждением.

Для перфорации, резки и сварки тонколистовых материалов, использования в лазерохимии с приемлемыми производительностью и эффективностью лазер должен иметь следующие основные параметры:

Энергия излучения.~300Джчастота следования импульсов. до 10Гцдлительность импульсов генерации.100−3000мкс;

Задачи, которые было необходимо решить для достижения цели:

1)Определить механизм возникновения «провала» в импульсе излучения СО-ЭИЛ при возбуждении от емкостного накопителя энергии;

2)Определить условия оптимальной накачки ИП-СО-ЭИЛ;

3) Определить тип источника питания основного разряда лазера;

4) Исследовать энергетические характеристики лазера.

5) Исследовать спектральные характеристики лазера.

6) Исследовать технологические возможности установки.

Научная новизна.

1. Выявлено и определено влияние ударов второго рода, происходящих в активной среде СО-ЭИЛ, которые приводят к обратной передаче энергии от колебательно-возбужденных молекул СО электронам разряда и, следовательно, к снижению эффективности накачки. На основе анализа временных характеристик излучения в условиях, типичных для работы СО-ЭИЛ, определена средняя энергия Ее электронов в разряде. Для обеспечения эффективной накачки предложено использовать разряд формирующей LC-линии на согласованную нагрузку, что позволит выполнить условие Те>Ти (Теэлектронная температура, Tv — колебательная температура) и избежать снижения эффективности накачки из-за ударов второго рода в течение всего импульса накачки.

2.Создан импульсно-периодический электроионизационный СО-лазер замкнутого цикла с криогенным охлаждением.

3.Установлено, что применение в источнике питания основного разряда формирующей LC-линии позволяет получить наибольший электрооптический КПД (22%) СО-ЭИЛ для безгелиевых газовых смесей при рабочей температуре Т=140К.

4.Установлено, что применение формирующей LC-линии в совокупности с прокачкой газовой смеси позволяет увеличить наработку на отказ фольгового узла электронной пушки и, следовательно, всего лазера на 5 порядков, по сравнению с известными моноимпульсными электроионизационными лазерами.

Практическая значимость работы.

1.Лазер использовался для отработки технологического процесса прошивки отверстий в панелях звукопоглощающих конструкций.

2.Лазер использовался для отработки технологического процесса раскроя листовых углепластиковых композитных материалов.

3. Созданный лазер использовался для проведения работ по разложению Рдикетонатов металлов, которые показали возможность применения данного лазера в нанотехнологиях (были получены частицы с размерами менее 1 мкм).

4.Данная установка является удобным макетом для быстрой адаптации к решению различных задач и апробации различных решений по улучшению ее физико-технических и эксплуатационных характеристик. 5. Электронная пушка лазера с уникальным набором параметров является эффективным инструментарием для разнообразных целей.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) При выборе режимов возбуждения рабочей среды импульсного электроионизационного СО-лазера необходимо учитывать влияние ударов второго рода (сверхупругих соударений), оказывающих существенное влияние на эффективность его работы;

2) Для эффективной накачки рабочей среды импульсного СО-ЭИЛ необходимо выполнение условия Те>Т" в течение всего импульса возбуждения (Те — электронная температура, Tv — колебательная температура). Данное условие можно реализовать, используя разряд формирующей ZC-линии на согласованную нагрузку;

3) При прочих равных условиях КПД СО-ЭИЛ для смеси CO: N2= 1:9, использующего для накачки формирующую LCлинию, выше КПД лазера с емкостными накопителями энергии, а спектр излучения шире и содержит большее количество спектральных линий ;

4) Применение формирующей LC-линии в совокупности с прокачкой газовой смеси позволяет увеличить наработку на отказ фольгового узла электронной пушки по сравнению с известными моноимпульсными электроионизационными лазерами.

Структура и объем диссертации

.

Данная диссертация состоит из введения, представленного выше, пяти глав, заключения и пяти приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выявлено и определено влияние ударов второго рода, происходящих в активной среде СО-ЭИЛ, которые приводят к обратной передаче энергии от колебательно-возбужденных молекул СО электронам разряда и, следовательно, к снижению эффективности накачки. На основе анализа временных характеристик излучения определена средняя энергия электронов в разряде, оказавшаяся равной 0.7эВ.

2.Экспериментаьно установлено, что для обеспечения эффективной накачки, возбуждение СО-ЭИЛ следует осуществлять разрядом формирующей LC-линии на согласованную нагрузку, что позволит выполнить условие T<>TU (Тс — электронная температура, Tv — колебательная температура) и избежать снижения эффективности накачки из-за ударов второго рода в течение всего импульса накачки.

3. В результате проведенных работ впервые создан импульсно-периодический электроионизационный СО-лазер с криогенным охлаждением со следующими характеристиками: энергия излучения в импульсе. до 360 Джспектральный диапазон импульса излучения.5−5,7 мкмчастота повторения импульсов. до 10 Гцэнергия излучения в импульсе в импульсно-периодическом режиме при частоте 10 Гц. не менее 100 Джэлектрооптический кпд лазера при температуре рабочей смеси на входе в разрядный промежуток 140 К.22% ;

4. Экспериментально установлено, что при прочих равных условиях КПД СО-ЭИЛ, использующего формирующую LCлинию (7 = 22% при Т = 140 К для смеси СО: N2 = 1:9), выше КПД лазера с емкостными накопителями энергии (~ 15%);

5. Выявленные различия в спектрах излучения электроионизационных СО-лазеров, в которых используются разные схемы импульсного питания, могут быть объяснены влиянием ударов второго рода. Большая приведенная напряженность электрического поля при работе СО-ЭИЛ-ЬС по сравнению с СО-ЭИЛ-С позволяет уменьшить влияние ударов второго рода и, соответственно, достичь большей колебательной температуры уровней. В выполненных экспериментах эффективная колебательная температура 0, характеризующая триноровское распределение молекул СО по колебательным уровням, оказалась равной 4500К для СО-ЭИЛ-ЬС и 1700 К для СО-ЭИЛ-С.

6. Результаты экспериментов позволяют утверждать, что использование формирующей LCлинии дает возможность в ряде случаев перейти к технически более простым фреоновым холодильникам при сохранении достаточно высокой эффективности генерации;

7. Экспериментально установлено, что использование формирующей 1Слинии позволяет значительно (на 5 порядков) увеличить наработку на отказ (разрушение разделительной фольги в процессе пробоя) и тем самым существенно увеличить надежность работы СО-ЭИЛ-LС по сравнению с СО-ЭИЛ-С;

8. Разработаны уникальные источники питания лазера.

Высоковольтный источник питания электронной пушки обеспечивает следующие характеристики :

Напряжение — 150 кВ;

Ток накала катода электронной пушкидо 18 А;

Длительность импульса тока электронного пучка — до 100 мкс.

Частота следования импульсов — до 25 Гц;

Ток электронного пучка — до 30 А. Источник питания основного разряда имеет следующие характеристики:

Напряжение — до 50 кВ;

Мощность — до 80 кВт;

Частота следования импульсов — до 25 Гц;

Длительность импульса — до 100 мкс.

Не известны источники подобного класса, работающие с такими временными характеристиками в импульсно-периодическом режиме. Эти данные не только позволяют говорить о надежной работе источников питания в целом, но также делать выводы о надежности и ресурсе работы каждого из применяемых в схеме элементов.

Выражаю огромную благодарность моим руководителям и соавторам печатных работ Петрову АЛ. и Казакевичу B.C. за грамотную и четкую организацию процессов создания СО-лазера и проведения исследований, соавторам Морозову К. В., Климову Н. А., Воронову А. И., Жукову Г. В., Черновой В. Б за внесенный вклад в создание лазера и проведение экспериментов.

Исследование характеристик излучения лазера при работе на С02.

Спроектировав и изготовив лазер для работы на окиси углерода, трудно было удержаться и не испытать его на смесях с С02, не требующих криогенного охлаждения. Работы проводились на смесях C02: N2:He=l:2:3 при плотности, на которой мы работали и с СО-смесями, т. е. 0,5 Амага. Поскольку режим накачки импульсного электроионизационного С02 -лазера значительно отличается от режима требуемого для аналогичного СО-лазера, приходилось перемонтировать формирующую линию источника основного разряда. Если для СО-лазера были использованы 13 последовательно соединенных LC-секций, обеспечивающих длительность накачки 90−100 мкс, то для С02 -лазера наилучшие результаты были получены при использовании двух параллельных ветвей по 6 LC-секций каждая. Такая конфигурация формирующей линии обеспечивала длительность накачки 40−45 мкс. Изменять длительность пучка электронов пушки, которой мы могли варьировать в пределах 25−200 мкс, необходимости не было, т.к. длительность накачки определялась длительностью разрядки формирующей линии источника питания основного разряда. В результате, при работе с тем же резонатором, который использовался для работы на СО, с единственным отличием, что были заменены разделительные и выходное окна с CaF2 на NaCl, была получена энергия в импульсе 120 Дж. Т.к. описываемая установка не рассчитана на охлаждение водой, то работы на С02 -смесях проводились вообще без охлаждения. При работе в импульсно-периодическом режиме на частоте 10 Гц в таких условиях в начальный период работы была зафиксирована энергия в импульсе порядка 50 Дж, которая в течение 30 мин. снижалась до порядка 10 Дж за импульс. Понятно, что это понижение энергии импульса излучения было вызвано повышением температуры рабочей смеси на входе в разрядный промежуток, а также ее деградацией. Охлаждение смеси в таком режиме работы лазера обеспечивалось только за счет теплоемкости стенок газодинамического тракта излучателя. После того, как мы обеспечили охлаждение рабочей смеси посредством подачи в теплообменник небольшого потока жидкого азота, удалось стабилизировать энергию в импульсе излучения в пределах 50−40 Дж при работе на частоте до 10 Гц в течении 30−40 мин. Время работы определялось условиями экономии жидкого азота. Т. е. средняя мощность излучения лазера при работе на С02 -смесях составляла 400−500 Вт.

Интересно, что работая при комнатных температурах, при которых разделительная фольга находится в гораздо более тяжелых температурных условиях по сравнению с режимом с криогенным охлаждением, не было отмечено различия в надежности работы фольгового узла при этих, та к сильно отличающихся (на 200К !) температурных режимах.

Кроме того, работа на смесях с С02 позволяла провести проверку и тренировку всех узлов лазера в рабочих режимах без затрат жидкого азота и тем самым подготовить лазер к работе на окиси углерода.

Разложение Р — дикетонатов металлов излучением импульсно-периодического электроионизационного СО-лазера.

В последнее время методы лазерной термохимии успешно применяются для высокотемпературного синтеза ультрадисперсных порошков (пудр) химических элементов, простых соединений, а также различных смесей. Такие порошки используются при разработке новых материалов с повышенными механическими, термическими и химическими свойствами. Речь идет, прежде всего, о создании конструкционных композитных материалов. Свойства материалов этого класса резко изменяются при внедрении в матрицу исходного материала частиц, сильно воздействующих на параметры межзеренных границ. Отсюда вытекает необходимость иметь частицы с характерными размерами 3-г300 нм при практически сферической форме с малым разбросом диаметров. Требуемые характеристики порошков достигаются, когда химические реакции разложения или синтеза проводятся непосредственно в объеме газовой фазы, и в условиях, когда происходит нуклеация (образование кластеров) твердофазных продуктов реакции.

Кристаллизация широко используется при получении ультрадисперсных материалов для техники и медицины. Требования к таким материалам сводятся к тому, чтобы нанокристаллы, составляющие материал, имели заданное распределение по массе, параметрам формы, составу и дефектности. В случае конструкционных и пленочных материалов добавляется требование к определенному взаимному расположению нанокристаллов в пространстве, т. е. к заданной текстуре продукта кристаллизации. В связи с этим возникает вопрос, в какой мере всю совокупность требований к материалу можно удовлетворить непосредственно в процессе кристаллизации, не прибегая к последующему модифицированию продукта. Литературные данные убеждают в том, что это возможно в реакторах сложной конструкции при прецизионном управлении режимом кристаллизации и при наличии информации обо всех элементарных процессах в кристаллизаторе. Вместе с тем опыт показывает, что ультрадисперсное вещество целесообразно получать в реакторах с неоднородньм реакционным объемом, причем, чем больше градиенты концентрации и температуры в объеме, тем больше вероятность сформировать и сохранить вещество в нанодисперсной форме. Для образования нанокристаллов необходимы высокие пересыщения, которые невозможно создать в больших объемах среды. Вместе с тем, чтобы нанокристаллы сохранили нанометровые размеры, они должны находиться в зоне высокого пересыщения малое время. Данные требования может выполнить «градиентный» кристаллизатор на основе использования импульсного лазерного излучения.

Разложение порошка ацетилацетоната меди импульсно-периодическим излучением СО-ЭИЛ [90] проводилось в камере, изображенной на рис. 48 в атмосфере гелия при комнатной температуре при давлении 1.5атм. В этом случае в качестве проходного окна камеры использовалась пластина 1 из флюорита. Применялось импульсно-периодическое излучение на выделенной частоте 1975.5 см'1 с энергией в импульсе 5Дж при длительности импульса ~ 200мкс. Излучение фокусировалось в пятно 0 2 мм на поверхности порошка. Плотность мощности лазерного излучения в фокусе линзы составляла 0.8МВт/см2.

1 — Проходное окно из Si (прозрачно в области длин волн 1-] 1мкм);

2 — Штуцер подачи газообразного Си (асас)2;

3 — Штуцер отбора продуктов разложения Си (асас)2;

4 — Основание, на котором размещался Си (асас)2 при проведении экспериментов по разложению ацетилацетоната меди в твердой фазе;

5 — Область лазерной фокусировки при проведении экспериментов по разложению Си (асас)2 а газовой фазе.

После облучения порошок ацетилацетоната меди и твердые продукты разложения растворялись в хлороформе. Нерастворимые химические вещества, находящиеся в осадке, двукратно промывались хлороформом и высушивались. Анализ этого вещества показал, что это окись меди. Этот порошок окиси меди состоял из сферических частиц субмикронного размера аморфной структуры (см. Рис.49).

Рис. 49 Вид частиц окиси меди, полученных при разложении порошка Си (асас)2 под воздействием лазерного излучения ИП-СО-ЭИЛ [90].

Разложение ацетилацетоната меди в газовой фазе. Эксперименты по разложению Си (асас)2, находящегося в газовой фазе, в поле лазерного излучения проводились по следующей методике. Слой порошка (2мм) Си (асас)2 насыпался на дно камеры (Рис.48) и закрывался сверху стальной пластиной 035×2. Камера вакуумировалась до давления ОЛмм.рт.ст. При нагреве камеры до t=l 50 С давление в камере повышалось до Р=0.07атм. Лазерное излучение фокусировалось в центр камеры. Средняя энергия импульса ~20Дж. Количество импульсов — 20. Учитывая френелевское отражение от поверхности проходного окна, которое в этом эксперименте было выполнено из Si (см. Рис.48), полная энергия лазерного излучения, вложенная в кювету, составила ~200Дж. Плотность мощности лазерного л излучения в фокусе составила ~1 МВт/см После окончания лазерного воздействия камера охлаждалась до комнатной температуры. После охлаждения камеры давление в ней было равным Р=0,03 атм. Твердые продукты разложения Си (асас)2 бурого цвета, осевшие на стальной пластине, собирались и подвергались электронномикроскопическим и рентгенографическим исследованиям (Рис. 50, Таблица № 4). Анализ продуктов разложения Си (асас)2 в этом случае показывал, что в их состав входят частицы Си и СиО с кристаллической структурой.

Рис. 50. Вид осажденных на стальной подложке частиц, полученных при лазерном разложении газообразного Си (асас)2[90].

Проведенные эксперименты показали, что в зависимости от условий проведения экспериментов структура частиц получающихся при разложении Си (асас)2 может быть различной: при разложении ацетилацетоната меди в твердой фазе образующиеся частицы имели аморфную структуру, в то время как разложение ацетилацетоната меди в газовой фазе приводило к образованию частиц с кристаллической структурой. Данный факт может быть объяснен разными временами конденсации и образования частиц в атмосфере гелия и газовой атмосфере ацетилацетоната меди.

В литературе отсутствует единая схема разложения ацетилацетонатов. Предложено несколько механизмов разложения ацетилацетоната меди (II), одна из схем включает радикальный механизм:

Cu (acac)2=(acac)Cu'+(acac)' (acac)Cu'=Cu+(acac)'.