Диагностика активных сред СО2-лазеров методом лазерного спектрографа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Р Г 5 Ом

1 я ФВ Ш

РООСИИСКИИ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР ВСЕРОССИЙСКИЙ Н/^ЧР [аИСХ1\ЕДОВАТЕЛЮ<ИЙ ШСШГУГЖОТЕРИМЕНГАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

На правах р)-кописн

БУЛКИН Юрии Николаевич

УДК 621.373.826.038.823 621.378.33

ДИАГНОСТИКА АКТИВНЫХ СРЕД С02-ЛАЗЕР0В МЕТОДОМ "ЛАЗЕРНОГО СПЕКТРОГРАФА"

Специальность: 01.04.01 -"техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследовании"

Автореферат

Диссертация на соискание учёной степени кандидата фияико- математических наук

ВНИИЗФ -1994

Работа выполнена в Российском Федеральном Ядерном Центре - ВНИИЭФ.

Научный руководитель: Доктор физ.-мат. наук,

профессор Кириллов ГА.

Официальные оппоненты:

мъСхиаыи&Ш у-Шйсри^тлм р?иси<)

Ведущая организация: /

Защита состоится

в_часов на заседании специализированного совета-ССК 124.02.02

во ВНИИЭФ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИЭФ. Автореферат разослан

. Учёный секретарь Специализированного Л . /С^- //*Л.Б.Воронин Совета при РФЯЦ ВНИИЭФ доктор физико-математических наук

Общая характеристика работы. Работа посвящена определению основных параметров (колебательных температур трёх типов нормальных колебаний молекулы СО2 - Т1, Т2, ТЗ, поступательной температуры газа Т и концентрации активных частиц (^со2 ^ активных

сред СОг-лазеров методом "лазерного спектрографа", разработке и исследованию основного инструмента данного метода - зондирующего СС>2 лазера, перестраиваемого по линиям пяти полос (00°1-10°0, 00°1-

02°0, 00°2-10°1, 00°2-02°1, ОШ-И'О).

Актуальность проблемы. При исследовании активных сред СС>2 лазеров всегда существует потребность в детальных методах диагностики. Обычно при исследовании, например, газодинамических лазеров (ГДЛ) измеряются два параметра-мощность излучения и коэффициент усиления слабого сигнала. Следствием измерения мощности является определение двух других важных параметров-уд ель но го энергосъёма и приведенной мощности излучения. Однако эти характеристики, можно сказать, интегральные, они определяются многими факторами, так величина мощности в гомогенных и смесевых ГДЛ (СГДЛ) в значительной степени определяется конструкцией и качеством оптического резонатора, причем эффективность резонатора изменяется при изменении рабочих режимов в ГДЛ. Обычно измеряемая величина показателя усиления слабого сигнала (а) на линии традиционной полосы (00°1-10°0) также неоднозначно характеризует состояние инверсной среды и не позволяет без дополнительных предположений определить, например, запасенную колебательную энергию, которую, в принципе, можно преобразовать в энергию когерентного излучения.

В рамках современных представлений для понимания процессов, происходящих в активных средах СОг-лазеров, необходимо знание всех колебательных температур (Т1, Т2, ТЗ), поступательной температуры газа (Т) и концентрации активных частиц (Е,со2 )• На этой основе можно определить населенности

уровней, запасенную энергию, понять кинетику возбуждения и распада уровней, а также ответить на такие "тонкие" вопросы, как в динамике изменяется диссоциация активных частиц или имеет ли место преимущественная накачка асимметричного

уровня молекулы СО2 за счет энергии экзотермической реакции. Часто эти значения определяют расчетным образом, решая, как, например, в ГДЛ совместно уравнения колебательной кинетики, газодинамики и уравнение состояния. Но ввиду того, что константы скоростей одних процессог. имеют значительный разброс, а некоторых вообще отсутствуют, 145 точность такого расчета оставляет, как привило желать лучшего. Поэтому требуется определять их экспериментальным образом. Основным экспериментальным направлением в настоящее время по определению колебательных температур, поступательной температуры и концентрации СО2 становится "метод лазерного спекгрографа" ("Л.С.") - диагностика, основанная на измерении спектрального распределения коэффициента резонансного усиления. Из теоретического описания метода следует, что для определения всех колебательных температур (Т1, Т2, Т3), поступательной температуры смеси (Т) и концентрации активных частиц (^со2), необходимо

провести игмеречня на линиях, как минимум, четырех полос: 00°1-10°0, 00°1-02°0, 00°2-10°1, (ИЧ-П'О, т.е. для применения метода в полном объеме необходимы зондирующие лазеры, работающие и перестраиваемые в "нетрадиционных" полосах (00°2-10°1, 00°2-02°1, (ИЧ-И'О), что стало возможным в последние годы благодаря усилиям двух г|тупп исследователей, в том числе благодаря работам автора с сотрудниками. Представляет интерес применить данный метод в полном объеме к исследованию активных сред ГДЛ и СГДЛ и получить таким образом максимум информации о псех вышеперечисленных параметрах. Особый пятерке прэедстапляет исследование методом "лазерного спектрографа" химико-газодинамического лазера (ХГДЛ), т.к. на сегодняшний день все еще остается открытым вопрюс о преимущественной накачке асимметричного уровня 00°1 молекулы СО2 в результат;: экзотермических реакций типа:

) 530 кДж/моль

+Л60 кДж/'моль

имеющих м :сю з ХГДЛ.

Также большой интерес представляет исследование данным методом активной среды волноводного СС^-лазера, исследование вопроса о колебательном равновесии лазерных уровней 10°0 и 02°0 связанных резонансом Ферми и вопрос, связанный с диссоциацией активных частиц. Общим несомненным интересом этих исследований является то, что сведений об измерении коэффициента усиления на нетрадиционных переходах в активных средах перечисленных С02-лазеров в литературе нет.

И последнее, исследование активных сред С02-лазеров методом "лазерного спектрографа" требует постоянного уточнения матаппарата метода. Необходимо знание спектроскопических данных молекулы СО2: абсолютных значений частот переходов СО2 в области 9... 11ц.; вероятностей спонтанного излучения А^У) и выражений для ударных полуширин линий. И если к настоящему времени таблицы абсолютных частот лазерных переходов С02 выглядят давно устоявшимися (например, в монографии В.Виттемана /1/), то анализ данных по вероятностям спонтанного излучения и значений ударных полуширин линий проводится до сих пор, т.к. всё время совершенствуется экспериментальная база исследователей и растут возможности машинного счёта. Вследствие этого является необходимым провести экспериментальное обоснование выбора спектроскопических констант и аналитических выражений для ударной полуширины линий, используемых в данном методе.

Исходя из вышеизложенного, целью диссертационной работы

является:

• создание и экспериментальное исследование различных вариантов зондирующих перестраиваемых С02-лазеров для целей диагностики активных сред различных С02-лазеров, проведение их сравнительного анализа, в том числе автоматизированного перестраиваемого С02-лазера;

• доказательство возможности определения параметров активной среды СГДЛ методом "ЛС";

• экспериментальное исследование активных смесей ГДЛ, СГДЛ методом "ЛС";

• экспериментальное исследование активной смеси ХГДЛ методом "ЛС", исследование вопроса о преимущественной накачке асимметричного уровня 00°1;

• экспериментальное исследование активной смеси волноводного СС>2-лазера (ВГЛ) методом "ЛС", исследование вопроса о колебательном равновесии лазерных уровней 10°0 и 02°0;

• экспериментальное обоснование выбора спектроскопических констант и аналитических выражений для ударной полуширины линий, используемых в данном методе.

Научная новизна предлагаемой работы заключается в

следующем:

• создание и экспериментальное исследование быстросканирующего СОг-лазера с высокоселективным резонатором, что впервые позволило получить в сканирующем режиме последовательную генерацию на линиях традиционной и нетрадиционных полос;

• создание и экспериментальное исследование высокодобротного непрерывного зондирующего СО2-лазера с высокоселективным резонатором, с ручной подстройкой частоты и перестраиваемого по линиям пяти полос (00°1-1000, 00°1-02°0, 00°2-10°1, 00°2-02°1, 014-11*0), общее количество линий генерации —180, в области Р-ветви полосы 10.6)1 - 59 линий;

• в экспериментальном доказательстве несоблюдения больцмановского равновесия между уровнями 10"0 и 02"0, связанными резонансом Ферми, в газодинамических СОг-лазерах, т.е. в доказательстве, что Т^Тг при исследованных параметрах активной среды;

• в экспериментальном доказательстве отсутствия преимущественной накачки асимметричного уровня 00°1 в активной среде ХГДЛ в химической системе СО-Ь^О;

• впервые проведено экспериментальное исследование активной среды волноводного СС>2-лазера методом "лазерного спектрографа", показано, что резонанс Ферми между уровнями 10°0 и 02°0 не обеспечивает равновесное распределение населённосгей этих уровней и Т>Т2) а диссоциация СО2 в волноводах из ВеО при достаточно больших энерговкладах мала по сравнению с диссоциацией в обычных электроразрядных лазерах.

Практическая значимость настоящей работы состоит:

/

• в разработке и создании нескольких образцов быстросканирующих и непрерывных перестраиваемых СС^-лазеров для целей диагностики активных сред, газоанализа и спектроскопии, в том числе непрерывного перестраиваемого СС^-лазера с воздушным охлаждением , впоследствии применяемого в тематике отделения;

• в разработке и создании автоматизированного непрерывного стабилизированного перестраиваемого компактного СОг-лазера для тех же целей и как составной части газоанализатора "лазерный спектрограф";

• в создании аналогичного образца перестраиваемого С^О^8-лазера (впервые) по линиям пяти полос для целей газоанализа;

• в расширении сферы применения метода "лазерного спектрографа" в полном объёме, а именно в его экспериментальной апробации в активных смесях ГДЛ, СГДЛ, ХГДЛ, ВГЛ, ( где ранее он не применялся), т.е. в доказательстве универсальности метода и получении новых экспериментальных результатов.

Из представленных в диссертации результатов автор выносит

на защиту:

• разработку селективного непрерывного СС^-лазера с ручной подстройкой частоты (РПЧ) и высокодобротныя резонатором (общее количество лнний генерации в пяти полосах - 180, в области Р-ветвн 10,6мкм - 59 линий) и разработку быстросканирующего селективного лазера, что впервые позволило получить в сканирующем режиме последовательную генерацию на линиях традиционных и нетрадиционных полос;

• разработку непрерывного компактного С02-лазера с

автоматизированной перестройкой по спектру (по заданной программе) и автоматической подстройкой частоты (АПЧ);

• результаты экспериментального исследования активных смесей ГДЛ, СГДЛ методом "лазерного спектрографа" с измерением коэффициентов усиления на линиях нетрадиционных полос (00®2-10°1, Ol'1-ll'O), экспериментальное доказательство несоблюдения равновесного распределения населённосгей уровнен 10°0 и 02°0, связанных резонансом Ферми, в активной среде ГДЛ при исследованных параметрах активной среды, т.е. Т^Тг:

• результаты экспериментального исследования активной среды ХГДА методом "лазерного спектрографа" с измерением коэффициента усиления на линиях нетрадиционных полос (00°2-10°1, Ol'l-ll'O), основной • из которых - это отсутствие преимущественного энерговклада в асимметричный тип колебаний;

• результаты экспериментального исследования активной смеси волноводного С02 - лазера методом "лазерного спектрографа" с измерением коэффициента усиления на линиях нетрадиционных полос (00°2-10°1, Ol'l-ll'O), одни из которых - Ферми-резонанс между колебательными уровнями 10°0 и 02°0 не обеспечивает равновесное распределение населённосгей этих уровней в электроразрядном волноводном С02 - лазере, т.е. Tj t- Г2 при исследованных условиях.

Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, обсуждались на семинарах отделения ВНИИЭФ, докладывались на семинаре в ЦИАМЕ в 1989 году, на VII Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" в 1993 году.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 158 страниц, включая 36 рисунков и 18 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 118 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность и определена цель работы, кратко изложено содержание диссерггации, а также сформулированы научная новизна, практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена описанию метода "ЛС". В первом параграфе главы I даётся понятие о четырёхтемиературной модели С02-лазера. Во втором параграфе этой гл.шы дано теоретическое описание метода при использовании перестраиваемого С02-лазера в Р или R-ветвях только традиционных полос (00°1-10°0, 00°1-02°0). Показано, что в этом случае можно определить лишь поступательную температуру смеси Т и колебательную температуру асимметричного типа колебаний Т3 при предположении Ti=T2=T=Tr.

В третьем параграфе главы I дано теоретическое описание метода с использованием С02-лазера, перестраиваемого по линиям традиционных (0001-10°0, 00°1-02°0) и нетрадиционных полос (00°2-10°1. 00°2-02°1, Ol'l-ll'O). В этом случае без всяких упрощающих

предположений определяются все петь параметров активной среды С02-лазера: Т, Ть Т2, Т3, £,сс,2.

В четвёртом параграфе этой главы приведены значения погрешностей коэффициента усиления, связанные со сдвигом частоты зондирующего лазера относительно центра контура усиления в режиме работы быстрого сканирования.

В пятом параграфе первой главы приводятся результаты экспериментального обоснования выбора спектроскопических констант (Ап,п) и аналитических выражений для ударной полуширины линий, используемые в методе "ЛС". Для этого были проведены опорные опыты по поглощению излучения зондирующего С02-лазера в многоходовой кювете длиной ¿=10,32 метра, наполненной чистым С02 или смесью С02 с особо чистым азотом. Экспериментальные значения коэффициентов поглощения сравнивались с расчётными, где брались вероятности спонтанного излучения (А^) и значения ударных полуширин из различных работ. Минимальное различие (~1%) было получено при использовании констант спонтанного излучения и значений ударных полуширин, полученных в работе /2/. Они и были выбраны для вычислений параметров активных сред С02-лазеров из результатов диагностики.

Вторая глава {заботы посвящена исследованию перестраиваемых

зондирующих С02-лазеров, используемых для диагностики активных

сред различных типов С02-лазеров.

В первом параграфе 2-ой главы сформулированы основные

- требования, предъявляемые к зондирующим С02-лазерам:

• возможность перестройки генерации излучения по линиям традиционных (00°1-10°0, 00°1-02°0) и нетрадиционных полос (00°2-10°1, 00°2-02°1, ОЛ-И'О) с достаточной для измерения мощностью генерации на слабых линиях (не менее ~200 мВт на каждой линии);

• высокая стабильность мощности выходного излучения лазера, обеспечение генерации в центре контура усиления линии (кратковременная нестабильность мощности не более 0,5%);

• возможность работы в разных режимах (непрерывном или быстросканирующем).

Тут же перечислены и все те экспериментальные способы и

приёмы, с помощью которых выполнялись вышеперечисленные требования.

Во втором параграфе описаны три типа быстросканирующих СОг-лазеров, перестраиваемых в традиционных (00°1-10°0, 00°1-02°0) , и частично в горячей (Ol'1-ll'O) полосах. Проведён их сравнительный анализ. Это прокачной СОг-лазер с вращающейся репликой (прототип -классическая схема Моллера - Ригдена), зондирующий СОг-лазер, собранный по схеме Якоби в двух вариантах (лазерный спектрограф) и отпаянный СОг-лазер с вращающимся дифракционным уголковым отражателем. Показано, что наиболее оптимальный из них для целей диагностики - перестраиваемый ССЬ-лазер с вращающимся дифракционным уголковым отражателем. Общее количество линий -90, из них две - "горячие" (Р23 и Р19), время сканирования по всему спектру ~0,5мс.

В третьем параграфе этой главы рассмотрены три типа непрерывных зондирующих С02-лазера, перестраиваемых по линиям

пяти полос (00°1-10°0, 00°1-02°0, 00°2-1001, 00°2-02°1, OlH-ll'O). Показаны преимущества С02-лазеров прокачного и квазиотпаянного типов, на которых путём оптимизации состава рабочей смеси и повышения разрешающей способности резонатора впервые получена генерация на линиях Р23...Р15 второй полосы секвенции (00°2-10°1) без использования горячей кюветы в резонаторе лазера. Мощность генерации на линиях второй полосы секвенции составляет 0,1-^5Вт (для TEMqo). В квазиотпаянном варианте перестраиваемого СОг-лазера с "глухим" зеркалом резонатора R=10m, длиной активного элемента £=1Лы, дифракционной решёткой 150 штрих/мм с коэффициентом отражения в нулевой и первый порядки спектра соответственно Ro»3-f4%, Ri»92-=-94% была получена генерация на -180 линиях пяти полос. В области Р-ветви 10,6мкм было получено 59 разрешаемых линий: Р4^Р56 (00°1-10°0), Р15ч-Р47 (0002-10°1), Р16-Р3о (OlH-ll'O).

В четвёртом параграфе данной главе сообщается о бысгросканирующем варианте СОг-лазера с генерацией линий в традиционных (00°1-10°0, 00°1-02°0) и нетрадиционных (00°2-10°1,

и

00°2-02°1, 014-114)) полосах, его преимущества перед другими вариантами зондирующих лазеров.

В пятом параграфе второй главы сообщается об автоматизированном перестраиваемом СС^-лазере. В нём решена проблема автоматической перестройки длины волны генерации с помощью ЭВМ и согласованного функционирования при этом системы автоматической подстройки частоты (АПЧ). Разработано электромеханическое прецизионное устройство поворота дифракционной решётки, электронный блок управления, совместимый с различными марками персональных компьютеров, интерфейсные устройства и программное обеспечение, а также реализован оригинальный метод настройки на любую заданную линию генерации без спектрального прибора. Полностью автоматизированный перестраиваемый СОг-лазер не только во много раз повышает производительность экспериментов в диагностике активных сред, но и существенно расширяет возможности использования таких лазеров в лидарных системах, спектроскопии и газоанализе.

Третья глава посвящена диагностике активных сред ГДЛ, СГДЛ методом "ЛС".

В первом параграфе этой главы расчётным образом дано обоснование применимости методики "ЛС" к исследованию активных сред смесевых ГДЛ, определены необходимые критерии.

Во втором параграфе главы 3 приведены результаты исследований активных сред ГДЛ, СГДЛ с использованием зондирующего 'СС^-лазера, перестраиваемого только в традиционных полосах (00°1-10°0, 00°1-02°0). Экспериментальное определение параметров, активных сред ГДЛ, СГДЛ происходило на хорошо известной установке квазинепрерывного ГДЛ /3/, использующей для нагрева газа химический или электрический взрыв. Зондирование

проводилось одним или двумя перестраиваемыми лазерами, работающими в непрерывном или быстросканирующем режимах.

В непрерывном режиме использовались лазеры с РПЧ. Показано, что в этом случае метод имеет ограниченные возможности

и им можно пользоваться, если допустимо предположение ТП0СГ=Тврив=Т1=Т2, а концентрация активных частиц (£,со2) известна. Однако вследствие значительного

упрощения эксперимента метод хорош как экспресс-анализ для измерений поступательной температуры (Тп) и колебательной температуры асимметричного уровня (Т3) с точностью ~10%, хотя вместе с погрешностью в определении Т2 ошибка в значении инверсии может достигать 30% и более.

В третьем параграфе главы 3 приведены результаты ' диагностики активных сред ГДЛ, СГДЛ с использованием лазера, перестраиваемого в традиционных и нетрадиционных полосах (00°1-10°0, 00°1-02°0, 00°2-10°1, 00°2-02°1, О^-И'О). В результате измерений получен полный набор параметров активной средьг ГДЛ (Т, ' Т}, Тг, Т3, ^со2 )• Показано, что допущение о существовании локального равновесия между симметричной и деформационной модами колебаний не соблюдается, Т^Тг и разница значений растёт с уменьшением давления в потоке до -50% от значения Т2. Это необходимо учитывать при расчётах энергетических характеристик гомогенных ГДЛ, моделирование которых при условии Т^Тг приводит к завышению расчётных значений удельного знергосьёма и мощности излучения.

Четвёртая глава посвящена диагностике активной ср>еды волноводного С02-лазер>а (ВГЛ) методом "ЛС". Известно, что с ростом плотности тока в разряде любого электрюразрзядного лазера возрастает диссоциация СО2. Это приводит к неопределённости концентрации рабочих молекул и затрудняет оптимизацию лазера по выходной мощности. Поэтому применение метода "ЛС" для диагностики рабочей среды ВГЛ, позволяющего определить вместе с колебательными и поступательной температурами концентрацию СО2, существенно облегчает проведение оптимизации.

В первом параграфе даётся описание экспериментальной установки волноводного СОг-лазера. Волноводньгй С02-лазер был изготовлен на основе полой трубки из керамики ВеО длиной 500мм и внутренним диаметром Змм. Выбор керамики из ВеО связан с её высокой теплопрюводносгью К=150Вт/мК. На торцах трубки бьгли расположены цилиндрические электроды с внутренним диаметром 3,5мм, в которых для обеспечения прюкачки газовой смеси были

сделаны отверстия. На расстоянии 4мм от торцов электродов размещались зеркала волнЬводного резонатора.

В опытах на диагностику при зондировании активной среды изучением перестраиваемого С02-лазер)а зеркала волноводн ого резонатора заменялись на прозрачные в области 10,6мкм пластины из селеннда цинка (ZnSe). Рабочая смесь С02:1М2:Не:Хе =1:0,5:3,275:0,225 прокачивалась через разрядный цилиндр со скоростью 8м/сек. Давление в разрядной трубке составляло Р»35торр. Измерения коэффициента усиления проводились в центре контура усиления и при "малых" зондирующих сигналах, заведомо меньших "интенсивности насыщения", уровень которой экспериментально определялся на каждой линии каждой полосы перед приведением серии. На каждой линии любой из полос проводилось 5:10 измерений (набиралась статистика), после чего определялся Кф. Следуя методике "ЛС" измерялись коэффициенты усиления на пяти линиях четырёх полос: Р18 полосы 00°1-10°0, ' Р16(00°1-02°0), Р4о(0001-10°0), Рзз(0002-10°1), Р,9(01,1-11,0).

Во втором параграфе данной главы приводятся результаты диагностики. Представлены усреднённые значения измеренных коэффициентов усиления "малого сигнала" на 5 линиях четырёх полос при различных токах ргазряда (т.е. различных энерговкладах). Разброс результатов менее 4%.

По измеренным коэффициентам усиления определены значения параметров активной среды ВГЛ (Т, Т|, Т2, представленные

в таблицах и графиках, в зависимости от тока разряда. Из полученных результатов видно, что поступательная температуря среды (Т) монотонно возрастает с увеличением энерговклада, монотонно растут и колебательные температуры симметричного (Г]) и деформационного (Т2) колебаний молекулы С02, причём Т| с большей крутизной. "Отрыв" Г) от Т2 увеличивается с 7% (1=8мА) до ~17% (1=32мА),. что свидетельствует о том, что в активной среде электроразрядного волноводного С02-лазера нельзя населённости уровней 10°0 и 02р0 описать распределением Больцмана:

где:

Г - равновесная колебательная температура.

Колебательная температура асимметричного уровня 13 быстро "насыщается", хотя энерговклад "растёт", но с другой стороны возрастает релаксация (из-за повышения Т), а также падает эффективность по "фактору Е/р". По известным Т, Т), Т2, Т3, СХр^,

были определены концентрации активных частиц ПРИ различных

значениях тока. Видна очевидная тенденция уменьшения концентрации ^С02 ПРИ Увеличенин тока в трубке, что естественно связано с

увеличением диссоциации. Интересно то обстоятельство, что концентрация не уменьшается более, чем на 27% от изначальной. Одним из факторов, способствующим рекомбннационным процессам, является отношение (пропорциональное ~1/г) площади внутренней поверхности трубки к объёму рабочей смеси, т.к. известно, что присутствующие в разряде ионы о; рекомбинируют на стенках, кислород хорошо поглощается стенками, на которых и идёт интенсивно реакция восстановления углекислого газа 2С0+02->2С02+5,82эВ

Пятая глава посвящена исследованию ХГДЛ методом "АС".

Одним из способов повышения запаса колебательной энергии в газовых смесях является использование неравновесных экзотермических химических реакций, в результате которых значительная доля энергии выделяется в колебательные степени свободы продуктов реакций. Применительно к С02-ГДЛ рядом авторов продолжается экспериментальное исследование неравновесных эффектов в системе СО+^О, считающейся наиболее перспективной

/4-6/'

В первом параграфе проведено расчётно-теоретическое исследование возможности дополнительной химической "подкачки" применительно к С02-ГДЛ в системе С0+Ы20 на базе анализа литературных данных о характере газофазных химических реакций в этой системе.

Во втором параграфе сообщается о постановке экспериментов по исследованию влияния химических реакций на параметры активной среды ГДЛ. Эксперименты проводились на модельной установке

квазинепрерывного газодинамического лазера с нагревом газа электрическим взрывом в замкнутой камер« /3/. Принципиальная схема экспериментальной установки полностью соответствует той,

которая использовалась при исследовании активной среды ГДЛ и СГДЛ. В экспериментах использовались разные типы сопловых блоков и инжекторов с различной организацией процесса смешения химических реагентов: спутной, перпендикулярной, дозвуковой, звуковой, сверхзвуковой.

В третьем параграфе данной главы приводятся основные экспериментальные результаты. Уровень значений коэффициента усиления активной лазерной смеси находился при этом между значениями, полученными в гомогенном и смесевом режимах работы ГДЛ, соответственно.

Так из результатов экспериментов с плоским сопловым блоком Ь*«0,016см, А/А =75 и инжектором трубчатого типа следует, что "включение" химической реакции между СО и ЫгО по сравнению с опорными опытами сравнения приводит к примерно пропорциональному росту всех характеристических температур: и колебательных, и поступательной. Можно предположить, что энергия экзотермической реакции между СО и N20 распределяется практически равномерно в различные типы колебаний (повышается Т2 и Т3) при этом:

АТ2»ДТз«300н-350К, ' ДТ>200К

Приблизительно к такому же результату можно прийти, если предположить, что энергия, выделяющаяся в результате химической реакции, приводит к простому повышению температуры торможения газа.

В условиях проведённых экспериментов не было обнаружено преимущественного заселения асимметричного типа колебаний молекул СО2, образующихся в результате экзотермической химической реакции между СО н N20, проходящей в дозвуковой области сверхзвукового " сопла.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Впервые при исследовании активных сред ГДЛ, СГДЛ, ХГДЛ, ВГЛ был применён метод "ЛС" с проведением измерения коэффициента усиления малого сигнала на линиях нетрадиционных полос (00°2-10°1), (О^-И'О), что позволило без дополнительных

допущений определить значения колебательных температур молекулы СО2 (Tl, Т2, ТЗ), значе.-ше поступательной температуры смеси (Т), значение концентрации активных частиц

2. Для целей диагностики активных сред С02-лазеров были созданы и экспериментально исследованы три типа (гоггъ вариантов) быстр осканирующих COj-.vasepoE, перестраиваемых в традиционных

и частично в горячей (Ol'l-ll'O) полосах. Проведён их сравнительный анализ. Показано, что наиболее оптимальный из них для целей диагностики - перестраиваемый СО2-лазер с вращающимся дифракционным уголковым отражателем.

3. Для тех же целей созданы и экспериментально исследованы три типа непрерывных COj-AaaepOB, перестраиваемых по линиям традиционных (00°1-10°0, 00°1-02°0) и нетрадиционных (00°2-10°1, 00°2-02°1, .014. 11*0) полос. Показаны преимущества СОг-лазеров Прока много и квазисггпаянного типов, на которых путём оптимизации состава рабочей смеси и повышения разрешающей .способности резонатора впервые получена генерация на линиях Р23...Р15 второй полосы секвенции (00®2-10°1) без использования горячей кюветы в резонаторе лазера. Мощность генерации на линиях второй полосы секвенции составляет 0,1-5-5 Вт (для ТЕМоо).

4. В квазиотпаянном варианте перестраиваемого СОз-лааера с глухим зеркалом резонатора R=10m была получена генерация на 180 линиях пяти полос. В области Р-ветви 10,6мкм было получено 59 разрешаемых линии:

Р4+Рзб(00°1-10°0), PiJi-P47(000Z.100l). Р|^Рзо(О1,1.1110).

5. При исследовании активной среды гомогенного ГДЛ показано, что допущение о существовании локального равновесия между симметричной и деформационной модами колебаний не соблюдается, Tj^Tj и разница значений растёт с уменьшением давления в потоке до ~50% сгт значения Т2. Это необходимо учитывать при расчётах энергетических характеристик гомогенных ГДЛ, численное моделирование которых при условии Т,=Т2 приводит к завышению расчётных значений удельного энергосъёма и мощности излучения.

6. Определены значения параметров активной среды ВГЛ (Т, Tj, Т2, Т3, ^эСОт) в зависимости от тока разряда (или энерговклада).

Показано, что при использовании волновода их ВеО даже при максимальном токе разряда степень диссоциации молекул С02 не превышает 27%.

7. В условиях активной среды ВГЛ Ферми-резонанс между колебательными уровнями 10р0 и 02'э0 не обеспечивает болыгмановского распределения населишостен этих уровнях и

Т,-Т2.

8. Проведено экспериментальное исследование ХГДЛ в широком диапазоне параметров торможения и составов рабочей смеси. В условиях проведённых экспериментов преимущественное заселение асимметричного типа колебаний молекул СО2, образующихся в результате химической реакции между СО и N¿0, не обнаружено.

9. Произведён экспериментально обоснованный выбор спектроскопических констант (А~п) и аналитических выражений д\я ударной полуширины линий (Д\'с), исследуемых в данном методе.

10. Разработан и исследован автоматизированный, стабилизированный по частоте и мощности, перестраиваемый С02-лазер, предназначенный для научных исследований в области диагностики активных сред, спектроскопии и газоанализа.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ю.Н.Булкин. Б.Л.Выскубенко, Г. А. Кириллов. С.Б.Кормер и др. "Исследование газодинамического лазера на продуктах сгорания ацетилена." Квантовая электроника, 8, N6, с. 1202 (1981).

2. А.А.Ада менков, В.В.Буэоверя, Ю.Н.Булкин н др. "Диагностика

активной среды волноводного С02-лазгрз м'.ггодом **ла.4фного

спектрографа"." Отчет ВНИИЭФ 13/Т-942 (1992).

3. Ю.Н.Булкин, Ю.В.Колопянин, Ю.В.Сав1Щ, В.А.Тарас<>в. ''Диагностика активных сред гомогенных и смесепы;: ! ДЛ с помощью зондирующих СОт-лазфов, перестраизасммх по линиям традиционных и нетрадиционных падче.' Кват-овая электроника, 18, N9, (1991).

4 Ю.Н.Булкин, Б.А.Выскубенко, ЕА.Кудрясюг., ГО.В.Савин. В.АЛ арасов "Исследование возможности создания лп'Пьо-

газодинамического лазера на продуктах химических реакций". Отчёт ВНИИЭФ 13/Т-518 (1986).

5. Ю.Н.Булкин, В.В.Бузоверя, БА.Выскубенко, Е.Т\Деменюк и др. "Исследование возможности химического форсирования удельных энергетических параметров СО2-ГДЛ". Отчёт ВНИИЭФ 13/Т-1019 (1994).

6. А.А.Адаменков, Ю.Н.Булкин, Ю.В.Колобянин, ЕА.Кудряшов, Ю.В.Савин, В .А.Тарасов. "Диагностика активной среды гомогенного ГДЛ методом "лазерного спектрографа"" Квантовая электроника (в печати).

7. Ю.Н.Булкин, Ю.Н-Дерюгин, Ю.В.Савин, ВА.Тарасов.

"Диагностика активных сред ГДЛ с помощью зондирующих С02-лазеров, перестраиваемых в традиционных и нетрадиционных полосах". Отчёт ВНИИЭФ 13/Т-684 (1989).

8. АААдаменков, Ю.Н.Булкин и др. "Разработка лазерного спектрографа для определения вредных веществ в атмосфере"

(итоговый отчет о НИР) Отчет ВНИИЭФ 13/Т-997 (1993).

9. В.В.Бузоверя, Ю.Н.Булкин, БА.Выскубенко и др. "Выбор модели турбулентности для описания течения в смесевых газодинамических лазерах". Отчёт ВНИИЭФ 13/Т-337 (1985).

10. Ю.Н.Булкин, Ю.В.Колобянин, Ю.В.Савин. ВА.Тарасов. "Зондирующий С02-лазер для диагностики активных смесей ГДЛ,

СГДЛ. ХГДЛ" Отчёт ВНИИЭФ 13/Т-613 (1988).

И. Горячев Л.В., Булкин Ю.Н., Дружинин В.П., Кудряшов Е.А., Тарасов ВА. "Экспериментальные исследования поглощательной способности малопримесных составляющих атмосферного воздуха (кюветные измерения)". Отчёт Г-1/91-1, отделение №4 МИФИ, ГМП "ПИК" (1991).

12. Булкин Ю.Н., Горячев Л.В., Дружинин В.П., Кудряшов ЕА., Тарасов В.А. "Измерение коэффициентов поглощения атмосферных примесей с помощью СО- и С02-лазеров". Отчёт ВНИИЭФ 13/Т-1036 (1994).

13. АААдаменков, В.В.Бузоверя, Ю.Н.Булкин, Ю.В.Колобянин,

Е А. Кудряшов, ВА.Тарасов. "Диагностика активной среды

волноводного С02-лазера методом "лазерного спектрографа"". Квантовая электроника (в печати).

Большинство основных результатов, вошедших в диссертацию, получено автором самостоятельно. Содержание диссертации отражает личный вклад автора в проведённые исследования. Часть результатов связанных с работой установки квазннспрерывного ГДЛ и эксплуатации многоходовой кюветы получена совместно с соавторами работ /3-5-7, 11, 12/, Горячевым Л.В., Савиным Ю.В., Тарасовым В.А. при определяющем участии автора. По техзадашно диссертанта соавторы работ /6, 8/ Адаменков А.А. и Кудряпюв ЕА. пели машинную обработку полученных результатов, что позволило без дополнительных допущении, а главное с большей производительностью определять значения основных параметров активных сред С02-лазеров (Т, Т), Т2, Тз, 4с02 )• Соавторы работ /1,3,4/ Выскубенко Б.А., Колобяшш

Ю.В. принимали участие в постановке некоторых задач и обсуждении результатов. Научный руководитель Кириллов Г.А. определил направление исследований, принимал участие в постановке задач и обсуждении полненных результатов.

Цитируемая литература

1. В.Виттеман. С02-лазер.- М.:Мир (1990).

2. В.В.Непдах. Квантовая электроника, 11, с.1622 (1984).

3. Ю.Н.Булкин, Б.А.Выскубеш;о, Г .А. Кирилов, С.Б.Кормер. Квантовая элегсгроннка, 8, N6, с.1202 (1981).

4. С.И.Крючков, Н.Н.Кудрявцев, С.С.Новиков. ФГВ, 3, 60 (1985).

5. АА.Борпсов, С.В.Егоркин, В.М.Зачанский н др. Кинетика и катализ, 20, 6, с.1395 (1979).

6. П.В.Белков, С.В.Валько, А.С.Дьяков и др. ЖТФ, 50, И, с.2407

(198С0-