Экспериментальное и теоретическое исследование условий формирования активной среды в сверхзвуковом потоке сильноионизованной плазмы тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

\ 9 Оч 9«

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА. ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

МАКАРЫЧЕВ Сергей Владимирович

УДК 533.6.011.8 533.9

621.373.826

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ-

УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ АКТИВНОЙ СРЩ В СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ СИЛЬНОИОНИЗОВАННОЙ ПЛАЗМЫ (01,02.05 - механика жидкостей, газа и плазмы)■

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1990

• / (

Работа выполнена в Институте механики МГУ им. М.В.Ломоносова

Научные руководители - академик Г.И.ПЕТРОВ

- кандидат физико-математических наук, ст.н.с. Г.Д.СМЕХОВ

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ведущая организация - Физико-технический институт АН СССР

(г. Ленинград)

на заседании Снециализ!^ ого совета Д 053.05.02 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова в ауд.. ж-м.

Адрес: 119899, Москва, Ленинские горы, Главное здание МГУ

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале ЗиОлиотени механико-математического факультета МГУ.

Г.А.ЛУКЬЯНОВ

- кандидат физико-математических наук В.П.СТАРОДУБ

Защита состоится

¿угз 1990г. в час.^мин.

Автореферат разослан

■г^ 1990г.

Ученый секретарь специализированного совета профессор

Л^С'.-л- В. П. Карликов

5 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

" '* Л

Зтдел _ 'Актуальность__темы. В настоящее время наиболвв мощными

Л£11йзёрами непрерывного действия (мощность генерации 10^-10^ Вт), применявшими в промышленности и научных исследованиях, являются газодинамические лазеры (ГДД). Генерация в нйх осуществляется на оптических переходах между уровнями колебательной энергии молекул СОг,, а активная среда образуется в процессе охлаждения рабочего газа при течении через сверхзвуковое сопло. Возможность обеспечения при этом больших расходов газа способствует увеличению мощности ГДЛ. Сверхзвуковая прокачка активной среда■ используется и в мощных химических лазерах (ХЛ).

ГДЛ и ХЛ генерируют излучение инфракрасного диапазона (длины волн от -1.0 до 30 мкм). Актуальной задачей газодинамики и квантовой электроники является поиск путей создания мощных лазеров в болев коротковолновой области спектра. Генерация излучения с длинами волн от 2-3 мкм до 1-10 нм возможна при использовании в качестве активной среды сильноионизованной рекомбиниругащей плазмы. Лазеры, в которых рекомбинационно неравновесная плазма создается, в процессе газодинамического охлявдвния при сверхзвуковом расширении, получили назвонив плазмодинаиических лазеров (ПДЛ). По существу они являются аналогами ГДЛ в коротковолновой области спектра. Однако в настоящее время ЦДЛ, аналогичный СО^-ГДЛ по выходным характеристикам и технической отработке, еще не создан.

Основная часть работ данного направления была посвящена изучению струй плазмы электродуговых источников

(плазмотронов).Получаемая в них плазма являлась в большинстве случаев слабоионизованной. Сильноионизованная плазма с начальной температурой (2-5) 10"%, содержащая ионы кратности 2-4, доступна импульсным газодинамическим источникам. Однако экспериментального исследования лазерно активных сред данного типа практически нэ проводилось. Вопрос о приводящих к инверсии механизмах неравновесности в потоке сильноионизованной плазмы через сверхзвуковое сопло теоретически недостаточно проработан.Численные ■ расчеты течений плазмы в соплах ограничены, в основном, случаем малой степени ионизации. Выяснение условий получения усиления на

ионных переходах в сильноионизованных струях плазмы газодинамических источников является в настоящее время актуальной задачей.

Цель5_работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование условий формирования активных сред видимого и ультрафиолетового диапазона в штоке рвкомбинирущей плазмы через сверхзвуковое сопло. В качестве объекта экспериментального изучения использовались сильноионизованные струи плазмы ксенона импульсного газодинамического источника, содержащие ионы кратности от I до 3.

Научная_новизна. Теоретически обоснована и экспериментально продемонстрирована возможность создания мощного импульсного плазмодинамического лазера видимого и ближнего УФ диапазона с

с о

временем квазистациокарного действия 10 - 10 с на электронных переходах ионов различной кратности.

Г. Впервые разработан метод расчета неравновесного течения сильноионизованной плазмы в сверхзвуковом сопле, допускающий аналитическое исследование основных видов неравновесности: температурной, рекомбинационной и неравновесности распределения по возбужденным уровням. Основу метода составляет определение положения в сопле "точки замораживания", разделяющей ионизационно равновесный и замороженный участка течения плазмы.

2. Этим методом в области параметров плазмы, получаемой в импульсных газодинамических источниках ( То=3000-50000 К, Ро=Ю~2-102 МПа ) определены условия возникновения инверсной заселенности возбужденных уровней, найдены области существования инверсии и выполнены . расчеты, энергетических характеристик активных сред. Изучена их зависимость от параметров плазмы и конфигурации сопла.

3. Предложен новый метод измерения коэффициента усиления излучения в импульсной плазменной струе, позволяющий одновременно (в одном импульсе) измерить опорный сигнал на заданной длине волны и измерительный сигнал, прошедший через активную зону. Изучена зависимость коэффициентов усиления и поглощения от начальных параметров плазмы и выбора рабочего перехода в спектре исследуемого вещества.

4. Впервые подучено усиленна излучения видимого диапазона в струе сильноионизованной плазмы импульсного газодинамического источника типа "ударная труба с соплом". Усиление получено в сине-зеленой области спектра на переходах 6p4Dg/2-Gs4P2/2 ( х. = = 0.5419 мкм) и 6p"2P3/2-5d2D5/2 ( х = 0.4973 мкм) иона XelX.

Научная__и__практическая'__ценность.

1. Полученные результаты позволяют утверждать, что при создании в предсошговой камере плазмы с указанными в работе параметрами торможения на выходе из сопла формируется активная среда, способная генерировать лазерное излучение в широком диапазоне длин волн от ближней ИК до ультрафиолетовой области спектра. На оптимальных переходах инертных газов возможно достижение следующих запасов мощости и коэффициентов усиления:

Р=870 Вт/см3, к=0.074 см-1 на переходе х = 0.3365 мкм Aril при параметрах торможения плазмы TQ= 44000 К, Ро=0.61 МПа;

Р=130 Вт/слг, к =0.006 см-1 на переходе 'х. = 0.2142 мкм Aril при Т0= 38000 К, Р0= 0.052 МПа;

Р=15 Вт/см3 , к = 1.2 см-1 на переходе х = 0.6694 мкм ХеН при Т0= 20000 К, PQ= 0.028 МПа.

2. Предложенный метод измерения коэффициента усиления может использоваться для исследования усилительных свойств непрерывных и импульсных плазменных потоков с необходимой для практических целей точностью ( 0.005-0.012 см-1 в зависимости от амплитуды сигнала).

3. Измеренная в эксперименте величина коэффициента усиления к = 0.046+0.012 см на длине волны 0.5419 мкм и к = 0.028+0.010 см-1 на длине волны 0.4973 мкм достаточна для получения квазинепрерывной лазерной генерации.

4. Разработанный метод расчета неравновесного течения сильноионизованной плазмы в серхзвуковом сопле может применяться для анализа и приближенного расчета параметров активных сред лло з,мо динамических лазеров, а также для обоснованного планирования экспериментальных и более детальных численных исследований данного направления.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и были одобрены на Всесоюзной конференций молодых ученых "Математическое

моделирование задач газодинамики и пути повышения эффективности энергетических установок" (Новосибирск, апрель 1986г.), на Всесоюзном совещании "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск, сентябрь 1986г.), на У1 Всесоюзном съезда по теоретической и прикладной механике (Ташкент, сентябрь 1986г.), на X Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений (Ужгород, октябрь 1988г.), на III Всесоюзном совещании "Физика и газодинамика ударных волн" (Владивосток, октябрь 1989г.), а также на заседаниях подсекции совета Института механики МГУ по физико-химической газодинамике.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структща_и_дбъвм_работы. Диссертация состоит из введения и четырех основных глав разделенных на 16 параграфов. В заключении сформулированы теоретические и экспериментальные выводы работы. Диссертация содержит 165 страниц машинописного текста, в том числе 54 рисунка на 54 страницах и список литературы на 9 страницах, включавдий 103 наименования. Приложение ('II страниц) содержат схемы энергетических уровней атомов и ионов Cali, Mgll, Aril, ArlII, XeII, Xelll, Arl, Xel, Hei, MgI, Cal, на которых показаны переходы, исследованные в данной работе.. Общий объем диссертации 176 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи, кратко изложено содержание диссертации.

Глава I имеет обзорный характер. В ней дан критический анализ литературных данных по исследованию ' рекомбшшруыцвй плазмы как активной среды плазменных и плазмодинамических лазеров. Основное внимание уделено работам по созданию активных сред в непрерывных и импульсных плазменных струях. Рассмотрена возможность реализации газодинамического лазера коротковолнового диапазона (видимого и ультрафиолетового) на рекомбинирущей плазме многозарядных ионов.

Обсуждаются основные трудности продвижения в коротковолновый диапазон в непрерывном режиме генерации, связанные с недостаточной начальной степенью ионизации плазмы в источниках непрерывного и квазшюпрэрывного действия (плазмотронах). С другой стороны, в сильноионизованной лазерной плазме улучшение энергетических характеристик излучения ограничено малым массовым расходом рабочего вещества.

В связи с этим указано на целесообразность применения в ПДЛ импульсных газодинамических источников плазмы. В сравнении с мощными плазмотронными установками такие источники компактны и используют для образования плазмы нээлектрические фор.™ энергии. Обращается внимание на недостаточную изученность активных сред в струях плазмы двух-четырехкратных ионов, создаваемых такими источниками. Имеющиеся числвнные расчеты по струям плазмы в соплах ограничены, в' основном случаем малой степени ионизации, что объясняется, видимо, областью параметров, в которой проводились эксперименты на плазиотронных установках.

Во_вто£юй__главе содержится теоретический анализ условий

формирования активной среда в сильноионизованннх плазменных струях. Рассматривается развитие температурной и рекомбинацшнной неравювесностей, определяется положение точки замораживания степени ионизации. Разрабатывается метод расчета неравновесного течения сильноионизованной плазмы через сопло.

За основу модели взята система уравнений многокомпонентной,

термической, доухтвмпературной, идеальной, односкоростной,

неравновесной плазмы. Она решается в стационарной квазиодномерной

постановке. Различие характерного времени релаксации возбужденных

. 9

уровней атомов и ионов ( т ~ 10 с ) и характерного газодинамического времени ( т^ г ю с ) позволяет разделить исходные уравнения на две подсистемы: уравнения плазмодинамики и отдельно уравнения кинетики заселения возбужденных уровней, и использовать при решении последних приближение постоянного стока.

Нарушение термического равновесия при расширении в сопле первоначально равновесной плазмы связано с рэкомбинационным нагревом электронной компоненты и недостаточной скоростью выравнивания температур электронов Т и тяжелых частиц Т. Вводя

время релаксации температур как характернее время электрон-ионного упругого взаимодействия = 4 кГ3м-1л (2+1)2 т"3^2 Н( и время противоположного процесса - время рекомбинации плазмы т'1 - 1.72 1(Г8 лк(2+1)3 т~9/г ие2 из уравнения энергии

электронов можно получить выражение для квазистационарной разности температур, определяющее величину температурной нэравновэсности потока:

ЛТ = Т - Т = 0.57 10~6 м (2+1) Л-1 ( Е*+- | кТ ) N Т~3 ее * ^ б ее

В этих уравнениях N - концентрация электронов ( см-3), л - куло-новский логарифм, в*- энергия (эВ), выдэлявщаяся в одном акте рекомбинации, ц - молекулярный вес, ъ .= (Г1 £ - средняя

кратность ионов плазмы, Те измеряется в К.

При рассмотрении рекомбинационной неравноввсности все течение разбивается на три участка: начальный равновесный (г « « ть ) кинетический (тр~ т^) и замороженный ( тр » т^ ). Из-за сильной зависимости скоростей релаксационных процессов от Те и не протяженность кинетического участка оказывается незначительной, и можно применить метод мгновенного замораживания: считать течение состоящим только из равновесного и замороженного участков, разделенных "точкой замораживания". В данной работе впервые определялось положение точки замораживания в сопле в зависимости от параметров плазмы в прэдеошювой камере и размера критического сечения сопла. Численным решением уравнения т^т^ находилась температура Те:£ , при которой происходит замораживание степени ионизации плазмы а , то есть « = аРаВН(Те) при тр< ть , а = <Те£)=С01»^ При тр>тЬ-Для заданных параметров торможения плазмы и- размера критического сечения величина т £ постоянна. Она определяет границу раздела ионизоцконно равновесного и замороженного участков. Уравнения плазмодинамики на этих участках решаются независимо, в точке замораживания решения сшиваются. Положение точки замораживания в зависимости от параметров торможения Т0 и н в потоке плазмы аргона показано на рис.1. Протяженность равновесного участка (выше кривой) с ростом то и увеличивается. Она растет также с увеличением размера критического сечения сопла и с уменьшением

Рис.1.

потенциала ионизации рабочего вещества.

На основе разработанной модели TVJ исследована дннамика заселения ~ возбужденных уровней атомов и ионов, определены условия, приводящие к их инверсной заселенности. Приведен пример расчета неравновесного течения сильноионизованной плазмы аргона и показано возникновение инверсии при движении плазмы по плоскому сверхзвуковому соплу.

В третьем разделе Гл.2 проводится расчет параметров активных сред ПДЛ. Численно исследована зависимость энергетических характеристик от параметров торможения плазмы, характеристик сопла, положения рабочего перехода в спектре и кратности иона. Расчеты показывают, что для каждого конкретного спектрального перехода область параметров плазмы, в которой существует инверсия (область инверсии) оказывается ограниченной. В спектрах ионов и атомов существуют.оптимальные переходы (с точки зрения получения максимальных энергетических характеристик). Анализ характеристик аналогичных переходов в спектрах атомов, одно- и двукратных ионов показывает, что при повышении кратности иона оптимальный переход смещается вверх по спектру, а длина волны генерации уменьшается. Область инверсии при атом сдвигается в сторону высоких температур торможения, что связано с областями существования ионов разной кратности. Увеличение кратности на единицу приводит к повышению запасенной мощности и удельной' анергии генерации в среднем в несколько раз. Сравнение мощности для оптимальных переходов Arl, Aril, ArilI и Xel, Xell, Xelll показано на рис.2 и 3, соответственно.

На основе анализа результатов расчетов даны рекомендации по выбору рабочего вещества ПДЯ. При выборе рабочего вещества следует ориентироваться на плазму инертных газов, обладающих сильнораещепленным спектром. Оптимальной кратностью рабочего иона является кратность Z>1 , обеспечивающая компромисс между ростом запасенной удельной мощности с ростом z и падением коэффициента усиления с уменьшением длины волны перехода.

В диссертации приведены области инверсии и достижимые энергетические характеристики для большого числа ионных и атомарных переходов в спектрах инертных газов Не , Аг , Хе и паров металлов Мв , Са . Параметры активных сред ЦДЛ на некоторых оптимальных ионных переходах инертных газов и паров металлов представлены в таблица I. При обеспечении указанных в таблице параметров торможения плазмы Т0 , Р0 возможно создание лазерно-активных сред видимого и УФ диапазона, обладающих значительным удельным запасом мощности при практически приемлемой величине коэффициента усиления.

Табл.1.

Ион Аг11 АгШ ХеП ХеШ ИйП Са11

X , ыкм 0.3365 0.2142 0.6694 0.3247 0.2798 0.3737

т .ю4« 4-4 3-8 2.0 2.8 1.5 1.0

Р0, МПа 0.61 0.052 0.028 0.004 0.021 0.001

Р,Вт/см 870 130 15 1.4 220 41

К ,см-1 0.074 5.8 10~3 1.2 2.$ 10~3 0.033 0.065

Н ,Дж/г 0.17 0.29 7.0 Ю' ~3 2.8 10' 3 0.16 0.52

В_трэтьей__главо описывается экспериментальная установка,

рассматриваются газодинамичвскиэ процессы в ударной трубе. Предлагается новый метод измерения коэффициента усиления излучения в импульсной плазменной струе. Проводится анализ погрешности измерения коэффициента усиления и газодинамических параметров (скорости ударной волны, начального давления газа).

Эксперименты выполнялась на ударной труба с внутренним диаметром 5см. В трубу вставлялась сопловая вставка с плоским клиновидным соплом, имевдим высоту критического сечения 0.5мм, полный угол раскрыва 9°, протяженность 4см. При измерении коэффициента усиления источником излучения исследуемой области спектра служила плазма в предсошювой камере, нагретая, отраженной ударной волной. Ее излучение направлялось гибким световодом поперек лазерно-активной зоны, сформированной на выходе из сопла. Схема измерения показана на рис.4. Излучение, вышедшее из лрвдсопловой камеры I (опорный канал) и прошедшее через активную зону 2 (измерительный канал) одновременно подавалось световодами 3 на верхнюю и нижнюю половины входной

щели монохроматора 4 типа ДМР-4. Сигналы исследуемой спектральной линии с обеих половин выходной щели монохроматора поступали на фотоумножители 5 и далее на входы двухканального цифрового запоминающего осциллографа 6 типа ОЬ922. На рис.5 представлены две пары типичных осциллограмм, снятых в двух последовательных экспериментах: сигнал в опорном (I) и измерительном (2) каналах при наличии усиления в активной зоне, а также сигналы в опорном (3) и измерительном (4) каналах пря калибровке. Калибровка

эксперимент с соплом, закрытым специальной заглушкой - позволяла определить отношение сигналов в опорном и измерительном каналах при отсутствии активной среды, которое определялось только коэффициентами передачи каналов. Усилении (поглощению) излучения в экспериментах с открытым соплом соответствовало увеличение (уменьшение) отношения измерительного сигнала к опорному I2/'Ii по сравнению с этим отношением при калибровке Интегральный по контуру линии коэффициент усиления определялся по формуле к = L_1ln [CI2/I1)/(I2/I1)03, где L - протяженность активной зоны. Таким образом, при данном методе измерения в каждом эксперименте регистрируются два сигнала - опорный и прошедший через сопло, а измеряемой величиной служит их отношение. Это позволяет снизить влияние нестабильности работы ударной трубы и достичь точности измерения коэффициента усиления ±(0.005-0.012) см"1, в зависимости от амплитуда сигнала.

В_четавдтдй_главе представлены результаты экспериментального исследования и проводится их сравнение с результатами расчета. Обсуждается зависимость коэффициентов усиления и поглощения от параметров плавмы в прэдсогшовой камере и от положения рабочего перехода в спектре исследуемого иона.

Эксперименты проводились в ксеноне в диапазоне скоростей

падающей ударной волны vg= 2-4 км/с и начальных давлений газа

перед фронтом ударной волны Рн= 1-10 Topp, что соответствовало

параметрам торможения плазмы за фронтом отраженной ударной волны

То=13000-19000 К, Ро= 1.9-2.5 Мпа. Область параметров, в которой

экспериментально наблюдалось усиление, оказалась ограниченной. Для

линии 0.5419 мкм усиление начиналось при V = 2.7км/с и достигало

-Т Б

максимального значения 0.04 см вблизи Vs= 3 км/с при общей продолжительности периода усиления около 50 икс. При дальнейшем увеличении скорости падающей ударной волны усиление уменьшалось, переходя в поглощение, а продолжительность периода усиления сокращалась. Эксперимент подтвердил выводы расчетной части работы об ограниченности области инверсии и о- существовании оптимальных по положению в спектре рабочих переходов. На рис.6 показан ход коэффициента усиления для линий Xell 0.5419 мкм (1),0.4973мкм (2), 0.4887мкм (3) в одинаковых условиях эксперимента: Vg=3.1км/с, р =3.0 Topp. Они представляют различные возможные случаи.

Усиливаемая лиши 0.5419 мкм соответствует переходу с нижнего уровня блока уровней бр на средний уровень блока бв , то есть, является оптимальной по положению уровней в блоках. Для линии 0.4887 мкм с верхнего на верхний уровень тех же блоков условия инверсии не выполняются; в экспериментах на этой длине волны наблюдалось только поглощение. Переход 0.4973икм с нижнего уровня блока 6р' на верхний уровень блока 5с1 удовлетворяет условиям инверсии, и на нем зафиксировано усиление. Продолжительность периода усиления для этой линии короче ( 30-40 икс ), а коэффициент усиления в максимуме ( 0.02-0.03 см~т) несколько меньше, чем для 0.5419мкм.

Расчет параметров плазмы в предсопловой камере показал, что область усиления на переходе 0.5419мкм занимает интервал температур торможения То= 14000-16000-К. Максимальное значение коэффициента усиления для этого перехода к = 0.04 ± 0.01 см-1 наблюдается при То= 15000 К. Коэффициент усиления не переходе 0.4973 мкм составил к = 0.03 ± 0.01 см-1 при То= 15000 К. На переходе 0.4887 мкм поглощение наблюдалось в диапазоне температур Т0= 14000-16000 К. Величина коэффициента поглощения была равна 0.02 ± 0.01 см-1 и слабо зависела от т .

Сравнение экспериментальной и теоретической области инверсии для перехода 0.5419 мкм показано на рис.7 (сплошная линия -расчет в условиях эксперимента). Наблюдаемая область инверсии оказалась меньше расчетной; совпадение пороговой температуры

( 14000 К ) и величины коэффициента усиления в максимуме ( ё 0.04 см""1) удовлетворительное. Таким образом, разработанный в главе 2 метод расчета параметров активных сред на основе сверхзвуковых струй сильноионизованной плазмы дает правильную качественную картину происходящих неравновесных процессов и возможность приближенного . количественного расчета газодинамических, кинетических и радиационных характеристик плазмодинамичвского лазера.

ВЫВОДЫ

1. Теоретически исследовано возникновение неравновесности в потоке сильноионизованной рекомбинирунцэй плазмы. На основе метода мговенного замораживания степени ионизации разработан метод расчета неравновесного течения плазмы через сверхзвуковое сопло. Аналитически исследован механизм развития температурной, рвкомбинационной неравновесности и неравновесности заселения возбужденных уровней ионов и атомов.

Метод позволяет:

- найти положение точки замораживания в зависимости от параметров плазмы и характеристик сопла;

- рассчитать распределение газодинамических (температуры, плотности, давления и т.д.) и кинетических (электронной температуры, заселенности возбужденных уровней, характерных времен рвлаксации) параметров вдоль сопла;

- определить уславяя, при которых в заданной точке сопла возникает инверсная заселенность возбужденных уровней, и рассчитать коэффициент инверсии;

- сформулировать требования к оптимальному (с точни зрения реализации ПДЛ) рабочему переходу в спектре иона или атома.

2. В диапазоне параметров торможения плазмы Т_= (3-50) 10%, PQ= 0.01-100 ЫПа рассчитаны энергетические характеристики формирущихся на выходе из сопле активных срэд на ряде атомарных И ИОННЫХ переходов Arl, Aril, ArlII, XeI , XeII , Xelll , Hel , Mgl , Mgl I , Cal , Call . Показана 'ограниченность областей существования инверсии и их зависимость от формы сопла. При повышении кратности иона длина волны инверсных переходов

сдвигается из инфракрасной области в ультрафиолетовую, а удельная мощность генерации растет. Типичные значения запасенной удельной мощности генерации на переходах ионов различной кратности составляют:

- в аргоне 0.36 Вт/см3 ( х= 2.062 мкм Arl )

I.I Вт/CM3 ( х=0.3577 МКМ Aril ) 4.3 Вт/см3 ( х=0.2142 мкм ArlII );

- в ксеноне 0.57 Вт/см3 ( х= 1.605 мкм XeI )

0.74 Вт/см3 ( х=0.5419 мкм XeII.)

1.4 Вт/см3 ( х=0.3247.мкм XeIII ).

На отдельных оптимальных переходах инертных газов возможно достижение следующих параметров:

- Р=870 Вт/см3, к =0.074 см-1 на переходе >-=0.3365 мкм Aril при параметрах торможения плазмы TQ=44DD0 К, PQ=0.6I МПа;

- Р=130 Вт/см3, к =0.006 см-1 на переходе х. =0.2142 мкм АгШ при То=38000 К, Po=D.052 Мпа;

- Р= 15 Вт/см3, к =1.2 см-1 на переходе >.=0.6694 мкм Хеш при

Т =20000 К, Р =0.028 Ша. о о

3. Создана экспериментальная установка для исследования сверхзвуковых потоков плазмы, включающая ударную трубу с соплом и оптическую систему регистрации. Предложен новый метод измерения коэффициента усиления излучения на заданном спектральном переходе атома или иона в одном "выстреле" ударной трубы.

4. Получено усиление излучения на переходах иона XeII. Исследовано зависимость усиления от параметров торможения плазмы и выбора рабочего перехода.

На переходе 6р4°°5/2~ 6б4рз/° ^ х=0.5419 мкм ) усиление зарегистрировано в диапазоне температур и давлений торможения плазмы Т =(1.4-1.6) 10%, Р =2.2-1.9 Мтта. Максимальное усиление при Т0=Т.5 Г04К составило к=0.046+0.012 см-1.

На переходе 6р'2Р, ,„- 5d2Dr .„ ( \=0.4973 мкм ) усиление

Ó/Z _т J/¿ Л

ве.личиной К=0.028+0.010 см 1 получено при Т =1.5 10 К, Р„=2.1 МПа.

п г О ^ ^

На переходе бр Р 3/2- бв Р3/2 ( х.=0.4887 мкм ) в диапазоне температур Т,,= (1.4-1.6) Г04К наблюдалось только поглощение излучения. Коэффициент поглощения был равен 0.02+0.01 см"1 и слабо зависел от начальных параметров плазмы.

5. Сравнение полученных экспериментальных и теоретических результатов показало их согласие в качественном и приближенно в количественном отношении. Разработанный метод расчета неравновесного течения сильноионизованной плазмы в сверхзвуковом сопле может применяться для приближенного расчета параметров активных сред плазмодинамического лазера. Целесообразно его использование для обоснованного планирования экспериментальных и более детальных численных исследований данного направления.

Основные результаты диссертации опубликованы в следувидах работах:

1. С.В.Макарычев, Г.Д.Смэхов. Механизм образования на р а внов а с но с т в й в сверхзвуковой расширяющейся струе плазмы. -В сб.: УТ Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике: Анн. докладов, Ташкент, 1986, с.434.

2. С.В.Макарнчев, Г.Д.Смехов. Получение инверсной заселенности в сверхзвуковом потоке плазмы (плазмодинамичоский лазер). - В сб.: Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах: Тез. докладов, Томск, 1986, чЛ, с.45-46.

3. С.В.Макарычев, Г.Д.Смехов. Теоретическое исследование процесса образования активной среды в плазмодинамическом лазере. - В сб.: Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Москва, Изд. МГУ, T98S, с.134-149.

4. С.В.Макарычев. Метод расчета неравновесного течения плазмы в сопле и пути повышения эффективности работы плазмодинамических: лазеров. - В об.-: Моделирование в механике, Новосибирск, 1987, т.1(18), № 5, с. 86-90.

5. С.В.Макарычев, Г.Д.Смехов. Формирование активной среды в сверхзвуковом рекомбинационно-неравновесном потоке плазмы. -Изв. АН СССР, МЖГ, 1988, № I, с. I09-II4.

6. С.В.Макарычев, Г.Д.Смехов. Образование инверсии на переходах атомов и ионов малой кратности при рекомбинации расширяющейся плазмы. - В сб.: X Всесоюзная конференция по физике электронных и атомных столкновений: Тез. докладов, Ужгород, 1988, 4.2, с. 180.

7. С.В.Макарычев, Г.Д.Смехов. Усиление излучения на ионных переходах ксенона в плазмодинамическом режиме. - Кв.-шт. электроника, 1РЯ9, т.То, & ТО, е.. 2047-2049.

1Г,