Метод повышения энергетической эффективности кислородно-иодных лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

МЕЖЕНИН АНДРЕИ ВИКТОРОВИЧ

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ КИСЛОРОДНО-ИОДНЫХ ЛАЗЕРОВ

01.04.01 — Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

11 ДЕК

2014

005556636

Самара-2014

005556636

Работа выполнена на кафедре физики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет)»1 и в Самарском филиале федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института имени П. Н. Лебедева Российской академии наук.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, доцент Азязов Валерий Николаевич Официальные оппоненты:

Башкиров Евгений Константинович, доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет», кафедра «Общая и теоретическая физика», профессор;

Волов Вячеслав Теодорович, доктор физико-математических наук, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения», кафедра «Физика и химия», заведующий кафедрой.

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова», г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 19 декабря 2014 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.215.01, созданного на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ и на сайте http://www.diss.ssau.ru.

Автореферат разослан 22 октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор В.Г.Шахов

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет)» переименовано в федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика Г.П.Королева (национальный исследовательский университет)», приказ Минобрнауки России от 10 июля 2014 г., 738.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Создание мощных источников когерентного излучения является крупной научной проблемой, над решением которой работает большое число ученых во всем мире. Непрерывный кислородно-иодный лазер (КИЛ), работающий на длине волны 1,315 мкм, является на сегодняшний день самым мощным источником лазерного излучения, и к нему проявляется широкий интерес в России, США, Израиле, Германии, Китае, Японии и т.д. Масштабируемость в широком диапазоне выходной мощности, хорошее качество излучения и длина волны, лежащая в области малых потерь кварцевых волоконных световодов, являются теми параметрами, которые характеризуют КИЛ как технологический лазер, перспективный для использования во многих отраслях промышленности в целом ряде различных технологий. Например, рассматривается возможность применения КИЛ в атомной промышленности для демонтажа отработавших свой срок ядерных реакторов. Такая технология представляется возможной при доставке излучения высокой мощности по оптоволокну и может иметь значительный коммерческий эффект в будущем. В подобных технологиях КИЛ планируется использовать как автономный источник лазерной энергии.

КИЛ относится к типу лазеров с передачей энергии от энергосодержащей частицы 02('Д) (синглетный кислород) к излучающей (атом йода) в процессе

О2(1Д)+1(2Р,/2)^О2(,Е)+1(2Р1/2). (1)

По способу получения 02('Д) КИЛ делятся на химические и элеетроразрядные. Разработка химических генераторов синглетного кислорода высокого давления в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН (Загидуллин М. В., 1994) и Российском федеральном ядерном центре (Выскубенко Б. А., 2002), а также запуск КИЛ с электроразрядным генератором 02('Д) в США (Кэрролл Д. Л., 2005) послужили сильным толчком в развитии непрерывных кислородно-иодных лазеров.

Одним из факторов, сдерживающих развитие КИЛ, является его невысокая общая энергетическая эффективность. Она определяется в основном большими затратами энергии на выхлоп отработанных газов в атмосферу и относительно низким коэффициентом преобразования энергии исходного вида (химической или электрической) в лазерную. Расходные компоненты также составляют существенную долю в затратах на эксплуатацию. Для снижения стоимости лазерной энергии необходимо разработать новые способы формирования активной среды, которые позволили бы резко снизить затраты на выхлоп отработанных газов и расход реагентов.

Важным параметром, который напрямую влияет на общий КПД лазера, является энергетическая эффективность г|, определяемая как отношение выходной мощности \У01|1 к максимально возможной извлекаемой мощности П=^0МЛУр. Подобно другим мощным лазерам, работа с высокой энергетической эффективностью - наиболее сложная задача для создателей кислородно-иодных лазеров. Большое число работ посвящено экспериментальному изучению

энергетических характеристик непрерывных химических и электроразрядных КИЛ. В этих исследованиях использовались широкоапертурные устойчивые резонаторы, поскольку они обеспечивают наилучшие условия для эффективного извлечения энергии: однородное насыщение контура усиления, низкие дифракционные потери и т. д. Во многих работах была достигнута энергетическая эффективность более 30% (Бармашенко Б. Д., 2004; Эндо М., 2004; Борейшо А. С., 2005, Выскубенко Б. А., 2007).

Анализ имеющихся экспериментальных данных по энергетической эффективности КИЛ на основе численного моделирования позволяет создавать мощные и высокоэффективные лазерные установки. Однако существующие численные математические модели генерации непрерывных КИЛ содержат большое число взаимосвязанных кинетических, газодинамических и оптических параметров, что затрудняет нахождение эффективных режимов работы лазера. В ряде работ представлены простые аналитические двухуровневые модели для расчета выходных характеристик КИЛ (Загидуллин М. В., 1982; Хэйгер Г. Д., 1996; Бармашенко Б. Д., 1998). Однако границы применимости этих моделей не были определены. В этой связи большое значение приобретает разработка новых и практичных методик обобщения и анализа экспериментальных данных.

Все сказанное обусловливает необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований для разработки новых способов формирования активной среды, а также методов повышения энергетической эффективности непрерывных КИЛ с целью создания технологических установок на их основе.

Цель работы: создание экспериментального образца химического кислородно-иодного лазера, развитие двухуровневой модели генерации и построение на ее основе метода повышения энергетической эффективности.

Основные задачи исследования

1. Разработка и создание непрерывного химического кислородно-иодного лазера, позволяющего генерировать излучение с высокой энергетической эффективностью на дозвуковом и сверхзвуковом режимах с низким содержанием буферного газа в активной среде.

2. Развитие двухуровневой модели генерации с учетом релаксационных процессов для расчета выходных характеристик непрерывных кислородно-иодных лазеров с устойчивым резонатором в виде функции безразмерных критериев подобия, имеющих ясный физический смысл.

3. Создание метода повышения энергетической эффективности непрерывных кислородно-иодных лазеров на основе результатов экспериментов, разработанной модели генерации и безразмерных критериев подобия.

Научная новизна

1. Создан экспериментальный образец дозвукового непрерывного химического кислородно-иодного лазера без ловушки паров воды с низким содержанием буферного газа и наивысшей энергетической эффективностью 29 %, сравнимой с достигнутой для сверхзвуковых аналогов.

2. С учетом релаксационных процессов развита двухуровневая модель генерации для непрерывных кислородно-иодных лазеров с устойчивым резонатором, которая позволяет получать аналитические зависимости выходных

характеристик в виде функции трех безразмерных критериев подобия, включающих регулируемые в экспериментах параметры. В практически интересных режимах работы модель обеспечивает совпадение расчетных и экспериментальных значений выходных характеристик с точностью до 2 %.

3. Разработан метод повышения энергетической эффективности непрерывных кислородно-иодных лазеров на основе развитой двухуровневой модели генерации и трех безразмерных критериев подобия: отношения времени пребывания активной среды в резонаторе к характерному времени съема энергии при бесконечно большой внутрирезонаторной интенсивности, отношения усиления к потерям и отношения скорости релаксации к скорости возбуждения для электронно-возбужденных атомов йода. Энергетическая эффективность более 30 % достигается, если значения этих критериев подобия лежат в интервалах: 4...6, 3...8 и 0...0,01 соответственно.

Практическая ценность

Полученные экспериментальные результаты и разработанная модель генерации позволяют создавать дозвуковые непрерывные кислородно-иодные лазеры с низким содержанием буферного газа, что способствует снижению затрат на расход компонентов и на выхлоп отработанных газов.

Метод критериев подобия позволяет реализовать режимы работы с высокой энергетической эффективностью и снизить стоимость разработки новых мощных непрерывных кислородно-иодных лазеров.

Достоверность представленных в диссертации полученных научных результатов подтверждается, с одной стороны, использованием апробированных методик измерения концентраций возбужденных частиц, давлений, лазерной мощности и т. д., и, с другой стороны, корректной математической постановкой задач, надежностью используемых общепринятых уравнений и моделей, описывающих взаимодействие лазерного излучения с активной средой КИЛ, отсутствием противоречий между аналитическими и численными решениями, а также удовлетворительным согласием результатов, полученных расчетным путем, с экспериментальными данными.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальная установка - дозвуковой непрерывный химический кислородно-иодный лазер без ловушки паров воды с низким содержанием буферного газа в активной среде и энергетической эффективностью 29 %.

2. Двухуровневая модель генерации для непрерывных кислородно-иодных лазеров с устойчивыми резонаторами, учитывающая потери энергии в релаксационных процессах.

3. Феноменологический метод повышения энергетической эффективности непрерывных кислородно-иодных лазеров на основе двухуровневой модели генерации с учетом релаксационных потерь и трех безразмерных критериев подобия: отношения времени пребывания активной среды в резонаторе к характерному времени извлечения энергии при бесконечно большой внутрирезонаторной интенсивности, отношения усиления к потерям и отношения скорости релаксации к скорости возбуждения для электронно-возбужденных атомов йода.

Апробацня работы. Результаты проведенных исследований были представлены наследующих тематических конференциях:

- The 20th International Symposium on High Power Laser Systems and Applications (Chengdu, China, 25.08.2014-29.08.2014);

- The 19th International Symposium on High Power Laser Systems and Applications (Istanbul, Turkey, 10.09.2012-14.09.2012);

- Photonics West: High Energy/Average Power Lasers and Intense Beam Applications, (San-Jose, USA, 20.01.2007-25.01.2007);

- XVI International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers Conference (Gmunden, Austria, 04.09.2006-08.09.2006);

- XIII International Conference on the Methods of Aerophysical Research, (Novosibirsk, Russia, 05.02.2007-10.02.2007);

- Saratov Fall Meeting 2004: Laser Physics and Photonics, Spectroscopy, and Molecular Modeling V (Saratov, Russia, 21.09.2004-24.09.2004);

- XII международная конференция «Оптика лазеров-2006» (Санкт-Петербург, 26.06.2006-30.06.2006);

- V международная конференция молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 06.09.2004-10.09.2004);

- Конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики» в рамках российского научного форума с международным участием «Демидовские чтения» (Москва, 25.02.2006-28.02.2006);

- IV самарский региональный конкурс-конференция научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике (Самара, 21.11.2006-24.11.2006);

- Третий самарский региональный конкурс-конференция научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике (Самара, 24.11.2005-25.11.2005);

- Второй самарский региональный конкурс-конференция научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике (Самара, 20.10.2004-21.10.2004).

Материалы также докладывались и обсуждались на научных семинарах в Самарском филиале Физического института имени П. Н. Лебедева Российской академии наук.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 22 научные работы, в том числе 8 статей в изданиях, рекомендованных ВАК России, 14 работ в сборниках трудов и тезисов докладов международных, всероссийских и региональных конференций.

Личный вклад. Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично, либо в соавторстве при его непосредственном личном участии.

Связь с международными проектами и государственными программами.

Эта работа выполнялась в рамках проекта международного научно-технического центра (МНТЦ) №2907р «Экспериментальное и теоретическое изучение лазерных свойств I-C^AV-CCb среды» (2004-2005 гг.) и при поддержке грантов для молодых ученых учебно-научного комплекса Физического института имени

П. Н. Лебедева Российской академии наук (2005 и 2006 гг.), а также при поддержке госконтракта № 16.740.11.0494 «Скорость восстановления озона в атмосфере в присутствии синглетного дельта кислорода и колебательно-возбужденного озона» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2011-2013 гг.). В настоящее время работы по данной тематике поддерживаются фантом Министерства образования и науки РФ №3.161.2014/К «Столкновительные процессы с участием молекулярного синглетного дельта кислорода».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Она изложена на 130 страницах, содержит 27 рисунков, 5 таблиц и 140 библиографических ссылок.

И. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определен объект исследований, проведен обзор литературы, обоснована актуальность выбранной темы, поставлена цель диссертации, сформулированы задачи, которые необходимо решить для ее достижения. Изложена научная новизна, представлены основные положения, выдвигаемые на защиту, и даны сведения о практической значимости работы.

В первой главе сообщается об экспериментальном исследовании выходных характеристик дозвукового и сверхзвукового химического КИЛ, работающего без криогенной ловушки паров воды на выходе генератора синглетного кислорода. Вначале приводится описание проточной системы низкого давления, в которой методом эмиссионной спектроскопии изучались характеристики газовой смеси 02-I2—N2-H20. Были получены экспериментальные зависимости концентрации возбужденных атомов йода ICPi/:) от координаты по потоку в широком диапазоне изменения состава среды. Найдено, что величины максимумов концентраций возбужденных атомов йода приблизительно одинаковы при отношении расходов буферного газа (N2) и кислорода в диапазоне от 1:1 до 3:1. Экспериментально показано, что влияние паров воды для относительных концентраций от 3,5 % до 8,5 % на распределение возбужденных атомов йода в направлении потока становится незначительным при относительном расходе молекулярного йода т||2>0,5 %.

Одним из устройств, определяющих параметры лазерной установки, является генератор синглетного кислорода. Для экспериментов был выбран противоточный генератор струйного типа, поскольку он позволяет обеспечить высокий выход синглетного кислорода при большом (30-100 Topp) давлении и низкой (до -15 °С) температуре рабочего раствора. Относительное содержание паров воды в газовом потоке в таких условиях составляет ^„<5 %, и химический КИЛ может эффективно работать без громоздкой криогенной ловушки паров воды с минимальными потерями молекул энергоносителя 02('Д).

Реакционная зона используемого генератора синглетного кислорода имела поперечное сечение 8x1,2 см2 и высоту 10 см. Щелочной раствор перекиси

водорода вводился в верхней части генератора через инжектор струй 5 (см. рисунок 1). После прохождения генератора синглетного кислорода раствор собирался в теплоизолированном баке 2, установленном непосредственно под ним. Рециркуляция раствора обеспечивалась жидкостным шестеренным насосом 3 производительностью около I л/с. Поток хлора с постоянным расходом Gci2=22±0,3 ммоль/с вводился в нижней части генератора.

В работе представлена зависимость доли синглетного кислорода Y= =[02(1Д)]/[02]о на выходе генератора от параметра РЕт8, где РЕ, тЕ - давление и время пребывания газа в реакционной зоне, [02]о=[02('Д)]+[02(3Х)] - суммарная концентрация молекул кислорода в синглетном и основном электронных состояниях. Скорость газа в генераторе варьировалась с помощью щелевого крана 4. Установлено, что максимальное содержание 02('Д) в выходном потоке достигается при давлении около 15 Topp. Но в этом случае генератор работает нестабильно, с заметным уносом раствора в виде капель. При бесперебойной работе и давлении 2530 Topp степень утилизации хлора составляет U=0,92±0,02, а доля синглетного кислорода на выходе

Рисунок 1 - Схема химического КИЛ: I — струйный генератор синглетного кислорода, 2 - теплоизолированный бак,

3 — жидкостный шестеренный насос,

4 - щелевой кран, 5 - инжектор струй, 6 - теплообменник, 7 - рефрижератор, 8 — мешалка, 9 - промежуточная ячейка, 10 - инжектор йода, II - резонатор, 12 - система откачки

генератора - Y0=0,60±0,10.

Газовый поток с выхода генератора 1 поступал в промежуточную ячейку 9, где к нему подмешивался первичный буферный газ - азот. Перед входом в резонатор 11 в кислородный поток вводились пары молекулярного йода с несущим вторичным буферным газом (N2) в инжекторе 10. В присутствии синглетного кислорода молекулярный йод диссоциировал на атомы. Активная среда прокачивалась через резонатор 11 с помощью системы откачки 12.

В данной работе использовался устойчивый резонатор длиной 64 см с суммарным коэффициентом пропускания зеркал tr=l,3 %. Диаметр зеркал 4,5 см определял длину активной зоны в направлении потока. Оптическая ось резонатора находилась на расстоянии 5 см ниже по потоку от плоскости ввода йода с вторичным буферным газом. Длина усиления составляла 10 см. Конфигурация газового тракта в резонаторе для экспериментов на дозвуковом режиме определялась входным сечением щелевого сопла 10x1,1 см2 и верхней и нижней стенками, расходящимися под углами ±1,5° относительно направления потока. Высота канала на оптической оси была равна 1,4 см. В сверхзвуковом режиме использовалось сопло с входным сечением 10x1,4 см2 и углами полураскрытия ±4°. Высота канала на оптической оси была равна 2,2 см.

Проведены исследования зависимости выходной мощности химического КИЛ от таких параметров, как относительное содержание молекулярного йода в кислородном потоке, степень разбавки активной среды буферным газом, кривизна поверхности и коэффициенты пропускания зеркал резонатора. На рисунке 2 представлена зависимость выходной мощности от начального относительного содержания паров молекулярного йода в кислородном потоке при давлениях в генераторе Pg=27 Topp, промежуточной ячейке Рр]=7 Topp и резонаторе Pr=l,5Topp; Gi=0 и G:=20 ммоль/с - расходы первичного и вторичного буферного газа. Оптимальный с точки зрения высоких выходных характеристик относительный расход йода составляет т)12=1,6±0,054 %.

Испытания дозвукового и сверхзвукового химического КИЛ с варьированием расхода буферного газа показали, что выходные характеристики слабо зависят от отношения расходов азота и кислорода вплоть до 2:1, а максимум выходной мощности имеет место в области отношения расходов менее, чем 1:1. Этот факт указывает на сильную зависимость оптимального содержания буферного газа в общем потоке от системы смешения. Используемый в работе инжектор йода грабельного типа не требует больших расходов буферного газа.

Максимальная выходная мощность составила Wout=581±12 Вт, что соответствует энергетической эффективности г|=29±1 %, наивысшей достигнутой для дозвукового химического КИЛ без ловушки паров воды. Таким образом, экспериментальный поиск эффективных режимов работы показал, что высокая энергетическая эффективность (более 30 %) может достигаться без использования предварительного охлаждения буферного газа или сверхзвукового течения активной среды, что способствует снижению стоимости лазерной энергии за счет уменьшения затрат на выхлоп отработанных газов и расход реагентов.

Во второй главе проводится анализ имеющихся экспериментальных данных по энергетической эффективности непрерывного КИЛ на основе критериев подобия с целью нахождения эффективных режимов работы лазера. Энергетическая эффективность КИЛ во многом определяется долей 02('Д) на выходе генератора синглетного кислорода Y0 и на выходе резонатора Yd:

Рисунок 2 мощности

1,4 1.6 1Д Т1,.,%

Зависимость выходной 1Ут1 от начального относительного содержания паров йода г]12 для дозвукового химического КИЛ при Р^—27 Торр, Р„г7Торр, Рг=1,5 Торр, в,=0. в2=20ммоль/с, 1Г=1.3 %

Tl = U(Y„-AYl05S-Yd)nc,tt=UT1„tmTlo

(2)

где Пехтг^а-ДУ^-У,! - эффективность извлечения энергии из активной среды, ДY,oss=AYdiis+ДYrc|ax - доля потерь синглетного кислорода в резонаторе в процессах диссоциации молекул йода и релаксации ДУГС1ах; П«гт=У(1г+а) - доля

лучистой энергии, выводимая из резонатора; а - коэффициент нерезонансных потерь (дифракционных, рассеивания и поглощения на зеркалах и т. д.).

К настоящему времени опубликовано большое число экспериментальных данных по энергетической эффективности лабораторных КИЛ. Анализ данных на основе математических моделей с полным учетом всех кинетических, газодинамических и оптических процессов затруднен из-за отсутствия ряда кинетических констант элементарных реакций. Здесь предлагается методика обобщения и анализа экспериментальных данных с использованием двухуровневой модели генерации, согласно которой кинетика заселения лазерных уровней определяется исключительно энергообменным процессом (1) и процессом индуцированного излучения на длине волны Х=1,315 мкм. Данная модель включает в себя основополагающие процессы и не обременена детальным описанием второстепенных особенностей. В модели полагается, что процессы смешения и диссоциации 12 завершаются до входа в резонатор, а потери отсутствуют - AYrc,ax=0. Параметры потока в резонаторе (температура, давление и скорость) также предполагаются постоянными.

Такой подход позволяет найти долю синглетного кислорода Yd на выходе резонатора с помощью решения системы уравнений

dY 3(1-YTH)_C(Y-YTH)_ у| =у .

dy 2 (l - 3 YTH )Y + 2YTH + 3C(l - YTH )/2 ' |ï=0 "

y _ у ЗО-Утн^а (4)

Yd-Yi 2П

где y=2kf{I]ot/[3(l-YTH)] - отношение текущего времени пребывания активной среды в резонаторе t=x/u к характерному времени извлечения энергии синглетного кислорода (kffljo)'1 при бесконечно большой интенсивности внутрирезонаторного излучения; х - координата по потоку, отсчитываемая от начала области, занятой излучением; и - скорость потока; kf=5,12xl0"l2T°' см /с - константа скорости прямой реакции (1); [1]0 - полная концентрация атомов йода; YTH=(2Keq+1) ' - пороговая доля синглетного кислорода; K<.q=0,75x хехр(401,4/Т) - константа равновесия процесса (1); Т - температура газа, К; C=aJ/(hvkf{02]o) - нормированная внутрирезонаторная интенсивность; а -сечение вынужденного поглощения/излучения для доплеровски уширенного лазерного перехода, o=l,3xlO",6/T0'5 см2; J - внутрирезонаторная интенсивность излучения, циркулирующего в обоих направлениях; hv - энергия лазерного фотона; Y^Yo-AY^ - начальная доля синглетного кислорода на входе в область генерации.

Вид уравнений (3) и (4) позволяет заключить, что решение для Yd зависит от двух безразмерных критериев подобия: Yd=2k^I]0td/[3(l-YTH)], выражающего отношение времени пребывания газа в зоне генерации td=d/u к характерному времени извлечения энергии синглетного кислорода (к^1]0)"' и n=2o[I]0L/(tr+a), выражающего отношение усиления к потерям. Здесь d - размер области, занятой излучением на зеркале, в направлении потока; L — длина области усиления. Энергетическая эффективность rç может быть вычислена с помощью (2) при известных U и г|г„г, она также зависит от критериев подобия yd и П.

Интегрируя уравнение (3) с учетом (4), можно получить неявную зависимость г|сх011 как функции критериев подобия yd и П:

(n-l + 3YTH >,„_,+

п

= 0. (5)

Та V N

где Т1схоп=Уг-У<1 - эффективность извлечения энергии из активной среды. Из (5) непосредственно следуют уравнения для случаев протяженного резонатора (Уа-юс) и сильного поля (П->х) соответственно:

(п -1 + 3YTH )г|пт + 3 YT11 (l - YTII )ln| 1 -

neB,=(Y-YTHXl-e"Ti).

Y -Y

1 ; 1 ti

= 0,

(6)

(7)

На рисунке 3 показаны расчетные кривые эффективности извлечения энергии из активной среды в зависимости от параметра yd при Yi=0,6 и Т=300 К для различных значений критерия, выражающего отношение усиления к потерям. Видно, что с ростом П значения r|exm возрастают. Решения r|„tm, определяемые уравнением (6), для случая yd—>=с показаны горизонтальными отрезками в правой части рисунка 3. В приближении сильного поля имеем r|extm, определяемую формулой (7) (верхняя кривая на рисунке 3).

Результаты расчетов показывают, что энергетическая эффективность может быть выше 30 %, если yd>4 и П>3. Кривая эффективности извлечения энергии из активной среды для П=8 близка к кривой, полученной при П—»ос. Поскольку уменьшение коэффициента пропускания в выражении для П приводит также к снижению эффективности резонатора r|cxtr, целесообразно ограничить значение отношения усиления к потерям П<8.

Двухуровневая модель может быть использована для оценок выходных характеристик непрерывного КИЛ с устойчивым резонатором, если потери энергии в релаксационных процессах незначительны, для yd<6. Анализ расчетных и экспериментальных результатов показывает, что эффективное извлечение энергии из активной среды достигается при yd=4—6 и П=3—8. При меньших yd и П значительная часть энергии выносится из резонатора с газовым потоком, а при больших значениях этих параметров существенными становятся релаксационные потери в активной среде и оптические потери.

В третьей главе развита двухуровневая модель для прогнозирования энергетических характеристик непрерывного КИЛ с учетом релаксационных потерь. В этой модели кинетика активной среды определяется энергообменным процессом (1) и наиболее быстрыми релаксационными процессами, в которых происходит тушение возбужденного состояния атома йода:

I(2P1/2)+H,0-*I(2P3/2)+H20, (8)

Рисунок 3 - Изменение эффективности извлечения энергии из активной среды Чат в зависимости от параметра уа при различных значениях П для У'¡=0,6 и Т=300К

1(2Р,/2)+О2('Д)^1(2Р,/2)+О2('А)

->1(2Рз/2)+02("2). (10)

Константы скоростей процессов (8), (9) и (10) равны соответственно к8-2,0* х10"12см3/с, к9=3,8х10'п слг/с, к10=2,2х10"13 см3/с. В активной среде элекгроразрядного КИЛ пары воды отсутствуют, но она содержит атомы кислорода, которые эффективно тушат возбужденные атомы йода в процессе

1(%)+О->1(2Р3/2)+О, ^ з (11)

протекающем с константой скорости к, 1=6,5х 10' '(Т/300)' см /с.

С учетом принятых ранее допущений и ДУге,ах#), доля синглетного кислорода на выходе резонатора находится из решения системы уравнений:

¿У 3(1 -Ута) [Л(1-УТН)+С1У-СУТН | = .

¿у=~ 2 (1-ЗУтм)У + 2Утн+(1-УтнХл + ЗС/2)' "

V - У. 3(1" Ут" ^ (1"у™ Хп + 2)ЛУа (13)

" 1 2П 2П

Теперь решение зависит, кроме введенных ранее критериев подобия у6 и П, от критерия Л=(к8[Н20]+к9[12]а+кш[02(1Д)]о+к11[0]У(к|{02]о), который выражает отношение скорости релаксации к скорости возбуждения для электронно-возбужденных атомов йода. Здесь [Н20] - концентрация паров воды; [О] -концентрация атомов кислорода; [12]а=0,5(1—Р,2)[1]о/Г12 - концентрация молекул йода в резонаторе; Р[2 - степень диссоциации йода.

Интегрируя уравнение (12) с учетом (13), можно получить следующую неявную зависимость для вычисления Уд как функции критериев подобия Ул, П и Л:

(П-1 + ЗУтн)

у 0-Утн)ЛУ^ у

П

+ —

Ул

у-4' ■^^-'"-у,

{(ЗУТН(1-ЗУТН)+2УТ1 (л

У,-РУТ

1пХ_Жш=0, (14)

(1-ЛтнК, 2

2П(У, - У,)- (П + 2X1 - Утн )Лу, Д Р 2П(У,-У,)-(П-1 + ЗУтнХ1-Ут„)Лу/

Используя (14), в приближении сильного поля можно получить аналитическое выражение для эффективности извлечения энергии из активной среды

п„т = (V ,-Ут„ XI - )- (1 ■- утн )ЛУ< /2. (15)

На рисунке 4 показаны семейства расчетных кривых для эффективности извлечения энергии из активной среды в зависимости от параметра y¿ при У;=0,6 и Т=300 К для двух значений критерия, выражающего отношение усиления к потерям: П=3,0 и П=8,0, и трех значений критерия, выражающего соотношение скоростей релаксации и возбуждения для электронно-возбужденных атомов йода Л. Эффективность извлечения энергии из активной среды увеличивается, если критерий П возрастает, а критерий Л уменьшается.

Потери энергии за счет процессов релаксации становятся значительными при У(1>6 и Л>0,01. Результаты расчетов позволяют убедиться, что энергетическая

эффективность выше 30 % может быть достигнута, если уЛ=4—6, П>3 и Л<0,01.

Интервалы оптимальных значений критериев подобия определялись более точно на основе сравнительного анализа результатов экспериментов и данных, полученных расчетным путем. В диссертации были проанализированы выходные характеристики КИЛ, энергетическая эффективность которых превышала 25 %. Было получено хорошее согласие между расчетными и измеренными значениями г|, ошибка составляла не более 3 %. Было показано, что двухуровневая модель удовлетворительно предсказывает выходные характеристики КИЛ с устойчивым резонатором, если доля потерь энергии в релаксационных процессах (8)-(11) не превышает ДУгс1ах<0,03.

Анализ экспериментальных и расчетных данных по энергетической эффективности непрерывного КИЛ, выполненный на основе критериев подобия у<ь П и А, показывает, что эффективное извлечение энергии достигается, когда значения этих критериев расположены в интервалах: уй=4—6, П=3 -8 и А<0,01. При меньших значениях ул и П значительная часть доступной энергии выносится из резонатора с потоком. При значениях критериев подобия, превышающих указанные, существенными становятся релаксационные потери в активной среде и оптические потери.

В заключении перечислены основные результаты, полученные при выполнении данной диссертационной работы:

1. Создан экспериментальный образец дозвукового непрерывного химического кислородно-иодного лазера без ловушки паров воды. Максимальная выходная мощность составила Wout=581±12 Вт при малом содержании буферного газа в активной среде, оптимальной относительной концентрации молекулярного йода в кислородном потоке т|12=1,6±0,054 % и суммарном пропускании зеркал резонатора ^=1,3 %, что при расходе молекулярного хлора 0а2=22±0,3 ммоль/с соответствует наивысшей энергетической эффективности г|=29±1 %.

2. Развита двухуровневая модель генерации с учетом релаксационных потерь, позволяющая определять выходные энергетические характеристики непрерывных кислородно-иодных лазеров с устойчивыми резонаторами в виде функции трех безразмерных критериев подобия: выражающего отношение времени пребывания активной среды в резонаторе к характерному времени извлечения энергии синглетного кислорода при бесконечно большой

Рисунок 4 - Эффективность извлечения энергии из активной среды г]„„„ как функция критерия у,/ для типичных значений критерия П и нескольких Л при У;=0,б и Т=300 К

внутрирезонаторной интенсивности; П, выражающего отношение усиления к потерям; и Л, выражающего отношение скорости релаксации к скорости возбуждения для электронно-возбужденных атомов йода. Модель может использоваться для оценок выходных характеристик, если потери энергии в релаксационных процессах незначительны, что соответствует диапазонам значений критериев подобия yd<8 и Л <0,01.

3. На основе сравнительного анализа расчетных и экспериментальных данных установлено, что эффективное извлечение энергии из активной среды непрерывных кислородно-иодных лазеров достигается, когда значения критериев подобия лежат в интервалах: yd=4-6, П=3-8 и А<0,01. При меньших yd и П значительная часть энергии выносится из резонатора с газовым потоком, а при больших значениях этих параметров существенными становятся релаксационные потери в активной среде и оптические потери на зеркалах.

4. Разработан феноменологический метод повышения энергетической эффективности непрерывных кислородно-иодных лазеров с устойчивыми резонаторами на основе двухуровневой модели генерации с учетом релаксационных потерь. Он состоит в выборе регулируемых в экспериментах параметров таким образом, чтобы обеспечивалось нахождение безразмерных критериев подобия в заданных интервалах, соответствующих эффективному извлечению энергии из активной среды.

5. Установлено, что малая энергетическая эффективность действующих электроразрядных KHJ1 обусловлена низким значением критерия подобия уа<1. В этом случае скорость извлечения энергии лимитируется скоростью передачи энергии от молекул кислорода к атомам йода, и более половины наработанных молекул синглетного кислорода выносятся за пределы резонатора.

Основные результаты опубликованы в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Mezhenin, А. V. Analysis of cw oxygen-iodine laser performance using similarity criteria [Text]/A. V. Mezhenin, V. N. Azyazov/ЯЕЕЕ J. Quantum Electron. - 2013. - V. 49, № 9. - P. 739-746.

2. Меженин, A.B. Критерии подобия в расчетах энергетических характеристик непрерывного кислородно-иодного лазера [Текст]/А. В. Меженин,

B. Н. Азязов//Квантовая электроника. - 2012. - Т. 42, № 12. - С. 1111-1117.

3. Antonov, I. О. Chemical oxygen-iodine laser with C02 buffer gas [Text]/I. O. Antonov, V. N. Azyazov, A. V. Mezhenin, G. N. Popkov, N. I. Ufimtsev//Appl. Phys. Lett. - 2006. - V. 89, № 5. - P. 051115-1-051115-3.

4. Меженин, А. В. Упрощенная модель генерации непрерывного кислородно-иодного лазера [Текст]/А. В. Меженин//Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2013. - Т. 15, № 6 (3). - С. 789-796.

5. Меженин, А. В. Спектры излучения синглетного кислорода и кислородно-иодной среды в ближней инфракрасной области [Текст]/А. В. Меженин, В. Н. Азязов, Н. И. Уфимцев, М. В. Воробьев, П. А. Михеев, Е. В. Фомин//Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2007. - Т. 9, № 3. -

C. 606-609.

- 156. Азязов, В. Н. Экспериментальное исследование химического кислородно-иодного лазера с N2 и С02 буферным газом [Текст]/В. Н. Азязов, И. О. Антонов, А. В. Меженин, Н. И. Уфимцев//Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2005. - Т. 7, № 1. - С. 43-47.

7. Азязов, В. Н. Диагностика паров воды с помощью диодно-лазерной спектроскопии в ближнем ИК диапазоне [Текст]/В. Н. Азязов, А. К. Чернышев,

A. В. Меженин//Известия Самарского научного центра Российской академии наук.-2004.-Т. 6, № 1,- С. 41-44.

8. Азязов, В. Н. Особенности электронно-колебательной кинетики молекул кислорода в химическом кислородно-йодном лазере [Текст]/В. Н. Азязов, И.О. Антонов, А. В. Меженин, С. Ю. Пичугин, Н. И. Уфимцев, А. М. Штеренберг// Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2004. - Т. 6, № 1.-С. 33-40.

Публикации в других изданиях:

9. Mezhenin, А. V. Modeling of cw OIL energy performance based on similarity criteria [Text]/A. V. Mezhenin, S. Yu. Pichugin, V. N. Azyazov//Proc. SPIE. - 2013. -V. 8677. - P. 867705-1-867705-8.

10. Antonov, I. O. Effective operation of subsonic COIL with N2 and C02 buffer gases [Text]/I. O. Antonov, V. N. Azyazov, A. V. Mezhenin, S. Yu. Pichugin, N. I. Ufimtsev//Proc. SPIE. - 2007. - V. 6611. - P. 661108-1-661108-5.

11. Azyazov, V. N. I2(B) formation in the oxygen-iodine laser medium [Text]/ V. N. Azyazov, P. A. Mikheyev, N. I. Ufimtsev, A. V. Mezhenin, E. V. Fomin, I. O. Antonov, M. C. Heaven//Proc. SPIE. - 2007. - V. 6454. - P. 64540J-1-64540J-9.

12. Mikheyev, P. A. Oxygen-iodine active medium with external production of iodine in a dc glow discharge [Text]/P. A. Mikheyev, V. N. Azyazov, A. V. Mezhenin, N. I. Ufimtsev, A. A. Shepelenko, A. I. Voronov, N. V. Kupryaev, S. Yu. Pichugin, M. V. Vorobyov//Proc. SPIE. - 2007. - V. 6346. - P. 634601-1-634601-7.

13. Mezhenin, A. V. The calibration of the spectroscopic diode laser sensor for the water vapour diagnostics at output of singlet oxygen generator for COIL [Text]/A. V. Mezhenin, A. K. Chernyshov, V. N. Azyazov//Proc. SPIE. - 2005. - V. 5773. - P. 7-11.

14. Shepelenko, A. A. Oxygen-iodine active medium with a dc glow discharge iodine generator [Text]/A. A. Shepelenko, P. A. Mikheyev, V. N. Azyazov, A. V. Mezhenin, N. I. Ufimtsev, A. I. Voronov, N. V. Kupryaev, S. Yu. Pichugin, M. V. Vorobyov//XIII International conference on the methods of aerophysical research (ICMAR 2007), 5-10 February, 2007, Novosibirsk, Russia. Proceedings. Part II. -Novosibirsk: Publishing house "Parallel", 2007. - P. 180-185.

15. Меженин, А. В. Эффективная генерация дозвукового и сверхзвукового кислородно-иодного лазера с N2 и С02 буферным газом [Текст]/А. В. Меженин,

B. Н. Азязов, М. В. Воробьев, Н. И. Уфимцев//Сборник тезисов докладов конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики» в рамках Российского научного форума с международным участием «Демидовские чтения», Москва, 2006. - М.: РИИС ФИАН, 2006. - С. 71-72.

16. Воробьев, М. В. Регистрация спектра излучения синглетного кислорода в инфракрасной области [Текст]/М. В. Воробьев, В. Н. Азязов, А. В. Меженин, П. А. Михеев, Н. И. Уфимцев, Е. В. Фомин//Сборник тезисов докладов

конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики» в рамках Российского научного форума с международным участием «Демидовские чтения», Москва, 2006. - М.: РИИС ФИАН, 2006. - С. 57-58.

17. Меженин, A.B. Спектры излучения синглетного кислорода и кислородно-иодной среды в ближней инфракрасной области [Текст]/А. В. Меженин, В.Н. Азязов, Н.И. Уфимцев, М. В. Воробьев, П. А. Михеев, Е. В. Фомин//Сборник конкурсных докладов IV самарского регионального конкурса-конференции научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике, Самара, 2006. - М.: РИИС ФИАН, 2006. - С. 70-76.

18. Воробьевым. В. Регистрация спектра излучения синглетного кислорода в ИК области спектра [Текст]/М. В. Воробьев, Н. И. Уфимцев, А. В. Меженин// Сборник конкурсных докладов третьего самарского регионального конкурса-конференции научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике, Самара, 2005. - М.: РИИС ФИАН, 2005. - С. 209-218.

19. Меженин, А. В. Упрощенная модель насыщения в химическом кислородно-иодном лазере с однородным полем [Текст]/А. В. Меженин, В. Н. Азязов//Сборник конкурсных докладов третьего самарского регионального конкурса-конференции научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике, Самара, 2005. - М.: РИИС ФИАН, 2005. - С. 91-99.

20. Азязов, В. Н. Химический кислородно-иодный лазер с С02 буферным газом [Текст]/В.Н. Азязов, И.О. Антонов, A.B. Меженин, Н.И. Уфимцев// Сборник конкурсных докладов второго самарского регионального конкурса-конференции научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике, Самара, 2004. - М.: РИИС ФИАН, 2005. - С. 124-131.

21. Меженин, А. В. Диагностика паров воды с помощью диодного лазера [Текст]/А. В. Меженин, В. Н. Азязов, А. К. Чернышов//Труды V Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки», Самара, 2004. Ч. 5-7. Естественные науки. Физика. Науки о Земле. География. - Самара: СГТУ, 2004. - С. 36-39.

22. Mezhenin, A.V. Features of power extraction in EOIL [Text]/A. V. Mezhenin, V.N. Azyazov//The 20th International symposium on high power laser systems and applications, 25-29 August, 2014, Chengdu, China. Book of abstracts. -2014.-P. 74.

Подписано в печать 03.10.2014. Формат 60 х 84/16. Бумага ксероксная. Печать оперативная. Объем - 1,0 усл. п. л.Тираж 100 экз. Заказ№ 125.

Отпечатано в типографии ООО «Инсома-пресс» 443080, г. Самара, ул. Сапфировой, 110 А; тел.: 222-92-40