Метод повышения энергетической эффективности кислородно-иодных лазеров

• Автор: Меженин, Андрей Викторович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 130 с. : ил.

1П&1 I мI » I I < 1 т I ш « I наш тштшл тлит в «| ■ишиши|

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Эффективная генерация химического кислородно-иодного лазера с устойчивым резонатором
1.1 Экспериментальное исследование кинетических характеристик газовой смеси 02-12-М2-Н

1.2 Экспериментальная установка - химический кислородно-иодный

лазер

1.3 Эффективная генерация химического кислородно-иодного лазера

без ловушки паров воды

1.4 Выводы по главе

Глава 2. Двухуровневая модель генерации для расчета выходных характеристик непрерывного кислородно-иодного лазера
2.1 Аналитические модели
2.2 Критерии подобия
2.3 Применение двухуровневой модели генерации
2.4 Выводы по главе
Глава 3. Двухуровневая модель генерации с учетом потерь энергии
в релаксационных процессах
3.1 Развитие двухуровневой модели генерации
3.2 Результаты расчетов и сравнение с экспериментом
3.3 Специфика извлечения энергии из активной среды электроразрядного кислородно-иодного лазера
3.4 Выводы по главе
Заключение
Литература
Приложение А Построение графических зависимостей V,, (у й) и 11ехйп(Ус|)
с использованием алгоритма, основанного на методе деления отрезка пополам

■ 11 * "
Введение
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 большой интерес в России [1]—[4], США [5]-[8], Израиле [9], Германии [10], Китае [11], Индии [12], Чехии [13], Японии [14] 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 [ 15]—[22]. Излучение КИЛ хорошо поглощается металлами. В [21] изложена концепция использования КИЛ в таких процессах как резка толстого металла, сварка, прошивка отверстий и подготовка поверхности. Предполагается подача излучения централизованного источника высокой мощности по оптоволокну к индивидуальным рабочим местам. В [22] 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 может использоваться как автономный источник лазерной энергии.
КИЛ относится к типу лазеров с передачей энергии от молекулы энергоносителя к излучающей частице, и его эффективность определяется в основном возможностью наработки возбужденных молекул, передачи энергии излучающим частицам и извлечения энергии в резонаторе. Энергоносителем в КИЛ является молекулярный синглетный кислород 02(1а). Он нарабатывается в химических или электроразрядных генераторах

синглетного кислорода (ГСК). По типу используемого ГСК непрерывные КИЛ делятся на химические (ХКИЛ) и электроразрядные (ЭКИЛ).
Наибольшее развитие на сегодняшний день получил ХКИЛ. В нем синглетный кислород образуется при хлорировании щелочного раствора перекиси водорода (ЩРПВ) [23]. Брутто-реакция этого процесса может быть записана в виде:
С12 + Н202 + 2КОН -> 02 (' д)+ 2КС1 + 2Н20. (В 1)
Выход 02(‘д) в химической реакции (В1) близок к 100 % [23]—[25], однако за счет столкновительной дезактивации доля синглетного кислорода Y = [о2 (‘ д)]/[02 ]0 на выходе современных ГСК составляет 60-70 %. Здесь [02(’д)] - концентрация молекул кислорода в синглетном состоянии и [О2]0 - полная концентрация молекул кислорода. В большинстве используемых газожидкостных ГСК достигается высокая степень утилизации хлора U = G02/GC|2 >90%, где G0a, Gc,2 - расход кислорода на выходе из
генератора и расход хлора на входе в генератор соответственно. Доля синглетного кислорода на выходе газожидкостных генераторов может достигать более 50 % при давлении кислорода до 100 Topp [26].
В ЭКИЛ синглетный кислород нарабатывается в плазме электрического разряда преимущественно в столкновениях молекул кислорода в основном состоянии с электронами, имеющими энергию 1 эВ и более [27]-[34]. В электроразрядных ГСК доля 02('д) на выходе может составлять около 17 % при давлении кислорода до 20 Topp.
В традиционном КИЛ активная среда приготавливается путем инжекции в первичный поток синглетного кислорода и буферного газа, идущий от ГСК, вторичного потока паров молекулярного йода с несущим буферным газом. В присутствии синглетного кислорода молекулярный йод диссоциирует на атомы [17], [20], [35]—[43], при этом на диссоциацию одной молекулы йода тратится около трех молекул 02('д) [37]. Доля йода в потоке

в я і
G,2=G2Pl2/Pbuf, (1.7)
где G2 - молярный расход несущего вторичного буферного газа. Требуемый расход йода обеспечивается регулировкой вентилей на генераторе 2, 2” и вентиля подачи буферного газа 2 ’.
После прохождения измерительной трубки йод по гибким шлангам поступает в инжектор грабельного типа, расположенный в газовом тракте ХКИЛ после промежуточной ячейки. Инжектор состоит из 16 вертикально установленных медных трубок высотой 1,2 см с диаметром 2,8 мм. Расстояние между осями соседних трубок 6 мм. Йод и азот инжектируются перпендикулярно первичному потоку через 10 отверстий диаметром 0,5 мм, просверленных с интервалом 1 мм с обеих сторон каждой трубки.
Подогревающие устройства обеспечивают нагрев всех элементов йодной системы с целью предотвращения осаждения на них йода. Они представляют собой либо медный провод, намотанный на соединительных трубках, либо эмалевые сопротивления типа ПЭ-25, прикрепленные снизу к вентилям 2, 2’, 2” и торцам измерительной трубки 5. Нагревательные элементы обеспечивают нагрев системы подачи йода до 70 °С и поддержание этой температуры во время экспериментов, поэтому при парциальном давлении паров йода внутри системы до 5 Topp не происходит осаждения молекул 12 на ее стенках.
Резонатор. В данной работе используется устойчивый резонатор длиной 64 см с суммарным коэффициентом пропускания зеркал tr=l,3 %. Применяются две пары зеркал: пара № 1 - плоское зеркало и сферическое зеркало с радиусом кривизны R =2 м; пара № 2 - зеркала с радиусами кривизны R =2 м (сферическое и цилиндрическое). Диаметр зеркал 4,5 см определяет длину активной зоны в направлении потока. Оптическая ось резонатора находится на расстоянии 5 см ниже по потоку от плоскости ввода йода с вторичным буферным газом. Длина усиления составляет 10 см. Конфигурация газового тракта в резонаторе для экспериментов на