Введение к работе
Актуальность темы.
Создание химического кислородно-йодного лазера (ХКЛ) явилось
іжньш достижением лазерной физики. ХКЛ мощный источник когерентного
ілучения в ближнем ИК диапазоне. Длина волны его излучения попадает в
шасть малых потерь кварцевых волоконных световодов, что позволяет
уществлять транспортировку излучаемой энергии. Газовая активная среда
ізкого давления позволяет получать лазерный пучок с высокой
шравленностью. Благодаря этим его качествам ХКЛ рассматривается как
ізможньїй кандидат для применений в лазерной технологии. Перспектива его
пользования в качестве технологического лазера зависит от решения ряда
юблем, связанных с повышением его энергетической эффективности и с
ілучением стабильной генерации с малой расходимостью. Величина
ергетической эффективности в большинстве уже созданных установок ХКЛ
несколько раз меньше от предельно возможной [1]. ХКЛ относится к типу
зеров с передачей энергии, и его замечательной особенностью является
ісокая скорость энергообмена между энергоносителем синглетным
слородом 0?('Л) и излучающей частицей атомом йода по сравнению с
лаксационными процессами. Поэтому энергетическая эффективность лазера
авным образом определяется эффективной генерацией синглетного
слорода и его релаксацией на стадиях транспортировки и приготовления
тивной среды лазера. Для применения в ХКЛ резонаторов, обеспечивающих
ісокую направленность лазерного луча, необходимо иметь достаточно
ісокий показатель усиления и достаточно протяженную по потоку зону
ществования инверсии. Для большинства действующих ХКЛ
эффициент усиления имеет довольно низкое значение <10-3 см"1.
Газообразный синглетный кислород (СК) получают химическим особом, путем хлорирования щелочного раствора Н2О2. Одной из проблем я создания мощного и компактного технологического ХКЛ является
разработка газожидкостных генераторов Ог^Д) высокого давления. В случ; импульсного ХКЛ это позволит поднять удельный энергосъем с единиц объема активной среды. Для непрерывного ХКЛ, с сверхзвуковым истечение активной среды , увеличение исходного давления кислорода позволяет подшг число Маха при сохранении высокой плотности О2СД) в резонаторе, а тага упростить систему выхлопа газа в атмосферу. В ХКЛ, использующе генератор Ог^Д) высокого давления, отпадает необходимость в ловуші паров воды, что существенно упрощает конструкцию лазера.
При разработке мощных и высокоэффективных установок ХКЛ і основе экспериментальных данных, полученных на малых установка возникает проблема масштабирования. Для этого необходимо создані физических моделей процессов, протекающих в отдельных узлах лазер Существует серьезная проблема в описании неламинарной гидродинамики турбулентного переноса вещества в газожидкостных генераторах 02(1 Д) . Д конца не изучен механизм диссоциации молекулярного йода в среде CI Требуют. изучения процессы релаксации запасенной в СЭД'Д) электронно энергии на стадиях транспортировки газа и приготовления активной сред лазера.
Цель диссертационной работы.
-
Создание и исследование выходных параметров струйного генератор синглетного кислорода (СГСК), работающего в струйно-капельном режиме.
-
Построение расчетной модели генераторов, пригодной для описани различных типов ГСК. На его основе выявить общие закономерності присущие для всех типов генераторов (ЭД'Д), найти области параметров пр которых степень возбуждения кислорода на выходе генератора более 50 %.
-
Выявить влияние тепловыделения на условия транспортировки С высокого давления, на работу струйного генератора ОгС'Д) и на услов* возникновения теплового кризиса течения газа в лазере.
Рассмотреть влияние процессов диссоциации йода и гетерогенной лаксации электронной энергии на инверсные и энергетические рактеристики активной среды ХКЛ.
Научная новизна работы.
Проведено экспериментальное исследование работы СГСК, ботающего в струйно-капелыюм режиме, в широком диапазоне режимов боты. Показано, что рекордные выходные параметры этого генератора стигаются благодаря мощной интенсификации массопереноса в жидкой зе.
Разработана теоретическая модель газожидкостных генераторов СК, зволяющая описывать все их типы. Определены области параметров, при торых достигается эффективная работа генераторов. На ссиог.е дг.ттисй рдели найдены общие для всех типов ГСК закономерности.
Экспериментально продемонстрировано влияния тепловыделение при анспортировке СК высокого давления до критического сс;-.:ния ;рхзвукозого сопла на работу струйного генератора С^'А) . Тсорепг-оскч ределены условия возникновения теплового кризиса течения газа в лазе. .-.
Предложен и исследован новый возможный механизм гетерогенной таксации запасенной в СЬ^Д) энергии в активной среде ХКЛ. Показано, чїо эрость гетерогенной релаксации электронной энергии может быть поставима с потерями в газовой фазе.
Практическая ценность работы.
На основе созданного струйного генератора СК, работают. - с эуйно-капельном режиме, с выходным давлением до 100 мм рт.ст. ..;жс: [ть реализован компактный технологический ХКЛ. Высокое выходное вление кислорода позволяет в схемах ХКЛ обходиться без ловушки паров ды и значительно упростить систему сброса отработанных газов в чосферу.
Определение диапазонов параметров ГСК, в пределах которь достигается высокая степень возбуждения кислорода, позволяет выбират оптимальные режимы работы генераторов.
Доказано, что создание сверхкритического перепада давления на выхо; струйного ГСК позволяет избежать негативного влияния тепловыделения тракте транспортировки газа до критического сечения сверхзвукового сопла и его работу. Определение параметров газового потока и тракта, при которы возникает тепловой кризис течения релаксирующего газа позволяет избегат появление этого эффекта. Определены параметры активной среды лазера лазерной кюветы, при которых гетерогенная релаксация электронной энерги не оказывает существенного влияния на эффективность извлечения энергии резонаторе.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Экспериментально установлено, что в струйном ГСК, работающего струйно-капельном режиме, достигается эффективная наработка ОзСД) вплот до давлений газа 100 мм рт.ст. со степенью возбуждения кислорода не менее 6 %, содержанием неутилизированного хлора менее 20 %, долей паров воды 1 3%.
-
Эффективная наработка Ог^Д) в газожидкостных генераторах с< степенью возбуждения кислорода более 50 % лежит в диапазоне изменени безразмерных параметров подобия: А < 20, Q«l. Параметр А равеї отношению скорости химической реакции в растворе к скорости перенос ионов Н02" из глубины раствора к поверхности. Параметр Q равеї отношению скорости релаксации OjC'A) в газовой фазе к скорости вьіработкі хлора.
3. Экспериментально показано, что режимы работы струйной
генератора синглетного кислорода существенно зависят от условиі
транспортировки релаксирующего газа ниже по потоку от реакционной зоны
Создание сверхкритического перепада давления непосредственно на выход
енератора позволяет устранить негативное влияние тепловыделения на его —
ыходные параметры.
4. Скорость гетерогенной релаксации электронной энергии в активной реде ХКЛ может быть сопоставима с ее потерями в газовой фазе и зависит от атериала стенки и его способности тушить электронно возбужденные атомы ода. Механизм гетерогенной релаксации запасенной в синглетном кислороде хергии включает в себя: перенос электронного йо^оуждения к ііоверх!'г"тт. аз дела фаз газ-твердое тело, быстрый резонансный обмен между Ог(! Л) и эдом и релаксацию электронно-возбужденных атомов йода на стенке.
Апробация работы. Результаты работы доложены на 4-ой Европейской конференции по гомной и молекулярной физике, Латвия, Рига, 1992 год; на третьем гждународном семинаре "Йодный лазер и его приложения", ЧССР, Бе\
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах. Спн.'-п-ібот приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Общи!', >ъем диссертации 134 страницы, в том числе 11 таблиц и 19 рисунков. Список ітируемой литературы содержит 102 наименования.
