Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Эффективная генерация химического кислородно-йодного лазера с устойчивым резонатором 16
1.1 Экспериментальное исследование кинетических характеристик газовой смеси 02 -I2 -N2 -Н20 16
1.2 Экспериментальная установка - химический кислородно-йодный лазер 24
1.3 Эффективная генерация химического кислородно-йодного лазера без ловушки паров воды 37
1.4 Выводы по главе 1 53
Глава 2. Двухуровневая модель генерации для расчета выходных характеристик непрерывного кислородно-йодного лазера 55
2.1 Аналитические модели 56
2.2 Критерии подобия 60
2.3 Применение двухуровневой модели генерации 66
2.4 Выводы по главе 2 79
Глава 3. Двухуровневая модель генерации с учетом потерь энергии в релаксационных процессах 81
3.1 Развитие двухуровневой модели генерации 81
3.2 Результаты расчетов и сравнение с экспериментом 86
3.3 Специфика извлечения энергии из активной среды электроразрядного кислородно-йодного лазера 93
3.4 Выводы по главе 3 98
Заключение 101
Литература 103
- Экспериментальная установка - химический кислородно-йодный лазер
- Эффективная генерация химического кислородно-йодного лазера без ловушки паров воды
- Применение двухуровневой модели генерации
- Специфика извлечения энергии из активной среды электроразрядного кислородно-йодного лазера
Экспериментальная установка - химический кислородно-йодный лазер
Энергетическая эффективность ХКИЛ определяется параметрами двух основных устройств, входящих в его состав, - ГСК и резонатора. Важным моментом является и относительное расположение этих элементов лазера. Одной из задач, предваряющих создание лазерной установки, является сбор информации о кинетических параметрах будущей активной среды. Эти данные позволяют установить, какими усилительными свойствами обладает
газовая смесь, а также определить расстояние относительно ГСК, на котором должен быть помещен резонатор. Как правило, это расстояние соответствует положению максимальной концентрации лазерных частиц.
Отличительной особенностью активной среды ХКИЛ является высокий уровень возбуждения электронных и колебательных степеней свободы ее компонентов при поступательной температуре газа близкой к комнатной. По этой причине кислородно-йодная среда характеризуется спектром излучения, содержащим большое число полос, соответствующих переходам между различными состояниями атомов и молекул йода и молекул кислорода. Возникающую в результате реакций светящуюся область можно использовать в качестве источника излучения для сбора кинетической информации.
Для исследования влияния степени разбавки кислородного потока буферным газом и концентрации молекул Н20 на образование атомов йода использовался метод эмиссионной спектроскопии в проточной системе низкого давления со смешением реагентов [123]. Регистрация спектров излучения проводилась на установке, схема которой приведена на рисунке 1. Щелочной раствор перекиси водорода 5, состоящий из 1,75 л водного раствора Н202 (37 мае. %) и 1,25 л водного раствора КОН (14,5 моль/л), приготавливался в теплоизолированном баке 1 и подавался под давлением из инжектора струй 3, расположенного в верхней части реакционной зоны ГСК 4, в бак 2. Температура раствора поддерживалась в диапазоне -1...-15С. Перед пуском раствор дегазировали вакуумированием питающего бака.
Наработка электронно-возбужденных молекул ОД ) осуществлялась в химическом ГСК струйного типа. Реакционная камера противоточного газожидкостного генератора представляла собой цилиндрическую полость диаметром 12 мм и высотой 10 см. Перепад давления на инжекторе струй составлял 1,5 атм. Инжектор состоял из тефлоновой пластины с 43 трубками из нержавеющей стали с внутренним диаметром 0,5 мм и длиной 25 мм. Скорость струй в реакторе была -10 м/с. Газообразный С12 поступал в нижнюю часть реакционной зоны через два противоположно размещенных отверстия. Скорость газа в реакционной зоне регулировалась щелевым краном б, установленным на выходе генератора. Доля ОД1 А) на выходе ГСК составляла 60 %, а степень утилизации хлора превышала 95 %. инжектировалась в ячейку через йодные сопла 8, размещенные на 16 см ниже по направлению потока от щелевого крана на выходе ГСК. Для каждого из девяти используемых сопел высота, ширина и длина в направлении потока были равны 1,5 см, 2,5 мм и 1,0 см соответственно; а толщина их медных стенок составляла 0,15 мм. Расстояние между боковыми поверхностями соседних сопел было равным 2,5 мм. Скорость газа в измерительной ячейке регулировалась вторым щелевым краном 10, расположенным на выходе из нее. Расстояние между йодными соплами и горловиной дросселирующего щелевого крана было 24 см.
В качестве несущего газа для паров йода использовался азот (N2). Давление в баках и ячейке измерялось датчиками типа «Сапфир». Генератор паров йода и система измерения расхода были аналогичны описанным в работах [56], [57]. Во всех экспериментах расход хлора составлял Gcl =2,5 ммоль/с. Расход вторичного азота был равен расходу хлора G2=2,5 ммоль/с. Средняя расчетная скорость газа в измерительной ячейке за йодным инжектором была «60 м/с.
Излучение газовой среды проходило через стенку измерительной ячейки 9, апертуру (не показана на рисунке 1) и оптический фильтр 11 к Ge фотодиоду 12. Для разделения эмиссионных линий от различных компонентов газовой среды использовался широкополосный светофильтр. Он обрезал излучение в видимом диапазоне спектра и обеспечивал прохождение ИК-излучения. Ge фотодиодом детектировалась полоса излучения перехода l(2P1/2j— l(2P3/2).
Фото детектор 12 устанавливался на подвижной платформе. Сигнал с него поступал на вход усилителя постоянного тока с полосой пропускания 10 Гц, и далее оцифровывался АЦП 13. Для сбора и обработки данных использовался персональный компьютер 14. Длительность пусков определялась объемом раствора в питающем баке и составляла -40 с.
Использовалась методика определения абсолютной концентрации возбужденных атомов йода, которая применялась в работе группы Хайднера Р. Ф. [124]. Концентрация атомов l(2P1/2) оценивалась из сравнения интенсивностей на длинах волн 1315 нм (переход і(2Рі/2)— і(2Р3/2/) и 1268 нм (переход О Д оД3 )). Вначале производилась калибровка измерительной системы. Для этого поток газообразного кислорода, вырабатываемый в ГСК, вводился в измерительную ячейку (йод в этом случае отсутствовал).
Эффективная генерация химического кислородно-йодного лазера без ловушки паров воды
Можно сделать вывод, что оптимальное давление газа в реакционной зоне ГСК составляет приблизительно 15 Торр. Уменьшение Pg ниже 15 Торр не приводит к росту относительного содержания ОД ), потому что увеличивается доля непрореагировавшего хлора. Следует отметить, что при давлениях в реакционной зоне ниже 20 Торр генератор работает неустойчиво. Это может быть связано с тем, что жидкостный насос не рассчитан на такие условия эксплуатации (см. п. 1.2). Оптимальным с точки зрения бесперебойной работы ГСК и приемлемого Pgxg можно считать диапазон давления 25-30 Торр. Измерения остаточного хлора и доли ОД1 Д] на выходе ГСК в сходных условиях проводились во многих работах, например, в [92], [129]. Было показано, что степень утилизации составляет U 0,9, а доля синглетного кислорода находится на уровне 60 %. Кроме того, эти параметры можно оценить, пользуясь формулами, приведенными в работах [20] и [68].
Основным звеном в цепочке элементарных реакций (В1) является взаимодействие в тонком приповерхностном слое ЩРПВ абсорбированного из газовой фазы растворенного молекулярного хлора с ионами НО 2 [20]: С12+НО - СГ+0 )+ НС1. (1.11) Константа скорости этой реакции Кп =4,6 108 л/(мольс) [130], [131].
Оценим степень утилизации хлора в предположении, что реакцию (1.11) лимитирует переход молекул синглетного кислорода через межфазную поверхность. При этом существенного истощения концентрации реагентов вблизи поверхности с течением времени не происходит. Независимо от типа ГСК степень утилизации хлора описывается соотношением [68]:
При числе трубок инжектора NTp=153 и диаметре струй dj=0,8 мм она составляет SyA=4 см"1. Допуская, что коэффициент массопереноса для ЩРПВ мало отличается от значения а для чистой воды, принимаем, как и в [132], a =60 см/с. В этом случае имеем тс =4,2x10" с. Степень утилизации хлора, рассчитанная по формуле (1.12), составляет U=0,81.
Прямые измерения утилизации хлора, выполненные в [92], [129] с низкой (±2 %) погрешностью для ГСК струйного типа, работающих в аналогичных режимах, дают значения U 0,9. Разница в значениях степеней утилизации, полученных расчетным путем и экспериментально, может быть связана с отличием площади реальной поверхности контакта от рассчитанной в приближении гладких цилиндрических струй. Фактически поверхность струй является развитой, и по этой причине ее площадь больше полученной с помощью вычислений. Кроме того, в ГСК образуется аэрозоль, что также приводит к увеличению поверхности контакта фаз газ-жидкость.
На практике генератор работает в струйно-капельном режиме. При больших скоростях и углах входа ЩРПВ в трубки инжектора образуются вихревые зоны, зажимающие начальные сечения. Здесь скорость жидкости максимальна, а давление низкое. В результате раствор в канале кавитирует, образуя двухфазную смесь капель и газовых пузырей [133]. Остальная часть трубки работает направляющим элементом, формирующим узкий пучок капель с диаметром меньшим диаметра канала. Площадь поверхности таких капельных струй может в несколько раз превосходить площадь поверхности, рассчитанную в приближении гладких струй. Более того, взаимодействие капель со встречным газовым потоком приводит к интенсивному обновлению их поверхностного слоя и более эффективному массообмену. Косвенным подтверждением описанной картины являются перепады давления в реакционной зоне, достигающие значительных величин - от 4 до 20 Торр - при давлении на выходе ГСК от 4 до 60 Торр.
Таким образом, удельная поверхность контакта фаз может существенно отличаться от полученной в настоящем расчете. По этой причине характерное время выработки хлора должно быть меньше полученного, а степень утилизации - выше. Поскольку в формуле (1.13) отсутствует поправочный коэффициент, позволяющий учесть отклонение расчетной площади поверхности струй от реальной, для последующих вычислений будет В условиях незначительной гетерогенной гибели ОД ) в растворе его выход из ГСК определяется тремя факторами: характерным временем выработки хлора тс, характерным временем гибели сингл етного кислорода в реакции пулинга xd, а также эффективностью возбуждения Ysr кислорода, образующегося на поверхности контакта газ-жидкость. Считаем потери ОД ) при тушении на молекулах Н20 и гетерогенном тушении на стенках ГСК пренебрежимо малыми.
Применение двухуровневой модели генерации
Видно, что с увеличением yd внутрирезонаторная интенсивность и доля синглетного кислорода на выходе резонатора уменьшаются (рисунок 19, а, б), а эффективность извлечения энергии из активной среды возрастает (рисунок 19, в). В приближении резонатора бесконечной длины С асимптотически стремится к нулю в соответствии с (2.17), Yd опускается до минимума YdYd согласно (2.21), a rextm достигает своего максимума чІ Г? определяемого уравнением (2.22). Решения в случае протяженного резонатора для YdYd и л показаны горизонтальными отрезками в правой части рисунка 19, б, в.
Отметим, что при равенстве усиления и потерь (П = 1) согласно трансцендентному уравнению (2.21) энергия из активной среды не извлекается (Yd = Y;), и генерация отсутствует (рисунок 19, б). С ростом П внутрирезонаторная интенсивность и эффективность извлечения энергии из активной среды возрастают (рисунок 19, а, в), а доля синглетного кислорода на выходе резонатора убывает (рисунок 19, б). В приближении сильного поля (С—»оо) имеем Ydn и л 0, определяемые формулами (2.23) и (2.24), -нижняя кривая на рисунке 19, б и верхняя кривая на рисунке 19, в. На практике П — оо соответствует случаю «закрытого» резонатора (tr —» 0).
Минимальная доля синглетного кислорода и максимальная эффективность извлечения энергии из активной среды достигаются при yd— ооиП—»оои составляют Ydmm = YTH и л = Y; - YTH. Отметим также, что YTH представляет собой долю ОД ), соответствующую энергии недоступной для извлечения из-за наличия обратной реакции (В2). Результаты расчетов показывают, что энергетическая эффективность может быть выше 30 % при yd 4 и П 3. Это означает, что доля потерь синглетного кислорода в резонаторе для этих режимов незначительна. Кривая эффективности извлечения энергии из активной среды для П=8 близка к кривой, полученной для П—»оо (рисунок 19, в). Поскольку уменьшение коэффициента пропускания в выражении для П приводит также к снижению эффективности резонатора rextr, разумно ограничить значение отношения усиления к потерям П 8.
Зависимости нормированной внутрирезонаторной интенсивности (а), доли синглетного кислорода на выходе резонатора (б) и эффективности извлечения энергии из активной среды (в) для непрерывного КИЛ как функции критерия yd для нескольких значений температуры газа Т приведены на рисунке 20. Начальная доля синглетного кислорода и отношение усиления к потерям были приняты Y;=0,6 и П=4,0 соответственно. Согласно двухуровневой модели меньшая внутрирезонаторная интенсивность, боПльшая доля синглетного кислорода на выходе резонатора и менее эффективное извлечение энергии из активной среды при более высоких температурах полностью определяются смещением влево равновесия реакции (В2) с ростом Т. Так, например, при yd=5 увеличение температуры с 200 до 300 К приводит к снижению эффективности извлечения энергии из активной среды приблизительно на 9 %. Положение горизонтальных асимптот кривых на рисунке 20, б, в в этом случае также определяется уравнениями (2.21) и (2.22). Зависимости, представленные на рисунке 20, дают возможность убедиться в преимуществах перехода в сверхзвуковой режим течения и использования предварительного охлаждения буферного газа с точки зрения получения высоких выходных характеристик.
Расчеты показывают, что эффективность извлечения энергии из активной среды монотонно растет с увеличением yd и П и достигает максимума в случае протяженного резонатора и бесконечно большого превышения усиления над потерями. С другой стороны, с ростом значений критериев подобия растут потери энергии в релаксационных процессах и оптические потери на зеркалах. В действительности с повышением yd и П эффективность извлечения энергии из активной среды сначала достигает своего максимума, а затем снижается за счет роста указанных потерьИзменение нормированной внутрирезонаторной интенсивности
С (а), доли синглетного кислорода на выходе резонатора Yd (б) и эффективности извлечения энергии из активной среды rextm (в) в зависимости от параметра yd при различных значениях Т для Y;=0,6 и П=4,0. Интервалы оптимальных значений yd и П, в которых достигается высокая эффективность преобразования химической энергии в лазерную, лежат вблизи значений этих критериев, соответствующих максимуму.
Упрощенная двухуровневая модель генерации не учитывает потери электронной энергии в релаксационных процессах. Учет последних неизбежно приводит к усложнению модели, при этом энергетическую эффективность уже не удается представить в виде функции двух критериев подобия, yd и П. В [70] сообщается о достигнутой экспериментально энергетической эффективности л =40 %, близкой к предельной, полученной расчетным путем на основе двухуровневой модели. Результаты этой работы свидетельствуют о существовании режимов, в которых потери энергии в релаксационных процессах незначительны. Следовательно, упрощенная двухуровневая модель генерации может быть использована для расчетов выходных характеристик непрерывных КИЛ в случаях, когда потери энергии в процессах релаксации и смешения удается свести к минимуму.
Выделяющаяся в релаксационных процессах энергия вызывает повышение температуры потока, что негативно сказывается на эффективности извлечения энергии из активной среды. Различие в результатах расчетов rextm не превышает нескольких процентов, если температура в резонаторе изменяется на 30 К. Например, расхождение между расчетными значениями rextm для температур газа 200 и 230 К не превышает 3 % вплоть до yd 8. Анализ показывает, что к росту температуры на 30 К приводит изменение доли синглетного кислорода за счет релаксационных процессов на величину AYrelax « 0,01 в потоке без разбавки буферным газом.
В таком случае предложенное допущение постоянных параметров потока (температуры, плотности и скорости) является оправданным. Для уменьшения роста температуры в резонаторе среди прочего обычно используется многократная разбавка активной среды КИЛ буферным газом. В этих условиях доля потерь синглетного кислорода на релаксацию может составлять до 3 % при незначительном росте температуры.
Двухуровневая модель, не учитывающая релаксационные потери, позволяет определить только нижние границы интервалов критериев подобия, соответствующих максимальному энергосъему с активной среды. Она предсказывает, что энергетическая эффективность непрерывного КИЛ более 30% может быть достигнута при yd 4 и П 3. Верхние границы интервалов оптимальных значений этих критериев могут быть установлены на основе сравнительного анализа результатов, полученных расчетным путем, и экспериментальных данных, представленных в ряде публикаций.
Параметры, характеризующие режимы работы непрерывных КИЛ с высокой энергетической эффективностью [62], [63], [65], [70], [72], [76], [79]-[82], приведены в таблице 1. Дополнительные сведения, относящиеся к этим экспериментам, можно также найти в статьях [3], [58], [61], [73]-[75]. Из всех упомянутых в настоящей работе литературных источников были выбраны только те, в которых имелись необходимые для анализа данные. Некоторые недостающие параметры были непосредственно предоставлены авторами указанных статей. В работе [76] доля синглетного кислорода на выходе ГСК Y0 не измерялась. Здесь она принята равной 0,6 - типичному значению для
Специфика извлечения энергии из активной среды электроразрядного кислородно-йодного лазера
Доля молекулярного йода rj может быть увеличена только одновременно с увеличением концентрации синглетного кислорода. В [101] найдено, что скорость тушения ОД1 А) в послеразрядной зоне увеличивается с ростом давления кислорода намного быстрее, чем это следует из расчета скоростей процессов его тушения на компонентах О, 02 и 03. В работах [102] и [103] также наблюдали необычно высокую скорость дезактивации ОД ) в послефотолизной смеси газов 0-02-03. Недавно было показано [102], что колебательно-возбужденный озон, образованный в рекомбина-ционном процессе
Данный процесс может также давать значительный вклад в общую скорость дезактивации синглетного кислорода и в разрядной зоне. Очевидно, что вклад процессов (3.19) и (3.20) в тушение 02(1 А) будет расти с ростом давления кислорода.
Атомы и молекулы кислорода неизбежно присутствуют на выходе электроразрядного ГСК, поэтому и колебательно-возбужденные молекулы озона 03(и) также будут образовываться в рекомбинационном процессе
(3.19). Скорость дезактивации 02(1 А) может быть уменьшена удалением избытка атомов О, например, добавлением в смесь NO [80] или покрытием стенок камеры окисью ртути [27], [28]. В работе [28] использовали оба подхода. Ее авторам удалось достичь наивысшую плотность молекул 02(1 А) на выходе электроразрядного ГСК с долей электронно-возбужденных частиц около 17 % при общем давлении кислорода до 20 Торр.
С другой стороны, увеличение давления в электроразрядном ГСК приводит к уменьшению скорости перемешивания кислородного и йодного потоков. Их неполное смешение негативно сказывается на эффективности извлечения энергии из активной среды. В работе [78] наблюдали замедление скорости регенерации коэффициента усиления на выходе из резонатора. Это явление может быть объяснено неполным перемешиванием потоков. Под действием внутрирезонаторного поля излучения энергия, запасенная в синглетном кислороде, в зонах, где произошло смешение, конвертируется в лазерную энергию. В этих областях концентрации 02(1 А) и l(2P1/2) падают. За резонатором в эти обедненные зоны за счет массопереноса поступает синглетный кислород из областей, в которых смешения не произошло. Скорость массопереноса может лимитировать скорость восстановления коэффициента усиления за резонатором. В пользу данного предположения свидетельствуют также низкая энергетическая эффективность и неполная диссоциация йода в эксперименте [78].
Упрощенная двухуровневая модель генерации для прогнозирования выходных характеристик непрерывного КИЛ, предложенная в [116]—[121], была развита с учетом потерь энергии в релаксационных процессах. Эта модель показывает, что энергетическая эффективность непрерывного КИЛ с устойчивым резонатором зависит от трех безразмерных критериев подобия: отношения времени пребывания активной среды в резонаторе к характерному времени извлечения энергии синглетного кислорода при бесконечно большой внутрирезонаторной интенсивности - yd, отношения коэффициента усиления слабого сигнала к пороговому коэффициенту усиления -Пи отношения скорости релаксации к скорости возбуждения для электронно-возбужденных атомов йода l(2P1/2) - Л. ОЧДУ модель с высокой точностью предсказывает выходные характеристики КИЛ, если потери энергии на релаксацию возбужденного і(2Рі/2) в процессах (3.1)-(3.4) составляют AYrelax 0,03.
Анализ расчетных и экспериментальных данных по энергетической эффективности непрерывного КИЛ, выполненный на основе критериев подобия yd, П и Л, показывает, что эффективное извлечение энергии из активной среды достигается, когда значения этих критериев расположены в интервалах: yd=4-6, П=3-8 и Л 0,01. При меньших значениях yd 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.
Развитая двухуровневая модель генерации может также использоваться в расчетах выходных характеристик непрерывного ЭКИЛ, поскольку критерии подобия yd, П и Л включают в себя общие параметры для обоих типов лазеров. Большинство КИЛ работают в сверхзвуковом режиме, который создает более благоприятные условия для извлечения энергии. Критерий yd прямо пропорционально зависит от концентрации атомов йода и обратно пропорционально - от скорости газа. Следовательно, концентрация атомов йода должна быть пропорционально увеличена с ростом скорости газа для того, чтобы критерий yd оставался в диапазоне оптимальных значений. Это является причиной, по которой концентрация атомов йода для сверхзвукового режима выше, чем для дозвукового режима. С другой стороны, с ростом концентрации молекул йода увеличиваются потери энергии на диссоциацию и релаксацию. Это представляет действительный вызов для извлечения энергии из активной среды ЭКИЛ.
Согласно двухуровневой модели далекая от максимально достижимой энергетическая эффективность ЭКИЛ [79]-[82] обусловлена низким значением критерия подобия yd l. Одним из путей повышения концентрации атомов йода для ЭКИЛ является использование внешней выработки атомов йода [14], [29], [45]-[52], что позволяет уменьшить релаксационные потери. Однако увеличивать параметр yd только за счет роста концентрации атомарного йода можно лишь до определенного предела. Экспериментально показано [29], что коэффициент усиления активной среды ЭКИЛ с относительно низкой долей синглетного кислорода Y «О,1 перестает расти уже при относительном содержании молекул йода rj «1 %.
Необходимо одновременно поднимать также концентрацию синглетного кислорода, нарабатываемого в электроразрядном ГСК. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по энергетической эффективности КИЛ показывает, что развитая двухуровневая модель генерации с высокой точностью предсказывает выходные характеристики как ХКИЛ, так и ЭКИЛ. Следовательно, эта модель может быть использована при проектировании и создании мощных и высокоэффективных непрерывных КИЛ.
