ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-9
.pdf
Химическая накачка (3)
Накачка COIL (1)
Газодинамическое охлаждение активной среды в сверхзвуковом сопле создает благоприятные условия для извлечения лазерной энергии. Высокая скорость прокачки среды обеспечивает также растяжение активной зоны по потоку, что приводит к равномерному заполнению апертуры резонатора. Непосредственно перед резонатором в поток кислорода подмешивают пары йода в смеси с буферным газом. В присутствии синглетного кислорода молекулярный йод диссоциирует на атомы. Затем происходит квазирезонансная передача электронной энергии молекул синглетного кислорода атомам йода (***), которые переходят в верхнее возбужденное состояние I(2P1/2).
Buffer gas spreader
Retention unit
Nozzle blades
Iodine injectors
I + O2(1Δ) ↔I* + O2(3Σ)
Сопловой блок представляет собой набор щелевых сопел. Первичный поток синглетного кислорода, разбавленный буферным газом движется снизу из ГСК и ускоряется в соплах. В критическом сечении каждого сопла имеется инжектор вторичного потока (вторичный буферный газ и йод). Инжектор выполнен в виде двух рядов отверстий. На сопловой лопатке, образующей одну из стенок сопла просверлены два ряда отверстий. В торцах соплового блока установлены специальные боковые лопатки для подачи чистого азота без паров йода. Это необходимо для предотвращения попадания паров йода в резонаторные полости.
На выходе из соплового блока поток активной среды попадает в лазерную камеру. Лазерная
камера имеет расширяющийся профиль поперечного сечения для компенсации
тепловыделения в потоке активной среды в ходе химических реакций и релаксационных процессов.
Химическая накачка (4)
Накачка COIL (2)
Запас мощности излучения в COIL можно оценить следующим образом:
|
|
W = × M |
o |
×(Y – Y ), |
Y |
th |
= (2 K + 1)-1 |
|
|
max |
th |
|
e |
||
Здесь |
Wmax |
– потенциально извлекаемая мощность, Вт; |
|||||
T |
- температура активной среды, К; |
|
|
|
|||
|
- энергия одного моля атомов I(2P |
), =90,6×103 Дж/моль; |
|||||
|
|
|
|
|
1/2 |
|
|
Mo |
- молярный расход кислорода на выходе ГСК, моль/с; |
||||||
Y |
- выход синглетного кислорода; |
|
|
|
|||
Yth |
- пороговая доля синглетного кислорода; |
Таблица 1 |
|
|
|
Ke |
– константа равновесия реакции обмена электронной энергией молекул синглетного |
|
кислорода и атомов йода, Ke=0,75×exp(402/T). |
|
|
Именно на таких режимах были достигнуты рекордные в мировой практике значения |
|
|
химической эффективности ηхим = 32% . |
|
|
|
ηхим = W /(ε× MCl) |
|
где W - мощность лазера, Вт; MCl - молярный расход хлора, моль/с.
Свойства исходных компонент HF(DF) лазеров и COIL и процессы получения активной среды и ее преобразования определяют состав и характеристики отработанных газов
|
Камера |
ГСК |
Сопловой блок |
Лазерная камера |
||
|
сгорания |
|||||
Параметр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
HF(DF) |
COIL |
HF(DF) |
COIL |
HF(DF) |
COIL |
Давление, торр |
1000..100000 |
20…40 |
5...10 |
2...3 торр |
10…20 |
4…8 |
Температура, K |
1600...1800 |
240 – 250 |
100...300 |
100...300 |
600 |
200-300 |
Газодинамическая накачка (1)
Тепловая накачка в газодинамических лазерах (1)
Характерная особенность молекул N2 - сохранять долгое время колебательное возбуждение, находясь на метастабильном уровне v=l была замечена задолго до создания лазеров.
При расширении горячего азота или воздуха в сверхзвуковых соплах в кинетическую энергию направленного поступательного движения газа удается перевести несколько меньшее количество тепловой энергий нагретого газа, чем это следует нз равновесного расчета течения в соплах. Это объясняется тем, что часть полной энергии нагретого газа, которая была сосредоточена во
внутримолекулярных колебаниях N2, не достаточно быстро
приходит в соответствие с поступат. температурой охлаждающегося газа. На рис. приведена зависимость доли полной энергии, запасенной в колебательных степенях свободы молекул N2 и
СО2 от температуры. колебательная энергия молекул азота при высоких температурах превышает 10% полной тепловой энергии нагретого газа и эта энергия может быть «заморожена
при быстром расширении газа в соплах. Принципиально
возможно получать нагретые смеси азота, углекислого газа и воды при сжигании различных топлив. Это предопределило создание газодинамического СО2-лазера, инверсная населенность в котором создается за счет быстрого охлаждения высокотемпературной смеси (N2, СО2, Н2О) в сверхзвуковом сопле до комнатных температур. При этом населенность
возбужденных колебательных уровней молекул N2 и СО2 не
успевает прийти в соответствие поступательной температурой газовой смеси. В результате инверсная населенность образуется непосредственно за критическим сечением сопла и может сохраняться достаточно долго за его срезом, чтобы обеспечить вывод излучения.
Газодинамическая накачка (2)
Тепловая накачка в газодинамических лазерах (2)
Наиболее распространен сопловой блок из плоских сопловых лопаток (рис.), обеспечивающий эффективное «замораживание» колебательной смеси и хорошую работоспособность в условиях высоких тепловых и силовых нагрузок.
Сопловые блоки мощных газодинамических лазеров состоят из нескольких сотен плоских сопловых лопаток (а) высотой до полуметра и размером критического сечения 0,2.. .0,3 мм или миниатюрных осесимметричных сопл (б). Особенностью тарельчатых сопл (в) является интенсивное охлаждение смеси при
расширении газа за срезом соплового аппарата. Такие
конструкции получили развитие в НХЛ. К их достоинствам следует отнести компенсацию реактивной силы, возникающей при истечении газа из сопл, что особенно важно для размещения лазеров в космосе Эффективность тепловой накачки определяется долей колебательной энергии в полной энергии нагретого газа
(ηv), характеризующей эффективность использования
энергии, затраченной на нагрев газовой смеси и отношением колебательной энергии газа на выходе из сопла к колебательной энергии, содержащейся в газе на входе и сопло ηс, называемым обычно КПД сопла. Тогда эффективность тепловой накачки в ГДЛ с учетом квантового КПД (ηк) будет равна:
ηн = ηv × ηс × ηк
Эффективность тепловой накачки невелика, что, прежде всего, объясняется небольшой долей энергии, идущей на возбуждение колебательных степеней свободы при нагреве газа (ηv< 10% ), поэтому этот лазер интересен
скорее, как пример непосредственного превращения тепловой энергии в лазерную.