1.3.7. Конвективное охлаждение рабочей смеси

1. Для выяснения преимуществ конвективных СО2-лазеров сравним характерные времена охлаждения рабочей смеси за счет диффузии и конвекции . Если характерный эффективный размер, определяющий диффузию, , а длина зоны возбуждения по потоку 1, то , где D — коэффициент диффузии газа, , — длина свободного пробега частиц газа; v — их тепловая скорость; а — скорость звука (а ),

. Их отношение

(1.26)

Величина этого отношения зависит от схемы прокачки газа. Лазеры с продольной прокачкой газа отличаются от диффузионных лишь наличием потока газа. Поэтому, если подставить в (1.26) характерные для диффузионных лазеров параметры ~ 1 см, 1~ 1 м, ~10 см, то нетрудно видеть, что конвективное охлаждение сравнивается с диффузионным уже при v , т.е. при существенно дозвуковых потоках. Таким образом, наличие потока газа со скоростью v > а,1А,/Л приводит к заметному возрастанию эффективности охлаждения рабочей смеси и позволяет увеличить объемное энерговыделение до величины

(1,27)

где с — удельная теплоемкость газа, ρ — плотность газа, Т -температура газа на входе в газоразрядную камеру (Т T ) Мощность лазера с продольной прокачкой газа составит при этом

(1.28)

Естественно этой формулой можно пользоваться лишь до тех пор, пока предельные объемные энерговыделения ограничиваются скоростью охлаждения смеси, т.е. при выполнении неравенства , г де -предельное значение энерговклада, определяемое устойчивостью разряда). Ранее было показано, что поэтому, сравнивая формулы (1.19) и (1.28), нетрудно видеть, что при фиксированном радиусе трубки продольная прокачка газа может увеличить удельный съем мощности излучения с единицы длины приблизительно на порядок, т.е. до W/L — 500 — 1000 Вт/м. Необходимо отметить, что в случае турбулентного характера газового потока дополнительное возрастание скорости охлаждения смеси может иметь место из-за замены ламинарной диффузии на турбулентного. Время турбулентной диффузии ( ) ~ ), где - флуктуации скорости потока. Сравнивая это время с ( ) ~ ), можно получить

(1.29)

Таким образом, возникновение турбулентного характера течения газа в оптимальных режимах может привести к возрастанию скорости его охлаждения, сравнимому со скоростью конвективного охлаждения.

Несмотря на то, что введение продольной прокачки газа существенно увеличивает съем излучения с единицы длины, предельная мощность лазера при этом возрастает незначительно и, как правило, не превышает 2 — 5кВт. Это связано с тем, что при продольной прокачке газа длину лазера бессмысленно делать большой. Действительно, как видно из (1.28), W ~ , но при удельное объемное энерговыделение ~l и поэтому увеличение длины разряда в направлении оптической оси не сопровождается ростом мощности излучения.

2. Значительно более перспективной с точки зрения повышения мощности лазера является схема с поперечной прокачкой газа. В этом случае оптическая ось резонатора лазера направлена перпендикулярно направлению скорости прокачки газа и поэтому ее увеличение не сопровождается снижением эффективности конвективного охлаждения, определяемого длиной разрядной зоны по потоку 1. Значения величин ~h в схемах с продольной прокачкой становятся одного порядка с l и при значениях ~10 и ~10 время конвективного охлаждения, как это видно из (1.25), становится на 3-4 порядка меньше .

Основным фактором при этом, ограничивающим значения вкладываемой в разряд мощности, становится устойчивость разряда. Мощность конвективного лазера с поперечной прокачкой, имеющего газоразрядную камеру с плиной вдоль оптической оси L и высотой h, определяется полным расходом газовой смеси, допустимой температуре ее нагрева Т , и электрооптическим КПД используемого метода накачки, т.е.

(1.30)

Подставляя в это выражение типичные для конвективных СО -лазеров значения K, с ~ (1,5 — 2) Дж/(г К), р ~ 10 г/см ,h ~3- 10см, v ~(0.3-1) см/с и ~ (0,1-0,2), нетрудно видеть, что в условиях конвективного охлаждения смеси поперечным потоком с единицы длины в направлении оптической оси можно снять мощность излучения (W/L)~ (0,3 — 100) кВт/м, что существенно превышает удельные съемы излучения, достигаемые при других способах охлаждения рабочей смеси.

3. Конвективное охлаждение требует прокачки большего количества рабочей смеси. Ecли в диффузионных лазерах скорость прокачки определяется скоростью химического отравления смеси и в присутствии регенераторов может быть равной нулю, то в конвективных лазерах для получения 1 Вт лазерного излучения необходимо прокачивать

(( г/с.

Так как создание мощных технологических конвективных лазеров с выбросом отработанной смеси нецелесообразно с экономической и трудно осуществимо при больших уровнях мощности с технической точки зрения, то, как правило, прокачка рабочей среды осуществляется по замкнутому газодинамическому тракту. Газодинамическая и оптическая схемы конвективных СО -лазеров с поперечной прокачкой представлены на рис. 30.

Рис.30

Наиболее распространенным в настоящее время способом накачки конвективных лазеров является самостоятельный разряд постоянного тока. В простейшем варианте газоразрядная камера таких лазеров состоит из трубчатого катода и сплошного или секционированного в поперечном потоку газа направлении анода. Полное однородное заполнение катода током в таких системах возможно лишь при малых давлениях смеси (~15 — 20 торр), малых межэлектродных зазорах (h ~1 — 3 см) и высокой степени однородности характеристик потока газа. Повысить давление смеси, межэлектродного зазора h, а следовательно, и мощность лазера можно, лишь повысив устойчивость разряда. В случае самостоятельного разряда постоянного тока это можно сделать с помощью глубокого секционирования одного из электродов (обычно катода) вдоль и поперек потока газа. Так как нормальная плотность тока на катоде j ~ р , то повышение давления рабочей смеси приводит к необходимости сокращения эмитирующей площади поверхности и поэтому катоды таких разрядов имеют вид равномерно распределенных по плате штырей или пластин.

Однородное распределение тока по всей разрядной камере обеспечивается включением в цепь каждого катодного' элемента балластного сопротивления Rb, на котором выделяется — 30 — 50% напряжения источника питания. Длина зоны разряда по потоку определяется предельными значениями и оценивается с учетом допустимого нагрева смеси с помощью соотношения

(1.31)

Глубокое секционирование электродов позволяет заметно поднять удельный съем и полную мощность излучения С02-лазеров.