Способ приготовления активной среды для кислородно-йодного лазера

 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке технологических химических кислородно-йодных лазеров. В способе синглетный кислород без разбавки его буферным газом подают в зону смешения в виде малоразмерных трансзвуковых струй параллельно оси смесевой камеры. Буферный газ с примесью паров йода подают в виде сверхзвуковых высоконапорных струй. Их коэффициент скорости порядка двух. Смешение осуществляют при равенстве давлений в струях на входе слабо расширяющейся смесительной камеры. Технический результат изобретения: обеспечение более стабильной работы генератора синглетного кислорода, удешевление лазерной энергии.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке технологических химических кислородно-йодных лазеров (ХКЙЛ) и лазеров специального назначения.

Известен и в настоящее время стал общепринятым метод приготовления активной среды ХКЙЛ, включающий в себя смешение дозвукового потока кислорода, содержащего первичный буферный газ, со сверхзвуковыми струями смеси вторичного буферного газа и паров йода, последующую автокаталитическую диссоциацию молекулярного йода, передачу возбуждения с синглетного кислорода O₂(¹Δ) атомам йода и затем охлаждение полученной смеси в процессе адиабатического расширения ее в сверхзвуковом сопле с целью понижения пороговой доли O₂(¹Δ) и увеличения кпд лазера /К.А. Truesdell, C.A. Helms, G.D. Hager, AIAA Paper 94-2421, 25th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, June 20-23, 1994, Colorado Springs, USA, K.A. Truesdell, S.E. Lamberson, G.D. Hager, AIAA Paper 92-3003, 23d AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, July 6-8, 1992, Nashville, USA/.

В случае создания мощных технологических лазеров или лазеров специального назначения, когда требуют очень большие объемные скорости откачки отработанной активной среды, целесообразно использовать контактные высокооборотные турбонасосы для технологических ХКЙЛ или непосредственный выброс газа в атмосферу для специальных лазеров. Использование высокооборотных турбонасосов с высоким кпд возможно только при достаточно высоком давлении на его входе. Таким образом, создание способа приготовления активной среды ХКЙЛ с ее высоким полным давлением после резонатора является чрезвычайно важной задачей.

В традиционной схеме восстановленное в диффузоре давление определяется полным давлением в генераторе синглетного кислорода (ГСК) и числом Maxa газового потока на входе диффузора. При уменьшении числа Маха эффективность восстановления полного давления в диффузоре увеличивается, а степень охлаждения активной среды и кпд лазера уменьшаются. Обычно число Маха имеет величину, близкую к двум. Увеличение полного давления на выходе диффузора осуществляется за счет разбавления кислорода в генераторе буферным газом гелием (до давлений ~60 тор и состава О₂:Не до ~1:5 /(см. табл. 3, К.А. Truesdell, S. E. Lamberson, G.D. Hager, AIAA Paper 92-3003, 23d AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, July 6-8, 1992, Nashville, USA/. Дальнейшее увеличение давления в генераторе O₂(¹Δ) сопряжено с опасностью уноса рабочего раствора и нестабильной работой ГСК.

Цель изобретения - увеличение полного давления в области резонатора и на выходе диффузора, обеспечение более стабильной работы ГСК и лазера в целом, удешевление лазерной энергии за счет замены как первичного, так и вторичного буферного газа Не на значительно более дешевый азот.

Поставленная цель достигается тем, что в способе приготовления активной среды для кислородно-йодного лазера, включающем подачу в активную зону газообразного синглетного дельта-кислорода и йодосодержащего газообразного буферного газа, синглетный кислород без разбавки его буферным газом подают в зону смешения в виде малоразмерных трансзвуковых струй параллельно оси смесевой камеры, а буферный газ с примесью паров йода - в виде сверхзвуковых высоконапорных струй, имеющих коэффициент скорости порядка двух; смешение осуществляют при равенстве давлений в струях на входе слабо расширяющейся смесительной камеры.

Это достигается за счет приготовления активной среды ХКЙЛ при изобарическом смешении струй кислорода со скоростью, несколько превышающей звуковую (например, λ=1.1) со сверхзвуковыми высоконапорными струями со средним коэффициентом скорости λ~2 смеси паров йода (~2% от расхода кислорода) и буферного газа, например, азота. Смешение струй осуществляется при статическом давлении порядка 10 тор. Соотношение кислорода и буферного газа в смеси после полного перемешивания О₂:N₂~1:5÷10. В данной схеме функция обеспечения высокого полного давления на выходе диффузора снимается с газа, пропускаемого через ГСК, и перекладывается на буферный газ. Достоинство данного метода приготовления активной среды заключается в том, что при использовании мелкомасштабных сопловых решеток, обеспечивающих быстрое смешение потоков, когда числа Рейнольдса сравнительно малы (для кислородных струй Re ~200÷500, а для азотных - 1000÷2000) и в соплах неизбежны значительные потери полного давления, компенсация этих потерь легко осуществляется простым увеличением полного давления буферного газа, на величину которого не накладывается никаких ограничений. При отношении расходов кислорода и буферного газа 1:5 или, тем более, при 1:10 потери полного давления кислорода в смесительной решетке практически не играют сколько-нибудь заметной роли, так как полное давление перемешанного газа в основном определяется буферным газом. Использование кислородных струй с почти звуковой скоростью позволяет минимизировать давление в ГСК и тем самым увеличить долю O₂(¹Δ) на выходе из ГСК и кпд лазера.

Для расчета параметров газа после полного перемешивания струй используем законы сохранения массы, энергии и количества движения в форме, которая используется для расчета газовых эжекторов /Г.Н. Абрамович, "Прикладная газовая динамика", М.: Наука, 1976, гл. IХ, с. 497/.

Поскольку в задаче соотношение расходов струй задано, то соотношение (14) для определения коэффициента эжекции в данном случае используется для определения отношения площадей поперечных сечений струй на входе смесительной камеры постоянного сечения. Расчет проводился для смешения струй кислорода с коэффициентом скорости λ=1,1 и струй азота с λ=2 при статическом давлении на входе смесительной камеры, равном 10 тор. Температуры торможения кислорода и азота принимались равными 270 и 300 К соответственно. При отсутствии теплоподвода в процессе смешения и для отношения расходов О₂:N₂=1:5 полное давление перемешанного газа составляет 200,6 тора, а полное давление за прямой ударной волной (которое совпадает с полным давлением на выходе идеального диффузора) - 83,4 тора. При этом полные давления струй кислорода и азота на входе смесительной камеры равнялись соответственно 22 и 467,7 тора. Температура смеси составляла 118,8 К, что соответствует величине пороговой доли O₂(¹Δ), равной 2,2%. Отношение площадей поперечных сечений струй азота и кислорода равнялось 1,21. Увеличение площади поперечного сечения и расхода буферного газа вдвое (до О₂:N₂=1:10) приводит к возрастанию полных давлений перемешанного и заторможенного в идеальном диффузоре газов до 285 и 101 тор соответственно. Учет для последнего случая тепловыделения в процессе смешения, равного 20% полной энтальпии буферного газа, приводит к значительному уменьшению полного давления смеси (до 140 тор), но слабо сказывается на полном давлении заторможенного газа (97,9 тор). Это связано с тем, что смесительная камера одновременно выполняет роль теплового диффузора, тормозя поток из-за нагрева от коэффициента скорости λ=1,94 до λ=1,65. Таким образом, даже значительное тепловыделение в процессе смешения не препятствует в данной схеме достижению высокого полного давления заторможенного газа на выходе диффузора.

Экспериментальная проверка возможности получения требуемых газодинамических параметров осуществлялась с использованием решетки Кассади /П. Кассади, Дж. Ньютон, П. Роуз, "Новый тип смесительного газодинамического лазера". Ракетная техника и космонавтика, апрель 1978, с. 29-39/, представляющей из себя 4 ряда конических сопл с полууглом раскрыва 10^o по 17 штук в каждом ряду. Диаметр критического сечения составлял 1,5 мм, а диаметр выходного сечения - 3 мм. Низконапорный газ в этих экспериментах не подмешивался, поскольку он оказывает незначительное влияние на параметры перемешанного потока. К решетке пристыковывался канал с начальным сечение 12•51 мм², горизонтальные стенки которого расходились под углом 2^o к оси канала, формируя на расстоянии 150 мм от решетки сечение 17•51 мм². В этом сечении с помощью трубки Пито измерялись статическое давление и полное давление за прямой ударной волной, возникающей перед измерительным насадком /см. Г.Н. Абрамович "Прикладная газовая динамика", с. 145/. Решетка запитывалась атмосферным воздухом и работала на вакуумный ресивер, обеспечивающий в начальный момент скорость откачки 800 л/с. Измерения показали, что статическое давление в данном сечении равнялась 9 торам, а полное давление за прямой ударной волной в насадке - 102 тора. Рассчитанное отсюда число Маха М=2,95, а коэффициент скорости λ=1,95. Полное давление, соответствующее переменному потоку в точке измерения, равно 303 торам, остальные 460 тор теряются в сопловой решетке и в процессе смешения.

Практическая реализация смесительной решетки для ХКЙЛ может представлять собой, например, решетку Кассади, подобную описанной выше, в которой в каждом центре квадрата, образованного коническими соплами для буферного газа, располагается цилиндрический канал диаметром 1,2÷1,5 мм для ввода струи кислорода. Возможна также решетка из чередующихся малоразмерных плоских сверхзвуковых сопл для буферного газа с примесью паров йода и параллельных щелевых каналов для подачи кислорода.

Дополнительным достоинством данной схемы является более низкая, чем в прототипе, температура активной среды. Это приводит к увеличению коэффициента усиления активной среды за счет сужения доплеровского контура усиления и к увеличению кпд лазера за счет снижения пороговой доли синглетного кислорода. Кроме того, контакт кислородных струй с сильно переохлажденным буферным газом приведет к резкому вымораживанию до мелкодисперсного аэрозоля паров воды, которые становятся чрезвычайно перенасыщенными, что также способствует снижению потерь запасенной мощности и увеличению кпд лазера.

Формула изобретения

Способ приготовления активной среды для кислородно-йодного лазера, включающий подачу в активную зону газообразного синглетного дельта кислорода и йодосодержащего газообразного буферного газа, отличающийся тем, что синглетный кислород подают в зону смешения в виде малоразмерных трансзвуковых струй параллельно оси смесевой камеры, а буферный газ с примесью паров йода - в виде сверхзвуковых высоконапорных струй, имеющих коэффициент скорости порядка двух; смешение осуществляют при равенстве давлений в струях на входе слабо расширяющейся смесительной камеры.