Устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей
Владельцы патента RU 2753748:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно неразрушающему контролю и диагностике оптическими методами, и может быть использовано для исследования процессов высокотемпературного горения порошков металлов или их смесей, а также процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом. В заявленном устройстве поверхность объекта исследования освещают излучением двух усилителей яркости на парах бромида меди, работающих синхронно с регулируемой задержкой по отношению друг к другу. При этом задержку устанавливают таким образом, чтобы излучение одного усилителя яркости не оказывало влияния на усиление другого. Работу двух усилителей яркости синхронизируют за счет регулирования моментов включения двух тиратронов в схемах возбуждения, которые задаются путем изменения времени прихода импульсов запуска на сетки тиратронов за счет изменения индуктивностей ферровариометров, которое обеспечивают путем плавного перемещения ферромагнитных сердечников внутри катушек индуктивности. Использование двух каналов получения изображений позволяет исследовать две области объекта исследования практически одновременно в пределах времени экспозиции цифровых камер. Технический результат - возможность одновременного, в пределах одного межимпульсного интервала усилителя яркости, наблюдения горения порошков с различным увеличением и пространственным разрешением в одной области объекта исследования и возможность одновременного в пределах одного межимпульсного интервала усилителя яркости наблюдения горения в двух областях объекта исследования. 4 ил.
Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к неразрушающему контролю и диагностике оптическими методами, и может быть использовано для исследования процессов высокотемпературного горения порошков металлов или их смесей, а также процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом.
Известна установка для исследования процесса горения нанопорошка алюминия в воздухе интенсивным лазерным излучением [V. Medvedev, V. Tsipilev, A. Reshetov, A.P. Ilyin, “Conditions of millisecond laser ignition and thermostability for ammonium perchlorate/aluminum mixtures,” Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol. 42, No 3, 2017. - Р. 243-246], которая содержит неодимовый лазер с длиной волны 1,06 мкм, работающий в квазинепрерывном режиме для освещения образца нанопорошка алюминия. Изменяя мощность излучения лазера, определяют пороговые значения мощности. Время воздействия задают длительностью инициирующего лазерного импульса. Наблюдение за процессом осуществляют визуально невооруженным глазом.
Однако с помощью этой установки невозможно вести наблюдение поверхности образцов с температурой в несколько тысяч градусов, в частности, второй стадии горения нанопорошка алюминия. Интенсивная фоновая засветка препятствует наблюдению поверхности нанопорошка в режиме реального времени.
Известно устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей [RU 2712756 C1, МПК G02B21/00 (2006.01), опубл. 31.01.2020], выбранное в качестве прототипа, содержащее лазерный усилитель яркости на основе активного элемента на парах бромида меди, связанный с высоковольтным источником импульсов, к которому подключен оптический преобразователь, который соединен с задающим генератором. С одной стороны лазерного усилителя яркости на его оптической оси последовательно установлены нейтральный светофильтр, первый объектив, полосовой светофильтр и первая цифровая камера, вход включения записи которой соединен с контроллером. С другой стороны от лазерного усилителя яркости на его оптической оси, последовательно расположены собирающая линза и вогнутое зеркало, установленное на поворотной платформе, которая через привод соединена с шаговым двигателем, обмотки которого соединены с контроллером шагового двигателя. На оптической оси инициирующего лазера последовательно расположены механический затвор, первая светоделительная пластина, первая двояковыпуклая линза и линейный транслятор для размещения объекта исследования - порошка металла, которому предварительно придана форма параллелепипеда. Линейный транслятор расположен вдоль оптической оси вогнутого зеркала. Первый фотодиод установлен напротив первой фотоделительной пластины под углом к оптической оси лазера, равном углу отражения первой светоделительной пластины. Второй фотодиод установлен над объектом исследования с возможностью регулирования расстояния до него. Первый и второй фотодиоды соединены с осциллографом. На оптической оси второй цифровой камеры установлены второй объектив, второй полосовой светофильтр и объект исследования. Первая и вторая цифровые камеры соединены с персональным компьютером. Вход синхроимпульсов и вход включения записи первой цифровой камеры подключены к схеме синхронизации, которая соединена с оптическим преобразователем, с контроллером механического затвора, кнопочной клавиатурой и контроллером шагового двигателя.
Это устройство не позволяет одновременно, в пределах одного межимпульсного интервала усилителя яркости, вести наблюдение горения в одной области объекта исследования с различным увеличением и пространственным разрешением. Кроме того, с помощью этого устройства невозможно одновременное наблюдение горения в двух областях объекта исследования.
Техническим результатом предложенного устройства является возможность одновременного, в пределах одного межимпульсного интервала усилителя яркости, наблюдения горения порошков с различным увеличением и пространственным разрешением в одной области объекта исследования и возможность одновременного в пределах одного межимпульсного интервала усилителя яркости наблюдения горения в двух областях объекта исследования.
Устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей, также, как в прототипе, содержит первый лазерный усилитель яркости на основе активного элемента на парах бромида меди, с одной стороны которого на его оптической оси последовательно установлены первый нейтральный светофильтр, первый объектив, первый полосовой светофильтр и первая цифровая камера, вход включения записи которой соединен с контроллером; с другой стороны от первого лазерного усилителя яркости, на его оптической оси, последовательно расположены собирающая линза и вогнутое зеркало, размещенное на поворотной платформе; вдоль оптической оси вогнутого зеркала расположен первый линейный транслятор, на котором размещен объект исследования; на оптической оси второй цифровой камеры установлены второй объектив, второй полосовой светофильтр и объект исследования; первая и вторая цифровые камеры соединены с персональным компьютером; инициирующий лазер, двояковыпуклую линзу.
Согласно изобретению к контроллеру подключены кнопка начала исследования, инициирующий лазер и третья цифровая камера, которая соединена с персональным компьютером. На оптической оси инициирующего лазера последовательно расположены двояковыпуклая линза и объект исследования. С одной стороны от второго лазерного усилителя яркости на его оптической оси последовательно установлены второй нейтральный светофильтр, третий объектив, третий полосовой светофильтр и третья цифровая камера. С другой стороны от второго лазерного усилителя яркости, на его оптической оси, последовательно расположены четвертый объектив, размещенный на втором линейном трансляторе, и объект исследования. К высоковольтному выходу блока импульсного заряда подключены две зарядные индуктивности. К первой зарядной индуктивности подключен анод первого зарядного диода, катод которого подключен к аноду первого тиратрона, катод которого заземлен. Анод первого тиратрона и катод первого зарядного диода подключены к первому накопительному конденсатору, который соединен с высоковольтным электродом газоразрядной трубки первого лазерного усилителя яркости и с выводом первой шунтирующей индуктивности, которая соединена с низковольтным электродом газоразрядной трубки первого лазерного усилителя яркости и заземлена. К выводу второй зарядной индуктивности подключен анод второго зарядного диода, катод которого подключен к аноду второго тиратрона, катод которого заземлен. К катоду второго зарядного диода и аноду второго тиратрона подключен второй накопительный конденсатор, который соединен с высоковольтным электродом газоразрядной трубки второго лазерного усилителя яркости и со второй шунтирующей индуктивностью, которая соединена с низковольтным электродом газоразрядной трубки второго лазерного усилителя яркости и заземлена. К выходу синхроимпульсов блока импульсного заряда подключены входы двух ферровариометров и вход оптического передатчика, связанного с входом первого ферровариометра, к выходу которого подключены первый согласующий резистор, первый обостряющий конденсатор и сетка первого тиратрона. Первый согласующий резистор и первый обостряющий конденсатор заземлены. Второй ферровариометр подключен ко второму согласующему резистору, второму обостряющему конденсатору и к сетке второго тиратрона. Второй согласующий резистор и второй обостряющий конденсатор заземлены. Выход оптического передатчика соединен с входом оптического приемника, выход которого подключен к входу внешнего запуска генератора синхроимпульсов, который подключен к входам синхронизации первой и третьей цифровых камер.
В процессе горения порошков происходит изменение их химического состава, изменение фаз и морфологии продуктов горения. Это приводит к изменению поверхности объекта исследования. Из-за немонотонности протекания процесса горения и неоднородности продуктов сгорания горение в разных частях объекта исследования протекает по-разному. Каждый лазерный усилитель яркости является одновременно и осветителем, и усилителем. Импульсный режим работы усилителей яркости позволяет освещать объект исследования светом, достаточным для последующего отражения и усиления, но значительно меньшим порога возгорания нано- или микропорошка. Импульсный режим работы усилителей яркости позволяет осуществлять фотографирование поверхности с экспозицией 20-30 нс и частотой повторения импульсов 20 кГц. Таким образом, может быть реализован режим синхронной видеорегистрации поверхности объекта исследования с помощью двух усилителей яркости с минимальным временным интервалом 20-30 нс. Поскольку лазерные усилители яркости излучают и усиливают на одной длине волны, нулевая задержка между импульсами приводит к взаимному влиянию лазерных усилителей на изображение, формируемое каждым из них в случае, когда области наблюдения лазерных усилителей яркости перекрываются. Независимая работа двух усилителей яркости с минимальной задержкой между ними позволяет регистрировать процесс горения в одной области объекта исследования с различным увеличением. Минимальная экспозиция широко используемых цифровых камер составляет 2 мкс, что в 60-100 раз превышает длительность импульса генерации каждого лазерного усилителя и задержку между ними. Поэтому получение изображений двумя камерами синхронно в пределах длительности экспозиции каждой камеры можно считать одновременным. В случае, если области наблюдения первой и третьей камер не перекрываются, задержка импульсов излучения усилителей яркости может быть нулевой.
Использование двух лазерных усилителей яркости позволило обеспечить одновременную (в пределах длительности экспозиции первой и третьей камер) визуализацию одной области объекта исследования с различным пространственным разрешением и одновременную визуализацию двух различных областей объекта исследования.
Использование лазерных усилителей яркости небольшой мощности с сопоставимыми размерами газоразрядных трубок позволило использовать один источник заряда накопительных емкостей, что упростило схему возбуждения и синхронизацию работы лазерных трубок, снизило массу и габариты устройства.
На фиг. 1 представлена схема устройства для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей.
На фиг. 2 показаны диаграммы синхронизованной работы двух усилителей яркости и двух цифровых камер.
На фиг. 3 представлены изображения объекта наблюдения (сетка с шагом 0,3 мм), полученные первым усилителем яркости 1 (верхний ряд) и вторым усилителем яркости 16 (нижний ряд) при различной задержке Δt между импульсами излучения усилителей яркости.
На фиг. 4 представлены изображения двух областей объекта исследования (образца смеси порошков nanoAl-микроAl-наноFe) во время горения, полученные с использованием предлагаемого устройства, где a) - изображения, зарегистрированные цифровой камерой 22; б) - изображения усилителя яркости 1, зарегистрированные цифровой камерой 10; в) - изображения усилителя яркости 16, зарегистрированные цифровой камерой 14.
Устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей (фиг. 1) содержит первый лазерный усилитель яркости 1, на оптической оси которого с одной стороны последовательно расположены собирающая линза 2, вогнутое зеркало 3, размещенное на поворотной платформе 4. Вдоль оптической оси вогнутого зеркала 3 расположен первый линейный транслятор 5, на котором размещен объект исследования 6. С другой стороны усилителя яркости 1 на его оптической оси последовательно установлены первый нейтральный светофильтр 7, первый объектив 8, первый полосовой светофильтр 9 и первая цифровая камера 10, которая соединена с персональным компьютером 11 (ПК). Вход включения записи первой цифровой камеры 10 соединен с контроллером 12 (К), к которому подключена кнопка начала исследования 13 (КН), вход включения записи второй цифровой камеры 14 и вход разрешения инициирующего лазера 15.
С одной стороны от второго лазерного усилителя яркости 16 на его оптической оси последовательно установлены второй нейтральный светофильтр 17, второй объектив 18, второй полосовой светофильтр 19 и вторая цифровая камера 14, которая связана c персональным компьютером 11. С другой стороны от второго лазерного усилителя яркости 16, на его оптической оси, последовательно расположены третий объектив 20, помещенный на второй линейный транслятор 21, и объект исследования 6, размещенный на первом линейном трансляторе 5.
На оптической оси третьей цифровой камеры 22, установлены четвертый объектив 23, третий полосовой светофильтр 24, объект исследования 6. Третья цифровая камера 22 соединена с персональным компьютером 11 (ПК).
На оптической оси инициирующего лазера 15 последовательно расположены двояковыпуклая линза 25 и объект исследования 6.
К высоковольтному выходу блока импульсного заряда 26 (БИЗ) подключены зарядные индуктивности 27 и 28. К первой зарядной индуктивности 27 подключен анод первого зарядного диода 29, катод которого подключен к аноду первого тиратрона 30, катод которого заземлен. Анод первого тиратрона 30 и катод первого зарядного диода 29 подключены к одному выводу первого накопительного конденсатора 31, другой вывод которого соединен с высоковольтным электродом газоразрядной трубки первого лазерного усилителя яркости 1 и с выводом первой шунтирующей индуктивности 32, второй вывод которой соединен с низковольтным электродом газоразрядной трубки первого лазерного усилителя яркости 1 и заземлен.
К выводу второй зарядной индуктивности 28 подключен анод второго зарядного диода 33, катод которого подключен к аноду второго тиратрона 34, катод которого заземлен. К катоду второго зарядного диода 33 и аноду второго тиратрона 34 подключен один вывод второго накопительного конденсатора 35, второй вывод которого соединен с высоковольтным электродом газоразрядной трубки второго лазерного усилителя яркости 16 и выводом второй шунтирующей индуктивности 36, второй вывод которой соединен с низковольтным электродом газоразрядной трубки второго лазерного усилителя яркости 16 и заземлен.
К выходу синхроимпульсов блока импульсного заряда 26 (БИЗ) подключены входы ферровариометров 37, 38 и вход оптического передатчика 39 (ОП), связанного с входом первого ферровариометра 37, к выходу которого подключены вывод первого согласующего резистора 40, вывод первого обостряющего конденсатора 41 и сетка первого тиратрона 30. Вторые выводы первого согласующего резистора 40 и первого обостряющего конденсатора 41 заземлены.
Второй вывод второго ферровариометра 38 подключен ко второму согласующему резистору 42, второму обостряющему конденсатору 43 и к сетке второго тиратрона 34. Вторые выводы второго согласующего резистора 42 и второго обостряющего конденсатора 43 заземлены.
Выход оптического передатчика 39 (ОП) оптоволокном соединен с входом оптического приемника 44 (ОПР), выход которого подключен к входу внешнего запуска генератора синхроимпульсов 45 (ГСИ). Выходы генератора синхроимпульсов 45 (ГСИ) подключены к входам синхронизации первой цифровой камеры 10 и второй цифровой камеры 14.
Лазерные усилители яркости 1 и 16 выполнены на основе активных элементов на парах бромида меди. Использована поворотная платформа 4 Zolix RSA200. Использованы линейные трансляторы 5, 21, обеспечивающие линейное перемещение с ручной регулировкой, например, 7T173-25 фирмы Standa. Нейтральные светофильтры 7 и 17 представляют собой, например, нейтральное стекло марки НС-11. Первый и второй полосовые светофильтры 9 и 19 выполнены в виде интерференционных фильтров с полосой пропускания 510±5 нм. В качестве третьего полосового светофильтра 24 использовано цветное стекло, например, ОС-13 [http://www.elektrosteklo.ru/Elektrosteklo_Color_Glass_Spectral_Transmittance.pdf]. Первый объектив 8 представляет собой, например, объектив Navitar DO-5095. Второй объектив 18 представляет собой, например, объектив Sigma EX DG Macro 105 мм. В качестве третьего объектива 20 может быть использован или объектив Triplet 80 мм, или линза 50 мм. Четвертый объектив 23 - например, объектив Canon Macro Lens EF 100 мм. Для записи изображений использована камера Photron Fastcam SA1 в качестве первой цифровой камеры 10, камера Phantom Miro C110 в качестве второй цифровой камеры 14, и камера ELP-USBFHDO1M-MFV в качестве третьей цифровой камеры 22. В качестве инициирующего лазера 15 может быть использован полупроводниковый лазер с длиной волны излучения 660 нм и средней мощностью 2 Вт с внешней синхронизацией. Оптический передатчик 39 (ОП) и оптический приемник 44 (ОПР) выполнены на основе комплектов оптоэлектронных устройств Avago Technologies: оптический передатчик HFBR-1521Z и оптический приемник HFBR-2521Z. В качестве генератора синхроимпульсов 45 (ГСИ) использован генератор Актаком AWG-4122, имеющий два выхода и внешнюю синхронизацию. Блок импульсного заряда 26 (БИЗ) выполнен по инверторной схеме заряда емкостного накопителя [Буркин Е.Ю, Свиридов В.В., Степанов Е.Ю. Инверторный источник питания для заряда емкостного накопителя // Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 321. №.4. C. 155-160.]. Использованы накопительный конденсатор 31 емкостью 1000 пФ, и накопительный конденсатор 35 емкостью 680 пФ. Зарядные индуктивности 27 и 28 составляли 50 мГн. В качестве зарядных диодов 29 и 33 использованы высоковольтные диоды UX-15B. Шунтирующие индуктивности 32 и 36 составляли 0,1 мГн. В качестве тиратронов 30 и 34 использовали импульсные водородные тиратроны ТГИ1-1000/25. Выход синхроимпульсов блока импульсного заряда 26 (БИЗ) реализован на основе импульсного трансформатора и синхронизован с зарядом емкостей 31, 35. Ферровариометры 37 и 38 представляли собой катушки индуктивности, в которые посредством винтового соединения введены ферритовые сердечники, позволяя варьировать задержку распространения сигнала по каждому каналу в диапазоне от 0 до 50 не. Величина емкостей обостряющих конденсаторов 41, 43 составляла 81 пФ. Величина сопротивления согласующих резисторов 40, 42 составляла 45 кОм.
Излучение сверхсветимости первого лазерного усилителя яркости 1, при помощи собирающей линзы 2 и вогнутого зеркала 3, фокусируют на объекте исследования 6, например, на образце смеси поротков nаnоАl-микроАl-наноFе, которому предварительно придана форма параллелепипеда, перемещая его на первом линейном трансляторе 5 в направлении вдоль оптической оси вогнутого зеркала 3 (стрелки на фиг. 1). Положение области фокусирования осуществляют путем вращения поворотной платформы 4. Положение объекта исследования 6 по отношению к оптическим осям вогнутого зеркала 4 и второго усилителя яркости 16 подбирают эмпирически с целью получения минимального искажения изображений, регистрируемых цифровыми камерами 10 и 14. Отраженное от объекта исследования 6 излучение лазерного усилителя яркости 1 собирают вогнутым зеркалом 3 и собирающей линзой 2 и направляют на вход первого усилителя яркости 1. Пройдя через активную среду первого лазерного усилителя яркости
1, излучение усиливается. Излучение с выхода первого лазерного усилителя яркости 1 масштабируют с помощью первого нейтрального фильтра 7 и проецируют первым объективом 8 на матрицу первой цифровой камеры 1О. Первый полосовой светофильтр 9 пропускает только монохроматическое излучение. Последовательность кадров первой цифровой камеры 1О передают в переанальный компьютер 11 (ПК) для последующего хранения и обработки.
Одновременно излучение сверхсветимости второго лазерного усилителя яркости 16, при помощи третьего объектива 20 фокусируют на объекте исследования 6, перемещая его на втором линейном трансляторе 21 в направлении вдоль оптической оси второго усилителя яркости 16 (стрелки на фиг. 1). Область фокусирования может изменяться путем изменения фокусного расстояния третьего объектива 20. Расположение области фокусирования третьего объектива 20 может совпадать или не совпадать с положением области фокусирования вогнутого зеркала 3. Отраженное от объекта исследования 6 излучение второго лазерного усилителя яркости 16 собирают третьим объективом 20 и направляют на вход второго лазерного усилителя яркости 16. Пройдя через активную среду второго лазерного усилителя яркости 16, излучение усиливается. Излучение с выхода второго лазерного усилителя яркости 16 масштабируют с помощью второго нейтрального светофильтра 17 и проецируют вторым объективом 18 на матрицу второй цифровой камеры 14. Второй полосовой светофильтр 19 пропускает только монохроматическое излучение. Последовательность кадров второй цифровой камеры 14 передается в персональный компьютер 11 (ПК) для последующего хранения и обработки.
Лазерные усилители яркости 1 и 16 работают в импульсно-периодическом режиме, который реализуется путем формирования высоковольтных импульсов накачки. В межимпульный период, когда первый 30 и второй 34 тиратроны закрыты, первый накопительный конденсатор 31 заряжается током, протекающим от блока импульсного заряда 26 (БИЗ) через первую зарядную индуктивность 27, первый зарядный диод 29 и первую шунтирующую индуктивность 32, блокирующую протекание тока заряда первого накопительного конденсатора 31 через активную среду первого лазерного усилителя яркости 1, а второй накопительный конденсатор 35 заряжается током, протекающим от блока импульсного заряда 26 (БИЗ) через вторую зарядную индуктивность 28, второй зарядный диод 33 и вторую шунтирующую индуктивность 36, блокирующую протекание тока заряда второго накопительного конденсатора 35 через активную среду второго лазерного усилителя яркости 16. Синхроимпульс, формируемый блоком импульсного заряда 26 (БИЗ), передается на сетку первого тиратрона 30 через первый ферровариометр 37, открывает первый тиратрон 30, передается на сетку второго тиратрона 34 через второй ферровариометр 38 и открывает второй тиратрон 34. В то время, когда первый тиратрон 30 открыт, первый накопительный конденсатор 31 разряжается током, протекающим через газоразрядную трубку первого лазерного усилителя яркости 1 и первый тиратрон 30, формируя импульсы накачки лазерного усилителя яркости 1, которые создают излучение сверхсветимости. В то время, когда второй тиратрон 35 открыт, второй накопительный конденсатор 35 разряжается током, протекающим через газоразрядную трубку второго усилителя яркости 16 и второй тиратрон 34, формируя импульсы накачки второго лазерного усилителя яркости 16, которые создают его излучение сверхсветимости.
Величины емкостей обостряющих конденсаторов 41, 43 и согласующих резисторов 40, 42 подбирают эмпирическим путем для согласования импеданса блока импульсного заряда 26 (БИЗ) с сеточным импедансом тиратронов 30 и 35 и обеспечения их устойчивой работы.
Синхроимпульс, формируемый блоком импульсного заряда 26 (БИЗ) поступает на вход оптического передатчика 39 (ОП), в котором преобразуется в оптический сигнал и передается по оптоволокну в оптический приемник 44 (ОПР), в котором преобразуется обратно в электрический сигнал и поступает на вход генератора синхроимпульсов 45 (ГСИ), обеспечивая гальваническую развязку блока импульсного заряда 26 (БИЗ) и генератора синхроимпульсов 45 (ГСИ). Сигнал с первого выхода генератора синхроимпульсов 45 (ГСИ) поступает на вход синхронизации первой цифровой камеры 10. Каждый импульс на входе синхронизации первой цифровой камеры 10 производит изображение объекта исследования 6 (фиг. 2). Сигнал со второго выхода генератора синхроимпульсов 45 (ГСИ) поступает на вход синхронизации второй цифровой камеры 14. Каждый импульс на входе синхронизации второй цифровой камеры 14 производит изображение объекта исследования 6. Сигналы на выходах генератора синхроимпульсов 45 задаются с одинаковой или различной частотой, определяемой задачами эксперимента.
На фиг. 2 показан случай, когда первая цифровая камера 10 регистрирует изображения с частотой, в два раза меньшей частоты работы усилителей яркости 1 и 16 , а вторая цифровая камера 14 регистрирует изображения с частотой, в четыре раза меньшей частоты работы усилителей яркости.
СИ - синхроимпульс;
У1 - излучение первого усилителя яркости 1;
У2 - излучение второго усилителя яркости 16;
ЗК1 - синхроимпульс, поступающий с первого выхода генератора синхроимпульсов 45 (ГСИ) на вход синхронизации первой цифровой камеры 10;
ЗК2 - синхроимпульс, поступающий со второго выхода генератора синхроимпульсов 45 (ГСИ) на вход синхронизации второй цифровой камеры 14;
ЭК1 - импульс излучения, формирующий изображение первой цифровой камеры 1;
ЭК2 - импульс излучения, формирующий изображение второй цифровой камеры 14;
t0 - начало синхроимпульса, поступающего на входы ферровариометров 37, 38 и оптический передатчик 39;
t1 - момент появления излучения первого усилителя яркости 1;
t2 - момент появления излучения второго усилителя яркости 16;
Δt - задержка между импульсами излучения усилителей яркости, Δt=t2-t1.
Излучение инициирующего лазера 15 устанавливают на уровне, достаточном для инициирования процесса горения, например, 2 Вт в непрерывном режиме. По нажатию оператором кнопки начала исследования 13 (КН), контроллер 12 (К) формирует сигналы разрешения для инициирующего лазера 15 и включения записи на первой 10 и второй 14 цифровых камерах. После включения инициирующего лазера, его излучение с помощью линзы 25 фокусируется на объекте исследования 6. Спустя некоторое время после начала воздействия инициирующего лазера 15, объект исследования 6 (образец порошка металла) загорается, и происходит изменение его поверхности. Процесс горения объекта исследования 6 записывают в собственном свечении третьей цифровой камерой 22 через четвертый объектив 23 и третий полосовой фильтр 24.
Изображения объекта наблюдения (сетка с шагом 0,3 мм), полученные первым усилителем яркости 1 (верхний ряд) и вторым усилителем яркости 16 (нижний ряд) при различной задержке Δt, представленные на фиг. 3, демонстрируют влияние излучения второго усилителя яркости 16 при Δt = 0 в виде яркого пятна, которое представляет собой излучение второго усилителя яркости 16, отраженное от области наблюдения второго усилителя яркости 16 и усиленное первым усилителем яркости 1. В качестве объектива 20 использовался объектив Triplet 80 мм. Из представленных на фиг. 3 изображений следует, что использование двух лазерных усилителей яркости 1 и 16 позволяет получать изображение одной области объекта исследования 6 с различным увеличением и минимальной временной задержкой Δt равной длительности излучения усилителя яркости на парах металла (20-30 нс), которая намного меньше длительности экспозиции первой и второй цифровых камер и частоты регистрации. Взаимное влияние усилителей яркости 1 и 16 наблюдается при положительной задержке Δt, по величине меньшей длительности излучения первого усилителя яркости 1, а также при отрицательной задержке Δt, по величине меньшей длительности излучения второго усилителя яркости 16.
Изображения, представленные на фиг. 4, демонстрируют, что использование двух лазерных усилителей 1 и 16 яркости позволяет получить практически одновременное, с задержкой Δt в пределах одного межимпульсного периода усилителя яркости, изображение двух областей объекта исследования 6 во время горения. В качестве объектива 20 использовали собирающую линзу с фокусным расстоянием 50 см. Инициирование осуществляли в области, наблюдаемой вторым усилителем яркости 16. Область наблюдения первого усилителя яркости 1 находилась справа от области наблюдения второго усилителя яркости 16.
Таким образом, предложенное техническое решение представляет интерес при исследовании порошков металлов и их смесей, горение которых имеет неоднородный характер.
Устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей, содержащее первый лазерный усилитель яркости на основе активного элемента на парах бромида меди (1), с одной стороны которого на его оптической оси последовательно установлены первый нейтральный светофильтр (7), первый объектив (8), первый полосовой светофильтр (9) и первая цифровая камера (10), вход включения записи которой соединен с контроллером (12), с другой стороны от первого лазерного усилителя яркости (1), на его оптической оси, последовательно расположены собирающая линза (2) и вогнутое зеркало (3), размещенное на поворотной платформе (4); вдоль оптической оси вогнутого зеркала (3) расположен первый линейный транслятор (5), на котором размещен объект исследования (6); на оптической оси второй цифровой камеры (22) установлены второй объектив (23), второй полосовой светофильтр (24) и объект исследования (6); первая (10) и вторая (22) цифровые камеры соединены с персональным компьютером (11); инициирующий лазер (15), двояковыпуклую линзу (25), отличающееся тем, что к контроллеру (12) подключены кнопка начала исследования (13), инициирующий лазер (15) и третья цифровая камера (14), которая соединена с персональным компьютером (11); на оптической оси инициирующего лазера (15) последовательно расположены двояковыпуклая линза (25) и объект исследования (6); с одной стороны от второго лазерного усилителя яркости (16) на его оптической оси последовательно установлены второй нейтральный светофильтр (17), третий объектив (18), третий полосовой светофильтр (19) и третья цифровая камера (14), с другой стороны от второго лазерного усилителя яркости (16) на его оптической оси последовательно расположены четвертый объектив (20), размещенный на втором линейном трансляторе (21), и объект исследования (6); к высоковольтному выходу блока импульсного заряда (26) подключены две зарядные индуктивности (27, 28), при этом к первой зарядной индуктивности (27) подключен анод первого зарядного диода (29), катод которого подключен к аноду первого тиратрона (30), катод которого заземлен, а анод первого тиратрона (30) и катод первого зарядного диода (29) подключены к первому накопительному конденсатору (31), который соединен с высоковольтным электродом газоразрядной трубки первого лазерного усилителя яркости (1) и с выводом первой шунтирующей индуктивности (32), которая соединена с низковольтным электродом газоразрядной трубки первого лазерного усилителя яркости (1) и заземлена; к выводу второй зарядной индуктивности (28) подключен анод второго зарядного диода (33), катод которого подключен к аноду второго тиратрона (34), катод которого заземлен, к катоду второго зарядного диода (33) и аноду второго тиратрона (34) подключен второй накопительный конденсатор (35), который соединен с высоковольтным электродом газоразрядной трубки второго лазерного усилителя яркости (16) и со второй шунтирующей индуктивностью (36), которая соединена с низковольтным электродом газоразрядной трубки второго лазерного усилителя яркости (16) и заземлена; к выходу синхроимпульсов блока импульсного заряда (26) подключены входы двух ферровариометров (37, 38) и вход оптического передатчика (39), связанного с входом первого ферровариометра (37), к выходу которого подключены первый согласующий резистор (40), первый обостряющий конденсатор (41) и сетка первого тиратрона (30), при этом первый согласующий резистор (40) и первый обостряющий конденсатор (41) заземлены; второй ферровариометр (38) подключен ко второму согласующему резистору (42), второму обостряющему конденсатору (43) и к сетке второго тиратрона (34), причем второй согласующий резистор (42) и второй обостряющий конденсатор (43) заземлены; выход оптического передатчика (39) соединен с входом оптического приемника (44), выход которого подключен к входу внешнего запуска генератора синхроимпульсов (45), который подключен к входам синхронизации первой (10) и третьей (14) цифровых камер.
