МОЩНЫЙ CO*002-ЛАЗЕР НА СМЕСИ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА С УГЛЕКИСЛЫМ ГАЗОМ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к области лазерной техники, а именно к технике создания мощных электроразрядных CO₂- лазеров и автономных мобильных технологических комплексов на их основе.

Известен CO₂-лазер мощностью порядка 10 кВт [1] работающий на смеси CO₂-N₂-He при давлении около 50 Торр. Лазер выполнен на основе замкнутого газового цикла. Накачка рабочей среды осуществляется несамостоятельным разрядом, поддерживаемым пучком электронов, при этом работа лазера осуществляется в непрерывном режиме.

Существенным недостатком лазера с замкнутым газовым циклом является необходимость охлаждения рабочего газа, которое в [1] обеспечивается специальным теплообменником, охлаждаемым водой. Это приводит к заметному ухудшению массогабаритных характеристик, так как именно размеры теплообменника в значительной степени определяют габариты и, следовательно, вес лазера. Кроме того, следует отметить, что реализация подобной схемы в автономных условиях приводит к дополнительным трудностям, связанным с необходимостью поддержания температурного режима теплоносителя воды.

Другим существенным недостатком такого лазера является то, что понятие замкнутого газового цикла является весьма условным. При длительной работе происходит снижение выходной мощности из-за плазмохимических процессов, приводящих к отравлению рабочей среды [1] Для борьбы с этим явлением производится частичное обновление газовой смеси, составляющее обычно ≥ 1% по объему от общего расхода газа, или применение дорогостоящих каталитических регенераторов, или добавление в рабочую смесь чрезвычайно дорогостоящих газов (ксенон) [1] При эксплуатации лазера в автономных условиях требование поддержания постоянной выходной мощности приводит к необходимости введения в его состав дополнительных средств жизнеобеспечения, что сказывается на массогабаритных характеристиках лазерного комплекса.

Известен CO₂-лазер на смеси атмосферного воздуха и CO₂ c накачкой рабочей среды непрерывным самостоятельным разрядом [2] Рабочее давление газа в газоразрядной камере ограничено при этом величиной 30 60 Торр из-за развития различных неустойчивостей, обусловленных физикой самостоятельного разряда. Открытый газовый цикл, используемый в [2] при низком рабочем давлении требует для выброса отработанного газа в атмосферу повышенной степени сжатия газа в прокачном устройстве (π_к). Это приводит к значительным затратам энергии на прокачку газа по сравнению с энергией, вкладываемой в разряд, что снижает общий КПД и ухудшает массогабаритные характеристики лазера, так как при таких π_к = 15 - 25 средство прокачки существенно превосходит остальные части лазера как по массе, так и по габаритам.

Техническим результатом изобретения является снижение эксплуатационных расходов, повышение общего КПД, улучшение массогабаритных характеристик лазера, а также облегчение условий его транспортировки и работы в автономных условиях.

Указанный результат достигается тем, что в мощный CO₂-лазер на смеси атмосферного воздуха с углекислым газом, содержащий газоразрядную камеру (ГРК) с катодом и анодом, оптический резонатор, систему электропитания ГРК, соединенную с катодом и анодом и прокачное устройство с открытым газовым циклом, введено устройство ионизации (УИ). Конструктивно оно выполнено в виде электронного ускорителя, который герметично присоединен к ГРК со стороны катода так, что электронный пучок ускорителя через катод, выполненный частично прозрачным для электронного пучка, поступает в пространство между катодом и анодом. УИ соединено с источником питания УИ, позволяющим обеспечивать работу УИ в импульсно-периодическом режиме. При этом рабочее давление в ГРК составляет 100 1000 Торр, а плотность тока пучка электронов в импульсе на выходе электронного ускорителя удовлетворяет условию:
J_e[мА/см²] ≥ 10^-5 • p² [Topp²] (1)
Блок-схема предлагаемого устройства приведена на чертеже, где обозначено: 1 форкамера; 2 система хранения CO₂; 3 газоразрядная камера (ГРК); 4 катод; 5 анод; 6 устройство ионизации (УИ); 7 источник питания (УИ); 8 система электропитания ГРК; 9 оптический резонатор; 10 - прокачное устройство.

Снижение эксплуатационных расходов, повышение КПД и улучшение массогабаритных характеристик лазера по сравнению с [2] достигается за счет существенного увеличения рабочего давления (по крайней мере до 150 300 Торр). Повышение давления приводит к уменьшению габаритных размеров, а следовательно, и веса лазера. Кроме того, существенно снижается требуемая степень сжатия прокачного устройства (до величины π_к = 2,5 - 5), что приводит к уменьшению его веса, снижению расхода мощности на прокачку газа и тем самым к увеличению общего КПД лазера.

Облегчение условий транспортировки лазера и работы в автономных условиях достигается по сравнению с [2] за счет существенного уменьшения веса и габаритов лазера, а по сравнению с [1] как за счет улучшения массогабаритных характеристик, так и за счет замены азота и гелия в рабочей смеси на атмосферный воздух, так как при этом отпадает необходимость перевозить вместе с лазером значительные количества рабочих газов (N₂ и He).

Отметим, что простая замена в лазере [1] рабочей смеси CO₂-N₂-He на смесь CO₂ с атмосферным воздухом при том же рабочем давлении (порядка 50 Торр) не приводит к достижению указанных выше технических результатов. Положительный технический результат от использования смеси атмосферного воздуха с CO₂ может быть достигнут только при существенном повышении рабочего давления (например, до 150 300 Торр).

Однако эффективное возбуждение рабочей смеси CO₂ с атмосферным воздухом в несамостоятельном разряде непрерывного действия, поддерживаемого пучком электронов, при повышенном давлении связано с существенными техническими сложностями.

Физическая причина этого состоит в том, что при повышении рабочего давления (p) скорость ионизации газа пучком электронов растет пропорционально p, а скорость гибели электронов в воздухе растет пропорционально p², так как определяется процессом трехтельного прилипания электронов к кислороду, поэтому концентрация электронов в разряде уменьшается пропорционально 1/р. Поддержание эффективности возбуждения с ростом давления требует не только сохранения, но и увеличения мощности накачки (и концентрации электронов), так как скорость релаксационных потерь в разряде растет пропорционально р. Таким образом, повышение давления требует увеличения плотности тока электронного пучка пропорционально p². Это приводит к тому, что в непрерывном лазере не удается поднять давление выше порядка 75 100 Торр, что связано с ограничением средней плотности тока электронного пучка величиной примерно 70 мкА/см² из-за предельно допустимой тепловой нагрузки на выводном устройстве электронного ускорителя [1] При более высоком давлении эффективное возбуждение рабочей смеси лазера может быть достигнуто только за счет перехода к импульсно-периодическому режиму работы несамостоятельного разряда. При этом можно реализовать требуемое увеличение скорости ионизации газа пучком быстрых электронов в импульсе пропорционально p² при сохранении среднего тока пучка за счет соответствующего подбора длительности импульсов и частоты их повторения, и эффективное возбуждение газа оказывается возможным при давлениях 150 300 Торр и выше. При таких давлениях для прокачки рабочей смеси с выхлопом в атмосферу требуются средства прокачки со степенью сжатия всего π_к = 2,5 - 5, здесь могут быть применены, например, осевые компрессоры, которые достаточно хорошо отработаны в авиационной и ракетной технике и обладают приемлемыми массогабаритными характеристиками.

Величина плотности тока пучка электронов в импульсе, указанная выше в соотношении (1), которая необходима для эффективного возбуждения рабочей смеси, была найдена и подтверждена экспериментально.

Проведен детальный сравнительный анализ массогабаритных характеристик предлагаемого лазера и лазеров, выполненных по схемам [1] и [2] Он показал, что при одинаковой выходной мощности предлагаемый лазер на смеси атмосферного воздуха и CO₂ с открытым газовым циклом при рабочем давлении 150 300 Торр обладает лучшими массогабаритными характеристиками как по сравнению с [1] так и с [2]
Работа устройства осуществляется следующим образом.

Атмосферный воздух через воздухозаборники поступает в форкамеру 1, где смешивается с углекислым газом, подаваемым из специальной системы хранения 2. Подготовленная рабочая смесь поступает в газоразрядную камеру (ГРК) 3, где между катодом 4 и анодом 5 осуществляется электрический несамостоятельный разряд, который обеспечивает необходимое для лазерной генерации возбуждение (накачку) рабочей среды. Возбуждение рабочей среды в электрическом разряде состоит в преобразовании электрической энергии в энергию колебательного возбуждения молекул азота (содержащихся в атмосферном воздухе) и углекислого газа, входящих в состав рабочей среды. Поддержание несамостоятельного разряда обеспечивается путем создания ионизации в пространстве между катодом и анодом ГРК за счет использования пучка быстрых электронов, формируемого в устройстве ионизации (УИ) 6. Это реализовано в виде электронного ускорителя, который герметично присоединен к ГРК со стороны катода так, что электронный пучок ускорителя поступает в пространство между катодом и анодом через катод, выполненный частично прозрачным для электронного пучка. УИ соединено с источником питания УИ 7, который обеспечивает работу УИ в импульсно-периодическом режиме. Электрическая энергия, необходимая для возбуждения рабочей среды, поставляется системой электропитания ГРК 8. Оптический резонатор 9 представляет собой систему зеркал и служит для преобразования колебательной энергии молекул N₂ и CO₂ в энергию направленного лазерного излучения. При этом расслоение нижнего лазерного уровня обеспечивается молекулами воды, которая обычно присутствует в атмосферном воздухе в достаточном количестве. Рабочая концентрация CO₂ обычно составляет 1 10% Прокачное устройство 10 служит для создания в ГРК необходимого давления и скорости потока рабочего газа и выброса отработанного газа в атмосферу.

Таким образом, впервые создан мощный CO₂-лазер на смеси атмосферного воздуха с углекислым газом с возбуждением рабочей среды несамостоятельным разрядом, поддерживаемым пучком электронов, работающий в импульсно-периодическом режиме. Найдены диапазон рабочих давлений и необходимая плотность тока пучка электронов в импульсе, обеспечивающие эффективную работу такого лазера. При этом достигается снижение эксплуатационных расходов, повышение общего КПД, улучшение массогабаритных характеристик лазера, а также облегчение условий его транспортировки и работы в автономных условиях.

Одной из основных областей применения такого лазера является создание на его основе мобильных лазерных технологических комплексов для работы в автономных условиях.

Использованные источники информации
1. Басов Н. Г. Бабаев И.К. Данилычев В.А. и др. Электроионизационный CO₂-лазер замкнутого цикла непрерывного действия. Квантовая электроника, т. 6, 1979, N 4, с. 772.

2. Артамонов А. В. Веденов А.А. Витшас А.Ф. Наумов В.Г. CO₂-лазер на атмосферном воздухе. Квантовая электроника, т.4, 1977, N 1, с.184.

Использование: мощный СО₂ - лазер на смеси атмосферного воздуха с углекислым газом может быть использован в лазерных технологических комплексах для промышленного применения. Сущность изобретения: создан лазер с возбуждением рабочей смеси несамостоятельным разрядом. В качестве рабочей смеси использована смесь атмосферного воздуха с углекислым газом. Ионизация рабочей среды осуществляется пучком электронов, создаваемым электронным ускорителем, работающим в импульсно-периодическом режиме. При этом рабочее давление в газоразрядной камере составляет 100 - 1000 Торр, а плотность тока пучка электронов в импульсе на выходе электронного ускорителя удовлетворяет условию: J_e[мА/см²]≥10^-5•p²[Topp²]. 1 ил.

Мощный СО₂-лазер на смеси атмосферного воздуха с углекислым газом, содержащий газоразрядную камеру (ГРК) с катодом и анодом, оптический резонатор, систему электропитания ГРК, соединенную с катодом и анодом, и прокачное устройство с открытым газовым циклом, отличающийся тем, что в состав лазера введено устройство ионизации (УИ) в виде электронного ускорителя, который герметично присоединен к ГРК со стороны катода так, что электронный пучок ускорителя через катод, выполненный частично прозрачным для электронного пучка, поступает в пространство между катодом и анодом и соединен с источником питания УИ, который обеспечивает работу УИ в импульсно-периодическом режиме, при этом рабочее давление в ГРК составляет P 100 1000 Торр, а плотность тока пучка электронов в импульсе на выходе электронного ускорителя удовлетворяет условию
I_e[mA/см²] ≥ 10^-5•P² [Тoрр²]