СПОСОБ СОЗДАНИЯ ИНВЕРСНОЙ НАСЕЛЕННОСТИ В ГАЗОДИНАМИЧЕСКОМ CO-ЛАЗЕРЕ ПРИ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК H01S3/979 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к устройствам газодинамических CO₂-лазеров (ГДЛ).

Известен способ создания инверсной населенности активной среды в газодинамическом CO₂-лазере за счет быстрого расширения в сверхзвуковом сопле нагретой до высоких температур смеси газов CO₂, N₂, H₂O (He) [1]. К недостаткам этого способа относятся:
- Требуемая высокая температура газов до 2000 К и выше и, как следствие, большие трудности с охлаждением и низкий ресурс узлов лазера.

- Низкий коэффициент усиления активной среды, низкая запасенная колебательная энергия на входе в резонатор, низкая эффективность оптического резонатора и низкий удельный энергосъем излучения с единицы расхода газа.

- Практически невозможно, основываясь на этом способе, создать экономически выгодный технологический лазер.

Известен способ получения инверсной населенности в газодинамическом CO₂-лазере получения инверсной населенности с селективным вдувом холодных компонент газа (CO₂ и Не) через инжектор в районе критического сечения сверхзвукового сопла в поток нагретого до температуры 3000-4000 К азота [2]. К недостаткам этого способа относятся:
- Требуемая высокая температура газов от 3000 до 4000 К и, как следствие, очень большие трудности с охлаждением узлов лазера, их низкий ресурс.

- Необходимость наличия чистых газов азота, гелия, что существенно удорожает стоимость эксплуатации лазера.

- Практически невозможно, основываясь на этом способе, создать экономически выгодный технологический лазер.

Одним из способов получения инверсной населенности в газодинамическом CO₂-лазере является способ, показанный на основе устройства, но не запатентованный в патенте [3]. В этом способе углеводородное топливо сжигается в камере сгорания с недостатком окислителя, а в инжектор, размещенный в ресивере перед сопловым блоком, вдувается воздух и происходит догорание CO и Н₂ в районе критического сечения сопел. По этой работе имеются следующие недостатки:
- Совершенно не описаны и не запатентованы характеристики устройств и параметров смешивающихся газов, при которых наблюдается эффект увеличения запасенной колебательной энергии в активной среде лазера.

- Не описаны физические явления, приводящие к появлению эффекта увеличения запасенной колебательной энергии в активной среде лазера.

- Многочисленные экспериментальные исследования подобных устройств в CO₂-лазерах показали, что не знание физики явления и не выполнение определенных характеристик устройств и параметров смешивающихся газов не приводит к улучшению характеристик активной среды лазера.

Известно типичное устройство газодинамического CO₂-лазера, работающее на продуктах сгорания CO и этилового спирта в кислороде с добавлением азота и состоящее из: камеры сгорания, блока смешения компонент, ресивера, соплового блока, проточной части резонатора, оптического резонатора, диффузора [4]. К типичным недостаткам подобного устройства газодинамического лазера следует отнести:
- Требуемая высокая температура газов до 1700 К и выше и, как следствие, большие трудности с охлаждением узлов лазера. Кроме того, высокая начальная температура газов приводит к большим степеням раскрытия сверхзвуковой части сопел и большого давления газов в ресивере для обеспечения запуска диффузора при выхлопе отработанных газов в атмосферу, что, в свою очередь, приводит к большим затратам энергии на сжатие газов.

- Низкий коэффициент усиления активной среды, низкая запасенная колебательная энергия на входе в резонатор, низкая эффективность оптического резонатора и низкий удельный энергосъем излучения с единицы расхода газа.

- Требуемая малая высота критического сечения сверхзвукового сопла (0,3-0,4 мм), связанные с ней трудности охлаждения сопловых лопаток и ухудшение характеристик активной среды во время эксплуатации. Кроме того, при малой высоте критического сечения сопел даже для типичной степени раскрытия сверхзвуковой части сопла ~30 толщина сопловой лопатки в максимальном сечении не превышает 11-12 мм, что не обеспечивает ее заданную жесткость конструкции. Лопатки во время работы лазера подвержены вибрациям, они быстро деформируются, разрушаются и ухудшаются характеристики активной среды (мощность излучения уменьшается в 1,5-2 раза).

- Большая требуемая длина проточной части резонатора по потоку газа, связанные с ней ухудшение характеристик активной среды, а также необходимость высокого давления газа перед сопловым блоком для обеспечения запуска диффузора при выхлопе отработанных газов в атмосферу.

- Высокая себестоимость эксплуатации такого технологического лазера.

Известно устройство электрогазодинамического CO-лазера, включающего в себя: разрядный блок, смесительный узел, сопловой блок, проточную часть резонатора, оптический резонатор, диффузор, энергоузел в виде турбокомпрессора и электрогенератор, работающий от вала турбокомпрессора [5, 8]. Рабочим телом в этом устройстве служат продукты сгорания от газогенераторов турбины, кроме того, за компрессором отбирается воздух и подается в смесительный узел лазера, а выхлопные газы из лазера через теплообменник подаются на вход турбокомпрессора. К недостаткам этого устройства следует отнести тот факт, что в продуктах сгорания типовых камер турбины присутствует много частиц сажи, которые существенно ухудшают работу разрядного блока, зеркал оптического резонатора, уменьшают выходную мощность излучения лазера и ресурс эксплуатации. Кроме того CO-лазер требует, чтобы статическая температура в зоне резонатора не превышала 100 К (при этом температура газов на входе соплового блока составляет не менее 1500 К), а это приводит к высокой степени раскрытия сверхзвуковой части сопел, необходимости низкого статического давления в зоне резонатора, большой степени эжекции газами турбокомпрессора и, как следствие, очень большой себестоимости эксплуатации подобного лазера.

Известно устройство оптического резонатора мощного лазера [6], который выполнен 4-х проходным, 6-ти зеркальным с двумя уголковыми отражателями, обеспечивающим переворот пучка излучения по потоку газа в проточной зоне резонатора при каждом проходе излучения между зеркалами таким образом, что по одну сторону газового потока активной среды находится большой уголковый отражатель, а по другую сторону среды блок зеркал, включающий малый уголковый отражатель, выходное выпуклое и заднее вогнутое зеркала, при этом ребра уголковых отражателей размещают перпендикулярно друг другу.

Наиболее близким к настоящему устройству по составу узлов и агрегатов, входящих в газодинамический CO₂-лазер является устройство, описанное в работе [7] . Лазерное устройство включает в себя: емкости для хранения исходных компонент рабочей смеси газов или топлив; компрессоры и насосы подачи компонент; нагревательное устройство или камеры сгорания топлива; ресивер; сопловой блок, набираемый из плоских сопловых лопаток; проточную часть резонатора; оптический резонатор; диффузор; выхлопную систему отработанных газов; компрессор системы охлаждения; емкость хранения хладагента; теплообменник; газодинамическое окно для вывода лазерного излучения из резонатора.

К недостаткам этого прототипа следует отнести все недостатки, описанные выше для аналога по работе [4]. Кроме того, при создании технологических лазеров на основе ГДЛ подобного типа возникают следующие трудности:
- Высокая температура рабочей смеси газов приводит к дополнительным затратам энергии на охлаждение узлов и низкому их ресурсу эксплуатации.

- Большие акустические и динамические воздействия на зеркала резонатора и окружающую среду.

- Большим расходам компонент топлива и высокой себестоимости эксплуатации устройства.

Целью изобретения нового способа создания инверсии активной среды газодинамического CO₂-лазера являются:
- Существенное улучшение характеристик активной среды CO₂-лазера: увеличение коэффициента усиления, запасенной колебательной энергии, эффективности оптического резонатора и выходной мощности излучения (не менее чем в два раза).

- Значительное снижение начальной температуры смешивающихся газов и, следовательно, улучшение всех технических характеристик устройств, использующих этот способ.

- Возможность создания экономически выгодного технологического CO₂ - ГДЛ.

Предлагаемый способ создания инверсной населенности в газодинамическом CO₂-лазере при низких температурах основан на том факте, что в общем случае скорость химической реакции образования молекул CO₂ зависит не только от статической температуры смеси газов, но и от колебательных температур (внутренней энергии) вступающих между собой в реакцию молекул газов.

В смеси реагирующих газов, содержащих буферный, нейтральный газ, при оптимальных параметрах и определенных условиях возможна следующая схема протекания физико-химических процессов. Вновь образующиеся молекулы газа, являющегося продуктом реакции реагирующих компонент, передают часть колебательной энергии, запасенной в них в процессе химической реакции, при столкновении молекулам буферного, нейтрального газа, в которых эта энергия накапливается. Далее при столкновении молекул буферного газа с молекулами одного или нескольких реагирующих газов им передается часть запасенной колебательной энергии, переводя их в возбужденное состояние и увеличивая колебательную температуру молекул. При этом скорость химических реакций резко возрастает, нарабатывается большее количество молекул газа, являющегося продуктом реакции, увеличивается количество запасенной колебательной энергии, которая в большем объеме передается молекулам реагирующих газов. Таким образом, происходит лавинообразный процесс ускорения реакций при низких статических температурах, приводящий к взрывному горению.

В качестве буферного накопителя колебательной энергии может использоваться при определенных условиях и один из реагирующих газов, но в этом случае начальная концентрация его должна быть велика, а по мере расходования этого газа в процессе реакций эффект лавинообразного ускорения реакций прекращается и полного выгорания реагирующих газов не происходит. Для того чтобы протекала подобная реакция необходимо подобрать подходящий буферный, нейтральный газ и подавать реагирующие и буферный газы в смесительное устройство с заданными оптимальными параметрами, а в зоне мономолекулярного смешения газов создать определенные условия, описанные ниже.

Рассмотрим это на примере брутто реакции 2CO+O₂+N₂ = 2CO₂ + N₂ в присутствии водорода или паров воды. Добавляемый в смесь реагирующих газов CO и O₂ буферный газ N₂, имеет характеристическую температуру нижнего колебательного уровня 3354 К, который близко расположен к нижнему колебательному уровню антисимметричной моды (001) молекулы углекислого газа CO₂ (3380 К), являющегося продуктом реакции газов CO и O₂. В то же время нижний колебательный уровень молекулы N₂ достаточно близок и к нижнему колебательному уровню молекулы горючего CO (3084 К).

Такое близкое расположение колебательных уровней молекул этих газов позволяет принципиально накопить колебательную энергию от вновь образующихся молекул CO₂ в азоте и передать ее молекулам горючего CO за времена меньшие времен релаксации колебательной энергии с молекул CO₂, CO, N₂. Кроме того, при больших концентрациях газом-накопителем колебательной энергии для этой реакции может служить и CO.

Поставленная цель достигается:
1. В дозвуковой части сопла организуют струйное перемешивание всех компонент таким образом, чтобы полное перемешивание газов на мономолекулярном уровне произошло в районе критического сечения сопла.

Здесь выдвигается требование очень быстрого, интенсивного перемешивания турбулентных молей компонентов газов в дозвуковой части сопла на оптимальной минимальной длине, чтобы конечное смешение газов на мономолекулярном уровне в турбулентных молях произошло в районе критического сечения сопла. Это позволит создать условия для образования плоского фронта пламени (зоны горения) в районе критического сечения сопла, при этом выдвигаются определенные требования к характеристикам потока смешивающихся газов, инжекторного устройства и критического сечения сопла. Если не создать требуемые условия, то частично реакция окисления CO может происходить на поверхностях турбулентных молей газа в дозвуковой части сопла, колебательная энергия вновь образующихся молекул CO₂ релаксирует в тепло, накопление ее в азоте не происходит и не возникнет самоускоряющейся реакции.

2. Параметры смешивающихся газов подбирают и поддерживают в процессе протекания реакции в заданном диапазоне, исходя из условий, чтобы в зоне перемешивания компонент на мономолекулярном уровне в районе критического сечения сопла выполнялись условия.

а) Время перемешивания компонент на мономолекулярном уровне было не более времени химических реакций между молекулами реагирующих компонент.

В данном случае выдвигается естественное требование, чтобы перемешивание газов на мономолекулярном уровне было быстрее, чем скорости химических реакций. В противном случае запасенная колебательная энергия в молекулах за счет химических реакций будет успевать релаксировать и самоускоряющаяся реакция не пойдет.

б) Время химических реакций образования молекулы CO₂ было не более времени релаксации колебательной энергии молекулы CO₂.

Это условие означает, например, что скорость образования молекул CO₂ в реакции должна быть больше скорости релаксации колебательной энергии этой же молекулы после ее образования и обеспечивало возможность накопления колебательной энергии.

в) Время передачи колебательной энергии от нижнего колебательного уровня 001 молекулы CO₂ на нижний колебательный уровень молекулы N₂ должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекулы CO₂.

Это требование подразумевает, что при столкновении вновь образовавшейся колебательно возбужденной молекулы CO₂ с молекулами азота за счет Ферми-резонанса и подобранных начальных параметров смеси создаются условия, когда большая доля колебательной энергии передается азоту. В случае, когда в качестве накопителя колебательной энергии используется реагирующий компонент (CO), то к нему выдвигается вышеприведенное требование.

г) Время релаксации колебательной энергии молекулы N₂ и(или) CO должно быть не менее времени релаксации колебательной энергии молекулы CO₂.

Это условие соответствует тому факту, что за счет подобранных параметров газов создаются условия передачи колебательной энергии от вновь образующихся молекул CO₂ к азоту или к CO и накопления ее в них.

д) Время передачи колебательной энергии с нижнего колебательного уровня молекулы N₂ и(или) с CO₂ на нижний колебательный уровень молекулы CO должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул N₂ и CO.

Это условие означает, что при столкновении молекул горючего CO с молекулами азота значительная доля запасенной колебательной энергии в N₂ должна передаваться молекулам CO, либо в случае отсутствия буферного газа колебательная энергия сразу от молекул CO₂ передается молекулам CO.

е) Время релаксации колебательной энергии молекулы CO должно быть не менее времени протекания всей цепочки химических реакций образования молекулы CO₂.

Это требование необходимо, чтобы после передачи колебательной энергии от азота к CO колебательно возбужденные молекулы CO должны присутствовать во всей цепочке и во все время протекания реакций образования CO₂.

ж) Время релаксации колебательной энергии молекулы N₂ и(или) CO должно быть не менее пролетного времени смеси газов зоны индукции и зоны реакции.

Данное естественное требование нужно, чтобы на протяжении всей зоны индукции и зоны реакции молекулы CO подпитывались колебательной энергией от молекул азота.

Осуществление способа.

В случае выполнения в совокупности всех вышеперечисленных требований создаются условия, когда колебательная энергия вновь образующихся молекул CO₂, передается молекулам азота и "замораживается" в нем на некоторое время. Далее эта колебательная энергия передается молекулам CO, переводя их в возбужденное состояние. Для колебательно возбужденных молекул CO, в связи с присутствием колебательной температуры в экспоненциальном множителе коэффициента скорости реакции резко увеличивается количество молекул CO₂. Это, в свою очередь, приводит к возрастанию запасенной колебательной энергии газов и увеличению "накачки" молекул CO. Возникает лавинообразный процесс увеличения скорости реакции и выгорание данного вида горючего осуществляется взрывным способом.

Целью изобретения устройства газодинамического CO₂-лазера для осуществления способа создания инверсной населенности являются:
- существенное улучшение характеристик активной среды лазера и увеличение удельного энергосъема с единицы расхода газов;
- снижение начальной температуры смешивающихся газов, уменьшение давления газов в ресивере и энергетических затрат на сжатие газов;
- увеличение высоты критического сечения сопел до 1 - 1,2 мм, исключение вибраций сопловых лопаток и увеличение их ресурса эксплуатации;
- значительного уменьшения расходимости лазерного излучения, за счет уменьшения влияния на нее вибраций зеркал оптического резонатора;
- создание экономически выгодного в эксплуатации технологического лазера, в том числе и для автономного перевозимого варианта.

Поставленная цель достигается конструкциями узлов и схемными решениями устройства, показанными на фиг. 1 - 4.

Устройство газодинамического CO₂-лазера (ГДЛ) включает в себя: камеры сгорания в качестве генераторов смеси компонент нагретого газа 1; ресивер, необходимый для равномерной подачи смеси газов в сопловой блок 2; сверхзвуковой сопловой блок 3, набираемый из плоских сопловых лопаток 4; инжекторное устройство для подачи второго из компонент холодного газа (смеси газов окислителя с азотом либо горючего), размещаемое в дозвуковой части соплового блока 5; проточную часть резонатора 6; оптический резонатор 7; сверхзвуковой и дозвуковой диффузоры лазера 8; газодинамическое окно для вывода лазерного излучения из резонатора 9; турбокомпрессор для подачи сжатого воздуха 10; выхлопную систему отработанных газов с эжектором 11; системы охлаждения узлов и агрегатов устройства.

Работа лазерного комплекса осуществляется следующим образом: поступающий атмосферный воздух 12 сжимается в турбокомпрессоре и далее воздух высокого давления 13 подается вначале между стенками ресивера 2, осуществляя регенерацию тепла, выделяемого в камерах сгорания 1, потом непосредственно в сами камеры сгорания 1, а также в инжекторный узел 5 через коллектор 14. Воздух низкого давления 15 из турбокомпрессора 10 поступает в газодинамическое окно 9 и на охлаждение узлов лазера 16. Камеры сгорания 1 размещены по боковой и торцевым поверхностям ресивера 2, что обеспечивает равномерное распределение параметров газа на входе в сопловой блок, минимальные газодинамические и тепловые потери.

Горячий компонент газов 17, поступающий из камер сгорания 1, подается в ресивере 2 на вход соплового блока 3, смешивается с холодным компонентом, поступающим через инжекторное устройство 5, и создается зона горения CO в районе критического сечения сопел 18. При этом в зависимости от параметров потоков газов горячего и холодных компонент отверстия инжекторного узла 5 размещены на оптимальном расстоянии (L_opt) от района критического сечения сопел, определяемого из соотношения: L_opt = ud²/D_t, где u - скорость смеси газов в дозвуковой части сопла, d - характерный размер инжекторного устройства, D_t - коэффициент турбулентной диффузии. Это условие означает, что перемешивание турбулентных молей компонент газов должно завершиться в районе критического сечения сопел 18.

Сопловые лопатки 4 имеют центральные каналы для охлаждения водой 19, которые стыкуются с подающим 20 и сливным 21 трубопроводами, а в дозвуковой части каналы 5 с отверстиями инжектора для подачи холодного газового компонента в основной поток газа. Кроме того, в районе критического сечения сопел 18 должны выполняться требования, чтобы время перемешивания газов на мономолекулярном уровне τ_см было не более времени химических реакций между молекулами реагирующих газов τ_хим, то есть τ_см< τ_хим. Время смешения на мономолекулярном уровне можно определить τ_см~ L²/D_м, где L - тепловой масштаб турбулентности потока газа, a D_M - коэффициент молекулярной диффузии. Тепловой масштаб турбулентности согласно теории А.Н. Колмогорова можно оценить из формулы L~ h/Re^3/4, где h - характерный размер высоты и ширины площадки постоянного критического сечения сопел 18, a Re - число Рейнольдса, определенное по характерному размеру h и параметрам газового потока. Тогда условие для выбора характерного размера h определяется следующим образом: h < τ2хим

(u/ν)³D2м, где u - скорость газа, a ν - кинематическая вязкость газа.

Ресивер 2 выполнен в виде сегмента тонкостенной трубы с двойными стенками и с помощью фланцев пристыковывается к фланцам корпуса соплового блока 22. Такая конструкция в рабочем режиме под давлением газов внутри позволяет улучшить уплотнения между корпусом соплового блока 22 и сопловыми лопатками 4, а, кроме того, растягивая их, уменьшает вибрации лопаток.

Оптический резонатор выполнен 4-х проходным, 6-ти зеркальным с двумя уголковыми отражателями 23, 24, обеспечивающим переворот пучка излучения по потоку газа в проточной зоне резонатора при каждом проходе излучения между зеркалами. При этом по одну сторону газового потока активной среды находится большой уголковый отражатель 23, а по другую сторону среды - блок зеркал, включающий малый уголковый отражатель 24, выходное выпуклое 25 и заднее вогнутое 26 зеркала, кроме того, ребра уголковых отражателей размещают перпендикулярно друг другу. Выходное пятно излучения имеет форму прямоугольника с вырезанным углом. Данная оптическая схема резонатора перед другими имеет следующие преимущества:
- переворот пучка излучения позволяет получить распределение интенсивности излучения в выходном пучке близко к равномерному;
- уменьшить влияние активной среды на расходимость излучения;
- существенно уменьшает чувствительность резонатора к разъюстировкам зеркал под действием динамических и акустических нагрузок во время работы газодинамического тракта лазера и турбокомпрессора, а следовательно, уменьшить интегральную расходимость излучения.

Диффузор, предназначенный для торможения газа и восстановления статического давления 8, состоит из сверхзвуковой части, в которую входит суживающий канал, обеспечивающий плавный переход от прямоугольного сечения в круглое 27 и трубы постоянного сечения 28, а дозвуковая часть из усеченного расширяющегося конуса 29 и трубы постоянного сечения 30. При этом трубы конечной дозвуковой части диффузора 30 являются составным узлом эжектора 11 выхлопного устройства.

Лазерное устройство снабжено эжектором 11, в котором отходящие газы 31 из турбокомпрессора 10 используются для эжектирования выхлопных газов из газодинамического тракта непосредственно лазера 32. Это позволяет создать дополнительное разряжение на выходе диффузора лазера и уменьшить требуемое давление газов в ресивере 2, необходимое для запуска диффузора, что, в свою очередь, уменьшает требования к турбокомпрессору и удешевляет эксплуатацию комплекса. На выхлопе эжектора устанавливается шумоглушащее устройство 33, обеспечивающее уменьшение акустических воздействий от выхлопной струи газов 34 на оборудование и обслуживающий персонал.

Топливо для турбокомпрессора 10 и газогенераторов 1 подается с помощью насоса 35 из емкости 36 через систему трубопроводов 37 вначале в теплообменник 38, в котором хладагент, прокачиваемый с помощью насоса 39, через систему охлаждения 40 зеркал оптического резонатора 7 отдает тепло этому топливу. Кроме того, в лазерном устройстве используется электрогенератор 41, приводимый во вращение от вала турбокомпрессора. Такое техническое решение позволяет создать технологический лазер полностью автономный от внешних систем охлаждения и электропитания.

Использование способа и устройства для его реализации позволит улучшить следующие характеристики газодинамического CO₂-лазера:
- значительно повысить коэффициент усиления и запасенную колебательную энергию активной среды, эффективность резонатора и выходную мощность излучения не менее чем в два раза по сравнению с равновесным режимом ГДЛ;
- уменьшить начальную температуру смешивающихся газов до 1000 К и менее;
- увеличить высоту критического сечения сопел, увеличить толщину сопловых лопаток, снять проблемы охлаждения их и значительно увеличить ресурс работы;
- получить минимальную расходимость излучения (не более 1,5 мрад по уровню энергии 0,9) при большой мощности;
- создать экономически выгодный технологический CO₂-лазер большой мощности.

Пример 1. Данный способ создания инверсной населенности был проверен на модельной газодинамической установке, которая включала в себя газогенератор, работающий на твердом топливе, ресивер, единичное щелевое сопло, систему подачи холодного воздуха через ряд отверстий инжектора в дозвуковой части сопла, вакуумную емкость и систему измерения коэффициента усиления. Высота критического сечения сопла была 0,3 мм, степень раскрытия сверхзвуковой части 40, а давление газов в ресивере изменялось в диапазоне 30 - 50 ат. Состав продуктов сгорания на выходе газогенератора включал в себя CO, H₂, N₂ и при дожигании его в воздухе (в газогенераторе) в обычном равновесном режиме ГДЛ при температуре 1800 К коэффициент усиления активной среды составлял 0,3 - 0,5 1/м, а запасенная колебательная энергия до 16 кДж/кг. В случае неравновесного режима дожигания смеси в воздухе в районе критического сечения сопла при температуре 1000 К и ниже, коэффициент усиления активной среды имел максимальную величину до 1 1/м, а запасенная колебательная энергия возросла до 25 кДж/кг. При этом темп релаксации колебательной энергии по потоку активной среды был значительно ниже, чем для равновесного режима ГДЛ.

Пример 2. Испытывалось устройство CO₂ - ГДЛ, включающее в себя камеру сгорания, работающую на продуктах сгорания керосина в воздухе, ресивер, сопловой блок, набранный из плоских сопловых лопаток, инжектор холодного воздуха представляющий собой гребенку из тонких трубок с отверстиями, которая имела возможность линейной подвижки относительно критического сечения сопловых лопаток, проточную часть резонатора, устойчивый и неустойчивый оптический резонаторы, диффузор, выхлопную систему, а в качестве источника сжатого воздуха - турбокомпрессор. Высота критического сечения сопел составляла 0,5 мм, степень раскрытия сверхзвуковой части сопла - 30, давление газов в ресивере 3 - 5 ат, при этом для неравновесного режима ГДЛ в камере сгорания керосин в воздухе сжигался с недостатком окислителя таким образом, что нарабатывалось определенное количество CO, которое дожигалось в районе критического сечения сопел при вдуве холодного воздуха в инжектор. Для равновесного режима ГДЛ полное сжигание топлива осуществлялось в камере сгорания, а в инжектор воздух не вдувался. Результаты экспериментов показали, что, если для равновесного режима ГДЛ при температуре продуктов сгорания 1700 К типичный максимальный коэффициент усиления активной среды составлял 0,4 - 0,5 1/м, запасенная колебательная энергия 12 кДж/кг, выходная мощность излучения из неустойчивого резонатора 4,5 кДж/кг, то для неравновесного режима ГДЛ и температуры подходящих газов менее 1000 К соответствующие величины коэффициента усиления, запасенной колебательной энергии и выходной мощности были 0,81 1/м, 23 кДж/кг и 8 кДж/кг. При этом неравновесный режим ГДЛ удавалось получить только при определенных параметрах смешивающихся газов и заданном оптимальном положении гребенки инжекторов относительно критического сечения сопел. Кроме того в неравновесном режиме ГДЛ наблюдался эффект полного выгорания в районе критического сечения сопел сажи, которая образовывалась в камере сгорания при сжигании в них керосина с недостатком окислителя.

Пример 3. Модельная установка ГДЛ испытывалась авторами работы [8], которая включала в себя: плазмотрон для нагрева воздуха, ресивер, сопловой блок, набранный из плоских лопаток, инжектор из гребенки трубок, устанавливаемый перед сопловым блоком и имеющий возможность линейной подвижки относительно его, выхлопную емкость и системы подачи компонент. Воздух плазмотроном нагревался до 1000 - 1100 К, а в инжектор вдувалось газообразное горючее - пропан, при этом высота критического сечения сопел была 1,2 мм, степень раскрытия сверхзвуковой части сопла - 25, а давление газов в ресивере 9 ат. Измерения коэффициента усиления показали, что если для равновесного режима ГДЛ и температуре газов 1600 К он не превышал 0,5 1/м, то для неравновесного режима при оптимальном положении инжектора относительно критического сечения сопел и температуре газов 1000 К его величина достигала 0,7 1/м.

Приведенные примеры экспериментально обосновывают и подтверждают новый способ осуществления инверсии активной среды в газодинамическом CO₂-лазере при низкой температуре газов в широком диапазоне параметров и существенное улучшение технических характеристик устройства, реализующего этот способ.

Источники информации
1. Андерсон Дж. "Газодинамические лазеры: введение". "Мир", 1979, с. 13-42.

2. Патент Франции N 604514, кл. H 01 S 3/0953, 1978.

3. Патент РФ N 2059333, кл. H 01 S 3/0953, 1996.

4. Аблеков В. К. и др. "Справочник по газодинамическим лазерам" - М.: "Машиностроение", 1982, с. 19, 20.

5. Патент РФ N 2065240, кл. H 01 S 3/0979, 1996.

6. Патент РФ N 2029421, кл. H 01 S 3/08, 1995.

7. Аблеков В. К. и др. "Справочник по газодинамическим лазерам" - М.: "Машиностроение", 1982, с. 12.

8. Заклязминский Л.А. и др. "Влияние пропана на коэффициент усиления в сверхзвуковом потоке", ФГВ N 6, 1980.

Изобретение может быть использовано в лазерной технике и, в частности в устройствах газодинамических СО₂-лазеров. Способ создания инверсной населенности в газодинамическом СО₂-лазере заключается в том, что организуют струйное перемешивание компонент в дозвуковой части сопла таким образом, чтобы полное перемешивание газов на мономолекулярном уровне произошло в районе критического сечения сопла. При этом параметры смешивающихся газов подбирают и поддерживают в процессе протекания реакций в заданном диапазоне такими, что создаются условия, когда при низкой статической температуре газов колебательная энергия вновь образующихся молекул в результате химических реакций накапливается в газе, передается молекулам реагирующих газов, увеличивая их скорость реакций. Увеличение скоростей химических реакций, в свою очередь, приводит к росту накопления колебательной энергии в молекулах смеси газов, при этом создаются условия выгорания в первую очередь СО и в меньшей степени Н₂. В конечном счете в смеси газов активной среды газодинамического СО₂-лазера оказывается существенно больше накопленной колебательной энергии, низкое содержание паров воды при меньшей статической температуре газов по сравнению с обычным газодинамическим лазером. Устройство содержит инжекторный узел камеры сгорания, установленный перед сопловым блоком и через отверстия которого осуществляется вдув холодного компонента газа. Отверстия инжекторного узла размещены на оптимальном расстоянии (L_opt) от района критического сечения сопел, определяемого из соотношения L_opt = ud²/D_t, где u - скорость смеси газов в дозвуковой части сопла; d - характерный размер инжекторного устройства; D_t - коэффициент турбулентной диффузии. Сопловые лопатки имеют центральные каналы для охлаждения водой, которые стыкуются с подающим и сливным трубопроводами, а в дозвуковой части каналы с отверстиями инжектора для подачи холодного газового компонента в основной поток газа. При этом высота и площадка постоянного критического сечения сопел (h) должны удовлетворять соотношению h < τ2хим

(u/ν)³D2М, где τ_хим - скорость химической реакции реагирующих газов; u - скорость смеси газов в районе критического сечения сопла; ν - кинематическая вязкость смеси газов; D_М - коэффициент молекулярной диффузии смешивающихся газов. Технический результат: повышение эффективности газодинамического лазера. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ создания инверсной населенности в газодинамическом CO₂-лазере, отличающийся тем, что включает в себя использование реакций окисления окиси углерода (СО) в присутствии кислородсодержащего окислителя, азота (N₂), водорода (Н₂) или паров воды (H₂O), предварительный нагрев одного из компонентов горючего в смеси с N₂, Н₂ (Н₂О) или окислителя в смеси с N₂, Н₂ (Н₂О) либо получение нагретых компонентов за счет сжигания углеводородных или твердых топлив, последующее смешение всех компонентов газов и создание зоны горения в районе критического сечения сверхзвукового сопла, при этом организуют струйное перемешивание компонент в дозвуковой части сопла таким образом, чтобы полное перемешивание газов на мономолекулярном уровне произошло в районе критического сечения сопла, а параметры смешивающихся газов подбирают и поддерживают в процессе протекания реакций в заданном диапазоне, исходя из условий, чтобы в зоне перемешивания компонент на мономолекулярном уровне в районе критического сечения сопла выполнялись условия: время перемешивания компонент на мономолекулярном уровне было не более времени химических реакций между молекулами реагирующих компонент; время химических реакций образования молекулы CO₂ было не более времени релаксации колебательной энергии молекулы CO₂; время передачи колебательной энергии от нижнего колебательного уровня 001 молекулы CO₂ на нижний колебательный уровень молекулы N₂ должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекулы CO₂; время релаксации колебательной энергии молекулы N₂ и (или) СО должно быть не менее времени релаксации колебательной энергии молекулы CO₂; время передачи колебательной энергии с нижнего колебательного уровня молекулы и N₂ и (или) с молекулы CO₂ на нижний колебательный уровень молекулы СО должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул N₂ и СО; время релаксации колебательной энергии молекулы СО должно быть не менее времени протекания всей цепочки химических реакций образования молекулы CO₂; время релаксации колебательной энергии молекулы N₂ и (или) СО должно быть не менее пролетного времени смеси газов зоны индукции и зоны реакции. 2. Устройство для осуществления инверсной населенности в газодинамическом СO₂-лазере при низкой температуре, включающее в себя емкости для хранения исходных компонент рабочей смеси газов или топлив; компрессоры и насосы подачи компонент; нагревательное устройство или камеры сгорания топлива; ресивер; сопловой блок, набираемый из плоских сопловых лопаток; проточную часть резонатора; оптический резонатор; диффузор; выхлопную систему отработанных газов; компрессор системы охлаждения; емкость хранения хладагента; теплообменник; газодинамическое окно для вывода лазерного излучения из резонатора, отличающееся тем, что отверстия инжекторного узла камеры сгорания, установленного перед сопловым блоком, через которые осуществляется вдув холодного компонента газа, размещены на оптимальном расстоянии (L_opt) от района критического сечения сопел, определяемого из соотношения L_opt = ud²/D_t, где u - скорость смеси газов в дозвуковой части сопла; d - характерный размер инжекторного устройства; D_t - коэффициент турбулентной диффузии; при этом высота и площадка постоянного критического сечения сопел (h) должны удовлетворять соотношению: h < τ2xим

(u/ν)³D2М, где τ_xим - скорость химической реакции реагирующих газов; u - скорость смеси газов в районе критического сечения сопла; ν - кинематическая вязкость смеси газов; D_M - коэффициент молекулярной диффузии смешивающихся газов. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что ресивер сделан в виде сегмента трубы с двойными стенками, между которыми проходит один из компонентов холодного газа и он пристыкован с помощью фланцев к корпусу соплового блока; газогенераторы горячего компонента размещены в ресивере по боковой либо торцевым поверхностям трубы. 4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что сопловые лопатки имеют центральные каналы для охлаждения водой, которые стыкуются с подающим и сливным трубопроводами, а в дозвуковой части каналы с отверстиями инжектора для подачи холодного газового компонента в основной поток газа. 5. Устройство по п. 2, или 3, или 4, отличающееся тем, что оптический резонатор выполнен 4-проходным, 6-зеркальным с двумя уголковыми отражателями, обеспечивающим переворот пучка излучения по потоку газа в проточной зоне резонатора при каждом проходе излучения между зеркалами таким образом, что по одну сторону газового потока активной среды находится большой уголковый отражатель, а по другую сторону среды блок зеркал, включающий малый уголковый отражатель, выходное выпуклое и заднее вогнутое зеркала, при этом ребра уголковых отражателей размещены перпендикулярно друг другу. 6. Устройство по п. 2, или 3, или 4, или 5, отличающееся тем, что от компрессора воздух высокого и низкого давления соответственно подают в камеры сгорания, инжекторное устройство для вдува перед сопловым блоком, а также в газодинамическое окно и для охлаждения узлов лазера. 7. Устройство по п.2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что система охлаждения зеркал оптического резонатора снабжена теплообменником, через который прокачивается топливо, поступающее в турбокомпрессор, камеры сгорания лазера и отбирающее тепло, поглощенное в зеркалах. 8. Устройство по п.2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающееся тем, что выхлопная система устройства снабжена эжектором, в котором выхлопные газы турбокомпрессора используются для эжектирования отработанных газов лазера, а также шумоглушащим узлом, при этом дозвуковая конечная часть диффузора лазера сделана в виде труб постоянного сечения, которые, в свою очередь, являются составной частью эжектора.