Предлагаемое техническое решение относится к области квантовой физики и может быть использовано при создании лазерных систем на базе фотодиссоционных генераторов.
Известны способы формирования импульса электромагнитного излучения на базе фотодиссоционных квантовых генераторов. Системы управления генераторов включают в себя источники электромагнитного излучения, подключенные к блоку управления (см. пат. РФ №№2241285 и 2241286, МПК 7 H01S 3/03, 3/0937, опубл. 2004 г.).
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому решению является способ формирования импульса электромагнитного излучения при его доставке на объект, включающий создание сходящейся ударной волны с передним фронтом цилиндрической формы для воздействия на рабочую среду (см. пат. РФ №2240634, МПК 7 H01S 3/03, 3/0937, опубл. 2004 г.).
Лазерная система для реализации способа включает фотодиссоционный генератор в виде камеры с рабочей средой, в которой размещен основной заряд взрывчатого вещества (ВВ) в форме полого усеченного конуса с приемниками дистанционного управления на его большем торце, при этом в камере напротив торцов основного заряда ВВ предусмотрены два плоских прозрачных окна, смонтированные ортогонально оптической оси генератора, и блок управления.
Способ управления лазерной системой включает в себя формирование параллельного пучка электромагнитного излучения, коллимирование сформированного параллельного пучка электромагнитного излучения с последующим его преобразованием в пучок кольцевого сечения для подачи управляющего сигнала на приемники дистанционного управления основного заряда ВВ.
Устройство управления лазерной системой содержит источник параллельного пучка электромагнитного излучения, подключенный к основному выходу блока управления, коллиматор, установленный на выходе источника параллельного пучка электромагнитного излучения и оптически сопряженный через аксикон, включающий внутренние и наружные зеркальные конусы, с приемниками дистанционного управления основного заряда ВВ.
Недостатком приведенных технических решений является пониженная плотность мощности электромагнитного излучения, доставляемого на объект.
Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в повышении плотности мощности электромагнитного излучения, доставляемого на объект.
В соответствии с предлагаемым техническим решением указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования импульса электромагнитного излучения при его доставке на объект, включающем создание сходящейся ударной волны с передним фронтом цилиндрической формы для воздействия на рабочую среду, внутри сходящейся ударной волны с передним фронтом цилиндрической формы создают расходящуюся ударную волну с передним фронтом, коаксиальным фронту сходящейся ударной волны, получая в области схождения ударных волн импульс электромагнитного излучения в форме тонкостенного цилиндра, дополнительно формируют однородную оптически прозрачную область с входным плоским фронтом и выходным фронтом в форме конуса, соосным полученному импульсу электромагнитного излучения в форме тонкостенного цилиндра, и пропускают последний через дополнительно сформированную область, при этом угол γ при вершине конуса дополнительно сформированной области выбирают, исходя из условия:
где Rcp - средний радиус импульса электромагнитного излучения в форме тонкостенного цилиндра;
L - расстояние до объекта;
n - коэффициент преломления дополнительно сформированной однородной оптически прозрачной области.
В лазерной системе, включающей фотодиссоционный генератор в виде камеры с рабочей средой, в которой размещен основной заряд взрывчатого вещества (ВВ) в форме полого усеченного конуса с приемниками дистанционного управления на его большем торце, при этом в камере напротив торцов основного заряда ВВ предусмотрены два плоских прозрачных окна, смонтированных ортогонально оптической оси генератора, и блок управления, содержится дополнительный заряд ВВ в форме полого конуса с приемником дистанционного управления при его вершине, плоская упругоэластичная прозрачная мембрана круглой формы и толкатель с механизмом его перемещения, подключенный к блоку управления, полый конус дополнительного заряда ВВ установлен внутри и соосно усеченному конусу основного заряда ВВ, углы конусности конусов основного и дополнительного зарядов ВВ равны, а их вершины развернуты в противоположные стороны, плоская прозрачная мембрана круглой формы смонтирована перед наружной стороной первого окна камеры, напротив меньшего торца конуса основного заряда ВВ, соосно оптической оси генератора и с образованием полости, заполненной иммерсионной жидкостью, при этом коэффициенты преломления иммерсионной жидкости и плоской прозрачной мембраны равны, а толкатель размещен в рабочей камере с возможностью взаимодействия одним своим концом с центральной частью плоской мембраны.
Кроме того, лазерная система дополнительно содержит гидроаккумулятор, подключенный к полости, заполненной иммерсионной жидкостью.
Кроме того, в центральной части первого окна камеры, предусмотрена направляющая под толкатель.
Кроме того, на внутренней поверхности второго окна камеры, напротив просвета между меньшим торцом усеченного конуса основного заряда ВВ и основанием конуса дополнительного заряда ВВ, предусмотрена зеркальная кольцевая зона.
Кроме того, один конец толкателя, взаимодействующий с центральной частью плоской мембраны выполнен заостренным.
Кроме того, механизм перемещения толкателя выполнен в виде пакета пьезоэлементов, установленных между вторым концом толкателя и центральной цилиндрической вставкой, предусмотренной в камере и связанной с последней через пилоны.
Кроме того, в центральной цилиндрической вставке выполнено осевое отверстие, в котором размещен шток, установленный с возможностью перемещения и взаимодействия с пакетом пьезоэлементов.
Кроме того, на штоке предусмотрен резьбовой участок под гайку, взаимодействующую с торцевой поверхностью центральной цилиндрической вставки.
Кроме того, толкатель подпружинен в сторону пакета пьезоэлементов.
Способ управления лазерной системой, включает формирование параллельного пучка электромагнитного излучения, коллимирование сформированного параллельного пучка электромагнитного излучения с последующим его преобразованием в пучок кольцевого сечения для подачи управляющего сигнала на приемники дистанционного управления основного заряда ВВ, причем перед преобразованием коллимированного пучка электромагнитного излучения в пучок кольцевого сечения выделяют центральную часть коллимированнго пучка для формирования управляющего сигнала и его подачи на приемник дистанционного управления дополнительного заряда ВВ, при этом перед подачей управляющих сигналов на приемники дистанционного управления основного и дополнительного зарядов ВВ осуществляют деформацию упругоэластичной мембраны путем подачи управляющего сигнала на механизм перемещения толкателя, для перемещения последнего в сторону мембраны на величину Δ, исходя из условия:
где D - диаметр меньшего торца усеченного конуса основного заряда ВВ;
d - диаметр основания конуса дополнительного заряда ВВ;
L - расстояние до объекта доставки излучения;
n - коэффициент преломления иммерсионной жидкости и прозрачной мембраны.
Устройство управления лазерной системой содержит источник параллельного пучка электромагнитного излучения, подключенный к основному выходу блока управления, коллиматор, установленный на выходе источника параллельного пучка электромагнитного излучения и оптически сопряженный через аксикон, включающий внутренний и наружный зеркальные конусы, с приемниками дистанционного управления основного заряда ВВ, внутренний зеркальный конус аксикона выполнен с осевым отверстием для оптического сопряжения коллиматора с приемником дистанционного управления дополнительного заряда ВВ, а механизм перемещения толкателя подключен к дополнительному выходу блока управления.
На фиг.1 представлена лазерная система для формирования импульса электромагнитного излучения; на фиг.2 - устройство для управления лазерной системой.
Лазерная система (см. фиг.1) содержит фотодиссоционный генератор в виде рабочей камеры 1 с газообразной рабочей средой 2. В камере 1 размещены основной заряд ВВ в виде полого усеченного конуса 3 и дополнительный заряд ВВ в виде полного полого конуса 4, установленный внутри конуса 3 и соосно последнему, при этом вершины конусов 3 и 4 развернуты в противоположные стороны относительно друг друга и выполнены с углами конуса при вершине, равными arcsin V1/V2, где V1 - скорость распространения ударной волны в рабочей камере, a V2 - скорость горения ВВ (данное условие необходимо для обеспечения в продольном сечении параллельности передних фронтов ударных волн, возникающих после поджига основного и дополнительного зарядов ВВ, оптической оси генератора). По большему торцу усеченного конуса 3 и на вершине конуса 4 размещены устройства поджига зарядов ВВ в виде приемников дистанционного управления 5, а в камере 1 напротив торцов усеченного конуса 3 установлены плоские прозрачные окна 6 и 7 круглой формы, смонтированные ортогонально оптической оси генератора. На внутренней поверхности окна 6 предусмотрена зеркальная кольцевая зона 8, расположенная напротив просвета между основанием конуса 4 (диаметр d) и меньшим торцом усеченного конуса 3 (диаметр D).
Перед наружной стороной окна 7 смонтирована плоская прозрачная мембрана 9 круглой формы из упругоэластичного материала, установленная соосно оптической оси генератора с образованием герметичной полости, заполненной иммерсионной жидкостью 10 и гидравлически связанной с гидроаккумулятором 11, обеспечивающим подачу иммерсионной жидкости 10 при увеличении объема полости во время упругой деформации мембраны 9 (показано пунктиром). Коэффициенты преломления иммерсионной жидкости 10 и прозрачной мкмбраны 9 выбраны исходя из условия их равенства. В окне 7 предусмотрена направляющая втулка 12, соосная оптической оси генератора, в которой размещен подвижный толкатель 13, взаимодействующий своим заостренным концом с центром мембраны 9. Для обеспечения передвижения толкателя 13 на заданную величину в системе предусмотрен механизм микроперемещений в виде пакета 14 пьезоэлементов, подключенного к блоку управления 15 и установленного между концом (торцом, противоположным заостренному) толкателя 13 и центральной цилиндрической вставкой 16 камеры 1, связанной с последней через пилоны 17 (в количестве двух или трех). Пакет 14 пьезоэлементов взаимодействует с вставкой 16 через шток 18, установленный в осевом отверстии вставки 16 со свободой осевого перемещения (для исключения разворота штока 18 в последнем предусмотрена шпонка 19, размещенная в шпоночном пазу 20 осевого отверстия вставки 16). Для установки «нулевого положения» в системе предусмотрен механизм перемещения штока 18 в виде гайки 21, установленной на резьбовом участке 22 штока 18 и взаимодействующей с торцевой поверхностью вставки 16. Для исключения люфтов и обеспечения постоянного поджатая подвижных элементов друг к другу толкатель 13 подпружинен в сторону штока 18 через пакет 14 пьезоэлементов посредством упругого элемента 23.
Способ формирования импульса электромагнитного излучения при его доставке на объект осуществляется следующим образом.
Перед поджигом основного 3 и дополнительного 4 зарядов ВВ определяют расстояние L до объекта, например, с помощью лазерного дальномера (в графических материалах условно не показано). После чего с блока 15 подается соответствующая команда на пакет 14 пьезоэлементов для перемещения толкателя 13. Последний упруго деформирует упругую мембрану 9 с получением конической поверхности с углом γ при вершине, при этом полость между мембраной 9 и окном 7 будет заполнена иммерсионной жидкостью 10.
Затем подают управляющий сигнал в виде электромагнитного излучения (на фиг.1 условно не показано) одновременно на приемники дистанционного управления 5 зарядов ВВ в виде полного полого конуса 4 и усеченного полого конуса 3 для поджига последних, в результате чего создаются две цилиндрических коаксиально расположенных и направленных навстречу друг другу ударных волны, с передними сходящимся I и расходящимся II фронтами. В области схождения указанных ударных волн в результате их воздействия на рабочую среду 2 формируется импульс электромагнитного излучения в виде тонкостенного цилиндра со средним диаметром, равным 2Rcp, и с высотой, равной высоте конусов 3 и 4, распространяющийся в две противоположные стороны в направлении окон 6 и 7. Одна часть импульса излучения, попадающая на зеркальную зону 8 окна 6, переотражается от последнего, суммируется с второй частью импульса и подается на прозрачное окно 7. Далее суммарный импульс, пройдя через оптически однородную среду (клиновой формы в осевом сечении на выходе), преломляется и в виде сужающегося импульса подается в точку F, являющуюся областью расположения объекта
Следует отметить, что угол γ при вершине конуса сформированной оптически однородной области выбирают, исходя из условия:
где Rcp - средний радиус импульса электромагнитного излучения в форме тонкостенного цилиндра;
L - расстояние до объекта;
n - коэффициент преломления дополнительно сформированной однородной оптически прозрачной области.
Дадим с помощью фиг.1 вывод формулы (1).
Известно (см., например, "Вычислительная оптика". Справочник под ред. М.М.Русинова, Л., Маш., 1984 г., с.118), что угол β отклонения светового пучка при прохождении клина определяется согласно формуле:
где n - коэффициент преломления оптически прозрачной среды (материала) клина.
α - преломляющий угол клина.
Так как
а из (2) следует
то, подставив (5) в (3), получим
И, далее подставляя (4) в (6), в конечном виде получаем:
Устройство управления лазерной системой, рассмотренной выше, содержит (см. фиг.2) последовательно установленные источник параллельного пучка электромагнитного излучения, например, в виде лазера 24, подключенного к первому выходу блока управления 25, коллиматор 26, оптически сопряженный через конический аксикон 27, включающий внутренний и наружный конусы, с приемниками дистанционного управления 5 основного заряда ВВ в виде усеченного конуса 3. При этом внутренний зеркальный конус аксикона 27 выполнен с осевым отверстием 28 для прохода центральной области расширенного пучка после коллиматора 26 на приемник дистанционного управления 5 дополнительного заряда ВВ в виде конуса 4, а второй выход блока 25 подключен к механизму перемещения толкателя 13 в виде пакета 14 пьезоэлементов.
Способ управления лазерной системой осуществляется следующим образом.
После определения дальности L до объекта с второго выхода блока управления 25 на пакет 14 пьезоэлементов подается управляющий сигнал для перемещения толкателя 13 на величину Δ, при этом мембрана 9 упруго деформируется с образованием конической поверхности с углом γ при вершине конуса (показано пунктиром). Для получения угла при вершине конуса, равного γ, величину Δ выбирают исходя из условия:
где D - диаметр меньшего торца усеченного конуса основного заряда ВВ;
d - диаметр основания конуса дополнительного заряда ВВ;
L - расстояние до объекта доставки излучения;
n - коэффициент преломления иммерсионной жидкости и прозрачной мембраны.
(Вывод формулы (7) приводится ниже).
После деформации мембраны 9 с получением конуса с углом при вершине, равным γ, с первого выхода блока 25 подается управляющий сигнал на лазер 24 для формирования параллельного пучка электромагнитного излучения, который расширяется коллиматором 26 и с помощью аксикона 27 подается на приемники дистанционного управления 5 для поджига основного заряда ВВ в виде усеченного конуса 3. Одновременно с помощью осевого отверстия 28 внутреннего конуса аксикона 27 из коллимированного пучка излучения «вырезается» его центральная часть для подачи управляющего сигнала на приемник 5 для поджига дополнительного заряда ВВ в виде конуса 4. В результате проведенных операций на выходе лазерной системы формируется импульс электромагнитного излучения, сходящийся в точке F расположения объекта (данный алгоритм подробно описан выше).
Приведем вывод формулы (7).
Очевидно, что:
Подставим значение γ из (1) в (8) с учетом, что 
в конечном виде получим:
Из вышеприведенного следует, что предложенное техническое решение имеет преимущество по сравнению с известным, а именно за счет сжатия большего объема рабочей среды (сжатие происходит по цилиндрической поверхности, а не по линии), значительно увеличивается плотность мощности излучения в области его доставки.
Следовательно предложенное техническое решение при использовании дает положительный технический результат - повышает плотность мощности в области доставки излучения.
По материалам заявки на предприятии в настоящее время проведены теоретические исследования и моделирование физических процессов, подтвердившие достижение указанного технического результата.
Изобретение относится к области квантовой физики и может быть использовано при создании лазерных систем на базе фотодиссоционных генераторов. Способ включает создание сходящейся ударной волны с передним фронтом цилиндрической формы. Внутри сходящейся ударной волны создают расходящуюся ударную волну, коаксиальную фронту сходящейся ударной волны. Импульс электромагнитного излучения имеет форму тонкостенного цилиндра. Формируют прозрачную область с входным плоским фронтом и выходным фронтом в форме конуса, соосным полученному импульсу электромагнитного излучения в форме тонкостенного цилиндра. Пропускают последний через дополнительно сформированную область. Лазерная система включает фотодиссоционный генератор в виде камеры с рабочей средой. В камере размещен основной заряд взрывчатого вещества (ВВ) в форме полого усеченного конуса с приемниками дистанционного управления на его большем торце. В камере напротив торцов основного заряда ВВ предусмотрены два плоских прозрачных окна. Система содержит также дополнительный заряд ВВ в форме полого конуса, плоскую упругоэластичную прозрачную мембрану и толкатель с механизмом его перемещения, подключенный к блоку управления. Технический результат - повышение плотности мощности в области доставки излучения. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.
где Rcp - средний радиус импульса электромагнитного излучения в форме тонкостенного цилиндра;
L - расстояние до объекта;
n - коэффициент преломления дополнительно сформированной однородной оптически прозрачной области.
где D - диаметр меньшего торца усеченного конуса основного заряда ВВ;
d - диаметр основания конуса дополнительного заряда ВВ;
L - расстояние до объекта доставки излучения;
n - коэффициент преломления иммерсионной жидкости и прозрачной мембраны.
| ФОТОДИССОЦИОННЫЙ КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР, СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМОЙ НА ЕГО ОСНОВЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2003 |
|
RU2240634C1 |
| СПОСОБ НАКАЧКИ ФОТОДИССОЦИОННОГО ЛАЗЕРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2003 |
|
RU2241286C1 |
| Детонационный квантовый генератор | 1980 |
|
SU831007A1 |
| СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ КРОВООБРАЩЕНИЯ В ГОЛОВКЕ БЕДРЕННОЙ КОСТИ | 2021 |
|
RU2775134C1 |
| JP 10154838, 09.06.1998. | |||
