УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ ИЛИ ИХ СМЕСЕЙ Российский патент 2019 года по МПК G02B21/00 

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, а также процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом.

Известна экспериментальная 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]. Используют неодимовый лазера с длиной волны 1,06 мкм, работающий в квазинепрерывном режиме, который освещает образец порошка алюминия. Путем изменения мощности излучения лазера определяют пороговые значения мощности. Время воздействия задается длительностью инициирующего лазерного импульса. Наблюдение за процессом осуществляют визуально невооруженным глазом.

Однако, с помощью этой установки невозможно вести наблюдение поверхности образцов с температурами в несколько тысяч градусов, в частности, второй стадии горения нанопорошка алюминия. Интенсивная фоновая засветка препятствует изучению процесса в режиме реального времени. Количественная оценка временных параметров процесса горения при наблюдении невооруженным глазом практически невозможна.

Известно устройство для исследования высокотемпературных процессов при взаимодействии лазерного излучения с веществом с помощью лазерного проекционного микроскопа [Абрамов Д.В., Галкин А.Ф., Жаренова С.В., Климовский И.И., Прокошев В.Г, Шаманская Е.Л. Визуализация с помощью лазерного монитора взаимодействия лазерного излучения с поверхностью стекло- и пироуглерода // Известия Томского политехнического университета, Т. 312, № 2, 2008. – Р. 97–101], содержащее лазерный усилитель, с одной стороны от которого соосно установлены объектив и объект наблюдения, а с другой – система формирования изображения и система регистрации изображения. С помощь Nd-YAG лазера осуществляют нагрев поверхности углеродного образца. Система регистрации изображения выполнена на основе CMOS-сенсора, связанного с компьютером, а лазерный усилитель - на основе активной среды лазера на парах меди. Максимальная частота съемки системы регистрации изображения составляет 5000 кадров в секунду. Частота работы лазерного усилителя составляет 16 кГц. Такой лазерный проекционный микроскоп позволяет визуализировать быстропротекающие процессы, сопровождающиеся интенсивной фоновой засветкой, с временным разрешением 0,2 мс и отображать их на экране компьютера.

В этом устройстве отсутствует синхронизация лазера, осуществляющего воздействие на объект, с системой наблюдения, отсутствует синхронизация работы лазерного усилителя и системы регистрации изображений, отсутствует возможность количественной оценки характеристик наблюдаемых процессов в режиме реального времени.

Известно устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей [п. 1 ф-лы RU 2463634 С1, МПК G02B 21/00 (2006/01), опубл. 10.10.2012], выбранный в качестве прототипа, содержащий лазерный усилитель, с одной стороны от которого вдоль оптической оси расположены объектив и объект наблюдения, а с другой размещена система формирования изображения и экран. Лазерный усилитель выполнен на основе активной среды лазера на парах бромида меди и связан с полупроводниковым источником накачки. Система регистрации изображения выполнена на основе высокоскоростной CCD-камеры, направленной на экран и связанной с персональным компьютером и схемой синхронизации, которая связана с полупроводниковым источником накачки.

Известное устройство позволяет наблюдать процесс горения, сопровождающийся интенсивной фоновой засветкой, записывать изображения и видео в память компьютера, которое необходимо в последующем обработать с помощью специальной программы для получения информации, но не позволяет инициировать процесс горения и количественно оценивать характеристики наблюдаемых процессов в режиме реального времени.

Предложенное изобретение позволяет одновременно инициировать процесс горения и получать количественную информацию о временных характеристиках процессов горения порошков металлов и их смесей в режиме реального времени.

Устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей, также как в прототипе, содержит задающий генератор, персональный компьютер, лазерный усилитель, выполненный на основе активной среды лазера на парах бромида меди и связанный с высоковольтным источником импульсов, с одной стороны от которого расположены первый объектив и объект исследования, а с другой стороны размещен экран.

2

Согласно изобретению на оптической оси инициирующего лазера последовательно расположены механический затвор, первая светоделительная пластина, первая двояковыпуклая линза и объект исследования, установленный на линейном трансляторе. Первый фотодиод установлен напротив первой светоделительной пластины под углом к оптической оси лазера, равном углу отражения первой светоделительной пластины. С другой стороны от упомянутого лазерного усилителя вдоль его оптической оси между ним и экраном установлена вторая светоделительная пластина. На оптической оси второго фотодиода последовательно расположены диффузор, вторая двояковыпуклая линза, нейтральный светофильтр, вторая светоделительная пластина. Контроллер соединен с механическим затвором. Первый и второй фотодиоды соединены с цифровым осциллографом, который связан с персональным компьютером. Задающий генератор подключен к оптическому преобразователю, который соединен с источником высоковольтных импульсов.

В процессе горения порошков происходит изменение химического состава, изменение фаз и морфологии продуктов горения. Это приводит к изменению поверхности образца, в частности коэффициента отражения и отражательной способности. Лазерный усилитель обладает свойством усиления излучения на определенной длине волны, то есть он одновременно является узкополосным фильтром. Если объект исследования излучает или отражает свет с определенной длиной волны, этот свет будет усилен. Процесс горения протекает при температуре не более 2000°С. Таким образом энергия пламени на длине волны лазерного усилителя в десятки раз меньше порога усиления.

В предлагаемом устройстве лазерный усилитель является одновременно и осветителем, и усилителем. Импульсный режим работы лазерного усилителя позволяет освещать объект исследования достаточно интенсивным светом, но значительно меньшим порога возгорания образца. При малых входных сигналах лазерный усилитель имеет значительный коэффициент усиления (10-100), позволяющий получать на выходе сигнал, достаточный для регистрации фотодиодом. В результате напряжение на выходе второго фотодиода, наблюдаемое на осциллографе, находится в соответствии с изменением средней яркости сигнала лазерного усилителя, и соответственно, с изменением отражающей способности поверхности объекта исследования, попадающей в область зрения лазерного усилителя.

На фиг. 1 представлена схема устройства для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей.

3

На фиг. 2 представлены осциллограммы сигналов, регистрируемых фотодиодами на экране осциллографа, где 1 - осциллограмма второго фотодиода, 2 - осциллограмма первого фотодиода.

Устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей содержит инициирующий лазер 1, на оптической оси которого последовательно расположены механический затвор 2, первая светоделительная пластина 3, первая двояковыпуклая линза 4 и объект исследования 5, установленный на линейном трансляторе 6. Первый фотодиод 7 расположен напротив первой светоделительной пластины 3 под углом к оптической оси лазера 1, равном углу отражения первой светоделительной пластины 3. На оптической оси лазерного усилителя 8 с одной стороны расположены первый объектив 9 и объект исследования 5, а с другой стороны - вторая светоделительная пластина 10 и экран 11.

На оптической оси второго фотодиода 12 последовательно расположены диффузор 13, вторая двояковыпуклая линза или объектив 14, нейтральный светофильтр 15, вторая светоделительная пластина 10.

Первый 7 и второй 12 фотодиоды соединены с цифровым осциллографом 16 (ОСЦ), который связан с персональным компьютером 17 (ПК). Задающий генератор 18 (ЗГ) подключен к оптическому преобразователю 19 (ОП), который соединен оптоволоконным кабелем с источником высоковольтных импульсов 20 (ИВИ), который подключен к лазерному усилителю 8. Механический затвор 2 соединен с контролером 21 (К).

В качестве лазера 1 может быть использован твердотельный лазер с диодной накачкой с длиной волны излучения 532 нм. Механический затвор 2 - затвор фирмы Thorlabs SHB1. Использован линейный транслятор 6, например, 7Т173-25 фирмы Standa. В качестве первого 7 и второго 12 фотодиодов могут быть использованы быстродействующие фотодиоды Thorlabs DET10A/M с временем отклика 1 не. Лазерный усилитель 8 выполнен на основе активного элемента на парах бромида меди. В качестве задающего генератора 18 (ЗГ) использован генератор SFG-72120 фирмы GW Instek. Оптический преобразователь 19 (ОП) выполнен на основе комплектов оптоэлектронных устройств Avago Technologies HFBR-RXXYYY Series. Источник высоковольтных импульсов 20 (ИВИ) выполнен по схеме с импульсным зарядом накопительной емкости [Троицкий В.О., Димаки В.А., Филонов А.Г. Источник питания для лазера на парах бромида меди // Приборы и техника эксперимента. 2016. №3. - С. 57-60]. В качестве контроллера 21 (К) может быть использован контроллер затвора фирмы Thorlabs.

Излучение инициирующего лазера 1 устанавливают на уровне, достаточном для инициирования процесса горения, например, 100-200 мВт в непрерывном режиме.

4

Контроллер 21 (К) по заданию оператора формирует импульс, который открывает механический затвор 2, после открытия которого, излучение с помощью линзы 4 фокусируется на объект исследования 5. Первая светоделительная пластина 3 отражает часть излучения, которое поступает на первый фотодиод 7. Таким образом первый фотодиод 7 регистрирует начало воздействия инициирующего излучения на объект исследования 5, например, образец нанопорошка алюминия, которому придана форма параллелепипеда.

Спустя некоторое время после начала воздействия, объект исследования 5 загорается и происходят изменения его поверхности.

С помощью задающего генератора 18 (ЗГ), оптического преобразователя 19 (ОП) и источника высоковольтных импульсов 20 (ИВИ) формируют импульсы накачки лазерного усилителя 8, которые создают излучение сверхсветимости, которое фокусируется на объекте исследования 5 при помощи объектива 9, перемещая объект исследования 5 на линейном трансляторе 6. Отраженный от объекта исследования 5 сигнал собирают и направляют на вход лазерного усилителя 8 объективом 9. Проходя через активную среду лазерного усилителя 8, сигнал усиливается. Часть света с помощью второй светоделительной пластины 10 направляется в сторону второго фотодиода 12, при этом масштабируется по интенсивности с помощью нейтрального светофильтра 15, и проецируется второй двояковыпуклой линзой 14 или объективом через диффузор 13 на второй фотодиод 12. Другая часть излучения с выхода лазерного усилителя 8 проходит через вторую светоделительную пластину 10 и падает на экран 11. Назначение экрана - настройка области наблюдения.

Лазерный усилитель 8 работает в импульсно-периодическом режиме, который реализуется путем формирования высоковольтных импульсов. Каждый импульс производит изображение объекта исследования 5, средняя яркость которого регистрируется вторым фотодиодом 12, на выходе которого формируется последовательность импульсов с частотой работы лазерного усилителя 8, например, 20 кГц, и амплитудой, соответствующей отраженному от поверхности объекта исследования 5 излучению. Таким образом, огибающая последовательности импульсов на выходе второго фотодиода 12 дает информацию об изменении коэффициента отражения поверхности объекта исследования 5 в зоне наблюдения (фиг. 2). Сигналы с первого 7 и второго 12 фотодиодов отображаются на осциллографе 16 (ОСЦ) и передаются в персональный компьютер 19 (ПК) для последующего хранения или обработки. Передача осуществляется по каналу USB или посредством карты памяти.

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, а также процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом. Заявленное устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей содержит лазерный усилитель, выполненный на основе активной среды лазера на парах бромида меди и связанный с высоковольтным источником импульсов. С одной стороны от лазерного усилителя вдоль его оптической оси расположены первый объектив и объект исследования. С другой стороны от лазерного усилителя вдоль его оптической оси последовательно установлены вторая светоделительная пластина и экран. На оптической оси инициирующего лазера последовательно расположены механический затвор, первая светоделительная пластина, первая двояковыпуклая линза и объект исследования, установленный на линейном трансляторе. Первый фотодиод установлен напротив первой светоделительной пластины под углом к оптической оси лазера, равном углу отражения первой светоделительной пластины. На оптической оси второго фотодиода последовательно расположены диффузор, вторая двояковыпуклая линза, нейтральный светофильтр, вторая светоделительная пластина. Контроллер соединен с механическим затвором. Первый и второй фотодиоды соединены с цифровым осциллографом, который связан с персональным компьютером. Задающий генератор подключен к оптическому преобразователю, который соединен с источником высоковольтных импульсов. Технический результат – возможность одновременно инициировать процесс горения и получать количественную информацию о временных характеристиках процессов горения порошков металлов и их смесей в режиме реального времени. 2 ил.

Устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей, содержащее задающий генератор, персональный компьютер, лазерный усилитель, выполненный на основе активной среды лазера на парах бромида меди и связанный с высоковольтным источником импульсов, с одной стороны от которого вдоль оптической оси расположены первый объектив и объект исследования, а с другой стороны размещен экран, отличающееся тем, что содержит инициирующий лазер, на оптической оси которого последовательно расположены механический затвор, первая светоделительная пластина, первая двояковыпуклая линза и объект исследования, установленный на линейном трансляторе, при этом первый фотодиод установлен напротив первой светоделительной пластины под углом к оптической оси лазера, равном углу отражения первой светоделительной пластины, с другой стороны от упомянутого лазерного усилителя вдоль его оптической оси между ним и экраном установлена вторая светоделительная пластина, причем на оптической оси второго фотодиода последовательно расположены диффузор, вторая двояковыпуклая линза, нейтральный светофильтр, вторая светоделительная пластина, контроллер соединен с механическим затвором; первый и второй фотодиоды соединены с цифровым осциллографом, который связан с персональным компьютером, задающий генератор подключен к оптическому преобразователю, который соединен с источником высоковольтных импульсов.