CC BY
68
УДК 621.373.826
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОБАВОК ВОДОРОДА НА ЧАСТОТНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ CuBr-ЛАЗЕРА
Д.В. Шиянов*, Г.С. Евтушенко**, В.Б. Суханов*, В.Д. Бочков***, В.Н. Кудинов***
*Институт оптики атмосферы СО РАН. г. Томск. E-mail: [email protected] **Томский политехнический университет. г. Томск. E-mail: [email protected] ***"Импульсные технологии". г. Рязань. E-mail: [email protected]
Представлены результаты экспериментального исследования лазера на парах бромида меди с добавками водорода. Добавки водорода в разряд осуществлялись от специального генератора Показано, что введение малых добавок водорода (< 0,5 %) приводит к существенному увеличению частоты следования импульсов излучения, КПД и средней мощности CuBr-лазера.
Введение
Одно из важнейших преимуществ импульснопериодических лазеров на парах галогенидов металлов (ЛПГМ) - возможность работы при температурах активной среды на 1000 ^ ниже, чем температура среды (~1800 К) в лазерах на парах чистых металлов (ЛПМ). Это существенно упрощает и удешевляет конструкцию активного элемента, а выходные характеристики ЛПГМ не уступают характеристикам ЛПМ. В частности, лучшие генерационные характеристики для импульсно-периодических лазеров видимого диапазона получены для лазера на бромиде меди с добавками водорода и его аналога - гибридного лазера (CuHyBrID-laser), поскольку водородные добавки значительно увеличивают выходные параметры этих лазеров за счет изменения кинетики активной среды в сторону благоприятную для накачки рабочих состояний. Однако, существует проблема удержания Н2 в активной среде отпаянного лазера длительное время, так как его количество со временем уменьшается. Вместе с тем, именно с ЛПГМ получены наибольшая эффективность генерации - более 3 % [1], при высокой средней мощности (более 100 Вт) [2] и удельная мощность (до 2 Вт/см3) [3], самая высокая частота повторения импульсов генерации - 300 кГц [4]. На сегодняшний день ЛПГМ уступают ЛПМ только по суммарной средней мощности излучения, снимаемой с одного активного элемента.
Известно, что дальнейшее увеличение мощности генерации ЛПГМ связано с реализацией высоких частот следования импульсов излучения и увеличением энергосъема в газоразрядных трубках (ГРТ) больших объемов. Это открывает новые области их применения, например, при исследовании быстропротекающих процессов, записи голограмм, в медицинских приложениях и т.д.
Результаты экспериментов и их обсуждение
Наряду с тем, что водородные добавки улучшают выходные параметры CuBr-лазеров они также и увеличивают область оптимальных частот следования импульсов генерации. Поэтому мы поставили задачу, используя специально разработанные селективные реверсивные натекатели водорода (СРНВ) исследовать влияние добавок Н2 на выходные параметры
CuBr-лазеров, масштабируемых по длине и диаметру активной зоны, а также реализовать практически значимые средние мощности на частотах более 100 кГц в ГРТ среднего объема, без прокачки активной среды. Ранее генератор подобного типа был использован для работы с активным элементом CuBr-лазера, но срок службы данного генератора в химически агрессивной среде не превышал нескольких часов [5]. В данной модификации предусмотрена специальная конструкция на основе селективной мембраны, проницаемой только для водорода и исключающая возможность отравления генератора [6].
тивной зоны), 2) электроды, 3) контейнеры с рабочим веществом, 4) ловушки, снижающие степень загрязнения электродов и выходных окон рабочим веществом, 5) выходные окна, М — манометр, ГВ — генератор водорода; б) схема накачки ГРТ: 11, VD1 — зарядные индуктивность и диод, VII — тиратрон, Ср — рабочая емкость, 12 — шунтирующая индуктивность, VI — газоразрядная трубка
Исходя из этого, в холодную зону ГРТ со стороны анода припаивался генератор Н2 и манометр деформационного типа (цена деления шкалы — 0,02 торр) для определения давления вводимого Н2. Во всех случаях в качестве буферного газа использовался №. Упрощенная конструкция ГРТ приведена на рис. 1, а. Для достижения рабочей температуры стенки ГРТ ее
активная зона утеплялась слоем теплоизолятора. Возбуждение газоразрядных трубок производилось разрядом рабочей емкости через тиратрон ТГИ1-1000/25 —рис. 1, б. При исследовании частотно-энергетических характеристик лазеров (среднего диаметра) с частотами следования импульсов более 20 кГц использовался таситрон ТГУ1-1000/25.
а)
Отн.
ед.
м. 11 • ■' • • • ■ • " •1 Ч 1 1
3
2
1
' 1»»1 — |»|«|. Lm 1« 40 не ■«». ■
t, НС
б)
Рис. 2. Осциллограммы импульсов: 1) напряжения, 2) тока и 3) генерации для ГРТ диаметром 3,6 см, длиной 120 см, при частоте следования импульсов накачки 16 кГц: а) разряд в N6, без добавок Н2 (средняя мощность излучения, суммарная по двум линиям —13 Вт), б) с добавкой Н2 (мощность излучения — 25 Вт)
На рис. 2 приведены типичные осциллограммы напряжения на трубке, тока через разрядный промежуток и импульса генерации без добавок водорода к буферному газу и с введенной примесью Н2. Из осциллограмм видно, что с введением водорода разряд "затрудняется" — нарастание импульса тока "задерживается" относительно приложенного напряжения. Такое изменение электрических характеристик положительно сказывается на выходных параметрах лазера. Длительность импульса генерации увеличивается в 1,5...2 раза, практически в два раза возрастают средняя мощность и КПД лазера. В последнее время влияние добавок на качественном уровне объясняется образованием и присутствием в активной среде этих лазеров электроотрицательных
молекул (НВг) с большим сечением диссоциативного прилипания электронов [7]. Это приводит к тому, что, во-первых, в начальные моменты разряда, пока температура электронов невелика, скорость прилипания больше, чем скорость ионизации меди. В результате разряд не может развиваться до тех пор, пока температура электронов не достигнет величины, зависящей от соотношения концентраций атомов меди и молекул добавки. Подбирая концентрацию молекул, можно задержать развитие разряда до момента, при котором преимущественно заселяются верхние лазерные уровни, и избежать чрезмерного заселения нижних уровней. Во-вторых, в межимпульсный период основную роль уже играет не трехчастичная рекомбинация, а прилипание электронов к молекулам с последующей ион-ионной рекомбинацией. Это приводит к ускорению рекомбинации и быстрому восстановлению населенности основного состояния меди.
Оптимальное давление Н2 определялось следующим образом. ГРТ выводилась на генерацию при давлении буферного газа N 30.40 торр. После этого осуществлялась подача Н2 в активную среду лазера и через каждые 0,02 торр добавки фиксировалась мощность излучения.
Данная методика определения оптимальной добавки Н2 с использованием встроенных генератора и манометра показала, что ГРТ диаметром 3,6 см и длиной 120 см достигает максимальной выходной мощности при давлении Н2 0,1 торр (рис. 3). Это значение в 5 раз меньше значения, недавно приведенного болгарскими исследователями для ГРТ аналогичных габаритов [8]. На данный момент непонятна причина такой разницы. Вместе с тем, авторы работы [8] не указывают методику определения давления примеси Н2. С другой стороны, водород, в качестве неконтролируемой примеси, всегда присутствует в разряде, о чем свидетельствует спектр спонтанного излучения. Вопрос в том, в каком количестве, но очевидно в меньшем, чем введенная добавка.
Давление Н2, торр
Рис. 3. Зависимость мощности излучения (Р) CuBr-лазера от давления вводимого Н. Давление буферного газа Ne = 30 торр
На рис. 4 показана тенденция увеличения мощности излучения СиБг-лазеров при введении в их активную среду добавки Н2 для разных ГРТ. Видно, что увеличение габаритов ГРТ приводит к снижению эффективности влияния Н2 на мощность и, соответственно, КПД лазера. Максимальное увеличение мощности генерации с добавкой Н2 до 5 раз наблюдается в ГРТ с малыми диаметрами (< 1 см). Мы связываем это с тем, что увеличение диаметра лазера сопровождается увеличением длины его активной зоны, что требует дополнительного повышения напряжения на разрядном промежутке. А это, в свою очередь, бывает технически сложно реализовать при использовании тиратронов типа ТГИ1-1000/25. Подтверждением данного предположения является то, что дополнительное включение в схему накачки ГРТ с диаметрами 3,6 и 5,3 см импульсного кабельного трансформатора между Ср и катодом ГРТ привело к дополнительному возрастанию мощности (отмечено звездочками на рис. 4).
К, отн. ед.
5-
4-
3-
2-
1-
т--------1-1-■ г-
3 4 5
Диаметр ГРТ,
см
Рис. 4. Зависимость отношения мощности излучения СиВг-лазера при использовании добавки Н2 к мощности без добавки от диаметра исследуемых ГРТ
Исследование частотных свойств СиБг-лазера со средним диаметром ГРТ (2,6 см) показало, что максимальная частота следования импульсов накачки, обеспечиваемая данным коммутатором, без добавок Н2 в ГРТ составляет 130 кГц, причем падение мощности начинается после 30 кГц (рис. 5). Введение добавки Н2 приводит к тому, что максимальная частота достигает 250 кГц, а средняя мощность излучения при этом - 1,5 Вт. При частоте следования импульсов накачки 200 кГц выходная мощность равнялась 3 Вт. Область оптимальных частот следования (таких, при которых выходная мощность максимальна) простирается от 40 до 100 кГц, а далее начинается медленный спад мощности излучения.
Ранее, при исследовании СиБг-лазеров без контролируемых добавок водорода, максимальная выходная мощность достигалась при частотах следования импульсов 16...20 кГц, после чего наблюда-
лось ее снижение. Как показывают результаты этой и других работ по исследованию СиБг+№+Н2-ла-зера добавки Н2 смещают оптимальное значение частоты в область больших значений не только для ГРТ малых диаметров. Как отмечалось ранее, это объясняется увеличением скорости объемной рекомбинации плазмы.
Рис. 5. Частотная зависимость мощности излучения (Рг) СиВг-лазера (диаметр 2,6 см, длина 76 см) с добавкой и без добавки Н2
В данном эксперименте лучшее значение КПД (рассчитанного по мощности, отбираемой от выпрямителя) составило 0,7 % при / = 50 кГц и Рг = 11 Вт. Относительно низкое значение КПД связано с тем, что дополнительной оптимизации контура возбуждения не проводилось. Надо также отметить, что полученные Рг не являются максимальными на данных частотах следования импульсов, а являются значениями, соответствующими стационарному тепловому режиму работы лазера.
Заключение
Таким образом, использование специально разработанного генератора Н2 (СРНВ) позволило повысить среднюю мощность излучения отпаянных активных элементов СиБг-лазера от 2 до 5 раз, в зависимости от диаметра ГРТ. Мы предполагаем, что эта разница связана с тем, что для ГРТ большого диаметра (и следовательно большей длины) требуется повышать рабочее напряжение на разрядном промежутке, что представляет определенную техническую проблему. Экспериментально установлено, что оптимальная концентрация добавляемого Н2 составляет <0,5 % от давления буферного газа N0.
Использование таситрона ТГУ1-1000/25 в качестве коммутатора впервые позволило достичь практически значимых значений выходной мощности излучения на частотах накачки свыше 200 кГц. При максимально достигнутой частоте накачки 250 кГц в лазерной трубке диаметром 2,6 см и длиной 76 см мощность излучения составила 1,5 Вт. На частоте 200 кГц - 3 Вт и на частоте 100 кГц -10,5 Вт.
1
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Jones D.R., Maitland A., Little C.E. A high-efficiency 200 W average power copper HyBrlD laser // IEEE J. Quantum Electronics. — 1994. —V. 30. — № 10. — P. 2385-2390.
2. Astadjov D.N., Dimitrov K.D., Jones D.R., Kirkov V.K., Little C.E., Sabotinov N.V., Vuchkov N.K. Copper bromide laser of 120 W average output power // IEEE J. Quantum Electronics. — 1997. — V. 33. — № 5. — P. 705-709.
3. Sabotinov N.V., Little C.E. Copper laser with high average output power // Proc. SPIE. — 1995. —V. 2619. — № 4. — P. 76 -83.
4. Евтушенко ГС., Петраш Г.Г., Суханов В.Б., Федоров В.Ф. CuBr-лазер с частотой повторения импульсов до 300 кГц // Квантовая электроника. —1999. —Т. 28. — № 3. — С. 220-222.
5. Marazov O.R., Manev L.G. Externally heated CuBr laser // Optics Communications. —1990. —V. 78. — № 1. — P. 63 -66.
6. Бочков В.Д., Гошева-Маразова М.О., Климовский И.И. Излучатели лазеров на парах металлов, снабженные генератором водорода с большим сроком службы // Оптика атмосферы и океана. —2001. — Т. 14. — № 11. —С. 1027-1029.
7. Земсков К.И., Исаев А.А., Петраш Г.Г. Роль отрицательных ионов в плазме импульсных лазеров на парах металлов и их соединений // Квантовая электроника. — 1997. — Т. 24. — № 7. — С. 596—600.
8. Astadjov D.N., Dimitrov K.D., Jones D.R., Kirkov V.K., Little L.C., Little C.E., Sabotinov N.V., Vuchkov N.K. Influence on operating characteristics of scaling sealed-off CuBr lasers in active length // Optics Communications. —1997. —V. 135. — № 1-3. — P. 289-294.
УДК 541.16:182
ВЛИЯНИЕ СУСПЕНЗИИ "МОТОРНОЕ МАСЛО+СМЕСЬ НАНОПОРОШКОВ МЕДИ И НИКЕЛЯ" НА ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПАРЫ ТРЕНИЯ "УГЛЕРОДИСТАЯ СТАЛЬ - НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ"
А.П. Ильин, О.Б. Назаренко, С.В. Рихерт
Государственное научное учреждение "НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете"
E-mail: [email protected]
Рассмотрена возможность применения смеси нанопорошков меди и никеля в качестве металлоплакирующей добавки в моторные масла. При небольшой концентрации смеси в масле происходит снижение коэффициента трения и температуры в узле трения, увеличение же ее концентрации приводит к повышению температуры и росту коэффициента трения. Также с ростом концентрации происходит нанесение нанопорошков на поверхности пар трения в виде пленок, что снижает их износ.
Введение
Проблема трения и износа существовала всегда и в настоящее время все более обостряется. Машины и механизмы работают во все более жестких условиях и при более высоких скоростях скольжения, при этом материалы подвергаются предельным нагрузкам. Поэтому повышение срока службы пар трения является сложной научной и технической задачей.
Большинство машин (85.90 %) выходят из строя по причине износа деталей. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машины в процессе ее эксплуатации в несколько раз превышают ее первоначальную стоимость: для автомобилей в 6 раз, для самолетов до 5 раз, для станков до 8 раз.
Одним из направлений повышения срока службы машин является применение металлоплакирующих смазочных материалов (МСМ), при использовании которых на поверхностях пар трения образуются тонкие пленки металлов (сервовитные пленки) [1, 2]. Процесс образования металлоплакирующих пленок был первоначально открыт как "эффект избирательного переноса". Авторами этого открытия Д.Н. Гаркуновым и И.В. Крагельским было обнаружено, что при трении медных сплавов
о сталь в условиях граничной смазки происходит явление избирательного переноса меди из твердого раствора медного сплава на сталь и обратного ее переноса со стали на медный сплав, сопровождающееся уменьшением коэффициента трения.
На данный момент разработаны десятки сотен различных металлоплакирующих смазочных составов, с помощью которых можно осуществлять нанесение тонких металлических пленок. Среди этих смазочных составов большой интерес представляют суспензии порошков металлов в маслах [2]. Вместе с тем, применение нанопорошков металлов дает ряд преимуществ по сравнению с более крупными порошками [3, 4]. Во-первых, нанопорошки имеют относительно небольшую скорость седиментации в маслах. Во-вторых, порошки металлов в наносостоянии имеют склонность к спеканию и при существенно меньших усилиях они образуют сплошные пленки. Образование такой пленки и поддержание ее толщины в процессе трения является динамическим процессом: сначала скорость нанесения пленки превышает скорость уноса материала пленки с поверхности. По мере увеличения толщины пленки скорость нанесения уменьшается, а скорость уноса увеличивается до достижения равновесия между ними.
