Научная статья на тему 'Разработка экранов для управления интенсивностью рассеянного от них лазерного излучения'

Разработка экранов для управления интенсивностью рассеянного от них лазерного излучения Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
120
40
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Цимбал В. Н., Тихомиров И. А., Мышкин В. Ф., Моторин А. Н., Борисов В. А.

Приводятся результаты экспериментальных исследований по разработке методов и устройств для формирования заданных параметров рассеянного оптического излучения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Цимбал В. Н., Тихомиров И. А., Мышкин В. Ф., Моторин А. Н., Борисов В. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

CREATION OF SCREENS FOR CONTROL OVER THE LASER EMISSION INTENSITY SCATTERED FROM THEM

The results of the experimental investigations concerning the elaboration of methods and devices aimed at formation of the preassigned parameters of dispersed optical radiation are given.

Текст научной работы на тему «Разработка экранов для управления интенсивностью рассеянного от них лазерного излучения»

17. Захаров Ю.А., Адуев Б.П., Алукер Э.Д. и др. Пред-взрывные явления в азидах тяжелых металлов. - М.: ЦЭИ "Химмаш", 2002,- 114 с.

18. Ципилев В.П., Лисицын В.М., Корепанов В.И., Олешко В.И. Кинетика взрывного разложения азидов тяжелых металлов при лазерном импульсном инициировании // Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах: Труды 3-й Междунар. конф. - Томск, 2002. -С. 245-247.

19. Корепанов A.B., Лисицын В.М., Олешко В.И., Ципилев В.П. Исследование пространственно-временной структуры плазмы, образующейся при взрывном разложении AgN3 // Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах: Труды 3-й Междунар. конф. - Томск, 2002. -С. 130-132.

20. Александров Е.И., Каракуцев A.B., Ципилев В.П. Метод создания наносекундных импульсов сжатия в твердом теле для возбуждения химических реакций // Деп. в ВИНИТИ. 1979. № 247-79 Деп.

21. Баум Ф.А., Орленко Л.П., Шехтер Б.И., Станюкович К.П. Физика взрыва. - М.: Наука, 1975. - 242 с.

22. Александров Е.И., Ципилев В.П. Особенности светового режима в объеме полубесконечного слоя ДРС

при освещении направленным пучком конечной апертуры // Известия вузов. Физика. - 1988. - № 10. - С. 23-29.

23. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Белокуров Г.М. и др. Кинетика ранних стадий предвзрывной проводимости азида серебра // Физика горения и взрыва. - 2002. -Т. 38. - № 3. - С. 141-144.

24. Александров Е.И., Ципилев В.П. Влияние модовой структуры лазерного излучения на устойчивость азида свинца // Физика горения и взрыва. - 1983. -Т. 19.-№4.-С. 143-146.

25. Андреев К.К., Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ. - М.: Оборонгиз, 1960. - 595 с.

26. Ханефт A.B. Энергетически разветвленный цепной механизм низкопорогового инициирования азида свинца лазерным излучением //Хим. физика. - 1998. -Т. 17,-№4.-С. 100-108.

27. Ципилев В.П. Стенд для исследования кинетики взрывного разложения конденсированных сред при воздействии импульсов лазерного излучения // Известия Томского политехнического университета. -2003. - Т. 306. - № 4. - С. 99-103.

28. Куракин С.И., Диамант Г.М., Пугачев В.М. Морфология кристаллов азида серебра, выращенных из гид-роксила аммония // Известия АН СССР. Неорг. материалы. - 1990. - Т. 26. - № 11. - С. 2301-2304.

УДК 525.36.22, 681.7.068.32

РАЗРАБОТКА ЭКРАНОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТЬЮ РАССЕЯННОГО ОТ НИХ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В.Н. Цимбал, И.А. Тихомиров, В.Ф. Мышкин, А.Н. Моторин, В.А. Борисов, A.M. Вдовин, Д.Г. Чернов

Томский политехнический университет E-mail: chair23@phtd.tpu.edu.ru

Приводятся результаты экспериментальных исследований по разработке методов и устройств для формирования заданных параметров рассеянного оптического излучения.

Соблюдение правил техники безопасности в помещениях, где ведутся работы с лазерными источниками, требует использования стен, для которых коэффициент рассеяния имеет минимальное значение. Для подавления направленного лазерного излучения нами разработаны и испытаны несколько типов светопоглощающих экранов. Например экран, содержащий металлические прямоугольные ячейки в форме усеченных пирамид. Использование рабочих граней, имеющих наклон к плоскости экрана, позволяет уводить основную долю мощности падающего оптического излучения к светопог-лощающему участку [1]. Ячейки, для их плотной упаковки, могут быть выполнены трех-, четырех-или шестигранными. На рис. 1 приведена схема поперечного сечения ячеек одного из вариантов такого экрана.

На боковые грани усеченных пирамид может быть нанесено любое лакокрасочное покрытие, в том числе и светлое. Обязательным условием для

боковой поверхности является зеркально-диффуз-ный характер рассеяния падающего излучения. Использование усеченной фигуры обусловлено тем, что угол между направлением падения оптического излучения и основанием этой пирамиды изменяется по закону: Ina + ß, где п - число отражений луча от боковых граней, а - угол наклона боковой гра-

Направление

Рис. 1. Поперечное сечение ячеек светопоглощающего экрана; участок с: 1) декоративным, 2) поглощающим покрытием

Известия Томского политехнического университета. 2003. Т. 306, № 5

ю л 1

0,9 -0,8 0.7 0,6 0,5 0.4 0,3 0.2 -0.1 0.0

VTo 55 ТО 85 100 115 '30

углы рассеяния, град

Рис. 2. Индикатрисы рассеяния оптического излучения на черно-белой ячеистой поверхности

ka 0,8 0,6 0,4 ОД

А,

\ v 3 ч 4

2

20

40

60

80 о,"

Рис. 3. Коэффициент поглощения при разных углах засветки поверхностей: 1) черной, 2) белой, 3) черной ячеистой, 4) черно-белой ячеистой, соответственно

ни пирамиды к перпендикуляру к его основанию, Р - предельный угол падения оптического излучения относительно перпендикуляра к плоскости све-топоглощающего экрана. Поэтому до утопленной площадки, имеющей высокий коэффициент поглощения лазерного излучения, достигают лучи (из отражаемых от боковых граней в направлении вперед), падающие в некотором диапазоне углов.

Поверхность - 2 имеет покрытие (например, черного цвета), преимущественно поглощающее оптическое излучение. Углы наклона боковых граней усеченной пирамиды выбраны так, чтобы световые лучи, падающие в некотором диапазоне углов, от каждой боковой грани (поверхность - 1) отражались не более одного раза прежде, чем достигнут поглощающей поверхности. Поэтому основная доля энергии излучения отражается в направлении к вершине пирамиды.

Относительная доля площадей поглощающих поверхностей может составлять менее 25 % от общей поверхности. Остальная часть экрана может выполнять декоративные функции (например, нанесенный на боковые грани ячеек экрана рисунок хорошо виден при наличии рассеянного света).

Экспериментально испытывался экран, имеющий следующие технические характеристики: размеры ячейки 1x1 см; угол наклона граней пирамиды к ее основанию - 18°; глубина ячеек - 0,6 см;

относительная доля поглощающей площади менее - 0,36; диапазон углов максимальной эффективности (относительно перпендикуляра к основанию) -не менее ±15°; поперечные размеры экрана - не ограничены.

На рис. 2 приведены экспериментально определенные индикатрисы рассеяния при освещении под разными углами черно-белой ячеистой поверхности. Углы для падающего и рассеянного потоков излучения отсчитывались в одну сторону относительно испытываемой поверхности. На рис. 3 приведены графики зависимости коэффициента поглощения падающего излучения от угла освещения ячеистого экрана и материалов, используемых в его конструкции.

Экран, поглощающий направленное оптическое излучение (например, лазерное), может быть выполнен также в виде ячеек, образованных двумя смежными цилиндрическими и формообразующей поверхностями [2]. Угол между касательными к цилиндрической и формообразующей поверхностями в направлении от свободного края цилиндрической поверхности изменяется от 90° до 0°. К формообразующей основе цилиндрические поверхности обращены стороной с меньшим радиусом кривизны. Угол между касательными плоскостями к цилиндрической и формообразующей поверхностей по линии их соприкосновения близок к 0°. Это обеспечивает плавное изменение углов отражения направленного излучения от цилиндрической и формообразующей поверхностей. Поток направленного оптического излучения захватывается ячейкой, образованной двумя смежными цилиндрическими и формообразующей поверхностями. Направленное оптическое излучение поглощается также при последовательном многократном отражении от цилиндрических поверхностей каждой ячейки. Так как каждое очередное отражение излучения имеет зеркально-диффузный характер, то основная доля мощности падающего излучения рассеивается в направлении вперед, к вершине ячейки, образованной цилиндрической и формообразующей поверхностями. При этом основная часть энергии направленного оптического излучения поглощается в вершине ячейки, не видимой со всех направлений наблюдения.

Невидимые области цилиндрических поверхностей ячеек и формообразующая поверхность выполнены преимущественно светопоглощающими. На видимые в секторе наблюдения области цилиндрических поверхностей ячеек может быть нанесено лакокрасочное покрытие любого цвета.

На рис. 4 приведена принципиальная схема све-топоглощающего экрана. Здесь: 1 - направления падения потока оптического излучения; 2 - участок со светлым лакокрасочным покрытием в областях, видимых с направлений возможного падения направленного оптического излучения; 3 - участок с поглощающим оптическое излучение покрытием в областях цилиндрических поверхностей, находя-

Рис. 5. Ход лучей в световозвращающем материале: 1)диф-фузно отражающая поверхность, 2)линза, 3) направления падающего и собираемого лазерного излучений, 4) направление облучения подстилающей поверхности, 5) подстилающая поверхность

щихся ближе к вершине ячейки; 4 - формообразующая поверхность.

Проведенные экспериментальные испытания показали, что при облучении коллимированным лазерным лучом перпендикулярно поверхности рассеяние излучения в сторону его источника практически не происходит. Экран отчетливо виден при освещении дневным его солнечным светом.

Общими для описанных выше ячеистых экранов является наличие поверхности, имеющей зеркально-диффузный характер рассеяния падающего оптического излучения. При этом, чем выше доля рассеяния в направлении распространения излучения, тем выше эффективность экранов. Обычные лакокрасочные покрытия, нанесенные на металлические поверхности, вполне удовлетворяют этому требованию.

Нами разработан растровый световозвращаю-щий материал, применение которого в качестве выносного отражателя позволяет увеличивать поток излучения, собираемого с длинной трассы [3]. Всве-товозвращающем материале используются расположенные последовательно друг над другом отражающий слой, оптически прозрачный промежуточный слой, слой микролинз и защитный слой. Отражающий слой является белым (серым) и диффузно отражающим. Монослой микролинз сгруппирован в виде растра, а отражающий слой расположен в фо-

кальной плоскости растра. Схематичное изображение сечения световозвращающего материала приведено на рис. 5.

Экспериментально испытывался световозвра-щающий материал, в котором растр из полиметил-метакрилата, сформированный путем прессования, содержал выпуклые сферические сегменты квадратной формы размерами 2x2 мм и радиусом кривизны сферической поверхности 1,3 мм. При этом фокусные расстояния выпуклых сферических сегментов составляли 3,9 мм.

Углы падения и отражения от световозвращающего материала, ориентированного вертикально и предназначенного для дистанционного облучения лазерным излучением подстилающей поверхности, определяются из соотношения

I

гёа2=к-±-1ёа1, к = ±1,±2,±3...,

где: а, - угол, по отношению к горизонтали, под которым растр отражает лазерный пучок к подстилающей поверхности, а2 - угол, по отношению к горизонтали, облучения световозвращающего материала исходным лазерным пучком, Ьш - расстояние между центрами сферических сегментов,/- фокусное расстояние отдельных линз растра.

Например, для дистанционного облучения подстилающей поверхности лазерным пучком под углом 45° растр, расположенный вертикально, необходимо облучать относительно линии горизонта под углами

Угол подсветки лазером световозвращающего материала определяется при условии а2«0. Из приведенного выше выражения получаем к=+2, а2 =1,5°. Таким образом, лазерный луч должен быть ориентирован под углом 1,5° к линии горизонта.

Рассмотрим ход лучей при использовании светоотражающего экрана. Все микролинзы растра формируют индивидуальные изображения лазерного источника на своей диффузно отражающей поверхности, из которых в заданном направлении к подстилающей поверхности будут сформированы световые потоки, имеющие малую расходимость. После отражения от подстилающей поверхности в обратном направлении оптическое излучение све-товозвращающим материалом формируется в виде плоскопараллельного пучка в направлении лазерного источника. В такой геометрии плоское зеркало формирует в сторону лазера расходящийся пучок. Поэтому при некоторой минимальной длине трассы между лазерным приемопередающим устройством и отражающим экраном потери оптического излучения за счет расхождения потока рассеянного света превышают ослабление интенсивности свето-возвращающим материалом. Поэтому использование растра дня поворота направления излучения в этом случае оправдано.

Известия Томского политехнического университета. 2003. Т. 306, N2 5

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тихомиров И.А., Цимбал В.Н., Мышкин В.Ф., Власов В.А., Моторин А.Н., Копытов A.M., Береза A.A. Декоративный светопоглощающий экран // Приборы и техника эксперимента. - 2002. - № 3. -С. 166-167.

2. Патент 2194236 РФ. МКИ G02B 5/128. Светопоглощающий экран / В.Н. Цимбал, И.А. Тихомиров,

В.Ф. Мышкин, А.Н. Моторин, А.И. Целебровский // БИиПМ. - 2002. - № 34 от 10.12.2002. Приоритет от 13.06.01.

3. Патент 2149432 РФ. МКИ G02B 5/128. Световозвра-щающий материал / В.Н. Цимбал, И.А. Тихомиров, В.Ф. Мышкин // БИиПМ. - 1999. Приоритет от 03.03.99.

УДК 620.9:621.314, 621.731.3.322-81:621.314.21.3.042, 681.142

ПРИБЛИЖЕННЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ РАСЧЕТА НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В ИМПУЛЬСНОМ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЕ

B.C. Логинов

Томский политехнический университет E-mail: loginov@ped.tpu.ru

На основе простого приближенного метода решения линейной задачи теплопроводности для малых моментов времени (Fo < 0,001) получены зависимости для расчета температур в импульсном термоэлектрогенераторе. Проведен анализ приближенного решения.

Современные малогабаритные электромагнитные устройства зачастую работают в нестационарных условиях. В таких установках электромагнитные нагрузки резко изменяются во времени, что приводит к неравномерному распределению температур в пространстве и во времени. Особый интерес для практических целей представляет начальная стадия развития теплового процесса при малых числах Фурье (Fo < 0,001).

Рассмотрим задачу [1] (физические параметры импульсного термоэлектрогенератора - ИТЭГ не зависят от температуры):

д2Т дх2

1 дТ

——, 0<*<оо, a дх

т > 0,

Т(х,0) Э7\

. дТ

Т 1о>

= о,

дх

(1) (2)

(3)

(4)

Здесь q - плотность теплового потока; х - время; х- координата; X, а - соответственно коэффициент теплопроводности, температуропроводности,

со 2 °°

¡егй; 2 = [ег&г ¿г = —т= \е~г~с1г, г >/л г

$(х,т) = Т(х,х)-Т0- избыточная температура -разность фактической температуры и начальной.

Следуя [2], решим задачу (1-4). Предположим, что для малых моментов времени может быть оправданным заменить уравнение (1) на следующее выражение:

дТ д

(6)

5—

дх дх ^ дх , Примем для характерного линейного масштаба 8 зависимость

2у/ах

у/ж

и число Фурье Fo=at/52

Случай q = idem.

Уравнение (1) - одномерное уравнение нестационарной теплопроводности с начальным условием (2), условием полубесконечности (3) и граничным условием второго рода (4) на горячем спае ИТЭГ.

Решение системы уравнений (1-4) операционным методом Лапласа имеет вид [1]

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Тогда уравнение (6), как уравнение с разделяющимися переменными, легко решается.

Запишем окончательный вид решения с учетом граничных условий и физического смысла задачи (1-4)

0(х,г) = Ддс,т)-

-Т = •"о

2qy/ax

ехр(-

XV к

(7)

Т(х,х)-Т0 = 0(х,т) =

/ ч

= 2—л/öx ierfc —7=r X \2yjax

л/лХ 2у/ах

Для определения ЭДС найдем избыточную температуру на горячем спае в координате х=0:

9(0,т ) = ^=4ах. (8)

у/пХ

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.