CC BY
81
СИСТЕМЫ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ СИЛОВОИ ОПТИКИ
МОЩНЫХ ЛАЗЕРОВ
В.Н. ХАРЧЕНКО, д. т. п., профессор, зав. кафедрой физики МГУЛа
В течение почти двух десятилетий на кафедре проводились систематические исследования охлаждения зеркал мощных лазеров. Эти работы проводились совместно с ведущими научными центрами страны: ИОФ РАН, РКК «Энергия», МГТУ им. Баумана и др. Результаты публиковались в центральных научных изданиях страны, докладывались на крупных международных конференциях [1-7]. Итогом этих работ были реальные конструкции зеркал, оригинальность которых защищена десятками авторских свидетельств (например [3]), изготовленных и успешно испытанных при тепловых нагрузках, близких к реальным.
В статье будет представлен краткий обзор некоторых из проведенных исследований. Понятием силовая оптика объединены зеркала в резонаторах лазеров, где проходит многократное усиление излучения, а также в системах формирования и фокусировки лазерного излучения. Разработка силовой оптики является одной из главных в проблеме создания мощных лазеров различного назначения. Этому, а также соответствующим проблемам теплофизики, посвящено большое число работ [9-12]. К зеркалам предъявляется ряд жестких требований, основными из которых являются: 1) отвод больших потоков тепла от отражающей поверхности (до ~ 1 кВт/см2 и выше); 2) термодеформации при этом не должны превышать долей длины волны излучения (т.е. ~1 мкм). Жесткость этих требований особенно показательна при том факте, что внутрь зеркала попадает очень малая доля энергии лазерного луча, т.к. коэффициенты отражения лучших зеркальных поверхностей превышают величину 0,999. На кафедре в основном проводились разработки систем интенсификации теплообмена внутри зеркала, хотя были и исследования по улучшению отражательных свойств внешней поверхности
зеркала. Интенсификация теплообмена внутри зеркала достигалась за счет использования высокоэффективных капиллярнопористых структур при конвективном и испарительно-конденсационном теплообмене, а также применения тепловых труб.
Конвективные и испарительно-конденсационные теплообменники с новыми типами капиллярно-пористых структур
На специально созданных теплофизических стендах проводились исследования тепловых и гидравлических характеристик различных типов капиллярно-пористых структур, как широко используемых в технике, так и специально разработанных для рассматриваемых условий [1,2]. Рассмотрим подробнее два типа таких структур.
Структуры регулярного макрорельефа (СРМ) получают на металлических (преимущественно из пластичных металлов, например, меди) поверхностях (технология разработана в МГТУ им. Баумана). Суть метода состоит в объединении процессов резания и направленного пластического формообразования слоя компактного металла. Типичный пример такой структуры показан на рис. 1. Технология позволяет варьировать форму, глубину и взаимное расположение нарезаемых структур. СРМ имеют пористость 50-70 %, глубину канавок до 8 мм, ширину ребер и канавок до 0,1 мм. С использованием СРМ разработаны высокоэффективные теплообменники с низким гидравлическим сопротивлением и интенсивным внутренним теплообменом. Аналогичными свойствами обладает также высокопористый ячеистый металл (ВГ1ЯМ), получаемый металлизацией пенополиуретана [8]. Пористость такого материала составляет 72-97 %, а контролируемый размер пор 0,4-5 мм. Для ВПЯМ характерна трехмерная сетчато-ячеистая структура с относительно вы-
сокой степенью упорядоченности, представляющая совокупность многогранников -ячеек, связанных в общий достаточно жесткий каркас (рис. 2). Гидравлические и тепловые характеристики исследовались на образцах как из СРМ, ВПЯМ, порошковых и волокнистых проницаемых материалов, так и на макетах зеркал со сложными системами циркуляции охладителя внутри них. Типичные экспериментальные зависимости Ш = ДЯе) для двух типов проницаемых структур приведены на рис. 3.
Рис. 1. Структура регулярного макрорельефа (СРМ)
Рис. 2. Высокопористый ячеистый металл (ВПЯМ)
Тепловые потоки до ~ 100 Вт/см создавались электрически нагреваемым тепловым клином и газовой горелкой, а тепловые потоки ~ 1 кВт/см2 - электронным пучком. Электроннолучевая установка имеет существенную особенность, позволяющую проводить испытания зеркал с высокой отражающей способностью, т.к. практически вся энергия электронов поглощается этой по-
верхностью. Эта установка оборудована лазерным интерферометром для измерения термодеформаций. Испытания нескольких макетов зеркал с тепловыми потоками до 1
'у
кВт/см и даже выше показали их высокую работоспособность при вполне допустимых термодеформациях < 1 мкм. Внутри теплообменника реализовались как конвективный, так и испарительно-конденсационный режимы теплообмена.
Применение тепловых труб для термостабилизации лазерных зеркал
Тепловые трубы (ТТ) являются весьма перспективными для термостабилизации различных систем, где необходимо отводить малые и очень большие тепловые потоки от теплонапряженных поверхностей. Классическая тепловая труба представляет собою полый металлический канал, вдоль внутренних стенок которого уложен пористый фитиль, заполненный жидким теплоносителем. За счет подведенного к испарителю ТТ теплового потока происходит испарение теплоносителя, пар движется к конденсатору, где конденсируется за счет отводимого от ТТ тепла. На кафедре проведен большой цикл исследований как физических особенностей работы ТТ, так и применений ТТ для охлаждения лазерных зеркал. Главная особенность ТТ - их высокая эффективная теплопроводность, на порядки превышающая теплопроводность такого металла как медь. В качестве теплоносителей использовались различные жидкости: жидкие металлы, вода, спирт, ацетон. В жидкометаллических ТТ [6] основное внимание уделялось исследованиям проблемы запуска из замороженного состояния, когда при ударных тепловых нагрузках возможны большие перегревы ТТ. Получены данные и выработаны рекомендации по оптимальным режимам запуска таких ТТ. На специально созданных оптических стендах с лазерной визуализацией подробно исследовались структура течения парогазовой смеси внутри ТТ, были выявлены режимы объемной конденсации из такой смеси и другие особенности тепломас-сопереноса.
Рис. 3. Теплообмен внутри проницаемых материалов
Рис. 4. Модель охлаждаемого зеркала
Рис. 5. Ультразвуковая интенсификация капиллярного эффекта
Результаты методических работ по исследованиям физических особенностей течения и теплообмена в капиллярнопористых структурах использовались при разработке десятков конструкций лазерных зеркал. На рис. 4 приведена фотография од-
ного из зеркал. Отдельно на фотографии видна конструкция устройства капиллярнопористой системы и ее отражение на зеркальной поверхности. Испытания таких зеркал в широком диапазоне тепловых нагрузок показали их высокую надежность и работоспособность.
Большой цикл работ был посвящен исследованиям ультразвуковой интенсификации капиллярных эффектов и применению этих результатов для тепловых труб [5]. На специально созданных стендах исследовались физические явления ультразвуковой кавитации и влияние ультразвука на высоту и скорость капиллярного подъема жидкостей (вода, спирт, трансформаторное масло) в капиллярных трубках с внутренним диаметром 0,2-3 мм. Предложена методика расчета этого процесса. На рис. 5 представлена зависимость относительной высоты подъема жидкости по капилляру от акустического числа Рейнольдса и сравнение ее с известными в литературе расчетными и экспериментальными данными [13]. Применительно к тепловым трубам увеличение высоты и скорости капиллярного подъема приводит к увеличению передаваемой ТТ тепловой мощности. Разработана методика расчета таких ТТ, создана установка для теплофизических испытаний ТТ и их элементов с источниками ультразвуковых колебаний. Разработаны конструкции ТТ с ультразвуковой интенсификацией передаваемой тепловой мощности.
В заключение следует отметить:
1. Испытания нескольких серий медных зеркал, разработанных в результате проведения данного цикла исследования, показали их высокую работоспособность в условиях близких к реальным тепловых нагрузок. Их характеристики не уступали аналогичным изделиям из тугоплавких металлов, стоимость и сложность изготовления которых существенно выше.
2. Полученные в процессе выполнения этих исследований научные результаты
использовались также и в других приложениях современной теплофизики.
Литература
1. Аполлонов В.В., Моторин В.Н., Прохоров А.М., Харченко В.Н. и др. Теплофизические основы охлаждаемой оптики на основе новых типов проницаемых структур (англ.). Тр. 1-й Международ. конф. по эксперимент, теплофизике, гидро- и термодинамике. - Дубровник. - Югославия. - 1988.
2. Аполлонов В.В., Ильинский А.И., Харченко В.Н., Четкин С.А. и др. Экспериментальные исследования эффективности конвективной теплоотдачи в компактном теплообменнике на основе высокопористого ячеистого металла. Письма в ЖТФ. - Т. 15,- Вып. 3.- 1989.
3. Аполлонов В.В., Моторин В.Н., Прохоров А.М., Харченко В.Н. и др. Зеркало для лазера. Авт. св-во № 1528276.- 1989.
4. Аполлонов В.В., Моторин В.Н., Прохоров А.М., Харченко В.Н. и др. Разработка и исследование тепловых труб для охлаждения и термостабилизации зеркал технологических лазеров. Тр. Минского Международного форума «Тепломассообмен». -Минск: 1988.
5. Аполлонов В.В., Моторин В.Н., Прохоров А.М., Харченко В.Н. Ультразвуковая интенсификация тепломассопереноса в тепловых трубах для охлаждения лазерных зеркал, (англ.) Тр. VII Междуна-
родной конференции по тепловым трубам. -Минск: 1989.
6. Быстров П.И., Гончаров В.Ф., Харченко В.Н., Шульц А.Н. Исследование нестационарного тепло- и массообмена в жидкометаллических тепловых трубах. Тр. Международ. конф. «Тепломас-собмен-VI». - Т. IV. - Ч. 2. - Минск: 1980.
7. Харченко В.Н., Щульц А.Н. Интенсификация теплообмена в тепловых трубах для зеркал технологических лазеров. Тр. 1-й РНТК по теплообмену. -М.: 1994.
8. Анциферов В.Н., Храмцов В.Д. и др. Способ полу-
чения пористого металла. Авт. св-во № 577095. -БИ№6,- 1977.
9. Субботин В.И., Харитонов В.В. Теплофизика охлаждаемых лазерных зеркал. ТВТ. - Т. 29. - № 2. -1991.
10. Басов Н.Г. Лазерный термоядерный синтез. Физика плазмы. - Т. 9. - № 1. - 1983.
11. Петухов Б.С., Алексеев В.А., Зейгарник Ю.А., Иванов Ф.П. и др. Проблемы теплообмена в охлаждаемых зеркалах технологических лазеров. ТВТ. -Т. 23.-№6,-1985.
12. Соловьев С.А., Ковалев С.А. Исследование теплообмена в испарителе, работающем по принципу «перевернутый мениск». - ТВТ - Т. 24. - № 1 -1986.
13. Афанасьев Г.Н., Булгаков В.И., Обливин А.Н., Воскресенский А.К. К ультразвуковому капиллярному эффекту / Тр. МЛТИ. - Вып. 130. - 1981.
КНИГА - ПОЧТОЙ
Издательство МГУЛа выполняет заказы по рассылке учебно-методической и научной литературы. Информация об издаваемых материалах размещена в каталоге (высылается бесплатно), который можно заказать по адресу.
141005. Моск. обл., Мытищи, ул. 1-я Институтская, 1, Издательство МГУЛа.
