Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси.

Прокачка газовой смеси с целью охлаждения может осуществляться как вдоль, так и поперёк оптической оси излучателя.

Если газовая смесь движется вдоль оси трубки со скоростью υГ, т.о. мощность излучения лазера определяется по формуле:

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru (2.21)

Эта формула отличается от ранее приведённой для однолучевого излучателя с диффузионным охлаждением наличием множителя Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru , где Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru - время охлаждения смеси за счёт диффузии, Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru - тоже, но за счёт конвекции. Причём:

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru (2.22)

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru - скорость звука, Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru - длина свободного пробега частиц газа. Если взять типичные значения RТ=2÷3см, Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru =1м, Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru , то по приведённым формулам получаем Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru , а Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru , т.е. на порядок выше, чем излучателей с диффузионным охлаждением.

Излучатель непрерывного действия с продольной прокачкой схематично имеет следующую конструкцию:

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru

1. – газоразрядные промежутки; 2. – зеркала оптического резонатора;

3.– теплообменник; 4.– вентилятор; 5.– газоводы

Рис.

Прокачка рабочей газовой смеси осуществляется по замкнутому контуру.

Значительно более перспективным с точки зрения повышения мощности являются излучатели с поперечной прокачкой газа. В этом случае направление движения газа перпендикулярно направлению оптической оси. В результате значения Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru в формуле Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru резко уменьшается, т.к. оно равно ширине газоразрядной камеры и измеряется несколькими см, Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru - соответственно возрастает, т.е. охлаждение газовой смеси существенно улучшается. В результате мощность излучателя значительно возрастает. При этом она может быть оценена по формуле:

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru (2.23)

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru - теплопроводность 1,5÷2 Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru - удельный вес 10-5÷10-4 Г/см3

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru - высота камеры 3÷10см,

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru - длина активной среды, т.е газоразрядной камеры,

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru м/с

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru =0,1÷0,2

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru =200°К, Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru - температура газа на входе.

Вычисления по приведённой формуле дают значения

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru , что может быть намного выше, чем при рассмотренных выше конструкциях излучателей.

Схематично конструкция излучателя имеет вид.

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru

Обозначения те же что на предыдущем рисунке.

Рис.

При большой скорости прокачки бесполезное тепло отводиться с помощью конвекции (рис. ), т.е. намного более эффективно, чем при диффузионном охлаждении

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru

Рис.

Это позволяет повысить рабочие параметры лазера:

1. Давление газовой смеси до 100 мм.рт.ст.( на порядок). Предельное давление 100мм.рт.ст обусловлено переходом тлеющей формы эл., разряда в искровую и дуговую.

2. Выходную мощность на единицу длины трубки до 1кВт/м и выше.

3. Предельную выходную мощность до 15кВ

4. К.П.Д. до 20-30%

5. Средняя разрядная напряжённость возрастает до 4-6кВ/см. Поэтому применяется поперечный разряд с целью уменьшения длины разрядного промежутка и напряжения источника питания. При продольном разряде потребовалось бы напряжение >500кВ

Для излучателей с поперечной прокачкой применяются различные конструкции электродной системы для создания тлеющего электрического разряда и возбуждения активной среды.

Наиболее распространённым является разряд постоянного тока. В этом случае в основном применяются две конструкции

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru м/с

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru

Катод – трубчатый, анод – плоский.

Рис.

Рабочее давление не более 15÷20 мм.рт.ст., а h<1÷3см., т.к. при больших значениях не обеспечивается однородное распределение тока разряда по объёму промежутка.

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru м/с

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru

Катод – плоский.

Рис.

Для повышения однородности разряда применяют секционирование анода как вдоль, так и поперёк потока газа. Последовательно с каждым элементом включается балластный резистор Rб , на котором выделяется до 50% напряжения источника. При такой конструкции давление можно повысить до 50 мм.рт.ст. h до 4-5 см. В результате повышаются Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru и Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru .

Перспективным направлением в создании новых конструкций излучателей является применение в них самостоятельного разряда переменного тока, обычно высокой частоты.

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru

Рис.

Электроды выполнены секционированными. Последовательно с каждой секцией включена балластная ёмкость для получения однородного разряда.

Для таких излучателей достигнуты следующие параметры: Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru до 100 м/с, давление до 50 мм.рт.ст., Р до 10кВт, Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru до 5кВт/м, h до 6-8см.

При высокой частоте напряжения источника применяют электроды с диэлектрическим покрытием

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru

Рис.

Диэлектрическое покрытие выполняет функцию балластной ёмкости.

Для таких излучателей получены следующие значения: Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru до 100 м/с, давление до 50 мм.рт.ст., Р до 2кВт, Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru до 2кВт/м, h до 4см.

Могут также применяться незавершённые и несамостоятельные электрические разряды.

Например, используется электродная система типа

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru

Рис.

Периодическое импульсное напряжение вызывает незавершённый самостоятельный разряд Uи>Uн. При этом U<UН – несамостоятельный разряд в промежутке между импульсами. Для импульсного напряжения могут применяться отдельные электроды различных конструкций.

Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси. - student2.ru

Рис.

Несамостоятельный разряд постоянного напряжения с использованием в качестве ионизатора УФ излучения вспомогательного искрового разряда в промежутках SB .

Наши рекомендации