Способ создания инверсной населенности в газодинамическом co2-лазере при низкой температуре и устройство для его осуществления

Способ создания инверсной населенности в газодинамическом co2-лазере при низкой температуре и устройство для его осуществления

Реферат

 

Изобретение может быть использовано в лазерной технике и, в частности в устройствах газодинамических СО₂-лазеров. Способ создания инверсной населенности в газодинамическом СО₂-лазере заключается в том, что организуют струйное перемешивание компонент в дозвуковой части сопла таким образом, чтобы полное перемешивание газов на мономолекулярном уровне произошло в районе критического сечения сопла. При этом параметры смешивающихся газов подбирают и поддерживают в процессе протекания реакций в заданном диапазоне такими, что создаются условия, когда при низкой статической температуре газов колебательная энергия вновь образующихся молекул в результате химических реакций накапливается в газе, передается молекулам реагирующих газов, увеличивая их скорость реакций. Увеличение скоростей химических реакций, в свою очередь, приводит к росту накопления колебательной энергии в молекулах смеси газов, при этом создаются условия выгорания в первую очередь СО и в меньшей степени Н₂. В конечном счете в смеси газов активной среды газодинамического СО₂-лазера оказывается существенно больше накопленной колебательной энергии, низкое содержание паров воды при меньшей статической температуре газов по сравнению с обычным газодинамическим лазером. Устройство содержит инжекторный узел камеры сгорания, установленный перед сопловым блоком и через отверстия которого осуществляется вдув холодного компонента газа. Отверстия инжекторного узла размещены на оптимальном расстоянии (L_opt) от района критического сечения сопел, определяемого из соотношения L_opt = ud²/D_t, где u - скорость смеси газов в дозвуковой части сопла; d - характерный размер инжекторного устройства; D_t - коэффициент турбулентной диффузии. Сопловые лопатки имеют центральные каналы для охлаждения водой, которые стыкуются с подающим и сливным трубопроводами, а в дозвуковой части каналы с отверстиями инжектора для подачи холодного газового компонента в основной поток газа. При этом высота и площадка постоянного критического сечения сопел (h) должны удовлетворять соотношению h < ²_хим(u/)³D²_М, где _хим - скорость химической реакции реагирующих газов; u - скорость смеси газов в районе критического сечения сопла; - кинематическая вязкость смеси газов; D_М - коэффициент молекулярной диффузии смешивающихся газов. Технический результат: повышение эффективности газодинамического лазера. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к устройствам газодинамических CO₂-лазеров (ГДЛ).

Известен способ создания инверсной населенности активной среды в газодинамическом CO₂-лазере за счет быстрого расширения в сверхзвуковом сопле нагретой до высоких температур смеси газов CO₂, N₂, H₂O (He) [1]. К недостаткам этого способа относятся: - Требуемая высокая температура газов до 2000 К и выше и, как следствие, большие трудности с охлаждением и низкий ресурс узлов лазера.

- Низкий коэффициент усиления активной среды, низкая запасенная колебательная энергия на входе в резонатор, низкая эффективность оптического резонатора и низкий удельный энергосъем излучения с единицы расхода газа.

- Практически невозможно, основываясь на этом способе, создать экономически выгодный технологический лазер.

Известен способ получения инверсной населенности в газодинамическом CO₂-лазере получения инверсной населенности с селективным вдувом холодных компонент газа (CO₂ и Не) через инжектор в районе критического сечения сверхзвукового сопла в поток нагретого до температуры 3000-4000 К азота [2]. К недостаткам этого способа относятся: - Требуемая высокая температура газов от 3000 до 4000 К и, как следствие, очень большие трудности с охлаждением узлов лазера, их низкий ресурс.

- Необходимость наличия чистых газов азота, гелия, что существенно удорожает стоимость эксплуатации лазера.

- Практически невозможно, основываясь на этом способе, создать экономически выгодный технологический лазер.

Одним из способов получения инверсной населенности в газодинамическом CO₂-лазере является способ, показанный на основе устройства, но не запатентованный в патенте [3]. В этом способе углеводородное топливо сжигается в камере сгорания с недостатком окислителя, а в инжектор, размещенный в ресивере перед сопловым блоком, вдувается воздух и происходит догорание CO и Н₂ в районе критического сечения сопел. По этой работе имеются следующие недостатки: - Совершенно не описаны и не запатентованы характеристики устройств и параметров смешивающихся газов, при которых наблюдается эффект увеличения запасенной колебательной энергии в активной среде лазера.

- Не описаны физические явления, приводящие к появлению эффекта увеличения запасенной колебательной энергии в активной среде лазера.

- Многочисленные экспериментальные исследования подобных устройств в CO₂-лазерах показали, что не знание физики явления и не выполнение определенных характеристик устройств и параметров смешивающихся газов не приводит к улучшению характеристик активной среды лазера.

Известно типичное устройство газодинамического CO₂-лазера, работающее на продуктах сгорания CO и этилового спирта в кислороде с добавлением азота и состоящее из: камеры сгорания, блока смешения компонент, ресивера, соплового блока, проточной части резонатора, оптического резонатора, диффузора [4]. К типичным недостаткам подобного устройства газодинамического лазера следует отнести: - Требуемая высокая температура газов до 1700 К и выше и, как следствие, большие трудности с охлаждением узлов лазера. Кроме того, высокая начальная температура газов приводит к большим степеням раскрытия сверхзвуковой части сопел и большого давления газов в ресивере для обеспечения запуска диффузора при выхлопе отработанных газов в атмосферу, что, в свою очередь, приводит к большим затратам энергии на сжатие газов.

- Низкий коэффициент усиления активной среды, низкая запасенная колебательная энергия на входе в резонатор, низкая эффективность оптического резонатора и низкий удельный энергосъем излучения с единицы расхода газа.

- Требуемая малая высота критического сечения сверхзвукового сопла (0,3-0,4 мм), связанные с ней трудности охлаждения сопловых лопаток и ухудшение характеристик активной среды во время эксплуатации. Кроме того, при малой высоте критического сечения сопел даже для типичной степени раскрытия сверхзвуковой части сопла ~30 толщина сопловой лопатки в максимальном сечении не превышает 11-12 мм, что не обеспечивает ее заданную жесткость конструкции. Лопатки во время работы лазера подвержены вибрациям, они быстро деформируются, разрушаются и ухудшаются характеристики активной среды (мощность излучения уменьшается в 1,5-2 раза).

- Большая требуемая длина проточной части резонатора по потоку газа, связанные с ней ухудшение характеристик активной среды, а также необходимость высокого давления газа перед сопловым блоком для обеспечения запуска диффузора при выхлопе отработанных газов в атмосферу.

- Высокая себестоимость эксплуатации такого технологического лазера.

Известно устройство электрогазодинамического CO-лазера, включающего в себя: разрядный блок, смесительный узел, сопловой блок, проточную часть резонатора, оптический резонатор, диффузор, энергоузел в виде турбокомпрессора и электрогенератор, работающий от вала турбокомпрессора [5, 8]. Рабочим телом в этом устройстве служат продукты сгорания от газогенераторов турбины, кроме того, за компрессором отбирается воздух и подается в смесительный узел лазера, а выхлопные газы из лазера через теплообменник подаются на вход турбокомпрессора. К недостаткам этого устройства следует отнести тот факт, что в продуктах сгорания типовых камер турбины присутствует много частиц сажи, которые существенно ухудшают работу разрядного блока, зеркал оптического резонатора, уменьшают выходную мощность излучения лазера и ресурс эксплуатации. Кроме того CO-лазер требует, чтобы статическая температура в зоне резонатора не превышала 100 К (при этом температура газов на входе соплового блока составляет не менее 1500 К), а это приводит к высокой степени раскрытия сверхзвуковой части сопел, необходимости низкого статического давления в зоне резонатора, большой степени эжекции газами турбокомпрессора и, как следствие, очень большой себестоимости эксплуатации подобного лазера.

Известно устройство оптического резонатора мощного лазера [6], который выполнен 4-х проходным, 6-ти зеркальным с двумя уголковыми отражателями, обеспечивающим переворот пучка излучения по потоку газа в проточной зоне резонатора при каждом проходе излучения между зеркалами таким образом, что по одну сторону газового потока активной среды находится большой уголковый отражатель, а по другую сторону среды блок зеркал, включающий малый уголковый отражатель, выходное выпуклое и заднее вогнутое зеркала, при этом ребра уголковых отражателей размещают перпендикулярно друг другу.

Наиболее близким к настоящему устройству по составу узлов и агрегатов, входящих в газодинамический CO₂-лазер является устройство, описанное в работе [7] . Лазерное устройство включает в себя: емкости для хранения исходных компонент рабочей смеси газов или топлив; компрессоры и насосы подачи компонент; нагревательное устройство или камеры сгорания топлива; ресивер; сопловой блок, набираемый из плоских сопловых лопаток; проточную часть резонатора; оптический резонатор; диффузор; выхлопную систему отработанных газов; компрессор системы охлаждения; емкость хранения хладагента; теплообменник; газодинамическое окно для вывода лазерного излучения из резонатора.

К недостаткам этого прототипа следует отнести все недостатки, описанные выше для аналога по работе [4]. Кроме того, при создании технологических лазеров на основе ГДЛ подобного типа возникают следующие трудности: - Высокая температура рабочей смеси газов приводит к дополнительным затратам энергии на охлаждение узлов и низкому их ресурсу эксплуатации.

- Большие акустические и динамические воздействия на зеркала резонатора и окружающую среду.

- Большим расходам компонент топлива и высокой себестоимости эксплуатации устройства.

Целью изобретения нового способа создания инверсии активной среды газодинамического CO₂-лазера являются: - Существенное улучшение характеристик активной среды CO₂-лазера: увеличение коэффициента усиления, запасенной колебательной энергии, эффективности оптического резонатора и выходной мощности излучения (не менее чем в два раза).

- Значительное снижение начальной температуры смешивающихся газов и, следовательно, улучшение всех технических характеристик устройств, использующих этот способ.

- Возможность создания экономически выгодного технологического CO₂ - ГДЛ.

Предлагаемый способ создания инверсной населенности в газодинамическом CO₂-лазере при низких температурах основан на том факте, что в общем случае скорость химической реакции образования молекул CO₂ зависит не только от статической температуры смеси газов, но и от колебательных температур (внутренней энергии) вступающих между собой в реакцию молекул газов.

В смеси реагирующих газов, содержащих буферный, нейтральный газ, при оптимальных параметрах и определенных условиях возможна следующая схема протекания физико-химических процессов. Вновь образующиеся молекулы газа, являющегося продуктом реакции реагирующих компонент, передают часть колебательной энергии, запасенной в них в процессе химической реакции, при столкновении молекулам буферного, нейтрального газа, в которых эта энергия накапливается. Далее при столкновении молекул буферного газа с молекулами одного или нескольких реагирующих газов им передается часть запасенной колебательной энергии, переводя их в возбужденное состояние и увеличивая колебательную температуру молекул. При этом скорость химических реакций резко возрастает, нарабатывается большее количество молекул газа, являющегося продуктом реакции, увеличивается количество запасенной колебательной энергии, которая в большем объеме передается молекулам реагирующих газов. Таким образом, происходит лавинообразный процесс ускорения реакций при низких статических температурах, приводящий к взрывному горению.

В качестве буферного накопителя колебательной энергии может использоваться при определенных условиях и один из реагирующих газов, но в этом случае начальная концентрация его должна быть велика, а по мере расходования этого газа в процессе реакций эффект лавинообразного ускорения реакций прекращается и полного выгорания реагирующих газов не происходит. Для того чтобы протекала подобная реакция необходимо подобрать подходящий буферный, нейтральный газ и подавать реагирующие и буферный газы в смесительное устройство с заданными оптимальными параметрами, а в зоне мономолекулярного смешения газов создать определенные условия, описанные ниже.

Рассмотрим это на примере брутто реакции 2CO+O₂+N₂ = 2CO₂ + N₂ в присутствии водорода или паров воды. Добавляемый в смесь реагирующих газов CO и O₂ буферный газ N₂, имеет характеристическую температуру нижнего колебательного уровня 3354 К, который близко расположен к нижнему колебательному уровню антисимметричной моды (001) молекулы углекислого газа CO₂ (3380 К), являющегося продуктом реакции газов CO и O₂. В то же время нижний колебательный уровень молекулы N₂ достаточно близок и к нижнему колебательному уровню молекулы горючего CO (3084 К).

Такое близкое расположение колебательных уровней молекул этих газов позволяет принципиально накопить колебательную энергию от вновь образующихся молекул CO₂ в азоте и передать ее молекулам горючего CO за времена меньшие времен релаксации колебательной энергии с молекул CO₂, CO, N₂. Кроме того, при больших концентрациях газом-накопителем колебательной энергии для этой реакции может служить и CO.

Поставленная цель достигается: 1. В дозвуковой части сопла организуют струйное перемешивание всех компонент таким образом, чтобы полное перемешивание газов на мономолекулярном уровне произошло в районе критического сечения сопла.

Здесь выдвигается требование очень быстрого, интенсивного перемешивания турбулентных молей компонентов газов в дозвуковой части сопла на оптимальной минимальной длине, чтобы конечное смешение газов на мономолекулярном уровне в турбулентных молях произошло в районе критического сечения сопла. Это позволит создать условия для образования плоского фронта пламени (зоны горения) в районе критического сечения сопла, при этом выдвигаются определенные требования к характеристикам потока смешивающихся газов, инжекторного устройства и критического сечения сопла. Если не создать требуемые условия, то частично реакция окисления CO может происходить на поверхностях турбулентных молей газа в дозвуковой части сопла, колебательная энергия вновь образующихся молекул CO₂ релаксирует в тепло, накопление ее в азоте не происходит и не возникнет самоускоряющейся реакции.

2. Параметры смешивающихся газов подбирают и поддерживают в процессе протекания реакции в заданном диапазоне, исходя из условий, чтобы в зоне перемешивания компонент на мономолекулярном уровне в районе критического сечения сопла выполнялись условия.

а) Время перемешивания компонент на мономолекулярном уровне было не более времени химических реакций между молекулами реагирующих компонент.

В данном случае выдвигается естественное требование, чтобы перемешивание газов на мономолекулярном уровне было быстрее, чем скорости химических реакций. В противном случае запасенная колебательная энергия в молекулах за счет химических реакций будет успевать релаксировать и самоускоряющаяся реакция не пойдет.

б) Время химических реакций образования молекулы CO₂ было не более времени релаксации колебательной энергии молекулы CO₂.

Это условие означает, например, что скорость образования молекул CO₂ в реакции должна быть больше скорости релаксации колебательной энергии этой же молекулы после ее образования и обеспечивало возможность накопления колебательной энергии.

в) Время передачи колебательной энергии от нижнего колебательного уровня 001 молекулы CO₂ на нижний колебательный уровень молекулы N₂ должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекулы CO₂.

Это требование подразумевает, что при столкновении вновь образовавшейся колебательно возбужденной молекулы CO₂ с молекулами азота за счет Ферми-резонанса и подобранных начальных параметров смеси создаются условия, когда большая доля колебательной энергии передается азоту. В случае, когда в качестве накопителя колебательной энергии используется реагирующий компонент (CO), то к нему выдвигается вышеприведенное требование.

г) Время релаксации колебательной энергии молекулы N₂ и(или) CO должно быть не менее времени релаксации колебательной энергии молекулы CO₂.

Это условие соответствует тому факту, что за счет подобранных параметров газов создаются условия передачи колебательной энергии от вновь образующихся молекул CO₂ к азоту или к CO и накопления ее в них.

д) Время передачи колебательной энергии с нижнего колебательного уровня молекулы N₂ и(или) с CO₂ на нижний колебательный уровень молекулы CO должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул N₂ и CO.

Это условие означает, что при столкновении молекул горючего CO с молекулами азота значительная доля запасенной колебательной энергии в N₂ должна передаваться молекулам CO, либо в случае отсутствия буферного газа колебательная энергия сразу от молекул CO₂ передается молекулам CO.

е) Время релаксации колебательной энергии молекулы CO должно быть не менее времени протекания всей цепочки химических реакций образования молекулы CO₂.

Это требование необходимо, чтобы после передачи колебательной энергии от азота к CO колебательно возбужденные молекулы CO должны присутствовать во всей цепочке и во все время протекания реакций образования CO₂.

ж) Время релаксации колебательной энергии молекулы N₂ и(или) CO должно быть не менее пролетного времени смеси газов зоны индукции и зоны реакции.

Данное естественное требование нужно, чтобы на протяжении всей зоны индукции и зоны реакции молекулы CO подпитывались колебательной энергией от молекул азота.

Осуществление способа.

В случае выполнения в совокупности всех вышеперечисленных требований создаются условия, когда колебательная энергия вновь образующихся молекул CO₂, передается молекулам азота и "замораживается" в нем на некоторое время. Далее эта колебательная энергия передается молекулам CO, переводя их в возбужденное состояние. Для колебательно возбужденных молекул CO, в связи с присутствием колебательной температуры в экспоненциальном множителе коэффициента скорости реакции резко увеличивается количество молекул CO₂. Это, в свою очередь, приводит к возрастанию запасенной колебательной энергии газов и увеличению "накачки" молекул CO. Возникает лавинообразный процесс увеличения скорости реакции и выгорание данного вида горючего осуществляется взрывным способом.

Целью изобретения устройства газодинамического CO₂-лазера для осуществления способа создания инверсной населенности являются: - существенное улучшение характеристик активной среды лазера и увеличение удельного энергосъема с единицы расхода газов; - снижение начальной температуры смешивающихся газов, уменьшение давления газов в ресивере и энергетических затрат на сжатие газов; - увеличение высоты критического сечения сопел до 1 - 1,2 мм, исключение вибраций сопловых лопаток и увеличение их ресурса эксплуатации; - значительного уменьшения расходимости лазерного излучения, за счет уменьшения влияния на нее вибраций зеркал оптического резонатора; - создание экономически выгодного в эксплуатации технологического лазера, в том числе и для автономного перевозимого варианта.

Поставленная цель достигается конструкциями узлов и схемными решениями устройства, показанными на фиг. 1 - 4.

Устройство газодинамического CO₂-лазера (ГДЛ) включает в себя: камеры сгорания в качестве генераторов смеси компонент нагретого газа 1; ресивер, необходимый для равномерной подачи смеси газов в сопловой блок 2; сверхзвуковой сопловой блок 3, набираемый из плоских сопловых лопаток 4; инжекторное устройство для подачи второго из компонент холодного газа (смеси газов окислителя с азотом либо горючего), размещаемое в дозвуковой части соплового блока 5; проточную часть резонатора 6; оптический резонатор 7; сверхзвуковой и дозвуковой диффузоры лазера 8; газодинамическое окно для вывода лазерного излучения из резонатора 9; турбокомпрессор для подачи сжатого воздуха 10; выхлопную систему отработанных газов с эжектором 11; системы охлаждения узлов и агрегатов устройства.

Работа лазерного комплекса осуществляется следующим образом: поступающий атмосферный воздух 12 сжимается в турбокомпрессоре и далее воздух высокого давления 13 подается вначале между стенками ресивера 2, осуществляя регенерацию тепла, выделяемого в камерах сгорания 1, потом непосредственно в сами камеры сгорания 1, а также в инжекторный узел 5 через коллектор 14. Воздух низкого давления 15 из турбокомпрессора 10 поступает в газодинамическое окно 9 и на охлаждение узлов лазера 16. Камеры сгорания 1 размещены по боковой и торцевым поверхностям ресивера 2, что обеспечивает равномерное распределение параметров газа на входе в сопловой блок, минимальные газодинамические и тепловые потери.

Горячий компонент газов 17, поступающий из камер сгорания 1, подается в ресивере 2 на вход соплового блока 3, смешивается с холодным компонентом, поступающим через инжекторное устройство 5, и создается зона горения CO в районе критического сечения сопел 18. При этом в зависимости от параметров потоков газов горячего и холодных компонент отверстия инжекторного узла 5 размещены на оптимальном расстоянии (L_opt) от района критического сечения сопел, определяемого из соотношения: L_opt = ud²/D_t, где u - скорость смеси газов в дозвуковой части сопла, d - характерный размер инжекторного устройства, D_t - коэффициент турбулентной диффузии. Это условие означает, что перемешивание турбулентных молей компонент газов должно завершиться в районе критического сечения сопел 18.

Сопловые лопатки 4 имеют центральные каналы для охлаждения водой 19, которые стыкуются с подающим 20 и сливным 21 трубопроводами, а в дозвуковой части каналы 5 с отверстиями инжектора для подачи холодного газового компонента в основной поток газа. Кроме того, в районе критического сечения сопел 18 должны выполняться требования, чтобы время перемешивания газов на мономолекулярном уровне _см было не более времени химических реакций между молекулами реагирующих газов _хим, то есть _см< _хим. Время смешения на мономолекулярном уровне можно определить _см~ L²/D_м, где L - тепловой масштаб турбулентности потока газа, a D_M - коэффициент молекулярной диффузии. Тепловой масштаб турбулентности согласно теории А.Н. Колмогорова можно оценить из формулы L~ h/Re^3/4, где h - характерный размер высоты и ширины площадки постоянного критического сечения сопел 18, a Re - число Рейнольдса, определенное по характерному размеру h и параметрам газового потока. Тогда условие для выбора характерного размера h определяется следующим образом: h < ²_хим(u/)³D²_м, где u - скорость газа, a - кинематическая вязкость газа.

Ресивер 2 выполнен в виде сегмента тонкостенной трубы с двойными стенками и с помощью фланцев пристыковывается к фланцам корпуса соплового блока 22. Такая конструкция в рабочем режиме под давлением газов внутри позволяет улучшить уплотнения между корпусом соплового блока 22 и сопловыми лопатками 4, а, кроме того, растягивая их, уменьшает вибрации лопаток.

Оптический резонатор выполнен 4-х проходным, 6-ти зеркальным с двумя уголковыми отражателями 23, 24, обеспечивающим переворот пучка излучения по потоку газа в проточной зоне резонатора при каждом проходе излучения между зеркалами. При этом по одну сторону газового потока активной среды находится большой уголковый отражатель 23, а по другую сторону среды - блок зеркал, включающий малый уголковый отражатель 24, выходное выпуклое 25 и заднее вогнутое 26 зеркала, кроме того, ребра уголковых отражателей размещают перпендикулярно друг другу. Выходное пятно излучения имеет форму прямоугольника с вырезанным углом. Данная оптическая схема резонатора перед другими имеет следующие преимущества: - переворот пучка излучения позволяет получить распределение интенсивности излучения в выходном пучке близко к равномерному; - уменьшить влияние активной среды на расходимость излучения; - существенно уменьшает чувствительность резонатора к разъюстировкам зеркал под действием динамических и акустических нагрузок во время работы газодинамического тракта лазера и турбокомпрессора, а следовательно, уменьшить интегральную расходимость излучения.

Диффузор, предназначенный для торможения газа и восстановления статического давления 8, состоит из сверхзвуковой части, в которую входит суживающий канал, обеспечивающий плавный переход от прямоугольного сечения в круглое 27 и трубы постоянного сечения 28, а дозвуковая часть из усеченного расширяющегося конуса 29 и трубы постоянного сечения 30. При этом трубы конечной дозвуковой части диффузора 30 являются составным узлом эжектора 11 выхлопного устройства.

Лазерное устройство снабжено эжектором 11, в котором отходящие газы 31 из турбокомпрессора 10 используются для эжектирования выхлопных газов из газодинамического тракта непосредственно лазера 32. Это позволяет создать дополнительное разряжение на выходе диффузора лазера и уменьшить требуемое давление газов в ресивере 2, необходимое для запуска диффузора, что, в свою очередь, уменьшает требования к турбокомпрессору и удешевляет эксплуатацию комплекса. На выхлопе эжектора устанавливается шумоглушащее устройство 33, обеспечивающее уменьшение акустических воздействий от выхлопной струи газов 34 на оборудование и обслуживающий персонал.

Топливо для турбокомпрессора 10 и газогенераторов 1 подается с помощью насоса 35 из емкости 36 через систему трубопроводов 37 вначале в теплообменник 38, в котором хладагент, прокачиваемый с помощью насоса 39, через систему охлаждения 40 зеркал оптического резонатора 7 отдает тепло этому топливу. Кроме того, в лазерном устройстве используется электрогенератор 41, приводимый во вращение от вала турбокомпрессора. Такое техническое решение позволяет создать технологический лазер полностью автономный от внешних систем охлаждения и электропитания.

Использование способа и устройства для его реализации позволит улучшить следующие характеристики газодинамического CO₂-лазера: - значительно повысить коэффициент усиления и запасенную колебательную энергию активной среды, эффективность резонатора и выходную мощность излучения не менее чем в два раза по сравнению с равновесным режимом ГДЛ; - уменьшить начальную температуру смешивающихся газов до 1000 К и менее; - увеличить высоту критического сечения сопел, увеличить толщину сопловых лопаток, снять проблемы охлаждения их и значительно увеличить ресурс работы; - получить минимальную расходимость излучения (не более 1,5 мрад по уровню энергии 0,9) при большой мощности; - создать экономически выгодный технологический CO₂-лазер большой мощности.

Пример 1. Данный способ создания инверсной населенности был проверен на модельной газодинамической установке, которая включала в себя газогенератор, работающий на твердом топливе, ресивер, единичное щелевое сопло, систему подачи холодного воздуха через ряд отверстий инжектора в дозвуковой части сопла, вакуумную емкость и систему измерения коэффициента усиления. Высота критического сечения сопла была 0,3 мм, степень раскрытия сверхзвуковой части 40, а давление газов в ресивере изменялось в диапазоне 30 - 50 ат. Состав продуктов сгорания на выходе газогенератора включал в себя CO, H₂, N₂ и при дожигании его в воздухе (в газогенераторе) в обычном равновесном режиме ГДЛ при температуре 1800 К коэффициент усиления активной среды составлял 0,3 - 0,5 1/м, а запасенная колебательная энергия до 16 кДж/кг. В случае неравновесного режима дожигания смеси в воздухе в районе критического сечения сопла при температуре 1000 К и ниже, коэффициент усиления активной среды имел максимальную величину до 1 1/м, а запасенная колебательная энергия возросла до 25 кДж/кг. При этом темп релаксации колебательной энергии по потоку активной среды был значительно ниже, чем для равновесного режима ГДЛ.

Пример 2. Испытывалось устройство CO₂ - ГДЛ, включающее в себя камеру сгорания, работающую на продуктах сгорания керосина в воздухе, ресивер, сопловой блок, набранный из плоских сопловых лопаток, инжектор холодного воздуха представляющий собой гребенку из тонких трубок с отверстиями, которая имела возможность линейной подвижки относительно критического сечения сопловых лопаток, проточную часть резонатора, устойчивый и неустойчивый оптический резонаторы, диффузор, выхлопную систему, а в качестве источника сжатого воздуха - турбокомпрессор. Высота критического сечения сопел составляла 0,5 мм, степень раскрытия сверхзвуковой части сопла - 30, давление газов в ресивере 3 - 5 ат, при этом для неравновесного режима ГДЛ в камере сгорания керосин в воздухе сжигался с недостатком окислителя таким образом, что нарабатывалось определенное количество CO, которое дожигалось в районе критического сечения сопел при вдуве холодного воздуха в инжектор. Для равновесного режима ГДЛ полное сжигание топлива осуществлялось в камере сгорания, а в инжектор воздух не вдувался. Результаты экспериментов показали, что, если для равновесного режима ГДЛ при температуре продуктов сгорания 1700 К типичный максимальный коэффициент усиления активной среды составлял 0,4 - 0,5 1/м, запасенная колебательная энергия 12 кДж/кг, выходная мощность излучения из неустойчивого резонатора 4,5 кДж/кг, то для неравновесного режима ГДЛ и температуры подходящих газов менее 1000 К соответствующие величины коэффициента усиления, запасенной колебательной энергии и выходной мощности были 0,81 1/м, 23 кДж/кг и 8 кДж/кг. При этом неравновесный режим ГДЛ удавалось получить только при определенных параметрах смешивающихся газов и заданном оптимальном положении гребенки инжекторов относительно критического сечения сопел. Кроме того в неравновесном режиме ГДЛ наблюдался эффект полного выгорания в районе критического сечения сопел сажи, которая образовывалась в камере сгорания при сжигании в них керосина с недостатком окислителя.

Пример 3. Модельная установка ГДЛ испытывалась авторами работы [8], которая включала в себя: плазмотрон для нагрева воздуха, ресивер, сопловой блок, набранный из плоских лопаток, инжектор из гребенки трубок, устанавливаемый перед сопловым блоком и имеющий возможность линейной подвижки относительно его, выхлопную емкость и системы подачи компонент. Воздух плазмотроном нагревался до 1000 - 1100 К, а в инжектор вдувалось газообразное горючее - пропан, при этом высота критического сечения сопел была 1,2 мм, степень раскрытия сверхзвуковой части сопла - 25, а давление газов в ресивере 9 ат. Измерения коэффициента усиления показали, что если для равновесного режима ГДЛ и температуре газов 1600 К он не превышал 0,5 1/м, то для неравновесного режима при оптимальном положении инжектора относительно критического сечения сопел и температуре газов 1000 К его величина достигала 0,7 1/м.

Приведенные примеры экспериментально обосновывают и подтверждают новый способ осуществления инверсии активной среды в газодинамическом CO₂-лазере при низкой температуре газов в широком диапазоне параметров и существенное улучшение технических характеристик устройства, реализующего этот способ.

Источники информации 1. Андерсон Дж. "Газодинамические лазеры: введение". "Мир", 1979, с. 13-42.

2. Патент Франции N 604514, кл. H 01 S 3/0953, 1978.

3. Патент РФ N 2059333, кл. H 01 S 3/0953, 1996.

4. Аблеков В. К. и др. "Справочник по газодинамическим лазерам" - М.: "Машиностроение", 1982, с. 19, 20.

5. Патент РФ N 2065240, кл. H 01 S 3/0979, 1996.

6. Патент РФ N 2029421, кл. H 01 S 3/08, 1995.

7. Аблеков В. К. и др. "Справочник по газодинамическим лазерам" - М.: "Машиностроение", 1982, с. 12.

8. Заклязминский Л.А. и др. "Влияние пропана на коэффициент усиления в сверхзвуковом потоке", ФГВ N 6, 1980.

Формула изобретения

1. Способ создания инверсной населенности в газодинамическом CO₂-лазере, отличающийся тем, что включает в себя использование реакций окисления окиси углерода (СО) в присутствии кислородсодержащего окислителя, азота (N₂), водорода (Н₂) или паров воды (H₂O), предварительный нагрев одного из компонентов горючего в смеси с N₂, Н₂ (Н₂О) или окислителя в смеси с N₂, Н₂ (Н₂О) либо получение нагретых компонентов за счет сжигания углеводородных или твердых топлив, последующее смешение всех компонентов газов и создание зоны горения в районе критического сечения сверхзвукового сопла, при этом организуют струйное перемешивание компонент в дозвуковой части сопла таким образом, чтобы полное перемешивание газов на мономолекулярном уровне произошло в районе критического сечения сопла, а параметры смешивающихся газов подбирают и поддерживают в процессе протекания реакций в заданном диапазоне, исходя из условий, чтобы в зоне перемешивания компонент на мономолекулярном уровне в районе критического сечения сопла выполнялись условия: время перемешивания компонент на мономолекулярном уровне было не более времени химических реакций между молекулами реагирующих компонент; время химических реакций образования молекулы CO₂ было не более времени релаксации колебательной энергии молекулы CO₂; время передачи колебательной энергии от нижнего колебательного уровня 001 молекулы CO₂ на нижний колебательный уровень молекулы N₂ должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекулы CO₂; время релаксации колебательной энергии молекулы N₂ и (или) СО должно быть не менее времени релаксации колебательной энергии молекулы CO₂; время передачи колебательной энергии с нижнего колебательного уровня молекулы и N₂ и (или) с молекулы CO₂ на нижний колебательный уровень молекулы СО должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул N₂ и СО; время релаксации колебательной энергии молекулы СО должно быть не менее времени протекания всей цепочки химических реакций образования молекулы CO₂; время релаксации колебательной энергии молекулы N₂ и (или) СО должно быть не менее пролетного времени смеси газов зоны индукции и зоны реакции.

2. Устройство для осуществления инверсной населенности в газодинамическом СO₂-лазере при низкой температуре, включающее в себя емкости для хранения исходных компонент рабочей смеси газов или топлив; компрессоры и насосы подачи компонент; нагревательное устройство или камеры сгорания топлива; ресивер; сопловой блок, набираемый из плоских сопловых лопаток; проточную часть резонатора; оптический резонатор; диффузор; выхлопную систему отработанных газов; компрессор системы охлаждения; емкость хранения хладагента; теплообменник; газодинамическое окно для вывода лазерного излучения из резо