УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ ИЛИ ИХ СМЕСЕЙ
DEVICE FOR INVESTIGATION OF METAL POWDERS COMBUSTION PROCESS OR THEIR MIXTURES

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно неразрушающего контроля и диагностики оптическими методами, и может быть использовано для исследования процессов высокотемпературного горения порошков металлов, а также процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом.
Известна экспериментальная установка для исследования процесса горения нанопорошка алюминия в воздухе интенсивным лазерным излучением [V. Medvedev, V. Tsipilev, A. Reshetov, A.P. Ilyin, “Conditions of millisecond laser ignition and thermostability for ammonium perchlorate/aluminum mixtures,” Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol. 42, No 3, 2017. – Р. 243-246]. Используют неодимовый лазера с длиной волны 1,06 мкм, работающий в квазинепрерывном режиме, который освещает образец порошка алюминия. Путем изменения мощности излучения лазера определяют пороговые значения мощности. Время воздействия задается длительностью инициирующего лазерного импульса. Наблюдение за процессом осуществляют визуально невооруженным глазом.
Однако, с помощью этой экспериментальной установки невозможно вести наблюдение поверхности образцов с температурами несколько тысяч градусов, в частности, второй стадии горения нанопорошка алюминия. Интенсивная фоновая засветка препятствует изучению процесса в режиме реального времени. Количественная оценка временных параметров процесса горения при наблюдении невооруженным глазом практически невозможна.
Известно устройство для исследования высокотемпературных процессов при взаимодействии лазерного излучения с веществом с помощью лазерного проекционного микроскопа [Абрамов Д.В., Галкин А.Ф., Жаренова С.В., Климовский И.И., Прокошев В.Г, Шаманская Е.Л. Визуализация с помощью лазерного монитора взаимодействия лазерного излучения с поверхностью стекло- и пироуглерода // Известия Томского политехнического университета, Т. 312, № 2, 2008. – Р. 97–101], содержащий лазерный усилитель, с одной стороны от которого соосно установлены объектив и объект исследования, а с другой – система формирования изображения и система регистрации изображения. С помощь Nd-YAG лазера осуществляют нагрев поверхности углеродного образца. Система регистрации изображения выполнена на основе CMOS-сенсора, связанного с компьютером, а лазерный усилитель - на основе активной среды лазера на парах меди. Максимальная частота съемки системы регистрации изображения составляет 5000 кадров в секунду, частота работы лазерного усилителя составляет 16 кГц. Такой лазерный проекционный микроскоп позволяет визуализировать быстропротекающие процессы, сопровождающиеся интенсивной фоновой засветкой, с временным разрешением 0,2 мс и отображать их на экране компьютера.
В устройстве отсутствует синхронизация лазера, осуществляющего воздействие на объект, с системой наблюдения, отсутствует синхронизация работы лазерного усилителя и системы регистрации изображений, отсутствует возможность количественной оценки характеристик наблюдаемых процессов в режиме реального времени.
Известно устройство для исследования  процесса горения порошков металлов или их смесей [п. 2 ф-лы RU 2463634 С1, МПК G02B21/00 (2006/01), опубл. 10.10.2012], выбранный в качестве прототипа, содержащий лазерный усилитель, с одной стороны от которого вдоль оптической оси расположены объектив и объект исследования, а с другой размещена система формирования изображения. Лазерный усилитель выполнен на основе активной среды лазера на парах бромида меди и связан с полупроводниковым источником накачки. Система регистрации изображения выполнена на основе высокоскоростной CCD-камеры, установленной соосно с лазерным усилителем и связанной с персональным компьютером и схемой синхронизации, которая связана с полупроводниковым источником накачки.
Известное устройство позволяет наблюдать процесс горения, сопровождающийся интенсивной фоновой засветкой, записывать изображения и видео в память компьютера, которое необходимо в последующем обработать с помощью специальной программы для получения информации, но не позволяет инициировать процесс горения и количественно оценивать характеристики наблюдаемых процессов в режиме реального времени.
Предложенное устройство позволяет одновременно инициировать процесс горения и получать количественную информацию о временных характеристиках процессов горения порошков металлов и их смесей в режиме реального времени.
Устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей, также как в прототипе, содержит лазерный усилитель яркости на основе активного элемента на парах бромида меди, связанный с высоковольтным источником импульсов, с одной стороны от усилителя вдоль его оптической оси расположены первый объектив и объект исследования, цифровую камеру, установленную соосно с лазерным усилителем и связанную с персональным компьютером, задающий генератор.
Согласно изобретению на оптической оси инициирующего лазера последовательно расположены механический затвор, первая светоделительная пластина, первая двояковыпуклая линза и объект исследования, установленный на линейном трансляторе. Первый фотодиод установлен напротив первой фотоделительной пластины под углом к оптической оси лазера, равным углу отражения первой светоделительной пластины. С другой стороны усилителя яркости на его оптической оси последовательно установлены вторая светоделительная пластина, нейтральный фильтр, второй объектив, полосовой фильтр и цифровая камера. На оптической оси второго фотодиода последовательно расположены диффузор, вторая двояковыпуклая линза, нейтральный светофильтр, вторая светоделительная пластина. Вход синхроимпульсов цифровой камеры подключен к формирователю импульсов, который соединен с оптическим преобразователем. Вход включения записи цифровой камеры соединен с контроллером, который соединен с механическим затвором. Первый и второй фотодиоды соединены с цифровым осциллографом, который связан с персональным компьютером. Задающий генератор подключен к оптическому преобразователю, который соединен с источником высоковольтных импульсов.
В процессе горения порошков происходит изменение химического состава, изменение фаз и морфологии продуктов горения. Это приводит к изменению поверхности объекта исследования, в частности коэффициента отражения и отражательной способности. Усилитель яркости обладает свойством усиления излучения на определенной длине волны, то есть он одновременно является узкополосным фильтром. Если объект исследования излучает или отражает свет с определенной длиной волны, этот свет будет усилен. Процесс горения протекает при температуре не болеe 3000 °С. Таким образом энергия пламени на длине волны усилителя яркости в десятки раз меньше порога усиления.
В предлагаемом устройстве усилитель яркости является одновременно и осветителем, и усилителем. Импульсный режим работы усилителя яркости позволяет освещать объект исследования достаточно интенсивным светом, но значительно меньшим порога возгорания образца. При малых входных сигналах усилитель яркости имеет значительный коэффициент усиления (10-100), позволяющий получать на выходе сигнал, достаточный для регистрации фотодиодом. В результате напряжение на выходе второго фотодиода, наблюдаемое на осциллографе, находится в соответствии с изменением средней яркости сигнала усилителя яркости, и соответственно, с изменением отражающей способности поверхности объекта исследования, попадающей в область зрения усилителя яркости.
На фиг. 1 представлена схема устройства для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей.
На фиг. 2 представлены осциллограммы  сигналов, регистрируемых фотодиодами на экране осциллографа, где 1 - осциллограмма второго фотодиода, 2 - осциллограмма первого фотодиода.
Устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей (фиг. 1) содержит инициирующий лазер 1, на оптической оси которого последовательно расположены механический затвор 2, первая светоделительная пластина 3, первая двояковыпуклая линза 4 и объект исследования 5, установленный на линейном трансляторе 6. Первый фотодиод 7 установлен напротив первой фотоделительной пластины 3 под углом к оптической оси лазера, равным углу отражения первой светоделительной пластины 3. На оптической оси усилителя яркости 8 с одной стороны расположены первый объектив 9 и объект исследования 5, а с другой стороны – вторая светоделительная пластина 10, нейтральный фильтр 11, второй объектив 12, полосовой фильтр 13 и цифровая камера 14.
На оптической оси второго фотодиода 15 последовательно расположены диффузор 16, вторая двояковыпуклая линза или объектив 17, нейтральный светофильтр 18, вторая светоделительная пластина 10. Цифровая камера 14 подключена к персональному компьютеру 19. Вход синхроимпульсов цифровой камеры 14 подключен к формирователю импульсов 20 (ФИ), который соединен оптоволоконным кабелем с оптическим преобразователем 21 (ОП). Вход включения записи цифровой камеры 14 соединен с контроллером 22 (К).
Первый 7 и второй 15 фотодиоды соединены с цифровым осциллографом 23 (ОСЦ), который связан с персональным компьютером 19 (ПК). Задающий генератор 24 (ЗГ) подключен к оптическому преобразователю 21 (ОП), который соединен оптоволоконным кабелем с источником высоковольтных импульсов 25 (ИВИ), который подключен к усилителю яркости 8. Механический затвор 2 соединен с контролером 22.
В качестве лазера 1 использован, например, твердотельный лазер с диодной накачкой с длиной волны излучения 532 нм. Механическим затвором 2 может быть, затвор фирмы Thorlabs SHB1. Использован линейный транслятор 6, обеспечивающий линейное перемещение с ручной регулировкой, например, 7T173-25 фирмы Standa. В качестве первого 7 и второго 15 фотодиодов могут быть использованы быстродействующие фотодиоды Thorlabs DET10A/M с временем отклика 1 нс. Усилитель яркости 8 выполнен на основе активного элемента на парах бромида меди. Нейтральный фильтр 11 представляет собой, например, нейтральное стекло марки НС-9 [http://www.elektrosteklo.ru/Color_Glass_Spectral_Transmittance.pdf]. В качестве задающего генератора  24 (ЗГ) использован генератор SFG-72120 фирмы GW Instek. Оптический преобразователь 21 (ОП) выполнен на основе комплектов оптоэлектронных устройств Avago Technologies HFBR-RXXYYY Series. Источник высоковольтных импульсов 25 (ИВИ) выполнен по схеме с импульсным зарядом накопительной емкости [Троицкий В.О., Димаки В.А., Филонов А.Г. Источник питания для лазера на парах бромида меди // Приборы и техника эксперимента. 2016. № 3. - С. 57-60]. Может быть использован контроллер затвора фирмы Thorlabs в качестве контроллера 22 (К). Цифровая камера 14 –камера HiSpec 1 фирмы Fastec.
Излучение инициирующего лазера 1, устанавливают на уровне, достаточном для инициирования процесса горения, например, 100-200 мВт в непрерывном режиме. Контроллер 22 (К) по заданию оператора формирует импульс, который открывает механический затвор 2 и включает запись на цифровой камере 14. После открытия механического затвора 2, излучение с помощью линзы 4 фокусируется на объект исследования 5. Первая светоделительная пластина 3 отражает часть излучения, которое поступает на первый фотодиод 7. Таким образом, первый фотодиод 7 регистрирует начало воздействия инициирующего излучения на объект исследования 5, например, образец нанопорошка алюминия, которому предварительно придана форма параллелепипеда.
Спустя некоторое время после начала воздействия, образец порошка загорается и происходят изменения его поверхности.
С помощью задающего генератора 24 (ЗГ), оптического преобразователя 21 (ОП) и источника высоковольтных импульсов 25 (ИВИ) формируют импульсы накачки усилителя яркости 8, которые создают излучение сверхсветимости усилителя яркости 8, которое фокусируют на объекте исследования 5 при помощи первого объектива 9, перемещая объект исследования 5 на линейном трансляторе 6. Отраженный от объекта исследования 5 сигнал собирают и направляют на вход усилителя яркости 8 объективом 9. Проходя через активную среду усилителя яркости 8, сигнал усиливается. Часть света с помощью второй светоделительной пластины 10 направляется в сторону второго фотодиода 15, при этом масштабируется по интенсивности с помощью нейтрального светофильтра 18, и проецируется второй двояковыпуклой линзой 17 или объективом через диффузор 16 на второй фотодиод 15. Другая часть излучения с выхода усилителя яркости 8 проходит через вторую светоделительную пластину 10, масштабируется с помощью нейтрального светофильтра 11, и проецируется вторым объективом 12 на матрицу цифровой камеры 14. Полосовой фильтр 13 пропускает только монохроматическое излучение. Последовательность кадров цифровой камеры 14 передается в персональный компьютер 19 (ПК) для последующего хранения и обработки.
Усилитель яркости 8 работает в импульсно-периодическом режиме, который реализуется путем формирования высоковольтных импульсов. Каждый импульс производит изображение объекта исследования 5, средняя яркость которого регистрируется вторым фотодиодом 15. Таким образом, на выходе второго фотодиода 15 формируется последовательность импульсов с частотой работы усилителя яркости 8, например, 20 кГц, и амплитудой, соответствующей отраженному от поверхности объекта исследования 5 излучению. Огибающая этой последовательности импульсов на выходе второго фотодиода 15 дает информацию об изменении отражательной способности поверхности объекта исследования 5 в зоне наблюдения (фиг. 2). Сигналы с первого 7 и второго 15 фотодиодов отображаются на осциллографе 23 (ОСЦ) и передаются в персональный компьютер 19 (ПК) для последующего хранения или обработки. Передача осуществляется по каналу USB или посредством карты памяти.