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

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

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]

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

Запишем окончательный вид решения с учетом граничных условий и физического смысла задачи

0(х,г) = Ддс,т)-

-Т = •"о

2qy/ax

ехр(-

XV к

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

у/пХ