УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ ИЛИ ИХ СМЕСЕЙ
DEVICE FOR INVESTIGATION OF COMBUSTION PROCESS OF POWDERS OF METALS 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 установка для исследования процесса горения нанопорошка алюминия в воздухе интенсивным лазерным излучением [V. Medvedev, V. Tsipilev, A. Reshetov, A.Р. Ilyin, "Conditions of millisecond laser ignition and thermostability for ammonium percMorate/aluminum mixtures," Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol. 42, No 3, 2017. - P. 243-246], которая содержит неодимовый лазер с длиной волны 1,06 мкм, работающий в квазинепрерывном режиме для освещения образца порошка алюминия. Изменяя мощность излучения лазера определяют пороговые значения мощности. Время воздействия задается длительностью инициирующего лазерного импульса. Наблюдение за процессом осуществляют визуально невооруженным глазом.
Однако с помощью этой установки невозможно вести наблюдение поверхности образцов с температурами несколько тысяч градусов, в частности, второй стадии горения нанопорошка алюминиия. 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 B.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 исследования, с системой наблюдения, отсутствует синхронизация работы лазерного усилителя и системы регистрации изображений, отсутствует возможность изменения области наблюдения во время исследования. Устройство имеет малый диаметр зоны наблюдения и близкое расстояние между объектом исследования и оптической схемой.
Известно устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей [RU 2685040 C1, G02B 21/00 (2006.01), опубл. 16.04.2019], выбранное в качестве прототипа, содержащее 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. Цифровая камера установлена соосно с лазерным усилителем и связана с персональным компьютером. 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, равном углу отражения первой светоделительной пластины. С другой стороны усилителя яркости на его оптической оси последовательно установлены вторая светоделительная пластина, нейтральный светофильтр, 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.
Это устройство не позволяет регистрировать полную яркость свечения объекта исследования и записывать процесс горения в собственном свете, отсутствует возможность сканирования объекта исследования, наблюдение возможно только в заранее заданной области, которая не изменяется в процессе исследования. Устройство имеет малый диаметр зоны наблюдения и близкое расстояние между объектом исследования и объективом, формирующим изображение, что не позволяет исследовать процесс горения дистанционно. Так как горение порошков металлов или их смесей может протекать с существенным разлетом продуктов сгорания (десятки сантиметров), работа на таком устройстве приводит к выходу из строя оптических элементов.
Техническим результатом предложенного устройства является возможность одновременной записи изображения и видео процесса горения в собственном свете и через усилитель яркости, регистрация полной яркости свечения объекта исследования, возможность дистанционного исследования процесса горения порошков металлов и их смесей, возможность перемещения области наблюдения вдоль объекта исследования с регулируемой скоростью в режиме реального времени, а также повышение безопасности при работе с горючими веществами.
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, к которому подключен оптический преобразователь, который соединен с задающим генератором, с одной стороны лазерного усилителя яркости на его оптической оси последовательно установлены нейтральный светофильтр, первый объектив, полосовой светофильтр и первая цифровая камера, вход включения записи которой соединен с контроллером, который соединен с механическим затвором, первая цифровая камера связана с персональным компьютером, на оптической оси инициирующего лазера последовательно расположены механический затвор, первая светоделительная пластина, первая двояковыпуклая линза и линейный транслятор для размещения объекта исследования, первый фотодиод установлен напротив первой фотоделительной пластины под углом к оптической оси лазера, равном углу отражения первой светоделительной пластины, первый и второй фотодиоды соединены с осциллографом.
Согласно изобретению, с другой стороны от лазерного усилителя яркости, на его оптической оси, последовательно расположены собирающая линза и вогнутое зеркало, установленное на поворотной платформе, которая через привод соединена с шаговым двигателем, обмотки которого соединены с контроллером шагового двигателя. Линейный транслятор расположен вдоль оптической оси вогнутого зеркала. На оптической оси второй цифровой камеры установлены второй объектив, второй полосовой светофильтр и объект исследования. Вторая цифровая камера соединена с персональным компьютером. Второй фотодиод установлен над объектом исследования с возможностью регулирования расстояния до него. Вход синхроимпульсов и вход включения записи первой цифровой камеры подключены к схеме синхронизации, которая соединена с оптическим преобразователем, с контроллером механического затвора, кнопочной клавиатурой и контроллером шагового двигателя.
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. Причем, эти изменения протекают по-разному в разных частях объекта исследования. Лазерный усилитель яркости обладает свойством усиления излучения на длине волны генерации, то есть он одновременно является узкополосным фильтром. Если объект исследования излучает или отражает свет с этой длиной волны, то свет будет усилен. Процесс горения протекает при температуре не более 3000°С. Таким образом, энергия пламени на длине волны генерации лазерного усилителя яркости в десятки раз меньше порога усиления и не оказывает влияния на формирование изображения.
В предлагаемом устройстве лазерный усилитель яркости является одновременно и осветителем, и усилителем. Импульсный режим работы усилителя яркости позволяет освещать объект исследования светом, достаточным для последующего отражения и усиления, но значительно меньшим порога возгорания образца. При малых входных сигналах лазерный усилитель яркости имеет значительный коэффициент усиления (10-100), позволяющий получать на выходе сигнал, достаточный для регистрации цифровой камерой. В результате, даже при значительном отдалении объекта исследования от усилителя яркости, изображение, регистрируемое первой цифровой камерой, имеет контрастность, достаточную для визуального и автоматизированного анализа.
Использование вогнутого зеркала и собирающей линзы позволило увеличить область наблюдения и дальность наблюдения. Использование поворотной платформы позволяет перемещать область наблюдения вдоль объекта исследования с регулируемой скоростью в режиме реального времени.
Возможность дистанционного исследования процесса горения порошков металлов и их смесей повысила безопасность работы с горючими веществами.
На фиг. 1 представлена схема устройства для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей.
На фиг. 2 представлены осциллограммы сигналов фотодиодов, где кривая 1 демонстрирует инициирующее излучение, зарегистрированное первым фотодиодом 20, кривая 2 - полная яркость свечения объекта исследования 7, зарегистрированная вторым фотодиодом 21.
На фиг. 3 представлены изображения процесса горения нанопорошка алюминия, записанные первой 11 второй 13 камерами в собственном свечении без использования лазерного усилителя яркости 1, на которых обозначены значения времени в секундах от начала инициирования.
На фиг. 4 представлены изображения процесса горения нанопорошка алюминия, записанные первой 11 второй 13 камерами с использованием предлагаемого устройства для исследования процесса горения, на которых обозначенные те же моменты времени, что на фиг. 3.
Устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей (фиг. 1) содержит лазерный усилитель яркости 1, на оптической оси которого с одной стороны последовательно расположены собирающая линза 2, вогнутое зеркало 3, установленное на поворотной платформе 4, которая кинематически через привод соединена с шаговым двигателем, обмотки которого соединены с контроллером 5 (КД).
Вдоль оптической оси вогнутого зеркала 3 расположен линейный транслятор 6, на котором размещен объект исследования 7.
С другой стороны усилителя яркости 1 на его оптической оси последовательно установлены нейтральный светофильтр 8, первый объектив 9 (О1), первый полосовой светофильтр 10 и первая цифровая камера 11, которая соединена с персональным компьютером 12 (ПК).
На оптической оси второй цифровой камеры 13 установлены второй объектив 14 (О2), второй полосовой светофильтр 15, объект исследования 7. Вторая цифровая камера 13 соединена с персональным компьютером 12 (ПК).
На оптической оси инициирующего лазера 16 последовательно расположены механический затвор 17, светоделительная пластина 18, двояковыпуклая линза 19 и объект исследования 7, который расположен на линейном трансляторе 6 так, что он находится на оптической оси вогнутого зеркала 3.
Первый фотодиод 20 установлен напротив светоделительной пластины 18 под углом к оптической оси лазера 16, равном углу отражения светоделительной пластины 18. Второй фотодиод 21 установлен над объектом исследования 6 на штативе с возможностью регулировки расстояния до объекта исследования 7. Первый 20 и второй 21 фотодиоды соединены с осциллографом 22 (ОСЦ).
Вход синхроимпульсов и вход включения записи первой цифровой камеры 11 подключены к схеме синхронизации 23 (СС), которая соединена с оптическим преобразователем 24 (ОП), с контроллером механического затвора 26 (К), кнопочной клавиатурой 25 (КЛ), и контроллером шагового двигателя 5 (КД). Контроллер затвора 26 (К) соединен с механическим затвором 17. Задающий генератор 27 (ЗГ) подключен к оптическому преобразователю 24 (ОП), который соединен с источником высоковольтных импульсов 28 (ИВИ), который подключен к усилителю яркости 1.
Усилитель яркости 1 выполнен на основе активного элемента на парах бромида меди. Использована поворотная платформа 3, например, Zolix RSA200. В качестве контроллера шагового двигателя 5 (КД) использован, например, контроллер Yako YKC2405m. Использован линейный транслятор 7, например, 7Т173-25 фирмы Standa. Нейтральный светофильтр 8 представляет собой, например, нейтральное стекло марки НС-9. Первый полосовой светофильтр 10 выполнен в виде интерференционного фильтра с полосой пропускания 510±5 нм. Второй полосовой светофильтр 15 представляет собой, например, цветное стекло ОС-13 [http://www.elektrosteklo.ru/Elektrosteklo_Color_Glass_Spectral_Transmittance.pdf]. Первый Первый объектив 9 (О1) представляет собой, например, объектив Navitar DO-5095. Второй объектив 14 (О2) представляет собой, например, объектив Canon Macro Lens EF 100 мм. Для записи изображения использована камера Phantom Miro C110 в качестве первой цифровой камеры 11 и камера ELP-USBFHDO1M-MFV в качестве второй цифровой камеры 13. В качестве первого 20 и второго 21 фотодиодов могут быть использованы быстродействующие фотодиоды Thorlabs DET10A/M с временем отклика 1 нс. В качестве лазера 16 использован, например, твердотельный лазер с диодной накачкой с длиной волны излучения 532 нм. Механическим затвором 17 может быть, затвор фирмы Thorlabs SHB1. Схема синхронизации 23 реализована, например, на микроконтроллере ATMEGA328p. Может быть использован контроллер затвора фирмы Thorlabs в качестве контроллера 26 (К). В качестве задающего генератора 27 (ЗГ) использован генератор SFG-72120 фирмы GW Instek. Оптический преобразователь 24 (ОП) выполнен на основе комплектов оптоэлектронных устройств Avago Technologies HFBR-RXXYYY Series. Источник высоковольтных импульсов 28 (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].
Излучение сверхсветимости усилителя яркости 11, при помощи собирающей линзы 2 и вогнутого зеркала 3, фокусируют на объекте исследования 7, например, на образце нанопорошка алюминия, которому предварительно придана форма параллелепипеда, перемещая его на линейном трансляторе 7 в направлении вдоль оптической оси вогнутого зеркала 3 (стрелки на фиг. 1). Отраженный от объекта исследования 7 сигнал собирают вогнутым зеркалом 3 и собирающей линзой 2 и направляют на вход усилителя яркости 1. Проходя через активную среду усилителя яркости 1, сигнал усиливается. Излучение с выхода усилителя яркости 1 масштабируется с помощью нейтрального фильтра 8, и проецируется первым объективом 9 на матрицу цифровой камеры 11. Первый полосовой светофильтр 10 пропускает только монохроматическое излучение. Последовательность кадров первой цифровой камеры 11 передается в персональный компьютер 12 (ПК) для последующего хранения и обработки.
С помощью задающего генератора 27 (ЗГ), оптического преобразователя 24 (ОП) и источника высоковольтных импульсов 28 (ИВИ) формируют импульсы накачки усилителя яркости 1, которые создают излучение сверхсветимости. Усилитель яркости 1 работает в импульсно-периодическом режиме, который реализуется путем формирования высоковольтных импульсов накачки. Каждый импульс производит изображение объекта исследования 7, запись которого первой камерой 1 синхронизуется с помощью схемы синхронизации 23 (СС).
Излучение инициирующего лазера 16 устанавливают на уровне, достаточном для инициирования процесса горения, например, 100-200 мВт в непрерывном режиме. По нажатию оператором кнопки начала исследования на клавиатуре 25 (КЛ), схема синхронизации 23 (СС) формирует сигнал, по которому контроллер 26 (К) формирует сигнал для открытия механического затвора 17 и включения записи на первой цифровой камере 11. После открытия механического затвора 17, излучение инициирующего лазера 16 с помощью линзы 19 фокусируется на объекте исследования 6. Светоделительная пластина 18 отражает часть излучения, которое поступает на первый фотодиод 20. Таким образом, первый фотодиод 20 регистрирует начало воздействия инициирующего излучения на объект исследования 7. Типичный вид сигнала, регистрируемого первым фотодиодом 20, показан кривой 1 на фиг. 2.
Спустя некоторое время после начала воздействия инициирующего лазера 16, объект исследования 7 (образец порошка) загорается, и происходит изменение яркости собственного свечения, регистрируемого вторым фотодиодом 21. На фиг. 2 сигнал второго фотодиода 21 показан кривой 2. Сигнал яркости собственного свечения позволяет проводить оценку длительности горения всего объекта исследования 7, а также анализировать монотонность горения, наличие максимумов и минимумов.
Процесс горения объекта исследования 7 в собственном свете записывается второй цифровой камерой 13 через объектив 14 и второй полосовой фильтр 15. Кадры процесса горения нанопорошка алюминия, записанные на вторую цифровую камеру 13 в собственном свечении без применения усилителя яркости, показаны на фиг. 3. Запись в собственном свечении позволяет качественно оценить характер горения, его монотонность, стадии, наличие разлета продуктов сгорания, количество областей локализации, скорость распространения тепловых волн. Однако, поверхность образца сильно засвечивается, что не позволяет наблюдать детали изменения поверхности непосредственно в области горения. Использование усилителя яркости 1 на парах металла (бромида меди) позволяет наблюдать изменение поверхности объекта исследования 7 непосредственно в области горения.
В процессе горения фронт горения распространяется вдоль объекта исследования 7 и смещается за пределы области наблюдения, установленной вначале исследования. Для того чтобы фронт горения в течение всего исследования находился в области наблюдения, осуществляют поворот платформы 4 в сторону распространения фронта горения. Скорость вращения платформы 4 перед началом исследования задают с помощью клавиатуры 25 (КЛ) и корректируют в процессе исследования, используя схему синхронизации 23 (СС) и контроллер шагового двигателя 5 (КД). Поворот платформы 4 осуществляют в интервалах между регистрацией кадров первой цифровой камерой 11. Кадры скоростной записи процесса горения нанопорошка алюминия, записанные на первую цифровую камеру 11, показаны на фиг. 4.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет наблюдать за движением фронта горения и исследовать характер горения в различных частях образца.