СИСТЕМА ВОССТАНОВЛЕНИЯ СОСТАВА И ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В ЛАЗЕРЕ
SYSTEM FOR RESTORING GAS COMPOSITION AND PRESSURE IN LASER

6
2
Изобретение относится к устройствам для восстановления состава и давления смеси газов в химическом лазере в процессе его работы. Химические лазеры, работающие, например, на смеси SF и Н, имеют существенный недостаток, заключающийся в изменении давления газа и соотношения компонентов рабочей смеси в процессе работы из-за протекающих химических реакций и необходимости очистки рабочей смеси от продуктов химической реакции, что приводит, по меньшей мере, к снижению мощности и времени работы лазера.
Известен активный элемент газового лазера (авт. свид. СССР №1099806, H01S 3/036, опубл. 27.04.1997), содержащий рабочий объем с основными электродами и балластный резервуар, в котором расположен дополнительный электрод, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности саморегулирования давления газа, уменьшения времени выхода на рабочий режим и повышения надежности, балластный резервуар соединен с рабочим объемом со стороны основного электрода, имеющего одинаковую полярность с дополнительным электродом, дополнительный электрод подключен через стабилизатор напряжения к другому основному электроду, при этом объем балластного резервуара составляет не менее 80% объема активного элемента лазера.
Основной недостаток известной конструкции активного элемента газового лазера с рабочим объемом и балластным резервуаром заключается в том, что он малоэффективен для использования в импульсных электроразрядных газовых лазерах из-за сложности формирования электрических разрядов, достигающих нескольких сотен киловольт, в двух объемах одновременно. Данная конструкция не обеспечит равномерную подачу газа из балластного объема в корпус лазера, что приведет к уменьшению мощности генерируемого лазерного излучения. К тому же, согласно названному авторскому свидетельству, балластный резервуар должен быть достаточно объемным (не менее 80% объема активного элемента лазера), что приведет к существенному увеличению массы и габаритов всего лазера.
Наиболее близким к заявляемому устройству является система восстановления давления (патент РФ №2222849, H01S 3/00, опубл. 27.01.2004), которая содержит соединенные между собой сверхзвуковой диффузор, теплообменник и сверхзвуковой эжектор с газогенератором горячего газа и системами подачи компонент и охлаждения. Длина каналов горла сверхзвукового диффузора, образованного пилонами, сечение горла диффузора и толщина пилонов выбираются из определенных условий.
Недостатком прототипа является сложность конструкции, обусловленная необходимостью обеспечивать сверхзвуковой и дозвуковой режимы течения газа с их охлаждением и подачей газа из газогенератора. Вследствие этого названная система восстановления давления обладает низкой надежностью работы и имеет большие габаритно-массовые показатели и высокую стоимость изготовления.
Задачей, решаемой заявляемым устройством, является восстановление состава и давления смеси газов, изменяющихся вследствие протекающих химических реакций и необходимости очистки газовой смеси от продуктов химической реакции в процессе работы лазера.
Техническим результатом является повышение времени работы лазера при сохранении требуемых энергетических и спектральных параметров лазерного излучения с помощью заявляемого устройства при его минимальной массе и габаритах, простоте конструкции и малой стоимости изготовления.
Технический результат достигается тем, что в заявляемой системе, состоящей из устройства регулирования подачи газа и трубопроводов, устройство регулирования подачи газа содержит баллон с газовой смесью с заданным соотношением компонентов, соединенный трубопроводом с лазером через регулятор давления, соединенный, в свою очередь, с устройством контроля давления, внутри лазера размещены два коаксиально расположенных и заглушенных с торцов трубопровода, образующих общую полость с трубопроводом, соединяющим регулятор давления с лазером, во внутреннем коаксиально расположенном трубопроводе выполнено, по меньшей мере, одно отверстие, наружный трубопровод содержит, по меньшей мере, два выходящие в полость лазера отверстия. Отверстия в трубопроводах могут быть выполнены в виде диффузора.
Коаксиально расположенные трубопроводы могут быть соединены между собой перегородками, содержащими отверстия.
2
6
В баллоне может содержаться газовая смесь из H и SF, находящаяся под давлением до 3-3,5 МПа в соотношении объемов компонентов (2…3):1 соответственно.
Устройство контроля давления может содержать, по меньшей мере, один датчик измерения давления газа в корпусе лазера.
Регулятор давления, соединенный трубопроводом с баллоном с газом и лазером, обеспечивает требуемое давление в лазере в процессе его работы путем подачи необходимого количества газа из баллона в лазер. При более интенсивной работе лазера, сопровождаемой существенной убылью газа, а значит, и резким падением давления, регулятор давления увеличит подачу газа в лазер. И, наоборот, если давление в лазере не изменяется, исполнительный механизм регулятора давления закроется, подача газа в лазер прекратится.
В зависимости от решаемых задач требуется изменение параметров лазерного излучения, регулируемых с помощью давления газа в лазере. Необходимая величина давления обеспечивается в заявляемой системе с помощью устройства контроля давления, которое соединено с регулятором давления, и имеет возможность управлять им для осуществления указанной функции. Устройство контроля давления для получения информации по величине давления в лазере может использовать сигнал от регулятора давления. Однако, учитывая относительную удаленность регулятора давления от лазера, измеряемое в нем давление будет несколько отличаться от давления в лазере. Более достоверную информацию по давлению газа в лазере устройство контроля давления может получить от содержащегося в ней датчика давления, вмонтированного непосредственно в корпус лазера.
Для устойчивой генерации лазерного излучения важно, чтобы газ по всему объему, где происходит генерация, имел как можно более равномерное значение давления. Наличие внутри лазера двух трубопроводов, размещенных коаксиально и заглушенных с торцов, образующих общую полость с трубопроводом, соединяющим регулятор давления с лазером, содержащих во внутреннем трубопроводе, по меньшей мере, одно отверстие, в наружном трубопроводе, по меньшей мере, два выходящих в полость лазера отверстия, позволяет подать газ с равномерным распределением давления по объему лазера. Это достигается тем, что газ из внутреннего трубопровода, поступая в наружный трубопровод, распространяется по всему его объему, «теряя турбулентность», а затем равномерно, без вихрей истекает из отверстий в полость лазера, обеспечивая практически одинаковое давление по всему объему области генерации лазерного излучения. Выполнение отверстий в трубопроводах в виде диффузора направлено на более равномерное распределение давления газа в лазере.
Более равномерному распределению давления газа способствуют содержащие отверстия перегородки, соединяющие коаксиально расположенные трубопроводы между собой. Это обусловлено наличием гидравлического сопротивления, которое снижает турбулентность газового потока. Кроме того, перегородки повышают прочность и жесткость конструкции, делая ее более долговечной.
2
6
6
2
2
6
6
В импульсно-периодических электроразрядных лазерах, осуществляющих генерацию лазерного излучения в инфракрасном диапазоне спектра, используется смесь газов H и SF, находящаяся в соотношении объемов компонентов SF:H=(6…9):1. Так как в процессе химической реакции скорость выработки H превышает скорость выработки SF, то для восстановления состава названной смеси в процессе работы лазера целесообразно использовать смесь этих же газов, находящихся в соотношении объемов компонентов (2…3):1 соответственно. С целью обеспечения работоспособности системы восстановления давления газа в лазере в диапазоне температур выше 0°C давление газовой смеси в баллоне не должно превышать 3-3,5 МПа. В противном случае при температурах, близких к 0°C, газ SF начинает преобразовываться в жидкое агрегатное состояние, в результате чего его уже невозможно будет подавать в лазер.
На фиг.1 приведена схема заявляемого устройства:
1 - лазер с электродами;
2 - баллон с газом;
3 - регулятор давления;
4 - устройство контроля давления;
5 - внутренний коаксиальный трубопровод;
6 - наружный коаксиальный трубопровод;
7 - отверстие во внутреннем коаксиальном трубопроводе;
8 - отверстие в наружном коаксиальном трубопроводе;
9 - датчик измерения давления;
10 - трубопровод;
11 - перегородка;
12 - отверстие в перегородке.
2
6
В качестве примера конкретного исполнения можно рассмотреть систему восстановления давления для химического электроразрядного импульсно-периодического лазера с энергией в импульсе до 50 Дж. Лазер наполнен смесью газов H и SF, находящейся под давлением от 7 до 20 кПа.
2
6
2
6
В состав системы входят (см фиг.1) размещенный в непосредственной близости от лазера поз.1 баллон поз.2 со смесью газов H и SF. Объем баллона равен 40 л. Давление газовой смеси в баллоне составляет 3-3,5 МПа при соотношении объемов компонентов H и SF (2…3):1 соответственно. В системе используются регулятор давления поз.3 и устройство контроля давления поз.4 голландской фирмы «Бронхорст», питающиеся от электрической сети постоянного тока напряжением 24 В. Трубопроводы поз.10, герметично соединяющие баллон с газом поз.2, регулятор давления поз.3 и лазер поз.1, выполнены из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т, с внутренним диаметром 8-10 мм. Внутренний коаксиальный трубопровод поз.5 имеет внутренний диаметр 6-7 мм, а наружный 10-11 мм. У наружного коаксиального трубопровода поз.6 внутренний диаметр составляет 34-35 мм, наружный 40-41 мм. И первый, и второй трубопроводы выполнены из стали 12Х18Н10Т, заглушены с торцов и образуют общую полость с трубопроводом 10. Диаметры отверстий, выполненных в указанных трубопроводах для прохода газа в полость лазера, составляют во внутреннем 5-7 мм, в наружном 18-25 мм. Следует отметить, что названные отверстия могут иметь специальный профиль, например, в виде диффузора, позволяющий более равномерно распределять газ по объему лазера поз.1. Трубопроводы поз.5 и 6 соединены перегородками поз.11, в которых выполнены отверстия поз.12. Для измерения давления в лазере используется датчик поз.9 типа АИР-10-S-ДИ, входящий в состав устройства контроля давления поз.4.
Система восстановления давления газа работает следующим образом. В зависимости от требований к параметрам лазерного излучения в устройство контроля давления поз.4 вводится то значение давления газа в лазере поз.1, которое необходимо поддерживать в процессе его работы (например, 15 кПа). Возможен ввод в устройство контроля давления поз.4 алгоритма, предусматривающего изменение давления газа в процессе работы лазера. Во время работы лазера поз.1 на электроды подаются высоковольтные импульсы электрического тока, инициирующие генерацию лазерного излучения. С датчика измерения давления поз.9 в устройство контроля давления поз.4 поступают данные по давлению газа в лазере поз.1. Как только в лазере поз.1 давление газа снизится из-за выработки газа и осаждения вредных компонентов на фильтре (на фиг.1 не показан) ниже допустимого значения, устройство контроля давления поз.4 подаст команду на срабатывание регулятора давления поз.3, в результате чего газовая смесь из баллона поз.2 в необходимом количестве начнет поступать через трубопровод поз.10 и через отверстия поз.7, 12 и 8 в полость лазера поз.1. Давление газа восстановится до нужного значения.
Такая схема подачи газа обеспечит равномерное распределение газа по всему объему межэлектродного промежутка, в результате чего произойдет надежная генерация лазерного излучения с требуемыми параметрами луча.
Масса рассматриваемой системы составляет всего 100-150 кг при массе лазера 3-4 т, а стоимость менее 1% стоимости изготовления лазера.