УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ ИЛИ ИХ СМЕСЕЙ
DEVICE FOR RESEARCHING THE PROCESS OF COMBUSTION OF METAL NANOPOWDERS 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.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], которая содержит неодимовый лазер с длиной волны 1,06 мкм, работающий в квазинепрерывном режиме для освещения образца нанопорошка 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 температурой 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 процесса горения нанопорошков металлов или их смесей [RU 2712756 C1, МПК G02B 21/00 (2006.01), опубл. 31.01.2020], выбранное в качестве прототипа, которое 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. 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. На оптической оси инициирующего лазера последовательно расположены механический затвор, первая светоделительная пластина, первая двояковыпуклая линза и линейный транслятор для размещения объекта исследования. Линейный транслятор расположен вдоль оптической оси вогнутого зеркала. Первый фотодиод установлен напротив первой фотоделительной пластины под углом к оптической оси лазера, равном углу отражения первой светоделительной пластины. Второй фотодиод установлен над объектом исследования с возможностью регулирования расстояния до него. Первый и второй фотодиоды соединены с осциллографом. На оптической оси второй цифровой камеры установлены второй объектив, второй полосовой светофильтр и объект исследования. Первая и вторая цифровые камеры соединены с персональным компьютером. 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 этом 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. Устройство позволяет исследовать объекты с высоким отражением даже на значительном отдалении объекта исследования от усилителя яркости, но в то же время не обеспечивает достаточную для визуального и автоматизированного анализа яркость и контрастность при наблюдении поверхности объектов с малым отражением. Кроме того, это устройство не позволяет осуществлять лазерную подсветку объекта исследования синхронно с усилением отраженного от него света и регистрацией изображений цифровой камерой, а также не позволяет изменять освещенность поверхности объекта на длине волны усиления, не изменяя параметров работы лазерного усилителя яркости.
Техническим результатом предложенного устройства является повышение яркости и контрастности изображений поверхности нанопорошков металлов или их смесей, одновременная реализациях режимов лазерного мониторинга и лазерной подсветки в одном устройстве, возможность изменения освещенности объекта исследования путем изменения параметров работы лазера подсветки.
Устройство для исследования процесса горения нанопорошков металлов или их смесей, также как в прототипе, содержит лазерный усилитель яркости на основе активного элемента на парах бромида меди, на оптической оси которого с одной стороны последовательно расположены собирающая линза и вогнутое зеркало, вдоль оптической оси которого расположен линейный транслятор, на котором размещен объект исследования, с другой стороны лазерного усилителя яркости на его оптической оси последовательно установлены нейтральный светофильтр, первый объектив, первый полосовой светофильтр и первая цифровая камера, которая соединена с персональным компьютером и контроллером, кнопочную клавиатуру, при этом на оптической оси инициирующего лазера последовательно расположены двояковыпуклая линза и объект исследования, на оптической оси второй цифровой камеры установлены второй объектив, второй полосовой светофильтр и объект исследования; вторая цифровая камера соединена с персональным компьютером.
Согласно изобретению с одной стороны лазера подсветки, на его оптической оси расположено поворотное зеркало с возможностью отражения лазерного излучения на объект исследования через последовательно расположенные диафрагму и расширитель пучка, а с другой стороны лазера подсветки установлено зеркало. К высоковольтному выходу блока импульсного заряда подключены две зарядные индуктивности. К первой зарядной индуктивности подключен анод первого зарядного диода, катод которого подключен к аноду первого тиратрона, катод которого заземлен. Анод первого тиратрона и катод первого зарядного диода подключены к первому накопительному конденсатору, который соединен с высоковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости и с выводом первой шунтирующей индуктивности, которая соединена с низковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости и заземлена. К выводу второй зарядной индуктивности подключен анод второго зарядного диода, катод которого подключен к аноду второго тиратрона, катод которого заземлен. К катоду второго зарядного диода и аноду второго тиратрона подключен накопительный конденсатор, который соединен с высоковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости и со второй шунтирующей индуктивностью, которая соединена с низковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости и заземлена. К выходу синхроимпульсов блока импульсного заряда подключены входы двух ферровариометров и вход оптического передатчика, связанного с входом первого ферровариометра, к выходу которого подключен первый согласующий резистор, первый обостряющий конденсатор и сетка первого тиратрона. Первый согласующий резистор и первый обостряющий конденсатор заземлены. Второй ферровариометр подключен ко второму согласующему резистору, второму обостряющему конденсатору и к сетке второго тиратрона. Второй согласующий резистор и второй обостряющий конденсатор заземлены. Выход оптического передатчика соединен с входом оптического приемника, выход которого подключен к входу внешнего запуска генератора синхроимпульсов, который подключен к входу синхронизации первой цифровой камеры. Контроллер подключен к инициирующему лазеру, входу начала записи первой цифровой камеры и кнопке.
В предлагаемом устройстве осветителем поверхности объекта исследования является лазер подсветки, имеющий длину волны излучения равную длине волны усиления лазерного усилителя яркости и работающий синхронно с регулируемой задержкой по отношению к лазерному усилителю. Освещение объекта исследования излучением лазера подсветки и усиление синхронизуется за счет регулирования моментов включения двух тиратронов в схемах возбуждения, которые задаются путем изменения времени прихода импульсов запуска на сетки тиратронов за счет изменения индуктивностей ферровариометров, которое обеспечивается путем плавного перемещения ферромагнитных сердечников внутри катушек индуктивности. Оптимальный временной интервал между импульсами запуска тиратронов определяется экспериментально по максимуму интенсивности изображения первой цифровой камеры и зависит от взаимного расположения лазера подсветки и лазерного усилителя яркости, а именно, от расстояния, проходимого светом от лазера подсветки до лазерного усилителя яркости.
Использование лазера подсветки позволило увеличить яркость и контрастность изображений, формируемых лазерным усилителем яркости и регистрируемых первой цифровой камерой. Использование лазера подсветки позволяет совместить в одной системе визуализации функции лазерного мониторинга и видеозаписи с лазерной подсветкой за счет использования второго полосового светофильтра, пропускающего излучение на длине волны подсветки, достаточное по интенсивности для регистрации второй цифровой камерой. Размер области подсветки регулируется расширителем пучка в диапазоне от размера области наблюдения первой камерой до ширины всего объекта исследования.
Освещенность объекта исследования лазером подсветки может изменяться путем изменения температурных параметров лазера подсветки независимо от работы лазерного усилителя яркости.
Использование зеркала, установленного с одной стороны лазера подсветки, позволяет сформировать неполный резонатор, который значительно увеличивает угловую расходимость излучения и формирует на поверхности объекта исследования спеклы малых размеров. Малые размеры спеклов вносят незначительные искажения изображений и незначительно влияют на пространственное разрешение всего устройства. Такой резонатор с одним плоским зеркалом позволяет использовать лазер подсветки с небольшим активным объемом и невысокой мощностью, требуемой для его накачки.
Использование лазера подсветки и усилителя яркости с сопоставимыми размерами позволило применить один источник заряда накопительных емкостей.
На фиг. 1 представлена схема устройства для исследования процесса горения нанопорошков металлов или их смесей.
На фиг. 2 представлены изображения объектов исследования, записанные первой цифровой камерой 7 (О1), где 1-1 - нанопорошок алюминия до начала горения без освещения лазером подсветки 16 (лазер подсветки отключен); 2-1 - продукты сгорания нанопорошка алюминия без освещения лазером подсветки 16; 3-1 - объект исследования - медная сетка без освещения лазером подсветки 16; 1-2 - нанопорошок алюминия до начала горения с лазерной подсветкой (лазер подсветки 16 включен, моменты включения тиратронов 25 и 29 оптимизированы); 2-2 - продукты сгорания нанопорошка алюминия с лазерной подсветкой; 3-2 - медная сетка с лазерной подсветкой.
На фиг. 3 представлены изображения процесса горения нанопорошка алюминия, записанные второй камерой 12 (О2) с освещением лазером подсветки 16 в различные моменты времени и максимальным подавлением широкополосной фоновой засветки за счет использования второго интерференционного полосового светофильтра 13, пропускающего излучение на длине волны подсветки.
Устройство для исследования процесса горения нанопорошков металлов или их смесей (фиг. 1) содержит лазерный усилитель яркости 1, на оптической оси которого с одной стороны последовательно расположены собирающая линза 2 и вогнутое зеркало 3. Вдоль оптической оси вогнутого зеркала 3 расположен линейный транслятор 4, на котором размещен объект исследования 5.
С другой стороны лазерного усилителя яркости 1 на его оптической оси последовательно установлены нейтральный светофильтр 6, первый объектив 7 (О1), первый полосовой светофильтр 8 и первая цифровая камера 9, которая соединена с персональным компьютером 10 (ПК).
На оптической оси второй цифровой камеры 11 установлены второй объектив 12 (О2), второй полосовой светофильтр 13 и объект исследования 5. Вторая цифровая камера 11 соединена с персональным компьютером 10 (ПК).
На оптической оси инициирующего лазера 14 последовательно расположены двояковыпуклая линза 15 и объект исследования 5.
С одной стороны лазера подсветки 16 на его оптической оси расположено поворотное зеркало 17 с возможностью отражения лазерного излучения на объект исследования 5 через последовательно расположенные диафрагму 18 и расширитель пучка 19. С другой стороны лазера подсветки 16 установлено зеркало 20.
К высоковольтному выходу блока импульсного заряда 21 (БИЗ) подключены зарядные индуктивности 22 и 23. К первой зарядной индуктивности 22 подключен анод первого зарядного диода 24, катод которого подключен к аноду первого тиратрона 25, катод которого заземлен. Анод первого тиратрона 25 и катод первого зарядного диода 24 подключены к одному выводу первого накопительного конденсатора 26, другой вывод которого соединен с высоковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости 1 и с выводом первой шунтирующей индуктивности 27, второй вывод которой соединен с низковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости 1 и заземлен.
К выводу второй зарядной индуктивности 23 подключен анод второго зарядного диода 28, катод которого подключен к аноду второго тиратрона 29, катод которого заземлен. К катоду второго зарядного диода 28 и аноду второго тиратрона 29 подключен один вывод второго накопительного конденсатора 30, второй вывод которого соединен с высоковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости 16 и выводом второй шунтирующей индуктивности 31, второй вывод которой соединен с низковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости 16 и заземлен.
К выходу синхроимпульсов блока импульсного заряда 21 (БИЗ) подключены входы ферровариометров 32, 33 и вход оптического передатчика 34 (ОП), связанного с входом первого ферровариометра 32, к выходу которого подключены вывод первого согласующего резистора 35, вывод первого обостряющего конденсатора 36 и сетка первого тиратрона 25. Вторые выводы первого согласующего резистора 35 и первого обостряющего конденсатора 36 заземлены.
Второй вывод второго ферровариометра 33 подключен к второму согласующему резистору 37, второму обостряющему конденсатору 38 и к сетке второго тиратрона 29. Вторые выводы второго согласующего резистора 37 и второго обостряющего конденсатора 38 заземлены.
Выход оптического передатчика 34 (ОП) оптоволокном соединен с входом оптического приемника 39 (ОПР), выход которого подключен к входу внешнего запуска генератора синхроимпульсов 40 (ГСИ), который подключен к входу синхронизации первой цифровой камеры 9.
Контроллер 41 (К) подключен к инициирующему лазеру 14, входу начала записи первой цифровой камеры 9 и кнопке 42 (КН).
Лазерный усилитель яркости 1 и лазер подсветки 16 выполнены на основе активных элементов на парах бромида меди. Использован линейный транслятор 4, обеспечивающий линейное перемещение с ручной регулировкой, например, 7T173-25 фирмы Standa. Нейтральный светофильтр 6 представляет собой, например, нейтральное стекло марки НС-9. Первый полосовой светофильтр 8 выполнен в виде интерференционного фильтра с полосой пропускания 510±5 нм. В качестве второго полосового светофильтра 13 использован интерференционный фильтр с полосой пропускания 510±5 нм в случае, если требуется максимально возможное подавление широкополосной засветки, создаваемой объектом исследования, или цветное стекло, например, ОС-13 [http://www.elektrosteklo.ru/Elektrosteklo_Color_Glass_Spectral_Transmittance.pdf], если нет необходимости значительного подавления широкополосной фоновой засветки. Первый объектив 7 (О1) представляет собой, например, объектив Navitar DO-5095. Второй объектив 12 (О2) представляет собой, например, объектив Canon Macro Lens EF 100 мм. Использован расширитель пучка 19 производства Standa 10BE03-2-12 [http://vicon-se.ru/catalog/optomehanika/kombinirovannye_sistemy/rasshiritel_puchka2/]. Для записи изображений использована камера Phantom Miro C110 в качестве первой цифровой камеры 9 и камера ELP-USBFHDO1M-MFV в качестве второй цифровой камеры 11. В качестве инициирующего лазера 14 может быть использован полупроводниковый лазер с длиной волны излучения 660 нм и средней мощностью 2 Вт с внешней синхронизацией. Оптический передатчик 34 (ОП) и оптический приемник 39 (ОПР) выполнены на основе комплектов оптоэлектронных устройств Avago Technologies: оптический передатчик HFBR-1521Z и оптический приемник HFBR-2521Z. В качестве генератора синхроимпульсов 40 (ГСИ) использован генератор Актаком AWG-4122, имеющий внешнюю синхронизацию. Блок импульсного заряда 21 (БИЗ) выполнен по инверторной схеме заряда емкостного накопителя [Буркин Е.Ю, Свиридов В.В., Степанов Е.Ю. Инверторный источник питания для заряда емкостного накопителя // Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 321. №.4. C. 155-160.]. Использованы накопительный конденсатор 26 емкостью 1000 пФ, и накопительный конденсатор 30 емкостью 680 пФ. Зарядные индуктивности 22 и 23 составляли 50 мГн. В качестве зарядных диодов 24 и 28 использовались высоковольтные диоды UX-15B. Шунтирующие индуктивности 27 и 31 составляли 0,1 мГн. В качестве тиратронов 25 и 29 использовались импульсные водородные тиратроны ТГИ1-1000/25. Выход синхроимпульсов блока импульсного заряда 21 (БИЗ) реализован на основе импульсного трансформатора и синхронизован с зарядом емкостей 26, 30. Ферровариометры 32 и 33 представляли собой катушки индуктивности, в которые посредством винтового соединения введены ферритовые сердечники, позволяя варьировать задержку распространения сигнала по каждому каналу в диапазоне от 0 до 50 нс. Величина емкостей обостряющих конденсаторов 36, 38 составляла 81 пФ. Величина сопротивления согласующих резисторов 35, 37 составляла 45 кОм.
Излучение сверхсветимости лазерного усилителя яркости 1, при помощи собирающей линзы 2 и вогнутого зеркала 3, фокусируют на объекте исследования 5, например, на образце нанопорошка алюминия, которому предварительно придана форма параллелепипеда, перемещая его на линейном трансляторе 4 в направлении вдоль оптической оси вогнутого зеркала 3 (стрелки на фиг. 1). Одновременно объект исследования 5 освещают излучением лазера подсветки 16, направляя и формируя пучок с помощью поворотного зеркала 17, затем диафрагмы 18, удаляющей боковую компоненту излучения, и расширителя пучка 19 для освещения требуемой области объекта исследования 5. С другой стороны лазера подсветки 16 зеркало 20 с коэффициентом отражения близким к 100% и образует неполный резонатор для формирования лазерного излучения подсветки. Отраженное от объекта исследования 5 излучение лазерного усилителя яркости 1 и излучение лазера подсветки 16 собирают вогнутым зеркалом 3 и собирающей линзой 2 и направляют на вход усилителя яркости 1. Пройдя через активную среду лазерного усилителя яркости 1, излучение усиливается. Излучение с выхода лазерного усилителя яркости 1 масштабируется с помощью нейтрального светофильтра 6, и проецируется первым объективом 7 (О1) на матрицу первой цифровой камеры 9. Первый полосовой светофильтр 8 пропускает только монохроматическое излучение. Последовательность кадров первой цифровой камеры 9 передается в персональный компьютер 10 (ПК) для хранения и обработки.
Лазерный усилитель яркости 1 и лазер подсветки 16 работают в импульсно-периодическом режиме, который реализуется путем формирования высоковольтных импульсов накачки. В межимпульный период, когда первый 25 и второй 29 тиратроны закрыты, первый накопительный конденсатор 26 заряжается током, протекающим от блока импульсного заряда 21 (БИЗ) через первую зарядную индуктивность 22, первый зарядный диод 24 и первую шунтирующую индуктивность 27, блокирующую протекание тока заряда первого накопительного конденсатора 26 через активную среду лазерного усилителя яркости 1, а второй накопительный конденсатор 30 заряжается током, протекающим от блока импульсного заряда 21 (БИЗ) через вторую зарядную индуктивность 23, второй зарядный диод 28 и вторую шунтирующую индуктивность 31, блокирующую протекание тока заряда второго накопительного конденсатора 30 через активную среду лазерного усилителя яркости 16. Синхроимпульс, формируемый блоком импульсного заряда 21 (БИЗ), передается на сетку первого тиратрона 25 через первый ферровариометр 32 и открывает первый тиратрон 25, и передается на сетку второго тиратрона 29 через второй ферровариометр 33 и открывает второй тиратрон 29. Во время, когда первый тиратрон 25 открыт, первый накопительный конденсатор 26 разряжается током, протекающим через газоразрядную трубку лазерного усилителя яркости 1 и первый тиратрон 25, формируя импульсы накачки лазерного усилителя яркости 1, которые создают излучение сверхсветимости. Во время, когда второй тиратрон 29 открыт, второй накопительный конденсатор 30 разряжается током, протекающим через газоразрядную трубку лазера подсветки 16 и второй тиратрон 29, формируя импульсы накачки лазера подсветки 16, которые создают излучение подсветки.
Величины емкостей обостряющих конденсаторов 36, 38 и согласующих резисторов 35, 37 подбирают эмпирическим путем для согласования импеданса блока импульсного заряда 21 (БИЗ) с сеточным импедансом тиратронов 25 и 29 и обеспечения их устойчивой работы.
Синхроимпульс, формируемый блоком импульсного заряда 21 (БИЗ) поступает на вход оптического передатчика 34 (ОП), в котором преобразуется в оптический сигнал и передается по оптоволокну в оптический приемник 39 (ОПР), в котором преобразуется обратно в электрический сигнал и поступает на вход генератора синхроимпульсов 40 (ГСИ), обеспечивая гальваническую развязку блока импульсного заряда 21 (БИЗ) и генератора синхроимпульсов 40 (ГСИ). Сигнал с выхода генератора синхроимпульсов 40 (ГСИ) поступает на вход синхронизации первой цифровой камеры 9. Каждый синхроимпульс производит изображение объекта исследования 5 (фиг. 2).
Излучение инициирующего лазера 14 устанавливают на уровне, достаточном для инициирования процесса горения, например, 2 Вт в непрерывном режиме. По нажатию оператором кнопки начала исследования 42 (КН), контроллер 41 (К) формирует сигналы разрешения для инициирующего лазера 14 и включения записи на первой цифровой камере 9. После включения инициирующего лазера 14 его излучение с помощью линзы 15 фокусируется на объекте исследования 5. Спустя некоторое время после начала воздействия инициирующего лазера 14 объект исследования 5 (образец нанопорошка) загорается и происходит изменение его поверхности.
Процесс горения объекта исследования 5 записывают в собственном свете второй цифровой камерой 11 через второй объектив 12 (О2) и второй полосовой фильтр 13. При установке второго полосового фильтра 13, например, на длину волны 510 нм лазера подсветки 16, широкополосная фоновая засветка отфильтровывается, и вторая цифровая камера 11 регистрирует монохромное изображение на длине волны лазера подсветки 16. Кадры процесса горения нанопорошка алюминия, записанные на вторую цифровую камеру 11 с установленным вторым полосовым светофильтром 13 на длину волны 510±5 нм показаны на фиг. 3. Такая запись с применением лазера подсветки 16 позволяет качественно оценить характер горения, его монотонность, стадии, наличие разлета продуктов сгорания, количество областей локализации, скорость распространения тепловых волн. Однако при использовании только лазера подсветки 16, поверхность объекта исследования 5 остается засвеченной в процессе высокотемпературной стадии горения, что не позволяет наблюдать камерой 11 детали изменения поверхности непосредственно в области горения. В дополнение к видеозаписи камерой 11 с использованием лазера подсветки 16, использование лазерного усилителя яркости 1 на парах бромида меди позволяет наблюдать изменение поверхности объекта исследования 5 непосредственно в области горения. Кроме того, вогнутое зеркало 3, собирающая линза 2 и объектив 7 (О1) обеспечивают увеличение области наблюдения. Как следует из изображений объектов, представленных на фиг. 2, в случае использования лазера подсветки 16 яркость и контрастность изображений существенно выше, чем при отключенном лазере подсветки 16, что имеет принципиальное значение при исследовании нанопорошков металлов, которые эффективно поглощают излучение, и поверхность которых имеет малую отражательную способность.