С.Ф. Журавлев, В.Г. Карельский, Ю.И. Козлов, В.К. Орлов, А.К. Пискунов, Ю.В. Романенко, Ю.И. Щербаков

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ  ХИМИЧЕСКИЙ  НF- ЛАЗЕР  С ВЫСОКОЙ  ЧАСТОТОЙ  ПОВТОРЕНИЯ  ИМПУЛЬСОВ

Получена генерация в HF- лазере атмосферного давления на цепной реакции Н₂ + F₂, инициируемой в потоке реагентов объемным поперечным электроразрядом с УФ предыонизацией искровым источником излучения. Достигнута частота повторения импульсов 1 кГц с энергией генерации 9 мДж в импульсе.

В работе [1] исследовалась возможность создания химического лазера атмосферного давления на цепной реакции фтора с водородом при прокачке через лазерную кювету смесей, устойчивых к возникновению детонации при мощном инициировании. Рабочая смесь в этих экспериментах приготавливалась путем диффузионного смешения в потоке предсмесей, содержащих фтор и водород, а инициирование химической реакции осуществлялось УФ излучением импульсных ламп, работающих с частотой повторения вспышек 10 Гц.
В настоящем сообщении приводятся результаты экспериментального исследования химического HF- лазера с высокой частотой повторения импульсов генерации при инициировании цепной реакции объемным поперечным электроразрядом.
На рис. 1 изображена разрядная камера со схемами электропитания объемного разряда и подачи рабочей смеси.

Рис. 1. Схема лазерной установки с высоковольтным контуром системы инициирования

Разрядная камера 1 была изготовлена из фторопласта- 4, в верхней и нижней стенках камеры размещались плоские медные электроды 2 размером 6 х 2 см с закругленными по периметру краями. Расстояние между электродами 1,7 см. Лазерное излучение выводилось через отверстия размером 2 х  2 см в боковых стенках камеры.
Разрядная камера соединялась через газовый тракт 3 со смесительным блоком 4 и системой напуска, с другой стороны камера 1 переходила в выхлопную трубу, открытую в вентилируемый бокс, оснащенный дегазационной системой.
Перед каждым пуском установки в стальных баллонах приготавливались предсмеси, содержащие компоненты рабочей смеси, разбавленные гелием. Фтор и кислород входили в состав предсмеси-окислителя (ПСО), а водород — в состав предсмеси- горючего (ПСГ). Через быстродействующие пневмоклапаны предсмеси поступали в смесительный блок 4, где ПСГ впрыскивалась в спутный поток ПСО через отверстия диаметром 0,4 мм в сверхкритическом режиме истечения. Для интенсификации смешения поперек газового тракта были установлены медные сетки с ячейками ~ 0,5 мм. Скорость газового потока регулировалась в пределах 40—200 м/с расходными шайбами, установленными перед смесительным блоком, и давлением в баллонах, причем в течение одного пуска снижение расхода газов не превышало 10 %. Продолжительность перемешивания предсмесей в потоке менялась от 2 до 10 мс в зависимости от скорости потока.
Для инициирования химической реакции использовался электрический разряд с УФ предыонизацией разрядного промежутка, аналогичный [2]. Керамический конденсатор C₁ емкостью 550 пФ через индуктивность L₃, нелинейный дроссель Др и сопротивление R₃ заряжался от большой электрической емкости С₀ до напряжения 25 кВ. Нелинейный дроссель с подмагничивающей обмоткой (на рисунке не показана) был рассчитан и сконструирован по методикам, изложенным в [3]. Конденсатор С₂ состоял из двух керамических емкостей по 235 пФ каждая, подключенных параллельно к электродам с помощью широких медных шин. Промежуток Р был образован двухмиллиметровым зазором между алюминиевыми электродами Ø 4 мм, расположенными на расстоянии 7 см от основных электродов вниз по потоку. В течение одного пуска при частоте повторения импульсов 1 кГц напряжение на емкости С₀ падало на 0,5 кВ.
Резонатор лазера состоял из двух медных зеркал. Глухое зеркало 5 имело радиус кривизны 5 м, плоское выходное зеркало 6 имело для вывода излучения отверстие диаметром 2 мм. База резонатора составляла 1,5 м.
Измерения генерации проводились по следующей схеме. Несфокусированное лазерное излучение проходило через пластину из CaF₂, повернутую под углом 45° к оптической оси, и попадало на калориметр ИКТ-1М. Излучение, отраженное от пластины, через ослабитель подавалось на фотосопротивление Ge : Au, охлаждаемое жидким азотом. Форма импульса генерации, зарегистрированная фотосопротивлением, записывалась осциллографом С8-7Л. Напряжение на электродах и ток разряда регистрировались омическим делителем и сопротивлением 0,26 Ом соответственно и подавались на осциллограф С7-10Б.
Установка работала следующим образом. Предсмеси через пневмоклапаны поступали в сопловой блок и далее по газовому тракту в разрядную камеру, а затем в дегазационную систему. Вслед за срабатыванием клапанов генератором поджигающих импульсов (ГПИ) в течение 0,2 с подавались импульсы запуска на сетку тиратрона с необходимой частотой повторения. Одновременно с окончанием работы ГПИ подавался сигнал на закрытие пневмоклапанов. При включении тиратрона начинался резонансный заряд емкости С₂ от емкости С₁ через промежуток Р. УФ излучение промежутка Р создавало однородную ионизацию основного разрядного промежутка, и в процессе заряда емкости С₂ в нем зажигался высоковольтный тлеющий разряд, инициирующий химическую реакцию в рабочей смеси.
Эксперименты проводились на смеси состава F₂ : Н₂ : О₂ : Не = 2 : 2 : 0,2 : 95,8 при общем давлении в зоне генерации 0,1 МПа. Состав рабочей смеси определялся по соотношению расходов предсмесей ПСО и ПСГ с точностью ± 20 %. Чистота используемых газов не контролировалась.
На рис. 2 сплошными кривыми изображены осциллограммы импульсов напряжения на электродах разрядной камеры и тока объемного разряда, которые представляют суперпозицию множества практически одинаковых однократных импульсов с длительностью ~ 80 нс (по основанию) и частотой повторения 1 кГц.

Рис 2 Осциллограммы импульсов напряжения (а) и тока (б)

Как видно из рис. 2, через ~ 70 нс после начала высоковольтного разряда в каждом импульсе происходил пробой основного разрядного промежутка и вложение энергии в разряд в этом импульсе прекращалось. При частоте повторения импульсов 20—200 Гц импульс тока (пунктирная кривая на рис. 2) начинался позже и пробой основного разрядного промежутка не происходил. Изменение режима разряда (возникновение пробоя) при повышении частоты повторения импульсов до 1 кГц вызывалось увеличением яркости свечения промежутка Р вследствие разогрева электродов искры [4]. Достоверное измерение вложенной в разряд энергии Е_вп провести не удалось, так как измерения тока и напряжения проводились в различных экспериментах. По предварительным оценкам при частоте повторения импульсов инициирования 200 Гц E_вл ~ 30 мДж.
На рис. 3 приведена типичная форма импульса генерации. Длительность импульса генерации составляла 12,5 мкс по основанию и не зависела от скорости потока и частоты повторения импульсов при фиксированной энергии инициирования.

Рис. 3. Форма импульса генерации при частоте следования импульсов 20 Гц и скорости потока смеси 50 м/с

При частоте повторения импульсов инициирования 20 Гц энергия генерации в импульсе составляла 12 мДж. По мере повышения частоты повторения наблюдался незначительный спад энергии генерации (до 9 мДж в импульсе при частоте следования импульсов 1 кГц). По-видимому, этот эффект вызывается уменьшением вкладываемой в разряд энергии. Средняя мощность генерации в этой серии экспериментов не превышала 10 Вт.
В данной работе показана возможность создания HF- лазера атмосферного давления с высокой частотой повторения импульсов. В дальнейшем будет проведена оптимизация выходных характеристик лазера.

1. Н.L. Chen, J.D. Daugherty, W. Fуfе. IEEE J. QE-11, 648 (1975).

2. В.Ю. Баранов, В.M. Борисов, Ю.В. Кирюхин, Н.В. Кочетов, В.Г. Пегов, Ю.Ю. Степанов. Квантовая электроника, 5, 1141 (1978).

3. С.С. Вдовин. Проектирование импульсных трансформаторов.— Л.: Энергия,

4. Импульсные источники света./Под ред. И.С. Маршака.— М.: Энергия, 1978.