ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2011, том 37, № 3, с. 277-289
НИЗКОМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.9
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ КИСЛОРОД-ЙОДНОГО ЛАЗЕРА С ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДВУМЕРНОЙ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
© 2011 г. А. А. Чукаловский, Т. В. Рахимова, К. С. Клоповский, Ю. А. Манкелевич, О. В. Прошина
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ, Москва, Россия
Поступила в редакцию 03.06.2010 г. Окончательный вариант получен 18.08.2010 г.
Проведен анализ кинетических процессов в электроразрядном кислород-йодном лазере на основе двумерной (в (г,г)-геометрии) газодинамической модели, описывающей транспорт потока возбужденного кислорода, синглетного кислорода и радикалов из электрического разряда и их смешение с йодсодержащим газом. Выявлены основные процессы, влияющие на динамику температуры и коэффициента усиления смеси. Сравнение результатов расчетов в рамках разработанной двумерной модели с экспериментальными данными, касающимися коэффициента усиления смеси, показало хорошее согласие результатов моделирования с экспериментом. Проведено моделирование системы дозвукового кислород-йодного лазера с генератором синглетного кислорода на основе поперечного высокочастотного разряда, мощностью 350 Вт, в потоке кислорода при давлении Р = 10 Торр с покрытием стенок оксидом ртути. Проведена оптимизация системы по расходу и степени предварительной диссоциации потока йода. Получено условие оптимального режима для непрерывной работы дозвукового электроразрядного кислород-йодного лазера.
1. ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее мощных газовых лазеров является кислород-йодный лазер (КИЛ), осуществляющий генерацию на переходе атома йода [1]
1*(2Р1/2) — 1(2Рз/2) + Ну. (1)
Инверсия в КИЛ достигается в результате квазирезонансной передачи энергии от метастабиль-ного синглетного состояния (а1А^) молекул кислорода к атомарному йоду [1, 2]. Ключевым компонентом КИЛ является генератор синглетного кислорода (ГСК). В последние годы научным группам, работающим в области разработки и создания КИЛ с электроразрядным генератором синглетного кислорода (ЭРГСК), удалось накопить ряд впечатляющих результатов [2]. Интерес к исследованиям в этом направлении был заново стимулирован тем, что в работе [3] впервые была продемонстрирована возможность получения усиления в системе сверхзвукового КИЛ с ЭРГСК, при давлении кислорода около 2 Торр и выходе СК из разряда У = [02(1А^)]/{[02(Л'%)] + + [02(1А^)]} * 16-18%.
Интенсивные исследования по разработке ЭРГСК привели к созданию довольно эффективных генераторов синглетного кислорода в электрических разрядах различных типов [2]. Долгое время для наработки СК использовались разряды несамостоятельного типа [4], обладающие высо-
кой эффективностью образования СК. Однако наиболее перспективными для создания ГСК являются самостоятельные разряды, так как оптимальное значение приведенного поля (Е/Ы ~ 10 Тд), при котором большой выход СК из разряда сопровождается высокой энергетической эффективностью, лежит в области самостоятельных разрядов [2, 5]. Использование непрерывного поперечного ВЧ-разряда (81 Мгц) [6] в качестве ЭРГСК позволило получить рекордные результаты по наработке СК в чистом кислороде: У около 21, 17 и 13% и энергетической эффективности 8е * 15% при давлениях кислорода 10, 20 и 30 Торр, соответственно.
Однако, несмотря на увеличение эффективности образования СК с увеличением частоты, наработка СК в самостоятельном разряде сопровождается диссоциацией молекулярного кислорода. В работах [5, 7] было установлено, что повышение вкладываемой в ВЧ-разряд мощности приводит к насыщению концентрации СК из-за тушения СК атомарным кислородом 0(3Р) в разряде и послесвечении [6]
02(аЧ ) + О + 02(X)
02( X) + 0 + 02 (X) + [ 0.98 эВ ],
(2)
2( )
где к1 = 2.5 х 10-32 см6/с.
Кроме того, в работах [3, 8] было показано, что в присутствии в КИЛ атомов 0 в зоне смешения
возбужденного потока из ЭРГСК с йодсодержа-щим газом играет двоякую роль. С одной стороны, атомарный кислород является источником объемной диссоциации 12, позволяя уменьшить расход СК на разложение молекул йода, но в то же время тушение атомарным кислородом возбужденных атомов йода I* является основной проблемой с точки зрения конвертирования энергии в лазерное излучение в системе КИЛ. В этой связи в последнее время в проводимых работах по разработке электроразрядных КИЛ используют методы, позволяющие гетерогенно связывать атомы О как на поверхности, для чего покрывают стенки трубки оксидом ртути [6, 9], так и в объеме путем добавки малых примесей окисида азота [3].
Полученные результаты по наработке СК в ГСК на основе поперечного ВЧ-разряда [6, 9, 10] позволили осуществить непрерывную генерацию в системе КИЛ с ЭРГСК и довести мощность генерации в лазерной системе со сверхзвуковым охлаждением потока до 12.3 Вт, при вложенной в разряд мощности до 2—2.5 кВт [11].
В целом за последние 5 лет было получено существенное увеличение коэффициента усиления и мощности лазерного излучения за счет оптимизации экспериментальной установки и рабочих параметров системы, а также за счет использования вспомогательного ВЧ электрического разряда для предварительной диссоциации инжектируемого молекулярного йода. С момента первой демонстрации непрерывной генерации системы КИЛ с ЭР ГСК коэффициент усиления увеличен в 80 раз с первоначально полученного результата 0.002 %/см до 0.17 %/см. Мощность излучения увеличена с 0.16 Вт до 12.3 Вт при длине области усиления 5 см [11].
Однако, несмотря на серьезные успехи, по сей день очень остро стоит вопрос об эффективности передачи энергии от возбужденных молекул син-глетного кислорода к йоду в КИЛ с электроразрядной накачкой и КПД системы ЭР КИЛ в целом. Эта эффективность складывается из эффективности возбуждения молекул О2(1Д^) в разряде и эффективности газотранспортной и лазерной частей системы КИЛ: Пэр кил = П[о2(1Д)]П[т^]. Исходя из самых оптимистичных оценок, в настоящее время эффективность системы КИЛ с ЭРГСК не превышает 1% [11], что в десятки раз меньше, чем в классическом КИЛ с химической наработкой СК [1].
Из вышесказанного следует необходимость глубокого анализа процессов, протекающих при смешении потоков, как в дозвуковом, так и сверхзвуковом режимах работы КИЛ с ЭР ГСК, в зависимости от химического состава смеси, расхода компонент, геометрии системы, а также от ряда других параметров.
В наших работах [12, 13] были опубликованы результаты исследований упрощенной системы с соосной инжекцией потока йода в возбужденный кислородный поток из ЭРГСК с помощью квазидвумерной диффузионной модели в цилиндрической геометрии. В этой модели производился учет радиального тепло- и массопереноса с транспортным описанием поля скоростей. Разработанная модель позволила описать радиальное перемешивание потоков при давлениях смеси Р < 5 Торр и с минимальными расчетными затратами исследовать влияние кинетики на коэффициент усиления и температурный режим с учетом радиальных неоднородностей распределения температуры и концентраций газов [12]. Однако сопоставление результатов моделирования, полученных с помощью квазидвумерной модели, с результатами расчетов на модели В1а2е-11 и экспериментальными данными из работы [8] показало, что для детального описания процессов, происходящих в системе транспортировки СК и лазерной системе КИЛ с ЭРГСК и влияющих на распределение инверсии и температурный режим, необходим полный учет газодинамических процессов, происходящих при смешении потоков. Это особенно актуально при моделировании сложных систем инжекции при высоких давлениях смеси, а также для расчетов сверхзвуковой части ЭР КИЛ, где существует возможность возникновения крупномасштабных вихревых областей, приводящих к неоднородности распределения коэффициента усиления.
Поэтому целью настоящей работы ставилось разработать модель, детально описывающую экспериментальные результаты по дозвуковому смешению потоков в КИЛ с ЭР ГСК на примере установки [8]. С помощью разработанной модели провести расчеты дозвукового режима работы КИЛ в случае более высоких давлений (Р ~ 10 Торр) с параметрами ЭР ГСК из работы [5, 7], провести оптимизацию смеси по расходу йодсодержащего газа и выясненить влияния предварительной диссоциации йода на параметры лазерной системы.
2. ОПИСАНИЕ ДВУМЕРНОЙ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
В связи с вышесказанным была разработана самосогласованная двумерная (г, ¿) газодинамическая модель с детальной химической кинетикой. Модель описывает основные процессы, происходящие при смешении потоков: конвективный перенос, диффузию, теплопроводность, вязкость, а также кинетику химических реакций (таблица).
Математическое описание такой системы проводится с помощью системы нестационарных уравнений газодинамики в одножидкостном при-
ближении, включающей уравнение непрерывности, уравнение импульса по каждому из направлений (г и г в цилиндрической геометрии), уравнение для внутренней энергии системы и уравнение непрерывности для каждой из компонент смеси
dt =-у (pv),
dt
д (pv)
-уP -У(pv,.v) + УкПik,
dt
^ = -У (pev) - Pyv + (П¡к ■ УkVi) +
dt
+ У
ХУТ + £ hapDay
/ \ Pa
IP
Я ( л
^ = -УМ + У РДУ^
dt
+r:
V ру
где ра — плотность компонент смеси, р — плотность, Р, Т — давление и температура газа, е — внутренняя энергия смеси
Р = X Р<ЛТ'Р = X Ра'
а а (4)
Ре = ХРа (а - КаТ)
а
Ра = квЫа/М<х — газовые постоянные компонент газа, кв — постоянная Больцмана, N — число Аво-гадро, Ма — молярная масса компонент газа; На — энтальпия компонент газовой смеси, которая рассчитывается с учетом теплоты образования к0а при стандартных условиях (стандартная теплота образования Т0 = 293 К)
ha = hoa + J с; (T )dT,
(5)
столкновений в соответствии с процедурой, изложенной в [15] с использованием коэффициентов Леннарда—Джонса для каждой из компонент газа, взятыми из работы [16].
Источниковый член Яа в системе (3) описывает скорость образования и гибели а-ой компоненты газа в химических реакциях, на основе включенных в модель кинетических процессов (таблица)
nchem _ ,
Ra - (°ар - аав)
(3) где b
кП
PY
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.