Химические лазеры • Лазер простая (примитивная) конструкция • Он включает два зеркала и активную среду • Химический лазер – это лазер у которого инверсия активной среды есть результат химической реакции. Химические лазеры • Достоинства: – Оптически однородная среда (малый угол расходимости излучения) – Высокий КПД – до 40% (10-40%); неустойчивый резонатор – Возможен непрерывный режим работы (прокачка) – Большие мощности излучения Химические лазеры: требования к среде • Химическая реакция должна быть экзотермической • Практический интерес связан с большое энергетической емкостью ряда реакций • Критерий выбора активной среды – эффективность преобразования химической энергии в колебательные или вращательные степени свободы и обеспечение генерации Химические лазеры • Наиболее распространенные среды: – Водород (Дейтерий) – Галоген (Фтор, Хлор) • F+H2→ HF*+H+134 кДж/моль • H+F2→HF*+F+410 кДж/моль • Длина волны – 2,7 мкм Химические лазеры • F2 →F+F Зарождение цепи • F+H2→ HF*+H (v<4) • H+F2→HF*+F (v<7) • HF*(v>4)+F2 → HF*(v<4)+2F Ветвление • H (стенка) →Н2, F (стенка) →F2 (Гибель) • HF (v) +M → HF(v-1)+M (V-T релаксация) • HF (v) + HF (v1) → HF(v-1)+ HF (v1+1) (V-V релаксация) • HF (v) → HF(v-1)+ hν Вынужденное излучение Химические лазеры • Чем определяется эффективность преобразования химической энергии в колебательную? • Важным является время релаксации колебательного возбуждения. Оно определяется: – Кросс релаксацией – Переходом энергии в поступательную степень свободы. Химические лазеры • Переход энергии в поступательную степень свободы нежелателен, однако он не эффективен, так как hν > kT • При реакции фтора с водородом 60% химической энергии переходит в колебательную. Химические лазеры Характерные диаграммы колебательных уровней молекулы HF*. Химические лазеры • F+H2→ HF*+H v=1,(2),3 инверсия реализуется между v=2 и v=1 • H+F2→HF*+F v=1,..(5)…10 инверсия реализуется на всех возбужденных энергетических уровнях Химические лазеры • Необходимо инициировать начало реакции F2 →F+F (Зарождение цепи) • Нагрев молекул фтора до температуры 1500 °С – развал 50% фтора. Далее экзотермическая реакция • Химическая реакция должна быть цепной: активные соединения должны вновь возникать Итог: требования • Химическая реакция должна быть экзотермической. Теплоты реакции должно хватать для инициирования последующих этапов. • Химическая реакция должна быть быстрой, так чтобы скорость образования возбужденных молекул превосходила скорость релаксации • Химическая реакция должна быть цепной Химические лазеры • Принцип работы: основные процессы – Получение активных центров в результате тепловой диссоциации в камере сгорания – Ускорение химически активных центров до сверхзвуковых скоростей (сопловая решетка) – Инжекция в сверхзвуковой поток молекул вступающих в цепную реакцию – Генерация излучения – Удаление отработанных компонентов и их нейтрализация Химические лазеры Конструктивная схема непрерывного химического излучателя Химические лазеры • Конструкция: – Камера сгорания – Сопловая решетка – Резонатор – Устройство удаления отработанной смеси • В камеру сгорания дополнительно вводится гелий или азот для доведения температуры до величины 1500 °С Химические лазеры • Конструкция: Из камеры сгорания рабочая смесь газов поступает в сопловую решетку, предназначенную для эффективного перемешивания компонент • Хорошее перемешивание компонент – важнейшая проблема мощеных химических лазеров. Необходимо увеличить количество сопел и уменьшить их размер. Химические лазеры Примеры сопловых решеток Химические лазеры • Резонатор предназначен для формирования излучения • Зеркала резонатора изготавливают из меди или нержавеющей стали с каналами для эффективного охлаждения и отверстие для вывода излучения • Устройство удаления отработанных газов необходимо для лазеров работающих в атмосфере (давление в резонаторе меньше атмосферного) Химические лазеры • Оптимизация параметров за счет изменения расходов компонент рабочей смеси и выбора газодинамических параметров потока • Для увеличения скорости заселения уровней необходимо увеличит скорость химической реакции: электрический разряд, электронный пучок, лампа вспышка (УФ – излучение), дополнительный нагрев до 4000 °С Химические лазеры (импульсные) • В лазере непрерывного действия в резонатор подается рабочая смесь подается непрерывно • В импульсных лазерах рабочая смесь подается в камеру и после генерации удаляется из нее Химические лазеры • В настоящее время известно более сотни различных химических реакций A+BC→AB*+C пригодных для генерации • В качестве BC обычно используют галогеносодержащие молекулы Сl2; Br2; HI; Н2; NF3; UF6; SF6; WF6; HC1; H2S; CH4 и др. • Дополняют смесь стабилизирующими компонентами: например Н2:F2:О2:SF6 в соотношении 10:36:14:10 (исключаем взрыв) Химические лазеры • Возможен вариант передачи возбуждения другой молекуле • Пример: DF-СО2-лазер NO+F2=NOF+F; F+D2=DF*+D; D+F2=DF*+F;... • Далее к потоку DF* подмешивается СО2, возбуждаемый по схеме • DF*+ СО2= СО2*+DF • СО2* дает лазерную генерацию на длине волны =10,6 мкм Химические лазеры • Характерные длины волн генерации: • НС1 =3,7 мкм, • НВr = 4,2 мкм, • DF = 4,3 мкм. • HF = 2,7 мкм, Химические лазеры • Оценка массовых характеристик • M(НХЛ)=m(Т)+т(сх)+ т(сп)+ т(кс)+ т(ср)+ т(р) • где m(Т) - масса компонентов для работы НХЛ; • т(сх) - масса системы хранения компонентов, как правило, в сжиженном состоянии; • т(сп) - масса системы подачи компонентов топлива; • т(ср) - масса камеры сгорания; • т(кс) - масса сопловой решетки; • т(р) - масса резонатора. Химические лазеры • т(Т)=G∙∙N(1+Δ), • G - массовый расход, определяемый требуемой выходной мощностью излучения и удельной мощностью излучения, G=P/ξ; • ξ- удельная мощность излучения для HF лазера, 0,3…1 МВт/кг • N - количество выстрелов, как правило, равное 102...103; • -длительность выстрела (0,5…10 с); • Δ- гарантированный запас компонентов ( 10% Химические лазеры • Масса остальных систем зависит от массового расхода G. • т(сп)=k(ср)∙G, • т(кс)=k(кс)∙G, • т(ср)=k(ср)∙G, • где k(ср), k(кс), k(ср) - коэффициенты, характеризующие степень совершенства элементов конструкции химических излучателей Химические лазеры • Масса системы хранения включает массу системы термостатирования и газификации компонентов и зависит от массы топлива. • т(сх)=(1,2…2) т(Т). • Масса резонатора в основном зависит от выходной мощности излучения • т(р)=k(р)∙Р, • где k(р) - коэффициент, характеризующий степень совершенства зеркал, технологии их изготовления, особенностей охлаждения. Химические лазеры • Полная масса оружия на основе НХИ космического базирования дополнительно включает массу систем обнаружения, прицеливания, массу систем формирования, массу системы управления, массу первичных источников электроэнергии и массу ряда других обеспечивающих систем . Лазеры космического базирования Массовые характеристики элементов оружия космического базирования Р=5 МВт Элементы конструкции и системы Р=10 МВт Р=25 МВт Масса, т Масса, % Масса, т Масса, % Масса, т Масса, % Химический излучатель с резонатором и сопловой решеткой 2 7 2,5 4 2,5 3 Система хранения и подачи компонентов топлива 15 50 39 66 60 68 Оптическая система формирования 3 10 4 7 4 4,5 Система обнаружения и прицеливания 1,5 5 2,5 4 2 2,5 Система управления 1 3 1 2 1 1,5 Первичные источники электроэнергии 3 10 6 10 3 6 Обеспечивающие системы 4 15 4 7 4 4,5 Полная масса 29,5 100 59 100 88,5 100
