Реферати українською » Математика » Голівка рубінового лазера з термоохлаждением


Реферат Голівка рубінового лазера з термоохлаждением

Курсова робота

Выполнил студент ФЕЛ, грн. ДЕ-91 Дзёма Н.А.

Технічний університет України «КПІ»

Київ 2003

Запровадження

При конструюванні систем охолодження імпульсних лазерів із частотою генерації fг<1Гц предпочтительны воздушно-вихревые і напівпровідникові системи термостабилизации. Для лазерів із частотою генерації імпульсів fг > 1 гц рекомендуються рідинні системи охолодження.

Рациональная конструкція вузлів кріплення стрижня активного речовини і лампи накачування, і навіть оптимальний вибір проміжків і перетинів каналів теплоотводов дозволяють збільшити ефективність теплообміну, зменшити перепад температури в кристалі, скоротити витрати охолоджувальної середовища. Фотохимическая стійкість, агресивність і коррозирующее дію охолоджуючих середовищ на матеріали конструкції можуть бути причиною порушення нормальної роботи навіть найбільш надійної системи охолодження.

1. Види охолоджуючих систем

Для охлаждениея лазерної голівки застосовуються різні види охолоджуючих систем. Вибір потрібного типу системи залежить від параметрів лазера і умов її використання. Розглянемо деякі типи систем.

1.1. Системи глибокого охолодження.

Для спектроскопических досліджень характеристик різних активних речовин лазерів, ні з з метою отримання оптимальних режимів вихідний енергії і частоти випромінювання застосовують криостаты. У кристалі рубіна з 0,05% -ным змістом іонів Сг3+ при 77 До порогова потужність накачування на 40% менше, аніж за 300 До. Кристали CaWO4 : Nd3+ мають поріг генерації при 77 До удвічі менший, аніж за 300 До. Выходная енергія кристала CaF2 : Dy2+ при Т = 77 До і пороговом значенні енергії накачування дорівнює Евых = 1,5 • 10-6 Дж. Для швидкого охолодження активного речовини застосовується малогабаритна двухконтурная система з роздільним охолодженням. Камера цією системою є герметичний циліндр еліптичного перерізу з високим рівнем чистоти обробки поверхні. У одному з пов'язаних фокусов'цилиндр а перебуває микрохолодильник з активним речовиною, а дру.гом—импульсная лампа накачування. Лампа охолоджується оптично прозорою фторо- чи кремнийсодержащей рідиною, тепло від якої відбирається у спеціальній теплообменнике рідким азотом, які виходять із микрохолодильника. Жидкостный контур охолодження — замкнутого типу. Активне речовина піддається глибокому охолодження в микрохолодильнике. Жидкий азот із посудини ємністю 0,015 м3 під тиском 1 Па подається в теплообмінник.

Щоб уникнути закипання лежить на поверхні активного речовини, азот в теплообменнике переохлаждается і далі омиває кристал. Весь комплекс системи охолодження є стаціонарну установку, що забезпечує генерацію випромінювання лазера із частотою прямування імпульсів 10... 100 гц за зміни температури довкілля ± 50° З.

1.2. Замкнені рідинні системи охолодження.

Для лазерів, застосовуваних малогабаритній апаратурі, розроблена рідинна система охолодження і рідинна система термостабилизации з коаксиальной лампою накачування. Внутрішній обсяг камери лазера розділений коронками на дві порожнини. Импульсная лампа накачування і кристал омываются охолоджувальної рідиною, заполняющей весь внутрішній обсяг герметичного корпусу. Тепло від кристала, імпульсної лампи і частина тепла від відбивача відбирається хла-доагентом, перекачиваемым насосом з однієї порожнини до іншої, та був передається зовнішньому корпусу. Інша ж частина тепла, выделяющегося в отражателе, передається кондуктивно, завдяки щільною посадці на корпус. Для збільшення теплообміну в корпусі зроблено чотири гвинтових паза, збільшують турбулентність потоку і поверхню теплообміну. Таке конструктивне рішення дає можливість знизити масу чуток і габарити, а відсутність з'єднувальних трубок й необхідною герметизації ущільнень обумовлює значне підвищення експлуатаційної надійності пристрої і отримання стійкою генерації із частотою fг ~ 1 гц.

1.3. Напівпровідникові системи термостабилизации.

У цих системах, працівників ефект Пельтье, суміщені на єдиній блоці освітлювач камери лазера з термоелектричним холодильником. Застосування таких систем виправдано при холодопроизводительности термобатарей 30...40 Вт і за температурі довкілля до +50° З.

До переваг напівпровідникових систем слід віднести невелику масу чуток і габарити, порівняно малу споживану. потужність, можливість швидкого переходу від режиму охолодження режиму нагріву, можливість роботи у широкому діапазоні оточуючих температур, тисків, вібрацій і прискорень. Проте за холоднопроизводйтельности 150...200 Вт і більше ці системи з габаритам і енергетичним параметрами поступаються рідинним і компрессионным системам. Импульсная лампа і кристал, закріплені в осветителе, кондуктивно розладнуються шиною, виготовленої иа червоною міді. Кристал кріпиться до шині через м'яку підкладку з. чистого індію, допускає пластичні деформація. У отвір шини вставлені термисторы, які керують електричної схемою термобатарей. Працюючи лазера мідна шина ж виконує функцію своєрідного акумулятора теплоти під час генерації випромінювання та акумулятора холоду під час пауз між спалахами. З метою забезпечення хорошого теплового контакту між теп-лоотводящей шиною і кристалом рубіна по котра утворює кристала вжигается смужка срібла шириною 2,5...3 мм завтовшки 50...70 мкм. Перепады температури лежить на поверхні кристала від спалахів лампи можуть досягати 20° З. Найбільшого впливу на добротність резонатора при даної системи термостабилизации надає нессиметрич-ная термічна деформація кристала, має характер оптичного клину. Полупроводниковая система термостабилизации створена для лазерів, які працюють із частотою повторення трохи більше однієї спалахи за 2...5 з при q^ = 10...15 Вт/см2. Коефіцієнт теплообміну таких систем малий, і як 50...100 Вт/(м2 • До).

Нарешті, розглянемо системи вихрового охолодження, які можна й у разі.

1.4. Вихревой воздухохолодильник.

Ефект вихрового температурного розширення стиснутого газу відкритий Ранком в 1931 р. З того часу дослідженню цього ефекту присвячено багато робіт.

Практичної реалізацією ідеї вихрового ефекту стало створення вихрових холодильників, застосовуваних як із проведенні науково-дослідницьких робіт, і у промисловості.

Вихревой то може бути використана під час створення мініатюрних пристроїв для охолодження невеликих об'єктів із масою порядку кількох грам до температури порядку —50° З. Вихревой холодильник, відрізняючись виняткової простотою конструкції і надійністю у роботі, може бути виготовлений досить компактним та легкою при порівняно невеличкому витратах повітря і тиску газу кілька атмосфер.

Принцип дії.

Відомо, що ефективна охолодження газу можна у процесі розширення з віддачею зовнішньої роботи — у процесі детандирования газу.

Ідеальним процесом розширення газу з скоєнням зовнішньої роботи є підставою изоэнтропный процес, зміна температури ідеального газу, якого визначається рівнянням адиабаты

де Т і Р — температура і тиск на вході і виході;

k — показник адиабаты.

У процесі розширення шляхом простого дросселирования кінетичну енергію яка витікає струменя охолодженого газу використовувати вдасться: вона цілком перетворюється на тепло, тому процес протікає при постійної энтальпии, а ідеального газу — і за постійної температурі.

Вихревая труба є пристрій, у якому процес дросселирования супроводжується частковим перетворенням енергії газу механічну роботу, у результаті частина газу охолоджується, іншу частина — нагрівається. Розглянемо схему вихоровий труби, подану на рис. 1. Стиснутий газ вступає у циліндричну трубу / через отвір, що на дотичній до її внутрішнього окружності. Труба з одного боку обмежена діафрагмою 2 з гаком отвором у центрі, з іншого боку — вентилем 3. Завдяки тангенциальному розташуванню отвори, струмені газу, охладившегося у результаті розширення, повідомляється вихрове рух. Поле кутових швидкостей w вихору в сечении /—/, що проходить через площину вхідного отвори, є нерівномірним — найбільшими кутовими швидкостями мають верстви, розташовані ближчі один до геометричній осі труби; у міру віддалення від центру кутова швидкість вихору падає.

Рис. 1. Принципова схема вихоровий труби: р1, Тc—давление і температура газу; Тх, Tг — температура холодної та гарячого потоків

У цьому нерівномірності розподілу кутових швидкостей й полягає можливість температурного поділу верств газу вихровому холодильнику. Справді, при вращательно-поступательном русі вздовж труби центральні верстви, які працюють з більшими на швидкостями, відчувають спротив з боку верств, обертових з меншими швидкостями. Наявність тертя між верствами газу призводить до того, що у деякому сечении II—II розподіл кутових швидкостей стає близькими до рівномірному. З енергетичної погляду це, що центральні верстви віддали частину свого енергії виробництва механічної роботи проти сил зчеплення з зовнішніми верствами і таким чином зберегли ту знижену температуру, що вони отримали у результаті розширення на вході у трубу.

Для маси газу т, обертовою зі швидкістю w з відривом r від центру, кінетична енергія, передана зовнішнім верствам, становить:

де А — теплової еквівалент роботи; w1, w2,—угловые швидкості потоку.

Охладившийся центральний потік газу виходить із вихоровий труби через отвір в діафрагмі, більш нагріті зовнішні верстви відводяться назовні через вентиль.

Рух потоків може здійснюватися як і протилежних, і у одному напрямку.

Рис. 2. Лазерна голівка з вихровим воздухохододильником:

1 — диффузор; 2 — патрубок нагрітого потоку повітря; 3 — фланец; 4 — електрод лампи накачування; 5 — лампа; 6 — кристал; 7 —радіатор; 8 — відбивач; 9 — ізолятор; 10 — власник лампи; 11 — цанга кристала; 12 — сопло-улитка; 13 — штуцер; 14 — корпус.

Вихревой воздухохолодильник дає створити систему охолодження з мінімальними масою і габаритами. У цьому ефективність охолодження проти звичайними газовими системами зростає у кілька разів. Як мовилося раніше, принцип охолодження активного речовини у цій системі грунтується освіті повітряного вихору, рушійної з тангенциальным прискоренням в сопло, має форму спіралі Архімеда (сопло-улитка) (рис. 2). Кристал закріплюють цангами на осі вихоровий трубки, виготовленої з прозорого кварцу. У корпусі вихоровий трубки встановлюють сопло-улитку. На протилежному кінці трубки перебуває диффузор. Стиснутий повітря із зовнішнього мережі надходить через подводящий патрубок в сопло. Образующийся там вихор рухається в осьовому напрямі вздовж трубки до диффузору. Інтенсивна закручення повітряного потоку створює градієнт статичного тиску і високі турбулентність. Внаслідок цього у центральній частині вихоровий трубки створюється зона зниженого тиску і температури. Наявність диффузора сприяє зниження температури у цій зоні до —100° З. Висока турбулентність вихору забезпечує великі значення коефіцієнта теплообміну 200...550 Вт/(м2 • До). Вісь вихоровий трубки сполучена з кристалом активного речовини. Відпрацьований повітря з диффузора надходить всередину відбивача, відповідає лампу і виходить назовні. Відсутність теплової ізоляції вихоровий трубки від корпусу камери позначається на теплофизических характеристиках системи охолодження, оскільки низькотемпературна зона у центрі вихору відокремлюється від стінок трубки периферійними верствами, мають температуру, близьку до оточуючої. І ця особливість виключає запотівання зовнішніх стінок кварцової трубки. Оптимальна площа перерізу сопла при тиску 9,81 • 104 Па становитиме десяту площі перерізу вихоровий трубки, а оптимальне ставлення довжини трубки до діаметру одно 3...5. Для найкращого охолодження кристала величину зазору між дисками диффузора слід вибрати рівної (0,05... 0,07) • Da. W Dy — діаметр вихоровий трубки. Значення коефіцієнта теплообміну і температури охолодження ДП залежить від тиску р й стосунку d/D„ 0,25...0,8; становить: а = (360...525) Вт/м2 • До. Системи термостабилизации, використовують вихоровий ефект, надійніші конструктивно прості.

2. Розрахунок вихрового холодильника

Досвід, накопичений внаслідок дослідження вихрового ефекту, дозволив створити методику розрахунку, користуючись якої, можна було одержати оптимальні співвідношення для розмірів вихоровий камери. З досліджень треба сказати роботу А. Меркулова, у якій приведено методика розрахунку вихрових труб діаметром 20—50 мм. Зазначена методика виходить з використанні відомих залежностей коефіцієнта температурної

ефективності hx від .

Коефіцієнт температурної ефективності є ставлення ефекту охолодження DТ, до ефекту охолодження DTs; при изоэнтропийном розширенні:

 (1.1)

де T1 — абсолютна температура на вході;

Тx — абсолютна температура холодного потоку;

k — показник адиабаты;

— ступінь розширення вихрового холодильника.

Для вихрових холодильників коефіцієнт температурної ефективності залежить від T1 в інтервалі температур 30—150° З при 2<

Схожі реферати:

Навігація