Исследование физических явлений в диэлектрических жидкостях инициируемых лазерным излучением (стр. 7 из 9)
3.6 Выводы по главе 3
1. Проведен анализ физических процессов в области воздействия лазерного излучения на вещество, который выявил последовательность этих процессов и показал возможность получения пробоя воздействием лазерного излучения на вещество.
2. Разработаны методика расчета параметров пробоя в канале проводимости и математическая модель для расчета необходимых условий для возникновения пробоя в зоне воздействия лазерного излучения.
3. Рассмотрена вероятность туннельного механизма ионизации когда параметр адиабатичности много меньше единицы, точнее,
и получена вероятность ионизации вещества при заданных параметрах лазерного излучения: интенсивность излучения, напряженность поля, потенциал ионизации вещества.4. Проведен расчет параметров пробоя: напряженность поля (Е), размеры области фокусировки лазерного излучения (V), расчет плотности мощности излучения и т. д.
4 Материал и методики исследования
4.1 Конструкция экспериментальной установки
Для проведения экспериментальных исследований мною была создана экспериментальная установка, состоящая из экспериментальной ячейки с исследуемым образцом и лазерной технологической установки ЛТУ-200 которая ранее для этих целей не использовалось.
Созданная экспериментальная установка включала в себя:
1) Экспериментальную ячейку (ЭЯ);
2) Источник питания ЭЯ;
3) ЛТУ-200;
4)Измерительные приборы, фиксирующие наличие пробоя (вольтметр, амперметр, осциллограф).
Схема установки и методика проведения эксперимента показана на рис.14. и заключается в следующем:
Рисунок.14. Схема установки, где L&I- источник излучения и экспериментальная ячейка с исследуемым образцом (жидкости), где Т - латэр (источник переменного напряжения), D – диодный мост, С – конденсатор, А – амперметр, V – вольтметр, L&I - экспериментальная ячейка с исследуемым образцом и лазерная технологическая установка ЛТУ-200.
Экспериментальная ячейка (ЭЯ)
Рисунок.15. внешний вид экспериментальной ячейки (ЭЯ).
Конструкция ЭЯ показана на рис.15 и состоит из следующих элементов:
· Основание - столик микроскопа БМИ-1Ц позволяющего перемещать ячейку по осям ХУ с точностью 10-5м.
· Ячейки с исследуемой жидкостью.
· Электродов, зазор между которыми можно менять с шагом 10-5м.
1) Источник питания ЭЯ.
Целью разработки системы электропитания ЭЯ было обеспечение заданных требований по напряжению и силе тока (т.е. величин влияющих на характер эрозионных процессов).
Рисунок.16. внешний вид источника питания ЭЯ.
Источник питания ЭЯ позволял изменять падение напряжения на электродах от 0 В. до 200 В., состоял из следующих элементов:
· Латэр мощностью 400 Вт;
· Выпрямителя напряжения собранного на диодном мосту (диоды-Д226Б).
2) ЛТУ-200.
1) CO2-лазер непрерывного излучения ЛГП-200;
2) программируемый координатный стол на базе станка сверлильно-фрезерного КСС-2Ф3 с устройством числового программного управления (ЧПУ) Луч- 43;
3) система электропитания лазера, на базе сварочного выпрямителя ВСЖ-03;
4) система охлаждения лазера;
5) задающий генератор Г5-54;
Рисунок.17. Внешний вид технологической установки ЛТУ-200.
6) система подачи вспомогательного газа;
7) газолазерный резак;
8) блок управления технологической установкой.
В качестве источника излучения использовался электроразрядный СО2- лазер, в котором используются нижние колебательные уровни возбуждённых молекул СО2 для генерации инфракрасного излучения с длиной волны 10,6 мкм.
Для повышения эффективности генерации излучения молекул углекислого газа в большинстве СО2- лазеров используется газовая смесь с различным процентным содержанием диоксида углерода СО2, азота N2 и гелия Не. Добавка азота в рабочую газовую смесь способствует усилению генерации лазерного излучения, а гелий в основном интенсифицирует отвод теплоты во время генерации вследствие высокой теплоёмкости и теплопроводности, понижая тем самым общую температуру смеси.
В СО2- лазерах наиболее распространена схема с самостоятельным электрическим разрядом, совмещающим функции накачки рабочей смеси и ионизации. Такие типы лазеров конструктивно оформляются наиболее просто, и в большинстве известных отечественных и зарубежных лазеров мощностью излучения до 1000 Вт используется схема электроразрядного лазера с самостоятельным разрядом [11, 12,13].
В современных конструкциях СО2 - лазеров для увеличения эффективности использования рабочей смеси необходимо поддерживать её температуру на оптимальном уровне и не допускать перегрева. С этой целью осуществляется охлаждение либо по принципу отвода теплоты от разрядной трубки (СО2 - лазеры с диффузионным охлаждением рабочей смеси)[11], либо непосредственной циркуляцией рабочей смеси с целью замены нагретых объёмов (лазеры с конвективным охлаждением) [12].
Рисунок.18. Схема размещения излучателя лазера и ВЧ БП на ЛТУ-200;
1-излучатель, 2- ВЧ БП, 3- манометр, 4- газолазерный резак
Лазер ЛГП-200 разработан и изготовлен в КБ приборостроения (г. Тула). Лазер газовый (CO2), отпаянный, волноводного типа. Тип излучения – непрерывное. В состав ЛГП-200 входят излучатель и высокочастотный блок питания (ВЧ БП), имеющие водяное охлаждение. Схема размещения излучателя лазера и ВЧ БП на установке показаны на рис. 4.4. [18].
Лазер имеет следующие технические характеристики:
- длина волны 10.6 мкм;
- диапазон изменения мощности излучения от 5 до 100 Вт;
- расходимость ЛИ 0.002 рад;
- выходная апертура луча 12 мм;
- модовый состав излучения TEM10;
- напряжение питания 27 ± 1.5 В;
- максимальная потребляемая мощность 2700 Вт;
- частота задающих импульсов 10 кГц;
- энергия кванта излучения-hn=0,117 эВ.
4)Измерительные приборы.
Измерительные приборы, фиксирующие наличие пробоя составляли:
· осциллограф С1-18;
· вольтметр Ц342-М1;
· амперметр Ц342-М1.
4.2 Выбор типа исследуемой жидкости
Выбор типа исследуемой жидкости был обусловлен рядом особенностей в соответствии с поставленной целью и задачей работы. Перечислим основные требования:
1. Использование в традиционных методах электроэрозионной обработки материалов.
2. Возможность использования исследуемой жидкости в нашей установке.
3. Небольшой потенциал ионизации.
4.3 Методика экспериментальных исследований
Основной целью проведенных экспериментов было исследование влияния лазерного излучения на электропроводность диэлектрических жидкостей и изучение практической возможности реализации электроэрозионных явлений в диэлектрической среде. Эксперименты проводятся для исследования влияния следующих параметров:
· Расстоянием между электродами;
· Падением напряжения на электродах;
· Мощностью ЛИ.
Сам эксперимент состоял из двух основных частей и заключался в следующем:
1. Экспериментальная ячейка (ЭЯ) заполнялось изучаемой жидкостью (бидистиллированная вода, спирт, трансформаторное масло) затем подавалось напряжение от 0 В. до 150 В. и мы фиксировали пробойное напряжение для данного типа жидкости, при котором начинается эрозия.
2. Экспериментальная ячейка (ЭЯ) заполнялось изучаемой жидкостью (бидистиллированная вода, спирт, трансформаторное масло) затем подавалось напряжение от 0 В. до 150 В. и в зоне между двумя электродами фокусировался луч лазера различной мощности от 10 Вт до 100 Вт.
3. После проведения экспериментальной части работы проводится обработка данных и построение графиков вольт-амперной зависимости.
Рисунок..20. График вольт-амперной зависимости изучаемого вещества, как некая функция от параметров (мощности лазера, межэлектродного зазора, приложенного к электродам напряжения)
Необходимо отметить экспериментальные сложности в исследовании лазерного пробоя, затрудняющие получение воспроизводимых порогов, таковы:
1. Невоспроизводимость временной и пространственной структуры лазерного импульса вследствие многомодовой природы мощных импульсов. Эта проблема может быть решена тщательной поперечной и продольной селекцией мод.
2. Влияние поглощающих включений (примесей). При линейном поглощении в интенсивном лазерном поле энергия вкладывается столь быстро, что температура поглощающего включения может возрасти на тысячи градусов и вызвать локальное расплавление и испарение вещества. Термическое напряжение может вызвать разрушение материала, в котором находится включение. Проблемы теплопроводности и механического напряжения могут быть решены классическими методами. Разумеется, многое зависит от размеров поглощающего включения, от длительности лазерного импульса и от оптической толщины включения. На практике порог разрушения часто определяется субмикроскопическими поглощающими частицами; например, в лазерных стержнях из неодимового стекла всегда имеются частички платины. Такие включения могут быть удалены. Обусловленный ими порог, конечно, не связан с фундаментальными свойствами вещества, и в идеально чистом веществе порог должен быть гораздо выше. В экспериментах по лазерному пробою важно уметь либо удалять эти включения, либо отличать их влияние от эффектов поглощения в истинно прозрачных материалах.