Размеры области фокусировки лазерного излучения

3.5.1 Размеры области фокусировки лазерного излучения

Размер кружка фокусировки излучения порядка , где -расходимость лазерного излучения, - фокусное расстояние фокусирующей линзы. При 10^-3 и 13 мм. 0,2 мм. Полагая, что размер области фокусировки по оси оптической системы мм, получаем для объема области фокусировки оценку

мм.³

3.5.2 Оценим напряженность поля (Е) между электродами:

;

где U – приложенное напряжение к электродам, а d – расстояние между ними. При U=200 В. и d=2*10^{-4 м. получаем}

 =10⁶В/м = 10⁴В/см

3.5.3 Оценим напряженность поля (Е) нашего ЛИ через вектор Пойтинга:

,

,

 , где I- интенсивность излучения,

откуда получаем искомую величину

;

В/м.

Рассмотрим вероятность туннельного механизма ионизации когда параметр адиабатичности много меньше единицы, точнее, .

В этом пределе зависимость вероятности ионизации от частоты поля исчезает, а сама вероятность ионизации в единицу времени приобретает ту же форму, что и для ионизации атома медленно меняющимся со временем электрическим полем, усредненную по периоду поля:

 , (18)

,

;

Необходимо отметить, что выражение (18) показывает вероятность ионизации одного атома в единицу времени. В нашем случае в взаимодействие ЛИ происходит не с одним атомом, а имеется фокальная область (V) и кол- во атомов в ней зависит от конкретного типа вещества, т.е. необходимо умножать эту вероятность на число атомов в данном обьеме.

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^{-5 м.}

·          Ячейки с исследуемой жидкостью.

·          Электродов, зазор между которыми можно менять с шагом 10^{-5 м.}

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.