Коваленко А.А., Лыштван Е.Ю.

Восточноукраинский национальный университет им. Владимира Даля,

г. Луганск

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ОПТИЧЕСКОГО ПРОБОЯ ПРИ ПОСТРОЕНИИ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОВОЗА

Повышение эффективности систем охлаждения тепловозов за счет уменьшения потерь энергии на регулирование нуждается в использовании усовершенствованных приводов систем охлаждения, в частности, в применение приводов с улучшенными статическими и динамическими характеристиками, использующими новые физические эффекты для своего функционирования. При этом создаются условия не только для экономии топлива, которое обеспечивается установлением оптимальной частоты вращения вентилятора, а также для уменьшения износа и повышение долговечности деталей и узлов силовых установок локомотивов благодаря постоянству тепловой напряженности рабочих элементов.

Одним из эффектов, который может быть использован при построении оптопневматических интерфейсов, является оптический пробой газов или жидкостей, сопровождающийся резким повышением давления в замкнутом объеме.

Возможны два механизма оптического пробоя газов – многоквантовый фотоэффект (или многофотонная ионизация) и развитие электронной лавины, такой же, как и при других типах пробоя в постоянном или СВЧ полях.

Вероятность многофотонной ионизации атома в единицу времени дается соотношением [1]

,

где – сечение процесса, зависящее от типа атома, частота и поляризации лазерного излучения; – величина потока фотонов; – кратность процесса ионизации.

Видно, что вероятность процесса многофотонной ионизации резко возрастает при увеличении потока фотонов.

Критерием справедливости механизма пробоя может являться величина порога пробоя. Для многофотонной ионизации расчеты дают пороговые значения напряженности, значительно превышающие полученные из эксперимента. Так, для пробоя воздуха гигантскими импульсами при атмосферном давлении расчет дает [1], что превышает экспериментальное значение на порядок.

Второй возможный механизм образования оптического пробоя – электронная лавина, возникающая и развивающаяся за счет ионизации газа электронами.

В переменном электрическом поле лазерного излучения электрон совершает вынужденные колебания с частотой поля и сталкивается с атомами газа. При этих столкновениях кинетическая энергия его колебаний переходит в энергию хаотического движения, и скорость электрона возрастает, т.е. электрон в поле набирает энергию. После того, как кинетическая энергия электрона достигнет величины потенциала ионизации атома, станет возможной ионизация атомов ускоренным электроном

.

Это ведет к размножению свободных электронов в газе и дает возможность развития электронной лавины, которое описывается уравнением

,

где – начальное количество электронов; – число циклов развития лавины; – длительность импульса лазера; – среднее время одного цикла.

В качестве критерия возможности развития электронной лавины можно принять требование, чтобы свободный электрон за время действия лазерного импульса мог получить энергию, равную потенциалу ионизации нейтрального атома. Это приводит к количественному соотношению для определения пороговой напряженности электрического поля лазерного излучения [1]

,

где – концентрация атомов газа.

При выводе этого соотношения предполагалось, что потенциал ионизации равен 10 эВ и энергия кванта лазерного излучения равна 1 эВ.

Оценим величину пороговой напряженности для оптического пробоя газа при нормальных условиях. Концентрацию атомов можно найти из уравнения газового состояния

,

где -давление; – абсолютная температура газа; – постоянная Больцмана.

Для нормальных условий . Приняв длительность гигантского импульса , получим пороговое значение напряженности , что по порядку величины согласуется с экспериментальным значением (~10⁶ В/см).

Таким образом, механизм лавинной ионизации является основным при оптическом пробое газов при давлениях порядка атмосферного и выше. Это подтверждается анализом имеющихся экспериментальных данных по зависимости порога пробоя от различных физических факторов.

Рассмотрим влияние на порог оптического пробоя в газах таких физических факторов, как давление газа, частота лазерного излучения, длительность лазерного импульса, фокусной области линзы, а также состава газа [3]. Правильный выбор перечисленных факторов может оказать существенное влияние на эффективность работы оптопневматической ячейки и всего преобразователя в целом.

На рис.1 показан типичный вид этой зависимости в интервале от десятых долей до двухсот мегапаскалей.

Рис.1. Зависимость порога пробоя от давления в аргоне

Видно, что пороговое поле имеет минимум при давлении порядка десятков мегапаскалей. Причину его существования можно объяснить следующим образом. В поле лазерного луча электрон одновременно ускоряется и упруго рассеивается на атомах газа с некоторой частотой. В результате этих процессов его энергия возрастает. Скорость возрастания энергии электрона определяется выражением

(1)

где и – заряд и масса электрона. Простой анализ показывает, что это выражение достигает максимума при .

Максимальная скорость нарастания энергии электрона приводит к уменьшению порога пробоя до его минимального значения. Зависимость от давления появляется за счет того, что эффективная частота столкновений прямо пропорциональна концентрации атомов газа, которая является функцией давления.

Понижение порога пробоя с ростом давления подтверждает лавинный характер процесса пробоя. В одноатомных газах пороговые интенсивности лазерного луча убывают как для излучения неодимового лазера и как для рубинового. Отметим, что из соотношения

(2)

для порога пробоя следует зависимость интенсивности от давления , что согласуется с экспериментальными данными.

При малых давлениях порог пробоя слабо зависит от давления, что связано с определяющей ролью процесса многофотонной ионизации в этих условиях. На рис. 2 показана зависимость пороговой интенсивности в азоте от давления в интервале от 1 до 10⁴ мм рт. ст. Из графика хорошо видно, что при малых и больших давлениях должны действовать различные механизмы пробоя. Переходная область лежит в районе атмосферного давления.

Рис.2. Зависимость пороговой интенсивности от давления в азоте

Скорость нарастания энергии электрона в поле лазерного луча обратно пропорциональна квадрату частоты лазерного излучения (1). Порог пробоя (по интенсивности) для рубинового лазера больше порога для неодимового в 2,3 раза

раза.

На рис. 3 показаны пороги пробоя аргона при атмосферном давлении на частотах рубинового, неодимового и СО2 лазеров. Там же сплошной линией приведена зависимость .

Рис. 3. Зависимость пороговой интенсивности в аргоне от частоты лазерного излучения

Наблюдается достаточно хорошее согласие экспериментальных данных с ожидаемой зависимостью в рассматриваемом диапазоне частот.

При дальнейшем увеличении частоты зависимость J(ω) достигает явно выраженного максимума, после чего наблюдается резкое уменьшение J. Общепринятого объяснения такому виду зависимости пока нет.

Длительность импульсов твердотельных лазеров, работающих в режиме гигантского импульса, лежит в пределах от 10 нс до 60 нс. Прямых исследований зависимости порога пробоя от длительности импульса в этом диапазоне не проводилось. Есть некоторые указания на то, что при увеличении длительности импульса порог несколько снижается. При длительностях импульсов больших 50 нс измерения с газовыми лазерами показали, что порог от длительности импульса не зависит и определяется только его интенсивностью.

При исключительно коротких (пикосекундных) импульсах электрон не успевает за время действия импульса набрать энергию, достаточную для ионизации атома и лавина не образуется. Пробой происходит за счет многофотонной ионизации, что требует значительно больших величин порогового поля (до 108 В/см).

Порог пробоя зависит также от размеров фокусной области линзы. Область фокуса имеет форму цилиндра диаметром и длиной , причем

; .

Электроны, образовавшиеся в процессе ионизации атомов в области фокуса, могут покидать эту область за счет диффузии. Такие потери электронов приведут к повышению порога пробоя.

Вероятность ухода электрона из какой-либо области пространства определяется коэффициентом диффузии и характеристической диффузионной длиной

.

Длина по порядку величины равна характерному размеру рассматриваемой области пространства, из которого происходит диффузия.

Для цилиндрической области диффузионная длина определяется выражением

.

Результаты экспериментов показывают, что пороговое поле уменьшается при увеличении диффузионной длины как

.

Поскольку интенсивность пропорциональна квадрату напряженности, то зависимость пороговой интенсивности от Λ будет иметь вид

Анализ явления оптического пробоя газа показал возможность создания оптопневматических преобразователей, использующих этот эффект [4, 5].

Первоначально была разработана конструкция, изображенная на рис. 4а [5]. Сигнал управления поступал на вход схемы запуска импульсного лазера 1, работающего в режиме гигантского импульса, где формировался оптический сигнал, передаваемый по световоду (или воздуху) на вход в оптопневматическую ячейку 2. Оптопневматическая ячейка располагалась в канале управления пропорционального усилителя 3. С помощью собирающей линзы 4, фокус которой расположен в камере оптопневматической ячейки, оптический сигнал фокусировался, и возникал оптический пробой среды, заполняющей ячейку. Возникающее при этом повышение давления воздействовало на мембрану. Колебания мембраны вызывали появление расхода в канале управления усилителя, который оказывал турбулизирующее и отклоняющее воздействия на струю питания усилителя. В результате этого давление на выходе усилителя изменялось.

Рис.4. Схемы оптопневматических преобразователей

Повышение коэффициента передачи оптопневматического преобразователя удалось достичь, выполнив отверстие в мембране (рис. 4б). В этом случае турбулизация и отклонение струи питания усилителя происходили непосредственно струей управления, возникающей во время оптического пробоя в оптопневматической ячейке. Стабильность работы преобразователя в целом была повышена установкой в фокусе собирающей линзы зачерненного электрода 5, являющегося инициатором оптического пробоя (рис. 4в).

Отметим, что оптопневматической ячейка с отверстием в мембране может быть использована при разработке оптоуправляемого гидравлического сопротивления, на основе которого можно построить различные конструкции преобразователей.

Таким образом, использование оптического пробоя или явления выброса пламенного факела в газах позволило создать ряд работоспособных оптопневмаческих преобразователей.

Приведенные результаты теоретических и экспериментальных исследований явления оптического пробоя дают возможность создания на этой основе оптопневматических преобразователей, которые могут быть использованы в различных областях техники, в частности в системах вспомогательных приводов тепловозов. [6].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

1. Делоне А.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом / А.Б. Делоне – М.: Наука, 1989. – 278с.

2. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов / Ю.П. Райзер – М.: Наука. - 1980. – 416с.

3. Кочмарек Ф. Введение в физику лазеров / Ф. Кочмарек – М.: Мир. – 1981. – 540с.

4. Коваленко А.А., Бугаенко В.В. Оптопневматический преобразователь // Тезисы докладов зональной конференции "Пневматические средства контроля и управления технологическими процессами". – Пенза, 1990. – С. 82.

5. Коваленко А.А., Бугаенко В.В. Оптопневматический интерфейс // Тезисы докладов всесоюзного совещания "Пневмогидравлика и пневмопривод". – Москва, 1990. – С. 109.

6. Коваленко А.А., Лыштван Е.Ю., Сорока С.И. Оптопневматика в технике: монография / А.А. Коваленко, Е.Ю. Лыштван, С.И. Сорока. – Луганск: Издательство ВНУ им. В. Даля, 2008. – 184 с.