|
|
Шпаргалки по дисциплине Источники высококонцентрированного излучения. Шпоры по ИВКИ. 1 Излучение окг. Основные особенности
1 Излучение ОКГ. Основные особенности.
Основными особенностями излучения ОКГ являются: монохроматичность, когерентность и поляризация.
1 Монохроматичность выражается в том, что излучение имеет одну длину волны. Ширина спектра при этом стремится к 0.
а(t)=sin(ωt+φ)
Реальное излучение ОКГ квазимонохроматично, т.е. имеет конечную ширину спектра.
Для его описания используют понятие степень монохроматичности:
μ=Δf/f0.
Для обычных источников μ до 10-6, для ОКГ - до 10-10.
Периодические колебания создают спектр согласно теореме Фурье:
Спектр непериодического колебания подчиняется интегралу Фурье:
Физический смысл выражения – непериодическая функция может быть представлена суммой синусоидальных составляющих, но их число ∞ и они расположены ∞ близко друг к другу, т.е. образуется сплошной спектр.
2 Когерентность.
Различают когерентность пространственную (наличие связи между фазами колебаний в разных точках пространства в один и тот же момент времени) и временную (связь между фазами колебаний в различные моменты времени в одной и той же точке).
Когерентное излучение имеет плоский фронт волны (параллельные лучи), т.е. излучение направленное. Угол расхождения:
 ,
Д – диаметр апертуры.
3 Поляризация. Излучение обычных источников имеет эллиптическую поляризацию, тогда как излучение ОКГ – линейную.
2 Классификация ОКГ.
По виду активной среды:
- газовые (атомарные, молекулярные, ионные, на парах металлов, химические)
- твердотельные (рубиновые, активированное стекло с неодимом, сапфир, активированный титаном)
- жидкостные
- полупроводниковые.
По принципу работы: непрерывные, импульсные , квазиимпульсные, с модулированием добротности (режим гигантских импульсов).
По методу создания инверсной населенности
возбуждение световым потоком (оптическая накачка)
возбуждение электронным ударом
возбуждение за счет неупругих столкновений атомов
возбуждение при диссоциации молекул (при столкновении молекул)
инжекция носителей заряда через p-n переход.
По спектру излучения: инфракрасные, видимого диапазона, ультрафиолетовые.
По мощности: малой (менее 0.1 кВт), средней (0.1÷5 кВт), большой (более 5 кВт).
19 Факторы, влияющие на эффективность лазерного термоупрочнения.
Эффективность обработки лазером зависит от поглощающей способности материала (для СО2 10,6 мкм). При комнатной температуре и малых потоках изучения металлы обладают низкой поглощательной способностью (ПС). ПС металла прямо пропорционально кв корню из удельного сопротивления металла. От поверхности металла отражается до 85% лазерного излучения. Коэффициент поглощения повышают нанесением тонкого слоя сильно поглощающего материала (не толще 25 мкм). Для этих целей используют: окислы металлов, углеродные порошки, поликристаллический вольфрам. Так как ПС увеличивается с уменьшением электропроводности, то можно использовать нанесение неметаллических покрытий Fe2S3 и Al2O3. В зависимости от толщины ПС может увеличиваться до 80÷100%. Наиболее экономичным считают покрытие из фосфатов.
Помимо ПС на эффективность процесса влияет мощность лазерного излучения. От нее зависят размеры зоны термовлияния. Важной характеристикой является и шероховатость поверхности, зависящей от факторов:
1 Плотность мощности - с увеличением плотности высота следа растет вначале резко, после достигает максимума, затем снижается;
2 Скорость перемещения луча и заготовки - при определенной скорости и плотности мощности высота следа имеет мах значение. При увеличении скорости высота следа увеличивается.
3 Активная среда в ОКГ. Понятия об энергетических уровнях, инверсии населенностей. Стимулирование излучения.
Основные сведения из квантовой механики.
- внутренняя энергия частиц может принимать только определенные значения.
- состояние частицы с наименьшей энергией является наиболее устойчивым. Это состояние называется основным или нормальным.
- переход частицы из одного состояния в другое сопровождается изменением энергии. Переход вверх происходит при поглощении кванта энергии (фотона), вниз – испускании. Частота фотона определяется правилом Бора:
- возможны не все переходы между энергетическими уровнями, а лишь некоторые, удовлетворяющие т.н. «правилу отбора»: переходы между состояниями, характеризуются квантовыми числами, отличающимися друг от друга на опр. величину. Соотв. переходы могут быть разрешенными или запрещенными (вероятность перехода на несколько порядков ниже).
- наиболее вероятное распределение частиц по энергии характеризуется распределением Больцмана:
 , 
N – число частиц;
Z – нормирующий множитель;
Т – абсолютная температура;
К – постоянная Больцмана;
Е – энергия частицы.
Это наиболее вероятное состояние частиц – состояние термодинамического равновесия или равновесная система. При этом населенность нижних уровней много больше, чем верхних. Любая система микрочастиц, находящаяся в менее вероятном состоянии, будет стремиться изменить его в направлении этого состояния.
При большей населенности верхних уровней температура в формуле должна быть отрицательной. Такое состояние системы называется состоянием с отрицательной температурой или неравновесной системой. Измененное состояние энергетических уровней называется инверсной населенностью. Время пребывания частицы на верхних уровнях ограничено. В произвольный момент времени без внешних воздействий, частица переходит в состояние с меньшей внутренней энергией, излучая фотон. Этот процесс называется спонтанным.
Переход, происходящий под внешним воздействием, называется индуцированным или вынужденным. При взаимодействии возбужденной частицы с фотоном происходит переход частицы в состояние с меньшей энергией. Фотон стимулирует переход без потери энергии. Основной свойство – вторичный фотон по своим характеристикам аналогичен первичному (частота, фаза, поляризация, направление).
4 Понятие об оптических резонаторах.
Оптическим резонатором (ОР) называют систему из двух (или более) обращенных друг другу отражающих поверхностей, между которыми располагается активное вещество. Отражающие поверхности - зеркала различной формы: плоские, сферические, параболические и т.д.
1 – зеркала резонатора
2 – поворотные зеркала
Расстояние между ними зависит от длины активной среды. Для выхода из резонатора полезного излучения отражающие поверхности делают с небольшим коэффициентом пропускания. К отражающим поверхностям предъявляют высокие требования – потери на поглощение должны быть минимальны. Это достигается тщательной обработкой поверхностей с финишной чистотой не ниже 14 класса и нанесением специальных покрытий, как диэлектрических (сернистый цинк, германий и др.), так и металлических (золото, медь, алюминий). Коэффициент отражения до 99,8 %.
Основное назначение ОР – осуществление обратной связи. Мощность в резонаторе нарастает не бесконечно. По мере роста интенсивности волны истощается инверсная населенность, т.е. происходит опустошение верхнего уровня самой волной при конечной скорости возбуждения от внешнего источника. Поэтому излучение усиливается по экспоненциальному закону только в ограниченном диапазоне интенсивностей, а далее происходит переход к насыщению.
Установка зеркал резонатора производится с помощью юстировочных приспособлений – высокоточных механических устройств.
5 Процессы в резонаторе. Условия возникновения генерации, образование спектра излучения.
Инверсная среда при каждом проходе усиливает волну, повышая плотность фотонов. При этом аксиальные моды (волны с волновым вектором вдоль оптической оси резонатора) усилятся больше, чем внеаксиальные. Поскольку вероятность рождения фотонов пропорциональна количеству уже имеющихся, то в итоге останутся только аксиальные моды.
Встречные волны аксиальных мод образуют стоячую волну. На расстоянии между зеркалами должно уложиться целое число полуволн (резонатор с плоским зеркалом):
q=2L,
q – прядок интерференции (целое число);
-длина волны;
L-расстояние между зеркалами.
=С/2L;
Резонатор имеет много собственных частот, соответствующих резонансам, которые он и выбирает из широкого контура усиления.
При уменьшении длинны резонатора, можно увеличить Δν, тогда в полосу излучения попадет только 1 мода. При достаточно слабой инверсии так же может остаться только 1 мода.
Условие возникновения генерации: усиление должно превышать суммарное число потерь в резонаторе:
∂е 0·L≥|0.5·ln[ρ1ρ2(1-αД)(1-αТ)]+∂е р·ℓ|
∂е 0 - ненасыщенный показатель усиления активной среды.
e-2 ∂е р ℓ - рассеивание на неоднородностях активной среды, ∂е р - потери на рассеивание.
ρ1 и ρ2 – коэф. отражения зеркал.
αД - дифракционные потери. Зависят от угола дифракции:
φ=mλ/Д,
m – коэф., зависящий от конфигурации зеркала;
Д – диаметр зеркала. Чем больше Д, тем меньше φ.
αТ - потери на торцах активной среды.
Ширина и контур спектральной линии излучения.
Энергетические уровни частицы, даже в идеальном случае при отсутствии внешних воздействий, имеют конечную ширину. Она зависит от времени жизни частицы в данном состоянии. Чем меньше ВЖ, тем больше ширина.
Ширина спектральной линии изолированного неподвижного атома называется естественной. Практически, спектральные линии всегда шире естественных. Виды уширений:
- Однородное. Вследствие взаимодействия между частицами ВЖ уменьшается.
- Доплеровское. При удалении частиц от наблюдателя частота меньше, при приближении – больше.
Форма спектральной линии излучения – симметричный контур резонансного типа с максимумом в центре.
6 Типы колебаний в резонаторах ОКГ. Потери в резонаторах.
При распространении колебаний в резонаторе после некоторого числа прохождений, распределение эл. магнитного поля по поверхности зеркал становится стационарным.
Существует несколько видов этого распределения описанного функциями V(XY) и представляющего собой различные нормальные типы колебаний резонаторов. Каждому типу колебаний присущи свои потери и фазовый сдвиг за 1 проход. Т.е. в резонаторе каждый тип колебаний характеризуется своими частотами. Сокращенно нормальные типы колебаний называют модами.
ТЕМmnq, где m, n, q – целые числа, обозначают число изменений знаков поля на поверхности зеркал. q – число полуволн, укладывающихся по длине резонатора. q очень велико, поэтому обычно не указывается. m и n – целые числа, обозначают число изменений направления поля вдоль оси Х и Y для квадратных зеркал и для радиусов у круглых зеркал.
Распределение поля и форма пятна:
ТЭМ00 ТЭМ10 ТЭМ01
  
Т.к. каждому типу колебаний присущи свои потери, то условие возбуждения для различных мод различны.
В начале возбуждаются моды с наименьшими потерями. Разница определяется в основном дифракционными потерями, зависящими от распределения амплитуды волны по поверхности зеркал. Если амплитуда у края зеркала мала, то потери будут также малы. Наименьшие потери в резонаторе будут обладать те типы колебаний, у которых распределение амплитуды достигает максимума в центре и наиболее круто спадает к краям. Они называются основными модами (ТЭМ00).
Т.о. в резонаторах ОКГ возбуждается много мод. Существуют моды, с разными m и n – поперечные моды, отличающиеся друг от друга распределением амплитуды и фазы по поверхности зеркал и величиной дифракционных потерь. Существуют также моды с одинаковыми значениями m и n, но разными q – продольные моды, различающиеся частотами генерации.
Селекция мод. Расходимость излучения ОКГ и его спектр зависят от числа одновременно возбужденных мод резонатора. Для получения минимальной расходимости необходимо подавление всех мод, кроме основной.
Методы селекции. Дифракционные потери растут с ростом индексов, поэтому необходимо увеличить потери для неосновных мод. Это достигается изменением размеров зеркал, расстоянием между ними и мощности накачки, размещение диафрагмы в резонаторе для подавления мод высших порядков.
Виды потерь в резонаторах.
Рассеивание на неоднородностях активной среды:
e-2 ∂е рℓ,
∂е р - потери на рассеивание.
Потери в зеркалах
(1-ρ1)·(1-ρ2),
ρ1 и ρ2 – коэф. отражения зеркал.
Дифракционные потери αД. Зависят от угла дифракции:
φ=mλ/Д,
m – коэф., зависящий от конфигурации зеркала;
Д – диаметр зеркала. Чем больше Д, тем меньше φ.
Потери на торцах активной среды αТ.
Условие возникновения генерации: усиление должно превышать суммарное число потерь в резонаторе:
∂е 0·L≥|0.5·ln[ρ1ρ2(1-αД)(1-αТ)]+∂е р·ℓ|
∂е 0 - ненасыщенный показатель усиления активной среды.
7 Газовые лазеры. Методы создания инверсной населенности.
Газовые ОКГ. Активная среда в газовой фазе.
Особенности: в связи с малым взаимодействием между частицами в газе ширина линий излучения в газовом лазере минимальна, до 1 Гц. Газ оптически однороден -> малая расходимость.
Типы газовых лазеров:
- атомарные (гелий-неоновый) – атомные переходы
- молекулярные (СО2) – колебательные возбуждения частиц
- ионные - переходы между возбужденными состояниями между ионами благородных газов
- газодинамические – колебательно-вращательные переходы молекул
- химические – любые степени свободы молекул: поступательные, колебательные, вращательные и электронные.
методы создания инверсной населенности:
- газовый разряд (атомарные, молекулярные)
- сильноточный дуговой разряд (ионные)
- нагрев (газодинамические, химические)
Так же используются высокое и низкое давления, магнитные поля и др.
8 Гелий-неоновые лазеры. Схемы уровней. Особенности, сферы применения.
Разряд в чистом неоне не может привести к инверсии, но атом гелия имеет метастабильное состояние с энергией, близкой к требуемой для возбуждения атома неона. При столкновениях эта энергия передается атомам неона.
Возможные испускаемые длины волн: 0,63, 1,15, 3,39.
Соотношение Не/Ne = 5/1.
Мощность 0,63-1 мВт.
КПД 0.01-0.001.
Применяется в оптическом приборостроении, исследовательской работе и метрологии (оптический гирометр).
9 Молекулярные лазеры. Газодинамические и химические лазеры. Характеристики молекулярных лазеров.
В молекулярных газовых ОКГ используются низко расположенные колебательные возбужденные состояния частиц.
СО2 – лазер. Активная среда – смесь углекислоты, азота и гелия (1/2/7). Для создания инверсной населенности энергия от возбужденной молекулы азота передается молекуле углекислоты. Гелий вводят в смесь для создания высокой теплопроводности. Возбужденная молекула СО2 совершает колебания трех типов.
Устойчивое состояние
0 – C – 0
Асимметричное
0 C -– 0
симметричное
деформационное
Одновременно с колебаниями происходит вращение молекулы. Кванты вращательной энергии значительно меньше квантов колебательной энергии, что приводит к многоуровневому спектру излучения. Спектр излучения лежит в области 10.6 мкм —9.6 мкм.
1 – газоразрядная трубка, 2 – система охлаждения, 3 – зеркало, 4 – юстировочные узлы, 5 – электроды.
Существующие лазеры с мощностью непрерывного излучения около десятков кВт и импульсные лазеры с энергией в импульсе в сотни кДж. КПД до 25%, при теоретически возможном 41%.
Используются в машиностроении, лазерных локаторах и дальномерах, для контроля состава атмосферы.
Газодинамические лазеры.
Самые мощные, работающие в непрерывном режиме. Основаны на колебательно-вращательных переходах молекул. КПД 1%.
 
ВС – возбужденная среда.
НГУ и ВГУ – нижний и верхний генерационные уровни.
Рабочий газ нагревается от 1000 до 3000 К.
Газ поступает в сопло, где ускоряется и охлаждается. Далее происходит рекомбинация возбужденных уровней. Если время жизни ВГУ больше НГУ то возникает инверсия.
Химические лазеры.
Инверсная населенность создается за счет химических процессов. В результате х. реакций возбуждаются любые степени свободы молекул: поступательное, вращательное, колебательное и электронное.
Требования к х. реакциям: большой энерговклад во внутренние степени свободы продуктов реакции. Достаточная скорость прохождения реакции по сравнению с процессом релаксации.
I Лазеры с процессом ионизации внешним полем, т.е. электронный разряд осуществляется в заранее подготовленной смеси при давлении от 1 до мм рт. ст.
II быстрое протекание смешения 2 и более газов со скоростью 104-105 см/с, излучение непрерывное. Самая страшная смесь фтор и дейтерий.
10 Твердотельные лазеры. Методы создания населенности.
В качестве активной среды используют кристаллические или аморфные диэлектрики.
Особенности: высокая концентрация активных частиц в твердом материале (1017-1020 частиц/см3). Населенности энергетических уровней значительно больше –> усиление больше –> больше мощность при малой длине. Меньше оптическая неоднородность, в результате инверсия создается в узких каналах, что приводит к большой расходимости излучения. Энергетические уровни имеют большую ширину.
Способ создания инверсии - оптическая накачка. Активная среда: цилиндр, 4-х гранная призма, отражающие поверхности совмещаются с торцами.
Размеры: D 1÷3 см, L 10÷60 см. активное вещество состоит из 2 компонентов, матрица, кристаллическая или аморфная среда, содержащая в качестве примеси атомы или ионы активатора (до 3%). Активатор – ионы хрома, неодим, самарий, рубин.
Рубиновый лазер
  
6949 и 6923 А
Стекло с неодимом
 
При оптической накачке требуется интенсивное облучение поверхностного вещества 10 Вт/см2. Чаще применяется импульсный режим работы. КПД передачи от ламп накачки от 0.5 до 0.9.
 
Лампа с активным веществом завернута в фольгу.
11 Рубиновый лазер. Характеристики. Источники накачки.
Особенности: высокая концентрация активных частиц в твердом материале (1017-1020 частиц/см3). Населенности энергетических уровней значительно больше – усиления больше – больше мощность при малой длине. Меньше оптическая неоднородность, в результате инверсия создается в узких каналах, что приводит к большой расходимости излучения. 
6949 и 6923 А
При оптической накачке требуется интенсивное облучение поверхностного вещества
10 Вт/см2. Чаще применяется импульсный режим работы. КПД от ламп накачки от 0.5 до 0.9.
12 Полупроводниковый лазер. Особенности работы, характеристики.
Используется метод создания инверсии пропусканием носителей тока через p-n переход. При подключении напряжения величина барьера снижается, электроны переходят из n-области в p-область и там совершают переход в незаполненное состояние валентной зоны. При малой плотности тока излучение маломощно, не когерентно и не монохроматично. При увеличении тока выше некоторого порога излучение когерентно, ширина спектра сужается, интенсивность возрастает. КПД около 100%.
GaAs – арсенид галия при 77 К0 .
Широкий спектр, малая мощность, малые размеры.
Конструкция. две грани отполированы. За счет большого коэффициента преломления , коэффициент отражения на грани до 80%. Две боковые грани под углом – во избежание возникновения поперечной генерации (чтобы не было резонанса). 14 класс обработки частоты поверхности.
Метод создания инверсии:
- сильным эл. полем между двух полупроводников.
- оптическое возбуждение.
- возбуждение электронным пучком. Электроны пролетают глубоко и обладая различной энергией, могут возбудить п/п с различными запрещенными зонами, поэтому излучение обладает широким спектром.
13(1) Методы приема оптического излучения.
Метод прямого приёма.
Л - лазер
М – модулятор
А – передающая антенна
ПР – приемная антенна
ФП – фотоприемник
РУ – усилитель (регистрирующее устройство)
Гомодинный метод.
Заключается в создании интерференции между несущей частотой (лазера) и опорным сигналом. При гомодинном методе отправки-приёма частоты одинаковы. Получают разностные частоты за счет разности фаз.
П – преобразователь (диафрагма)
ГОС – генератор опорного сигнала
Гетерадинный метод приёма.
Опорный сигнал имеет другую частоту.
УПЧ – усилитель промежуточной частоты.
13 Лазерные устройства для измерения скорости.
14 Лазерные устройства для измерения вибраций.
В системах передачи информации используют модуляцию по частоте, фазе или поляризации, т.е. необходим преобразователь данного вида модуляции в амплитудную (диафрагма с щелью).
 
О – опорный
И – информационный
Э – экран
 
1 – лазер
2 – второе зеркало
3 – интерферометр Майкельсона
4 - фотоприемник
5 – блок выделения информации
6 – экран
7 – диафрагма
Излучение лазера, направленное на исследуемый объект. Луч проходит через светоделитель, на диафрагме появляется интерфероционная картина. При ее изменении во времени выделяют информационный сигнал.
15 Оптические резонаторы технологических лазеров. Требования к ним и их основные особенности.
Оптическим резонатором (ОР) называют систему из двух (или более) обращенных друг другу отражающих поверхностей, между которыми располагается активное вещество. Отражающие поверхности - зеркала различной формы: плоские, сферические, параболические и т.д. Расстояние между ними зависит от длины активной среды. Для выхода из резонатора полезного излучения отражающие поверхности делают с небольшим коэффициентом пропускания. К отражающим поверхностям предъявляют высокие требования – потери на поглощение должны быть минимальны. Это достигается тщательной обработкой поверхностей с финишной чистотой не ниже 14 класса и нанесением специальных покрытий, как диэлектрических (сернистый цинк, германий и др.), так и металлических (золото, медь, алюминий). Коэффициент отражения до 99,8 %.
Основное назначение ОР – осуществление обратной связи. Мощность в резонаторе нарастает не бесконечно. По мере роста интенсивности волны истощается инверсная населенность, т.е. происходит опустошение верхнего уровня самой волной при конечной скорости возбуждения от внешнего источника. Поэтому излучение усиливается по экспоненциальному закону только в ограниченном диапазоне интенсивностей, а далее происходит переход к насыщению.
Установка зеркал резонатора производится с помощью юстировочных приспособлений – высокоточных механических устройств.
16 Типы технологических лазеров. Конструктивные особенности.
Лазеры малой мощности (менее 0,1 кВт). Активная среда создается при помощи продольного эл. разряда в стеклянной трубке. Трубку принудительно охлаждают. Разряд осуществляют в смеси газов СО2/N2/He (1/2/7). Резонатор внутренний со сферическим зеркалом, напыленным золотом и выходным плоским германиевым, охлаждаемый проточной водой.
1 газоразрядная трубка;
2 система охлаждения;
3 зеркало;
4 юстировочные узлы;
5 электроды.
Для увеличения мощности, увеличивают длину активной среды.
Лазеры средней мощности (0,1÷5 кВт).
Газовые с цилиндрической разрядной трубкой (до 1,5 кВт). Длина активной части до десятков метров. Для увеличения выходной мощности применяют прокачку газовой смеси через разрядную трубку, активная среда может делиться по длине на секции.
З1 и З2 - зеркала резонатора;
1÷6 - поворотные зеркала.
Конструкции коаксиальной формы (до 3 кВт).
1,2 – электроды;
3 - электрод предварительной ионизации;
4 - зеркала резонатора.
Разряд ограничивается коаксиальными цилиндрами, охлаждаемыми водой и изготовленными из изоляционных материалов. Активная среда создается 2 разрядами: высокочастотным (или импульсным) и разрядом переменного или пост тока от двух кольцевых электродов на концах трубки. КПД до 15%, малые размеры.
ТЛ использующие поперечные конфигурации разряда. Большой объем активной среды, плохие условия охлаждения -> нужно принудительное охлаждение (прокачка газовой смеси через разрядный объем). Большие экономические затраты, дополнительное оборудование, большая выходная мощность.
Активная среда возбуждается в газе при помощи эл разряда между А и К.
1,4 - зеркала резонатора;
2 - анод;
3 - катод;
5 – поток.
Газовая смесь CO2/N2/He (1/3/10). Катод многоэлементный. Число элементов 300-500, каждый присоединяется к источнику питания через балластное сопротивление. Резонатор внутренний, часто многопроходной.
1-4-зеркала;
5- выходное окно;
6-излучение.
КПД=2,5÷3%.
Лазеры большой мощности в технологических целях не используются.
17 Возможности технологических применений лазеров.
Термоупрочнение - фазовое превращение материала в твердом состоянии при очень быстром его нагреве и быстром охлаждении зоны обработки путем отвода тепла за счет теплопроводности материала.
Легирование - лазер плавит верхний слой металла и добавленные легирующие элементы на глубину до 1,5 мм.
Остекловывании на металле создается слой с очень мелким зерном.
Ударное упрочнение осуществляют ударной волной кратковременного воздействия на поверхность луча очень высокой мощности.
Плакирование (создание защитного покрытия) — лазер плавит материал, нанесенный на поверхность в виде порошка или фольги.
Сверление тонких отверстий (диаметром 1÷10 мкм и глубиной 10÷100 мкм) в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности, изготовление фильеров для протяжки тонкой проволоки.
Резка и сварка деталей.
Выжигание букв и изображений.
Фотолитография для изготовления сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники. Разрешение до 0,15 мкм (разрабатываются процессы с разрешением до 0,001 мкм).
18 Принцип лазерного термоупрочнения металлов.
Термоупрочнение - фазовое превращение материала в твердом состоянии при очень быстром нагреве и быстром охлаждении зоны обработки путем отвода тепла за счет теплопроводности материала.
Разработано термоупрочнение вследствие фазовых превращений: лазерное легирование, остекловывание поверхности, ударное упрочнение.
При легировании лазер плавит верхний слой металла и добавленные легирующие элементы. Получаем плавление с примесями на глубину до 1,5 мм. Остекловывание - лазер создает на поверхности металла слой с чрезвычайно мелким зерном. Ударное упрочнение металла осуществляется ударной волной, возникающая при чрезвычайно коротком воздействии на поверхность луча очень высокой мощности. Плакирование (слой защитных покрытий) - лазер плавит нанесенный на поверхность металла материал (фольга или порошок), который растекается по поверхности и застывает.
Основной цель термоупрочнения - повысить твердость поверхности материала в результате изменения из структуры.
При попадании лазера на материал происходит быстрый нагрев тонкого слоя у поверхности. При перемещении луча на другой участок поверхность материала быстро охлаждается. При этом температура и толщина получаемого слоя растет со скоростью пропорциональной корню квадратному из времени облучения, а скорость охлаждения пропорциональна отношению температуры слоя ко времени его облучения. Толщина упрочненного слоя зависит и от коэффициента теплопроводности материала.
Достоинства: получение слоя с заданными свойствами путем введения легирующих элементов; локальность процесса; бесконтактность способа; повышение стойкости к коррозии; возможность автоматизации процесса; использование дешевых материалов; возможность разупрочнения.
20 Элементарные процессы в плазме газового разряда.
Уравнение Таунсенда:
J0 – начальный ток ионизации;
α – коэф. Таусенда, характеризующий число ионизаций, производимых электроном на 1 см пути от анода к катоду;
– коэф., характеризующий число электронов, создаваемых положительными ионами на 1 см пути.
– коэф., показывающий сколько электронов, выбиваемых с катода, приходится на каждый падающий на катод ион.
Условие зажигания самостоятельного разряда:
Распределение параметров разряда по оси дуги.
I – область катодного падения потенциала. Напряженность электрического поля высокая, малая протяженность (тлеющий 0,1 – 0,01 мм).
UКП= 3 (A/B) ln(1+1/); А и В – постоянные, зависящие от рода газа.
Величина UКП зависит от наполняющего межэлектродное пространство газа и материала катода. Энергию электроны приобретают в катодной области.
III – область анодного падения. Здесь происходит образование положительных ионов. Сам анод ионы не эмитирует. Длина также небольшая. Анодный ток – беспорядочный ток электронов, падающих из плазмы в слой заряда, окружающий анод.
II – Плазма – положительный столб ионизированного газа.
Катодная и анодная части разрядов имеют размеры, определяемые природой и давлением газа и плотностью разрядного тока.
Положительный столб может при достаточно большой разности потенциалов иметь любую длину. Для каждого газа существует определённое падение потенциала UПС, пропорциональное давлению газа.
Нормальный градиент потенциала.
Возникновение градиента обусловлено пополнением в столбе разрядов, убывающих электронов и ионов:
Ее=(Р0·Tе√∂е е*)/(4870λе0)
∂е е* - коэффициент, учитывающий потерю энергии электроном от упругих и неупругих столкновений.
е0 – средняя длина свободного пробега электрона.
Те=qeλe0/(3K√∂е е*)=E/P0
Параметры плазмы:
- концентрация (плотность) частиц.
- степень ионизации (концентрация электронов, отнесенная к концентрации нейтральных частиц).
- заряд электрона.
- масса электрона.
- температура плазмы.
Плазма газового разряда (низкотемпературная)
Т
104106 К.
Ne
Ni
108105 см–3.
NП
10121027 см–3.
Высокотемпературная плазма:
1) в солнечной короне
Ne
Ni
104108 см–3.
Т
106108 К.
2) термоядерная реакция.
Т 108 К.
Ne
Ni
10141015 см–3.
Ne
Ni
10221023 см–3.
21 Тлеющий разряд. Характеристики и особенности.
 
II Тлеющий разряд. Характеризуется ярким свечением газа, высоким катодным падением потенциала, постоянной плотностью тока по поверхности катода, напряженность электрического поля в разрядном промежутке мала. Хаотичное движение электронов и ионов преобладает над направленным. Средняя энергия электронов намного выше средней энергии тяжелых частиц. С увеличением тока площадь катодного пятна растет. Когда оно занимает всю поверхность, плотность тока начинает расти, повышается напряжение разряда. Область II’ – аномальный тлеющий разряд.
22 Дуговой разряд. Характеристики и особенности.
III Дуговой разряд. С ростом тока увеличивается температура катода, усиливается термоэлектронная эмиссия, в результате разряд переходит в дугу. В дуге низкого давления при малых токах температура электронного газа значительно выше температуры тяжелых частиц – плазма неравновесная. С ростом тока и давления температура выравнивается. Ток дуги ограничен балластным сопротивлением RБ.
Существуют несамостоятельные дуги с подогревом катода, характеризующиеся низким напряжением.
23 Типы плазмотронов. Классификация и характеристики.
Плазма - состояние вещества при электродуговом разряде в дуговом промежутке с большой концентрацией заряженных частиц, ионов и электронов. К физическим свойствам относят: высокая температура, энтальпия и электропроводность — позволяют применять в процессах нагрева с концентрацией. При непосредственном дуговом разряде температура между электродом и поверхностью 6000 градусов, что маловато.
При нагреве плазмой передача энергии осуществляется за счет теплообмена нагретого газа с твердой или жидкой фазой или за счет теплообмена и электрического взаимодействия заряженных частиц плазмы с электродом заготовкой.
Устройство прямого действия с плазменной дугой.
Устройство косвенного действия с плазменной струей.
Основной характеристикой является эффективная тепловая мощность (для плазменной дуги): g=UJ,
U - напряжение дуги;
J - сила тока дуги;
- эффективный КПД.
Распределение температуры дуги и струи по радиусу и по длине неравномерны. Максимальная температура наблюдается в центре на оси плазменного потока. Она значительно выше, чем у открытой дуги. Плотность плазменного потока тоже выше, чем для открытой дуги.
Диапазон от 10 Вт до 10 МВт. Применяются для горных работ (крушение гранита). КПД нагрева до 90%.
Впервые получен в 1802 г профессором Петровым.
Аппарат Шенхера и Тесбенгера. Получили дугу постоянного тока длиной 7 м в трубе, продуваемой воздухом, температура горения 4000ºС.
Для получения ацетилена используют дугу более 1 м. Стабилизированную и закрученную потоком газа. Напряжение 7000 В.
Плазматроны, используемые в технологических процессах: в металлургии и химической промышленности, в машиностроении и металлообработке отличаются мощностью разряда и температуры потока плазмы, геометрии разрядной камеры, конструкциями катодных и анодных узлов, способом подачи и родом плазмообразующего газа, способами пространственной стабилизации дуги, схемой электрического питания и др.
24 Плазмотроны с вихревой стабилизацией дуги. Двухкамерные плазмотроны.
Плазматроны вида:
имеют мощность до 50 МВт, большое давление газа 10МПа. Имеются различные модификации этой схемы. Часто, например, делают дополнительный вдув газа со стороны конца заднего электрода, падающие ВАХ имеют тот недостаток, что для электроснабжения плазматрона требуется специальный источник тока, т.е. такая система электроснабжения, которая поддерживает на заданном уровне не напряжение, а ток. Источники тока значительно сложнее источников напряжения, занимают больше места и дороже. Установленная мощность систем электроснабжения со стабилизацией тока используется лишь на 50-70% -> снижается и cosφ.
Эти недостатки особенно ощутимы в установках большой мощности, поэтому желательно использовать с восходящими ВАХами, получить которые можно при хорошем обжатии дугового разряда газовым вихрем.
Стабилизация осуществляется с помощью головки особой формы. Она закручивает подаваемый воздух.
Конструкция двусторонних плазматронов.
Применяются в промышленности, при серийном производстве (одновременно изготавливают две детали), тем самым повышается КПД.
25 Плазменно-механическая обработка металлов.
Плазменная дуга используется для создания нагрева, локализованного в зоне резания перед режущей частью. Качество ПМО обеспечивается согласованием воздействия срезаемого слоя плазматрона и режущего инструмента. Глубина нагрева должна соответствовать толщине срезаемого слоя.
При перемещении плазматрона анодное пятно дуги должно находиться в заданной точке А1. Важно, чтобы расстояние ln между резцом и точкой находилось под углом .
Особенность резания - образование лунки на поверхности резания. Во время обработки из лунки потоком газа выдувается метал. Образование лунки приводит к облегчению процесса резания, увеличивает глубину и площадь нагрева. При этом угол должен быть минимальным.
Условия ПМО зависят от коэффициента формоустойчивости Кф. Наибольший Кф у металлокерамики.
Недостаток - отсутствие изоляции корпуса (приводит к к.з. эл схемы стружкой, появлению двойной дуги). Нужно устанавливать вентиляцию от вредных паров и газов выделяемых при нагреве.
ПМО используют для резания труднообрабатываемых материалов (сплавы никеля, кобальта и т.д.) на карусельных и больших токарных станках. В ПМО аргон или воздух. |
|
|
Скачать 1.4 Mb.