77939

ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЕННОГО ФАКЕЛА

Лекция

Производство и промышленные технологии

Кроме геометрических следует назвать такие интегральные параметры факела: температура плазмы поглошение излучения преломление излучения рассеяние излучения концентрация частиц интенсивность излучения общая и отдельных линий Дифференциальные параметры представляют собой зависимость измерения от положения точки измерения. Поскольку процесс фиксации массива даже минимальной размерности занимает время порядка миллисекунд то динамика поведения плазмы с характеристическими временами в доли микросекунд остается не зафиксированной. К таким параметрам...

Русский

2015-02-05

34.5 KB

4 чел.

Л.8 ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЕННОГО ФАКЕЛА

Концентрация энергии при лазерной технологии даже при незначительной интегральной мощности создает температуры, превышающие 3000 градусов. При этом атомы вещества теряют электоны и оно переходит в четвертое агрегатное состояние плазму. Одновременно с нагревом вещество значительно увеличивается в объеме, что даже при испарении с поверхности формирует стационарный поток, а при взаимодействии внутри сварочного канала поток сжимается стенками канала и хорошо локализуется. При непрерывных процессах факел взаимодействует с технологическим лучем, что существенно повышает его температуру.Геометрические и прочие параметры факела зависят от геометрии канала и плотности энергии в зоне обработки, что делает их коррелированными с характеристиками соединения больше чем любые другие параметры процесса или режима.

Кроме геометрических следует назвать такие интегральные параметры факела:

температура плазмы

поглошение излучения

преломление излучения

рассеяние излучения

концентрация частиц

интенсивность излучения общая и отдельных линий

Дифференциальные параметры представляют собой зависимость измерения от положения точки измерения. В общем случае это функция трех координат и времени, однако большой объем фиксируемой и подлежащей обработке информации делает такие измерения почти во всех применениях бессмысленными. Общий выход из таких положений, состоящий в сворачивании информации на основе априорных знаний о процессе в данном случае состоит в том,что наименнее информативные координаты отбрасываются уже на стадии фиксации параметра. Например, обычно довольствуются боковой проекцией сечения факела на определенной высоте.

Поскольку процесс фиксации массива даже минимальной размерности занимает время порядка миллисекунд, то динамика поведения плазмы с характеристическими временами в доли микросекунд остается не зафиксированной. В этом случае обычно фиксируют такие информативные параметры как амплитуда, фаза и частота наиболее существенных колебаний какого либо параметра. Они фиксируются как статические, обрабатываются статистическими методами, за счет чего фиксируются с высокой точностью, и не требуют большого объема и скорости вычислений, однако отражают динамические свойства процесса. К таким параметрам относятся излучения плазмы аккустической природы и электромагнитной в диапазоне радиочастот. В первом случае источником являются периодические изменения плотности и скорости потока, а во втором периодическое движение заряженных частиц.

Температура плазмы является одной из основных ее характеристик и отражает динамическое равновесие между нагревом технологическим лучем и остыванием за счет теплоотдачи и излучения.Малые объемы плазмы и полное отсутствие теплоизоляции делают это равновесие весьма динамичным не только в целом, но и в каждой точке канала или факела. Поскольку внешние участки факела взаимодействуют с технологическим лучем раньше, чем внутрение, то его скоростной спектр не соответствует температурному распределению в канале. Кроме того за счет взаимодействия с атмосферой вылетающий из ванны газ охлаждается и не может служить для оценки температуры в канале. Поэтому для измерения температуры используются косвенные методы, основанные на взаимодействиях в факеле. Среди прочих методов выделим методы основанные на использовании излучение вспомогательного лазера:

теневые методы

интерференционные методы с визуализацией

голографические методы

анализ рассеяния

теневые методы позволяют фиксировать фазовые неоднородности в прозрачной плазме. Распространены два метода:

метод светящейся точки

метод ножа и щели

Метод светящейся точки представляет собой обычную теневую проекцию где в качестве источника света (от размера которого зависит качество изображения) используется cфокусированное иэлучение лазера. Яркость точки столь велика, что собственная светимость факела на ее фоне пренебрежимо мала. Требуемую для фотографии экспозицию может обеспечить за время менее наносекунды. Это позволяет использовать метод для получения мгновенных снимков неоднородностей. Особую ценность имеет серия снимков одного и того же процесса через малые интервалы времени. Для этой цели используют оптическую линию задержки,в которой лазерный импульс отражаясь от системы зеркал многократно проходит дистанцию задержки (от 1 до 30 м). После каждого периода прохода часть энергии импульса через полупрозрачное зеркало просвечивает контролируемый участок плазмы. От каждого прохода теневая картина формируется на новом участке фотопленки, порождая серию фотографий. При синхронизации лазеров и использовании оптической задержки детально исследуется начальная стадия развития факела или искры, однако формированию задержек более 200 наносекунд препятствуют трудности юстировки зеркал. В этом случае задержку в синхронизации осуществляют за счет модулированной добротности с общей призмой-крышей, открывающей генерацию со сдвигом по углу и времени.

Метод ножа и щели отличается повышенной светосилой и чувствительностью. Его принцип состоит в том, что лазерный луч фокусируется в линию, аберрации срезаются щелью, расходящийся после этого луч линзой преобразуют в параллельный, в который и помещают исследуемую плазму. После зтого луч снова фокусируют в линию, а затем формируют изображение плазмы. Изображение линии затеняют ножем, при этом при отсутствии фазовых искажений в плазме ее изображение полностью отсутствует. В случае фазовых искажений в плазме они породят аберрации на изображении щели, и не срезаются ножем, а проявляются в виде изображения того участка, где есть искажения.

Среди методов исследований фазовых неоднородностей наиболее точными являются интерференционные. Результат можно наблюдать визуально, фиксировать на фотопленку или с помощью фоэлектронного преобразователя, существо метода от этого не зависит. В двухлучевых интерферометрах осуществляется амплитудное деление луча на два когерентных потока, один из которых возмущается плазмой. При сложении эти пучки интерфирируют с пространственной частотой V в зависимости от угла А и длины волны :

V = 2 * SIN (A / 2) /

Фазовые возмущения приводят к нарушению равномерности интeрференционных полос, причем сдвиг определяется величиной фазового набега. Таким образом формируется плоская картина проекции фазовых искажений. Однако при сдвиге на период и более происходит размывание линий.

Требования к точности уравнивания оптических длин лучей зависит от ширины спектра DL как:

LK = / DL

Для рубинового лазера ширина спектра равна ширине линии и длина когерентности LK составляет около сантиметра, для белого света она сужается до микрометров, делая измерения технически невозможными.

При контроле плазмы сдвиги интерференционных полос зависят как от плотности плазмы, так и от степени ее ионизации, причем разделить эти два фактора невозможно. В случае необходимости это можно сделать при формировании интерференционной картины от лазера, излучающего на двух длинах волн. При этом обычно используется вторая гармоника излучения. Поскольку рефракции лучей разной длины волны различны для частиц разного размера, то по сумме интерференционных картин можно выделить изменение плотности как электронов, так и ионов с атомами.

Чувствительность метода к концентрации электронов повышается при работе в инфракрасном дианазоне. Визуализация невидимой интерференционной картины осуществляется, например, с помощью жидкокристаллического экрана, меняющего свои поляризационные свойства при нагреве пучностями контролируемой интерференционной картины.

Дальнейшее увеличение чувствительности, связанное,правда, с ухудшением пространственного разрешения, возможно при накоплении фазовых набегов за счет многократных проходах лучей через исследуемую плазму. Для этого используют эталон Фабри-Перо.

Интересные результаты получаются тогда, когда длина волны лазера приближается к полосе поглощения исследуемой компаненты плазмы. В этом случае чувствительность метода возрастает и становится избирательной. Применение лазеров на красителях позволяет перестраивать длину волны, что расширяет возможности экспериментов.

Голографические исследования плазмы основаны на анализе голограмм - зафиксированных интерференционных картин опорного и искажаемого объектом исследования когерентных лучей. Основная ценность голограмм состоит в возможности восстановления объемного изображения искажающего пространства путем формирования интерференционной объемной картины от голограммы.

Голограммы фиксируют как фазовые, так и амплитудные искажения пространства, просто строятся для любых длин волн и восстанавливаются в видимом свете. Объемное разрешение метода резко снижает требования к качеству таких деталей, как защитные стекла.

Для локальных исследований отдельных участков плазменного факела используют измерение параметров рассеяния лазеpного луча, проходящего через плазму. Простая схема измерения ввиду хорошей теоретической проработанности вопроса и высокой яркости луча дает точные и надежные результаты.

ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ:

Какие отличия в поведении плазмы по сравнению с газом существенны для контроля лазерных технологий

Какие лазерные технологии, на Ваш взгляд, образуют плазменный факел, а какие нет?

Сравните применимость различных методов исследования плазмы для контроля разных лазерных технологий.

Нарисуйте оптические схемы методов исследования плазмы:

светящейся точки с световой линией задержки для трех последовательных снимков

метод ножа и щели

двухлучевого интерферометра

получение голограммы

Перечислите, какие достоинства голографии, на Ваш взгляд наиболее существенны для исследования факела.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Лазерные методы исследования плазмы. Зайдель А. Н. Островский Г. В. - Л.: Наука, 1977.

2. Физический энциклопедический словарь./ Гл. ред. А. М. Прохоров.- М.: Сов. энциклопедия, 1984.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22149. Индуктивные преобразователи перемещения 723.5 KB
  Если пренебречь потоками рассеяния и выпучиванием потока в воздушном зазоре d Rм будет складываться из активного магнитного сопротивления сердечника якоря и двух воздушных зазоров где соответственно lС lЯ d длина сердечника якоря и воздушного зазора в м; SC SЯ Sd сечение сердечника якоря и воздушного зазора в м2; mас mая абсолютная магнитная проницаемость материала сердечника и якоря в гн м; m0= 4p107 гн м магнитная проницаемость вакуума. Для упрощения анализа работы простейшего ИП пренебрежем потерями в стали магнитным...
22150. Принцип действия индукционных преобразователей 239.5 KB
  Таким образом выходной величиной индукционного преобразователя является ЭДС а входной скорость изменения потокосцепления . В общем случае индукционный преобразователь представляет собой катушку с сердечником которая характеризуется некоторым обобщенным параметром Y и ЭДС в которой может индуктироваться как в результате изменения во времени внешнего магнитного поля так и в результате изменения во времени параметра Y преобразователя . Если преобразователь находится в однородном магнитном поле с индукцией B то в его обмотке имеющей...
22151. Ионизационные преобразователи 758 KB
  приемники ионизирующих излучений Область применения ионизационных преобразователей Схемы включения ионизационных преобразователей Погрешности приборов с использованием ионизирующих излучений Заключение Контрольные вопросы Список литературы ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУЩНОСТИ ВОПРОСА К ионизационным преобразователям обычно относят большую группу преобразователей в которых измеряемая неэлектрическая величина функционально связана с током ионной проводимости газа возникающим под действием излучения радиоактивных веществ или рентгеновских лучей....
22152. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ТВЕРДОМ АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ ТЕЛЕ1 1. 487.18 KB
  АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ 1 1. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ИЗОТРОПНОМ ТВЕРДОМ ТЕЛЕ. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В АНИЗОТРОПНОМ УПРУГОМ ТВЕРДОМ ТЕЛЕ 14 2.
22153. Вопросы по курсу ФОПИ 24 KB
  Приборы для измерения количества тепла.Калориметры для измерения теплотворной способности жидких и газообразных веществ. 8Погрешности измерения тепловой энергии.Методы измерения деформаций и механических напряжений тензометры.
22154. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ХОЛЛА 1.8 MB
  Эффект Холла. Параметры и характеристики датчиков Холла. Изготовление и применение датчиков Холла.
22157. ОБЛІК КОРОТКОСТРОКОВИХ ЗОБОВ’ЯЗАНЬ 62.5 KB
  Поняття, оцінка та види короткострокових зобов’язань (пасивів). Облік заборгованості по рахунках постачальників та векселів виданих (векселів до сплати). Облік інших короткострокових зобов’язань. Облік заробітної плати і зобов’язань по заробітній платі.