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.

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.

3. В идеально прозрачных материалах порог разрушения часто определяется явлением самофокусировки. Примером могут служить хорошо известные характерные нитевидные следы разрушений в оптических стеклах. Хотя в области самофокусировки и могут иметь место электрический пробой и лавинная ионизация, порог, наблюдаемый в таких случаях, определяется скорее критической мощностью самофокусировки, нежели пороговой плотностью мощности электрического пробоя. При количественных исследованиях пробоя необходимо избегать не только самофокусировки, но и малейшей деформации лазерного луча из-за изменения коэффициента преломления, зависящего от интенсивности излучения.

4.4 Методика расчета погрешностей измерений

, где ,

,

;

n- кол- во измерений, -средняя арифметическое, - значение i – измерения.

4.5 Выводы по главе 4

1.                Разработана и сконструирована экспериментальная установка для проведения экспериментов по исследованию влияния лазерного излучения на электропроводность диэлектрических жидкостей.

2.                Разработана система электропитания данной установки, которая обеспечивает заданные требования по напряжению и силе тока (т.е. величин влияющих на характер эрозионных процессов).

4.                Определен тип исследуемых диэлектрических жидкостей, которые будут использованы в эксперименте. Основным критерием выбора типа жидкости было: использование в традиционных методах электроэрозионной обработки материалов, возможность использования исследуемой жидкости в нашей установке.

3.                Создана методика эксперимента для исследования влияния следующих параметров на электропроводность диэлектрических жидкостей:

·                                            Расстоянием между электродами;

·                                            Падением напряжения на электродах;

·                                            Мощностью ЛИ.

5 Результаты исследований их обсуждение

Для исследования влияния таких параметров как (расстояние между электродами, мощность ЛИ, и приложенном напряжении к электродам) на электропроводность жидкостей было проведена серия экспериментов.

Эксперименты проводились при следующих значениях:

·                   расстояние между электродами 20, 40 мкм;

·                   в качестве вспомогательного газа использовался воздух. Изменение мощности ЛИ осуществлялось в диапазоне от 25 до 100 Вт;

·                   фокусировка ЛИ производилась на поверхности возле катода;

·                   изменение напряжения в диапазоне от 0 до 150 В.

·                   Нормальном давлении и t =20 C;

Полученные экспериментальные зависимости для трансформаторного масла приведены на рис.21. Мощность ЛИ составляла 60 Вт. Изменение мощности излучения не повлияло на электропроводность трансформаторного масла. Изменение межэлектродного зазора резко изменяет пробивные значения напряжения (V) и тока (I).

Зависимость вольт – амперной характеристики бидистиллированной воды от мощности ЛИ показана на рис.23. Экспериментально установлено, что увеличение мощности ЛИ приводит к уменьшению проводимости. Причиной ведущей к уменьшению проводимости, по всей видимости, следует считать испарение из межэлектродного зазора.

Проведена серия экспериментов для изучения вольт – амперной характеристики индустриального масла (ИД-20) от приложенного напряжения к электродам. Изменение мощности излучения не повлияло на электропроводность ИД-20.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5