ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ГОРЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИМПУЛЬСНОГО И НЕПРЕРЫВНОГО ЛАЗЕРОВ ПОДСВЕТКИ
QKMHCE
DOI:
https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2022.4.2.019Аннотация
Работа посвящена развитию метода скоростной визуализации процессов высокотемпературного горения с использованием лазерной подсветки. Объектом визуализации выбран образец нанопорошка алюминия, горение которого протекает при температуре, достигающей 2500 К и сопровождается ярким свечением, которое изменяется в широком диапазоне в процессе горения. Показано, что лазерная подсветка расширяет возможности скоростной системы визуализации и позволяет более детально исследовать поверхность образцов по сравнению с пассивной визуализацией путем установки нейтрального или полосового светофильтров перед объективом скоростной камеры. Рассмотрены различные варианты визуализации в собственном свечении с установкой светофильтров с различным пропусканием. Для мониторинга поверхности горящего материала скоростной видеокамерой в широком диапазоне температур объекта предложено использовать подсветку малой мощности от непрерывного твердотельного лазера или импульсного лазера, а также расширитель пучка для равномерного освещения поверхности. Проведено сравнение результатов визуализации с использованием подсветки от твердотельного лазера с длиной волны 532 нм и лазера на парах бромида меди с длиной волны 510,6 нм. Показано, что мощности излучения твердотельного лазера 200 мВт при диаметре области подсветки 20 мм достаточно для визуализации «сквозь пламя» поверхности горящего нанопорошка алюминия на низкотемпературной стадии горения до температур ~1950 К, при этом равномерность освещения поверхности может обеспечиваться как за счет применения диффузора, расположенного непосредственно вблизи образца, так и с применением телескопического расширителя пучка. Теоретические оценки и результаты эксперимента показали, что мощности излучения 200 мВт вне зависимости от типа лазера недостаточно для визуализации поверхности горящего нанопорошка алюминия на высокотемпературной стадии горения. Возможность полного подавления засветки при горении с температурой выше 2500 К появляется при использовании лазера подсветки со средней мощностью >3,35 Вт. Предложенная техника подсветки на основе твердотельного лазера имеет преимущества по надежности и простоте по сравнению с известными системами на основе лазера на парах меди или бромида меди.
Библиографические ссылки
Gromov, A.A., Khabas, T.A., Ilyin, A.P., Popenko, E.M., Korotkikh, A.G., Arkhipov, V.A., Ditz, A.A., Strokova & Y.I., Tolbanova L.O. (2008) Metal nanopowders combustion. Tomsk: Deltaplan (In Russ.).
Zarko, V.E. & Gromov, A.A. (2016) Energetic Nanomaterials: Synthesis, Characterization, and Application. Amsterdam: Elsevier.
Ilyin, A.P., Korshunov, A.V., Perevezentzeva, D.O. & Tolbanova, L.O. (2010) Problems of diagnostics of nanopowders and nanomaterials. Tomsk: Tomsk Polytechnic University Publishing House. (In Russ.).
Plantier, K.B., Pantoya, M.L. & Gash, A.E. (2005) Combustion wave speeds of nanocomposite Al/Fe2O3: the effects of Fe2O3 particle synthesis technique. Combustion and Flame, (4), 299-309. DOI: 10.1016/j.combustflame.2004.10.009
Zepper, E.T., Pantoya, M.L., Bhattacharya, S., Marston, J.O., Neuber, A.A. & Heaps, R.J. (2017) Peering through the flames: imaging techniques for reacting aluminum powders. Applied Optics, (9), 2535-2541. DOI: 10.1364/AO.56.002535
Trigub, M.V., Evtushenko, G.S., Kirdyashkin, A.I., Kitler, V.D., Yusupov, P.A., Gubarev, F.A., Torgaev, S.N. & Shiyanov, D.V. (2012) Visualization of the SHS process using active media of CuBr lasers. Polzunovskiy vеstnik, (2/1), 181-184. (In Russ.).
Gubarev, F.A., Klenovskii, M.S., Li, L., Mostovshchikov, A.V. & Ilyin, A.P. (2018) High-speed visualization of nanopowder combustion in air. Optica Pura y Aplicada, (4), 1-7. DOI: 10.7149/OPA.51.4.51003
Li, L., Ilyin, A.P., Gubarev, F.A., Mostovshchikov, A.V. & Klenovskii, M.S. (2018) Study of self-propagating high-temperature synthesis of aluminium nitride using a laser monitor. Ceramics International, 2018, (16), 19800-10808. DOI: 1980810.1016/j.ceramint.2018.07.237
Gubarev, F.A., Moldabekov, A.S, Mostovshchikov, A.V. & Li, L. (2021) Two-brightness-Amplifier imaging system for energetic-materials-combustion study. Review of Scientific Instruments, (5), 053702. DOI: 10.1063/5.004016
Soldatov, A.N. & Solomonov, V.I. (1985) Gas-discharge lasers based on self-terminating transitions in metal vapors. Novosibirsk: Nauka (In Russ.).
Evtushenko, G.S., Kazaryan, M.A., Torgaev, S.N., Trigub, M.V. & Shiyanov, D.V. (2016) High-speed brightness amplifiers based on induced transitions in metal vapors. Tomsk: STT. (In Russ.).
Guildenbecher, D.R., Cooper, M.A. & Sojka, P.E. (2016) High-speed (20 kHz) digital in-line holography for transient particle tracking and sizing in multiphase flows. Applied Optics, (11), 2892-2903. DOI: 10.1364/AO.55.002892
Ilyin A.P. Development of electroexplosive technology for obtaining nanopowders at the High Voltage Research Institute at Tomsk Polytechnic University (2003) Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, (1), 133-139. (In Russ.).
Ilyin, A.P., Nazaren, O.B. & Tikhonov, D.V. (2012) Synthesis and characterization of metal carbides nanoparticles produced by electrical explosion of wires. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, (10) 8137-8142. DOI: 10.1166/jnn.2012.4515
Petrovskiy G.T. (Ed.) (1990) Colored optical glass and special glasses. Moscow: Dom Optiki. (In Russ.)
Sait the company LLC "Las". Retrieved from https://lascompany.ru. (In Russ.).
Sait the company LLC "Photooptic". Retrieved from https://photooptic-filters.com (In Russ.)
Li, L., Shiyanov, D.V. & Gubarev, F.A. (2020) Spatial-temporal radiation distribution in a CuBr vapor brightness amplifier in a real laser monitor scheme. Applied Physics B: Lasers and Optics, (10), 155. DOI: 10.1007/s00340-020-07511-7.
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2022 Федор Александрович Губарев
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.