Методы и аппаратура для визуализации и контроля поверхности горения высокоэнергетических материалов на основе нанопорошков металлов в режиме реального времени

Введение…………………………………………………………………………. 6
Глава 1. Методы и аппаратура для исследования высокотемпера-
турных процессов ………………………………………………………………. 20
1.1. Активные среды на парах металлов …………………………………… 20
1.2. Лазерные проекционные системы на основе активных сред на парах
металлов …………………………………………………………………………. 25
1.2.1. Лазерный проекционный микроскоп ………………………………. 25
1.2.2. Формирование изображений в лазерном проекционном
микроскопе………………………………………………………………………………………………. 29
1.2.3. Лазерный проекционный микроскоп с усилителем яркости на
парах бромида меди……………………………………………………………… 33
1.2.4. Лазерный проекционный микроскоп с двумя активными
элементами………………………………………………………………………… 36
1.2.5. Лазерный монитор для исследования поверхности объектов в
условиях интенсивной фоновой засветки ……………………………………….. 37
1.3. Метод корреляции лазерных спекл-изображений ……………………. 45
1.4. Методы и оборудование для исследования горения
высокоэнергетических материалов ……………………………………………… 48
1.4.1. Горение высокоэнергетических материалов ……………………… 48
1.4.2. Методы и оборудование для исследования исходных веществ и
продуктов сгорания ……………………………………………………………… 52
1.4.3. Методы и оборудование для исследования процесса горения…… 55
1.5. Цель и задачи диссертационного исследования………………………… 61
Глава 2. Активные элементы усилителей яркости на парах бромида
меди и источники накачки …………………………………………………… 65
2.1. Активные элементы на парах бромида меди с независимым
контролем температурных параметров и традиционной накачкой …………… 65
2.2. Активные элементы на парах бромида меди с независимым
контролем температурных параметров и емкостной накачкой ………………. 72
2.3. Схемы накачки лазеров и усилителей яркости…………………………. 75
2.3.1. Одноканальные схемы накачки активных элементов на парах
бромида меди…………………………………………………………………….. 75
2.3.2. Двухканальный источник высоковольтных импульсов ………….. 87
2.4. Выводы по главе 2………………………………………………………… 98
Глава 3. Радиальное распределение излучения усилителей яркости на
парах бромида меди……………………………………………………………. 100
3.1. Радиальное распределение усиления активной среды в системе
«задающий генератор – усилитель мощности» ………………………………. 100
3.2. Влияние условий работы усилителя яркости на радиальное рас-
пределение двухпроходового усиления активной среды ……………………….. 103
3.3. Радиальное распределение усиления активной среды в импульсе
генерации ……………………………………………………………………………………. 109
3.4. Радиальное распределение усиления активной среды в реальных
схемах лазерных мониторов ……………………………………………………. 116
3.5. Выводы по главе 3………………………………………………………. 129
Глава 4. Лазерный комплекс для скоростной визуализации и
исследования параметров высокотемпературного горения……………….. 131
4.1. Техника скоростной видеорегистрации ………………………………. 131
4.2. Техника скоростной визуализации с лазерной подсветкой………….. 138
4.3. Лазерный монитор с синхронной регистрацией изображений………… 145
4.4. Пространственное разрешение лазерного монитора ………………… 151
4.5. Лазерный монитор с увеличенной дальностью наблюдения для
исследования поверхности нанопорошков металлов во время горения ……. 154
4.6. Получение количественных характеристик процесса горения с
использованием лазерного монитора ……………………………………………. 163
4.7. Лазерный монитор с независимой подсветкой ………………………… 175
4.8. Двухканальный лазерный монитор ……………………………………… 191
4.9. Лазерный монитор для исследования поверхности тонких слоев
нанопорошков металлов ………………………………………………………… 194
4.10. Характеристики нано- и микропорошков металлов…………………. 198
4.11. Выводы по главе 4…………………………………………………….. 203
Глава 5. Визуализация горения нанопорошков металлов и их смесей с
использованием лазерного монитора ……………………………………………….. 206
5.1. Особенности использования лазерного монитора для исследования
горения нанопорошков металлов и смесей на их основе……………………… 206
5.2. Исследование горения нано- и микропорошков металлов и их
смесей с использованием традиционного лазерного монитора ……………… 214
5.3. Исследование лазерного инициирования с использованием ла-
зерного монитора и аппаратный анализ изменения коэффициента отра-
жения поверхности в режиме реального времени ……………………………. 230
5.4. Исследование горения тонких слоев нанопорошков…………………. 241
5.5. Исследование горения энергетических материалов с применением
лазерного монитора с увеличенной дальностью наблюдения ……………….. 247
5.5.1. Исследование нанопорошка алюминия и его смесей с нано-
порошком железа и микропорошками алюминия и железа …………………. 247
5.5.2. Особенности лазерного инициирования нанопорошков металлов,
обнаруженные с использованием лазерного монитора …………………….… 259
5.5.3. Наблюдение горения модельного высокоэнергетического
материала с использованием лазерного монитора ……………………………… 265
5.5.4. Результаты применения лазерного монитора с перемещаемой
областью наблюдения………………………………………………………………………….. 268
5.6. Возможности бистатического и двухканального лазерных
мониторов при исследовании горения энергетических материалов ………… 274
5.7. Системы визуализации горения энергетических материалов с
применением лазерной подсветки ……………………………………………… 280
5.8. Выводы по главе 5………………………………………………………. 289
Глава 6. Лазерная спекл-диагностика поверхности горения
нанопорошков металлов ……………………………………………………… 294
6.1. Схема скоростной видеорегистрации лазерных спекл-
изображений……………………………………………………………………… 294
6.2. Методика обработки спекл-изображений …………………………….. 295
6.3. Динамика лазерных спеклов при горении нанопорошков металлов… 306
6.4. Применение метода лазерной спекл-корреляции для дистанци-
онного контроля горения нанопорошков металлов……………………………. 319
6.5. Выводы по главе 6………………………………………………………. 333
Заключение……………………………………………………………………….. 336
Список литературы…………………………………………………………….. 339
Приложение 1. Акты…………………………………………………………….. 381

В результате выполнения диссертационной работы разработаны методики и
оборудование для исследования высокотемпературного горения нанопорошков
металлов и их смесей на основе методов скоростной видеосъемки с применением
лазерного монитора и лазерной подсветки. С использованием разработанной
техники проведено исследование горения нанопорошков металлов, термитных
смесей на основе нанопорошков металлов, смесей нано- и микропорошков
металлов, модельной алюминизированной топливной смеси. Выявлены
морфологические особенности изменения поверхности в процессе горения
различных ВЭМ, установлена стадийность горения, определены временные
параметры стадий горения и скорость протекания, установлены зависимости между
процессами и наблюдаемыми изменениями поверхности.
Основные выводы по работе:
1. Методика визуализации с усилением яркости изображений позволяет
оценить ряд объективных параметров при изучении закономерностей горения
высокоэнергетических материалов, в том числе проводить сравнительный анализ
различных процессов с временным разрешением до 0,8 мс и экспозицией 20–35 нс.
При известных характерных изменениях интенсивности во время горения,
возможно идентифицировать нанопорошок или смесь, а также определять
соответствующие стадии горения и их параметры.
2. Применение быстродействующих фотодиодов дает возможность
отображения и анализа интенсивности изображений лазерного монитора в режиме
реального времени без компьютерной обработки. Полученные временные
зависимости упрощают на практике анализ видеозаписей лазерных мониторов за
счет выявления изменений оптических свойств наблюдаемых объектов
непосредственно в процессе эксперимента.
3. Исследование изменения коэффициента отражения поверхности в
сочетании с видеозаписями эволюции поверхности образцов во время горения
нанопорошка дают более полную информацию о закономерностях горения.
4. Активные системы визуализации на основе лазерной подсветки и усиления
яркости изображений регистрируют не испускаемое излучение горящего образца, а
отраженное от поверхности зондирующее лазерное излучение. При этом уровень
засветки, создаваемой горящим нанопорошком, в 104–105 раз меньше собственных
шумов усилителя яркости и её влиянием на изображение лазерного монитора
можно пренебречь.
5. Узкая спектральная линия атома меди (~0,2 см-1), на которой происходит
формирование изображения усилителя яркости на парах бромида меди, позволяет
не только исключить влияние широкополосного излучения горящего образца, но и
влияние излучения инициирующего лазера, обладающего высокой спектральной
яркостью. Указанная особенность лазерного монитора дает возможность
исследовать процесс лазерного инициирования в широком диапазоне длин волн
инициирующего лазера (кроме линий усиления 510,6 и 578,2 нм).
6. Контрастность изображений поверхности нанопорошков металлов
повышается при освещении поверхности материала в области наблюдения
лазерного монитора излучением на длине волны 510,6 нм. Независимое освещение
с помощью второго лазера на парах бромида меди позволяет увеличить экспозицию
исследуемого объекта, что дает возможность изучения поверхности нанопорошков
металлов, которые поглощают практически весь падающий свет и легко
воспламеняются.
7. Неоднородность горения высокоэнергетических материалов возможно
исследовать, используя два основных подхода на основе лазерного мониторинга.
Первый подход заключается в одновременной визуализации поверхности в двух
областях с использованием двух синхронизованных усилителей яркости и двух
цифровых камер. Второй подход заключается в перемещении области наблюдения
одного канала визуализации.
8. Использование лазерного мониторинга и лазерной подсветки в составе
одной лабораторной установки позволяет более детально изучать процесс горения
нанопорошков металлов. Лазерный мониторинг дает возможность подавления
широкополосной засветки и позволяет получить увеличенное изображение
заданной области наблюдения с разрешением 5–25 мкм, в том числе перемещаемой.
Лазерная подсветка дает возможность обзорной визуализации горения всего
образца.
9. Лазерные спекл-изображения коррелируют с изменением поверхности
нанопорошков металлов в процессе горения, что позволяет не только определять
начало первой и второй волн горения, но и идентифицировать волну прогрева за
счет высокой чувствительности к движению поверхности, в том числе под
влиянием температуры. Сочетание корреляционного анализа лазерных спеклов с
анализом интенсивности тех же спекл-структур дает более точную оценку
временных характеристик горения нанопорошков металлов.
Перспективы использования разработанных методик и лабораторного
оборудования: процессы высокотемпературного горения различных
высокоэнергетических материалов на основе микро- и нанопорошков металлов,
процессы лазерного интегрирования нанопорошков металлов в другие материалы,
горение тонких слоев нанопорошков и термитных смесей, лазерная модификация
поверхности, спекание порошков в аддитивных технологиях, лазерное
инициирование высокоэнергетических материалов, дистанционный контроль
горящих поверхностей, сжигание элементов, образующих металлоконструкции.