RU2746308C1

RU2746308C1 - Device for researching the process of combustion of metal nanopowders or their mixtures

Info

Publication number: RU2746308C1
Application number: RU2020133002A
Authority: RU
Inventors: Федор Александрович Губарев; Андрей Владимирович Мостовщиков; Евгений Юрьевич Буркин; Виталий Владимирович Свиридов; Александр Петрович Ильин
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2020-10-07
Publication date: 2021-04-12

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to the field of non-destructive testing and diagnostics by optical methods and relates to a device for studying the combustion process of metal nanopowders or their mixtures. The device contains an initiating laser, two digital cameras and a laser brightness amplifier, on the optical axis of which, on one side, a collecting lens and a concave mirror are sequentially located, along the optical axis of which a linear translator is located, on which the object of study is located. A ND filter, the first lens, the first bandpass filter, and the first digital camera are installed on the other side of the laser brightness amplifier. The second lens, the second bandpass filter and an object of study are installed on the optical axis of the second digital camera. The device also contains a backlight laser, on one side of which, on its optical axis, there is a rotatable mirror with the ability to reflect laser radiation onto the object of study through a diaphragm and a beam expander located in series.

EFFECT: increased brightness and contrast of the images of the surface of the nanopowders and possibility of changing the illumination of the research object are provided.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно неразрушающего контроля и диагностики оптическими методами, и может быть использовано для исследования процессов высокотемпературного горения порошков металлов, а также процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом.The invention relates to the field of quantum electronics, namely, non-destructive testing and diagnostics by optical methods, and can be used to study the processes of high-temperature combustion of metal powders, as well as the processes of interaction of laser radiation with matter.

Известна установка для исследования процесса горения нанопорошка алюминия в воздухе интенсивным лазерным излучением [V. Medvedev, V. Tsipilev, A. Reshetov, A.P. Ilyin, “Conditions of millisecond laser ignition and thermostability for ammonium perchlorate/aluminum mixtures,” Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol. 42, No 3, 2017. - Р. 243-246], которая содержит неодимовый лазер с длиной волны 1,06 мкм, работающий в квазинепрерывном режиме для освещения образца нанопорошка алюминия. Изменяя мощность излучения лазера определяют пороговые значения мощности. Время воздействия задается длительностью инициирующего лазерного импульса. Наблюдение за процессом осуществляют визуально невооруженным глазом.Known installation for studying the combustion process of aluminum nanopowder in air with intense laser radiation [V. Medvedev, V. Tsipilev, A. Reshetov, A.P. Ilyin, “Conditions of millisecond laser ignition and thermostability for ammonium perchlorate / aluminum mixtures,” Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol. 42, No 3, 2017. - P. 243-246], which contains a neodymium laser with a wavelength of 1.06 μm, operating in a quasi-continuous mode to illuminate a sample of aluminum nanopowder. By varying the laser radiation power, the threshold power values are determined. The exposure time is set by the duration of the initiating laser pulse. Observation of the process is carried out visually with the naked eye.

Однако с помощью этой установки невозможно вести наблюдение поверхности образцов с температурой несколько тысяч градусов, в частности, второй стадии горения нанопорошка алюминия. Интенсивная фоновая засветка препятствует изучению процесса в режиме реального времени. Количественная оценка временных параметров процесса горения при наблюдении невооруженным глазом практически невозможна.However, using this setup, it is impossible to observe the surface of samples with a temperature of several thousand degrees, in particular, the second stage of combustion of aluminum nanopowder. Intense background illumination interferes with real-time study of the process. A quantitative assessment of the time parameters of the combustion process when observing with the naked eye is practically impossible.

Известно устройство для исследования процесса горения нанопорошков металлов или их смесей [RU 2712756 C1, МПК G02B 21/00 (2006.01), опубл. 31.01.2020], выбранное в качестве прототипа, которое содержит лазерный усилитель яркости на основе активного элемента на парах бромида меди, связанный с высоковольтным источником импульсов, к которому подключен оптический преобразователь, который соединен с задающим генератором. С одной стороны лазерного усилителя яркости на его оптической оси последовательно установлены нейтральный светофильтр, первый объектив, полосовой светофильтр и первая цифровая камера, вход включения записи которой соединен с контроллером. С другой стороны от лазерного усилителя яркости на его оптической оси последовательно расположены собирающая линза и вогнутое зеркало, установленное на поворотной платформе, которая через привод соединена с шаговым двигателем, обмотки которого соединены с контроллером шагового двигателя. На оптической оси инициирующего лазера последовательно расположены механический затвор, первая светоделительная пластина, первая двояковыпуклая линза и линейный транслятор для размещения объекта исследования. Линейный транслятор расположен вдоль оптической оси вогнутого зеркала. Первый фотодиод установлен напротив первой фотоделительной пластины под углом к оптической оси лазера, равном углу отражения первой светоделительной пластины. Второй фотодиод установлен над объектом исследования с возможностью регулирования расстояния до него. Первый и второй фотодиоды соединены с осциллографом. На оптической оси второй цифровой камеры установлены второй объектив, второй полосовой светофильтр и объект исследования. Первая и вторая цифровые камеры соединены с персональным компьютером. Вход синхроимпульсов и вход включения записи первой цифровой камеры подключены к схеме синхронизации, которая соединена с оптическим преобразователем, с контроллером механического затвора, кнопочной клавиатурой и контроллером шагового двигателя.A device for studying the combustion process of metal nanopowders or their mixtures is known [RU 2712756 C1, IPC G02B 21/00 (2006.01), publ. 01/31/2020], selected as a prototype, which contains a laser brightness amplifier based on an active element on copper bromide vapor, connected to a high-voltage pulse source, to which an optical converter is connected, which is connected to a master oscillator. On one side of the laser brightness amplifier on its optical axis, a neutral light filter, a first lens, a bandpass filter and a first digital camera are sequentially installed, the recording enable input of which is connected to the controller. On the other side of the laser brightness amplifier, on its optical axis, a collecting lens and a concave mirror are sequentially located, mounted on a turntable, which is connected through a drive to a stepper motor, the windings of which are connected to a stepper motor controller. On the optical axis of the initiating laser, a mechanical shutter, the first beam-splitting plate, the first biconvex lens, and a linear translator are sequentially located to accommodate the research object. The linear translator is located along the optical axis of the concave mirror. The first photodiode is installed opposite the first photo-splitting plate at an angle to the optical axis of the laser equal to the angle of reflection of the first beam-splitting plate. The second photodiode is installed above the research object with the ability to adjust the distance to it. The first and second photodiodes are connected to an oscilloscope. On the optical axis of the second digital camera, a second objective, a second bandpass filter and an object of study are installed. The first and second digital cameras are connected to a personal computer. The sync pulse input and the recording enable input of the first digital camera are connected to a synchronization circuit that is connected to an optical converter, a mechanical shutter controller, a push-button keyboard and a stepper motor controller.

В этом устройстве лазерный усилитель яркости является одновременно и осветителем, и усилителем. Импульсный режим работы усилителя яркости позволяет освещать объект исследования светом, достаточным для последующего отражения и усиления, но значительно меньшим порога возгорания образца. Устройство позволяет исследовать объекты с высоким отражением даже на значительном отдалении объекта исследования от усилителя яркости, но в то же время не обеспечивает достаточную для визуального и автоматизированного анализа яркость и контрастность при наблюдении поверхности объектов с малым отражением. Кроме того, это устройство не позволяет осуществлять лазерную подсветку объекта исследования синхронно с усилением отраженного от него света и регистрацией изображений цифровой камерой, а также не позволяет изменять освещенность поверхности объекта на длине волны усиления, не изменяя параметров работы лазерного усилителя яркости.In this device, the laser brightness amplifier is both an illuminator and an amplifier. The pulse mode of operation of the brightness amplifier makes it possible to illuminate the object of study with light sufficient for subsequent reflection and amplification, but much less than the ignition threshold of the sample. The device allows you to study objects with high reflection even at a considerable distance from the object of study from the brightness amplifier, but at the same time does not provide sufficient brightness and contrast for visual and automated analysis when observing the surface of objects with low reflection. In addition, this device does not allow laser illumination of the object of study synchronously with the amplification of the light reflected from it and the registration of images with a digital camera, and also does not allow changing the illumination of the object surface at the amplification wavelength without changing the operating parameters of the laser brightness amplifier.

Техническим результатом предложенного устройства является повышение яркости и контрастности изображений поверхности нанопорошков металлов или их смесей, одновременная реализациях режимов лазерного мониторинга и лазерной подсветки в одном устройстве, возможность изменения освещенности объекта исследования путем изменения параметров работы лазера подсветки.The technical result of the proposed device is to increase the brightness and contrast of images of the surface of metal nanopowders or their mixtures, simultaneous implementation of the modes of laser monitoring and laser illumination in one device, the ability to change the illumination of the research object by changing the parameters of the backlight laser.

Устройство для исследования процесса горения нанопорошков металлов или их смесей, также как в прототипе, содержит лазерный усилитель яркости на основе активного элемента на парах бромида меди, на оптической оси которого с одной стороны последовательно расположены собирающая линза и вогнутое зеркало, вдоль оптической оси которого расположен линейный транслятор, на котором размещен объект исследования, с другой стороны лазерного усилителя яркости на его оптической оси последовательно установлены нейтральный светофильтр, первый объектив, первый полосовой светофильтр и первая цифровая камера, которая соединена с персональным компьютером и контроллером, кнопочную клавиатуру, при этом на оптической оси инициирующего лазера последовательно расположены двояковыпуклая линза и объект исследования, на оптической оси второй цифровой камеры установлены второй объектив, второй полосовой светофильтр и объект исследования; вторая цифровая камера соединена с персональным компьютером.A device for studying the combustion process of metal nanopowders or their mixtures, as in the prototype, contains a laser brightness amplifier based on an active element based on copper bromide vapor, on the optical axis of which, on one side, a collecting lens and a concave mirror are sequentially located, along the optical axis of which a linear a translator on which the object of study is located, on the other side of the laser brightness amplifier, a neutral light filter, the first objective, the first bandpass filter and the first digital camera, which is connected to a personal computer and a controller, a keypad are installed in series on its optical axis, while on the optical axis of the initiating laser, a biconvex lens and an object of investigation are sequentially located, a second objective, a second bandpass filter and an object of investigation are installed on the optical axis of the second digital camera; the second digital camera is connected to a personal computer.

Согласно изобретению с одной стороны лазера подсветки, на его оптической оси расположено поворотное зеркало с возможностью отражения лазерного излучения на объект исследования через последовательно расположенные диафрагму и расширитель пучка, а с другой стороны лазера подсветки установлено зеркало. К высоковольтному выходу блока импульсного заряда подключены две зарядные индуктивности. К первой зарядной индуктивности подключен анод первого зарядного диода, катод которого подключен к аноду первого тиратрона, катод которого заземлен. Анод первого тиратрона и катод первого зарядного диода подключены к первому накопительному конденсатору, который соединен с высоковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости и с выводом первой шунтирующей индуктивности, которая соединена с низковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости и заземлена. К выводу второй зарядной индуктивности подключен анод второго зарядного диода, катод которого подключен к аноду второго тиратрона, катод которого заземлен. К катоду второго зарядного диода и аноду второго тиратрона подключен накопительный конденсатор, который соединен с высоковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости и со второй шунтирующей индуктивностью, которая соединена с низковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости и заземлена. К выходу синхроимпульсов блока импульсного заряда подключены входы двух ферровариометров и вход оптического передатчика, связанного с входом первого ферровариометра, к выходу которого подключен первый согласующий резистор, первый обостряющий конденсатор и сетка первого тиратрона. Первый согласующий резистор и первый обостряющий конденсатор заземлены. Второй ферровариометр подключен ко второму согласующему резистору, второму обостряющему конденсатору и к сетке второго тиратрона. Второй согласующий резистор и второй обостряющий конденсатор заземлены. Выход оптического передатчика соединен с входом оптического приемника, выход которого подключен к входу внешнего запуска генератора синхроимпульсов, который подключен к входу синхронизации первой цифровой камеры. Контроллер подключен к инициирующему лазеру, входу начала записи первой цифровой камеры и кнопке.According to the invention, on one side of the backlight laser, on its optical axis, there is a rotatable mirror with the ability to reflect laser radiation onto the object of study through a sequential diaphragm and beam expander, and on the other side of the backlight laser, a mirror is installed. Two charging inductors are connected to the high-voltage output of the pulsed charging unit. The anode of the first charging diode is connected to the first charging inductance, the cathode of which is connected to the anode of the first thyratron, the cathode of which is grounded. The anode of the first thyratron and the cathode of the first charging diode are connected to the first storage capacitor, which is connected to the high-voltage electrode of the gas-discharge tube of the laser brightness amplifier and to the output of the first shunt inductance, which is connected to the low-voltage electrode of the gas-discharge tube of the laser brightness amplifier and is grounded. The anode of the second charging diode is connected to the output of the second charging inductance, the cathode of which is connected to the anode of the second thyratron, the cathode of which is grounded. A storage capacitor is connected to the cathode of the second charging diode and the anode of the second thyratron, which is connected to the high-voltage electrode of the gas-discharge tube of the laser brightness amplifier and to the second shunt inductance, which is connected to the low-voltage electrode of the gas-discharge tube of the laser brightness amplifier and is grounded. The inputs of two ferrovariometers and the input of an optical transmitter connected to the input of the first ferrovariometer, to the output of which the first matching resistor, the first sharpening capacitor and the grid of the first thyratron are connected, are connected to the output of the sync pulses of the pulsed charging unit. The first terminating resistor and the first peaking capacitor are grounded. The second ferrovariometer is connected to the second matching resistor, the second sharpening capacitor and to the grid of the second thyratron. The second terminating resistor and the second sharpening capacitor are grounded. The output of the optical transmitter is connected to the input of the optical receiver, the output of which is connected to the input of the external trigger of the sync pulse generator, which is connected to the synchronization input of the first digital camera. The controller is connected to the initiating laser, the recording start input of the first digital camera and the button.

В предлагаемом устройстве осветителем поверхности объекта исследования является лазер подсветки, имеющий длину волны излучения равную длине волны усиления лазерного усилителя яркости и работающий синхронно с регулируемой задержкой по отношению к лазерному усилителю. Освещение объекта исследования излучением лазера подсветки и усиление синхронизуется за счет регулирования моментов включения двух тиратронов в схемах возбуждения, которые задаются путем изменения времени прихода импульсов запуска на сетки тиратронов за счет изменения индуктивностей ферровариометров, которое обеспечивается путем плавного перемещения ферромагнитных сердечников внутри катушек индуктивности. Оптимальный временной интервал между импульсами запуска тиратронов определяется экспериментально по максимуму интенсивности изображения первой цифровой камеры и зависит от взаимного расположения лазера подсветки и лазерного усилителя яркости, а именно, от расстояния, проходимого светом от лазера подсветки до лазерного усилителя яркости.In the proposed device, the illuminator of the surface of the research object is an illumination laser having a radiation wavelength equal to the amplification wavelength of the laser brightness amplifier and operating synchronously with an adjustable delay with respect to the laser amplifier. The illumination of the object under study by the illumination laser radiation and the amplification is synchronized by regulating the moments of switching on of two thyratrons in the excitation circuits, which are set by changing the time of arrival of the trigger pulses on the thyratron grids by changing the inductances of ferrovariometers, which is ensured by smoothly moving the ferromagnetic cores inside the inductance coils. The optimal time interval between thyratron triggering pulses is determined experimentally by the maximum image intensity of the first digital camera and depends on the relative position of the backlight laser and the laser brightness amplifier, namely, on the distance traveled by the light from the backlight laser to the laser brightness amplifier.

Использование лазера подсветки позволило увеличить яркость и контрастность изображений, формируемых лазерным усилителем яркости и регистрируемых первой цифровой камерой. Использование лазера подсветки позволяет совместить в одной системе визуализации функции лазерного мониторинга и видеозаписи с лазерной подсветкой за счет использования второго полосового светофильтра, пропускающего излучение на длине волны подсветки, достаточное по интенсивности для регистрации второй цифровой камерой. Размер области подсветки регулируется расширителем пучка в диапазоне от размера области наблюдения первой камерой до ширины всего объекта исследования.The use of a backlight laser made it possible to increase the brightness and contrast of the images formed by the laser brightness amplifier and recorded by the first digital camera. The use of a backlight laser makes it possible to combine the functions of laser monitoring and video recording with laser backlight in one visualization system by using a second band-pass filter that transmits radiation at a backlight wavelength sufficient in intensity for recording by a second digital camera. The size of the illumination area is regulated by the beam expander in the range from the size of the observation area with the first camera to the width of the entire research object.

Освещенность объекта исследования лазером подсветки может изменяться путем изменения температурных параметров лазера подсветки независимо от работы лазерного усилителя яркости.The illumination of the object under study by the backlight laser can be changed by changing the temperature parameters of the backlight laser, regardless of the operation of the laser brightness amplifier.

Использование зеркала, установленного с одной стороны лазера подсветки, позволяет сформировать неполный резонатор, который значительно увеличивает угловую расходимость излучения и формирует на поверхности объекта исследования спеклы малых размеров. Малые размеры спеклов вносят незначительные искажения изображений и незначительно влияют на пространственное разрешение всего устройства. Такой резонатор с одним плоским зеркалом позволяет использовать лазер подсветки с небольшим активным объемом и невысокой мощностью, требуемой для его накачки.The use of a mirror mounted on one side of the illumination laser makes it possible to form an incomplete resonator, which significantly increases the angular divergence of radiation and forms speckles of small sizes on the surface of the object under study. Small sizes of speckles introduce slight distortions in images and insignificantly affect the spatial resolution of the entire device. Such a cavity with one flat mirror allows the use of an illumination laser with a small active volume and low power required for pumping it.

Использование лазера подсветки и усилителя яркости с сопоставимыми размерами позволило применить один источник заряда накопительных емкостей.The use of a backlight laser and a brightness amplifier with comparable dimensions made it possible to use one source of charging the storage capacities.

На фиг. 1 представлена схема устройства для исследования процесса горения нанопорошков металлов или их смесей.FIG. 1 shows a diagram of a device for studying the combustion process of metal nanopowders or their mixtures.

На фиг. 2 представлены изображения объектов исследования, записанные первой цифровой камерой 7 (О1), где 1-1 - нанопорошок алюминия до начала горения без освещения лазером подсветки 16 (лазер подсветки отключен); 2-1 - продукты сгорания нанопорошка алюминия без освещения лазером подсветки 16; 3-1 - объект исследования - медная сетка без освещения лазером подсветки 16; 1-2 - нанопорошок алюминия до начала горения с лазерной подсветкой (лазер подсветки 16 включен, моменты включения тиратронов 25 и 29 оптимизированы); 2-2 - продукты сгорания нанопорошка алюминия с лазерной подсветкой; 3-2 - медная сетка с лазерной подсветкой.FIG. 2 shows the images of the objects of study recorded by the first digital camera 7 (O1), where 1-1 is the aluminum nanopowder before the start of combustion without illumination by the backlight laser 16 (the backlight laser is turned off); 2-1 - combustion products of aluminum nanopowder without illumination by a laser backlight 16; 3-1 - the object of research - a copper mesh without laser illumination of illumination 16; 1-2 - aluminum nanopowder prior to combustion with laser illumination (illumination laser 16 is on, the moments of switching on thyratrons 25 and 29 are optimized); 2-2 - combustion products of aluminum nanopowder with laser illumination; 3-2 - laser-illuminated copper mesh.

На фиг. 3 представлены изображения процесса горения нанопорошка алюминия, записанные второй камерой 12 (О2) с освещением лазером подсветки 16 в различные моменты времени и максимальным подавлением широкополосной фоновой засветки за счет использования второго интерференционного полосового светофильтра 13, пропускающего излучение на длине волны подсветки.FIG. 3 shows images of the combustion process of aluminum nanopowder, recorded by the second camera 12 (O2) with illumination by a laser of illumination 16 at different times and maximum suppression of broadband background illumination by using the second interference bandpass filter 13, which transmits radiation at the backlight wavelength.

Устройство для исследования процесса горения нанопорошков металлов или их смесей (фиг. 1) содержит лазерный усилитель яркости 1, на оптической оси которого с одной стороны последовательно расположены собирающая линза 2 и вогнутое зеркало 3. Вдоль оптической оси вогнутого зеркала 3 расположен линейный транслятор 4, на котором размещен объект исследования 5.A device for studying the combustion process of metal nanopowders or their mixtures (Fig. 1) contains a laser brightness amplifier 1, on the optical axis of which, on one side, a collecting lens 2 and a concave mirror 3 are sequentially located. A linear translator 4 is located along the optical axis of the concave mirror 3. where the research object is located 5.

С другой стороны лазерного усилителя яркости 1 на его оптической оси последовательно установлены нейтральный светофильтр 6, первый объектив 7 (О1), первый полосовой светофильтр 8 и первая цифровая камера 9, которая соединена с персональным компьютером 10 (ПК).On the other side of the laser brightness amplifier 1, a neutral light filter 6, a first objective 7 (O1), a first bandpass filter 8 and a first digital camera 9, which is connected to a personal computer 10 (PC), are sequentially installed on its optical axis.

На оптической оси второй цифровой камеры 11 установлены второй объектив 12 (О2), второй полосовой светофильтр 13 и объект исследования 5. Вторая цифровая камера 11 соединена с персональным компьютером 10 (ПК).On the optical axis of the second digital camera 11, a second objective 12 (O2), a second bandpass filter 13 and an object of study 5 are installed. The second digital camera 11 is connected to a personal computer 10 (PC).

На оптической оси инициирующего лазера 14 последовательно расположены двояковыпуклая линза 15 и объект исследования 5.On the optical axis of the initiating laser 14, a biconvex lens 15 and an object of study 5 are sequentially located.

С одной стороны лазера подсветки 16 на его оптической оси расположено поворотное зеркало 17 с возможностью отражения лазерного излучения на объект исследования 5 через последовательно расположенные диафрагму 18 и расширитель пучка 19. С другой стороны лазера подсветки 16 установлено зеркало 20.On one side of the backlight laser 16, on its optical axis, there is a rotary mirror 17 with the possibility of reflecting the laser radiation on the object of study 5 through a sequential aperture 18 and a beam expander 19. On the other side of the backlight laser 16, a mirror 20 is installed.

К высоковольтному выходу блока импульсного заряда 21 (БИЗ) подключены зарядные индуктивности 22 и 23. К первой зарядной индуктивности 22 подключен анод первого зарядного диода 24, катод которого подключен к аноду первого тиратрона 25, катод которого заземлен. Анод первого тиратрона 25 и катод первого зарядного диода 24 подключены к одному выводу первого накопительного конденсатора 26, другой вывод которого соединен с высоковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости 1 и с выводом первой шунтирующей индуктивности 27, второй вывод которой соединен с низковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости 1 и заземлен.Charging inductances 22 and 23 are connected to the high-voltage output of the pulsed charge unit 21 (BIZ). The anode of the first charging diode 24 is connected to the first charging inductance 22, the cathode of which is connected to the anode of the first thyratron 25, the cathode of which is grounded. The anode of the first thyratron 25 and the cathode of the first charging diode 24 are connected to one terminal of the first storage capacitor 26, the other terminal of which is connected to the high-voltage electrode of the gas-discharge tube of the laser brightness amplifier 1 and to the terminal of the first shunt inductance 27, the second terminal of which is connected to the low-voltage electrode of the gas-discharge tube of the laser brightness amplifier 1 and grounded.

К выводу второй зарядной индуктивности 23 подключен анод второго зарядного диода 28, катод которого подключен к аноду второго тиратрона 29, катод которого заземлен. К катоду второго зарядного диода 28 и аноду второго тиратрона 29 подключен один вывод второго накопительного конденсатора 30, второй вывод которого соединен с высоковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости 16 и выводом второй шунтирующей индуктивности 31, второй вывод которой соединен с низковольтным электродом газоразрядной трубки лазерного усилителя яркости 16 и заземлен.The anode of the second charging diode 28 is connected to the output of the second charging inductance 23, the cathode of which is connected to the anode of the second thyratron 29, the cathode of which is grounded. One terminal of the second storage capacitor 30 is connected to the cathode of the second charging diode 28 and the anode of the second thyratron 29, the second terminal of which is connected to the high-voltage electrode of the gas-discharge tube of the laser brightness amplifier 16 and the terminal of the second shunt inductance 31, the second terminal of which is connected to the low-voltage electrode of the gas-discharge tube of the laser amplifier brightness 16 and grounded.

К выходу синхроимпульсов блока импульсного заряда 21 (БИЗ) подключены входы ферровариометров 32, 33 и вход оптического передатчика 34 (ОП), связанного с входом первого ферровариометра 32, к выходу которого подключены вывод первого согласующего резистора 35, вывод первого обостряющего конденсатора 36 и сетка первого тиратрона 25. Вторые выводы первого согласующего резистора 35 и первого обостряющего конденсатора 36 заземлены.The inputs of the ferrovariometers 32, 33 and the input of the optical transmitter 34 (OP) connected to the input of the first ferrovariometer 32, to the output of which the output of the first matching resistor 35, the output of the first sharpening capacitor 36 and the grid of the first thyratron 25. The second terminals of the first matching resistor 35 and the first sharpening capacitor 36 are grounded.

Второй вывод второго ферровариометра 33 подключен к второму согласующему резистору 37, второму обостряющему конденсатору 38 и к сетке второго тиратрона 29. Вторые выводы второго согласующего резистора 37 и второго обостряющего конденсатора 38 заземлены.The second terminal of the second ferrovariometer 33 is connected to the second matching resistor 37, the second sharpening capacitor 38 and to the grid of the second thyratron 29. The second terminals of the second matching resistor 37 and the second sharpening capacitor 38 are grounded.

Выход оптического передатчика 34 (ОП) оптоволокном соединен с входом оптического приемника 39 (ОПР), выход которого подключен к входу внешнего запуска генератора синхроимпульсов 40 (ГСИ), который подключен к входу синхронизации первой цифровой камеры 9.The output of the optical transmitter 34 (OP) by optical fiber is connected to the input of the optical receiver 39 (OPR), the output of which is connected to the input of the external trigger of the sync pulse generator 40 (GSI), which is connected to the synchronization input of the first digital camera 9.

Контроллер 41 (К) подключен к инициирующему лазеру 14, входу начала записи первой цифровой камеры 9 и кнопке 42 (КН).The controller 41 (K) is connected to the initiating laser 14, the recording start input of the first digital camera 9 and the button 42 (KH).

Лазерный усилитель яркости 1 и лазер подсветки 16 выполнены на основе активных элементов на парах бромида меди. Использован линейный транслятор 4, обеспечивающий линейное перемещение с ручной регулировкой, например, 7T173-25 фирмы Standa. Нейтральный светофильтр 6 представляет собой, например, нейтральное стекло марки НС-9. Первый полосовой светофильтр 8 выполнен в виде интерференционного фильтра с полосой пропускания 510±5 нм. В качестве второго полосового светофильтра 13 использован интерференционный фильтр с полосой пропускания 510±5 нм в случае, если требуется максимально возможное подавление широкополосной засветки, создаваемой объектом исследования, или цветное стекло, например, ОС-13 [http://www.elektrosteklo.ru/Elektrosteklo_Color_Glass_Spectral_Transmittance.pdf], если нет необходимости значительного подавления широкополосной фоновой засветки. Первый объектив 7 (О1) представляет собой, например, объектив Navitar DO-5095. Второй объектив 12 (О2) представляет собой, например, объектив Canon Macro Lens EF 100 мм. Использован расширитель пучка 19 производства Standa 10BE03-2-12 [http://vicon-se.ru/catalog/optomehanika/kombinirovannye_sistemy/rasshiritel_puchka2/]. Для записи изображений использована камера Phantom Miro C110 в качестве первой цифровой камеры 9 и камера ELP-USBFHDO1M-MFV в качестве второй цифровой камеры 11. В качестве инициирующего лазера 14 может быть использован полупроводниковый лазер с длиной волны излучения 660 нм и средней мощностью 2 Вт с внешней синхронизацией. Оптический передатчик 34 (ОП) и оптический приемник 39 (ОПР) выполнены на основе комплектов оптоэлектронных устройств Avago Technologies: оптический передатчик HFBR-1521Z и оптический приемник HFBR-2521Z. В качестве генератора синхроимпульсов 40 (ГСИ) использован генератор Актаком AWG-4122, имеющий внешнюю синхронизацию. Блок импульсного заряда 21 (БИЗ) выполнен по инверторной схеме заряда емкостного накопителя [Буркин Е.Ю, Свиридов В.В., Степанов Е.Ю. Инверторный источник питания для заряда емкостного накопителя // Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 321. №.4. C. 155-160.]. Использованы накопительный конденсатор 26 емкостью 1000 пФ, и накопительный конденсатор 30 емкостью 680 пФ. Зарядные индуктивности 22 и 23 составляли 50 мГн. В качестве зарядных диодов 24 и 28 использовались высоковольтные диоды UX-15B. Шунтирующие индуктивности 27 и 31 составляли 0,1 мГн. В качестве тиратронов 25 и 29 использовались импульсные водородные тиратроны ТГИ1-1000/25. Выход синхроимпульсов блока импульсного заряда 21 (БИЗ) реализован на основе импульсного трансформатора и синхронизован с зарядом емкостей 26, 30. Ферровариометры 32 и 33 представляли собой катушки индуктивности, в которые посредством винтового соединения введены ферритовые сердечники, позволяя варьировать задержку распространения сигнала по каждому каналу в диапазоне от 0 до 50 нс. Величина емкостей обостряющих конденсаторов 36, 38 составляла 81 пФ. Величина сопротивления согласующих резисторов 35, 37 составляла 45 кОм.The laser brightness amplifier 1 and the backlight laser 16 are made on the basis of copper bromide vapor active elements. Linear translator 4 was used, providing linear movement with manual adjustment, for example, 7T173-25 from Standa. Neutral filter 6 is, for example, HC-9 neutral glass. The first bandpass filter 8 is made in the form of an interference filter with a passband of 510 ± 5 nm. An interference filter with a passband of 510 ± 5 nm is used as the second band-pass filter 13 if the maximum possible suppression of broadband illumination created by the object of study is required, or colored glass, for example, OS-13 [http://www.elektrosteklo.ru /Elektrosteklo_Color_Glass_Spectral_Transmittance.pdf] if there is no need for significant suppression of broadband backlighting. The first lens 7 (O1) is, for example, a Navitar DO-5095 lens. The second lens 12 (O2) is, for example, a Canon Macro Lens EF 100mm. Beam expander 19 manufactured by Standa 10BE03-2-12 [http://vicon-se.ru/catalog/optomehanika/kombinirovannye_sistemy/rasshiritel_puchka2/] was used. To record images, a Phantom Miro C110 camera was used as the first digital camera 9 and an ELP-USBFHDO1M-MFV camera as a second digital camera 11. As an initiating laser 14, a semiconductor laser with a radiation wavelength of 660 nm and an average power of 2 W with external synchronization. Optical transmitter 34 (OP) and optical receiver 39 (OPR) are made on the basis of sets of optoelectronic devices Avago Technologies: optical transmitter HFBR-1521Z and optical receiver HFBR-2521Z. The generator Aktakom AWG-4122, which has external synchronization, is used as a sync pulse generator 40 (GSI). The pulse charging unit 21 (BIZ) is made according to the inverter circuit of the capacitive storage charge [Burkin E.Yu., Sviridov V.V., Stepanov E.Yu. Inverter power supply for charging a capacitive storage // Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. 2012. T. 321. No. 4. S. 155-160.]. A storage capacitor 26 with a capacity of 1000 pF and a storage capacitor 30 with a capacity of 680 pF are used. Charging inductances 22 and 23 were 50 mH. High voltage UX-15B diodes were used as charging diodes 24 and 28. Shunt inductors 27 and 31 were 0.1 mH. Pulsed hydrogen thyratrons TGI1-1000 / 25 were used as thyratrons 25 and 29. The output of the sync pulses of the pulse charging unit 21 (BIZ) is implemented on the basis of a pulse transformer and is synchronized with the charging of capacities 26, 30. Ferrovariometers 32 and 33 were inductors, into which ferrite cores were inserted by means of a screw connection, allowing to vary the signal propagation delay along each channel in range from 0 to 50 ns. The magnitude of the capacitances of the sharpening capacitors 36, 38 was 81 pF. The resistance value of the terminating resistors 35, 37 was 45 kOhm.

Излучение сверхсветимости лазерного усилителя яркости 1, при помощи собирающей линзы 2 и вогнутого зеркала 3, фокусируют на объекте исследования 5, например, на образце нанопорошка алюминия, которому предварительно придана форма параллелепипеда, перемещая его на линейном трансляторе 4 в направлении вдоль оптической оси вогнутого зеркала 3 (стрелки на фиг. 1). Одновременно объект исследования 5 освещают излучением лазера подсветки 16, направляя и формируя пучок с помощью поворотного зеркала 17, затем диафрагмы 18, удаляющей боковую компоненту излучения, и расширителя пучка 19 для освещения требуемой области объекта исследования 5. С другой стороны лазера подсветки 16 зеркало 20 с коэффициентом отражения близким к 100% и образует неполный резонатор для формирования лазерного излучения подсветки. Отраженное от объекта исследования 5 излучение лазерного усилителя яркости 1 и излучение лазера подсветки 16 собирают вогнутым зеркалом 3 и собирающей линзой 2 и направляют на вход усилителя яркости 1. Пройдя через активную среду лазерного усилителя яркости 1, излучение усиливается. Излучение с выхода лазерного усилителя яркости 1 масштабируется с помощью нейтрального светофильтра 6, и проецируется первым объективом 7 (О1) на матрицу первой цифровой камеры 9. Первый полосовой светофильтр 8 пропускает только монохроматическое излучение. Последовательность кадров первой цифровой камеры 9 передается в персональный компьютер 10 (ПК) для хранения и обработки.The superluminal radiation of the laser brightness amplifier 1, with the help of a collecting lens 2 and a concave mirror 3, is focused on the object of study 5, for example, on a sample of aluminum nanopowder, which has been previously given the shape of a parallelepiped, moving it on a linear translator 4 in the direction along the optical axis of the concave mirror 3 (arrows in Fig. 1). At the same time, the object of investigation 5 is illuminated with the radiation of the backlight laser 16, directing and shaping the beam using a rotary mirror 17, then a diaphragm 18, which removes the lateral component of the radiation, and a beam expander 19 to illuminate the required area of the object of study 5.On the other side of the backlight laser 16, mirror 20 with a reflection coefficient close to 100% and forms an incomplete resonator for the formation of laser illumination radiation. The radiation of the laser brightness amplifier 1 and the radiation of the backlight laser 16 reflected from the object of study 5 are collected by a concave mirror 3 and a collecting lens 2 and directed to the input of the brightness amplifier 1. After passing through the active medium of the laser brightness amplifier 1, the radiation is amplified. The radiation from the output of the laser brightness amplifier 1 is scaled using a neutral light filter 6, and is projected by the first objective 7 (O1) onto the matrix of the first digital camera 9. The first bandpass filter 8 transmits only monochromatic radiation. The sequence of frames of the first digital camera 9 is transmitted to a personal computer 10 (PC) for storage and processing.

Лазерный усилитель яркости 1 и лазер подсветки 16 работают в импульсно-периодическом режиме, который реализуется путем формирования высоковольтных импульсов накачки. В межимпульный период, когда первый 25 и второй 29 тиратроны закрыты, первый накопительный конденсатор 26 заряжается током, протекающим от блока импульсного заряда 21 (БИЗ) через первую зарядную индуктивность 22, первый зарядный диод 24 и первую шунтирующую индуктивность 27, блокирующую протекание тока заряда первого накопительного конденсатора 26 через активную среду лазерного усилителя яркости 1, а второй накопительный конденсатор 30 заряжается током, протекающим от блока импульсного заряда 21 (БИЗ) через вторую зарядную индуктивность 23, второй зарядный диод 28 и вторую шунтирующую индуктивность 31, блокирующую протекание тока заряда второго накопительного конденсатора 30 через активную среду лазерного усилителя яркости 16. Синхроимпульс, формируемый блоком импульсного заряда 21 (БИЗ), передается на сетку первого тиратрона 25 через первый ферровариометр 32 и открывает первый тиратрон 25, и передается на сетку второго тиратрона 29 через второй ферровариометр 33 и открывает второй тиратрон 29. Во время, когда первый тиратрон 25 открыт, первый накопительный конденсатор 26 разряжается током, протекающим через газоразрядную трубку лазерного усилителя яркости 1 и первый тиратрон 25, формируя импульсы накачки лазерного усилителя яркости 1, которые создают излучение сверхсветимости. Во время, когда второй тиратрон 29 открыт, второй накопительный конденсатор 30 разряжается током, протекающим через газоразрядную трубку лазера подсветки 16 и второй тиратрон 29, формируя импульсы накачки лазера подсветки 16, которые создают излучение подсветки.The laser brightness amplifier 1 and the backlight laser 16 operate in a repetitively pulsed mode, which is realized by forming high-voltage pump pulses. In the interpulse period, when the first 25 and second 29 thyratrons are closed, the first storage capacitor 26 is charged with a current flowing from the pulsed charging unit 21 (SIZ) through the first charging inductance 22, the first charging diode 24 and the first shunt inductance 27, which blocks the flow of the charge current of the first storage capacitor 26 through the active medium of the laser brightness amplifier 1, and the second storage capacitor 30 is charged with a current flowing from the pulsed charging unit 21 (BIZ) through the second charging inductance 23, the second charging diode 28 and the second shunt inductance 31, which blocks the flow of the charge current of the second storage capacitor capacitor 30 through the active medium of the laser brightness amplifier 16. The sync pulse generated by the pulsed charge unit 21 (BIZ) is transmitted to the grid of the first thyratron 25 through the first ferrovariometer 32 and opens the first thyratron 25, and is transmitted to the grid of the second thyratron 29 through the second ferrovariometer 33 and opens second shooting range atron 29. When the first thyratron 25 is open, the first storage capacitor 26 is discharged by the current flowing through the gas discharge tube of the laser brightness amplifier 1 and the first thyratron 25, generating pump pulses of the laser brightness amplifier 1, which create superluminescence radiation. During the time that the second thyratron 29 is open, the second storage capacitor 30 is discharged by the current flowing through the discharge tube of the backlight laser 16 and the second thyratron 29, generating pump pulses of the backlight laser 16 that generate the backlight radiation.

Величины емкостей обостряющих конденсаторов 36, 38 и согласующих резисторов 35, 37 подбирают эмпирическим путем для согласования импеданса блока импульсного заряда 21 (БИЗ) с сеточным импедансом тиратронов 25 и 29 и обеспечения их устойчивой работы.The values of the capacitances of the sharpening capacitors 36, 38 and matching resistors 35, 37 are selected empirically to match the impedance of the pulsed charge unit 21 (BIZ) with the grid impedance of the thyratrons 25 and 29 and ensure their stable operation.

Синхроимпульс, формируемый блоком импульсного заряда 21 (БИЗ) поступает на вход оптического передатчика 34 (ОП), в котором преобразуется в оптический сигнал и передается по оптоволокну в оптический приемник 39 (ОПР), в котором преобразуется обратно в электрический сигнал и поступает на вход генератора синхроимпульсов 40 (ГСИ), обеспечивая гальваническую развязку блока импульсного заряда 21 (БИЗ) и генератора синхроимпульсов 40 (ГСИ). Сигнал с выхода генератора синхроимпульсов 40 (ГСИ) поступает на вход синхронизации первой цифровой камеры 9. Каждый синхроимпульс производит изображение объекта исследования 5 (фиг. 2).The sync pulse generated by the pulsed charging unit 21 (BIZ) is fed to the input of the optical transmitter 34 (OP), in which it is converted into an optical signal and transmitted via optical fiber to the optical receiver 39 (OPD), in which it is converted back into an electrical signal and enters the generator input sync pulses 40 (GSI), providing galvanic isolation of the pulse charge unit 21 (BIZ) and the sync pulse generator 40 (GSI). The signal from the output of the generator of sync pulses 40 (GSI) is fed to the synchronization input of the first digital camera 9. Each sync pulse produces an image of the research object 5 (Fig. 2).

Излучение инициирующего лазера 14 устанавливают на уровне, достаточном для инициирования процесса горения, например, 2 Вт в непрерывном режиме. По нажатию оператором кнопки начала исследования 42 (КН), контроллер 41 (К) формирует сигналы разрешения для инициирующего лазера 14 и включения записи на первой цифровой камере 9. После включения инициирующего лазера 14 его излучение с помощью линзы 15 фокусируется на объекте исследования 5. Спустя некоторое время после начала воздействия инициирующего лазера 14 объект исследования 5 (образец нанопорошка) загорается и происходит изменение его поверхности.The radiation of the initiating laser 14 is set at a level sufficient to initiate the combustion process, for example, 2 W in continuous mode. When the operator presses the start button 42 (KH), the controller 41 (K) generates permission signals for the initiating laser 14 and start recording on the first digital camera 9. After turning on the initiating laser 14, its radiation is focused on the object of study 5 with the help of the lens 15. Some time after the start of the action of the initiating laser 14, the object of investigation 5 (nanopowder sample) lights up and its surface changes.

Процесс горения объекта исследования 5 записывают в собственном свете второй цифровой камерой 11 через второй объектив 12 (О2) и второй полосовой фильтр 13. При установке второго полосового фильтра 13, например, на длину волны 510 нм лазера подсветки 16, широкополосная фоновая засветка отфильтровывается, и вторая цифровая камера 11 регистрирует монохромное изображение на длине волны лазера подсветки 16. Кадры процесса горения нанопорошка алюминия, записанные на вторую цифровую камеру 11 с установленным вторым полосовым светофильтром 13 на длину волны 510±5 нм показаны на фиг. 3. Такая запись с применением лазера подсветки 16 позволяет качественно оценить характер горения, его монотонность, стадии, наличие разлета продуктов сгорания, количество областей локализации, скорость распространения тепловых волн. Однако при использовании только лазера подсветки 16, поверхность объекта исследования 5 остается засвеченной в процессе высокотемпературной стадии горения, что не позволяет наблюдать камерой 11 детали изменения поверхности непосредственно в области горения. В дополнение к видеозаписи камерой 11 с использованием лазера подсветки 16, использование лазерного усилителя яркости 1 на парах бромида меди позволяет наблюдать изменение поверхности объекта исследования 5 непосредственно в области горения. Кроме того, вогнутое зеркало 3, собирающая линза 2 и объектив 7 (О1) обеспечивают увеличение области наблюдения. Как следует из изображений объектов, представленных на фиг. 2, в случае использования лазера подсветки 16 яркость и контрастность изображений существенно выше, чем при отключенном лазере подсветки 16, что имеет принципиальное значение при исследовании нанопорошков металлов, которые эффективно поглощают излучение, и поверхность которых имеет малую отражательную способность.The combustion process of the research object 5 is recorded in its own light by the second digital camera 11 through the second objective 12 (O2) and the second bandpass filter 13. When the second bandpass filter 13 is installed, for example, at a wavelength of 510 nm of the backlight laser 16, the broadband background illumination is filtered out, and the second digital camera 11 records a monochrome image at the wavelength of the backlight laser 16. The frames of the aluminum nanopowder combustion process recorded on the second digital camera 11 with the second bandpass filter 13 installed at a wavelength of 510 ± 5 nm are shown in FIG. 3. Such a recording with the use of a backlight laser 16 makes it possible to qualitatively assess the nature of combustion, its monotony, stages, the presence of expansion of combustion products, the number of localization areas, and the speed of propagation of heat waves. However, when only the illumination laser 16 is used, the surface of the research object 5 remains illuminated during the high-temperature combustion stage, which does not allow the camera 11 to observe the surface change details directly in the combustion region. In addition to video recording by the camera 11 using the backlight laser 16, the use of the laser brightness amplifier 1 on copper bromide vapor makes it possible to observe the change in the surface of the research object 5 directly in the combustion region. In addition, the concave mirror 3, the collecting lens 2 and the objective 7 (O1) provide an increase in the observation area. As follows from the images of the objects shown in FIG. 2, in the case of using the backlight laser 16, the brightness and contrast of the images are significantly higher than when the backlight laser 16 is off, which is of fundamental importance in the study of metal nanopowders that effectively absorb radiation and whose surface has a low reflectivity.

Claims

A device for studying the combustion process of metal nanopowders or their mixtures, containing a laser brightness amplifier based on an active element based on copper bromide vapors, on the optical axis of which a collecting lens and a concave mirror are sequentially located on one side, along the optical axis of which a linear translator is located. the object of study, on the other side of the laser brightness amplifier, a neutral light filter, the first objective, the first bandpass filter and the first digital camera, which is connected to a personal computer and a controller, a keypad are installed in series on its optical axis, while a biconvex lens and an object of investigation are sequentially located on the optical axis of the initiating laser, a second objective, a second bandpass filter and an object of investigation are installed on the optical axis of the second digital camera; the second digital camera is connected to a personal computer, characterized in that it additionally contains an illumination laser, on one side of which, on its optical axis, there is a rotatable mirror with the possibility of reflecting laser radiation onto the research object through a diaphragm and a beam expander located in series, and on the other side the backlight laser, a mirror is installed, two charging inductances are connected to the high-voltage output of the pulsed charging unit, and the anode of the first charging diode is connected to the first charging inductance, the cathode of which is connected to the anode of the first thyratron, the cathode of which is grounded, while the anode of the first thyratron and the cathode of the first charging diode are connected to the first storage capacitor, which is connected to the high-voltage electrode of the gas-discharge tube of the laser brightness amplifier and to the terminal of the first shunt inductance, which is connected to the low-voltage electrode of the gas-discharge tube of the laser brightness amplifier and is grounded a, and the anode of the second charging diode is connected to the terminal of the second charging inductance, the cathode of which is connected to the anode of the second thyratron, the cathode of which is grounded, and a storage capacitor is connected to the cathode of the second charging diode and the anode of the second thyratron, which is connected to the high-voltage electrode of the gas-discharge tube of the laser brightness amplifier and to the second shunt inductance, which is connected to the low-voltage electrode of the gas-discharge tube of the laser brightness amplifier and is grounded; two ferrovariometers and the input of an optical transmitter connected to the input of the first ferrovariometer, to the output of which the first matching resistor, the first sharpening capacitor and the grid of the first thyratron are connected, while the first matching resistor and the first sharpening capacitor are grounded, the second ferrovariometer is connected to the second matching resistor, the second sharpening capacitor and to the grid of the second thyratron, and the second matching resistor and the second sharpening capacitor are grounded, the output of the optical transmitter is connected to the input of the optical receiver, the output of which is connected to the external trigger input of the sync pulse generator, which is connected to the synchronization input of the first digital camera, the controller is connected to the initiating laser, the recording start input of the first digital camera and the button.