高重复率脉冲放电金属蒸气激光中电泳对金属蒸气分布的影响

建立了一个理论模型描述了高重复率脉冲放电金属蒸气激光中的电泳动力学过程.得到了稳态和瞬态时金属蒸气密度扩散方程的解析表达式.分别计算了高重复率脉冲放电的He-Sr⁺和He-Cd⁺激光在不同时刻金属蒸气密度的轴向分布过程.结果表明，在放电开始后约2s内即可在阴极区建立起相当均匀的轴向金属蒸气密度分布，从而确保了电泳式金属蒸气激光的稳定输出特性. 关键词： 电泳 高重复率脉冲放电 轴向金属蒸气分布 金属蒸气激光     

工业多用途工具：微波激励KW级CO2激光器

提高气体放电的功率注入密度，是进一步发展工业用高功率ＣＯ２激光器的关键．为此，我们采用自制的变形 Ｍａｇｉｃ Ｔ型微波放电腔，克服了由于高频趋肤效应引起的放电不均匀，实现了大体积的均匀的微波辉光放电．在用于激励高功率ＣＯ２激光的原理性实验中，获得大于１ｋｗ的激光输出功率，光电效率优于２５％，首次达到商用水平．     

平板CO2激光器中α型RF放电的理论研究

由稳态时粒子数和电流连续性主带电粒子的能量平衡方程，建立了α型平板ＲＦ放电等离子体的理论模型，并用数值方法求得射频放电等离子体中粒子数密度、电场、功率密度、激发效率的空间分布，解释了ＲＦ放电的辉纹结构，分析了放电参数对放电特性的影响。     

氦气空心阴极放电动力学过程的模拟研究

利用流体模型模拟研究了氦气空心阴极放电的时空动力学过程,计算得到了不同放电时刻电子和亚稳态氦原子密度、电势、电场、基态电离速率和分步电离速率等的时空分布特性。特别是讨论了亚稳态原子和分步电离对于放电的影响。结果表明,随着电流的增长,放电处于五个不同的放电模式:第一阶段电流上升非常缓慢,为汤生放电模式,带电粒子密度、亚稳态原子密度和径向电场均很弱;第二阶段电流迅速上升,放电模式由汤生放电向空心阴极放电过渡,带电粒子密度、亚稳态原子密度和径向电场迅速增强;第三阶段达到准稳态阶段,放电电流增长速度变缓,形成了明显的阴极鞘层结构;第四阶段为空心阴极效应形成阶段,向稳态阶段过渡;第五阶段为稳态放电阶段。研究结果同时表明,亚稳态氦原子和分步电离在放电的初始阶段对于放电的发展作用较弱,在前三阶段中,电子的产生以基态电离为主。随着放电的发展,由亚稳态原子引起的分步电离对新的电子产生的作用逐渐接近并超过基态电离,对总电离的贡献率越来越高。     

计算金属原子半径和动函数的新方法

提出了一种新的金属准原子模型，以及原子有效价电子数和等价轨道半径等概念。并用该模型和上述概念来研究和处理金属问题。得到：只要已知金属原子核外电子排布规律，给出金属原子的主量子数和价电子总数，就可对所研究的金属原子有效核电荷数、原子半径、金属自由电子密度、费密能和功函数等参量进行有效的定量计算。按照该理论给出的方法和公式，经对６８种金属原子的半径和功函数，以及１７种金属自由电子密度分别进行了计算，并将所得的计算值与相应的实验值进行比较，结果前两者与实验是符合的，后者也比自由电子模型更接近于实际。事实表明，本文提出的模型和方法是符合金属实际的，在应用上可能是有意义的。     

O2中α型射频放电的理论研究

根据射频放电中电流连续性方程、稳态时电子数密度的连续性方程以及电子的能量平衡方程,建立了气体放电氧碘激光器中α型射频放电等离子体的理论模型,通过数值求解得到了射频放电等离子体中电场、电子数密度的空间分布,分析了放电参数对放电特性的影响.结果表明采用频率高的射频放电会使放电空间电场降低,电子数密度增加,从而有利于单重氧的生成,为提高气体放电中单重氧的产率提供了理论依据.     

发射光谱研究多针对板电晕放电O活性原子特性

利用发射光谱技术在大气压下测量了空气中多针对板负直流电晕放电和正电晕流光放电产生的O(3p5 P→3s 5 S02777.4nm)活性原子发射光谱。在负电晕放电中,研究了放电功率、电极间距、N2含量和相对湿度等因素对O活性原子产生过程的影响;在正电晕流光放电阶段,研究了O活性原子相对密度在放电反应空间的分布特点。结果表明:O活性原子产量随放电功率的增加而增大,随电极间距增大而减少,随相对湿度和氮气含量的增加,其产量先增大后减少;O活性原子相对密度沿针尖轴向呈先增大后减小的趋势。     

半导体泵浦射流型亚稳态氩激光国际首次出光北大核心CSCD

半导体泵浦亚稳态惰性原子激光是高能光泵浦气体激光领域具有潜力的新方案。已有报道均在约束的放电空间内产生亚稳态原子,功率放大受到多因素制约。为突破现有方案的局限,采用大气压等离子体射流方式在羽流区域产生高浓度亚稳态氩原子(1014 cm^(−3)量级),将放电和激光区域空间分离,利用811 nm窄线宽半导体激光器作为泵浦源,基于泵浦、激光和气流相互垂直的结构实现912 nm激光输出,有效拓展了该型激光体系的功率定标放大能力。     

脉冲金属氢化物真空弧放电等离子体发射光谱特性

利用发射光谱方法对真空弧离子源放电等离子体特性进行了诊断。同时,基于局域热力学平衡等离子体的发射光谱理论,建立了等离子体的发射光谱拟合模型,对真空弧放电等离子体光谱进行了分析。针对TiH真空弧离子源,分别对330~340nm与498~503nm范围内Ti+离子与Ti原子的发射光谱进行了对比拟合,获得了较好的符合度,解决了传统Boltzmann斜率法计算等离子体温度需要孤立的不受附近谱线干扰的线状光谱的困难。最后,利用该方法计算了真空弧离子源在不同放电条件下的等离子体发射光谱、等离子体密度与温度参数。结果表明,TiH真空弧放电等离子体温度在1eV左右,同时,放电所产生的氢原子要远远大于金属原子,并且随着真空弧离子源馈入功率的增加,TiH电极中解吸附出来的氢比蒸发出来的金属增加得更多,这有利于TiH离子源在中子发生器方面的应用。     

流体-亚稳态原子传输混合模型模拟空心阴极放电特性

利用流体-亚稳态原子传输混合模型研究了氩气矩形空心阴极放电稳态时的参数. 数值计算得到了压强为10 Torr时的电势、电子、离子和亚稳态氩原子密度以及电子平均能量的分布. 结果表明电子和离子密度峰值为4.7×10¹² cm^-3, 亚稳态原子密度峰值为2.1×10¹³ cm^-3. 本文同时对流体-亚稳态原子传输混合模型和单一流体模型模拟得到的放电参数进行了比较. 结果表明, 分步电离是新电子产生的重要来源, 亚稳态原子对空心阴极放电特性有重要影响. 与单一流体模型相比, 混合模型计算得到的电子密度升高, 阴极鞘层宽度和电子平均能量降低. 关键词： 空心阴极放电 流体-亚稳态原子传输模型 电子密度 分步电离     

考虑金属蒸汽的钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用三维数值分析

基于局域热平衡状态假设并考虑金属蒸汽的作用, 建立了钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用的三维数学模型. 电弧等离子体的热力学参数和输运系数由温度和金属蒸汽浓度共同决定, 并使用第二黏度近似简化处理金属蒸汽在氩等离子中的输运过程. 在考虑熔池流动时, 主要考虑了浮力、电磁力、表面张力和等离子流拉力的作用. 通过对麦克斯韦方程组、连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分输运方程的耦合求解, 得到了金属蒸汽在电弧中的空间分布、电弧和熔池的温度场、速度场和电流密度分布等重要结果. 通过与未考虑金属蒸汽的结果对比, 研究了熔池上表面产生的金属蒸汽对电弧等离子体行为的影响, 以及电弧等离子对熔池行为的影响. 结果表明, 金属蒸汽主要富集在熔池上表面附近; 金属蒸汽对电弧等离子体有明显的收缩作用, 而对等离子速度和电势影响较小; 金属蒸汽的出现对熔池上表面速度分布和剪切力分布以及熔池形貌并无明显影响. 求解结果与已有的实验结果和计算结果符合良好.     

背景气体对金属原子二维平面蒸发过程的影响

在原子蒸气法激光分离同位素中,金属原子蒸气宏观物理性质的空间分布会直接影响到分离过程的电离率和原料利用率.本文从分离过程的实际需求出发,建立了双组分气体的Bhatnagar-Gross-Krook模型方程组,并利用数值计算方法对方程进行求解,研究了背景气体对二维平面蒸发过程中原子蒸气宏观物理性质和蒸发速率的影响.研究结果表明:随着背景气体密度的增加,远离蒸发源位置处的金属原子蒸气密度增大,速度减小,温度升高,而近蒸发源位置处原子蒸气的性质则几乎不受影响,因而蒸发速率基本上不随背景气体密度发生变化.另外,随着尾料板温度的升高和对原子蒸气吸收率的增加,金属原子蒸气宏观物理性质受背景气体的影响逐渐下降.理论计算的结果对于分离装置的真空设计和光斑分布设计有较为重要的参考意义.     

Studies of the Longitudinal Electrophoresis Dynamics in Pulse-Periodic Discharges

The establishing in time of the axial distribution of metal vapors is studied on injecting them electrophoretically into a pulse-periodic discharge. In particular, the time-dependent solution of the diffusion equation for the metal vapor concentration is obtained averaged through a number of pulses. The axial distributions of vapors for various instants of time are calculated. The homogeneity criteria for these distributions are determined. The settling times of the homogeneous distribution in conditions typical for the pulse-periodic metal vapor lasers are found. These times are rather short (about 1 s). The results obtained show promise for using electrophoresis in pulse-periodic metal vapor lasers to form homogeneous active media.     

考虑液面凹陷时金属熔化与蒸发的数值研究

将关于液面凹陷的Young-Laplace方程与关于金属溶池的流体力学方程组及关于金属蒸发的ＢＧＫ方程联立求解，在给定的电子枪加热条件下，获得了熔池流场和温度场图像及金属蒸气密度、速度和温度分布.数值计算结果表明，随电子枪功率增加，金属的蒸发速率增加，蒸气的密度增大、温度降低而速度升高.与假设液面为平面的情况相比，考虑液面凹陷后求得的液面温度较低，金属的蒸发速率较小，并且这种差别随电子枪功率的增加而扩大.因此对于高功率电子枪加热金属蒸发，必须考虑液面凹陷的影响才能得到符合实际的结果. 关键词： 液面凹陷 Young-Laplace方程 熔池 金属蒸发     

On the mechanism of carbon nanotube formation: II. The kinetics of explosive condensation of carbon molten drops in a metallic catalyst

The preliminary stage of the formation of carbon nanotubes by the vapor-liquid-drop mechanism is considered as applied to the condensation of drops from carbon and metal vapors. The problem of the condensation of molten drops is solved for a wide concentration range for both vapors at a condensation temperature. It is shown that, at very high concentrations of the metal vapor (10¹⁸–10¹⁹ cm⁻³) and high temperatures (about 0.3 eV), peculiar heterogeneous condensation of the drops can occur at huge supersaturation of the carbon vapor and the saturated metal vapor. This problem of the condensation of the binary vapor is of methodical interest. This condensation is shown to be unrealizable in real experiment at the parameters of the carbon and metal vapors; it virtually merges with the homogeneous condensation of the metal vapor. The maximum concentration of the carbon vapor below which carbon condenses into drops and above which carbon condenses into amorphous soot particles is calculated. The calculation makes it possible to propose a new approach to the controlled growth of carbon nanotubes.     

Evaporative ion plating: process mechanisms and optimization

The basic discharge mechanisms pertinent to ion plating process are reviewed and some recent findings are highlighted, relating in particular to thermionically enhanced ion plating with an evaporative vapor source. By enhancing the discharge, the cathode sheath can approach collisionless conditions, which allows most of the energy to be transported to the substrate by ions. The energy distribution is also improved, this being significant if a critical energy E* is thought to be required in order to achieve high-quality coatings. It is suggested that E* is about 40 to 70 eV, and that higher bombarding energies may not necessarily improve coating quality, this being alternatively achievable by increasing the ionization efficiency. The role of metal vapors is outlined with reference to evidence from enhanced discharges that clusters of metal atoms exist in the vapor phase and that most of the ion current is transported to the substrate by the metal species. Further practical aspects are discussed such as the spatial distribution of bombardment intensity, which is shown to decrease exponentially with distance from the thermionic emitter used for discharge enhancement. It is suggested that positioning the thermionic emitter in close proximity to the vapor source will provide a more consistent ratio between energetic bombardment effects and vapor arrival rates throughout the deposition volume     

盘型激光焊金属蒸汽特征色调-色饱和度-亮度分析法研究

对于大功率盘型激光焊,金属焊件表面在激光束辐射下强烈汽化并形成等离子体状的金属蒸汽羽状物. 该金属蒸汽羽状物可逆向激光束传输,对激光有明显的屏蔽作用, 降低激光辐射至焊件的能量密度,影响焊接效率和质量. 因此研究金属蒸汽特征变化规律及其与焊接质量之间的关联 ,可实现由金属蒸汽特征实时监测激光焊接状态. 以10 kW大功率盘型连续激光焊接304不锈钢钢板为试验对象, 应用高速摄像机摄取金属蒸汽动态图像,将其转换至色调-色饱和度-亮度空间, 提取金属蒸汽面积、激光束受影响路径长度等相关特征量, 以焊缝熔宽的变化作为衡量焊接状态稳定性的参数. 通过金属蒸汽特征值的均值统计和方差分析,试验证明根据金属蒸汽面积和激光束受影响路径长度等金属蒸汽特征可有效地反映熔宽质量, 从而对焊接状况做出动态评估.     

脉冲放电金属蒸气激光

评述了脉冲放电激励的金属蒸气激光的发展历程和现状，根据激光发射过程，分别阐述了自终止跃迁激光和碰撞辐射复合激光的机理，报道了作者课题组最近在相关领域研究取得的新进展：包括共振－亚稳跃迁激光和复合激光的交替振荡现象，不同介质多谱线激光同时振荡现象以及碱土金属卤化物多谱线激光的实现和新发现的M－M跃迁激光。     

短脉冲激光作用下丙酮液池沸腾现象的瞬态观测

本文对短脉冲激光作用下试件表面的温度变化和丙酮液体汽泡行为进行了瞬态观测,研 究了激光参数和细小金属颗粒等因素对丙酮液体沸腾行为的影响。结果表明：激光参数中,脉宽是 影响温度曲线和汽泡行为的主要因素,随着激光脉宽增大,大汽泡的长大时间和脱离直径减小;汽 泡长大速度与常规沸腾时的完全不同,没有出现等温生长阶段,在激光脉冲后很长时间内汽泡长大 速度快速增大;试件表面覆盖细小金属颗粒后,沸腾过程变得非常剧烈。