Электротехнологические установки (стр. 27 из 32)
Рис. 11.4. Принципиальные схемы твердотельных лазеров:
а - с рубиновым стержнем; б - полупроводникового
1. Лазеры твердотельные с оптической накачкой. В лазерах этого типа излучателем - активным элементом - является твердое тело. Принципиальная схема твердотельного оптического квантового генератора показана на рис. 11.4, а. Стержень 2, изготовленный из рабочего вещества, помещен между двумя зеркалами 1, 3. Зеркало 1 полностью отражает все падающие на него лучи, а зеркало 3 является полупрозрачным. Для накачки энергии используется газоразрядная лампа-вспышка 6, которая для большей эффективности облучения кристалла помещена вместе с ним внутрь отражающего кожуха 4 с поперечным сечением в форме эллипса. При размещении лампы и кристалла в фокусах эллипса создаются наилучшие условия равномерного освещения кристалла. Питание лампы-вспышки осуществляется от импульсного высоковольтного-источника 5. Длительность импульса твердотельных ОКХ определяется индуктивностью, включаемой в цепь конденсаторной батареи, и обычно колеблется в пределах 0,1-10 мс. Частота повторения импульсов зависит в основном от условий охлаждения и характеристик импульсной лампы. В современных ОКГ она доходит до 600 импульсов в минуту.
2. Твердотельные полупроводниковые лазеры. Лазеры этого типа отличаются от рубиновых тем, что в качестве излучающего свет вещества в них используется кусочек полупроводника.
Полупроводниковые лазеры, в которых возбуждение осуществляется при инжекции носителей заряда через р-л-переход, называют инжещионными. Примером лазеров такого типа может служить полупроводниковый квантовый генератор на р-л-переходе в арсениде галлия (рис. 11.4, б). Акцепторными примесями в арсе-ниде галлия являются цинк, кадмий, индий и др., донорными примесями - теллур, селен и др.
Кристалл инжекционного лазера, схема которого приведена на рис. 11.4, б, имеет размеры 0,5-1 мм2. Электрод 7 крепится к контакту 8, верхняя часть 9 представляет собой проводник р-типа, нижняя часть 11 - проводник n-типа. Между ними имеется р-n-переход 10, толщина которого составляет 0,1 мкм. Излучающий слой имеет толщину 1-2 мкм вследствие проникновения электронов и дырок через р-n-переход в глубь кристалла.
Недостатком полупроводниковых лазеров является связанная с их малыми размерами невысокая направленность излучения, а также трудность получения высокой монохроматичности.
3. Жидкостные лазеры. Их основное преимущество - возможность циркуляции жидкости с целью ее охлаждения, что позволяет получать большие энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном режимах 4. Газовые лазеры. Принципиальное устройство лазеров этого типа гораздо проще уже рассмотренных. Стеклянная трубка наполняется специальной газовой смесью. В ее торцы впаивают два электрода и к ним подводят напряжение от источника питания (рис. 11.5). В трубке возбуждается газовый разряд. Для газовых лазеров подбирают специальные активные смеси, атомы или молекулы которых могут некоторое время находиться в метастабильном состоянии. По сравнению с твердыми телами и жидкостями газы обладают меньшей плотностью и более высокой однородностью, что не вызывает искажения светового луча, его рассеяния и потерь энергии. В результате направленность лазерного излучения в газах резко увеличивается, достигая предела, обусловленного дифракцией. В качестве активных газов в ОКГ применяют аргон, неон, криптон, ксенон, смеси гелия и неона, углекислый газ с добавкой азота и гелия. Газовые ОКГ подразделяют на три большие группы: лазеры на атомных, ионных и молекулярных переходах.
Рис. 11.5. Схемы газовых лазеров:
а - гелий-неонового; б - углекислотного; в - газодинамического
Примером атомного лазера является гелиево-неоновый ОКГ (рис. 11.5, а). В этом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона. Атомы гелия служат для передачи энергии возбуждения. Гелиево-неоновый ОКГ имеет небольшую мощность, но из-за простоты устройства, надежности и достаточно высоких параметров излучения он получил широкое распространение.
В ионных газовых ОКГ используются переходы между энергетическими уровнями ионов благородных газов (ксенона, аргона, неона, криптона), а также фосфора, серы и хлораГазовый ОКГ на аргоне генерирует излучение мощностью до 150—500 Вт в непрерывном режиме.
Наибольшие мощность и КПД имеют газовые ОКГ, генерирующие колебания на молекулярных переходах. К этой группе относят ОКГ, работающие на углекислом газе.
11.3. Основы технологии светолучевой обработки
Мощные лазеры применяются в технологических процессах обработки различных материалов. В частности, с их помощью производят сварку, закалку, резку и сверление различных материалов без возникновения в них механических напряжений и с очень большой точностью, вплоть до нескольких длин световых волн. Лазерами обрабатывают материалы практически любой твердости, металлы, алмазы, рубины и т. д.
Лазерное излучение абсолютно стерильно, поэтому оно
используется в медицине для глазных операций, при остановке кровотечений, а также в сельском хозяйстве для предпосевной обработки семян.
Высокая мощность и экономичность СО2-лазеров делают возможным их использование для разрушения сверхпрочных горных пород при работах в шахтах и тоннелях.
УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫЕ УСТАНОВКИ 12.1. Основы электрохимической обработки
Электрохимия изучает поведение ионов в растворах и явления на границе между твердым телом и раствором. Она основана на применении электролитов. Электролитами называются вещества, растворы и расплавы которых могут проводить электрический ток ионами, образующимися в результате электролитической диссоциации. В отличие от металлов и полупроводников растворы и расплавы электролитов обладают ионной проводимостью. Итак, электрический ток в электролитах представляет собой направленное движение ионов в электрическом поле. В отличие от металлов и полупроводников прохождение электрического тока через электролит сопровождается переносом массы вещества.
С увеличением температуры проводимость электролитов растет, что объясняется увеличением подвижности (уменьшением вязкости жидкости) и возрастанием степени диссоциации.
12.2. Электролиз растворов и расплавов
Явление выделения вещества на электродах при прохождении через электролит тока, а также процессы окисления или восстановления на электродах, сопровождающиеся приобретением или потерей частицами вещества электронов, называются электролизом.
В промышленности электролиз применяется в основном для анодного растворения металла и его катодного осаждения из растворов и расплавов. Если в электролизной ванне процесс происходит с поглощением
электрической энергии, ванна называется электролизером.
Принципиальная схема электролизера показана на рис. 12.1.
Рис. 12.1. Схема электролизной установки и распределение потенциала между электродами:
1 - электролит; 2 - электроды; 3 - источник питания: 4 - проводящие шины
На аноде переход металла из металлического состояния (Ме0) в ионное
происходит в результате отдачи 'металлов электронов Ме0- nе→Меn+ (анодное растворение), где п — число единичных зарядов. На катоде ион приобретает электроны и переходит в металлическое состояние Меn++nе→Ме0 (катодное осаждение).
Напряжение на электролизной ванне можно представить состоящим из трех составляющих: напряжение электрохимического разложения вещества, приэлектродные падения потенциала и падение напряжения в электролите:
U = U1 + Ua+ Uк = I l/ζ, (12.6)
где U1 - напряжение электрохимического разложения вещества; Uа, Uк - анодное и катодное падения потенциала соответственно; I - сила тока в ванне; l - расстояние между электродами; ζ - проводимость электролита. Мощность, выделяющаяся в электролизной ванне,
Рэ = I(U1 + Ua+ Uк + I l/ζ). (12.7)
Только часть этой мощности (IU1) идет на электрохимическое разложение вещества, остальная же мощность расходуется на нагрев электролита и транспортировку ионов через раствор.
Характерной величиной, определяющей интенсивность электролиза, является электродная плотность тока (А/м2):
jэ= I/S, (12.10)
где I - сила тока; S - поверхность погруженной в электролит части электрода. Электролиз меди. Целью электролиза меди является снижение содержания примесей в черновой меди, полученной плавкой в отражательных печах, извлечение находящихся в ней благородных и других ценных металлов и получение чистой электролитической меди.
.
При пропускании через ванну постоянного электрического тока происходит растворение черновой меди анодов и осаждение чистой меди на катодах. Благородные металлы и некоторые примеси в виде шлама выпадают в осадок, некоторые другие примеси (никель) переходят в раствор.
Электролиз цинка. Высококачественный цинк получают путем
электролиза водных растворов его солей. В ваннах устанавливаются алюминиевые катоды и свинцовые аноды. Затем они заполняются водным раствором сернокислого цинка ZnSO4 (5-6 ). Во время электролиза на катоде осаждается металлический цинк, на аноде выделяется газообразный кислород, а в растворе образуется серная кислота Н2SO4.
Электролиз алюминияТак как нормальный потенциал алюминия -1,67 В, то его получают путем электролиза расплавленных солей. В этом случае электролитом является раствор оксида алюминия Аl2O3 в расплавленном криолите (Nа3АlF6).