Задача про лазер

ЧТО ПРОИЗОЙДЕТ, если импульс лазерного излучения длительность 100нс с длинной волны 1мкм и энергией 4,6 МДж попадет на поверхность с коэфициентом отражения 75% и площадью 1 дм²?


Ник

А длина волны нужна? А вообще, считать лень. Наверное, ничего Или тут какие-то невозможности длины волны/длительности импульса/энергии? Опять же, лениво прикидывать

Nick_Crak>ЧТО ПРОИЗОЙДЕТ...

Сечение пучка? 1дм² и 10мкм² - эффект будет разный

Nick_Crak>ЧТО ПРОИЗОЙДЕТ

Может, просто отразится?

100 нс - это абляционная длительность (т.е. кроме испарения и передачи импульса никаких эффектов). В этом случае работает достаточно хорошо отражение, но испаряющееся вещество будет давать плазму, а значит это все предмет численного моделирования. Ник, если ты мне выдашь грант - я тебе мигом (за полгода) смоделирую!

CaRRibeaN>100 нс - это абляционная длительность (т.е. кроме испарения и передачи импульса никаких эффектов).

Вот вот, и как он(импульс) передается? Можно еще упростить - поглощение 100%.

Ник

>Вот вот, и как он(импульс) передается?

В смысле как? Рассеиванием фотонов на электронных оболочках атомов.Можно имхо описывать и с точки зрения квантовой механики, это к Горнику, а можно наверное и с точки зрения электродинамики, только я вот не могу вспомнить, где там импульс кроеться

>>Вот вот, и как он(импульс) передается?
CaRRibeaN>В смысле как? Рассеиванием фотонов на электронных оболочках атомов.Можно имхо описывать и с точки зрения квантовой механики, это к Горнику, а можно наверное и с точки зрения электродинамики, только я вот не могу вспомнить, где там импульс кроеться

Т.е. подобный "эксцес" вызовет образование плазменного облака с температурой порядка десятка тысяч градусов и эрозию поверхности? Так?

Ник

>Т.е. подобный "эксцес" вызовет образование плазменного облака с температурой порядка десятка тысяч градусов и эрозию поверхности? Так?

Нет, мухи отдельно, котлеты отдельно. Есть передача энергии электронам, отрыв их от атомов и т.д. А есть передача импульса атомам, свободным электронам и т.д.

Точнее это два аспекта одного эффекта. Просто они по разному проявляються для разных мощностей.

Разогрев образовавшейся плазмы в этих условиях считается через теплоемкость вырожденного электронного газа. Все инерциальным термоядом балуемся?

2 Nick_Crack

Чуть подробнее. Пускай сечение луча мало - скажем, 1 мм. Дальше - чисто качественное рассмотрение для указанных мощностей. Первые наносекунды. Слой в единицах мкм по глубине аблирует, формируется фронт ударной волны внутрь, облако высокотемпературной ионизованной плазмы снаружи. ДАЛЕЕ поскольку плазма при таком энерговыделении практически полностью ионизована и электронный газ вырожден, происходит накачка его теплоемкости с сильной теплоизоляцией внутренних слоев в-ва. Т.е. на импульс вглубь работают только первые наносекунды импульса. Именно поэтому пытаются жать мишени ПИКОСЕКУНДНЫМИ импульсами.

Именно люминь в кислороде - среда для лазера? Ммм, и как же там создаеться инверсная заселенность? Лазер же - это не просто лампа вспышка с зеркалами...

Должен заметить, что Никовские посты меня всегда радуют физической точностью. Многие "физики" и "аеродинамики" по образованию соображают в физике гораздо хуже дохтера.

Я же так понял, что алюминий-кислородное горение хочется использовать как лампу-вспышку для накачки, а резонатор на CO2? Да Вы прямо "инженер Гарин" какой-то. Мне кажется , амеры ( MTHEL сбил артиллерийский снаряд )и наши ( секретничают )проблему создания таких квантовых генераторов уже решили. Только в транспортируемом исполнении. Одноразовый будет дороговат. А для эффективности хорошо бить сотни микросекунд-миллисекундной серией импульсов с длительностью каждого импульса сотни пикосекунд - единица наносекунд. 1 км/с - 100 мкс - > 10 см полоска "в дырочку". Не хватает точности наведения - 1 мс серия - 1 метровая полоска "в дырочку". Иначе 90% энергии Никовского лазера уйдет не на поражение снаряда, а плазмы рядом.

Ответил, а потом нашел Форум по физике . Народ там независимо описал похожую физику.

Адрон>Разогрев образовавшейся плазмы в этих условиях считается через теплоемкость вырожденного электронного газа. Все инерциальным термоядом балуемся?
Нет. ПЗРК
Спасибо за вполе развернутый ответ, он меня устраивает - даже то, что происходит образование термоизолирующего слоя - это хорошо, будет боьшее плазменное облако, со всеми своими бэбихами -ударной волной например. Меня просто поразила мысль, что:
1 кг алюминия требует для сжигания 0,8 кг (560 литров) кислорода, выделяя при этом 124 МДж, что эквивалентно энерговыделению 26,88 кг тротила. При КПД 5% (нам много не надо) энергия в луче лазера будет соответствовать 1,344 кг тротила, при соизмеримом времени воздействия.
Возможно весьма компактное одноразовое устройство

Ник
P.S. Мало того, такая технология(в гораздо меньших габаритах)существует - так называемый "лазерный револьвер"..

Адрон>Должен заметить, что Никовские посты меня всегда радуют физической точностью. Многие "физики" и "аеродинамики" по образованию соображают в физике гораздо хуже дохтера.

Спасибо Вообще то по второй профессии я системотехник - но это практически одно и то же

Адрон>Я же так понял, что алюминий-кислородное горение хочется использовать как лампу-вспышку для накачки, а резонатор на CO2?

Еще проще. Конструкция(подобна реальной!) представляет собой стальной баллон(V~10 литров) в композитном кожухе, стенки которого изнутри покрыты керамическим напылением(0,5 мм) и посеребренны, наполненный кислородом под давлением 60 атм и микростружкой алюминий-магниево-цезиевого сплава(~1 кг) По объему баллона проложенна двойная нить с микропроволочками-загигателями. Вдоль стенок баллона и в его центре идет в виде двойной спирали, световод-резонатор, из , например, неодимого стекла, покрытый также специальным стеклом, для предохранения резонатора от УФсотавляющей.
При поджигании происходит мощная вспышка(примерно 30-45% всей энергии в свет), причем давление не увеличивается, а падает(объем оксидов металлов меньше первоначального объёма даже в парообразном состоянии). Резонатор, имеющий примерно 100-150 м длинны, генерирует мощный импульс когерентного ИК-излучения.
Вполне реально создать оптику, которая на дальности 1-10 км, позволит получить пятно в 1-10 см^2. ВСЁ устройство после выстрела просто отбрасывается в сторону, так полностью разрушается при выстреле.
Не вижу почему такое устройство будет дороже амолета или вертолета, особенно при точности поражения 0,999

Ник

Адрон>.. Иначе 90% энергии Никовского лазера уйдет не на поражение снаряда, а плазмы рядом.

А что здесь плохого? Плазменное облако с температурой под 100000K⁰ прямо на поверхности обшивки ЛА не способствует долгой жизни

Ник

>наполненный кислородом под давлением 60 атм и микростружкой алюминий-магниево-цезиевого сплава(~1 кг)

Теоретически. Реально - оксидами этим металлов. Особенно цезия А уж от него все загориться.

Да, стружка взвешена в кислороде, или все таки кучкой на дне?

>>наполненный кислородом под давлением 60 атм и микростружкой алюминий-магниево-цезиевого сплава(~1 кг)

CaRRibeaN>Теоретически. Реально - оксидами этим металлов. Особенно цезия А уж от него все загориться.

Такой сплав(примерный состав Al70%-Mg25%-Сs5%, кстати, точный состав сплава - СС)по своим химсвойствам близок к обычному алюминиевому сплаву -загорается только при очень высокой тепературе - разрушающей пленку окислов Цезий добавляется для уменьшения УФ составляющей, и увеличения кол-ва лучистой энергии при сгорании, действует как катализатор.

CaRRibeaN>Да, стружка взвешена в кислороде, или все таки кучкой на дне?
Вы металлическую стружку видели? Стружка тонкая, длинная ,завитая, пружинистая - мочалка в банке на дне лежит?

Ник

Nick_Crak>ЧТО ПРОИЗОЙДЕТ, если импульс лазерного излучения длительность 100нс с длинной волны 1мкм и энергией 4,6 МДж попадет на поверхность с коэфициентом отражения 75% и площадью 1 дм²?

Думаю, что ничего не будет. Отразится. Если что-то очень хлипкое, может испарить тончайший слой атомов.

Адрон>>.. Иначе 90% энергии Никовского лазера уйдет не на поражение снаряда, а плазмы рядом.

Nick_Crak>А что здесь плохого? Плазменное облако с температурой под 100000K⁰ прямо на поверхности обшивки ЛА не способствует долгой жизни

Если помните, когда я считал критерий Лоусона для термояда по теплоемкости реального высокотемпературного ионизованного одноатомного газа - получилось значение на порядок большее, чем когда по теплоемкости вырожденного электронного газа (что более реально).Поэтому 99 нс из 100 нс импульса будет закачано не в температуру, а в "помойку".

Живенько представляю себе, как будет происходить сгорание килограмма тонкого Al порошка в кислороде под давлением 60 атм...
В самом начале вся выделившаяся энергия будет поглощена средой вокруг нагревательного элемента, что приведет к нехилому нагреву. Al, судя по всему, будет испаряться - частички мелкие, а излучение очень даже... Стало быть, никакого понижения давления не будет. Наоборот, все, что еще не прореагировало, будет вытесняться в "дальний угол", где температура еще вырастет за счет адиабатического сжатия. Посему, скорость реакции по ходу пьесы будет расти и в конце концов будет сформирована очень даже неплохая ударная волна, которая первым делом разнесет на куски не только резонатор и баллон, но и то, что вокруг в радиусе метров в 100
До резонатора же излучение дойдет тогда, когда смесь до него догорит. Все остальное время излучение будет поглощаться порошком. Хотя резонатора к моменту "когда догорит" уже не будет - его раньше расплющит ударной волной.

В далеком детстве я развлекался, подрывая смесь Al пудры с тонким порошком марганцовки. Казалось бы, там вообще никаких газов выделяться не должно, однако взрывалась эта смесь в банке очень даже неплохо. Что еще интересно, сильной белой вспышки при этом почему-то не наблюдалось! Вспышла была, но какая-то грязно-красная. А если была белая, то взрыва не происходило - было относительно медленное горение. Вероятно, по причине перебора с Al, часть его сгорала уже в воздухе.
А еще очень неплохо взрывалась стехиометрическая смесь Al-пудры с порошком оксида меди.

AleX.>Живенько представляю себе, как будет происходить сгорание килограмма тонкого Al порошка в кислороде под давлением 60 атм...

Да можно, можно сделать импульсный источник света на этом принципе - вспомните первые магниевые вспышки 19-го - начала 20-го века. Речь не об этом - сомневаюсь в том, что такое средство - аналог ПЗРК - будет эффективно для поражения цели. Да и насчет 5% КПД - СОМНЕНИЕ. Скорее - 0,005% ("от фонаря") от общей энергии сгорания да еще и минус эффективность воздействия на цель по выше указанному механизму. Кстати интересно, что если сделать именно гиперболоид (а не параболоид, как писали критики) им. инж. Гарина по классической схеме из книжки, а перед "пирамидкой" поставить активную среду с резонатором, то такая схема освещения-накачки будет работать.

В своё время предлагалась следующая схема:
Берём отрезок трубы эллиптического сечения. Изнутри труба зеркальная. В одном фокусе помещаем мощный импульсный линейный источник света, во втором фокусе помещаем рабочее тело в виде тонкого длинного цилиндра. Такая схема реально работала.