ЭКСИМЕРНЫЙ ЛАЗЕР НА ХЛОРИДАХ БЛАГОРОДНЫХ ГАЗОВ Российский патент 1995 года по МПК H01S3/225 

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности, к эксимерным лазерам с замкнутой системой регенерации газовой смеси.

Известна система регенерации газовой смеси эксимерного лазера на хлоридах благородных газов I с использованием цеолита.

Недостатком известного устройства являются низкие эксплуатационные характеристики из-за быстрого отравления цеолита остатками галоидов и необходимости его частой замены, а также высокая стоимость эксплуатации лазера из-за большого расхода благородных газов, высокая стоимость самих систем. Кроме того, наличие баллона с чистым галогеном создает опасность отравления обслуживающего персонала в случае утечки газа и требует дополнительных мер.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является эксимерный лазер на фторидах и хлоридах благородных газов в системе регенерации которого осуществляется последовательно высокотемпературная и криогенная очистка газовой смеси [2]. Для высокотемпературной очистки используется геттер на основе титана (для лазеров на фторидах), либо на основе кальция (для лазеров на хлоридах). В геттере осуществляется химическое взаимодействие продуктов деградации активной среды с Са или Т. Криогенная очистка позволяет адсорбировать примеси, оставшиеся после прохождения газовой смесью геттера. Для обеспечения полной очистки процесс повторяют три раза, пропуская газовую смесь через аналогичных звенья. Все, включая основной галоген, галогенсодержащие соединения отфильтровываются, так как обладают повышенной химической активностью. Поэтому необходимо осуществлять дополнительный напуск галогена в рабочий объем, причем количество его строго дозируется. Галоген часто подается в смеси с благородным газом (Ne или Не), что приводит к увеличению давления активной среды, и начиная с определенного давления требуется дополнительная откачка, в результате которой часть благородных газов выбрасывается в атмосферу, т.е. система является квазизамкнутой.

Недостатком этой системы является высокая стоимость эксплуатации лазера из-за повышенного расхода дорогостоящих благородных газов. Кроме того, при работе криогенной очистки расходуется жидкий азот, что также повышает стоимость эксплуатации. Другим недостатком системы является необходимость работы с чистыми галогенами (F₂, Cl₂, газообразный НСl) или их смесями с благородными газами (Не или Ne), поэтому всегда существует опасность отравления обслуживающего персонала в случае утечки газа, общее количество которого может быть значительным для обеспечения необходимого времени работы лазера. Поэтому должны быть приняты соответствующие меры безопасности, например использование дорогостоящей химической стойкой газовой арматуры, вентиляции адсорбентов, что приводит к еще большему удорожанию системы.

Целью изобретения является снижение стоимости эксплуатации эксимерного лазера на хлоридах благородных газов за счет экономии благородных газов, повышение безопасности эксплуатации лазера, а также снижение стоимости эксимерного лазера за счет упрощения конструкции системы газонапуска.

Указанная цель достигается тем, что в качестве источника газообразного хлористого водорода используется управляемый однокамерный или двухкамерный генератор HCl, включенный в газовом потоке вслед за геттером, а также тем, что использование геттера для предварительной откачки лазерной камеры позволяет полностью отказаться от других систем откачки и регенерации.

Геттер выполнен на основе щелочных и щелочноземельных металлов (Сa, Ba, Mg, K, Na, Li) или их смеси, которые взаимодействуют с большинством продуктов распада газовой среды эксимерного лазера, а также со всеми компонентами атмосферного воздуха (кроме Ar) с N₂, O₂, CO₂ и Н₂О. Это позволяет использовать геттер в качестве форвакуумного насоса для предварительной откачки лазерной камеры эксимерного лазера. Остающийся один процент аргона слабо влияет на кинетику эксимерного лазера. Более того, в случае ArCl лазера атмосферный аргон может служить исходным газом для получения генерации. Рабочий диапазон температур геттера лежит в пределах от 20 до 600^оС, в зависимости от используемого металла. Например, более высокие температуры нужны при использовании Са и Mg, которые без нагрева практически не активны.

В систему регенерации после геттера по току газа включен управляемый генератор газообразного НСl, который добавляют в газовую смесь, состоящую на выходе из геттера большей частью из смеси благородных газов (Ne:Ar, He: Xe, Ne:Kr и др.). В отличие от многоступенчатой системы регенерации не прореагировавшие примеси будут повторно взаимодействовать с геттером при последующих проходах газовой смеси через геттер. В предлагаемой конструкции генератора HCl выбраны химические реакции, в которых газообразный НСl образуется внутри рабочего объема в результате контролируемой химической реакции, инициируемой нагревом одного или нескольких химических компонентов до температуры от 30 до 600^о. Скорость наработки НСl зависит от температуры реагентов. При этом в нерабочем состоянии (при комнатной температуре) скорость выделения НСl практически равна нулю и даже при разгерметизации системы не существует опасности отравления обслуживающего персонала. Кроме того, поскольку устранены большие объем с ядовитыми газами, нет необходимости использовать дорогостоящие химические поглотители.

Система позволяет осуществить качественную регенерацию газовой смеси, которая не сопровождается повышением давления в лазерной камере. Поэтому не требуется дополнительная откачка камеры, что позволяет существенно повысить экономию дорогостоящих благородных газов.

На фиг.1 представлен общий вид системы регенерации; на фиг.2 и 3 представлены варианты конструкций генератора газообразного НСl.

Система работает следующим образом.

Газовая смесь откачиваемая из лазерной камеры 1 с помощью системы прокачки 2 попадает в геттер 3, где происходит удаление примеcей в результате химичеcких реакций. Уcтройcтво управления 4 генератором НСl 5 поддерживает требуемую в данный момент времени концентрацию HСl в лазерной смеси. Изменяя температуру нагревателя 6 в диапазоне от 30 до 600^оС можно контролировать количество и скорость выработки хлористого водорода.

В генераторе НСl с однокамерным объемом, представленном на фиг.2, осуществляется нагрев смеси из двух компонентов: твердого хлорида и бисульфата щелочного металла. Нагрев инициирует химическую реакцию, в результате которой образуется газообразный хлористый водород:
MCl + MHSO₄ = M₂SO₄ + HCl (1) где М - один из щелочных металлов (К, Li, Na, Rb, Cs).

Температура может быть доведена до 600^оС, что сильно повышает скорость химической реакции и, следовательно, скорость выработки HCl.

В генераторе НСl с двухкамерным объемом, представленном на фиг.3, осуществляется нагрев только одного химического компонента - серной кислоты, которая заполняет нижнюю камеру 7. Температура нагрева 20 - 200^оС. Образующиеся в результате нагрева пары серной кислоты проникают сквозь решетку 8 в верхнюю камеру 9, в которой находится твердый хлорид щелочного металла.

2MCl + H₂SO₄ = M₂SO₄ + 2HCl (2) (пары)
Давление паров серной кислоты зависит от температуры и возрастает до 1 атм при увеличении температуры до 200^оС. Конструкция устройства может быть дополнена терморегулятором.

В устройстве газообразный хлористый водород образуется внутри объема в результате химической реакции, инициируемой нагревом не агрессивных веществ. В обоих случаях отпадает необходимость хранения чистого НСl, что повышает безопасность работы с эксимерным лазером. Использование химических веществ в одном случае в твердой фазе, а в другом случае в твердой и жидкой фазах позволяет увеличить удельную емкость по хлористому водороду в пересчете на 1 л объема газовой системы не менее, чем в 5 раз.

В качестве примера рассмотрим геттер на основе Mg:
2Mg+O₂__→ 2MgO (3)
Mg+2H₂O __→ Mg(OH)₂+H₂ (4)
MgO+H₂O __→ Mg(OH)₂ (5)
То есть реагирует не только сам магний, но и продукты первичных реакций.

3Mg+N₂__→ Mg₃N₂ (6)
MgO+CO₂__→ MgCO₃ (7)
Mg+H₂__→ MgH₂ (8)
Mg+2HCl __→ MgCl₂+H₂ (9)
Это основание реакции, протекающие в геттере, в результате которых образуются твердые, не летучие вещества. Реакции с (3) по (7) показывают возможность использования геттера в качестве насоса атмосферного воздуха. Реакции (8) и (9) наряду с реакциями (3)-(7) важны для регенерации газовой смеси. Аналогичные реакции происходят с другими щелочными металлами и с другими примесями.

Генератор газообразного хлористого во- дорода может быть выполнен на основе любой из приведенных выше реакций: (1) или (2).

Большое значение на характеристики эксимерного лазера оказывает чистота газовой смеси, которая заполняет лазерный объем. Это связано с тем, что излучение эксимерного лазера лежит в области ультрафиолета: ArCl - 175 нм, KrCl - 223 нм, ХеСl - 30 М нм. Любая примесь, поглощающая в этой области, уменьшает энергию лазерного излучения и ухудшает характеристики эксимерного лазера. В состав газовой смеси входят дорогостоящие благородные газы, такие как Хе, Kr, Ne, He. В процессе эксплуатации газовую смесь приходится периодически заменять из-за ее быстрой деградации.

Устройство эксимерного лазера на хлоридах благородных газов, включающего геттер на основе щелочных и щелочнозе- мельных металлов и генератор газообразного хлористого водорода, включенного в газовом потоке вслед за геттером, обеспечивает высокую экономию благородных газов. Кроме того, отсутствие больших запасов газообразного галоида в баллонах системы газонапуска повышает безопасность работы обслуживающего персонала и снижает опасность экологического загрязнения атмосферы.

Сущность изобретения: в эксимерном лазере а качестве источника газообразного хлористиго водорода содержится управляемый генератор HCl включенный в газовом потоке вслед за геттером. Геттер используется для предварительной откачки лазерной камеры, что позволяет полностью отказаться от других систем откачки и регенерации. Геттер выполнен на основе щелочных металлов (Ba, Ca, Mg, Li, K, Na) или их смеси. Отсутствие больших запасов газообразного галоида в баллонах системы газонапуска повышает безопасность работы обслуживающего персонала и снижает опасность экологического загрязнения персонала и снижает опасность экологического загрязнения атмосферы. 3 ил.

ЭКСИМЕРНЫЙ ЛАЗЕР НА ХЛОРИДАХ БЛАГОРОДНЫХ ГАЗОВ, содержащий лазерную камеру, замкнутую систему регенерации газовой смеси, включающую устройство прокачки, геттер, систему напуска благородных газов и источник газообразного хлористого водорода, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности и безопасности эксплуатации лазера, в качестве источника газообразного хлористого водорода он содержит однокамерный или двухкамерный управляемый генератор HCl соответственно на основе реакции взаимодействия хлорида щелочного металла и бисульфата щелочного металла, нагреваемых до 600^oС, или на основе реакции взаимодействия хлорида щелочного металла с парами серной кислоты, нагреваемой до 200^oС, установленный в системе регенерации по потоку газовой смеси после геттера, выполненного на основе щелочных металлов Ba, Ca, Mg, Li, K, Na или их смеси, нагреваемого до 600^oС и служащего для очистки газовой смеси и предварительной откачки лазерной камеры.