ЭЛЕКТРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ СО-ЛАЗЕР Российский патент 1996 года по МПК H01S3/953 

Изобретение относится к области лазерной техники, а точнее к проблеме создания электрогазодинамических СО-лазеров с практически непрерывным временем работы.

Известен газодинамический СО₂-лазер (см. патент ФРГ N 2456759 - Hochleistunglaser und Anordnung zur Durchfuhrung des Verfahrens. Заявл. 30.11.74, опубл. 9.09.82, МВВ GmbH. ФРГ, содержащий смонтированные последовательно компрессор, систему конверсии, камеру сжигания, смесительную камеру, сопловой блок, резонатор с системой выброса отработанной лазерной смеси. Причем система конверсии выполнена в виде фильтров из горячей графитовой кромки или пыли. В известном решении атмосферный воздух при расходе 200 кг/c подается через компрессор в систему конверсии вместе с Н₂ или Н₂О, в которой газы фильтруются и химически реагируют с углеродом. Далее полученная смесь газов (СО + N₂) поступает при высоком давлении в камеру сгорания, из которой нарабатываемые продукты сгорания поступают в камеру смешения, где происходит их перемешивание с воздухом. При этом образуется смесь нужного состава и температуры, которая затем попадает на вход соплового блока. Далее смесь быстро прокачивается через сопловой блок и выводится в резонатор. Но при этом возникает необходимость периодической замены выгорающих фильтров, что усложняет техобслуживание лазера.

К тому же требуемая мощность излучения в этом газодинамическом лазере достигается за счет высоких расходов лазерной среды, т.к. КПД газодинамического лазера приблизительно 1% и он не может быть большим из-за того, что при течении в сопле основная доля энергии нагретого и сжатого газа переходит в кинетическую энергию струи газа, которая затрачивается на ускорение потока газа, а не на излучение. Кроме того, квантовый КПД молекулы СО₂ мал (≈40%). Это приводит к тому, что доля энергии накачки, превращающаяся в тепло в процессе возбуждения, в рабочем диапазоне температур оказывается высокой (80-90%). Основными недостатками известного лазера является низкий КПД преобразования энергии в излучение из-за его больших тепловых потерь при нарабатывании требуемого количества лазерной смеси, а также ограниченное время работы лазера вследствие ограниченных размеров заменяемого выгорающего фильтрующего элемента.

Известен также электрогазодинамический СО-лазер патента Российской Федерации N 2002346 от 17.02.93 г. "Способ получения активной среды СО-лазера", выбранный автором в качестве прототипа и содержащий состыкованные последовательно камеру сгорания, устройство конверсии продуктов сгорания в смесь СО, сопловой блок, газоразрядную камеру, систему выброса отработанной лазерной смеси и камеру дожигания СО до СО₂, связанную с источником горючего. Причем устройство конверсии продуктов сгорания в смесь СО выполнено в виде углеродного фильтра. В сопловой блок включены сверхзвуковые сопла, через углеродный фильтр соединенные с камерой сгорания, и сверхзвуковые сопла, связанные с источником охлаждающего газа высокого давления, а газоразрядная камера снабжена электродами, соединенными с источником электроэнергии и зеркалами резонатора. В известном решении в камере сгорания получают продукты сгорания (СО₂, Н₂O, N₂), которые пропускают через пористый углеродный фильтр. При прохождении через пористый углеродный фильтр продукты сгорания вступают в реакцию с углеродом матрицы, при этом образуется рабочая смесь СО (СО; N₂; H₂). На выходе из сверхзвуковых сопел через сверхзвуковые воздушные сопла к смеси СО для ее охлаждения подмешивают воздух от источника охлаждающего газа высокого давления. При этом образуется охлажденная и ионизированная смесь, которая возбуждается электрическим разрядом в электроразрядной камере. После этого излучение выводят из газоразрядной камеры при помощи зеркал резонатора, а отработанную газовую смесь в систему выброса отработанной лазерной смеси, где восстанавливают давление газового потока и затем производят дожигание СО до СО₂.

В данном ЭГД СО-лазере квантовый КПД порядка 90% а колебательная энергия, в процессе генерации остающаяся в рабочей среде из-за отличия КПД от единицы, не переходит практически мгновенно в тепло, а остается запасенной длительное время на колебательных уровнях. Благодаря этому доля энергии накачки, превращающаяся в тепло в процессе возбуждения, оказывается низкой (приблизительно 10% ) по сравнению с аналогичной характеристикой для СО₂-лазерной смеси (80-90%), как, например, в вышеописанном аналоге. Высокая эффективность ЭГД СО-лазера прототипа достигается тем, что электрический разряд служит для создания инверсной населенности, а сверхзвуковое расширение используется для охлаждения газа и удаления отработанного рабочего тела. Основным недостатком прототипа является довольно короткое время работы лазера за счет применения в качестве устройства конверсии продуктов сгорания в смесь СО пористого углеродного фильтра, который в процессе работы выгорает и требует постоянной смены углеродной матрицы. К тому же применение пористого углеродного фильтра приводит к повышению перепада давления между камерой сгорания и сопловым блоком. Для обеспечения заданного давления перед сопловым блоком необходимо повышать давление в камере сгорания, что приводит к увеличению массогабаритов лазера.

Перед заявляемым изобретением ставится задача создания ЭГД СО-лазера с практически непрерывным временем работы. Поставленная задача достигается тем, что в ЭГД СО-лазере, содержащем снабженную зеркалами резонатора и электродами, связанными с высокочастотным источником электроэнергии, газоразрядную камеру, к которой на входе пристыкован сопловой блок, включающий сверхзвуковые сопла, связанные с источником охлаждающего газа высокого давления, и сверхзвуковые сопла, связанные с камерой сгорания через устройство конверсии продуктов сгорания в смесь СО, а на выходе газоразрядной камеры установлены расположенные последовательно система выброса отработанной лазерной смеси и камера дожигания СО и СО₂, к которой подключен источник горючего, устройство конверсии продуктов сгорания в смесь СО выполнено в виде камеры конверсии, в которой на входе со стороны камеры сгорания расположены форсунки, связанные с источником горючего. При этом в камере конверсии в районе соединения ее с камерой сгорания установлены форсунки, которые связаны с источником текучего катализатора. А в качестве текучего катализатора в источник помещен карбонил никеля (Ni(CO)₄). Вместо форсунок, связанных с текучим катализатором, и последнего в камере конверсии может быть размещена насыпка твердого катализатора, заполняющая всю площадь поперечного сечения камеры, либо форсунки жидкого катализатора и твердый катализатор совместно. При этом в качестве насыпки твердого катализатора в камере конверсии расположены никелиевые таблетки.

В заявляемом решении получаемые продукты сгорания (СО₂, Н₂О, N₂) поступают в камеру конверсии, где при смешении их с подаваемым горючим идет реакция конверсии и образуется смесь СО (СО, N₂, Н₂). При этом для ускорения реакции к продуктам сгорания на входе в камеру конверсии подмешивают текучий катализатор, в качестве которого используют карбонил никеля. Также для ускорения реакции конверсии вместо текучего катализатора можно использовать насыпку твердого катализатора, например никелиевые таблетки, расположенные в камере конверсии. Применение катализатора приводит к уменьшению массогабаритов лазера и увеличению скорости протекания реакций с образованием рабочей СО-смеси, которая далее поступает на вход сверхзвуковых сопел соплового блока. На выходе из соплового блока к смеси СО для ее охлаждения через другие сверхзвуковые сопла подмешивают газ от источника охлаждаемого газа высокого давления. При этом образуется охлажденная и ионизированная смесь, которая возбуждается электрическим разрядом в газоразрядной камере. После этого излучение выводят из газоразрядной камеры с помощью зеркал резонатора, а отработанную газовую смесь с помощью системы выброса, где восстанавливают давление газового потока и производят дожигание СО до СО₂. Таким образом получен технический результат, заключающийся в том, что заявляемый ЭГД СО-лазер является лазером с практически непрерывным вpеменем работы.

Заявляемое изобретение является новым, так как совокупность его признаков не известна из отечественных и зарубежных общедоступных источников информации. По мнению автора, заявляемое изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно явным образом не следует из источников общедоступной информации, характеризующей уровень техники данной отрасли.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид ЭГД СО-лазера в продольном размере.

ЭГД СО-лазер состоит из газоразрядной камеры 1, которая снабжена зеркалами 2 резонатора и электродами 3, связанными с высокочастотным источником электроэнергии 4. Ко входу газоразрядной камеры 1 пристыкован сопловой блок 5. Сопловой блок 5 содержит сверхзвуковые сопла 6, связанные с баллонами 7 воздуха высокого давления, и сверхзвуковые сопла 8. На выходе газоразрядной камеры 1 установлена система выброса отработанной лазерной смеси, включающая диффузор 9. Диффузор 9 соединен с камерой 10 дожигания СО до СО₂, к которой подключен источник 11 горючего, заполненный метаном. При этом сверхзвуковые сопла 8 соплового блока 5 соединены с камерой 12 сгорания через камеру 13 конверсии. В камере 13 конверсии в районе ее соединения с камерой 12 сгорания установлена диафрагма 14, на которой расположены форсунки 15, связанные с источником 11 горючего. Также на диафрагме 14 размещены форсунки 16, связанные с источником текучего катализатора, который выполнен в виде емкости 17 с карбонилом никеля и насоса 19, а также в камере конверсии 13 может быть размещена насыпка твердого катализатора 19, заполняющего всю площадь поперечного сечения камеры 13, ограничиваемого решетками 20, 21.

Лазер работает следующим образом:
В камере 12 сгорания получают продукты сгорания (СО₂; H₂O; N₂, которые попадают на вход камеры 13 конверсии, где к ним подмешивают через форсунки 15 от источника 11 горючего метан (CH₄. Происходит их смешение, и начинает идти реакция конверсии

с поглощением теплоты Q (β ≃ 3,0 коэффициент избытка окислителя).

На выходе из камеры 13 конверсии образуется смесь СО (СО; Н₂; N₂).

Для того чтобы реакция конверсии с образованием СО-смеси успела пройти полностью, необходимо делать камеру 13 конверсии длинной. Однако при этом температура выходящих из нее газов понижается за счет теплопотерь и возрастает перепад давления между камерой 12 сгорания и сопловым блоком 5. Поэтому для ускорения скорости протекания реакции конверсии, уменьшения перепада давления и снижения теплопотерь на входе в камере 13 конверсии к продуктам сгорания (СО₂; H₂O; N₂), кроме метана (СН₄), подмешивают через форсунки 16 карбонил никеля, который подается с помощью насоса 18 из емкости 17. В камере 13 конверсии идет реакция продуктов сгорания с метаном и в сверхзвуковые сопла 8 соплового блока 5 поступает смесь СО (СО; Н₂; N₂). Для получения эффективного объемного разряда при высоком давлении (Р≈50 Тор) требуется повышенный уровень начальной электронной плотности в разрядном промежутке, что обеспечивается путем предварительной ионизации, реализуемой при адиабатическом охлаждении предварительно нагретого газа. Для получения температуры приблизительно 100 К, необходимой для эффективной работы СО-лазера, на выходе из сверхзвуковых сопел 8 к смеси СО через сверхзвуковые сопла 6 подмешивают воздух от баллонов 7 воздуха высокого давления, охлаждая его также резким расширением в соплах. На выходе из соплового блока 5 образуется охлажденная и ионизированная смесь, которую возбуждают в газоразрядной камере 1 высокочастотным электрическим разрядом, возникающим при подаче к электродам 3 высокого напряжения от высокочастотного источника электроэнергии 4.

Излучение, получаемое при помощи зеркал 2 резонатора, выводят из газоразрядной камеры 1. А отработанную газовую смесь подают в диффузор 9, где повышают давление газового потока. И далее в камере 10 дожигания СО до СО₂, подмешивая метан от источника 11 горючего, дожигают смесь СО до СО₂ смеси газов, которая более экологически безопасна.

Заявляемое изобретение, благодаря использованию в качестве устройства конверсии продуктов сгорания в смесь СО камеры 13 конверсии, с которой связаны источники горючего и катализатора, позволяет сделать ЭГД СО-лазер с практически неограниченным временем работы.

У заявляемой конструкции практически неограниченное время работы из-за применения источника горючего и источника текучего катализатора или насыпки твердого катализатора, которые позволяют нарабатывать СО-смесь практически неограниченное время.

Использование: лазерная техника. Сущность изобретения: электрогазодинамический СО-лазер содержит газоразрядную камеру, снабженную зеpкалами резонатора и электродами, связанными с высокочастотным источником электроэнергии. К газоразрядной камере на входе пристыкован сопловой блок. Сопловой блок включает сверхзвуковые сопла, связанные с источником охлаждающего газа высокого давления, и сверхзвуковые сопла, которые связаны с камерой сгорания через устройство конверсии продуктов сгорания в смесь СО. На выходе газоразрядной камеры установлены расположенные последовательно система выброса отработанной лазерной смеси и камера дожигания СО до СО₂. К камере дожигания СО до СО₂ подключен источник горючего. Для увеличения времени непрерывной работы лазера устройство конверсии в смесь СО выполнено в виде камеры конверсии, в которой на входе со стороны камеры сгорания расположены форсунки, связанные с источником горючего. В камере конверсии в районе ее соединения с камерой сгорания установлены форсунки. Форсунки связаны с источником текучего катализатора, в качестве которого в источник помещен карбонид никеля. Вместо форсунок, связанных с текучим катализатором, и последнего в камере конверсии может быть размещена насыпка твердого катализатора либо тот и другой. Насыпка выполнена в виде никелевых таблеток, расположенных по всей площади поперечного сечения камеры конверсии. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Электрогазодинамический СО-лазер, содержащий снабженную зеркалами резонатора и электродами, связанными с высокочастотным источником электроэнергии, газоразрядную камеру, к которой на входе пристыкован сопловый блок, включающий сверхзвуковые сопла, связанные с источником охлаждаемого газа высокого давления, и сверхзвуковые сопла, связанные с камерой сгорания через устройство конверсии продуктов сгорания в смесь СО, а на выходе газоразрядной камеры установлены расположенные последовательно система выброса отработанной лазерной смеси и камера дожигания СО до СО₂, к которой подключен источник горючего, отличающийся тем, что устройство конверсии выполнено в виде камеры конверсии, в которой на входе со стороны камеры сгорания расположены форсунки, связанные с источником горючего. 2. СО-лазер по п. 1, отличающийся тем, что в камере конверсии в месте соединения ее с камерой сгорания установлены форсунки, связанные с источником текучего катализатора. 3. СО-лазер по п.1, отличающийся тем, что в камере конверсии размещена насыпка твердого катализатора, расположенная по всей площади поперечного сечения камеры. 4. СО-лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве текучего катализатора в источник помещен карбонил никеля. 5. СО-лазер по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве насыпки твердого катализатора в камере конверсии расположены никелевые таблетки.