ГЕНЕРАТОР СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА Российский патент 1997 года по МПК H01S3/95 H01S3/225 

Изобретение относится к квантовой электронике, преимущественно к химическим лазерам непрерывного действия, и может быть использовано при создании йодно-кислородного лазера многоцелевого назначения для получения синглетного кислорода-энергоносителя лазеров этого типа.

В настоящее время известны генераторы синглетного кислорода для химического йодно-кислородного лазера непрерывного действия, включающие корпус с патрубками рециркуляции жидкого реагента, патрубком ввода газообразного реагента, с патрубком отвода готового продукта и устройством, обеспечивающим прохождение гетерогенной реакции между жидким реагентом щелочным раствором пероксида водорода, и газообразным реагентом хлором.

В качестве такого устройства используют или газораспределитель для проведения реакции в жидкой среде на поверхности пузырьков газа, или смоченную поверхность для проведения реакции на поверхности жидкой пленки, граничащей с газовой средой, или форсунку для проведения реакции на поверхности капелек жидкости в газовой среде, или некоторую комбинацию из этих трех типов [1]
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является генератор, конструкция которого отличается от конструкций описанных выше аналогов только наличием газораспределителя, выполненного в виде гидрофобного газопроницаемого поддона, обеспечивающего барботирование хлора через щелочной раствор пероксида водорода [2]
К существенным недостаткам известных генераторов синглетного кислорода следует отнести необходимость рециркуляции щелочного раствора пероксида водорода с целью вывода из него шлака в виде хлорида щелочного металла и последующего восполнения израсходованных компонентов, а также необходимость подачи в генератор синглетного кислорода газообразного хлора, что приводит к значительным эксплуатационным затратам, дополняемым затратами по обеспечению достаточного уровня техники безопасности.

Кроме того, для обеспечения требуемого распределения газообразного хлора по рабочему объему генератора синглетного кислорода и соответствующего темпа его подачи, необходимо использование инертного в условиях применения газа, например аргона или азота, что еще больше увеличивает эксплуатационные расходы, связанные с утилизацией продуктов выхлопа лазера.

При разработке предлагаемого генератора синглетного кислорода решалась задача, связанная с исключением использования для генерации синглетного кислорода гетерогенной реакции хлорирования щелочного раствора пероксида водорода, а также исключением условий, приводящих к насыщению генерируемого потока синглетного кислорода парами веществ потенциальных тушителей компонентов активной среды лазера.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном генераторе синглетного кислорода, включающем корпус с нижним патрубком для ввода газообразного реагента и верхним патрубком для вывода готового продукта, газораспределитель, а также двухфазную систему реагентов, газораспределитель выполнен из дистиллированной воды в твердом состоянии (т.е. льда), со стороны входа и выхода в него погружены кислородные электроды для генерации супероксида O-2

и синглетного кислорода O₂(¹Δ_g) соответственно.

Механизм электрохимического восстановления кислорода, растворенного в дистиллированной воде в твердой фазе, до супероксида O-2

с последующим электрохимическим окислением его до синглетного кислорода O₂(¹Δ_g) можно представить следующими электродными полуреакциями:

При электрохимическом окислении происходит отрыв от супероксида O-2 слабосвязанного внешнего неспаренного электрона, после чего суммарный спин молекулы становится равным нулю, следовательно, молекула кислорода переходит в синглетное, т.е. возбужденное состояние.

Ближайшие возбужденные синглетные состояния ¹Δ_g и ¹Σ+g

молекулы кислорода лежат выше стабильного состояния ³Σ-g на 22 и 38 ккал соответственно, поэтому, если режим работы электрохимической системы будет соответствовать условию
22 ккал <E₁ + E₂ <38 ккал, то предлагаемое устройство будет генерировать синглетный кислород в состоянии ¹Δ_g.
Использование в предлагаемой электрохимической системе дистиллированной воды в твердом состоянии в качестве электролита позволяет эффективно решить проблему очистки генерируемого потока синглетного кислорода от насыщения парами веществ, являющихся потенциальными тушителями компонентов активной среды оптического резонатора лазера. Действительно, в данном случае из таких веществ в системе присутствует только вода, которая, однако, при переходе в твердое состояние практически сохраняет свои диэлектрические свойства, но повышает способность к насыщению кислородом и существенно понижает способность к парообразованию, при этом заметно облегчается выход синглетного кислорода в газовую фазу.

Технический результат изобретения выражается в снижении более, чем на порядок эксплуатационных расходов и в существенном повышении уровня техники безопасности и экологической чистоты при эксплуатации химического, йодно-кислородного лазера непрерывного действия и достигается (при реализации предлагаемой совокупности признаков) возможностью исключения использования жидкого реагента и газообразного хлора. При этом генерируемый поток синглетного кислорода O₂(¹Δ_g) практически не будет содержать макроскопических количеств паров веществ потенциальных тушителей компонентов активной среды лазера, если не считать незначительного количества паров воды.

Подобный результат не был достигнут ни одним из известных устройств, выявленных в процессе анализа современного уровня техники.

На чертеже представлена схема предлагаемого генератора синглетного кислорода.

Генератор содержит корпус 1 с расположенным в нижней его части патрубком ввода газообразного кислорода O₂ и с расположенным в верхней его части патрубком вывода синглетного кислорода O₂(¹Δ_g) Внутреннее пространство корпуса между патрубками заполнено газораспределителем 2, в который со стороны патрубка ввода погружен кислородный электрод-катод 3, а со стороны патрубка вывода погружен кислородный электрод-анод 4. Кислородные электроды выполнены в виде наборов проволочных сеток из электропроводящего материала с покрытиями, исключающими разрушение материала электродов при работе в режиме восстановления кислорода O₂ до супероксида O-2

( для катода) или в режиме окисления супероксида O-2 до синглетного кислорода O₂(¹Δ_g) (для анода).

Генератор синглетного кислорода работает следующим образом. Газообразный кислород O₂ через патрубок ввода корпуса 1 подводят к поверхности газораспределителя 2 и после абсорбции последним восстанавливают на катоде 3 до супероксида O-2

Супероксид O-2 под действием электрического поля перемещается по пустотам газораспределителя 2 (поляризованной вдоль электрических силовых линий дистиллированной воды в твердом состоянии) к аноду 4, где его окисляют до синглетного кислорода O₂(¹Δ_g) Синглетный кислород посредством концентрационной диффузии выходит в газовую среду патрубка вывода готового продукта.

Использование предлагаемого генератора синглетного кислорода позволит создать многоцелевой химический йодно-кислородный лазер непрерывного действия на данный момент в наиболее экономичном с точки зрения технологии изготовления, эксплуатации и обеспечения экологической чистоты исполнения.

Использование: преимущественно для многоцелевого химического иодно-кислородного лазера непрерывного действия. В генераторе синглетного кислорода, включающем корпус с нижним патрубком ввода газообразного реагента и верхним патрубком вывода готового продукта, газораспределитель, а также двухфазную систему реагентов, газораспределитель выполнен из дистиллированной воды в твердом состоянии, а со стороны входа и выхода в него погружены кислородные электроды для генерации супероксида O-2

и синглетного кислорода O₂(¹Δ_g) соответственно. 1 ил.

Генератор синглетного кислорода преимущественно для химического иодно-кислородного лазера непрерывного действия, включающий корпус с нижним патрубком ввода газообразного реагента и верхним патрубком вывода готового продукта, газораспределитель, а также двухфазную систему реагентов, отличающийся тем, что газораспределитель выполнен из дистиллированной воды в твердом состоянии и со стороны входа и выхода в него погружены кислородные электроды для генерации супероксида O-2

и синглетного кислорода O₂(¹Δ_g) соответственно.