СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ КСЕНОН-ХЛОРИДНОГО ЛАЗЕРА И СИСТЕМА ДЛЯ ЕЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/225 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для поддержания выходной мощности и увеличения ресурса работы ксенон-хлоридного лазера путем химической регенерации его газовой среды.

Известен способ регенерации газовой среды эксимерного ксенон-хлоридного лазера, основанный на ее очистке от примесей вымораживанием, путем прокачки газовой среды через ловушку с жидким азотом с последующим введением извне необходимых количеств основного компонента среды-хлористого водорода (патент США N 4977749, кл. F 25 B 19/00).

Общим признаком для известного и предлагаемого способов является наличие операции по очистке газовой среды лазера от примесей.

Известный способ сложен в реализации из-за необходимости использования криогенной аппаратуры требует перерыва в работе лазера на время очистки, при этом вместе с примесями удаляется и нужный для работы лазера хлористый водород, что вызывает необходимость последующего его введения в газовую среду, а следовательно, удлиняет и усложняет способ.

Известен также способ регенерации газовой среды ксенон-хлоридного лазера, при котором часть содержащихся в ней примесей вымораживают, а остальные удаляют путем взаимодействия с аскаритом и продукты этих реакций адсорбируют молекулярными ситами (Kutschke K.O. Hackett P.A. Willes C. Rare gas recovery systems for rare gas halide lasers, "Rev. Sci. Instrum.", 1981, v. 52, N 11, p. 1655 1656).

Общим признаком известного и предлагаемого способов является наличие операции прокачки газовой среды лазера для взаимодействия с химическими реагентами.

Однако известный способ сложен в реализации из-за использования криогенной аппаратуры, характеризуется многостадийностью и длительностью процесса очистки, требует перерыва в работе лазера. Кроме того при очистке вместе с примесями удаляется один из основных компонентов газовой смеси - хлористый водород, а газовая смесь при этом загрязняется парами воды, от которых ее приходится очищать дополнительно используя молекулярные сита.

Наиболее близким к изобретению является способ регенерации газовой среды эксимерного ксенон-хлоридного лазера, заключающийся в непрерывной прокачке газовой среды через нагреваемую камеру-регенератор содержащую по крайней мере один хлорид металла, который химически менее устойчив чем хлористый водород (патент США N 4661963, кл. H 01 S 3/223).

В качестве хлорида металла используют хлорид молибдена, рения, вольфрама, помещая его таким образом, чтобы газовая среда из газоразрядной камеры прокачивалась в тесном контакте с ним, например, в виде порошка; смешанного с кварцевым волокном. Процесс регенерации осуществляют при нагревании в интервале температур между температурой конденсации хлористого водорода и температурой диссоциации используемого хлорида, при этом образующийся в процессе работы лазера водород взаимодействует в камере регенерации с хлоридом элемента с образованием хлористого водорода.

Способ по патенту США N 4661963 выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения, поскольку оба они основаны на взаимодействии газовой среды ксенон-хлоридного лазера с хлоридом элемента, образующим с примесями газовой среды хлористый водород.

Однако известный способ не позволяет достичь требуемой эффективности регенерации, так как не обеспечивает очистку газовой среды от мешающих примесей и, кроме того, требует энергетических затрат, так как процесс регенерации проводят при нагревании.

Известна система очистки газовой среды эксимерного ксенон-хлоридного лазера, содержащая сосуд Дьюара с жидким азотом в качестве ловушки для вымораживания примесей, средства для прокачки газовой среды из газоразрядной камеры через эту ловушку, а также средства контроля за давлением азота и температурой в сосуде Дьюара (патент США N 4977749, кл. 5 F 25 B 19/00).

Общим признаком с предлагаемым изобретением является наличие средства для прокачки газовой среды. Известная система не обеспечивает требуемой эффективности регенерации, так как не позволяет удалить все мешающие примеси, требует перерыва в работе лазера, дополнительного введения компонентов в газовую среду, кроме того система сложна и громоздка из-за использования криогенного оборудования.

Наиболее близкой к предлагаемой системе регенерации газовой среды ксенон-хлоридного лазера является система по патенту США N 4661963, указанному выше.

Система включает газоразрядную камеру, содержащую газы, включая хлористый водород и ксенон, камеру регенерации, содержащую по крайней мере один хлорид металла химически менее стойкий чем хлористый водород, средство для принудительной циркуляции газов через вышеуказанные камеры и соединительные газопроводные трубки между ними, а также нагреватель для камеры регенерации. Хлорид металла должен быть помещен в камеру регенерации таким образом, чтобы обеспечивался тесный контакт газов с ним.

Общими существенными признаками этой известной системы с предлагаемой являются газоразрядная камера, камера регенерации, содержащая по крайней мере один хлорид элемента и средство для прокачки газовой среды через указанные камеры.

Известная система не позволяет достичь требуемого технического результата, так как не обеспечивает очистки газовой среды от примесей и содержит в качестве необходимого элемента высокотемпературный нагреватель для камеры регенерации.

Задачей группы изобретений является улучшение эксплуатационных характеристик ксенон-хлоридного лазера, в частности поддержание на исходном уровне выходной мощности (энергии генерации), путем химической регенерации при комнатной температуре газовой среды газоразрядной камеры лазера без перерыва в его работе, с увеличением ресурса непрерывной работы лазера на одной порции газовой смеси.

Технический результат при осуществлении предлагаемого способа регенерации газовой среды заключается в повышении эффективности и упрощении способа за счет обеспечения наряду с восстановлением необходимой концентрации хлористого водорода также и очистки газовой среды от различных примесей, при исключении необходимости нагревания камеры регенерации. Это позволяет поддерживать выходную мощность лазера на исходном уровне без перерыва в его работе, увеличить ресурс непрерывной работы лазера на одной порции газовой смеси в 10 50 и более раз и довести число импульсов до 30 м.

Технический результат достигается тем, что в способе регенерации газовой среды ксенон-хлоридного лазера путем взаимодействия газовой среды лазера с хлоридом элемента, реагирующим с примесями газовой среды с образованием хлористого водорода, согласно изобретению газовую среду предварительно подвергают взаимодействию с гидроксидом металла, а в качестве хлорида используют хлорид элемента легко гидролизующийся под воздействием паров воды с образованием хлористого водорода.

Технический результат при реализации предлагаемой системы регенерации газовой среды лазера заключается в повышении эффективности регенерации путем обеспечения восстановления требуемой концентрации хлористого водорода с одновременной очисткой от примесей, а также в упрощении конструкции системы за счет исключения высокотемпературных нагревательных элементов.

Технический результат достигается тем, что в системе для регенерации газовой среды ксенон-хлоридного лазера включающей газоразрядную камеру, камеру регенерации, содержащую по крайней мере один хлорид элемента взаимодействующий с примесями газовой среды с образованием хлористого водорода и средство для прокачки газовой среды через указанные камеры, согласно изобретению, камера регенерации снабжена газопроницаемой перегородкой из инертного материала, разделяющей камеру на входную и выходную по ходу газовой среды части, при этом входная часть содержит гидроксид металла, а выходная-хлорид элемента легко гидролизующийся под действием паров воды с образованием хлористого водорода.

Сущность предлагаемых изобретений поясняется графическими материалами и нижеследующим описанием работы ксенон-хлоридного лазера с системой для регенерации его газовой среды.

На фиг. 1 приведена схема системы для регенерации газовой среды лазера; на фиг. 2 график зависимости энергии генерации W ксенон-хлоридного лазера от времени его работы при циклическом режиме регенерации.

Система, реализующая предлагаемый способ регенерации газовой среды лазера (фиг. 1), содержит ксенон-хлоридный лазер, соединенный трубопроводами 2 с циркуляционным насосом 3 и камерой регенерации 4 выполненной из нержавеющей стали. Камера 4 разделена на входную 5 и выходную 6 по ходу газовой среды части перегородкой 7, представляющей в частном случае прокладку из стеклоткани. Такие же прокладки целесообразно разместить на входе и выходе камеры 4. Входная часть камеры заполнена гидроксидом металла, например гидроксидом натрия взятом в виде гранул. Выходная часть 6 заполнена хлоридом элемента. В качестве хлорида легко гидролизующегося под действием паров воды можно использовать один из хлоридов элементов группы Al, P, Bi, No, W или Sb. Камера должна быть заполнена указанными реагентами таким образом, чтобы обеспечивался максимальный контакт с газовой средой.

Способ реализуется следующим образом.

Газовая среда ксенон-хлоридного лазера содержит гелий (98,9 об.), ксенон (1,0 об. ) и хлористый водород (0,1 об.). Общее давление 3 атм. При работе лазера примеси, содержащиеся в исходной смеси газов (кислород, азот, пары воды, пары органических веществ), реагируют с хлористым водородом, материалами лазерной камеры и электродов и между собой, с образованием накапливающихся примесей диоксида углерода, оксидов азота, хлора, воды, отрицательно влияющих на выходные характеристики лазера, в частности на энергию генерации. Кроме того, уменьшается концентрация хлористого водорода за счет реакций с примесями и материалами лазерной камеры, поэтому необходимо очищать газовую среду от накапливающихся примесей и восстанавливать требуемую концентрацию хлористого водорода. Для этого газовую среду лазера 1 непрерывно или периодически прокачивают с помощью насоса 3 через камеру регенерации 4. Сначала газовая среда проходит через входную часть камеры, заполненную, например, гидроксидом натрия 5. Взаимодействие примесей и хлористого водорода с гидроксидом натрия может быть представлено следующими химическими реакциями:
HCl_(г) + NaOH_(тв) NaCl_(тв) + H₂O_(г) (1)
CO_2(г) + 2NaOH_(тв) Na₂CO_3(тв) + H₂O_(г) (1)
2NO_2(г) + 2NaOH_(тв) NaNO_2(тв) + NaNO_3(тв) + H₂O_(г) (3)
Cl_2(г) + 2NaOH_(тв) NaCl_(тв) + NaOCl_(тв) + H₂O_(г) (4)
H_2(г) + NaOCl_(тв) NaCl_(тв) + H₂O_(г) (5)
Одним из продуктов всех вышеприведенных реакций является вода, которая потоком газовой среды переносится в выходную часть камеры 6 заполненную хлоридом элемента, легко гидролизующегося под действием паров воды, и активно реагирует с ним с выделением хлористого водорода по реакции
nH₂O_(г) + 2ЭCl_n(тв) 2ЭO_n/2(тв) + 2nHCl_(г) (6)
где
Э Al, P, Sb, Mo, W, Bi
n 2, 3, 4, 5, 6.

Таким образом, каждая молекула хлористого водорода во входящем потоке газовой среды, а также каждая молекула примесей дают в конечном счете в процессе регенерации две молекулы хлористого водорода, кроме диоксида азота, который дает одну молекулу. В результате прохождения реакций (1)-(6) газовая среда очищается от примесей и воды и одновременно обогащается хлористым водородом, т. е. в процессе регенерации содержание хлористого водорода можно увеличить до необходимого уровня. Эти реакции (1)-(6) проходят при комнатной температуре.

На фиг. 2 в качестве примера реализации предлагаемого способа, в варианте циклической регенерации, представлена зависимость энергии генерации ксенон-хлоридного лазера от времени его работы. После трех с половиной часов работы лазера энергия генерации снизилась до 50% от первоначальной Wo (кривая ab, фиг. 2), после чего был включен циркуляционный насос 3 и газовая среда стала прокачиваться через камеру регенерации 4 (без выключения лазера). За период t₁ t₂ энергия генерации увеличилась до первоначального уровня (кривая bc), при этом через камеру регенерации прошло 50% газовой среды. Затем после выключения циркуляционного насоса лазер проработал еще три с половиной часа до снижения энергии на 50% и вновь была включена регенерационная камера. Энергия генерации восстановилась до первоначального уровня. На пятьдесят циклов регенерации достаточно 15 г гидроксида металла и хлорида элемента. При этом ресурс непрерывной работы лазера без замены газовой среды увеличивается до 30 миллионов импульсов.

Таким образом, предлагаемые способ и системы обеспечивают эффективную, быструю регенерацию газовой среды ксенон-хлоридного лазера при комнатной температуре без перерыва в его работе, с использованием небольшого количества двух недорогих реагентов и без замены газовой среды.

Использование: лазерная техника. Сущность изобретения: в ксенон-хлоридном лазере осуществляют регенерацию газовой среды путем взаимодействия газовой среды с гидроксидом металла, затем с хлоридом элемента, легко гидролизующемся под действием паров воды с образованием хлористого водорода, затем осуществляют регенерацию циклически или непрерывно прокачивая насосом газовую среду из газоразрядной камеры лазера через камеру регенерации, разделяющей ее на входную и выходную по ходу газовой среды части, при этом входная часть содержит гидроксид металла, а выходная - вышеуказанный хлорид элемента. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ регенерации газовой среды ксенон-хлоридного лазера путем взаимодействия газовой среды с хлоридом элемента, образующим с примесями газовой среды хлористый водород, отличающийся тем, что газовую среду предварительно подвергают взаимодействию с гидроксидом металла, а в качестве хлорида используют хлорид элемента, легко гидролизующийся под воздействием паров воды с образованием хлористого водорода. 2. Система для регенерации газовой среды ксенон-хлоридного лазера, включающая газоразрядную камеру, камеру регенерации, содержащую по крайней мере один хлорид элемента, взаимодействующий с примесями газовой смеси с образованием хлористого водорода, и средство для прокачки газовой среды через указанные камеры, отличающаяся тем, что камера регенерации снабжена газопроницаемой перегородкой из инертного материала, разделяющего камеру на входную и выходную по ходу газовой среды части, при этом входная часть содержит гидроксид металла, а выходная хлорид элемента, гидролизующийся под действием паров воды с образованием хлористого водорода.