ГЕНЕРАТОР СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА НА ОСНОВЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА В ПОТОКЕ ГАЗА Российский патент 2009 года по МПК H01S3/95 

Изобретение преимущественно относится к области квантовой электроники, связанной с созданием кислородно-йодного лазера, а также может использоваться в различных областях науки и техники, например в плазмохимии и биологии.

Известны различные способы, применяемые для создания инверсии населенностей уровней в атомарном йоде [1]. К основным методам можно отнести оптическую накачку, накачку электронным ударом в разряде и химическую накачку. В качестве аналога можно указать химический кислородно-йодный лазер [1], составной частью которого является генератор синглетного кислорода O₂ (a¹Δ_g). Для получения синглетного кислорода газообразный хлор пробулькивают через щелочной (NaOH) раствор Н₂O₂ [1]. Синглетный кислород - это метастабильная электронно-возбужденная молекула кислорода O₂ (a¹Δ_g), имеющая радиационное время жизни t≈4500 с, а также низкие скорости нерезонансной дезактивации. Эта особенность синглетного кислорода позволяет сохранять длительное время неравновесный энергозапас в среде, содержащей синглетный кислород. Наиболее ярким примером такого использования является кислородно-йодный лазер (КИЛ), принципом действия которого является резонансная передача энергии возбуждения от молекул синглетного кислорода на атомы йода. Наиболее близким техническим решением является генератор возбужденного (синглетного) кислорода [2], содержащий разрядную трубку, состоящую из полого катода и изолированного анода, подключенных к источнику высокочастотной энергии и образующих газоразрядный промежуток, систему прокачки газообразного кислорода через газоразрядный промежуток, инжектор подачи газообразной окиси азота в газоразрядный промежуток.

Высокочастотный разряд - один из наиболее эффективных способов возбуждения синглетного кислорода в потоке газа. Прогресс в использовании электроразрядного возбуждения синглетного кислорода для применений в КИЛ связан в первую очередь с возможностью увеличения давления активной среды. При использовании высокочастотного разряда удается вложить необходимую энергию при давлении газа вплоть до нескольких десятков торр. Однако, как видно, получению необходимой концентрации синглетного кислорода препятствует тушение синглетного кислорода образующимися в разряде атомами кислорода. При таких давлениях основным процессом, определяющим гибель атомов, является их гетерогенная рекомбинация на стенках разрядной трубки.

В предлагаемом генераторе синглетного кислорода на основе высокочастотного разряда в потоке газа, содержащем разрядную трубку, источник высокочастотной энергии, подключенный к изолированным друг от друга аноду и катоду, расположенным вокруг разрядной трубки и образующим газоразрядный промежуток, систему прокачки газообразного кислорода через газоразрядный промежуток, задачей удаления атомов кислорода из возбуждаемого газа является каталитическая гетерогенная рекомбинация атомов кислорода на стенках разрядной трубки, которые покрыты окисью ртути.

Наиболее эффективно синглетный кислород образуется в α-моде разряда, когда разряд горит однородно при нормальной плотности тока. Наблюдалось насыщение концентрации синглетного кислорода при увеличении давления и удельного энерговклада. Причиной насыщения синглетного кислорода с ростом давления является быстрое тушение синглетного кислорода в процессе:

O³(Р)+O₂(a¹Δ_g)+O₂→2O₂+O(³P).

С увеличением энерговклада изменялся режим горения разряда и энергетическая эффективность падает из-за больших потерь в приэлектродных слоях. Синглетный кислород достигает стенок трубки за счет диффузии. Поэтому для того чтобы эффективно удалять атомарный кислород при давлении газа в несколько десятков торр, диаметр трубки необходимо уменьшить до нескольких миллиметров. Это в свою очередь требует увеличения частоты возбуждающего поля, т.к. при низкой частоте 13 МГц и режиме работы в α-моде горения разряда размер приэлектродных слоев становится сравним с радиусом трубки. Поэтому в предлагаемом генераторе синглетного кислорода используется ВЧ-генератор, работающий на частоте 160 МГц. Это позволяет эффективно возбуждать газ при давлении ~30 Торр в трубке диаметром ~7 мм, оставаясь при этом в α-моде горения разряда. В то же время в трубке диаметром 7 мм происходит быстрая рекомбинация атомов кислорода на стенках трубки, покрытых окисью ртути. Все это позволяет при достаточно высоком уровне энерговклада в газ порядка 400 Дж/ммоль получить долю синглетного кислорода на уровне 10-15% от исходной концентрации кислорода в газе с сохранением величины энергетической эффективности на уровне 4-6%.

На чертеже изображена схема генератора синглетного кислорода, содержащая разрядную трубку, через которую прокачивается кислород 1, внешние электроды 2 подсоединены через согласующее устройство 3 к ВЧ (высокочастотному) генератору 4. Внутренние стенки трубки в зоне разряда покрыты окисью ртути 5, на выходе трубки - синглетный кислород 6.

Устройство работает следующим образом.

Через разрядную трубку прокачивается поток кислорода 1. Внешние электроды 2 охлаждаются водой. Разрядная трубка выполнена длиной 10 см и диаметром от 7 до 10 мм. ВЧ-генератор 4, работающий на частоте 160 МГц, через согласующее устройство подключен к внешним электродам 2. Скорость протока кислорода составляла несколько метров в секунду. Величина концентрации синглетного кислорода 6 определялась радиометром.

Источники информации

1. Г.Бредерлов и др. «Мощный йодный лазер». Москва, Энергоатомиздат, 1965 г., стр.30-32.

2. Заявка на изобретение РФ №2002131258, 2002 г. Федеральный институт промышленной собственности. Российские патенты.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано, например, в физике низкотемпературной плазмы и биологии. Генератор синглетного кислорода на основе высокочастотного разряда в потоке газа для йодного лазера содержит разрядную трубку, источник высокочастотной энергии, подключенный к изолированным друг от друга аноду и катоду, расположенным вокруг разрядной трубки и образующим газоразрядный промежуток, систему прокачки газообразного кислорода через газоразрядный промежуток, в котором с целью повышения выхода синглетного кислорода за счет увеличения давления газовой среды и удаления атомарного кислорода диаметр разрядной трубки равен 7-10 мм, внутренняя поверхность разрядной трубки покрыта слоем окиси ртути, а частота источника ВЧ-энергии составляет 160 МГц. Генератор позволяет получить долю синглетного кислорода на уровне 10-15% от исходной концентрации кислорода в газе с сохранением величины энергетической эффективности на уровне 4-6%. 1 ил.

Генератор синглетного кислорода на основе высокочастотного разряда в потоке газа для йодного лазера, содержащий разрядную трубку, источник высокочастотной энергии, подключенный к изолированным друг от друга аноду и катоду, расположенным вокруг разрядной трубки и образующим газоразрядный промежуток, систему прокачки газообразного кислорода через газоразрядный промежуток, отличающийся тем, что диаметр разрядной трубки равен 7-10 мм, внутренняя поверхность разрядной трубки покрыта слоем окиси ртути, а частота источника ВЧ энергии составляет 160 МГц.