ХИМИЧЕСКИЙ КИСЛОРОДНО-ЙОДНЫЙ ЛАЗЕР С БУФЕРНЫМ ГАЗОМ Российский патент 2010 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке технологических химических кислородно-йодных лазеров и лазеров специального назначения.

Известна и в настоящее время широко распространена установка химический кислородно-йодный лазер (Загидуллин М.В., Николаев В.Д., Свистун М.И., Хватов Н.А. Сверхзвуковой кислородно-йодный лазер мощностью 1,4 кВт с длиной усиления 5 см и разбавлением активной среды азотом. Квантовая электроника, 2000, т.30, №2, с.161-166). Химический кислородно-йодный лазер действует на спин орбитальном переходе атомарного йода с длиной волны излучения 1,315 мкм. Лазерный переход инвертируется в ходе передачи электронной энергии от синглетного кислорода . Синглетный кислород нарабатывается в химической реакции хлорирования щелочного раствора перекиси водорода в газожидкостном генераторе 1 (Фиг.1). На выходе генератора 1 газовый поток содержит кислород и неутилизированный хлор. Атомарный йод нарабатывается в ходе диссоциации молекулярного йода в газовом потоке, содержащем синглетный кислород. Пары молекулярного йода захватываются буферным газом, прокачиваемым через парогенератор йода 2, и подаются в узел смешения газов 3. В качестве буферного газа используют, в частности, газообразный азот. На выходе из смесительного узла 3 в газовом потоке содержатся в основном азот, кислород, йод и остаточный хлор. В резонаторе 4 запасенная в синглетном кислороде энергия преобразуется в лазерное излучение. Для удаления токсичных компонент хлора и йода газовый поток прокачивается через криогенную ловушку 5, где токсичные компоненты вымораживаются на стенках ловушки. Прошедшие через ловушку азот и кислород выбрасываются в атмосферу вакуумным насосом 6. Оптимальные выходные характеристики достигаются при двукратном и более разбавлении кислорода азотом.

Также известна установка химический кислородно-йодный лазер (Yang Т.Т., Bhowmik A., Burde D., Clark R., Carroll S., Dickerson R.A., Eblen J., Gylys T., Hsia Y.C., Humphreys-JR R., Moon L., Hurlock S.C., Tomassian A., Proceedings of SPIE, 2002, Vol.4760, p.537-549), в которой также используется в качестве буферного газа азот с пятикратной разбавкой по буферному газу.

Данное техническое решение по технической сущности является наиболее близким к заявляемому изобретению и выбрано в качестве прототипа. Отличительными особенностями химического кислородно-йодного лазера являются относительно низкое давление активной среды, не превышающее 10 мм рт.ст., и сверхзвуковые скорости прокачки газового потока. В связи с этим общий к.п.д. системы определяется в основном затратами энергии на выхлоп отработанных газов в атмосферу. Стоимость расходуемого буферного газа также приводит к удорожанию лазерной установки химического кислородно-йодного лазера.

Задачей изобретения является уменьшение массогабаритных и стоимостных характеристик химического кислородно-йодного лазера за счет замены буферного газа азота на значительно более дешевый углекислый газ, а также за счет упрощения и удешевления системы прокачки газов по тракту лазера.

Это достигается тем, что в химическом кислородно-йодный лазере, содержащем последовательно соединенные газопроводами генератор 1 (фиг.2) синглетного кислорода, систему подготовки и подачи паров йода 2 с несущим их буферным газом, узел смешения газов 3, лазерную кювету 4 с оптическим резонатором, криогенную ловушку 5 и вакуумный насос 7, в нем в качестве буферного газа используется углекислый газ.

Кроме того, химический кислородно-йодный лазер содержит последовательно включенные криогенную ловушку 5 для вымораживания углекислого газа, йода и хлора и систему прокачки газа по тракту лазера.

Более того, химический кислородно-йодный лазер содержит криогенный насос в системе прокачки газов.

А также, химический кислородно-йодный лазер содержит, по крайней мере, две параллельно включенные криогенные ловушки 5 и 6.

К тому же, криогенные ловушки соединены трактом с узлом подготовки и подачи паров йода с несущим их буферным газом для повторного использования углекислого газа.

И, наконец, в химическом кислородно-йодном лазере щелочной раствор перекиси водорода из генератора синглетного кислорода подается по трубопроводу к теплообменникам, установленным в криогенных ловушках для охлаждения рабочего раствора.

Заявляемое изобретение соответствует критерию охраноспособности «изобретательский уровень». Это обосновано тем, что вместо традиционно используемого азота в качестве буферного газа в заявляемом изобретении используется более дешевый углекислый газ. Ранее ошибочно предполагалось, что использование углекислого газа будет приводить к замедлению скорости диссоциации йода и, как следствие этого, к ухудшению выходных характеристик лазера. Дело в том, что молекула СО₂ является хорошим тушителем для электронно-возбужденного кислорода O₂(b^l∑), который, как полагали, вызывает диссоциацию йода. Однако в работе (Azyazov V.N., Heaven М.С. Role of O₂(b) and I₂(A',A) in chemical oxygen-iodine laser dissociation process., AIAA Journal, 2006, vol.44, p.1593-1600) показано, что О₂(b₁∑) играет незначительную роль в диссоциации молекулярного йода.

Другим важным преимуществом заявляемого изобретения при использовании углекислого газа является то, что оно позволяет упростить систему прокачки газов по тракту лазера. Углекислый газ легко улавливается криогенной ловушкой. При двукратном и более разбавлении кислорода углекислым газом криогенная ловушка работает как дополнительный насос, увеличивая производительность системы прокачки газов. Таким образом, криогенная ловушка выполняет две функции: улавливание токсичных компонент и прокачку газов по тракту лазера. При этом углекислый газ не выбрасывается в атмосферу и может быть использован повторно в лазере.

На фиг.1 схематично изображена принципиальная схема химический кислородно-йодный лазер с буферным газом по прототипу.

На фиг.2 изображена принципиальная схема заявляемого химического кислородно-йодного лазера с буферным газом и с системой откачки газов на основе криогенной ловушки и криогенного насоса.

Использование углекислого газа в химическом кислородно-йодном лазере позволяет применение в предлагаемом устройстве криогенного насоса. Высоко расходный буферный газ (углекислый газ) улавливается в криогенных ловушках 5 и 6, которые работают попеременно. Основная масса газа задерживается в криогенных ловушках. Производительность прокачки газов в схеме, как показано на фиг.2, по сравнению с прототипом в G_CO2/G_O2 раз выше, где G_CO2 и G_O2 расходы углекислого газа и кислорода соответственно. При прочих равных условиях производительность системы прокачки газов в заявляемом устройстве будет, по крайней мере, в два раза выше, чем в прототипе. Криогенная ловушка не способна абсорбировать эффективно кислород. На его выходе газовый поток содержит только кислород. Использование в химическом кислородно-йодном лазере криогенной ловушки и углекислого газа в качестве буферного газа дает дополнительные преимущества для использования криогенного насоса на последнем этапе системы прокачки газов. Поглотительная способность криогенной ловушки прямо пропорциональна давлению кислорода на его входе. Давление кислорода на выходе криогенной ловушки в G_CO2/G_O2 раз выше, нежели в зоне резонатора. Кроме того, газ, проходя через криогенную ловушку, охлаждается, что повышает как эффективность поглощения криогенного насоса, так и скорость прокачки газа по тракту из-за увеличившейся плотности газа. Емкость поглотителя в криогенном насосе используется для абсорбции только одного газа - кислорода, если в качестве буферного газа используется углекислый газ. В качестве насоса 7 могут быть использованы устройства различных типов, в том числе и криогенный. Использование углекислого газа позволяет упростить систему прокачки газов. Особенно это важно в автономных химических кислородно-йодных лазерах, монтируемых на мобильных установках и транспортных средствах.

В заявляемом устройстве предложено решение, позволяющее повторно использовать углекислый газ и производить охлаждение рабочего раствора (щелочной раствор перекиси водорода). Криогенные ловушки 5 и 6 работают попеременно. На фиг.2 показан пример подключения к тракту нижней ловушки 6. Верхняя ловушка перекрыта, а ее охлаждение не производится. Через теплообменник, установленный в ловушке, пропускается щелочной раствор перекиси водорода, который по трубопроводу транспортируется к ловушке (на фиг.2 не показан). Охлажденный таким образом раствор подается обратно в генератор синглетного кислорода 1. Поступающий теплый раствор нагревает ловушку, что приводит к испарению углекислого газа, который по газопроводу поступает в парогенератор йода для повторного его использования.

Заявляемое устройство значительно упрощает систему прокачки газа по тракту лазера, уменьшая ее весогабаритные и стоимостные характеристики. Заодно решается экологический вопрос о нейтрализации остаточного хлора и паров йода, которые поглощаются в криогенной ловушке.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке технологических химических кислородно-йодных лазеров и лазеров специального назначения. Техническим результатом изобретения является уменьшение массогабаритных и стоимостных характеристик химического кислородно-йодного лазера за счет замены буферного газа азота на значительно более дешевый углекислый газ, а также за счет упрощения и удешевления системы прокачки газов по тракту лазера. Химический кислородно-йодный лазер содержит последовательно соединенные газопроводами генератор синглетного кислорода, систему подготовки и подачи паров йода с несущим их буферным газом, узел смешения газов, лазерную кювету с оптическим резонатором, криогенную ловушку и вакуумный насос. В лазере в качестве буферного газа используется углекислый газ. Химический кислородно-йодный лазер дополнительно содержит еще одну криогенную ловушку для вымораживания углекислого газа, йода и хлора и криогенный насос. Криогенные ловушки соединены трактом с узлом подготовки и подачи паров йода с несущим их буферным газом для повторного использования углекислого газа. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Химический лазер, содержащий последовательно соединенные газопроводами генератор синглетного кислорода, систему подготовки и подачи паров йода с несущим их буферным газом, узел смешения газов, лазерную кювету с оптическим резонатором и систему выхлопа отработанных газов в атмосферу, отличающийся тем, что в качестве буферного газа используется углекислый газ.

2. Химический лазер по п.1, отличающийся тем, что он содержит последовательно включенные криогенную ловушку для вымораживания углекислого газа, йода и хлора и криогенный насос для абсорбции кислорода.

3. Химический лазер по п.2, отличающийся тем, что он содержит, по крайней мере, еще одну криогенную ловушку, причем криогенные ловушки включены в схему лазера параллельно по отношению друг к другу.

4. Химический лазер по п.3, отличающийся тем, что криогенные ловушки соединены с узлом подготовки и подачи паров йода с несущим их буферным газом для повторного использования газа.

5. Химический лазер по п.3 или 4, отличающийся тем, что щелочной раствор перекиси водорода из генератора синглетного кислорода подается по трубопроводу к теплообменникам, установленным в криогенных ловушках, для охлаждения рабочего раствора.