Способ регенерации газовой среды эксимерного лазера и устройство для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК H01S3/225 

Изобретение относится к разделу квантовой электроники. Предлагаемое устройство может использоваться в медицине при проведении офтальмологических операций, в промышленности для тонкого травления материалов при создании электронных печатных плат, в научных исследованиях.

Известен эксимерный лазер на галогенидах инертных газов (SU 1720114А1, МПК H01S3/225, опубл. 15.03.1992), который в своем составе имеет разрядную камеру, соединенную с газовым резервуаром, систему вакуумирования и газовую систему с тремя трактами для заполнения газового резервуара компонентами рабочей смеси.

Предложенное устройство имеет несколько серьезных недостатков. Во-первых, существенным недостатком предложенной конструкции эксимерного лазера является обязательное наличие трех компонентов, обеспечивающих создание рабочей смеси - галогеноносителя, инертного и буферного газов. Такая конструкция является опасной для жизни и здоровья персонала и пациентов и требует обязательного соблюдения комплекса мер техники безопасности, поскольку возможны утечки компонентов рабочей смеси. Кроме того, использование галогеноносителя, инертного и буферного газов, имеющих высокую стоимость, повышает затраты на эксплуатацию такого лазера. Во-вторых, использование магнитного клапана для дозирования рабочей смеси может создавать помехи в работе высокоточной электронной медицинской аппаратуре.

Наиболее близкой к предлагаемому нами изобретению является система для регенерации газовой среды ксенон-хлоридного лазера (RU 2097890, МПК H01S3/225, опубл. 27.11.1997). Устройство состоит из газоразрядной камеры, камеры регенерации, содержащей хлорид элемента, взаимодействующий с примесями газовой смеси с образованием хлористого водорода, и средство для прокачки газовой среды.

Это изобретение также не лишено недостатков описанная система требует повышенного расхода дорогостоящих благородных газов и имеет низкие эксплуатационные характеристики из-за сложности протекающих химических реакций. Кроме того, недостатком системы является необходимость работы с большим объёмом чистых галогенов (газообразный HCl), поэтому всегда существует опасность отравления обслуживающего персонала в случае их утечки.

Технический результат, на который направлено предлагаемое изобретение, состоит в создании безопасного эксимерного лазера с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат достигается за счет того, что необходимо заменить источник хлористого водорода (баллон с газом HCl) на геттер.

Преимущества данного предложения заключаются в уменьшении риска для обслуживающего персонала и пациентов, а также в повышении экономичности использования смеси благородных газов. Геттер предлагается выполнять на основе щелочных и щелочно-земельных металлов (Ca, Ba, Mg, K, Na, Li) или их смеси, которые взаимодействуют с большинством продуктов распада газовой среды эксимерного лазера, а также со всеми компонентами атмосферного воздуха (кроме Ar): с N₂, O₂, CO₂ и Н₂О. Рабочий диапазон температур геттера лежит в пределах от 20 до 600°С, в зависимости от энергии активации используемого металла. Лучшим выбором будет натриевый геттер, т.к. натрий является и самым дешевым металлом из перечисленных выше, и самым распространенным из них.

Длина волны излучения эксимерных источников в спектральном диапазоне занимает промежуток от 126 нм до 558 нм, что позволяет сфокусировать их в пятно очень малого размера.

Отдельные узлы и детали лазерной установки представлены на Фигурах 1-4. На Фиг. 1 показан генератор HCl, на Фиг. 2 - генератор паров H₂SO₄, Фиг. 3 - геттер, на Фиг. 4 представлена принципиальная схема процессов, происходящих в активной среде предлагаемой лазерной установки.

Предлагаемое устройство эксимерного лазера состоит из генератора хлороводорода (HCl), который путём химической реакции производит HCl из компонентов, не несущих вред для человека и окружающей среды (Фиг. 1). Генератор представляет собой барабан (1), работающий по трем циклам, лопасти (2), отделяющие отсеки, отверстие (3), насосы для удаления полезных продуктов реакции (4), трубки-разъемы для подачи и обогащения HCl (5), отсек для установки геттера (6).

Получение хлороводорода (HCl) в генераторе состоит из трех циклов:

1 цикл заключается в рабочем ходе генератора - получение HCl

2 цикл заключается в реакции отработанной смеси с геттером из Na

3 цикл заключается в удалении через отверстие (3) нерастворимого Na₂SO₄.

Рабочий ход - пары H₂SO₄, подаваемые в нижний отсек, реагируют с находящимся в нем NaCl, получая на выходе газообразный HCl. Далее барабан 1проворачивается по часовой стрелке, вынося через отверстие 3 нерастворимый Na₂SO₄. Затем верхний отсек генератора заполняется NaCl, образовавшемся на геттере благодаря реакции газовой смеси с последним. Затем, цикл замыкается, т.е. барабан не движется до тех пор, пока в верхнем отсеке не наберется достаточное количество NaCl. В таком случае барабан проворачивается, отсек с NaCl оказывается внизу, где происходит реакция с парами H₂SO₄ и обогащение активной среды хлористым водородом. В результате, подав на вход пары H₂SO₄, заполнив камеру NaCl, на выходе мы получаем благородный газ Xe и газообразный HCl.

Генератор паров H₂SO₄ (Фиг.2) состоит из нагревателя (7) и регулятора температуры (8); отсека с H₂SO₄ (9); камерой испарения (10); выхода генератора (11).

Регулятор температуры (8) устанавливает температуру нагревателя (7) от 20° до 200°С. Таким образом, изменяется концентрация выделяемых паров H₂SO₄, следовательно, и концентрация HCl. Давление паров серной кислоты зависит от температуры и возрастает до 1 атм., при достижении температуры до 200°С.

Геттер (Фиг. 3) предлагается выполнить из Na, самого дешевого щелочно-земельного металла из возможных. Можно также использовать для изготовления геттера сплав натрия с алюминием или свинцом. Гетер состоит из трубки подачи отработанной газовой смеси (12); УЗ-генератора (13) и сетки (14) (диаметр проволоки 0,12 мм, размер ячейки 150 мкм), выполненной из Na. Димеры газовой смеси в обычном состоянии не образуют химических соединений, но примерно 10% остаются в соединенном состоянии. Такая смесь (Xe, XeCl, H₂, Cl₂) сортируется, при этом H₂ и Cl₂ образуют две молекулы HCl, которые вместе с тремя молекулами Xe удаляются обратно в активную среду через соединительный шланг, а XeCl реагирует с Na-геттером, в результате чего получается две молекулы NaCl и две молекулы Xe. УЗ-генератор (13), нужный для очистки геттера от продуктов реакции (NaCl), включается в такт насосу.

Система прокачки отработавшей газовой смеси представляет собой совокупность соединительных шлангов и насосов. Насос выкачивает смесь из активной среды лазера на геттер через трубку (12); насосы (4) через трубку (5) наполняют активную среду Xe и HCl.

При этом система получается полностью замкнутой. Начиная со второго цикла откачки из активной среды, генератор паров H₂SO₄ нужен лишь для обогащения последней хлористым водородом, который уже будет находиться в системе после первого цикла. До момента следующей реакции, которая наступит тогда, когда верхний отсек заполнится хлористым натрием, генератор паров H₂SO₄ отключается.

На фиг. 4 показана принципиальная схема процессов, происходящих в активной среде предлагаемой лазерной установки.

Принцип работы предлагаемой лазерной установки заключается в следующем. В цепь по току газа (15) следует включить генератор газообразного HCl (16), который добавляют в смесь благородных газов (Ne:Ar, He: Xe, Ne:Kr и некоторых др.).

Газовая смесь (17) попадает в геттер (18), где происходит удаление примесей в результате химических реакций. Устройство управления генератором HCl (19) поддерживает требуемую в данный момент времени концентрацию HCl в лазерной смеси. Изменяя температуру нагревателя в диапазоне от 20 до 200°С можно контролировать количество и скорость выработки HCl. В предлагаемом генераторе HCl с двухкамерным объемом осуществляется, нагрев только одного химического компонента - серной кислоты, которая заполняет нижнюю камеру.

Таким образом, предлагаемый нами способ регенерации газовой среды эксимерного лазера и устройство для его осуществления

1) является более экономичной по сравнению с существующими моделями, т.к. не требует постоянного пополнения H₂SO₄ и NaCl;

2) обеспечивает должную безопасность для персонала, обслуживающего установку, и для пациентов в случае использования лазера в медицине;

3) экологическая чистота установки обеспечивает безопасность для окружающей среды;

4) расход реагентов по сравнению с использованием баллона с готовым HCl снижается в 4-5 раз.

Изобретение относится к разделу квантовой электроники, а именно к способам и устройствам восстановления активной среды эксимерного лазера. Способ и устройство регенерации газовой среды эксимерного лазера заключается в том, что подают через трубку отработавшую газовую смесь из среды лазера на геттер для обеспечения реакции отработавшей смеси с геттером из Na, заполняют верхний отсек генератора образовавшимся NaCl и подают образовавшийся чистый благородный газ в активную среду лазера, перемещают отсек с NaCl в нижнее положение поворотом барабана генератора для его взаимодействия с парами H₂SO₄, подают получившийся HCl в активную среду лазера и выбрасывают через отверстие Na₂SO₄ при повороте барабана. Технический результат – повышение безопасности. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ регенерации газовой среды эксимерного лазера, включающий: подачу через трубку отработавшей газовой смеси из среды лазера на геттер для обеспечения реакции отработавшей смеси газов с геттером из Na, заполнение верхнего отсека генератора образовавшимся NaCl и подачу образовавшегося чистого благородного газа в активную среду лазера, перемещение отсека с NaCl в нижнее положение поворотом барабана генератора для его взаимодействия с парами H₂SO₄, подачу получившегося HCl в активную среду лазера и выброс через отверстие Na₂SO₄ при повороте барабана.

2. Устройство для регенерации газовой среды эксимерного лазера, включающее генератор хлороводорода, геттер и систему прокачки отработавшей смеси, отличающееся тем, что генератор хлороводорода представляет собой барабан, работающий по трем циклам, лопасти, отделяющие отсеки, отверстие, насосы для удаления полезных продуктов реакции, трубки-разъемы для подачи и обогащения HCl и отсек для установки геттера, геттер выполнен из Na, а система прокачки отработавшей газовой смеси представляет собой совокупность соединительных шлангов и насосов, выполненная с возможностью выкачивать смесь из активной среды лазера на геттер и наполнять активную среду благородным газом и HCl, тем самым замыкая процесс регенерации.