Генератор синглетного кислорода на основе высокочастотного разряда в потоке газа

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.

 

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 (a1Δg). Для получения синглетного кислорода газообразный хлор пробулькивают через щелочной (NaOH) раствор Н2O2 [1]. Синглетный кислород - это метастабильная электронно-возбужденная молекула кислорода O2 (a1Δg), 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(a1Δg)+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.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании источников когерентного излучения на переходах состояний атомов йода и, дополнительно, молекул окиси углерода.

Изобретение относится к генераторам синглетного кислорода и может быть использовано в химических кислород-йодных лазерах, а также в технологических установках по дезинфекции воды, нейтрализации и утилизации промышленных органических загрязнителей и отходов.

Изобретение относится к лазерной технике, к конструкциям сопловых блоков для проточных газовых лазеров. .

Изобретение относится к технической физике - к области генерации когерентного электромагнитного излучения (ЭМИ) - и может быть использовано при создании мощных лазерных систем, например, в технологических установках по фрагментированию отработанного оборудования ядерных реакторов атомных электростанций.

Изобретение относится к струйным генераторам синглетного кислорода и может быть использовано при разработке химических лазеров, а также в химической технике. .

Изобретение относится к лазерной физике и оптике и может быть использовано в системах преобразования солнечной энергии в лазерное излучение с последующей передачей этой энергии потребителю.

Изобретение относится к химической технике и может быть использовано при разработке химических лазеров. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газовых лазеров с поперечной накачкой. .
Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке технологических химических кислородно-йодных лазеров. .

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании газодинамического тракта непрерывного химического лазера с выхлопом лазерного газа в атмосферу, а также элементов системы восстановления давления (СВД) этих лазеров

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании йодных фотодиссоционных лазеров с оптической накачкой

Изобретение относится к лазерной технике и связано с разработкой образцов HF/DF импульсно-периодических химических лазеров (HF/DF-ИПХЛ)

Изобретение относится к области преобразования ядерной энергии. Реакторно-лазерная установка с прямой накачкой осколками деления состоит из подкритического лазерного блока с активным веществом (1) и запального импульсного ядерного реактора, окруженного подкритическим лазерным блоком. Активное вещество (1) включает лазерную среду (4), не пороговый делящийся ядерный материал (7) и замедлитель (3) нейтронов. Запальный импульсный ядерный реактор состоит из активной зоны, содержащей делящийся ядерный материал, и модулятора реактивности (5). В качестве делящегося ядерного материала в запальном импульсном ядерном реакторе используют пороговый делящийся ядерный материал (9). В подкритическом лазерном блоке в качестве не порогового делящегося ядерного материала (7) используют, например, уран-233, уран-235, плутоний-239. В запальном импульсном ядерном реакторе в качестве порогового делящегося ядерного материала (9) используют, например, нептуний-237, плутоний-240 и, по меньшей мере, одну активную зону. Технический результат состоит в повышении энергии и мощности импульса накачки лазерной среды. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Устройство и способ работы авиационного газотурбинного двигателя включающий процесс сжатия в компрессорах, подвода тепла в камере сгорания, расширения на турбинах и реактивном сопле. Процесс расширения на рабочих лопатках турбины высокого давления осуществляют в сверхзвуковом потоке и используют создаваемую в этом потоке инверсию населенности для организации когерентного излучения. Двигатель включает компрессор каскада низкого давления, компрессор каскада высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления, реактивное сопло. Дополнительно введена пара бочкообразных резонаторов, внутренний и наружный, с полупрозрачным элементом в наружном резонаторе, обтюратор и биротативное колесо активного облопачивания. Рабочие лопатки турбины высокого давления выполнены в виде последовательности сопел Лаваля, за которыми установлена пара бочкообразных резонаторов, и далее по потоку газа установлены обтюратор и биротативное колесо активного облопачивания. Группа изобретений позволяет создать качественно новый способ работы с одновременным расширением функциональных возможностей авиационного газотурбинного двигателя путём его работы в качестве газодинамического лазера. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для создания кислородно-йодных лазеров. Способ получения инверсной населенности на атомах йода заключается в оптической накачке газового потока. Оптическую накачку производят в два этапа, на первом этапе газовый поток облучают светом с длиной волны 490±10 нм, осуществляя частичную 1-10% диссоциацию молекул йода, с последующим облучением газового потока излучением с длиной волны 1315 нм до полной диссоциации молекул йода, а затем производят газодинамическое охлаждение. Основными достоинствами предлагаемого способа являются отсутствие необходимости использования опасных реагентов (таких как хлор) и возможность осуществления непрерывной прокачки рабочей среды. 1 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. В электроразрядном кислородно-йодном лазере в газовый поток непосредственно на выходе генератора молекул синглетного кислорода O2(1Δ) и перед сверхзвуковым соплом подмешивается газ X (CO2, SF6, SiF4 и т.д.), состоящий из молекул, тушащих возбужденный озон O 3 ∗ , с концентрацией, превышающей концентрацию молекул O2(1Δ) более чем в 5×10-11/k раз, где k - константа скорости тушения процесса X + O 3 ∗ → X + O 3 в единицах см3/сек. Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности лазера. 3 ил.

Группа изобретений относится к боевой авиации, на борту которой устанавливается лазерное оружие. В способе работы авиационного газотурбинного двигателя, включающем процесс сжатия воздуха в компрессорах, подвод тепла в камере сгорания, расширение газового потока для получения сверхзвуковой скорости осуществляют через бинарную систему, состоящую из турбины низкого давления, лопатки которой выполнены в виде сопел Лаваля, и установленного за ней кольцевой неподвижной закритической расширяющейся части сопла Лаваля. В авиационном газотурбинном двигателе рабочие лопатки турбины низкого давления выполнены в виде сопел Лаваля, создающих на выходе турбины сверхзвуковой газовый поток с углом выхода, близким к 90 градусов. С минимальным зазором за турбиной низкого давления установлена неподвижная часть, за срезом которой расположен проточный оптический резонатор с зеркальной системой фокусировки и вывода лазерного луча на систему прицеливания. Достигается увеличение секундного расхода газа, выходящего из оптического резонатора, приводящего к увеличению мощности лазера и тяги двигателя, а также повышение надежности лазера. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Газодинамический тракт сверхзвукового химического лазера состоит из последовательно соединенных: генератора 1 лазерного газа, смесительного соплового блока 2, лазерной камеры (ЛК) 3 с резонаторной полостью и системы восстановления давления, в состав которой входят активный диффузор (АД) 5 и эжектор 7. Диффузор состоит из пассивной части с размещенными внутри пилонами и активной части, в состав которой входит сопловый блок и камера смешения. Низконапорный лазерный газ, который на выходе из пассивной части диффузора является уже дозвуковым, эжектируется из ЛК 3 сверхзвуковыми струями высоконапорного газа из сопел пилонов и соплового блока. Технический результат изобретения заключается в стабилизации параметров течения лазерного газа и улучшении оптического качества потока лазерного газа. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх