Патент на изобретение №2256268

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ГАЗА В СВЕРХЗВУКОВОМ ХИМИЧЕСКОМ HF/DF-ЛАЗЕРЕ

(57) Реферат:

Изобретение относится к лазерной технике и используется в сверхзвуковых газовых лазерах непрерывного действия с проточной активной средой на рабочих молекулах фтористого водорода (HF) и фтористого дейтерия (DF). Способ включает непрерывную подачу в камеру сгорания газогенератора фторсодержащего окислителя, горючего и инертного разбавителя для получения высокотемпературной смеси, содержащей атомы фтора, которая подается вместе с холодным инертным разбавителем в количестве от не менее 50% объемных от всего количества инертного разбавителя, используемого в лазере, во входные части окислительных сопел и смешивается в полостях этих сопел в виде отдельных струй. Предлагаемый способ получения окислительного газа при оптимизации конструкции лазера позволяет поднять мощность лазерного излучения в 2-3 раза, а удельный энергосъем — в 1,6-2,5 раза. 1 ил.

Изобретение относится к лазерной технике и связано с разработкой сверхзвуковых газовых лазеров непрерывного действия с проточной активной средой на рабочих молекулах фтористого водорода (HP) и фтористого дейтерия (DF).

В лазерах этого типа активная среда создается в процессе смешения формируемых с помощью соплового блока струй окислительного газа (содержащих атомы фтора) и вторичного горючего (молекул водорода или дейтерия) с последующим инициированием химической реакции накачки F + Н₂ HF(v) + Н либо F + D₂ DF(v) + D в полости оптического резонатора (где HF(v) и DF(v) – молекулы продуктов реакции в колебательном возбужденном состоянии; v – колебательное квантовое число). Свойства активной среды во многом определяются свойствами окислительного газа, который должен содержать максимальное количество атомов фтора (выполняющих роль активных центров при инициировании химических реакций накачки), минимальное количество побочных продуктов (являющихся дезактиваторами рабочих молекул HF(v) и DF(v)) и обладать возможно более низкой температурой (для снижения скорости релаксации рабочих молекул в активной зоне и улучшения условий для создания инверсии). Окислительный газ получают в специальном газогенераторе.

₂, SF₆, NF₃), которое под действием высокой температуры диссоциирует с образованием атомов фтора и побочных продуктов (их состав зависит от типа фторсодержащего соединения). Температура окислительного газа регулируется введением в камеру смешения дополнительного количества газа-носителя. Способ получения окислительного газа с помощью внешнего источника энергии прост и обеспечивает минимальное количество побочных продуктов.

Главный его недостаток – высокая энергоемкость, что создает проблемы при применении в лазерах большой мощности (особенно для мобильных систем).

Более эффективным является снижение температуры активной среды посредством подачи дополнительного количества холодного инертного разбавителя непосредственно в зону протекания химической реакции накачки (после камеры сгорания) между струями окислительного газа и вторичного горючего [патент РФ №2030825, МКИ H 01 S 3/22. Публ. 10.05.95 г.]. Действительно, если вводить и дополнительный разбавитель в камеру сгорания, то для сохранения высокой (Т=1800-2000 К) температуры продуктов сгорания, образующихся в ходе вспомогательной химической реакции фторсодержащего окислителя с первичным горючим, необходимой для диссоциации избытка окислителя, придется израсходовать большее их количество. Это приведет к уменьшению относительной доли используемого в реакции накачки свободного фтора, к наработке дополнительного количества активных дезактиваторов рабочих молекул и, следовательно, к падению энергетических характеристик лазера. Дополнительный же разбавитель снижает поступательную температуру активной среды непосредственно в зоне генерации лазерного излучения, что оказывает благотворное влияние на энергетические характеристики лазера. Однако реализация этого способа приводит к усложнению конструкции соплового блока (за счет устройства для подачи дополнительного инертного разбавителя), а сам дополнительный инертный разбавитель не в полной мере удается использовать в качестве теплового балласта для снижения температуры окислительного газа, поскольку часть гелия за счет диффузии смешивается с холодным вторичным горючим.

В способе получения окислительного газа, выбранном за прототип и описанном в [патент США №4650416, МКИ F 23 R 1/06. Публ. 17.03.87 г.], использован принцип двухстадийного горения. Согласно этому принципу струи фторсодержащего окислителя и первичного горючего подаются в камеру сгорания через тройную инжекционную систему, смешиваются и сгорают в отсутствие инертного разбавителя, а затем продукты реакции смешиваются с последним, который подается через двойную инжекционную систему в ту же камеру сгорания, но ниже зоны горения. При этом в качестве фторсодержащего окислителя используется трифторид азота (NF₃), а в качестве первичного горючего – дейтерий (D₂). В первой стадии процесса в камере сгорания образуется высокотемпературная смесь продуктов сгорания топлива NF₃ + D₂ – (N₂, DF, F) при температуре Т=2000-2100 К, соответствующей температуре полной диссоциации NF₃. На второй стадии процесса эту температуру снижают в камере сгорания до уровня Т=1240-1500 К за счет подмешивания инертного разбавителя – гелия (Не) и получают окислительный газ – равновесную смесь, содержащую (наряду с указанными выше продуктами сгорания) еще и молекулы фтора (F₂). Последние появляются в результате равновесной рекомбинации атомов фтора при понижении температуры смеси в камере сгорания. Причем количество молекулярного фтора составляет почти 40% от количества всего свободного фтора, поступающего в зону формирования активной среды. Для HF-лазера, работающего на “холодной” реакции накачки F + Н₂ HF(v) + Н, такая ситуация недопустима, поскольку ведет к существенному снижению его энергетической эффективности.

К основным недостаткам способа получения окислительного газа, предложенного в прототипе, следует отнести, во-первых, узкую область применения. Эта область ограничена использованием фторсодержащих окислителей, температура равновесной диссоциации которых существенно выше температуры равновесной диссоциации молекулярного фтора. Поэтому эффективность такого способа определяется, по-существу, разницей температур равновесной диссоциации фторсодержащего окислителя (Т_дисс=2000-2100 К для NF₃) и равновесной рекомбинации атомов фтора (Т_рек=1500-1600 К). Во-вторых, это наличие больших потерь атомов фтора, которые в условиях химического равновесия (при температуре окислительного газа, меньшей температуры рекомбинации атомов фтора) практически компенсируют выигрыш в мощности лазера, достигаемый в результате снижения температуры окислительного газа.

Задачей настоящего изобретения является повышение энергетических характеристик сверхзвукового химического HF/DF-лазера непрерывного действия (его выходной мощности и удельного энергосъема).

Сущность изобретения заключается в том, что приготовленная в газогенераторе высокотемпературная смесь продуктов сгорания (содержащая атомы фтора) и холодный инертный разбавитель в количестве не менее 50% объемных от всего количества инертного разбавителя, используемого в лазере, подаются во входные части окислительных сопел и смешиваются в этих соплах в виде отдельных струй.

Предлагаемый способ получения окислительного газа обеспечивает следующие преимущества: 1) уменьшение количества первичных компонентов топлива, необходимого для наработки одного грамма атомарного фтора, вследствие исключения затрат выделяющейся в ходе вспомогательной химической реакции энергии на нагрев инертного разбавителя, который поступает во входные части окислительных сопел холодным (увеличение полезной для генерации лазерного излучения доли энергии); 2) снижение температуры окислительного газа в соплах (и соответственно в активной среде) за счет подмешивания к нему холодного инертного разбавителя (что способствует росту энергетических характеристик лазера) при сохранении концентрации атомов фтора в окислительном газе; 3) рост абсолютной мощности лазерного излучения в результате существенного (примерно в два раза) увеличения количества атомарного фтора при работе лазера в режиме постоянных температуры и давления вследствие влияния факторов 1) и 2); 4) рост удельного энергосъема лазера в результате увеличения скорости диффузионного смешения потоков окислительного газа и вторичного горючего в полости оптического резонатора и снижения влияния релаксационных процессов, вызванное снижением давления в газогенераторе (и, соответственно, в активной зоне) при работе лазера в режиме постоянных температуры и массового расхода атомарного фтора вследствие влияния факторов 1) и 2); 5) уменьшение относительной концентрации дезактиваторов рабочих молекул.

На чертеже показано устройство, с помощью которого реализуется предлагаемый способ получения окислительного газа. Оно состоит из газогенератора 1 и соплового блока 2, который представляет собой решетку щелевых сверхзвуковых окислительных сопел 3. Для впрыска холодного инертного разбавителя в тракте между камерой сгорания газогенератора 1 и входными частями окислительных сопел 3 размещен специальный инжектор 4. Для ввода вторичного горючего предназначен коллектор, состоящий из перфорированных отверстиями малого диаметра трубок 5, которые закреплены на кромках сопел 3.

Экспериментальная проверка предлагаемого изобретения проводилась на стендовой установке, включавшей устройство (модель HF-лазера), состав которого изображен на чертеже, системы подачи рабочих компонентов топлива (F₂, D₂, Н₂, Не) и регистрации режимных параметров, а также оптический измерительный комплекс. В тракте между камерой сгорания газогенератора 1 и входными частями окислительных сопел 3 размещен специальный инжектор 4 в виде перфорированной отверстиями диаметром 0,5 мм трубки из нержавеющей стали диаметром 6 мм, предназначенной для впрыска в каждое сопло 3 шириной 3 мм холодного инертного разбавителя (молекул Не*). Отверстия размещены в три ряда (расстояние между рядами 1,3 мм) с шагом (в каждом ряду) 5 мм, соответствующим шагу сопел (инжектор содержит 108 отверстий). Угол между осями двух смежных отверстий равен 25°. Расстояние от плоскости выходных сечений отверстий центрального ряда до плоскости критических сечений сопел составляет 4,5 мм. Вторичное горючее (молекулы Н₂) подается через накладной коллектор, образованный 37-ю трубками-инжекторами 5 наружным диаметром 2 мм, которые перфорированы отверстиями диаметром 0,35 мм (каждая трубка содержит 20 отверстий). Отверстия размещены в шахматном порядке с шагом 4 мм. Трубки-инжекторы закреплены на кромках сопел 3; оси отверстий составляют угол 20° к направлению потока окислительного газа (смеси F + Не + DF + Не*), истекающего из окислительных сопел 3. Размер выходного сечения соплового блока 180×39 мм².

Экспериментальная проверка дала следующие результаты. Во-первых, при подаче во входные части окислительных сопел холодного инертного разбавителя в количестве выше 50% объемных от всего количества инертного разбавителя, используемого в лазере, мощность лазерного излучения возрастает в 1,7 раза (от 3,2 до 5,4 кВт) при работе лазера в режиме постоянных давления и температуры и в 1,1 раза (от 4,6 до 5,1 кВт) при работе лазера в режиме постоянных температуры и массового расхода атомарного фтора с одновременным увеличением удельного энергосъема в 1,35 раза (от 147 до 198 Дж/г). Во-вторых, количество фторсодержащего окислителя (молекулярного фтора), необходимое для наработки одного грамма атомарного фтора, снижается в 1,8 раза, первичного горючего (дейтерия) – в три раза и, соответственно, фтористого дейтерия (дезактиватора рабочих молекул HF(v)) – также в три раза.

Использование предлагаемого способа получения окислительного газа при оптимизации конструкции устройства позволяет при одинаковых температуре и давлении в газогенераторе поднять мощность лазерного излучения в 2 -3 раза, а удельный энергосъем – в 1,6-2,5 раза.

Формула изобретения

Способ получения окислительного газа в сверхзвуковом химическом HF/DF-лазере непрерывного действия, включающий непрерывную подачу в камеру сгорания газогенератора фторсодержащего окислителя, горючего и инертного разбавителя для получения высокотемпературной смеси, содержащей атомы фтора, отличающийся тем, что полученную в камере сгорания газогенератора высокотемпературную смесь и холодный инертный разбавитель в количестве не менее 50 об.% от всего количества инертного разбавителя, используемого в лазере, подают во входные части окислительных сопел и смешивают в полостях этих сопел в виде отдельных струй.

РИСУНКИ