CN101043120A - 一种氧碘化学激光器化学燃料的配制方法 - Google Patents

一种氧碘化学激光器化学燃料的配制方法 Download PDF

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李庆伟
陈方
桑凤亭
金玉奇
多丽萍
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Abstract

本发明提供一种新的氧碘化学激光器化学燃料的配制方法，即在室温下，大气压力下，将固体的碱金属过氧化物或超氧化物在搅拌下溶解于冰水混合物中配制而成的溶液，所得的溶液与氯气反应可高效的产生氧碘化学激光器中所需的单重态氧。这一配制方法所用的原料容易获得，且易储存运输，较传统COIL中的BHP液体配制过程更安全快捷。

Description

一种氧碘化学激光器化学燃料的配制方法
技术领域
本发明涉及氧碘化学激光器，具体地说是一种新的氧碘化学激光器化学燃料的配制方法，即将固体的碱金属的过氧化物或超氧化物粉末溶于接近于0℃的冰水(或冰重水)混合物中配制而成的溶液，该溶液与氯气反应可高效的产生的单重态氧，因此该溶液可作为氧碘化学激光器中所需的化学燃料。
背景技术
自从1978年氧碘化学激光器由美国的McDermott W.E.等演示成功以后，经过近二十几年的发展，氧碘化学激光器现已发展到相当的规模和水平，其输出功率已可达百万瓦，光束质量可近衍射极限，由于它的高亮度特性，而且化学激光不需要庞大的电源或光源等特点，可放大性好；另外，还由于其波长为1.315μm，非常适合于用光纤将激光传输到所需要的地方，且传输损失小，使用方便灵活，与材料耦合性好，所以在工业加工和军事应用方面都具有重要的发展前景。
氧碘化学激光器的核心过程就是单重态氧与基态的碘原子近共振传能产生激发态碘原子的过程，所以单重态氧发生器的性能对氧碘化学激光器的性能有至关重要的影响。目前，氧碘化学激光器的单重态氧发生器采用的是BHP/Cl2体系，即碱性的过氧化氢溶液(BHP)与氯气发生化学反应产生氧碘化学激光器中所需的单重态氧。BHP溶液的配制过程如下：将预先配制好的碱金属氢氧化物的水溶液在真空条件下缓慢的加入已经保持在一定低温下(大约在-5～-10℃)的过氧化氢溶液中，在这配制过程中形成反应所需的活性离子，过氧化氢负离子(HO2 -)，其反应方程式如下：
Figure A20061004616600031
反应方程式(1)中的M代表碱金属。BHP溶液中的活性离子，过氧化氢负离子(HO2 -)与氯气反应产生氧碘化学激光器中所需的化学泵浦能量载体—单重态氧，反应方程形式如下：
Figure A20061004616600032
这一过程涉及了强腐蚀性的，易爆的高浓度过氧化氢溶液，而且BHP的配制过程需在比较苛刻的条件下如较低温度下和真空条件下配制的，需额外的冷却系统，而且过程缓慢，造成氧碘化学激光器前期操作过程繁琐复杂不安全。为了氧碘化学激光器能够适用一些要求苛刻的不同环境，简化和寻找一种新的氧碘化学激光器化学燃料的配制方法具有重大的实际意义。
发明内容
本发明目的是提供一种可以高效、安全、快捷的产生氧碘化学激光器中所需的单重态氧的化学燃料的配制方法。本发明以工业中易于得到的、较安全的和易储藏运输的化学品为原料，使操作过程安全简单而且迅速、从而避免使用危险的易于爆炸的化学物品如高浓度的具有强腐蚀性的和易爆炸性的过氧化氢溶液，使氧碘化学激光器的前期操作过程快捷安全，使其适用性更强。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种氧碘化学激光器化学燃料的配制方法，将固体无机碱金属的过氧化物或超氧化物溶解于冰水混合物中配制而成。即采用工业上比较容易得到的碱金属固体过氧化物或超氧化物的粉末为原料，在室温下，大气压力下，将其直接加入0℃的冰水(或冰重水)混合物中配制而成的溶液，所得的溶液与氯气反应可高效的产生氧碘化学激光器中所需的单重态氧。
所述水为蒸馏水或重水；碱金属的过氧化物可以是固体的过氧化钠、过氧化锂或过氧化钾；碱金属的超氧化物可以是固体的超氧化钾或超氧化钠；碱金属的过氧化物或超氧化物与水的质量比为0.1～0.6；配制温度为-10～5℃。
如果反应物使用碱金属的过氧化物与冰水反应，其反应式如下：
Figure A20061004616600041
M代表碱金属原素。如果反应物使用碱金属的过氧化物与冰重水反应，其反应式如下：
Figure A20061004616600042
如果反应物使用碱金属的超氧化物与冰水反应，其反应式如下：
Figure A20061004616600043
如果反应物使用碱金属的超氧化物与冰的重水反应，其反应式如下
Figure A20061004616600044
上述反应所往成的HO2 -或DO2 -与氯气反应便可产生氧碘化学激光器中所需的单重态氧，其反应式分别如下：
Figure A20061004616600045
Figure A20061004616600046
上述各反应式中的M代表碱金属元素。采用重水的优点是单重态氧的寿命(为58μs)要比在水中的(4μs)长的多，这有利于气态单重态氧的抽提，且在传输过程中减少单重态氧的猝灭，从而可提高气相中单重态氧的浓度，有利于提高激光器的性能。
本发明在室温下，大气压力下，将固体的碱金属过氧化物或超氧化物(如过氧化锂，过氧化钠及超氧化钾)在搅拌下溶解于0℃的冰水(或冰重水)混合物中配制而成的溶液，所得的溶液与氯气反应可高效的产生氧碘化学激光器中所需的单重态氧。这一配制方法所用的原料容易获得，且易储存运输，较传统COIL中的BHP液体配制过程更安全快捷。
本发明原料容易获得，而且安全易储存运输，配制过程较BHP溶液的配制安全快捷。碱金属固体过氧化物或超氧化物的粉末加入0℃的冰水(或冰重水)混合物中可形成BHP溶液中相同的反应活性负离子HO2 -，同时还使溶液为强碱性溶液。
本发明配制的化学燃料可应用在氧碘化学激光器中的各种不同单重态氧发生器中，与氯气反应产生氧碘化学激光器中所需的单重态氧；同时，产生的单重态氧也可用在有机化学合成中。
具体实施方式
用固体碱金属的过氧化物或超氧化物为原料配制氧碘化学激光器的化学燃料的方法及过程如下：将一定量的冰水或冰重水放置于一容器中，在敞口大气的室温环境下，在搅拌中逐步加入一定量的无机固体碱金属的过氧化物或超氧化物粉末，待固体粉末完全溶于液体中后，便可得到氧碘化学激光器中所需的化学燃料。
为证明该化学燃料是否可以产生氧碘化学激光器中所需的单重态氧，将其与氯气反应，同时采用二套系统监测反应过程中产生的单重态氧：
(1)用液氮冷却的InGaAs光学多通道分析仪(OMA-V)观测单重态氧在1270nm附近的自旋禁戒跃迁的单分子辐射光谱：
Figure A20061004616600051
(2)用电致冷的CCD光谱仪监测单重态氧在634nm或703nm可见光区的双分子协同辐射光谱：
Figure A20061004616600053
为了比较，申请人用这二种方法监测了在同一反应器中BHP液体与氯气反应生成的单重态氧的光谱，以上反应均是在真空压力(在室温条件、反应压力可为5＜P＜700torr)下反应的。通过比较，用固体碱金属的过氧化物或超氧化物粉末与水配制成的化学燃料与氯气反应生成的单重态氧的辐射谱峰，不管是在1266nm附近的谱峰还是在634nm或703nm附近的谱峰均与用BHP与氯气反应所得到的谱峰一致，强度相当。这说明新方法配制的化学燃料具有同样产生氧碘化学激光器中所需的单重态氧的能力。
以下是参照实验是本发明的实施例：
实施例1：过氧化锂与水配制的化学燃料
在室温常压下，将2g的灰白色过氧化锂粉末加入60ml的冰的蒸馏水中，搅拌混合使过氧化锂完全溶解冰的水中，过氧化锂需要搅拌一定时间才能完全溶于冰的重水中，溶解过程比较温和，放热小，析氧也较少。然后将该溶液加入100ml的三口烧瓶中，抽真空，使反应器压力保持在100torr以下，磁力搅拌，然后通过一底部均匀分布小孔的玻璃气体鼓泡器通入氯气进行反应，反应器压力保持在150～300torr。反应中可以很清楚的观测到红光。将与OMA-V光谱仪和CCD光谱仪耦合好的光纤头直接对准三口烧瓶进行监测单重态氧的辐射信号，光谱仪可以很容易的监测到单重态氧的近红外1266nm的单分子辐射信号和可见光区的6340nm或703nm的双分子协同辐射信号。
实施例2：过氧化锂与重水配制的化学燃料
化学燃料的配制过程及现象，与氯气反应的实验过程和单重态氧的测试方法均与实施例1相同，只是将60ml水换成60ml的重水进行。反应中可以很清楚的观测到红光，光谱仪可以很容易的监测到单重态氧的近红外1266nm的单分子辐射信号和可见光区的6340nm或703nm的双分子协同辐射信号，除这三个辐射谱峰外，还测得762nm附近的O2(1∑g +)的辐射谱峰。
实施例3：过氧化钠与水配制的化学燃料
在室温常压下，将6g的黄色的过氧化钠粉末加入60ml的冰的水混合物中，搅拌混合使过氧化钠完全溶解冰的水中，过氧化钠加入水中迅速溶解，放出大量的热及有氧气析出。然后将该溶液加入100ml的三口烧瓶中，抽真空，使反应器压力保持在100torr以下，磁力搅拌，然后通过一底部均匀分布小孔的玻璃气体鼓泡器通入氯气进行反应，反应器压力保持在150～300torr。反应中可以很清楚的观测到红光。将与OMA-V光谱仪和CCD光谱仪耦合好的光纤头直接对准三口烧瓶进行监测单重态氧的辐射信号，光谱仪可以很容易的监测到单重态氧的近红外1266nm的单分子辐射信号和可见光区的6340nm或703nm的双分子协同辐射谱峰。
实施例4：过氧化钠与重水配制的化学燃料
化学燃料的配制过程及现象，与氯气反应的实验过程和单重态氧的测试方法均与实施例3相同，只是将60ml水换成60ml的重水进行。反应中可以很清楚的观测到红光，光谱仪可以很容易的监测到单重态氧的近红外1266nm的单分子辐射信号和可见光区的6340nm或703nm的双分子协同辐射谱峰。与实例二一样还可监测到762nm附近的O2(1∑g +)的辐射谱峰。
实施例5：超氧化钾与水配制的化学燃料
在室温常压下，将2g的金黄色超氧化钾粉末加入60ml的冰水混合物中，超氧化钾遇水迅速溶解，不放热，但有少量氧气析出。然后将该溶液加入100ml的三口烧瓶中，抽真空，使反应器压力保持在100torr以下，磁力搅拌，然后通过一底部均匀分布小孔的玻璃气体鼓泡器通入氯气进行反应，反应器压力保持在150～300torr。反应中可以很清楚的观测到红光。将与OMA-V光谱仪和CCD光谱仪耦合好的光纤头直接对准三口烧瓶进行监测单重态氧的辐射信号，光谱仪可以很容易的监测到单重态氧的近红外1266nm的单分子辐射信号和可见光区的6340nm或703nm的双分子协同辐射谱峰。
实施例6：超氧化钾与重水配制的化学燃料
化学燃料的配制过程与现象，与氯气反应的实验过程和单重态氧的测试方法均与实施例5相同，只是将60ml水换成60ml的重水进行。反应中可以很清楚的观测到红光。光谱仪可以很容易的监测到单重态氧的近红外1266nm的单分子辐射信号和可见光区的634nm或703nm的双分子协同辐射谱峰，与实例二一样还可监测到762nm附近的O2(1∑g +)的辐射谱峰。

Claims (5)

1、一种氧碘化学激光器化学燃料的配制方法，其特征在于：即将固体无机碱金属的过氧化物或超氧化物溶解于冰水混合物中配制而成。
2.按照权利要求1所述氧碘化学激光器化学燃料的配制方法，其特征在于：所述冰水为冰的蒸馏水或冰重水。
3.按照权利要求1所述氧碘化学激光器化学燃料的配制方法，其特征在于：所述碱金属的过氧化物可以是固体的过氧化钠、过氧化锂或过氧化钾；碱金属的超氧化物可以是固体的超氧化钾或超氧化钠。
4.按照权利要求1所述氧碘化学激光器化学燃料的配制方法，其特征在于：所述碱金属的过氧化物或超氧化物与水的质量比为0.1～0.6。
5.按照权利要求1所述氧碘化学激光器化学燃料的配制方法，其特征在于：所述配制温度为-10～5℃。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101436745B (zh) * 2007-11-14 2010-09-29 中国科学院大连化学物理研究所 一种可见波段的钠原子化学激光器
CN105776144A (zh) * 2014-12-17 2016-07-20 中国科学院大连化学物理研究所 一种基于两相转移体系的单重态氧产生方法

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