CN103872557B - 一种非均匀电极单重态氧发生装置 - Google Patents

Abstract

一种非均匀电极单重态氧发生装置。该装置由以下部件组成：一个放电腔，由一根石英玻璃管构成；一套放电电极，由一对包含金属柱的金属平板构成。此单重态氧发生装置能在相同的放电功率、气体压力等条件下有效提高单重态氧产率和能量利用效率，可望应用于电激励氧碘激光器。

Description

一种非均匀电极单重态氧发生装置

技术领域

本发明涉及电激励氧碘激光器（EOIL）储能粒子的发生技术，具体地说是一种在相同放电功率、气体压力等条件下，通过改变放电电极结构，能有效地提高运行时的单重态氧产率和能量利用效率，增强电激励氧碘激光器规模放大能力的一种装置。

背景技术

电激励氧碘激光器采用氧气放电来产生单重态氧，凭借着原料安全无毒，全气相操作，适应能力更强而具有更多的优势。通过放电方法产生单重态氧的装置称为放电单重态氧发生器（Discharge Singlet OxygenGenerator），缩写为DSOG。

影响DSOG性能的因素一般有两个，一个是单重态氧产率，即单重态氧占总氧的百分比其中[O₂(¹Δ)]代表单重态氧的绝对粒子数密度，[O₂]₀代表总氧的绝对粒子数密度；另一个是单重态氧的绝对浓度[O₂(¹Δ)]，这两个因素关系到电激励氧碘激光器的小信号增益大小和功率规模放大的能力。

对于氧碘激光器而言，单重态氧产率必须达到一个阈值以后才能出现增益，并最终实现出光，EOIL中单重态氧的阈值产率可以用公式表示为室温下的阈值产率约为15%。

可以看到，较高的单重态氧产率不但能够更轻松地满足阈值要求，而且在相同的气体压力下能有效地提高单重态氧的浓度，从而提高EOIL的功率。因此从根本上来说，一个好的DSOG应该具有较高的单重态氧产率 $Y_{O_2\left(\mathrm{\Δ}_1\right)}.$

我们知道传统化学氧碘激光器（COIL）的单重态氧产率很高，大多在50%以上。但截止目前为止，DSOG的单重态氧产率都不太高，这主要是由放电的特性造成的，放电会在气体混合物中产生大量的电子、原子和正负离子，这些物种中的一部分很不幸地对单重态氧有负面的影响，会严重猝灭单重态氧，比如O原子就是很出名的单重态氧猝灭物种。DSOG这种独特的性质导致了其单重态氧产率通常都不会太高。

目前为止，提高DSOG单重态氧产率的努力主要集中在通过添加NO等气体来消耗O原子，或者在气体流动管的内壁衬上一层能捕获O原子的物质（包括AgO、HgO等氧化物），从而降低对单重态氧的猝灭损耗。当采取了这些措施之后，一般都会观察到单重态氧自发辐射信号（1268nm）的大幅度增强，这表明单重态氧的产率确实增加了。

通过考察文献我们发现，所有的放电激励产生单重态氧的装置都采用了沿流动方向的均匀电极，只是在形状上有所不同，比如均匀平板电极、半圆蚌型电极、同轴套筒电极等等。截止到目前为止，还没有一种单重态氧发生装置考虑过改变电场的均匀性来提高单重态氧产率。为此，我们经过大量的实验考察和经验总结，设计了合适的非均匀结构的放电电极，能效地提高运行时的单重态氧产率和能量利用效率。

发明内容

本发明的目的是设计制作一种在相同放电功率、气体压力等条件下，通过改变放电电极结构，能有效地提高运行时的单重态氧产率和能量利用效率，增强电激励氧碘激光器规模放大能力的装置。

该放电装置要能够在相同的实验条件下，有效地提高运行时的单重态氧产率和能量利用效率，增强电激励氧碘激光器规模放大能力。

为实现本发明的目的，具体技术方案包括：

一种非均匀电极单重态氧发生装置，包括二块平行对称设置的金属平板电极，作为一对放电电极；

于二块金属平板电极之间设有一根石英玻璃管，石英玻璃管一端开口、作为气体入口，石英玻璃管另一端密闭，石英玻璃管内腔作为放电腔；于靠近石英玻璃管密闭端的石英玻璃管上径向设置有支管，石英玻璃管与支管相连通，支管作为气体出口；

于支管的外侧对称设有二个金属柱，二个金属柱以支管的轴线为对称中心线对称设置；

二个金属柱分别固定于二块金属平板电极上。

石英玻璃管的直径为10-50毫米，石英玻璃管的管壁较薄，为1-3毫米；

电极由金属制成，为平板形状，电极平板的宽度比石英玻璃管的直径多出1-5毫米，长度方向与石英玻璃管的轴线同方向。

金属柱的长度为石英玻璃管直径的二分之一；

两个金属柱的顶部相距12-60毫米。

本发明的有益效果是：

与传统的均匀放电电极相比，本发明通过在平板放电电极上引入钉状突起，在放电末端形成了非均匀电场，实验证明可以在相同的放电功率下提高单重态氧的产率，从而增加电能的利用效率，非常适合于应用在电激励氧碘激光器上。

此单重态氧发生装置能在相同的放电功率、气体压力等条件下有效提高单重态氧产率和能量利用效率，可望应用于电激励氧碘激光器。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。A为正视图，B为俯视图；

图中1为氧气入口，2为石英玻璃管，3和6为金属平板电极，4和5为分别是连接在3和6上的金属柱，7为支管。

图2为采用不同电极的实验结果比较（气体压力P=8.8torr,气体流量F=1.98slm,放电功率Power=150W）。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明的装置结构包括：

一种非均匀电极单重态氧发生装置，包括二块平行对称设置的金属平板电极，作为一对放电电极；

于二块金属平板电极之间设有一根石英玻璃管，石英玻璃管一端开口、作为气体入口，石英玻璃管另一端密闭，石英玻璃管内腔作为放电腔；于靠近石英玻璃管密闭端的石英玻璃管上径向设置有支管，石英玻璃管与支管相连通，支管作为气体出口；

于支管的外侧对称设有二个金属柱，二个金属柱以支管的轴线为对称中心线对称设置；

二个金属柱分别固定于二块金属平板电极上。

石英玻璃管的直径为20毫米，石英玻璃管的管壁较薄，为1毫米；

电极由金属制成，为平板形状，电极平板的宽度比石英玻璃管的直径多出3毫米，长度方向与石英玻璃管的轴线同方向。

金属柱的长度为石英玻璃管直径的二分之一；

两个金属柱的顶部相距24毫米。

氧气入口喷嘴1位于石英玻璃管放电腔2的左端，用于向放电腔2内注入氧气气体。

放电驱动电极3和放电接地电极6位于石英玻璃管放电腔2的外部，从而形成介质阻挡放电。

放电驱动电极3的钉状突起4（即金属柱）和放电接地电极6的钉状突起5之间在放电时会产生非均匀电场。

石英玻璃管开口7连接通向真空系统，气体从放电腔2出来后，通过此开口进入真空系统。

本发明采用非均匀放电电极的设计，可以实现在相同的放电功率条件下，有效地提高运行时的单重态氧产率和能量利用效率。具体操作步骤如下：

实验过程：

第一步，连接好正负电极，打开真空系统，确保真空正常。

第二步，从1注入氧气，并打开电源进行放电，调整放电功率到最大值。

第三步，固定放电功率为150瓦，气体压力为8.8Torr，气体流量为1.98slm，沿着气体流动方向移动测量位置，并记录单重态氧自发辐射信号强度I（波长为1268nm处）。

第四步，结束实验。

典型的实验结果如图2所示。

从实验结果可以看到，在放电出口处，采用非均匀电极可以有效地提高单重态氧自发辐射信号强度，这说明单重态氧的产率增加了。由于放电功率并没有改变，因此可以说能量的利用效率也增加了。因此本发明具有以下特点，在放电末端采用非均匀电场，能有效地提升单重态氧产率和能量利用效率。

采用本发明，可以在相同的放电功率条件下，提高放电产生单重态氧产率以及能量利用效率。本发明可以用于需要单重态氧的装置（例如电激励氧碘激光器等）。

Claims (3)

1.一种非均匀电极单重态氧发生装置，其特征在于：

包括二块平行对称设置的金属平板电极，作为一对放电电极；

于二块金属平板电极之间设有一根石英玻璃管，石英玻璃管一端开口、作为气体入口，石英玻璃管另一端密闭，石英玻璃管内腔作为放电腔；于靠近石英玻璃管密闭端的石英玻璃管上径向设置有支管，石英玻璃管与支管相连通，支管作为气体出口；

于支管的外侧对称设有二个金属柱，二个金属柱以支管的轴线为对称中心线对称设置；

二个金属柱分别固定于二块金属平板电极上。

2.按权利要求1所述的一种非均匀电极单重态氧发生装置，其特征在于：

石英玻璃管的直径为10-50毫米，石英玻璃管的管壁较薄，为1-3毫米；

电极由金属制成，为平板形状，电极平板的宽度比石英玻璃管的直径多出1-5毫米，长度方向与石英玻璃管的轴线同方向。

3.按权利要求1所述的一种非均匀电极单重态氧发生装置，其特征在于：

金属柱的长度为石英玻璃管直径的二分之一；

两个金属柱的顶部相距12-60毫米。