CN103872565A - 一种同轴套筒状单重态氧发生装置 - Google Patents

Abstract

一种同轴套筒状单重态氧发生装置。该装置由以下部件组成：一个放电腔，用内外两个圆筒状石英玻璃管构成；一对放电电极，由圆筒状金属管构成。此单重态氧发生装置能在保持相对产率的条件下有效提高放电气体压力（达到100Torr），可望应用于电激励氧碘激光器。

Description

一种同轴套筒状单重态氧发生装置

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，具体地说是一种在不显著降低单重态氧相对产率的条件下，能有效地提高运行时的气体压力和气体流量，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 SingletOxygen Generator），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；另一个是单重态氧的绝对浓度，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。因此，一个好的DSOG应该在增加运行时气体压力的同时，基本保持单重态氧产率变化不大。

众所周知，氧碘激光器的小信号增益随着温度的降低而增加，所以一般都采用超音速形式运行。当超音速膨胀发生时，温度迅速降低，并且马赫数越大，温度降低得越多，越有利于小信号增益。考虑到在一定的马赫数条件下，光腔压力与上游放电腔压力成正比，因此为了保证的光腔区单重态氧的绝对浓度较高，必须要求放电区的气体压力要很大才行，也就是说放电过程要在较高的气体压力下运转。

研究发现，在通过放电产生单重态氧时，单分子氧气注入能量的最优化条件是每个氧气分子5-8eV，大于这个值后单重态氧的产率反而会下降。因此，为了将电激励氧碘激光器的功率提高到千瓦级水平，必须同步提高放电区域的氧气流量，否则单分子氧气注入能量就会过大，降低单重态氧的产率。根据文氏管气体流量公式，当上游压力一定时，气体流量与管道面积成正比，为了提高气体流量，需要提高放电区的通道面积。

研究发现，氧原子对单重态氧的猝灭作用较大，并且主要是通过三体碰撞猝灭过程进行的：O₂(a¹Δ)+O+M →O₂+O+M，k=1x10^-32cm⁶/s，其中M是第三体碰撞伴侣（一般是O₂）。因此，当气体压力逐渐增高时，单重态氧的产率则随之下降，目前较高的单重态氧产率都是在较低的放电气体压力下获得的（氧气分压小于2torr）。为了提高放电气体压力，可以采用缩短放电电极间距的方法来实现，研究发现，当缩短放电电极间距的时候，可以在较高的气体压力下，不显著降低单重态氧相对产率。

综上所述，要达到在高产率条件下实现DSOG大流量、高气压的要求，所需要满足的条件应包括：（1)、高的气体压力，（2)、大的通道面积，（3)、短的放电间距。

传统的DSOG一般采用单根石英玻璃管两侧放置电极板，构成介质阻挡放电装置，因此放电电极间距就取决于石英玻璃管的外直径。

为了提高放电气体压力，目前大多都采用缩小单根石英玻璃管外直径的方法来实现，但是这也造成了石英玻璃管孔径的缩小（面积同时也缩小了），增大了流阻，减小了气体的通过能力，导致气体流量较小。

为了能使用大流量气体，不得不采用多根玻璃管并列的形式；但即使多根玻璃管并列也不能有效地利用放电极板内的空间，所以也有的放电腔采用了长方体通道的形式，即矩形横截面。

长方体放电腔可以做得很窄、很宽，基本满足了短间距、大面积的要求。然而，它的缺点在于，长方体形式的通道耐压能力不够，在冷热交替时，容易发生碎裂的情况。

因此，应该说截止到目前为止，还没有一种足够好的放电单重态氧发生器装置，能够很好地满足在高产率条件下实现大流量、高气压的要求。我们的发明就是为了解决此问题而产生的。

发明内容

为了克服上述不足，本发明的目的是设计制作一种能够满足大流量、高产率、高气压要求的放电单重态氧发生器装置，该放电装置要坚固耐用，并且能够在不显著降低单重态氧相对产率的条件下，有效地提高运行时的气体压力，满足大流量、高产率、高气压的要求，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，具体技术方案为：

一种同轴套筒状单重态氧发生装置，包括两个圆筒状石英玻璃管，一个为内管，另一个为外管，内管置于外管中，两个石英玻璃管为同轴套筒式结构，外管右端开口、左端密闭，内管左端开口、右端密闭，于靠近外管左端的外管壁上设有氧气入口；内管和外管之间的空腔构成放电腔；

于外管的外侧套设有圆筒状金属管，于内管的内部沿内管的轴线方向放置有圆筒状金属管，外管外的金属管与内管内的金属管构成一对放电电极。

内管外壁与外管内壁之间的空隙2-8毫米。

电极与石英玻璃管之间有1-3毫米的空隙。

放电腔内壁面上设有化合物涂层，涂层材料为AgO、HgO、IO₂、或HgI。

外管、外管外侧套设的圆筒状金属管、内管、内管内侧的圆筒状金属管同轴。

外部金属圆筒作为阳极（位于外石英管的外侧），内部金属圆筒作为空心阴极（位于内石英管的内侧），二者构成了一个射频放电结构，提供了放电激励源。

内石英管和外石英管构成了密封的放电腔，氧气通过注入喷嘴到达放电腔，在放电激励条件下被泵浦到激发态，即单重态氧（单重态氧储能粒子是电激励氧碘激光器的能量来源）。内石英管和外石英管均为圆柱形结构，耐压能力较强，使得整个放电腔坚固耐用。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过使用石英玻璃圆形套筒作为放电腔，满足了单重态氧发生器的大流量、高产率、高气压的要求，可以应用于电激励氧碘激光器。

2、本发明与传统的单筒型放电腔相比，在保持通道面积不变的条件下，有效地缩小了放电间距，在保持单重态氧相对产率的同时提升了放电气体压力。

3、本发明与长方形放电腔相比，圆形结构耐压能力更强，承压性能更好，更坚固耐用，不容易损坏。

此单重态氧发生装置能在保持相对产率的条件下有效提高放电气体压力（达到100Torr），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。

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：两个圆筒状石英玻璃管，一个为内管，另一个为外管，内管置于外管中，两个石英玻璃管为同轴套筒式结构，外管右端开口、左端密闭，内管左端开口、右端密闭，于靠近外管左端的外管壁上设有氧气入口；内管和外管之间的空腔构成放电腔；

于外管的外侧套设有圆筒状金属管，于内管的内部沿内管的轴线方向放置有圆筒状金属管，外管外的金属管与内管内的金属管构成一对放电电极。

外管、外管外侧套设的圆筒状金属管、内管、内管内侧的圆筒状金属管同轴。

氧气入口喷嘴1位于内石英玻璃管5和外石英玻璃管4的左端连接处，用于向放电腔6内注入氧气气体。

圆筒形放电阴极2位于内石英玻璃管5的内部，二者之间有1毫米的间距，可以避免阴极过热。

圆筒形放电阳极3位于外石英玻璃管4的外部。

内石英玻璃管5的左端是开口的，用于放入或取出圆筒形放电阴极2；内石英玻璃管5的右端是封闭的，用于隔绝右端的真空。

外石英玻璃管4的右端是开口的，气体从放电腔6出来后，通过此右端开口进入真空系统。

内管外壁与外管内壁之间的空隙8毫米。

电极与石英玻璃管之间有1毫米的空隙。

放电腔内壁面上设有化合物涂层，涂层材料为AgO。

本发明内外石英玻璃管套筒构成放电腔的设计，可以实现在不显著降低单重态氧相对产率的条件下，有效地提高运行时的气体压力，并具有耐压性好，坚固耐用的特点。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，从氧气入口喷嘴1注入氧气（压力100torr），并打开电源进行放电，调整放电功率到最大值。

第三步，根据实际情况，逐步加大氧气流量，并记录气体压力P和单重态氧自发辐射信号强度I（波长为1268nm）。

第四步，结束实验。

本发明具有以下特点，一是放电间距较小，能有效地提升放电腔气体压力，并增加单重态氧的产生效率；二是采用圆形放电腔结构，耐压能力较好，不容易损坏。

采用本发明，既可以在较高气压下保证放电均匀稳定可靠，又能提高放电产生单重态氧的效率。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 (5)

1.一种同轴套筒状单重态氧发生装置，其特征在于：

包括两个圆筒状石英玻璃管，一个为内管，另一个为外管，内管置于外管中，两个石英玻璃管为同轴套筒式结构，外管右端开口、左端密闭，内管左端开口、右端密闭，于靠近外管左端的外管壁上设有氧气入口；内管和外管之间的空腔构成放电腔；

于外管的外侧套设有圆筒状金属管，于内管的内部沿内管的轴线方向放置有圆筒状金属管，外管外的金属管与内管内的金属管构成一对放电电极。

2.按权利要求1所述的单重态氧发生装置，其特征在于：

内管外壁与外管内壁之间的空隙2-8毫米。

3.按权利要求1所述的单重态氧发生装置，其特征在于：

电极与石英玻璃管之间有1-3毫米的空隙。

4.按权利要求1所述的单重态氧发生装置，其特征在于：

放电腔内壁面上设有化合物涂层，涂层材料为AgO、HgO、IO₂、或HgI。

5.按权利要求1所述的单重态氧发生装置，其特征在于：

外管、外管外侧套设的圆筒状金属管、内管、内管内侧的圆筒状金属管同轴。

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