CN104466658A - 用于重频蓝绿激光器的自动化大流量XeF2气体供给装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于重频蓝绿激光器的自动化大流量XeF₂气体供给装置，基于分路混合原理，将氩氮混合气体分成两路，小气流从支气路带出一定量的XeF₂气体与主气路中的大气流混合后，输送至激光气室，XeF₂气体浓度通过控制支气路气体流量自动调节，主气路和支气路中混合气体的流量将由气体质量流量控制器调节。本发明实现了自动化控制，装置简单方便，同时减小了浪费，提高了实验的效费比，同时有效减少预热时间，使得供气前期的准备时间短，提高了实验效率，并成功用于开放式重频XeF(C-A)蓝绿激光器中。

Description

用于重频蓝绿激光器的自动化大流量XeF2气体供给装置

技术领域

本发明涉及XeF(C-A)蓝绿激光器气体介质供给装置，尤其涉及开放式重频XeF(C-A)蓝绿激光器XeF₂气体供给装置。

背景技术

XeF(C-A)蓝绿激光器的输出波长为460nm～520nm，处于水下和大气传输窗口，单脉冲能量达到了十焦耳级，与激光水下通信对激光源的要求相吻合，并且还具有增益带宽很宽，输出波长可调谐的优点，因此大功率高重频的XeF(C-A)蓝绿激光器在激光水下通信与水下探测领域有着很好的应用前景。从XeF(C-A)蓝绿激光输出的过程看，XeF₂蒸气分子吸收表面放电产生的紫外波段(130～180nm)的光子，光解离形成激光输出后，产生Xe和F，不能再复合生成XeF₂分子，因此在XeF蓝绿激光器重频运行过程中需要XeF₂气体供给装置不断向激光器腔室内补充XeF₂气体，特别地，激光器重复频率较高时，需要大流量的自动化XeF₂气体供给装置。

为了实现XeF(C-A)蓝绿激光器重频运行，2006年第33卷的《中国激光》“十焦耳级重复频率光抽运XeF(C-A)激光器”和2006年第18卷的《强激光与粒子束》“重频XeF(C-A)蓝绿激光器中XeF₂浓度的监测与控制”中公开了一种基于分路混合原理的XeF₂气体供给装置，它的工作原理是将氩氮混合气体分成两路，主气流经流量计和加热器进入预混罐，小流量的支气流经流量计从XeF₂气体发生器中带出XeF₂气体进入预混罐，两路气体在预混罐中混合后流入激光气室。该装置将XeF₂气体浓度控制在1.0×10¹⁷cm³附近同时，可输出最大流量约为十几升每秒，满足了开展Hz级低重频率开放式XeF(C-A)激光器研制工作。但是这个XeF₂气体供给装置存在以下不足：第一，对XeF₂气体浓度的控制和调节不方便、调节时间长，造成了大量XeF₂气体浪费；第二，采用预混罐，装置结构复杂，体积较大；第三，准备时间长；第四，输出气体流量较小，只有每秒十几升。这些不足导致了XeF₂气体供给装置不能用于开展更高重频开放式XeF(C-A)蓝绿激光器研制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可输出大流量的、浓度稳定的、自动化的XeF₂气体供给装置，可用于开放式10Hz重频XeF(C-A)蓝绿激光器研制。该装置通过利用自动化控制技术，使输出气体流量可达到100L/s量级，XeF₂气体浓度可控制在(0.5～1.2)×10¹⁷cm^-3范围内调节，稳定时间约30s，同时装置摒弃了预混罐，结构简单。

本发明的技术方案如下：

一种用于重频蓝绿激光器的自动化大流量XeF₂气体供给装置，包括主气路单元、支气路单元、XeF₂气体发生器、混合管和用于控制气体流量和开关阀门的控制单元；

其中主气路单元包括通过管路和阀门联接的主气源、流量控制器和主气体加热器；支气路单元包括通过管路和阀门联接支气源、流量控制器和支气体加热器；

XeF₂气体发生器包括存储罐、内加热单元和外加热单元，存储罐内放置的XeF₂晶体，并通过罐盖密封；外加热单元包裹在存储罐的底部和外围，内加热单元为设置在存储罐下部的多根串接的U形盘管，所述U形盘管内置有加热电阻丝，所述的电阻丝与存储罐外部的电源电联接；

混合管为二进一出的Y型结构，主气路单元出口和混合管的一个进口通过阀门联通；混合管的另一进口穿过存储罐的上端或罐盖并伸入至存储罐内的底部；支气路单元的出口穿过存储罐的上端或罐盖，并伸入至存储罐内的顶部。

上述自动化大流量XeF₂气体供给装置中，主气路单元的管道直径大于支气路单元管道的直径。

上述自动化大流量XeF₂气体供给装置中，主气路单元的管道直径为支气路单元管道的直径的2倍。

上述自动化大流量XeF₂气体供给装置中，主气源(17)和支气源(16)内的气体为氩气和氮气的混合气体。

上述自动化大流量XeF₂气体供给装置中，气体供给装置中设置了若干温度传感器(1、2、3、4)。

上述自动化大流量XeF₂气体供给装置中，外加热单元(31)为电加热带。

上述自动化大流量XeF₂气体供给装置中，U形盘管为长度约10m，直径为10mm的不锈钢钢管。

上述自动化大流量XeF₂气体供给装置中，主气路单元的管道、支气路单元的管道、混合管的管道外部均包有保温带。

本发明具有以下的有益效果：

1、本发明实现了大流量的、浓度稳定的XeF₂混合气体输出，气体流量达到了100L/s量级，XeF₂气体可控制在(0.5～1.2)×10¹⁷cm^-3范围内调节，稳定时间约30s，同时实现了自动化控制，装置使用更方便，同时减小了浪费，提高了实验的效费比。

2、本发明通过控制高压缓冲气体的流量从而达到调控XeF₂浓度的目的，使得通过出气管的XeF₂气体浓度可控，从而对准分子激光器气室内部的XeF₂浓度精确调控，同时为XeF₂气体浓度长时间稳定输出提供基本保证，满足了激光器不同运行条件下对浓度的要求。

3、本发明将XeF₂气体激光器所需要的气体按照管道直径分成大流量的的主气路和小流量的支气路，主气路保证光腔内反应所需要的气体流量，支气路则用于将升华后的XeF₂按照合适的浓度带出，同时满足了激光器运行的要求。

4、本发明的内加热单元采用内置加热电阻丝的多级U形盘管，一方面起到加热的作用，另一方面在晶体升华过程中可吸附在U形盘管的表面，增加了晶体的升华面积，通过内部热升华与大面积升华相结合的方式，提高了存储罐内XeF2晶体升华速率和XeF2蒸汽压，有效减少预热时间，提高了气体发生效率；同时对主气路和支气路的气体进行加热，防止XeF2气体凝结在管壁上，使得供气前期的准备时间短，提高了实验效率。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图；

图2是本发明输出XeF₂气体浓度典型曲线图。

附图标记为：1～4为温度传感器，5—内加热单元，6—存储罐，7～11为气体截止阀门，12、13为流量控制器；14、15为气体加热器；16—支气源，17—主气源，19—气体发生器，20—混合管，31—外加热单元，32—晶体，33—进气管，34—出气管，35—罐盖。

具体实施方式

如图1所示，本发明采用的XeF₂气体供给装置，包括主气路单元、支气路单元、XeF₂气体发生器19、混合管20和用于控制气体流量和开关阀门的控制单元；主气路单元包括通过管路和阀门7联接的主气源17、流量控制器13和主气体加热器15；支气路单元包括通过管路和阀门8、9联接支气源16、流量控制器12和支气体加热器14；

XeF₂气体发生器包括存储罐6、内加热单元5和外加热单元31，存储罐6内放置的XeF₂晶体32，并通过罐盖35密封；外加热单元31包裹在存储罐6的底部和外围，的内加热单元5为设置在存储罐6下部的多根串接的U形盘管，所述U形盘管内置有加热电阻丝，所述的电阻丝与存储罐6外部的电源电联接；

混合管20为二进一出的Y型结构，主气路单元出口和混合管20的一个进口通过阀门11联通；混合管20的另一进口34穿过存储罐6的上端或罐盖35并伸入至存储罐6内的底部；支气路单元的出口33穿过存储罐6的上端或罐盖35，并伸入至存储罐6内的顶部。

为了满足XeF激光器10Hz重频运行时的气体供给需求，选取支气路管道内径为25mm，主气路管道内径为50mm，均选用不锈钢管道，以防止XeF₂与管道内壁发生化学反应，主气路、支气路与混合管连接。混合管采用Y型结构，较细的管道以小角度倾斜与较粗的管道焊接为一体，这样可以避免支气路气流堵塞的情况，使主气路与支气路的气流在混合管道中基本同向流动，同时也便于两路气流的均匀混合。

主气路和支气路中均设置了用于加热混合气体的加热器，加热器的结构为圆柱筒。主气路气流量较大，所需的加热功率也较大，约为9kW，由三根缠绕电阻丝的陶瓷管组成；支气路气流量较小，约0.5kW，由一根缠绕电阻丝的陶瓷管构成。对于支气路，加热器的功能是加热流入XeF₂发生器的气体，进入发生器的热气流可以促进XeF₂晶体的升华，保证流出气体携带足够浓度XeF₂气体以满足激光器重频运行的要求。对于主气路，加热器的功能是加热流入激光器的气流，防止XeF₂气体遇冷凝结。另外主、支气路中的所有管路外表面均包覆加热带，用来加热和保温流经管路的气体，防止XeF₂气体凝结在管壁上。在两路气体的温度由加热器出口处和主/支气路交汇处均设有温度传感器，分别测量两加热器出口处气体温度和气流管道外壁温度。

XeF₂气体发生器基于升华原理，利用XeF₂晶体升华产生XeF₂气体，采用密闭结构、不锈钢材料，圆柱形，容积约为60L左右。该发生器应用了热升华与大面积升华相结合的方式，外部采用硅橡胶带加热，功率约为2.7kW，主用于加热混合气体和底部的XeF₂晶体；内部采用两根用于增大XeF₂晶体表面的U形盘管，每根U形盘管长约10m，盘管为直径10mm的不锈钢钢管，内置加热电阻丝，加热丝功率0.5kW。在发生器内部、外壁和盘管内壁均设有温度传感器，分别用于测量发生器内部气体、外壁与盘管的温度。通过热升华与大面积升华相结合的方式，提高了发生器内XeF₂晶体升华速率和XeF₂蒸汽压，有效减少预热时间，发生器的温度不超过100℃，预热时间小于30min。发生器处于支气路中，其上端焊接有支气路的进气管和出气管。其中，进气管进入发生器内部的部分较长，这样可以使支气路管道内的缓冲气体从发生器底部借助一定的气体压力自然向上扩散，并在扩散过程中与XeF₂气体混合均匀；支气路出气管则较短，其端面与发生器盖的内表面重合，并在管道内口倒角，以减小发生器内部混合气体流出时的阻力。

在气体流量控制上，主/支气流采用独立的气流控制方式，可根据要求灵活改变气体流量。为了实现气体流量控制快响应，采用气体质量流量控制器调节气体流量，主气路的气体流量较大，约100L/s，由四个气体质量流量控制器并联组成，并且每个控制器对于一个独立的气路，这保证了主气路气体流量在0～100L/s范围可控。支气路的气体流速较小，由两个气体质量流量控制器并联组成，气体流量调节范围0～10L/s。

图1中气路中7、8、9、10、11处设置有气体截止阀门，用于防止气路中产生非正常气体流动。这些气体截止阀门均为电控气动截止阀，通径包括20mm、25mm、50mm三种，响应快，气密性好，控制方便。

控制器用于装置中各个加热部分的温度、各个阀门的开启与关闭、气体质量流量控制器的开启与关闭等参量的控制。图1中1、2、3、4处温度分别采用独立的温度控制单元，由自能温控仪表控制；装置中气体流动控制采用主/至气流独立控制方式，对于主气路，图1中7、11、13处通过24V电信号同时控制开启与关闭，对于支气路，图1中8、9、10、12处通过24V电信号同时控制开启与关闭。

本发明成功用于开放式重频XeF(C-A)蓝绿激光器中，图2是本发明输出XeF₂气体浓度典型曲线图，其中横坐标为气体输出时刻，纵坐标为气体浓度值，可见其实现了气体的稳定输出。

本发明不局限于上述具体实施方式，比如主气路中气体质量流量控制器13和电控气动截止阀门7的数量可以不仅限四个，支气路中气体质量流量控制器组12和电控气动截止阀门8的数量可以不仅限两个，加热器的外形不限于圆形，其内部的绕有电阻丝的陶瓷管也不限于现有数量。以上变化均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.用于重频蓝绿激光器的自动化大流量XeF₂气体供给装置，其特征在于：包括主气路单元、支气路单元、XeF₂气体发生器(19)、混合管(20)和用于控制气体流量、开关阀门和加热单元的控制单元；

所述的主气路单元包括通过管路和阀门(7)联接的主气源(17)、流量控制器(13)和主气体加热器(15)；

所述的支气路单元包括通过管路和阀门(8、9)联接支气源(16)、流量控制器(12)和支气体加热器(14)；

所述的XeF₂气体发生器包括存储罐(6)、内加热单元(5)和外加热单元(31)，所述的存储罐(6)内放置的XeF₂晶体(32)，并通过罐盖(35)密封；所述的外加热单元(31)包裹在存储罐(6)的底部和外围，所述的内加热单元(5)为设置在存储罐(6)下部的多根串接的U形盘管，所述U形盘管内置有加热电阻丝，所述的电阻丝与存储罐(6)外部的电源电联接；

所述的混合管(20)为二进一出的Y型结构，主气路单元出口和混合管(20)的一个进口通过阀门(11)联通；混合管(20)的另一进口(34)穿过存储罐(6)的上端或罐盖(35)并伸入至存储罐(6)内的底部；所述的支气路单元的出口(33)穿过存储罐(6)的上端或罐盖(35)，并伸入至存储罐(6)内的顶部。

2.根据权利要求1所述的用于重频蓝绿激光器的自动化大流量XeF₂气体供给装置，其特征在于：所述的主气路单元的管道直径大于支气路单元管道的直径。

3.根据权利要求2所述的用于重频蓝绿激光器的自动化大流量XeF₂气体供给装置，其特征在于：所述的主气路单元的管道直径为支气路单元管道的直径的2倍。

4.根据权利要求1或2所述的用于重频蓝绿激光器的自动化大流量XeF₂气体供给装置，其特征在于：所述的主气源(17)和支气源(16)内的气体为氩气和氮气的混合气体。

5.根据权利要求1所述的用于重频蓝绿激光器的自动化大流量XeF₂气体供给装置，其特征在于：所述的气体供给装置中设置了若干温度传感器(1、2、3、4)。

6.根据权利要求1所述的用于重频蓝绿激光器的自动化大流量XeF₂气体供给装置，其特征在于：所述的外加热单元(31)为电加热带。

7.根据权利要求1所述的用于重频蓝绿激光器的自动化大流量XeF₂气体供给装置，其特征在于：所述的U形盘管为长度约10m，直径为10mm的不锈钢钢管。

8.根据权利要求1所述的用于重频蓝绿激光器的自动化大流量XeF₂气体供给装置，其特征在于：所述主气路单元的管道、支气路单元的管道、混合管的管道外部均包有保温带。