CN104713840A - 一种氯气利用率测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于氧碘激光器化学碘源的氯气利用率测量方法，属于化学激光领域。在氧碘激光器出碘管上设置有对称的第一和第二筒体，两筒体同轴设置，其轴线垂直于出碘管的轴向，且与出碘管的轴线相交，两筒体的内端均与出碘管相连通，两个筒体、与两筒体连通部分的出碘管以及测试窗口构成测试池。利用系统中残余氯气流量与碘流量直接相关而且二者光谱吸收范围不同的特点，采用了氯气与碘蒸气双组份吸收光谱同时测量法，最大限度地排除了粉尘的干扰。实验结果表明，本发明可以有效解决气流中存在粉尘颗粒导致的测量不准确，甚至测量无法进行等问题，而且操作简单，易于实现。

Description

一种氯气利用率测量装置和方法

技术领域

本发明属于化学激光技术领域。涉及到一种基于吸收光谱的化学碘源氯气利用率的测量方法，特别涉及到一种用于氧碘激光器化学碘源的氯气利用率测量方法。通过该测量方法，使采用化学碘源的氧碘化学激光器含碘气流中存在大量粉尘颗粒导致测量不准确甚至无法进行的问题得以解决。氧碘激光器的化学碘源受其工作原理限制，其供碘气流中不可避免的存在大量粉尘，普遍采用的单波长吸收光谱法很难将残余氯气流量和供碘流量测量准确，因为粉尘的存在会使透射光强减弱，从而使测量结果偏大，甚至出现测量无法进行的情况。本测量方法主要针对化学碘源氧碘激光器，最大可能地排除了粉尘的干扰，有效地解决了化学碘源氯气利用率的测量准确性问题，同时可以实现碘流量的在线测量，为氧碘激光器关键参数的测量提供了可靠的保障，从而可以推动高能氧碘化学激光器的发展。

背景技术

碘源是氧碘激光器的关键部件，是为激光器提供原料碘蒸气的，按照碘分子的产生方式可分为物理碘源和化学碘源。其中化学碘源是近年来刚刚兴起的氧碘激光器供碘技术，是利用氯气与无机碘化物包覆颗粒间的化学反应为激光器提供碘蒸气的，具有对设备的腐蚀性小，体积小巧等优点。化学碘源是利用氯气和碘化物包覆颗粒间的气-固化学反应来为激光器提供碘蒸气的，碘源在不同条件下对氯气的利用程度不同，因此氯气利用率是氧碘激光器化学碘源最重要的参数，其大小直接影响到碘分子的生成速率及激光器的供碘量，以致直接影响到激光器的输出功率，因此化学碘源氯气利用率的准确测量和实时监测对激光器的稳定输出和性能优化具有重要意义。

化学碘源在反应过程中需要通入超过反应气量数倍的惰性气体作为稀释气体，高速气流对固体物料床层的强烈冲击使反应后的气流里夹杂有很多粉尘颗粒，化学反应效率又决定了气流中还有部分残余氯气存在，所以化学碘源输出的气流组份中就有碘蒸气、稀释气体、残余氯气和粉尘颗粒。气流的多组分性使化学碘源的氯气利用率测量成为了难题。一方面粉尘颗粒的存在导致经过测试池的透射光强减弱，常规的吸收光谱法误差过大难以得到有效数据。另一方面，碘蒸气和残余氯气量都是未知的，这就无法利用文丘里流量计来计量氯气利用率。另外，碘蒸气在400-600nm、氯气在300-390nm谱段都有不同程度的吸收，专利CN101726337的双波长吸收光谱法因无法选择合适的参考光也不适用于此。因此化学碘源的氯气利用率目前只能利用系统化学反应的减重量来计算其平均值，无法进行动态测量。

本发明就是针对上述存在的问题而开发的用于氧碘激光器化学碘源的氯气利用率的测量方法。

发明内容

本发明是基于吸收光谱法的创新应用，目的是提供一种用于氧碘激光器化学碘源的氯气利用率测量方法。通过本发明可实现对采用化学碘源的氧碘激光器碘源氯气利用率及碘流量的准确测量和实时监测，从而达到优化激光器性能的目的。

为实现本发明的目的，具体的技术方案是：

一种用于氧碘激光器化学碘源的氯气利用率测量装置，在氧碘激光器出碘管上设置有对称的第一和第二筒体，两筒体同轴设置，其轴线垂直于出碘管的轴向，且与出碘管的轴线相交，两筒体的内端均与出碘管相连通，外端均设置有密封的第一和第二通光测试窗口，两个筒体、与两筒体连通部分的出碘管以及测试窗口构成测试池，筒体的侧壁设置有加热装置，同时筒体上分别设置有测温和测压装置；

在测试池一侧设置有光源，在光源与第一通光测试窗口之间设置有第一聚焦透镜，在测试池第二通光测试窗口外侧设置有带有硅CCD的光栅光谱仪，第二通光测试窗口和光谱仪之间设置有第二聚焦透镜。光源的发射光经过测试池后被光栅光谱仪分光并被CCD记录下来。光谱仪与计算机上的数据采集卡用数据线连接，由计算机控制数据采集并进行处理。

所述光源发射连续的可见光谱，范围包含300-600纳米谱段。

实验时先由CCD采集经过测试池后的透射光信号作为初始光强；短暂延迟后开启稀释气体阀门和氯气阀门，使气体进入碘源，在碘源内发生化学反应产生的含碘气流流经出碘管，由CCD采集经过测试池后的透射光强信号作为透射光强。

所述稀释气体为化学碘源反应过程中需要加入的惰性气体，如：氦气或氮气。

所述出碘管是激光器碘源输送碘蒸气的管路。

所述出碘管的轴向是指平行于出碘管内气流的方向。

所述加热装置的作用是为了保证碘蒸气不在测试池中冷凝下来。

对于通过实时反应产生碘的化学碘源，碘分子不会在容器和管道中长期存留，反应过程中又通入了大量稀释气体，所以只要测试池温度达到要求，可以不考虑碘对测试窗口的污染问题。但是高速气流对物料床层的冲击使待测的含碘气流里夹杂了大量细微的粉尘颗粒，采用常规单波长吸收光谱法测量残余氯气浓度时，粉尘颗粒对入射光发生散射，结果使测得的透射光强比实际值偏小，而测量初始光强时并没有粉尘通过测试池，所以测得的残余氯气浓度比实际值偏大，于是导致氯气利用率比实际值偏小，甚至无法得到有效数据。为了解决上述问题，我们利用系统中残余氯气流量与碘流量直接相关而且二者光谱吸收范围不同的特点，采用了氯气与碘蒸气双组份吸收光谱同时测量法。

具体方法及计算公式如下：

气体介质对光的吸收可以用Beer-Lambert定律来描述：

I=I₀exp(-snL)                          （1）

其中I₀是初始光强，I为透射光强，s为气体介质的吸收截面（cm²），n为气体介质浓度(个分子/cm³)，L为光在气体介质中的传播距离（cm），即测试池的长度。

由于气流中有粉尘颗粒的存在，造成透射光强减弱，所以透射光强和初始光强的关系应改为：

I=aI₀exp(-snL)                    （2）

其中a为透射光强的实际透过率。

由待测气体的吸收截面和吸收长度，根据初始光强和此时的透射光强即可得到待测吸收介质气体的浓度：

$n=\frac{1}{\mathrm{sL}}\ln a\frac{I_0}{I}---\left(3\right)$

若a已知，则根据理想气体物态方程，就可以计算得到待测气体介质的分压：

$P_x=\frac{n}{N_A}\mathrm{RT}---\left(4\right)$

其中N_A为阿佛加德罗常数，R为普适气体常数，T为测试池内气体温度。

再根据反应时的气体的总流量以及测试池总压，由Dalton定律可以计算得到反应过程中不同时刻待测气体的摩尔流量：

M_x=P_x(M_c+M_Cl2)/P_tot                     （5）

其中M_x为待测气体的摩尔流量，P_tot为测试池气体总压，M_c为反应过程中通入稀释气体的摩尔流量，M_Cl2为通入碘源的氯气摩尔流量。

根据氯气的吸收特性，选取310-360nm作为氯气的测试波长，由公式（3）、（4）得到待测气流中氯气的分压如下：

$P_1=\frac{\mathrm{RT}}{s_1{\mathrm{LN}}_A}\ln a_1\frac{I_{01}}{I_1}---\left(6\right)$

其中P₁为氯气分压，s₁为氯气的吸收截面，a₁为氯气测试波长透射光强的实际透过率，I₀₁为氯气测试波长的初始光强，I₁为氯气测试波长的透射光强。

根据碘的吸收特性，选取450-550nm作为碘蒸气的测试波长，由公式（3）、（4）得到待测气流中碘蒸气的分压如下：

$P_2=\frac{\mathrm{RT}}{s_2{\mathrm{LN}}_A}\ln a_2\frac{I_{02}}{I_2}---\left(7\right)$

其中P₂为碘分压，s₂为碘的吸收截面，a₂为碘蒸气测试波长透射光强的实际透过率，I₀₂为碘测试波长的初始光强，I₂为碘测试波长的透射光强。

粒度测量结果显示粉尘颗粒的粒径基本分布在5-7微米之间，对光的散射属于米氏散射，散射光的强度与入射光的波长没有依赖关系，所以氯气、碘各自测试波长透射光强的实际透过率可以认为是相同的，即

a₁=a₂=a                    （8）

由于该反应不存在气相副产物，残余氯气与碘蒸气的总量与通入碘源的氯气量相等，于是残余氯气与碘蒸气的分压之和为

P₁+P₂=P_tot·M_Cl2/(M_c+M_Cl2)              （9）

整理得到

$a=\exp \left\{\frac{s_1{s}_2}{s_1+s_2}\right[P_{\mathrm{tot}}\frac{{\mathrm{LN}}_A{M}_{\mathrm{Cl}2}}{\mathrm{RT}(M_c+M_{\mathrm{Cl}2})}-\frac{1}{s_1}\ln \frac{I_{01}}{I_1}-\frac{1}{s_2}\ln \frac{I_{02}}{I_2}\left]\right\}---\left(10\right)$

将由（10）得到的a带回（6）可以得到残余氯气分压，从而得到残余氯气流量。1减去残余氯气与通入碘源的氯气流量之比即为化学碘源的氯气利用率。

如将（10）得到的a带回（7）则可以得到碘蒸气的分压，从而得到碘源的供碘流量。

针对上述化学碘源氯气利用率的测量方法，本发明进行了系统的结构设计，如图1所示。该系统可以实现化学碘源氯气利用率的动态测量，同时也可以用于日常供碘稳定性的监测和碘流量的计量。

本发明的效果和益处是：

1.本发明通过双组份吸收光谱同时测量法实现了化学碘源氯气利用率的动态监控和测量，而且操作简便。

2.与传统的氯气利用率测量技术相比，本发明有效解决了粉尘颗粒导致的化学碘源氯气利用率测量不准确，甚至无法测量的问题。

3.本发明也可以用于其它A（气）+B（固）→C（气）+D（固）型无气相副产物的化学反应，由于存在粉尘而无法用吸收光谱法测量其物种浓度的测量中。

附图说明

图1是一种用于化学碘源氯气利用率测量装置的示意图。

图中：1光源，2聚焦透镜，3测试窗口，4筒体，5测温装置，6测压装置，7激光器出碘管，8加热装置，9筒体，10测试窗口，11聚焦透镜，12光谱仪，13CCD，14计算机。

具体实施方式

一种用于氧碘激光器化学碘源的氯气利用率测量装置，在氧碘激光器出碘管上设置有对称的第一和第二筒体，两筒体同轴设置，其轴线垂直于出碘管的轴向，且与出碘管的轴线相交，两筒体的内端均与出碘管相连通，外端均设置有密封的第一和第二通光测试窗口，两个筒体、与两筒体连通部分的出碘管以及测试窗口构成测试池，筒体的侧壁设置有加热装置，同时筒体上分别设置有测温和测压装置；

在测试池一侧设置有光源，在光源与第一通光测试窗口之间设置有第一聚焦透镜，在测试池第二通光测试窗口外侧设置有带有硅CCD的光栅光谱仪，第二通光测试窗口和光谱仪之间设置有第二聚焦透镜。光源的发射光经过测试池后被光栅光谱仪分光并被CCD记录下来。光谱仪与计算机上的数据采集卡用数据线连接，由计算机控制数据采集并进行处理。

根据氯气和碘的吸收性质，可以选取310-360nm入射光作为氯气的吸收波长，450-550nm入射光作为碘蒸气的吸收波长。

实施例1

根据氯气和碘蒸气的吸收性质，选取340nm入射光作为氯气的吸收波长490nm入射光作为碘蒸气的吸收波长。

具体操作步骤如下：

第一步给测试池加热至430K，并稳定30分钟。

第二步设定采集时间30秒，采样频率1赫兹。

第三步调整光路。使CCD接收的信号至最大。

第四步数据采集，保存作为初始光强。

第五步开启稀释气体及氯气阀门，同时进行数据采集，保存作为透射光强。

第六步结束实验，数据处理。

340nm和490nm的初始光强光谱数据分别为1731、3778，透射光强光谱数据为913、1331，通入碘源的氯气流量为11.4mmol/s,氦气流量为63mmol/s,测试池的气体温度63℃，测试池总压17.2torr,代入（10）得到a=0.77,再将a=0.77带回（6）式，得到残余氯气分压为0.72torr,对应流量为3.1mmol/s，则氯气利用率为73%。

该发明具体应用到氧碘化学激光器上，根据不同条件下碘源氯气利用率的差别，可以在光谱仪入口处添加合适的滤光片，以获得较高的测量灵敏度。

本发明通过同时测量双组份各自的吸收光谱得到碘源的氯气利用率。利用氯气和碘蒸气的吸收性质，根据Beer-Lambert定律，可以测量并计算得到残余氯气的压力，再根据已知的稀释气体和反应气体流量及待测气体的温度和总压，可以计算得到碘源的氯气利用率。经与化学称重法结果对比表明，本发明可以有效解决化学碘源的粉尘对测试光散射导致的测量误差过大，甚至无法进行的问题，实现化学碘源氯气利用率的动态测量，测量结果在允许误差范围内准确可靠，而且结构紧凑，操作简便。

Claims (6)

1.一种氯气利用率的测量装置，其特征在于：

在碘源出碘管（7）上设置有对称的第一筒体（4）和第二筒体（9），两筒体同轴设置，其轴线垂直于出碘管（7）的轴向，且与出碘管（7）的轴线相交，第一筒体（4）和第二筒体（9）靠近出碘管（7）的内端均与出碘管（7）相连通，第一筒体（4）和第二筒体（9）远离出碘管（7）的外端均设置有透明的第一通光测试窗口（3）和第二通光测试窗口（10），第一通光测试窗口（3）与第一筒体（4）间、及第二通光测试窗口（10）与第二筒体（9）间密闭连接；第一筒体（4）和第二筒体（9）两个筒体、与两筒体连通的出碘管部分以及通光测试窗口构成测试池，于第一筒体（4）和第二筒体（9）两个筒体的侧壁上均设置有加热装置（8），于第一筒体（4）上设置有测温装置（5），于第二筒体（9）上设置有测压装置（6）；

于第一筒体（4）的外部靠近第一通光测试窗口（3）的一侧设置有光源（1）；在光源（1）与测试窗口（3）之间设置有第一聚焦透镜（2）；

于第二筒体（9）的外部靠近第二通光测试窗口（10）的一侧设置有带电荷耦合器件（CCD）（13）的多道光纤光谱仪（12），在第二通光测试窗口（10）和光谱仪（12）之间设置有第二聚焦透镜（11）；光谱仪（12）与计算机（14）上的数据采集卡连接，由计算机（14）进行数据采集和处理。

2.按照权利要求1所述装置，其特征在于：

光源（1）发出的光经过第一聚焦透镜（2）透过第一通光测试窗口（3）进入测试池，进入测试池的光的光轴方向与第一通光测试窗口（3）同轴，光源（1）发射的光谱包含300-600纳米范围谱段。

3.按照权利要求1所述装置，其特征在于：

计算机（14）与光谱仪（12）的数据通讯接口相连。

4.一种权利要求1-3任一项所述装置用于氧碘激光器化学碘源的氯气利用率测量方法，其

特征在于：

1）先由CCD采集经过测试池后的透射光强信号作为初始光强；

2）短暂延迟后开启稀释气体阀门和氯气阀门，使气体进入碘源，在碘源内发生化学反应产生的含碘气流流经出碘管，由CCD采集经过测试池后的透射光强信号作为透射光强；

3）气体对光的吸收可以用Beer-Lambert定律来描述：

I=I₀exp(-snL)

（1）

其中I₀是初始光强，I为透射光强，s为气体介质的吸收截面（cm²），n为气体介质浓度(个分子/cm³)，为光在气体介质中的传播距离（cm），即测试池的长度；

由于气流中有粉尘颗粒的存在，造成透射光强减弱，所以透射光强和初始光强的关系应改为：

I=aI₀exp(-snL)

（2）

其中a为透射光强的实际透过率；

由待测气体的吸收截面和吸收长度，根据初始光强和此时的透射光强即可得到待测吸收介质气体的浓度：

$n=\frac{1}{\mathrm{sL}}\ln a\frac{I_0}{I}$

（3）

若a已知，则根据理想气体物态方程，就可以计算得到待测气体介质的分压：

$P_x=\frac{n}{N_A}\mathrm{RT}$

（4）

其中N_A为阿佛加德罗常数，R为普适气体常数，T为测试池内气体温度。

再根据反应时的气体的总流量以及测试池总压，由Dalton定律可以计算得到反应过程中不同时刻待测气体的摩尔流量：

M_x=P_x(M_c+M_Cl2)/P_tot

（5）

其中M_x为待测气体的摩尔流量，P_tot为测试池气体总压，M_c为反应过程中通入稀释气体的摩尔流量，M_Cl2为通入碘源的氯气摩尔流量；

根据氯气的吸收特性，选取310-360纳米作为氯气的测试波长，由公式（3）、（4）得到待测气流中氯气的分压如下：

$P_1=\frac{\mathrm{PT}}{s_1{\mathrm{LA}}_A}\ln a_1\frac{I_{01}}{I_1}---\left(6\right)$

其中P₁为氯气分压，s₁为氯气的吸收截面，a₁为氯气测试波长透射光强的实际透过率，I₀₁为氯气测试波长的初始光强，I₁为氯气测试波长的透射光强。

根据碘的吸收特性，选取450-550纳米作为碘蒸气的测试波长，由公式（3）、（4）得到待测气流中碘蒸气的分压如下：

$P_2=\frac{\mathrm{PT}}{s_2{\mathrm{LN}}_A}\ln a_2\frac{I_{02}}{I_2}$

（7）

其中P₂为碘分压，s₂为碘的吸收截面，a₂为碘蒸气测试波长透射光强的实际透过率，I₀₂为碘测试波长的初始光强，I₂为碘测试波长的透射光强。

粒度测量结果显示粉尘颗粒的粒径基本分布在5-7微米之间，对光的散射属于米氏散射，散射光的强度与入射光的波长没有依赖关系，所以氯气、碘各自测试波长透射光强的实际透过率可以认为是相同的，即

a₁=a₂=a

（8）

由于该反应不存在气相副产物，残余氯气与碘蒸气的总量与通入碘源的氯气量相等，于是残余氯气与碘蒸气的分压之和为

P₁+P₂=P_tot·M_Cl2/(M_c+M_Cl2)

（9）

整理得到

$a=\exp \left\{\frac{s_1{s}_2}{s_1+s_2}\right[P_{\mathrm{tot}}\frac{{\mathrm{LN}}_A{M}_{\mathrm{Cl}2}}{\mathrm{RT}(M_c+M_{\mathrm{Cl}2})}-\frac{1}{s_1}\ln \frac{I_{01}}{I_1}-\frac{1}{s_2}\ln \frac{I_{02}}{I_2}\left]\right\}---\left(10\right)$

将由（10）得到的a带回（6）就可以得到残余氯气分压，从而得到残余氯气流量；1减去残余氯气与通入碘源的氯气流量之比即为化学碘源的氯气利用率。

5.按照权利要求4所述的测量方法，其特征在于：

如将由（10）得到的a带回（7）则可以得到碘蒸气的分压，从而得到碘源的供碘流量。

6.按照权利要求4或5所述的测量方法，其特征在于：

可用于采用化学碘源的氧碘激光器进行碘源氯气利用率的测量和/或日常的供碘稳定性监测上。