CN109373183A - 一种片状放大器的循环气体吹扫系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种片状放大器的循环气体吹扫系统。该循环气体吹扫系统由氮氧混合气站、氮氧混合气、氮氧混合气循环系统组成。氮氧混合气站由液化气储罐、蒸发器、减压阀、混合配比器、温控器组成。在优化片状放大器基本结构的基础上，氙灯和钕玻璃片采用同源气体吹扫，降低灯箱和片箱间的气密性要求；采用循环气体系统，通过温控、过滤、置换等措施对吹扫气体进行循环利用，从而降低运行成本，提高效费比；采用安全比例的氮氧混合气作为循环气源，可从根本上解决因吹扫气体泄漏带来的人员窒息隐患，从而达到降低运行成本、提高运行安全性的目的。

Description

一种片状放大器的循环气体吹扫系统
技术领域
本发明属于高功率固体激光器领域，特别是涉及一种新型片状放大器的循环气体吹扫系统。
背景技术
用于惯性约束聚变的激光驱动装置是一项规模庞大、系统复杂、造价高昂的大科学工程，目前世界上许多国家的重要单位和实验室，比如美国利弗莫尔实验室、法国里梅尔实验室、日本大阪大学激光工程中心、中国的上海光机所和中物院八所等，都在对该激光驱动装置进行大量研究。均采用了氙灯泵浦钕玻璃片的400mm口径片状放大器系统。
片状放大器系统在运行完成后利用洁净干燥气体对片状放大器系统片箱与灯箱进行吹扫，主要目的一是每次充放电过程结束，在高强氙灯光辐照下，放大器腔内都会产生大量气溶胶粒子，对片箱内气溶胶完成快速吹扫置换，可以避免因气溶胶在钕玻璃片表面附着而造成损伤；二是每次充放电结束后，钕玻璃和氙灯中都会有大量热量产生，这部分热量造成钕玻璃片的热畸变，在下一个周期激光通过之前，这部分热畸变需尽快消除，必须对钕玻璃片与脉冲氙灯进行冷却，确保装置发射频次。
为避免钕玻璃片在长期使用过程中潮解，片箱对吹扫气体的相对湿度有严格要求。目前分别采用洁净度优于ISO 5级、相对湿度RH≤1％的干燥氮气对钕玻璃片吹扫冷却，采用洁净度优于ISO 5级、相对湿度RH≤40％的洁净干燥空气对氙灯吹扫冷却，该技术方案简单可靠。但有几点不足，一是片箱与灯箱之间气密性要求非常高；二是氮气系统与空气系统采用了直排工作方式，即在放大器完成吹扫后会将气体直接排放至大气中，从而造成气体浪费；三是在系统集成安装调试、运行、维护过程中经常会出现氮气的泄露，对操作人员造成安全隐患。
发明内容
本发明提供了一种新型片状放大器的循环气体吹扫系统，从而实现吹扫气体的循环利用，降低运行成本。
具体技术方案是，所述片状放大器的循环气体吹扫系统，包括氮氧混合气站和氮氧混合气循环系统；所述氮氧混合气站包括液氮储罐、液氧储罐、第一汽化器、第二汽化器、第一减压阀、第二减压阀、混合配比器、第一气体储罐、第二气体储罐、第三减压阀、第四减压阀、第一温控器和第二温控器；所述氮氧混合气循环系统包括组合空调器、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、片状放大器、气体参数传感器和循环气体控制模块。
组合空调器包括风机、温控器和过滤器；液氮储罐通过管道与第一汽化器连接，第一汽化器另一端通过管道与第一减压阀连接，第一减压阀通过管道分别与第一气体储罐和混合配比器连接，第一气体储罐之后的管道上依次设置第三减压阀和第一温控器，然后通过第三阀门与组合空调器一端连接；液氧储罐与第二汽化器连接后再通过第二减压阀与混合配比器连接，混合配比器再依次连接第二气体储罐、第四减压阀和第二温控器，然后再连接氮氧混合气循环系统的第六阀门；组合空调器另一端通过第一阀门和第二阀门与片状放大器连接；第四阀门通过管道一端连接在第三阀门与组合空调器之间，另一端通过管道连接在第六阀门与第五阀门之间；第五阀门另一端通过管道连接在第一阀门与第二阀门之间，第七阀门一端与片状放大器另一端与第五阀门、第四阀门和第六阀门分别连接；气体参数传感器设置在组合空调器与第一阀门之间、第二阀门与片状放大器之间、片状放大器与第七阀门之间；循环气体控制模块分别与气体参数传感器以及各阀门相连接。
气体参数传感器包括压力传感器、温度传感器和湿度传感器。
有益效果：本发明采用的循环气体吹扫方式，通过将用于吹扫的气体循环重复利用，从而大大降低吹扫气体的用量，每年的运行成本可降低一个数量级；采用氮氧混合气源，极大提高了气体吹扫期间，运行、维护人员的人身安全；对氙灯和钕玻璃片采用同源同步吹扫，极大降低了片状放大器灯箱和片箱间的气密性要求，可以减少片状放大器内有机密封材料的使用，减少片状放大器内污染物的产生，从而延长氙灯和钕玻璃的维护周期，保证片状放大器增益能力的维持。
附图说明
图1是氮氧混合气站原理框图。
图2氮氧混合气循环系统原理图。
附图标记说明：1—液氮储罐；2-液氧储罐；3.1-第一汽化器；3.2、第二汽化器；4.1、第一减压阀；4.2、第二减压阀；4.3、第三减压阀；4.4、第四减压阀；5-混合配比器；6.1、第一气体储罐；6.2、第二体储罐；7.1、第一温控器；7.2、第二温控器；7.3、第三温控器；8-氮氧混合气；9-组合空调器；10-风机；11-过滤器；12-管道；13.1、第一阀门；13.2、第二阀门；13.3、第三阀门；13.4、第四阀门；13.5、第五阀门；13.6、第六阀门；13.7、第七阀门；14-片状放大器。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明公开的一种片状放大器的循环气体吹扫方式做原理设计和具体实施说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1，如图1、图2所示，所述片状放大器的循环气体吹扫系统，包括氮氧混合气站和氮氧混合气循环系统；所述氮氧混合气站包括液氮储罐1、液氧储罐2、第一汽化器3.1、第二汽化器3.2、第一减压阀4.1、第二减压阀4.2、混合配比器5、第一气体储罐6.1、第二气体储罐6.2、第三减压阀4.3、第四减压阀4.4、第一温控器7.1和第二温控器7.2；所述氮氧混合气循环系统包括组合空调器9、第一阀门13.1、第二阀门13.2、第三阀门13.3、第四阀门13.4、第五阀门13.5、第六阀门13.6、第七阀门13.7、片状放大器14、气体参数传感器和循环气体控制模块(图中未示出)。
所述组合空调器9包括风机10、温控器7和过滤器11；液氮储罐1通过管道与第一汽化器3.1连接，第一汽化器3.1另一端通过管道与第一减压阀4.1连接，第一减压阀4.1连接通过管道分别与第一气体储罐6.1和混合配比器5连接，第一气体储罐6.1之后的管道上依次设置第三减压阀4.3和第一温控器7.1，然后通过第三阀门13.3与组合空调器9一端连接；液氧储罐2与第二汽化器3.2连接后再通过第二减压阀4.2与混合配比器5连接，混合配比器5再依次连接第二气体储罐6.2、第四减压阀4.4和第二温控器7.2，然后再连接氮氧混合气循环系统的第六阀门13.6；组合空调器9另一端通过第一阀门13.1和第二阀门13.2与片状放大器14连接；第四阀门13.4通过管道一端连接在第三阀门13.3与组合空调器9之间，另一端通过管道连接在第六阀门13.6与第五阀门13.5之间；第五阀门13.5另一端通过管道连接在第一阀门13.1与第二阀门13.2之间，第七阀门13.7一端与片状放大器14另一端与第五阀门13.5、第四阀门13.4和第六阀门13.6分别连接；气体参数传感器设置在组合空调器9与第一阀门13.1之间、第二阀门13.2与片状放大器14之间、片状放大器14与第七阀门13.7之间；循环气体控制模块分别与气体参数传感器以及各阀门相连接。阀门可选用蝶阀或球阀，过滤器可选袋式，网式，塔式等过滤器均可完成本申请的技术方案。循环气体控制模块选用PLC控制器。
风机10为循环系统内的氮氧混合气提供足够的压力，保证氮氧混合气在循环系统内，流经阀门、管道12、片状放大器14进行循环流动。氮氧混合气体流经片状放大器14时，会有一定的温升和带有污染物，组合空调器9内的第三温控器7.3会对氮氧混合气体进行控温，组合空调器9内的过滤11器将受污染的氮氧混合气恢复洁净。循环气体控制模块根据气体参数传感器回传的信号控制阀门的开关、温控器的输出功率以及是否需进行过滤器滤芯的更换。
气体参数传感器包括压力传感器、温度传感器和湿度传感器，各传感器采用常规气体传感器，现有技术中已经公开售卖，均可在市场上买到。
当气体经过液氮储罐1、第一汽化器3.1、第一减压阀4.1、第一气体储罐6.1、第三减压阀4.3、第一温控器7.1后输出的气体为干燥、洁净的恒温恒压氮气；而当气体经过液氮储罐1、第一汽化器3.1、第一减压阀4.1与液氧储罐2中氧气经第二汽化器3.2、第二减压阀4.2在混合配比器5中混合后，再经第二体储罐6.2、第四减压阀4.4和第二温控器7.2后输出的是干燥、洁净的恒温恒压氮氧混合气体。
干燥、洁净的恒温恒压气源产生步骤如下：
S1：液氮储罐1中的液氮流入第一汽化器3.1中，再经过第一减压阀4.1流入配比器5；
S2：与S1同时，液氧储罐2中的液氧流入第二汽化器3.2中，再经过第二减压阀4.2流入配比器5；
S3：流入配比器5的氮气和氧气进行一定比例的混合，流入第二气体储罐6.2中做缓冲平衡；
S4：干燥、洁净的氮氧混合气从气体储罐6.2中流出，经过第四减压阀4.4和第二温控器7.2，最终输出干燥、洁净的恒温恒压氮氧混合气。
S5：氮气旁路中氮气的产生于上述步骤相似，但无需通过混合配比器5，而是从第一汽化器3.1流出经第一减压阀4.1减压后直接流进第一气体储罐6.1，再流第三经减压阀4.3和第一温控器7.1，获得置换用的干燥、洁净的恒温恒压氮气。
氮氧混合气循环系统的工作步骤如下：
S1：干燥、洁净的恒温恒压氮氧混合气通过第三阀门13.3流入组合空调器9，经风机10增压后，流经第三温控器7.3和过滤器11，通过管道12再镜第一阀门13.1与第二阀门13.2流入片状放大器14；
S2：从片状放大器14出来的带有温升和污染物的氮氧混合气再次进入组合空调器9，经风机10增压后，经第三温控器7.3进行温控降温，经过滤器11进行污染物过滤，再次从组合空调器9输出干燥、洁净的恒温恒压氮氧混合气；
S3：当片状放大器14工作前，将片状放大器14内的氮氧混合气通过旁路置换为纯氮气；具体是通过控制阀门通过第三阀门13.3通入纯氮气，然后经过组合空调器9将片状放大器14内的氮氧混合气通过第七阀门13.7与第六阀门13.6再经管道置换排出。
S4：当气体参数传感器检测到循环系统内气体数值如湿度超过预警值后，通过循环气体控制模块控制第四阀门13.4和第五阀门13.5关闭，打开第六阀门13.6然后通过通入纯净的氮氧混合气体将湿度超过预警值的气体排出循环系统。
本发明采用的循环气体吹扫方式，可大大降低吹扫气体的用量，每年的运行成本可降低一个数量级；采用氮氧混合气源，极大提高了气体吹扫期间，运行、维护人员的人身安全；对氙灯和钕玻璃片采用同源同步吹扫，极大降低了片状放大器灯箱和片箱间的气密性要求，可以减少片状放大器内有机密封材料的使用，减少片状放大器内污染物的产生，从而延长氙灯和钕玻璃的维护周期，保证片状放大器增益能力的维持。

Claims (3)

1.一种片状放大器的循环气体吹扫系统，其特征在于：包括氮氧混合气站和氮氧混合气循环系统；所述氮氧混合气站包括液氮储罐、液氧储罐、第一汽化器、第二汽化器、第一减压阀、第二减压阀、混合配比器、第一气体储罐、第二气体储罐、第三减压阀、第四减压阀、第一温控器和第二温控器；所述氮氧混合气循环系统包括组合空调器、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、片状放大器、气体参数传感器和循环气体控制模块。
2.根据权利要求1所述的片状放大器的循环气体吹扫系统，其特征在于：组合空调器包括风机、温控器和过滤器；液氮储罐通过管道与第一汽化器连接，第一汽化器另一端通过管道与第一减压阀连接，第一减压阀通过管道分别与第一气体储罐和混合配比器连接，第一气体储罐之后的管道上依次设置第三减压阀和第一温控器，然后通过第三阀门与组合空调器一端连接；液氧储罐与第二汽化器连接后再通过第二减压阀与混合配比器连接，混合配比器再依次连接第二气体储罐、第四减压阀和第二温控器，然后再连接氮氧混合气循环系统的第六阀门；组合空调器另一端通过第一阀门和第二阀门与片状放大器连接；第四阀门通过管道一端连接在第三阀门与组合空调器之间，另一端通过管道连接在第六阀门与第五阀门之间；第五阀门另一端通过管道连接在第一阀门与第二阀门之间，第七阀门一端与片状放大器另一端与第五阀门、第四阀门和第六阀门分别连接；气体参数传感器设置在组合空调器与第一阀门之间、第二阀门与片状放大器之间、片状放大器与第七阀门之间；循环气体控制模块分别与气体参数传感器以及各阀门相连接。
3.根据权利要求1所述的片状放大器的循环气体吹扫系统，其特征在于：气体参数传感器包括压力传感器、温度传感器和湿度传感器。
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程晓锋;王洪彬;苗心向;秦朗;叶亚云;陈远斌;吕海兵;熊迁;贺群;马志强;赵龙彪;刘勇;贺少勃;袁晓东;朱启华;景峰;郑万国;: "高功率固体激光驱动器污染控制及片状放大器洁净度改进", 强激光与粒子束, no. 05, 15 May 2013 (2013-05-15) *

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111092357A (zh) * 2019-11-27 2020-05-01 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种组合式片状激光放大器开放式窗口组件

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