CN1423854A - 碘激光用高频放电型激励氧发生器及高频放电型激励氧发生方法 - Google Patents

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Abstract

高频放电型激励氧发生器,具有:空心阴极(2),其开口有等离子槽(3)；阳极(4),设置在该空心阴极(2)的排出侧并与空心阴极(2)绝缘；和高频电源(5),向该阳极(4)和空心阴极(2)之间提供高频电能。激励氧发生器向空心阴极(2)的等离子槽(3)供给O2气或O2气中混合有其他气体的混合气体,生成单态激励氧。另外,激励氧发生器在空心阴极(2)的等离子槽(3)的供给侧,设置有对着等离子槽(3)的中心供给NO气体的喷射器(10)。供给等离子槽(3)的中心部分的NO气体,在没有氮和氧离解的状态下激励O2气,产生激励氧。

Description

碘激光用高频放电型激励氧发生器及 高频放电型激励氧发生方法
技术领域
本发明涉及一种产生主要供给碘激光装置的激励氧的装置及方法，特别是涉及一种高频放电型激励氧发生器。
背景技术
碘激光因其光质好、纤维导光性好，期待着能被用作产业用激光。
过去，碘激光是利用具有图1及图2所示的化学激励氧发生器21的碘激光装置20进行振荡。该化学激励氧发生器21中，如图1及图2所示，向双氧水中添加氢氧化钠溶液，使氯气在该混合溶液中起泡，生成单态激励氧(O2(1△))(以下有时只称激励氧)。所生成的激励氧是用湿法生成的，所生成的激励氧中含有水分。因此，设置有水蒸气疏水器22，以清除激励氧中的水分。
该水蒸气疏水器22的简略结构如图2所示，使包含在激励氧中的水蒸气在旋转盘23上结冰，用刮刀(未图示)把其刮落以清除水蒸气。为此，在该水蒸气疏水器22内设置有多个旋转盘23。结果，该水蒸气疏水器22变大型化，同时旋转盘23的冷却用能量及旋转用能量的消耗也相当大。自然，设备费用及运转成本也增大。另外，所使用的原料氯气、双氧水及氢氧化钠水溶液也属高价品，使得运转成本进一步增加。
此外，用于生成激励氧的氯气起泡的水溶液，由于化学反应生成NaCl，因循环使用未反应的双氧水及氢氧化钠水溶液，所以需要废液处理设备。另外，氯气起泡时，剩余的氯气和在起泡过程中产生的副产物氯化氢气体是有害气体，所以还需要排气处理设备。这些各种处理设备的需要，进一步加大了具有化学激励氧发生器21的碘激光装置20的大型化和成本的增加。
所以，因具有化学激励氧发生器的碘激光装置存在上述问题，本发明者等不使用化学激励氧发生器，开发了具有所谓干式RF放电型激励氧发生器的碘激光装置(特开平7-254738号公报)。图3所示的就是该碘激光装置。
该图所示的RF放电型激励氧发生器25，在进行RF放电时，适当选择空心阴极形式，同时适当选择通过空心阴极的氧气的流速、空心内压力、施加的电能等，进行RF放电，在位于未等离子化的中性氧和辉光部分之间的余辉等离子层中，生成激励氧。
用该RF放电型激励氧发生器25生成的单态激励氧，在激光振荡器26中把能量转移给碘原子，进行激光振荡。该碘激光装置具有：RF放电型激励氧发生器25；激光振荡器26，设置于该RF放电型激励氧发生器25的下游；碘捕集器27，设置于该激光振荡器26的下游；气体循环鼓风机28，设于该碘捕集器27的下游；碘气化器29，向前述激光振荡器26提供碘原子；和真空泵30，使激光振荡器26内保持一定真空压。通过RF放电型激励氧发生器25生成单态激励氧，在激光振荡器26中，前述单态激励氧的能量被转移到来自碘气化器29的碘原子上，以进行激光振荡。
本发明者试制了具有上述RF放电型激励氧发生器的碘激光装置。但是，具有图示的RF放电型激励氧发生器的碘激光装置，实际上不能进行碘激光振荡。这是因为，RF放电型激励氧发生器不能有效地生成单态激励氧。
本发明的目的在于完成了有效产生激励氧并进行碘激光振荡的开发，所以，本发明的重要目的是提供能有效产生激励氧的碘激光用高频放电型激励氧发生器。
发明内容
本发明的碘激光用高频放电型激励氧发生器具有：空心阴极2，开口有等离子槽3；阳极4，设置在贯通该空心阴极2的等离子槽3的排出侧，并与空心阴极2绝缘；高频电源5，向该阳极4和空心阴极2之间提供高频电能。该激励氧发生器向空心阴极2的等离子槽3提供O2气或O2气中混合有其他气体的混合气体，生成单态激励氧。
另外，高频放电型激励氧发生器在空心阴极2的等离子槽3的供给一侧上，设置有对着等离子槽3的中心供给NO气体的喷射器10。喷射器10向等离子槽3的中心部分提供NO气体。这里所供给的NO气体在等离子槽3处不离解成氮和氧，就被有效地激励，并通过该能量激励O2气体形成激励氧。
高频放电型激励氧发生器，把N2气体、NO气体和O2气体供给喷射器10的等离子槽3，并用N2气体和NO气体激励O2气体，生成激励氧。激励氧发生器向等离子槽3的中心提供的不是N2气体而是NO气体，这是因为NO气体的离解能比N2气体小，容易离解。NO气体的离解能是6.479eV，N2气体的离解能是9.760eV。如果离解能小的NO气体被离解，就会形成氮和氧，不能激励O2气体。
发生器把容易离解的NO气体用喷射器10提供给等离子槽3的中心部分。等离子槽3的中心部分的电子密度小，所以被电子激励而离解的概率低。因此，这里所供给的NO气体可以在没有离解的状态下，激励O2气体生成激励氧。
N2气体的离解能大，所以即使通过等离子槽3的电子密度高的区域，被离解的概率也低。此外，假定即使被离解，因为是氮气，所以可以形成N2气体并激励O2气体。所以，向等离子槽3的中心提供离解能小的NO气体，而不是N2气体，可以利用N2气体和NO气体双方激励O2气体，生成激励氧。
喷射器10最好是做成对着空心阴极2的等离子槽3的细细圆锥状，可以有效地聚集NO气体并供给等离子槽3的中心部分。喷射器10可以用铝制作。
另外，本发明的高频放电型激励氧发生器的阳极4是筒状的，在该筒状阳极4上，可以从外侧向内侧贯通，从而开口有喷射孔11。通过喷射孔11把NO2气体喷射到阳极4的内侧。高频放电型激励氧发生器1，在等离子槽3处，氧通过放电获得其离解能5.116V以上的能量，产生O。这里产生的O，使产生臭氧，并降低激励氧的产生效率。
从喷射孔11喷射到阳极4内部的NO2气体，按下式除去在阳极4内部产生的O。
此外，开口于筒状阳极4上的喷射孔11，把惰性冷却用气体喷射到阳极4的内侧，冷却等离子射流8，也可以有效产生激励氧。所使用的惰性冷却用气体有氩气、氦气、N2气体等。
本发明的高频放电型激励氧发生器可以在阳极4内侧生成的等离子射流8的方向上形成磁场。例如在阳极4的外侧设置励磁线圈12，给该励磁线圈12通电，或者在阳极4的外侧设置永久磁铁13，可以在阳极4的内部形成磁场。等离子射流8方向的磁场向带电粒子提供根据洛伦兹力得到的向心力，把等离子射流8收缩得细细的，提高能量效率，使更有效地产生激励氧。
本发明的高频放电型激励氧发生方法，是向开口有等离子槽3的空心阴极2，和设置在贯通空心阴极2的等离子槽3的排出侧、并与空心阴极2绝缘的阳极4之间提供高频电能，向空心阴极2的等离子槽3提供O2气或O2气中混合有其他气体的混合气体，生成单态激励氧。另外，本发明的高频放电型激励氧发生方法，是在空心阴极2的等离子槽3的供给侧，向等离子槽3的中心提供NO气体。
本发明的高频放电型激励氧发生方法，最好是把NO气体供给空心阴极2的等离子槽3的中心部，把含有O2的气体供给等离子槽3的周围。
另外，本发明的高频放电型激励氧发生方法，可以向阳极4的内侧喷射NO2气体。本发明的高频放电型激励氧发生方法，可以向阳极4的内侧喷射惰性冷却用气体，以冷却等离子射流8。本发明的高频放电型激励氧发生方法，可以在阳极4内侧生成的等离子射流8的方向上形成磁场。
附图说明
图1是具有过去的化学激励氧发生器的碘激光装置的简略结构图。
图2是图1所示碘激光装置的立体图。
图3是本发明者先开发的碘激光装置的简略结构图。
图4是本发明的实施例1的高频放电型激励氧发生器的简略截面图。
图5是本发明的实施例2的高频放电型激励氧发生器的简略截面图。
图6是本发明的实施例3的高频放电型激励氧发生器的简略截面图。
图7是本发明的实施例4的高频放电型激励氧发生器的简略截面图。
图8是本发明的实施例5的高频放电型激励氧发生器的简略截面图。
实施方式
图4～图6所示的高频放电型激励氧发生器1具有：空心阴极2，在中心开口有等离子槽3；阳极4，设置在贯通该空心阴极2的等离子槽3的排出侧，并与空心阴极2绝缘；高频电源5，向该阳极4和空心阴极2之间提供高频电能。该高频放电型激励氧发生器1向空心阴极2的等离子槽3提供O2气或O2气中混合有其他气体的混合气体，生成单态激励氧。单态激励氧被提供给碘激光振荡器，使碘激光振荡。
空心阴极2是铝制品，整体作成圆筒状，在前端设有厚厚的闭塞部件6，贯通该闭塞部件6的中心，开口有等离子槽3。在空心阴极2和阳极4之间进行高频放电，所以空心阴极2用导电金属制成。铝制空心阴极2可以有效产生激励氧。这是因为，激励氧即使接触铝，也能使氧保持在激励状态。
闭塞部件6厚约4mm，等离子槽3的内径为约3mm。但是，本发明的发生器没有特别规定空心阴极2的闭塞部件6的厚度，和等离子槽3的大小。闭塞部件的厚度，例如可以是2～30mm，优选是3～20mm，等离子槽的内径可以是1.5～20mm，优选是2～10mm。
基于和空心阴极2相同的理由，阳极4也是铝制品。阳极4通过绝缘材料7被固定在空心阴极2上。图中的阳极4是圆筒状，和空心阴极2的等离子槽3是同轴设置。图中的阳极4的下端用绝缘材料7气密性闭塞。绝缘材料7气密连接空心阴极2的上端，把阳极4固定在空心阴极2上。绝缘材料7是用陶瓷或耐热性塑料制成的。
阳极4的内径比等离子槽3大，如图示所示，是可以从等离子槽3向内部喷射等离子射流8的形状。从阳极4喷射的等离子射流8激励O2气体，产生单态激励氧。单态激励氧被提供给碘激光振荡器，使碘激光振荡。因此，阳极4的前端开口部连接碘激光振荡器。
高频电源5通过匹配电路9给阳极4和空心阴极2提供高频电能。该高频电源5的频率优选是1MHz～500MHz，优选是5MHz～300MHz，更优选是10MHz～100MHz。高频电源5的输出功率是约100W。但是，高频电源的最佳输出功率因空心阴极和阳极的形状、激励氧的发生量而变化，所以当激励氧的发生量变多时，或者把空心阴极和阳极做大时，高频电源的输出功率增大。高频电源5连接匹配电路9的输出端，以便有效输出，并传递给阳极4和空心阴极2。匹配电路9调节高频电源5的输出阻抗和空心阴极2与阳极4间的阻抗，以把高频电能有效输出给空心阴极2和阳极4。
图4所示的空心阴极2，在等离子槽3的供给侧、位于图中的等离子射流8的下方，设置有对着等离子槽3的中心供给NO气体的喷射器10。该喷射器10是铝制品。图中的喷射器10对着空心阴极2的等离子槽3，被做成逐渐变细的圆锥状。但是，喷射器未必就非要做成圆锥状，可以做成能把NO气体提供给等离子槽的中心的所有形状。例如，也可以是朝向前端逐渐变细的指数曲线喇叭状。
图中的喷射器10的前端开口部的大小比等离子槽3的内径小，以便向等离子槽3的中心部分提供NO气体。喷射器10的前端开口部的面积优选是等离子槽3的开口面积的10～50％，更优选10～40％，最优选约25％。此外，喷射器10的前端接近等离子槽3的开口部，或者从等离子槽3的开口部插入到内部。
该图的高频放电型激励氧发生器1从气体供给源(未图示)向空心阴极2的下端开口部供给O2气体，或者供给O2气体和N2气体的混合气体，从NO气体供给源(未图示)向喷射器10提供NO气体。所供给的NO气体被提供给等离子槽3的中心部分，其外侧被供给O2气体或O2气体和N2气体的混合气体。提供给等离子槽3的气体从等离子槽3喷出到阳极4的内部。
此状态时，一旦从高频电源5提供高频电能，就产生高频放电，在图中虚线所示区域形成等离子射流8。等离子射流8形成从等离子槽3向着阳极4的中心喷射的形状。此时，产生来自变为氧分子的电子的能量转移，生成单态激励氧。高频放电型激励氧发生器1取出通过等离子射流8生成的单态激励氧，供给碘激光。
图4的实施例中，等离子槽3的内径是3mm，闭塞部件厚度是4mm，O2气体流量是200sccm(标准立方厘米)，NO气体流量是40sccm，供给空心阴极2的混合气体压力是50Torr(托)，阳极4内的压力是0.5Torr，高频电源5的输出功率是200W，高频电源5的频率是100MHz，能够有效获得单态激励氧。这里，表示流量的sccm是用cc表示的15℃、750torr时1分钟的流量。向等离子槽提供O2气的基础上再供给N2气体时，N2气体的流量是1sccm。
图5所示的高频放电型激励氧发生器1，在筒状的阳极4上，从外侧向内侧贯通开口有喷射孔11。喷射孔11在图中阳极4的下部，换言之，是开口于接近等离子槽3的开口部的位置。此外，图中的喷射孔11是沿半径方向贯通阳极4的开口。喷射孔11可以是1个，也可以是多个。
从喷射孔11向阳极4的内部喷射NO2气体或惰性冷却用气体中的任一者或两者。喷射孔11最好向阳极4内部喷射NO2气体和惰性冷却用气体二者。喷射NO2气体和惰性冷却用气体二者的阳极4，开口有多个喷射孔11，分别喷射NO2气体和惰性冷却用气体。但是，喷射孔也可以喷射NO2气体和惰性冷却用气体的混合气体。
从喷射孔11喷射到阳极4内部的NO2气体，除去产生在阳极4内部的O。阳极4内部产生O时，O会变成臭氧，降低激励氧的产生效率。用NO2气体清除O，臭氧量减少，可以有效生成激励氧。
此外，从喷射孔11喷射到阳极4内部的惰性冷却用气体，冷却阳极4内部，使有效产生激励氧。因此，喷射惰性冷却用气体的结构，也能有效产生激励氧。惰性冷却用气体使用的是氩气。但是，该气体也可以使用氦气或N2气体等。
喷射孔11连接未图示的气体源，把NO2气体或惰性冷却用气体喷射到阳极4的内部。该图的高频放电型激励氧发生器1的NO2气体流量优选20sccm，惰性冷却用气体的流量优选40sccm。
图5的高频放电型激励氧发生器1没有喷射器，所以向空心阴极2的等离子槽3提供O2气体和NO气体的混合气体。但是，空心阴极在被供给O2气体和NO气体的基础上，还可以提供添加N2气体的气体。该发生器的等离子槽3的内径是3mm，闭塞部件6的厚度是4mm，O2气体流量是200sccm，NO气体流量是40sccm，从喷射孔11喷射的N2气体流量是20sccm，供给空心阴极2的混合气体压力是50Torr，阳极4内的压力是0.5Torr，高频电源5的输出功率是200W，高频电源5的频率是100MHz，能够有效获得单态激励氧。向空心阴极2供给N2气体时，其流量是1sccm。
把从喷射孔11对着等离子射流8喷射的气体，由NO2气体变更为氩气、氦气等惰性冷却用气体时，除喷射流量是40sccm以外，其余和前述相同，可以有效产生单态激励氧。此外，把从喷射孔11对着等离子射流8喷射的气体，改为流量是10sccm的NO2气体和流量是20sccm的惰性冷却用气体时，也能有效产生单态激励氧。
图6所示的高频放电型激励氧发生器1，在阳极4外侧设置有励磁线圈12，在阳极4的内部形成磁场。磁场的形成方向如图中箭头所示，是等离子射流8喷射的方向。阳极4内的磁场强度优选是10000高斯。阳极内的磁场也可以是1000～50000高斯。磁场使等离子射流8变细，提高了能量效率，更加有效地产生激励氧，所以可以使强等离子射流8更有效地聚束。
通过励磁线圈12形成磁场的结构，可以根据流向励磁线圈12的电流和线圈的圈数控制磁场强度。本发明的高频放电型激励氧发生器，如图7所示，使用永久磁铁13，可以在等离子射流8方向上形成磁场。这种结构不消耗电能，就可以在等离子射流8方向上形成磁场。
图6所示的高频放电型激励氧发生器1没有喷射器，所以向空心阴极2提供O2气体和NO气体的混合气体。但是，也可以向空心阴极提供O2气体、NO气体和N2气体的混合气体。该发生器也没有喷射器，所以不能从喷射孔提供NO2气体和惰性冷却用气体。该发生器的等离子槽3的内径是3mm，闭塞部件6的厚度是4mm，O2气体流量是200sccm，NO气体流量是40sccm，供给空心阴极2的混合气体压力是50Torr，阳极4内的压力是0.5Torr，高频电源5的输出功率是200W，高频电源5的频率是100MHz，阳极4内的磁场是1000高斯，能够有效获得单态激励氧。向空心阴极2供给N2气体时，其流量是1sccm。
图4～图6所示的高频放电型激励氧发生器1设有喷射器和喷射孔，或者在阳极形成磁场以有效产生激励氧。因此，如图8所示，设有喷射器10和喷射孔11，在阳极4形成磁场的高频放电型激励氧发生器1可以最有效地产生激励氧。工业实用性
本发明的高频放电型激励氧发生器和高频放电型激励氧发生方法，向等离子槽的中心提供NO气体，所以能够防止NO气体的离解，有效产生激励氧。因此，可以作为产业用激光使用。
把本发明的NO2气体喷射到阳极4内侧，利用NO2气体清除产生在阳极内部的O，有效防止O变成臭氧，还能有效阻止臭氧引起的激励氧产生效率的降低。特别是，在阳极开口有喷射孔，从该喷射孔把NO2气体喷射到阳极内侧，把NO2气体有效提供给阳极内部，并能够有效防止臭氧的产生。
此外，向本发明涉及的阳极内侧喷射惰性冷却用气体，以冷却等离子射流，可以有效产生激励氧。特别是，在筒状阳极上开口有喷射孔，从该喷射孔喷射氩气等惰性冷却用气体，可以有效地把冷却气体供给阳极内部，有效冷却。
另外，在本发明的阳极的等离子射流方向形成磁场，磁场使等离子射流变细，可以提高能量效率，更有效地产生激励氧。

Claims (14)

1.一种碘激光用高频放电型激励氧发生器，具有：空心阴极(2)，其开口有等离子槽(3)；阳极4，设置在贯通该空心阴极(2)的等离子槽(3)的排出侧，并与空心阴极(2)绝缘；和高频电源(5)，向该阳极(4)和空心阴极(2)之间提供高频电能，该发生器向空心阴极(2)的等离子槽(3)供给O2气或O2气中混合有其他气体的混合气体，生成单态激励氧，其特征在于：
在空心阴极(2)的等离子槽(3)的供给侧，设置有对着等离子槽(3)的中心供给NO气体的喷射器(10)。
2.如权利要求1所述的碘激光用高频放电型激励氧发生器，其中NO气体通过喷射器(10)被提供给空心阴极(2)的等离子槽(3)的中心部，O2气体从喷射器(10)的外侧被提供给等离子槽(3)。
3.如权利要求1所述的碘激光用高频放电型激励氧发生器，其中喷射器(10)对着空心阴极(2)的等离子槽(3)，呈细细的圆锥状。
4.如权利要求1所述的碘激光用高频放电型激励氧发生器，其中喷射器(10)是铝制品。
5.一种碘激光用高频放电型激励氧发生器，具有：空心阴极(2)，其开口有等离子槽(3)；阳极4，设置在贯通该空心阴极(2)的等离子槽(3)的排出侧，并与空心阴极(2)绝缘；和高频电源(5)，向该阳极(4)和空心阴极(2)之间提供高频电能，该发生器向空心阴极(2)的等离子槽(3)供给O2气或O2气中混合有其他气体的混合气体，生成单态激励氧，其特征在于：
阳极(4)是筒状，在该阳极(4)上从外侧向内侧贯通、开口有喷射孔(11)，从喷射孔(11)向阳极(4)内侧喷射NO2气体。
6.一种碘激光用高频放电型激励氧发生器，具有：空心阴极(2)，其开口有等离子槽(3)；阳极4，设置在贯通该空心阴极(2)的等离子槽(3)的排出侧，并与空心阴极(2)绝缘；和高频电源(5)，向该阳极(4)和空心阴极(2)之间提供高频电能，该发生器向空心阴极(2)的等离子槽(3)供给O2气或O2气中混合有其他气体的混合气体，生成单态激励氧，其特征在于：
阳极(4)是筒状，在该阳极(4)上从外侧向内侧贯通、开口有喷射孔(11)，从喷射孔(11)向阳极(4)内侧喷射惰性冷却用气体。
7.一种碘激光用高频放电型激励氧发生器，具有：空心阴极(2)，其开口有等离子槽(3)；阳极4，设置在贯通该空心阴极(2)的等离子槽(3)的排出侧，并与空心阴极(2)绝缘；和高频电源(5)，向该阳极(4)和空心阴极(2)之间提供高频电能，该发生器向空心阴极(2)的等离子槽(3)供给O2气或O2气中混合有其他气体的混合气体，生成单态激励氧，其特征在于：
在生成于阳极(4)内侧的等离子射流(8)的方向上形成磁场。
8.如权利要求7所述的碘激光用高频放电型激励氧发生器，其中在阳极(4)的外侧设置励磁线圈(12)或永久磁铁(13)，在阳极(4)内部形成磁场。
9.一种碘激光用高频放电型激励氧发生方法，向开口有等离子槽(3)的空心阴极(2)，和设置在贯通空心阴极(2)的等离子槽(3)的排出侧、并与空心阴极(2)绝缘的阳极(4)之间提供高频电能，向空心阴极(2)的等离子槽(3)供给O2气或O2气中混合有其他气体的混合气体，生成单态激励氧，其特征在于：
在空心阴极(2)的等离子槽(3)的供给侧，向等离子槽(3)的中心供给NO气体。
10.如权利要求9所述的碘激光用高频放电型激励氧发生方法，其中把NO气体供给空心阴极(2)的等离子槽(3)的中心部，把含有O2的气体供给等离子槽(3)的周围。
11.一种碘激光用高频放电型激励氧发生方法，向开口有等离子槽(3)的空心阴极(2)，和设置在贯通空心阴极(2)的等离子槽(3)的排出侧、并与空心阴极(2)绝缘的阳极(4)之间提供高频电能，向空心阴极(2)的等离子槽(3)供给O2气或O2气中混合有其他气体的混合气体，生成单态激励氧，其特征在于：
向阳极(4)的内侧喷射NO2气体。
12.一种碘激光用高频放电型激励氧发生方法，向开口有等离子槽(3)的空心阴极(2)，和设置在贯通空心阴极(2)的等离子槽(3)的排出侧、并与空心阴极(2)绝缘的阳极(4)之间提供高频电能，向空心阴极(2)的等离子槽(3)供给O2气或O2气中混合有其他气体的混合气体，生成单态激励氧，其特征在于：
向阳极(4)的内侧喷射惰性冷却用气体，冷却等离子射流(8)。
13.一种碘激光用高频放电型激励氧发生方法，向开口有等离子槽(3)的空心阴极(2)，和设置在贯通空心阴极(2)的等离子槽(3)的排出侧、并与空心阴极(2)绝缘的阳极(4)之间提供高频电能，向空心阴极(2)的等离子槽(3)供给O2气或O2气中混合有其他气体的混合气体，生成单态激励氧，其特征在于：
在生成于阳极(4)内侧的等离子射流(8)的方向上形成磁场。
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