DE2546415A1

DE2546415A1 - Verfahren zur herstellung eines laserfaehigen gasgemisches

Info

Publication number: DE2546415A1
Application number: DE19752546415
Authority: DE
Inventors: Diarmaid Hugh Douglas-Hamilton; George Walter Sutton
Original assignee: Avco Everett Research Laboratory Inc
Current assignee: Avco Everett Research Laboratory Inc
Priority date: 1974-10-17
Filing date: 1975-10-14
Publication date: 1976-04-22
Also published as: FR2288057B1; US3982205A; CH601922A5; GB1492680A; IT1044684B; JPS598079B2; FR2288057A1; SE416797B; IL48204A0; IL48204A; JPS5165595A; SE7511057L; CA1041647A

Description

1 BERLIN 33 8MÜNCHEN80

Auguste-Viktoria-Straße βδ _η DllOrUJl^C a DADTMCD PiercenauerstraBe 2

L/Γ. KUOUnM: Oi. TAKIINtK

Pat.-Anw. Dr. Ing. Ruschke L/Γ. KUOUnM: Oi. TAKIINtK Pat.-Anw.Dipl.lng.

PATENTANWÄLTE

Telefon: 030/|^^|ξ BERLIN - MÜNCHEN ^Telefon!

Telegramm-Adresse: Telegramm-Adresse: Quadratur Berlin ~ Qudadratur München TELEX: 183786 _o _ , _ . TELEX: 522767

Avco Everett Research Laboratory Inc., Everett, Massachusetts, V.St.v.A.

Verfahren zur Herstellung eines laserfähigen Gasgemisches

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines laserfähigen Gemisches aus GOp, Np und Hp sowie die Verwendung eines derartigen Gemisches in einem Strömungsgaslaser.

In neuerer Zeit sind wesentliche Fortschritte in der Entwicklung von OOp-Hochleistungslasern gemacht worden, in welchen das aktive Gasmedium durch den Arbeitsbereich entweder in offener oder geschlossen-zyklischer CV-Veise (0¥ « kontinuierliche Welle) oder im Pulsbetrieb für Strömungsgaslaser fließt oder in Abständen für den offenen oder geschlossenen zyklischen Pulsbetrieb ersetzt wird.

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Elektrisch angeregte, konvektionsgekühlte COg-Laser scheinen das größte Potential für Anwendungen zu bieten, die entweder eine hohe mittlere Leistung oder hohe Spitzenleistung erfordern. Das sehr hohe Leistungsvermögen von COp-Lasern (Lasern, die jedoch unter Verwendung eines laserbildenden Gasgemisches, einschließlich GOp, gepumpt werden) wurde erstmals von Avco Everett Research Laboratory Inc., Everett, Massachusetts, mit dem gasdynamischen Typ demonstriert, welcher keine elektrische Anregung oder Pumpung benutzt. Hinsichtlich einer eingehenden Diskussion des gasdynamisehen Lasers, einschließlich der Vorrichtungen, die spezifische Verbrennungsprodukte verwenden, wird auf die US-PS 3 713 030 verwiesen. Siehe auch "Gas Dynamic Lasers" von E.T. Gerry, American Physical Society Bulletin, Series II, Bd. 15, 4-. November, S. 563, April 1970; und "Performance of an Unstable Oscillator on a 30 KW cw Gas Dynamic Laser" von E.V. Locke, R. Hella und L. Westra, Avco Everett Research Laboratory, LEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. Qe-7, S· 581 - 583, Dez. 1971. Elektrisch angeregte Laser und insbesondere elektrisch angeregte, konvektionsgekühlte 00~- -Laser scheinen jedoch für viele Anwendungen, wie z.B. Laserfusion, Wärmebehandlung, Schweißen und Schneiden, geeigneter zu sein als gasdynamische Laser.

Unter den vielen sich in Entwicklung befindlichen Lasertypen, wie beispielsweise den HJf/DJF-Lasern und OO-Lasern, habe* ÖC«- -Laser den Vorteil früherer und weitaus größerer Entwicklungsversuche. Außerdem haben sich in den vergangenen Jahren die SOrschungs- und Entwicklungsanstrengungen auf elektrisch ange-

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regte, konvektionsgekühlte GOp-Laser konzentriert, die sowohl im offenen als auch geschlossenen Gaszyklus arbeiten. Derartige Laser, die ein einzelnes großes Entladungsvolumen benutzen, scheinen zur Verwendung in Hochleistungslasersystemen am besten geeignet zu sein, da solche Laser u.a. einen sauberen aerodynamischen Aufbau, minimale Umrohrung, geringen Druckverlust im Laserkanal, ein gleichmäßig aktives Medium und hohe Ausgangsleistung bieten.

Wegen der Beschreibung eines solchen Lasertyps wird auf die US-PS 3 721 915 und bezüglich einer detaillierten Beschreibung des durch einen Elektronenstrahlträger stabilisierten Lasertyps auf die US-PS 3 702 973 verwiesen.

Die Ausgangsleistung der oben erwähnten Elektronenstrahlträger- -stabilisierten Laser ist stark erhöht worden und kann so groß wie vernünftigerweise gewünscht gemacht werden. Was in derartigen Lasern notwendig ist, ist die Vorgabe einer wirksamen gleichförmigen und hochleistenden elektrischen Anregung des Gasvolumens, eine hohe Energiedichte und gleichmäßige optische Qualität. Der Elektronenstrahlträger-stabilisierte Laser löst alle obigen Probleme und vermag gleichmäßige elektrische Entladungen in großen Gasvolumina bei unteratmosphärischen Drucken bis Atmosphärendruck und darüber zu liefern. Mit den Volumina und Drucken, die bei Elektronenstrahlträger-stabilisierten Lasern zur Verfugung stehen, führt die alleinige Anwendung eines elektrischen leides unter Pumpen eines laserfähigen Gases oder Gasgemisches und Erzeugung einer sich selbst erhaltenden Entla-

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a\ang in dem Gas schnell zur Bildung begrenzter Bögen hohen Stromes.

Nach den Lehren der vorerwähnten US-PS 3 713 O3O wird ein Plasma und insbesondere ein laserfähiges Gasgemisch innerhalb praktisch seines gesamten Volumens, selbst bei Drucken größer als Atmosphärendruck, stabilisiert, indem man die Elektron-Ion- -Erzeugung in dem Plasma unabhängig vom elektromagnetischen Feld macht durch. Anwendung einer äußeren Ionisierungsquelle, wie eines Elektronenstrahls großer Fläche und hoher Energie. Die Unabhängigkeit der Elektron-Ion-Erzeugung vom angelegten elektrischen Feld gestattet, das elektrische Feld viel niedriger anzulegen als es andernfalls für selbsterhaltende Entladungen erforderlich wäre.

Somit gestattet die Plasmastabilisierung durch diese Technik, große Volumina an Lasergas wirksam und wirkungsvoll elektrisch zu pumpen, um eine optimale Besetzungsinversion und hohe Ausgangsleistung zu erzeugen. Gemäß dieser Technik arbeitende Laser sind daher Elektronstrahlträger-stabilisierte Laser genannt worden.

Elektronenstrahlträger-stabilisierte Laser sind an sich befähigt, eine sehr hohe Ausgangsleistung zu liefern. Jedoch erforderte bisher die Erzeugung einer solchen Ausgangsleistung mit derartigen Lasern die Vorgabe großer Volumina an Lasergas aus technischem Kohlendioxid, Stickstoff und Helium. In den zur Zeit verfügbaren Formen sind solche Gase nicht nur sehr kost-

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spielig per se, sondern erfordern auch wesentlichen Lagerungsraum je nach der Verwendungsrate und der gelieferten Laserausgangsleistung. Außerdem sind die Lagerungsmittel für diese Gase sehr schwer, insbesondere, wenn man mit dem Gewicht der Gase allein vergleicht.

Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß der Betrieb von Elektronenstrahlträger-stabilisierten OO^Lasern mit einem laserfähigen Gasgemisch aus im wesentlichen nur Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserstoff in dem Verhältnis, wie es aus der Verbrennung herkömmlicher Kohlenwasserstoff—Brennstoffe mit Luft erhalten wird, für und in der hier erläuterten Weise erreicht werden kann.

Dies beseitigt die Notwendigkeit für eine Vielzahl getrennter Gaszufuhren und/oder -vormischungen und reduziert, wenn mit dem Laser verbunden, das Gewicht und das Ausmaß der Gaszufuhr erheblich. Außerdem können, ob direkt mit dem Laser verbunden oder nicht, die Kosten des laserfähigen Gasgemisches stark herabgesetzt werden. Das hergestellte Gemisch, obwohl es sich von dem beispielsweise für gasdynamische COp-Gaslaser und/oder den in bisherigen Elektronenstrahlträger-stabilisierten Lasern erzeugten oder verwendeten unterscheidet, kann bei Raumtemperatur verwendet oder auf eine niedrigere Temperatur vor Gebrauch gekühlt werden. Bei Baumtemperatur kann das erzeugte Gasgemisch, welches Laseroscillationen stützen kann, bis zu 25-30 Kilogoule pro 0,454 Kg erzeugen. Wenn vorgekühlt, beispielsweise auf etwa 20O⁰K, kann es etwa 40 bis 50 Kilo^oule

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pro 0,454- Sg Lasergas erzeugen, wobei nur etwa 0,0318 Eg Brennstoff zur Erzeugung von 0,454 Eg Lasergas benötigt werden. Dieses kann zu einer spezifischen Nettolaserenergie von bis zu etwa 500 EJ/0,454 Kg Brennstoff führen, entsprechend einem Yerbesserungsfaktor von etwa 500 gegenüber früheren gasdynamischen Lasern und einem Faktor von 2 bis 10 gegenüber chemischen Lasern.

Die mit einem erfindungsgemäß hergestellten laserfähigen Gemisch erhältlichen hohen spezxfischen Laserenergien verbessern stark das Potential für die Verwendung von Elektronenstrahltrager— -stabilisierten Lasern, indem sie nunmehr ein praktisches, hochleistungsfähiges Elektronenstrahl.träger-stabilisiertes Lasersystem ohne irgendwelche speziellen logistischen Eücksichtnahmen oder andere Durchbrüche oder Verbesserungen in der Laserforschung möglich machen. Somit werden gasförmige Gemische, welche Laseroscillationen und/oder den Betrieb von Lasern tragen können., erfindungsgemäß in einer Weise hergestellt, die viele Vorteile gegenüber bisherigen Techniken aufweist. Die Notwendigkeit der Zufuhr oder Lagerung von Helium oder eines exotischen Laserbrennstoffs ist ausgeschaltet. Nur gewöhnliche Kohlenwasserstoff-Brennstoffe und Luft werden benötigt, wobei Luft natürlich praktisch überall vorhanden und kostenlos ist.

Die spezifische potentielle Energie der Laser sollte um einen Faktor von etwa 2 den höchsten potentiellen Wert für andere Laser mit hoher spezifischer Energie, wie zum Beispiel chemische Laser, übersteigen.

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Die spezifische potentielle Energie der Laser sollte auch die von gasdynamischen, mit Luft beatmeten Np-GOp-Gaslasern um einen Faktor von etwa 10 oder mehr übersteigen.

Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Herstellung eines laserfähigen Gemisches aus GOp, Np und Hp vor, bei welchem man einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff in Gegenwart von Luft unter solchen Bedingungen verbrennt, daß aller oder praktisch aller Sauerstoff in der Luft unter Herstellung von Verbrennungsprodukten, einschließlich GO₂, Np und H₂, verbraucht wird, dann das CO₂, Np und Hp von den Verbrennungsprodukten abtrennt und danach das abgetrennte GOp, N₂ und Hp zur Versorgung für einen Gaslaser als aktives Medium hierfür sammelt.

Das Verfahren kann in direkter Verknüpfung mit einem Strömungsgaslaser ausgeführt werden, indem man die gesammelten Verbrennungsprodukte in den Arbeitsbereich des Lasers sendet und stimulierte Strahlungsemissionen in diesen Produkten erzeugen läßt. In diesem Fall kann das Verfahren in einer Vorrichtung durchgeführt werden, die besteht aus:

(a) Brennmitteln zum Verbrennen eines Kohlenwasserstoff- -Brennstoffs in Gegenwart von Luft unter Bedingungen, unter welchen mindestens im wesentlichen aller Sauerstoff verbraucht und Verbrennungsprodukte erzeugt werden, die mindestens Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserstoff enthalten;

(b) Wärmeaustauschermitteln zum Kühlen dieser Verbrennungsprodukte auf eine Temperatur, bei welcher zumindest die

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Kondensation von Wasserdampf in diesen Verbrennungsprodukten "bewirkt wird zwecks Entfernung von kondensierbarer Materie in diesen Verbrennungsprodukten;

(c) ersten Mitteln zum Sammeln des Eestes dieser abgekühlten Verbrennungsprodukte;

(d) zweiten Mitteln, die eine Kammer mit einem darin gelegenen Arbeitsbereich definieren, wo eine Besetzungsinversion erzeugt wird;

(e) dritten Mitteln, um diese Verbrennungsprodukte durch diesen Arbeitsbereich fließen zu lassen;

(f) vierten Mitteln zur Anregung dieser Verbrennungsprodukte in dieser Betriebsregion unter Erzeugung einer Besetzungsinversion, indem eine elektrische Entladung in diesen Verbrennungsprodukten in dieser Betriebsregion aufrecht erhalten wird durch gesonderte Ionisierung dieser Verbrennungsprodukte und Anlegen einer Spannung an diese Verbrennungsprodukte in diesem Arbeitsbereich, um einen Stromfluß hierdurch zu erzeugen; und

(g) fünften Mitteln zur Stimulierung einer Strahlungsemission aus diesen Verbrennungsprodukten.

Die durch den Verbrennungsprozeß bei Herstellung der Gasgemische, welche Laseroscillationen gemäß dem vorliegenden Verfahren tragen können, freigesetzte Energie läßt sich benutzen, um die Lasereffizienz und Mobilität weiter zu erhöhen und das Gemisch vor Verwendung abzukühlen, beispielsweise auf etwa 200°K, so daß das volle Potential des Gemisches realisiert werden kann. Wegen der höheren spezifischen Laserenergie des Gemisches kann

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die Größe eines einen Kompressor bildenden Teils eines Gesamtsystems um einen Faktor von etwa 10 oder höher, kleiner gehalten werden als sie durch die gasdynamischen luftbeatmeten, durch Verbrennung angetriebenen Gaslaser der bisherigen Technik erforderlich war.

Zum vollständigeren Verständnis der Erfindung sei sie im folgenden in Verbindung mit der anliegenden Zeichnung beschrieben, welche eine schematische Veranschaulichung einer Vorrichtung ist, die Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält.

In der Zeichnung ist in schematischer Form ein typischer konvektionsgekühlter elektrischer COp-Entladungslaser, generell mit Ziffer 10 bezeichnet, wiedergegeben. Ein solcher Laser kann enthalten eine Lasergasquelle oder Generatormittel 16 und geeignete Spannungsquellen 11 zur elektrischen Anregung zwecks Erhalts einer elektrischen Entladung im Entladungsteil oder Arbeitsbereich 12, wodurch in herkömmlicher Weise die gewünschte Besetzungsinversion in den hierdurch strömenden Lasergasen erzeugt wird.

Der Entladungsteil 12 kann verschieden aufgebaut sein, und die zweistufige elektrische Entladung darin auf verschiedene Weise erzeugt werden. Eine Art von Entladungsteil, Verfahren sowie Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Entladung wird ausführlich in der vorerwähnten US-PS 3 721 915 diskutiert. Ein Elektronenstrahlträger-stabilisierter Entladungsteil wird

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ausführlich in der vorerwähnten US-PS 3 702 973 diskutiert. Die Version eines geschlossenen Zyklus wird in der US-PS 3 810 043 beschrieben.

Die Lasergasquelle oder Generatormittel 16 können typischerweise enthalten einen Brenner 17 zur Aufnahme von Luft und eines herkömmlichen Kohlenwasserstoff-Brennstoffs, wie beispielsweise Gasolin, Kerosin, Brennöl, JP-4-, JP-5 usw. Der Brennstoff (JP-4 beispielsweise) wird im Brenner mit 100 % oder weniger (85-90 %) der theoretischen Luft verbrannt, um im wesentlichen sauerstofffreie heiße Verbrennungsprodukte 18 am Ausgang des Brenners zu erhalten. Die Verbrennungsprodukte werden dann über eine übliche geschlossene Leitung oder ähnliches (nicht gezeigt) in Wärmeaustauschermittel 19 geleitet. Die Brennermittel 17 können eine Reihe verschiedener Formen annehmen. Zum Beispiel können sie einen herkömmlichen ölbrenner enthalten (vorzugsweise mit gesonderten üblichen Reglern zur Kontrolle des Brennstoff/Luft- -Verhältnisses), eine übliche Gasturbine mit Nachbrenner, eine regenerative Gasturbine oder andere geeignete thermodynamische Maschine sein.

Geeignete erhaltene Verbrennungsprodukte, die aus dem Brenner austreten, sind in Form eines Beispiels in Tab. I aufgeführt.

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- 11 -	A 1530	Volumenprozent	1000
Tabelle I		69-5 %	500
Verbrennungsprodukte, Luft/Kohlenwasserstoff-Gemische	9 %	400
85 % theoretische Luft	5 %	60
Hauptbestandteile	15 %	10
N₂	1.5 %	10
GOg	maximale ppm	5
00	(Volumenteile)	.05
HgO	4- to 50 ppm
Hg	insgesamt unverbrannter Kohlenwasserstoff 100
SpurerLbestandteile	NO
	OH
Rauch	H
	NOg
O₂
SOg, SO,
0
N

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Die typische Zusammensetzung von Luft ist in Tab.II unten angegeben.

Molekül IT.

A GO,

We He OH,

Tabelle II

Zusammensetzung von Luft

ppm (Volumenteile)

7.808	χ 10^
2.095	χ ΙΟ"⁷
940
330

100 12

1.6

0.28

0.074

Molekularer Sauerstoff kann den Laserbetrieb durch die Reaktion

e + 0,

0+0 stören, welche Elektronen entfernt.

Bezüglich der Bestandteile der Verbrennungsprodukte, wie sie in Tab. I angegeben sind, kann, wenn erwünscht oder angebracht, der OOg-Gehalt durch Verbrennung in Luft, die näher bei theoretischer Luft liegt, erhöht werden, so daß N₂:00p bei etwa 6:1

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liegt». Alternativ ergibt die Verwendung von OO als Brennstoff ein Verhältnis von etwa 1,88 : 1 oder die Verwendung von 0 als Brennstoff ein Verhältnis von etwa 3 »76 '· 1· Insofern ist bei der Wahl der NpiOOg-Molverhältnisse eine beträchtliche Flexibilität möglich. Ein OO-Gehalt von etwa 5 % ist annehmbar, wie aus Tab. I ersichtlich, da etwas N₂ gegen 00 ausgetauscht werden kann. Außerdem liegt eine Wasserdampfkonzentration von 15 % bei Austritt aus dem Brenner nicht mehr vor nach dem Herunterkühlen auf Temperaturen von 300⁰K bis 200⁰K; Wasserkonzentrationen bei diesen Temperaturen sind im Bereich von 3*5 % bis 2,5 ppm zu erwarten. Der angegebene Wasserstoff gehalt von 1,5 % entspricht fast exakt der Menge, die zur richtigen Desaktivierung des tieferen G0₂-Laserzustandes erforderlich ist, und wird leicht eingestellt durch Einstellung des Brennstoff-Luft-Gemisches. Ein Rauchgehalt von etwa 4 bis 50 ppm kann bei der Verbrennung bei niedriger Temperatur (schwachen Verbrennung) erwartet werden. Irgendwelcher restlicher Eauch dient als Kondensationszentrum für Wasser und wird mit dem Wasser entfernt. Ein Kohlenwasserstoffspiegel von 100 ppm ist nicht außergewöhnlich hoch. Mit Ausnahme von C₂H₂ und OH^ sollten die Kohlenwasserstoffe rekombinieren und kondensieren können. ₂, SO₂ und SO^ sollte ebenfalls kondensieren können und (H, OH), 0 und N rekombinieren während des Herunterkühl ens des Lasergases.

Basierend auf einer Analyse von Elektronenrekombination und -bindung bei elektrischen Entladungslasern zeigt Tab. III unten (für Spurenbestandteile, welche nicht kondensieren, hohe Elek-

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tronenaffinitäten zeigen und bekannten Bindungsraten unterliegen) einen Vergleich der maximal zu erwartenden mit den maximal zulässigen Verunreinigungen.

!Tabelle III	maximal	zulässig
maximal zu erwarten	160 100	ppm
5 ppm 10

O₃ — 200

OH 50* 200

NO 1000 1000

NO₂ 60 100

SO₂ 10 500

* Nach 0,5 msek. bei 300⁰E.

Die Verbrennungsprodukte, die aus dem wärmeaustauscher zur wirksamen Entfernung unerwünschter Bestandteile, wie oben diskutiert, austreten, können je nach den Umständen in herkömmliche Gasaufbewahrungsmittel 20 zwecks lagerung, zum Beispiel bei hohem Druck zur nachfolgenden Verwendung als aktives Medium für einen Elektronenstrahl.träger-Laser, gelenkt werden. Alternativ können diese Verbrennungsprodukte direkt in den Laser gelenkt werden, wie es durch Pfeil 21 in der Zeichnung angedeutet ist.

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Wie nunmehr ersichtlich sein sollte, kann erfindungsgemäß ein laserfähiges Gasmedium zur Verwendung als aktives Medium für elektrische M^-COp-Laser durch Verbrennen eines herkömmlichen Kohlenwasserstoff-Brennstoffs (G H) erzeugt werden. Die Verbrennung ist vorzugsweise brennstoffreich, so daß praktisch kein freier Sauerstoff im Abgasprodukt vorliegt. Im lalle einer Turbine kann dies zum Beispiel durch Verwendung eines Nachbrenner s erreicht werden, da der Hauptbrenner mit annähernd 5OO - 400 ■% Überschuß Luft arbeitet, um annehmbare niedrige Turbineneintrittstemperaturen aufrecht zu erhalten.

Ein geeignetes Gasgemisch wurde auf folgende Weise erzeugt und verwendet, um eine Laserwirkung zu erzielen. JP-4—Brennstoff wurde in einem modifizierten Industriebrenner mit getrennten Seglern für die Brennstoff- und Verbrennungsluftzufuhr verbrannt, um das gewünschte Brennstoff/Luft-Verhältnis zu erhalten. Eine wassergekühlte Sonde, die in den Abgasstrom reichte, war etwa 63,50 cm von der Brennstoffdüse entfernt angeordnet, um Abgasproben zu extrahieren. Direkt nach der Sonde befand sich ein wassergekühlter Wärmeaustauscher, um die Abgastemperatur auf nahe Kaumtemperatur herabzusetzen. Auf den Wärmeaustauscher folgten eine U-Hohr-Was serf alle und ein Kondensatabzug. Unmittelbar auf die Wasserfalle folgte eine Probenahmeöffnung, wo Gas zur Analyse mit einem Gaschromatograph abgenommen werden konnte. Die Abgase wurden dann durch ein Trockeneisbad zur weiteren Wasserentfernung geschickt. Das Trockeneisbad bestand aus vier Windungen von 40,46 cm Durchmesser aus mit Kupferwolle gefüllten Kupferrohren von 2,54 cm Durchmesser.

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Diese Anordnung wurde in einen mit Trockeneis gefüllten Behälter getaucht. Fach Verlassen des Trockeneisbades wurden die Verbrennungsprodukte dann durch etwa 38 m hohe Rohre aus Polyäthylen hoher Dichte zum Einlaß eines Corblin-Kompressors des Diaphragma-Typs transportiert, wobei die Kompressorentladung mit einem Gaszylinder Type 1A verbunden war.

Die unmittelbar vor Sammeln des Gases entnommene Analyse war wie folgt:

HO OC\ ⁰L

O₂ GO

76	,40
0
5	,35
9	,18

Der Brenner wurde betrieben, bis der Gasdruck im Sammelzylinder

einen Überdruck von 35 Ep/cm zeigte. Nachfolgend wurde das Gas im Sammelzylinder analysiert und folgende Analyse gefunden: H₂ 2,20 %

N₂ 79,80 %

O₂ 1,24 %

CO 5,35 %

co₂ 9,32 %

Vermutlich resultiert das O₂ aus einem Leck oder einer anderen Quelle während des Sammeln des Gases. Dieses O₂ hat, obwohl

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unerwünscht, jedoch nicht die Laserwirkung verhindert, wenn das Gas als aktives Medium in einer Elektronenstrahlträger-Vorrichtung verwendet wurde.

Ein synthetisches Gasgemisch, das so nahe wie möglich, den Verbrennungsprodukten des JP-4- an Luft entsprach, wurde hergestellt und getestet. Die mögliche Anwesenheit von Stickstoffoxiden in den Verbrennungsprodukten wurde vorgesehen und durch Zuga"be von 1000 ppm NO zum Gas simuliert. Die verwendete Zusammensetzung für H₂:N₂:00₂:G0:N0 entsprach einer Molfraktion von 0,18 : 8,2 : 1 ι 0,6 : 0,01.

Dieses Gasgemisch wurde in einer Elektronenstrahlträger-Vorrichtung verwendet, die sich "bei Avco Everett Research Laboratory, Everett, Massachusetts, "befindet und als " microbang " bekannt ist. Das Gasgemisch wurde verwendet, um die Eigenschaften der Entladung zu testen. Es wurde gefunden, daß eine vom Elektronenstrahl getragene Entladung aufrecht erhalten werden konnte mit einer genügend niedrigen Elektronenbindungsverlustrate ß und einer ausreichend hohen Elektronendichte η , nume-

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risch ausgedrückt ß *v 2 χ 10^ sek. und η ~ 5 x 10 .

Die durch Verbrennen von JP-4, brennst off reich, wie oben beschrieben erhaltenen Verbrennungsprodukte wurden dann in die gleiche Entladungskammer geleitet und unter ähnlichen Bedingungen eine höhere Elektronendichte (entsprechend einem geringeren Wert von ß) erhalten. Dies bestätigte, daß die erforderliche vom Elektronenstrahl getragene Entladung in einem geeig-

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neten Gasverbrennungsprodukt aufrecht erhalten werden kann. Die theoretische Voraussage zeigte, daß dieses Gas einen wirksamen Laserbetrieb stützen sollte.

Eine Laseroperation wurde erreicht durch Verwendung einer weiteren Menge des gleichen oben erwähnten Gases in einem durch El ektronenstrahl en getragenen Laser mit einem annähernden Arbeitsbereich einer Abmessung von 4 χ 4 χ 100 cm, der bei 1 atm. arbeitete und in welchem eine Ausbeute im Gas von 0,08 %/ cm bei 295 K gemessen wurde. Dies bewies, daß das Gas eine Laseroszillation tragen würde. In einem zweiten Test am gleichen Laser wurde eine weitere Menge des gleichen Gases bei Atmosphärendruck eingeleitet und auf nahe 200°K gekühlt. Bei Verwendung einer instabilen optischen Oszillatorkammer (Ausgangskopplung 40 %) wurde eine spezifische Leistung größer als 50 J/Liter Laserenergie pro Puls in dem Gas gemessen. Numerisch ausgedrückt, während des Pulses war das Feld: Dichte-Verhältnis E/U = 2,3 χ 10~¹⁶ V cm², die Elektronendichte η = 3 χ 10¹² cm ^y und die Pulsdauer 23/Usek..

Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

erfahren zur Herstellung eines laserfähigen Gemisches aus GO₂, N₂ und H₂ , dadurch gekennzeichnet, daß man einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff in Gegenwart von Luft unter solchen Bedingungen verbrennt, daß aller oder praktisch aller Sauerstoff in der Luft verbraucht wird, um Verbrennungsprodukte zu erzeugen, die GO _? , Np und Hp enthalten; das GOp , N₂ und H₂ aus den Verbrennungsprodukten abtrennt und danach das abgetrennte GO₂ , N₂ und H₂ als aktives Medium für einen Gaslaser sammelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verbrennen des Brennstoffs so durchführt, daß die Verbrennungsprodukte ferner Kohlenmonoxid enthalten, welches zusammen mit dem GO₂ , N₂ und H₂ abgetrennt und gesammelt wird.
3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennen des Brennstoffs so ausgeführt wird, daß die Verbrennungsprodukte auch entsprechende Spurenmengen an Rauch, nichtverbranntem Kohlenwasserstoff, NO, OH, H, NO₂, O₂, SO₂, SO₅., 0 und N enthalten, welche zusammen mit dem COp, Np, Hp und CO abgetrennt und gesammelt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtrennungsschritt ausgeführt wird, indem man die Verbrennungsprodukte auf eine Temperatur abkühlt,

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bei welcher im wesentlichen aller Wasserdampf in den Verbrennungsprodukten vor dem Sammelschritt auskondensiert.
5· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennen des Brennstoffs so durchgeführt wird, daß die gesammelten Verbrennungsprodukte etwa 2 Vol.-% Wasserstoff, etwa 80 Vol.-% Stickstoff, etwa 9 Vol.-% Kohlendioxid und etwa 6 Vol.-% Kohlenmonoxid enthalten.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß man einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff der

Formel CJ verwendet und mit weniger als 100 % der theox y

retischen Luft verbrennt.

7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß man einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff der Formel O_xH verwendet und diesen Brennstoff zunächst mit mehr als 100 % der theoretischen Luft unter Erzeugung sauerstoff reicher Verbrennungsprodukte'verbrennt und dann eine weitere Menge Brennstoff zu den sauerstoffreichen Verbrennungsprodukten leitet, um eine weitere Verbrennung durchzuführen und im wesentlichen allen Sauerstoff in den sauerstoffreiehen Verbreimungsprodukten zu verbrauchen.

B. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet, daß man in direkter Verbindung mit einem Strömungsgaslaser arbeitet, indem die gesammelten Verbrennungs-· produkte in den Arbeitsbereich des Lasers geliefert und eine

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stimulierte Strahlungsemission in diesen Produkten erzeugt wird.

9- Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8 gekennzeichnet durch

(a) Brennmittel zum Verbrennen eines Kohlenwasserst of f -Brennstoff s in Gegenwart von luft unter Bedingungen, unter welchen mindestens im wesentlichen aller Sauerstoff unter Erzeugung von Verbrennungsprodukten verbraucht wird, die mindestens Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserstoff enthalten;

(l>) warmeaustauschermittel zum Kühlen dieser Verbrennungsprodukte auf eine lemperatur, bei welcher mindestens eine Kondensation von Wasserdampf in diesen Verbrennungsprodukten bewirkt wird, zwecks Entfernung von kondensierbarer Materie in diesen Verbrennungsprodukten;

(c) erste Mittel zum Sammeln des Bestes dieser gekühlten Verbrennungsprodukte;

(d) zweite eine Kammer definierende Mittel mit einem Arbeitsbereich, wo eine Besetzung^! r'c.yrion erzeugt wird;

(e) dritte Mittel, die ein Strömen dieser Verbrennungsprodukte durch diesen Arbeitsbereich hervorrufen;

(f) vierte Mittel zur Anregung dieser Verbrennungsprodukte in diesem Arbeitsbereich, um eine Besetzungsinversion zu erhalten, indem eine elektrische Entladung in diesen Verbrennungsprodukten in diesem Arbeitsbereich aufrechterhalten wird durch gesonderte Ionisierung dieser Verbrennungsprodukte und Anlegen einer Spannung über diese

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Verbrennungsprodukte In diesem Arbeitsbereich, um einen Stromfluß hierdurch zu erhalten; und

(g) fünfte Mittel zum Stimulieren einer Strahlungsemission aus diesen Yerbrennungsprodukten.

Br.Eo/Za

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