DE3201908A1 - Vorrichtung zur fuehrung eines gasgemisches in einem geschlossenen kreislauf - Google Patents

Description

• Beschreibung
• Vorrichtung zur Führung einer Gasgemisches in einem geschlossenen Kreislauf Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Führung eines molekularen Gases oder Ga£gemiEches, das wenigstens eine molekulare Komponente enthält, in einem geschlossenen Kreislauf, insbes, zur Erzeugung von Prozeßlaufen in dem entsprechenden Gas oder Gasgemisch, die mit seiner teilweisen Ionisierung und der Anregung von Molekülschwingungen in der entsprechenden Gaskomponente verbunden sind.
• Prozeßabläufe in molekularen Gasen oder Gasgemischen, die wenigstens eine molekulare Komponente enthalten, welche durch die teilweise lonisierung und die Anregung von Molekülschwingungen gekennzeichnet sind, dienen im Wesentlichen den folgenden drei Zwecken: der einleitung und Durchführung plasmachemischer Reaktionen, der Isotopentrennung und der Erzeugung eines laseraktiven Zustands.
• Die Durchführung solcher Prozesse in offenen Systemen, d.h. Systemen, bei denen das Gas die Reaktionszone nur einmal durchströmt, sind für alle drei Anwendungsbereiche hinreichend bekannt (siehe z.B. DE-OS 26 51 306; Proc. IEEE, 2(1974)1,p.4ff; Angew. Chemie, 84. Jahrg. (1972) 18, Seiten 876ff; IEEE Transactions on Plasma Science, PS-2(1974), p.297-307; J. Microwawe Power, 10(1975)4, p.433-440; Sov. Phys. Dokl. 23(1978)1, p.44-46; J. Microwave Power, 12(19??)2, p.155-166 ) Im Bereich des Lasers dominieren sogar Systeme mit geschlossenem Gaskreislauf; diese Systeme sind gasdynamische, bzw. Gastransport-Laser.
• (siehe s.B. Appl. Phys. 22(198O),E;eiten 421-427; Appl.
• Phys. Letters, 15(1969)3, p.91-93; AIAA-Paper 72-723 (1972), US- Patent No 4 096 449 ) im Falle der Plasmachemie und der Isotopentrennung erzielt iflan mit einem offenen System i.a. geringe Reaktionsausbeuten, da stets nur ein Teil der Ausgangs substanz an dem gewünschten Umsetzungsprozeß beteiligt ist. Im falle des Lasers hingegen beruht der Nachteil der genannten Vorrichtungen darin, daß entweder passive Rückleitungen mit großem Querschnitt zur Verringerung der Reibungsverluste in der Strömung, oder aufwendige Pumpsysteme für die Gasumwälzung zur Überwindung dieser Reibungsverluste in Kauf genomtnen werden müssen. Ersteres fahrt zu einer großvolumigen, gewichtigen Bauweise, letzteres zu einem ungünstigen Gesamtwirkungsgrd'd.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für den iall der anwendung in der Plasmachemie und der Isotopentrennung die Ausbeute, bezogen aut die Menge der Ausgangssubstanz, zu erhöhen; im Falle der Anwendung als laser eine kompakte Bauweise mit einem hohen Gesamtwirkungsgrad zu vereinen.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch gelöst, deu zwei gleichartig gestaltete Strömungskanäle mit vorzugsweise rechteckigem Querschnitt mit den ßreitseiten unmittelbar nebeneinander angeordnet, oder konstruktlv integriert sind und an ihren nebeneinanderliegenden Enden durch zwei Vorrichtungen zur Gasumwälzung so uiiteinander verbunden sind, daß sie von dem Gas in en,tgegengesetster Wichtung durchströmt werden und in Teilbereichen beider Kanäle elektrisch isoliert von den Kanalwänden, Elektroden eingelassen sind, wobei die dem jeweils anderen Kanal nshergelegene Elektrode mit der entsprechenden Elektrode des anderen Kanals elektrisch verbunden, oaer init ihr Konstruktiv identisch ieA.
• Für die Anwendung der Vorrichtung für Zwecke der 1sotopentrennung und für die Verwendung a:Ls gasdynamischer oder Gastransport-Laser ist es weiterhin zweckmäßig, daß in den Schmalseiten der beiden Kanäle Öffnungen vorgesehen sind, die den Durchtritt elektromagnetischer strahlung, vorzugsweise laserstrahlung, im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung, erlauben.
• Zur Zufuhr, bzw. Abfuhr von Gas ist es weiterhin vorteilhaft für die Anwendung der Vorrichturlg für ZwecKe der Plasmachemie und der Isotopentrennung, daß in Kanalbreitseiten, bzw. in die Elektroden, die einen Teil dieser Breitseiten bilden, zahlreiche Öffnungen kleinen Durch messers eingelassen sind.
• Ferner ist es für die Anwendung als gasdynamischer ouer Gastransport-Laser von Vorteil, wenn die beiden Kanile durch zahlreiche oeffnungen kleinen Durchmessers in den beiden einander zugewandten Breitseiten miteinander verbunden sind.
• Zur Kontrolle der Aufenthaltsdauer des Gases im Bereich der Wechselwirkung mit einer Entladung, die zwischen den genannten Elektroden erzeugt wird, bzw. einem Strahlungsfeld, das durch die genannten Öffnungen in den Kanalschmalseiten eingekoppelt wird, ist es bei einer Anzahl von hnwendungen von Vorteil, die Strömungsgeschwin digkeit des Gases in dieser Wechselwirungszone aaaurch zu erhöhen, daß der Querschnitt der beiden Strömungskanäle eine düsenartige Einschnürung aufweist.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen bei der Anwendung in den Bereichen Plasmachemie und Isotopentrennung darin, daß das Gas wiederholt die genannte Wechseiwirkungezone durchströmt und auf diese Weise effizienter als bei einmaliger Durchströmung far die gewünschten Prozesse genutzt wird. Die Öffnungen in den Breitseiten erlauben die Zufuhr von frischem Gas, bzw.
• die Abfuhr der erzeugten Produkte, bzw. von angereicherter Isotopenmischung an den jeweils günstigeten Stellen des Prozeßablaufs. Verändert man den Querschnitt des Kanals durch eine düsenförmige Einschnürung, so läßt sich infolge der veränderten Strömungsgeschwindigkeit die Aufenthaltsdauer des Gases in der Wechselwirkungszone der jeweiligen Reaktion optimal anpassen. Wählt man schließlich eine Düsenform, die das Auftreten einer Überschallströmung erlaubt, so laßt sich zusätzlich infolge der Åbkühlung durch Expansion die Temperatur des Gases in der Wechselwirkungszone den optimalen Parametern für die gewünschte Reaktion anpassen.
• Bei der Anwendung der Vorrichtung als gasdynamischer oder Gastransport-laser ist es vorteilhaft, daß durch Vermeidung einer passiven Rückleitung des Gases eine kompakte Bauweise und ein geringer Energieaulwand für das Umwälzsystem erzielt werden. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn durch die Öffnungen in den Schmaiseiten die Wechselwirkungszonen beider kanäle innerhalb eines U-förmig gefalteten optischen Resonators angeordnet werden. Durch eine zweimalige Strahlumlenkung um jeweils 900 in einem U-förmig gefalteten Resonator wird infolge des verschiedenen Reflexionagrades der Spiegeloberllächt;n bei schrägem Lichteinfall, parallel, bzw. senkrecht zur Einfallsebene, die bevorzugte tolariEationsrichtung der laserstrahlung eindeutig definiert und kann daher anschließend nach Durchtritt durch ein doppeltbrechendes Medium in zirkular polarisierte strahlung umgewandelt werden. Es ist bekannt, daß letztere für zahlreicne Aufgaben in der Materialbearbeitung besonders geeignet ist. Ferner werden, da die Wechselwirkungszonen in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden, die allgemein bei gasdynamischen und Gastransport-Lasern auftretende Asymmetrie des Strahlprofils in Strömungsrichtung aufgehoben. Dies trägt zur Verbesserung des Lasermodes im Nahfeld, bzw. zur Verbesserung der Fokussierbarkeit aes Laserstrahls bei. Die Verbindung der beiden Strömungskanäle durch Kapillaröffnungen in den einander zugewandten Breitseiten bewirkt folgendes: Infolge des Druckablalls im Verlaufe der Durchströmung eines Kanals ist der Druck vor der Wechselwirkungszone höher als dahinter. Daher wird durch eine Verbindung der genannten Art zwischen dem Bereich höheren Drucks des einen Kanals und dem bereich niedrigeren Drucks des anderen Kanals La die sich im Einlauf zur Wechselwirkungszone allmählich aufbauende Grenzschicht zum anderen Kanal hin abgesaugt. Diese Grenzachichtabsaugung ist für die Stabilität aer Entladung von unten, denn es ist bekannt, daß sich Entladungsinstabilitäten bevorzugt im Bereich der Strömungsgrenzschicht bilden.
• Falls erforderlich kann die Strömungsgrenzschicht auch an den einander abgewandten Breitseiten der Kanäle durch geeignete konstruktive Maßnahmen abgesaugt werden. Die Vorteile einer düsenartigen Einschnürung gelten auch im Falle der Anwendung als gasdynamischer, bzw. als GaE-.
• transport-Laser.
• Ein Auseührungsbeispiel der Erfindung für die Anwendung im Bereich der Plasmachemie ist in Fig. 1 als Lingsschnitt und in Fig. P els Querschnitt A-A dargestellt. Der Hauptanteil des Gases strbmt in Pfeilrichtung durch die 1 bzw. 1'. Lediglich schematisch dargestellt.
• ist die Anordnung der Außenelektrocen 2 bzw. 2', sowie der gemeinsamen Mittelelektrode 3, welche durch den hnschluß 4 eine Verbindung nach außen besitzt.
• Diese Elektroden Elna geben die Kanalwände 5 durch Isolierstücke 6 bzw. 6' und 7, vorzugsweise aUE Keramik bestehend, elektrisch getrennt. Diese Teile sind in an sich bekannter Weise vakuumdicht miteinander verbunden.
• Die Kanalenden, an denen das Gas eintritt, 8 bzw. 8' und jene, durch welches das Gas wieder austritt, 9 bzw. 9' sind so durch an sich bekannte GJsufflw:lzsysteme, Wie Wälzkolbenverdichter, Axialverdichter, Radialverdichter, Seitenkanalverdichter oder Querstromgeblase miteinander verbunden, daß ein Gasumwälzsystem die Austrittsöffnung 9 mit der Eintrittsöffnung 8', ein zweites die austrittsöffnung 9' mit der Sintrittsctfnung 8 verbindet.
• In den meisten Fällen ist es erforderllch, das sich in den Austrittsöffnungen 9 bzw. ebentallt beKannte Wärmetauscher zur Abkühlung des Gases befinden. Zwischen den elektroden 2 und 3, bzw. 2' und 3 wird zur Einleitung der gewünschten Reaktion ein elektrisches Gleich- oder Wechselfeld zur erzeugung einer Glimmentladung angelegt.
• In dieser Entladung werden die Ausgangssubstanzen teilweise ionisiert und die Moleküle schwingungsgemäßig sngeregt, sodaß sie bevorzugt die gewünschten chemischen Reaktionen eingehen können. Die erzeugten Produkte können nun entweder durch die Öffnungen 10 bzw. 10' absesqugt, oder an den erwähnten Wärmetauschern ausgefroren werden.
• Der Ersatz von verbrauchten Ausganssubstenzen kann mittels Gaszufuhr durch die Öffnungen 11 bzw. 11' geschehen.
• Das Verhaltnis von umgewälzter zu neu zu- bzw. abgeführter Gasmenge läßt sich leicht durch Anzahl und Durchmesser der Öffnungen, bzw. durch geeignete Wahl der Druckdifferenz zu den nicht dargestellten äußeren Sammelleiturigen den jeweiligen Gegebenheiten anpassen.
• In Fig. 3 und Fig. 4 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel in der gleichen Weise wie bei Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt. Es handelt sich um eine Variante vur Isotopentrennung. Zusätzlich zu jenen Bauteilen und Funktionen, welche mit denen von Fig. 1 und Fig. 2 übereinstimten, sind Öffnungen 12, bzw. 12' in den Schmalseiten der Kanäle vorgesehen. Sie sind durch an sich bekannte, nicht dargestellte Druckienster abgeschlossen. Die Elektroden 2 bzw. 2' und 3 bzw. )' sind gegenüber dienen Öffnungen stromab versetzt. Das Gas,. z.B. bestehend aus aen rsotopengemischen 238UF6 und 235UF6 tritt im Bereich der oeffnungen 12 bzw. 12 in Wechselwirkung mit einem Laserstrahl 13, umgelenkt durch die Spiegel 14. Dabei wird eine Isotopenkomponente selektiv schwingungsmäßig angeregt, z.B. durch laserstrahlung im Wellenlängenoereich von 16 Mikrometer. Anschließend tritt es in eine Gleichentladung ein, wobei die Elektroden 2 bzw. 2' als Anoden, 3 bzw. 3' als Katoden dienen. Die schwingungsangeregte Komponente wird bevorzugt ionisiert und infolge der Wechselwirkung der positiv gelanden Ionen mit dem elektrischen Feld im Bereich der Kutode angereichert.
• Die Anordung der Elektroden kann natürlich auch sinngemäß vertauscht sein. In den Katoden blinden sich Öffnungen 15, durch welche das angereicherte Gemisch abgesaugt wird.
• In Fig. 5 und Fig. 6 ist ein weiteres abgewandeltes Aus-# führungsbeispiel in gleicher Weise wie bei Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt. Diese Variante dient oer Anwendung als Gastransort-Laser. Wie in Fig. 3 und Fig. 4 sind Öffnungen 12 und 12' in die Schmalseiten der Kanäle eingelassen. Sie sind entweder durch an sicn bekannte, für die Laserstrahlung transparente Druckienster abgeschlossen, oder druckdicht mit den Umlenkspiegeln 14, bzw.
• dem totalreflektierenden Laserspiegel 17 und dem teilweise durchlissigen Laserspiegel 1d, durch welche aer Laserstrahl 19 ausgekoppelt wird, verbunden. Der Resonator kann auch mehrfach gefaltet, bzw. ein Resonator von astabilen Typus sein. Die Entladung, die durch ein an die Elektroden 2 bzw. 2' und f angelegtes Gleich- oder Wechselfeld erzeugt wird, ist im Wesentlichen der Wechselwirkungzone mit dem Strehlungsfeld, das sich im Resonator ausbildet, überlagert. Nicht ausgeschlossen durch diese Darstellung ist die an sich bekannte vorteilnafte Segmentierung der Elektroden, bzw. ihre Bedeckung durch eine dielektrische Schicht. Beide Maßnahmen dienen der Stabilisierung der Entladung. Die Üfinungen 16 dienen der Grenzscichtabsaugung im Einlaufbereich zur Entladung, eine Maßnahme, die ebenfalls die Stabilisierung der Entladung fördert. Nicht durch die Darstellung iut gleichfalls die Gestaltung der Kanile in konvergent-divergenter büsenform. Dadurch werden netzen der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in der Entladungszone, mit hieraus resultierender hönerer Leistungsdichte des erzieloaren Strahlungsfeldes die Reibungsverluste der Strömung in den Kanälen verringert. Die übrigen Baulemente und Funktionen sind jenen von Fig. 1 und Fig. 2 gleich.

Claims (2)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e Vorrichtung zur Führung eines iuolekulai:en GaLeE oder Gasgemisches, das wenigstens eine molekulare Komponente enthält, in einem eschlossenen Kreislauf, insbesondere zur Erzeugung von Prozeßablaufen in dem entsprechenden Gas oder Gasgemisch, die mit seiner teilweisen Ionisierung und der Ahregung von Molekülschwingungen in der entspiechendn Gaskomponente verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleichartig gestaltete Strömungskanäle mit vorzugsweise rechteckig Querschnitt tritt den Breitseiten unmittelbar nebeneinander angeordnet, oder konstruktiv integriert ind und sn ihresl nebeneinanderliegenden Enden durch zwei Vorrjc.fltungen zur Gasumwalzung so miteinander verbunden sind, daß sie von dem Gas in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden und in Teilbereichen beider Kanäle elektrisch isoliert von den Kanal wänden, Elektroden eingelassen sind, wobei die dem jeweils anderen Kanal nähergelegene Elektrode jijit der entsprechenden Elektrode des anderen Kanals elektrisch verbunden, oder mit ihr konstruktiv identisch ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Schmalseiten der beiden Kanäle Öffnungen vorgesehen sind, die den Durchtritt von elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise Laserstrahlung, im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung, erlauben.

   Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und L, dadurch gekennzeichnet, da in die Kanalbreitseiten, bzw.

   in die Elektroden, die einen eil dieser Breitseiten bilden, zahlreiche öffnungen kleinen durch messers eingelassen sind.

   Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kanäle durch zahlreiche Öffnungen kleinen Durchme£sers in den beiden einander zugewandten Breitseiten miteinander verbunden sind.

   bO Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 mit 5, dadurch gekennzeichnet, da der Querschnitt der beiden Strömungskanäle eine düsenartige Einschnürung aufweist.