DE3320258A1 - Chemischer chlorwasserstoffsaeurelaser - Google Patents

Description

Chemischer Chlorwasserstoffsäurelaser

Die Erfindung betrifft einen chemischen Chlorwasserstoffsäurelaser.

Bekannt ist ein Laser dieser Art mit einer Dissoziationskammer, in die man ein Gemisch aus Helium und molekularem Chlor einführt und eine elektrische Entladung vornimmt, um im Gemisch Chloratome zu erzeugen. Das Chlor in Atomform enthaltende Gemisch geht durch eine Düse, an deren Austritt Jodwasserstoff säure eingespritzt wird, die mit dem atomaren Chlor reagiert und angeregte Chlorwasserstoffsäure erzeugt. Das angeregte Gas geht durch einen optischen Resonanzraum und bildet ein Laserbündel. Die Zirkulation der Gase vom Eintritt in die Dissoziationskammer bis zum Austritt des Lasers wird durch ein Pumpsystem herbeigeführt, das hinter der Kammer angeordnet ist.

Der Laser weist den Nachteil auf, daß er bei bestimmten Anwendungsfällen nicht eingesetzt werden kann, beispielsweise an Bord von Flugzeugen, da es nicht möglich ist, die Austrittsgase des Lasers in die Atmosphäre wegen ihrer Toxizität zurückzuleiten.

Bei anderen bekannten chemischen Lasern werden die Austrittsgase durch Kalzium absorbiert. Dieses erfordert jedoch eine Erwärmung auf etwa 400 C um die geforderten Absorptionscharakterisi zu zeigen, was einen erheblichen Nachteil bedeutet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben und einen chemischen Chlorwasserstoffsäurelaser vorzuschlagen, dessen Austrittsgase von einem Material absorbiert werden, welches eine Vorwärmung nicht erfordert.

Die Erfindung geht aus von einem chemischen Chlorwasserstoffsäurelaser mit

- wenigstrens zwei einander gegenüberstehenden Elektroden, die in einer Dissoziationskammer angeordnet sind,

- steuerbarai Einrichtungen zum Einführen eines Einsatzgases auf der Basis molekularen Chlors in die Kammer,

- einem elektrischen steuerbaren Generator, dessen Ausgänge jeweils mit den beiden Elektroden, verbunden sind,

- einer Düse, die vom Eintritt zum Austritt über einen konvergenten Teil, eine Einschnürstelle (Hals) und einen divergenten Teil verfügt, wobei der Eintritt in die Düse in Verbindung mit dem Austritt aus der Dissoziationskammer steht,

- Einrichtungen, um Jodwasserstoffsäure am Austritt aus Düse einzuspritzen,

- einer Laserkammer am Austritt aus der Düse, wobei diese Kammer Einrichtungen zur Bildung einer optischen Resonanzkammer umfaßt,

- einem Gasansaugesystem in Verbindung mit dem Austritt aus der Laserkammer,

- und einem System zum gleichzeitigen Auslösen des elektrischen Generators, Einrichtungen zum Einführen des Einsatzgases und Einrichtungen zum Einspritzen von Jodwasserstoffsäure.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Einsatzgas aus reinem molekularen Chlor besteht und die Laserkammer sowie die Dissoziationskanmer unter Vakuum vor der Inbetriebsetzung des Systems zum gleichzeitigen Auslösen gehalten werden, daß das Gasansaugesystem durch Zeolith gebildet ist, das in einer unterdruckkammer in Verbindung mit dem Ausgang der Laserkammer steht, derart, daß bei Ingangsetzen des Systems zum gleichzeitigen Auslösen das molekulare Chlor in die Dissoziationskanmer eingeführt wird und eine elektrische Entladung zwischen den Elektroden hervorgerufen wird, wobei diese Entladung zur Bildung atomaren Chlors führt und das Gemisch atomaren Chlors und molekularen Chlors gegen die Laserkanmer über die Einschnürstelle (Hals) der Düse gesaugt wird, daß Jodwasserstoffsäure hinter

der engsten Stelle der Düse eingeführt wird und mit dem atomaren Chlor reagiert, um angeregte Chlorwasserstoffsäure zu bilden, wobei die angeregte Chlorwasserstoffsäure enthaltenden Gase den optischen Resonanzraum senkrecht zu seiner j Achse durchsetzen und ein aus der Kammer austretendes Laserbündel erzeugen, wobei der Zeolith in ausreichender Menge vorliegt, um die aus der Laserkammer austretenden Gase während der Funktionsdauer des Lasers zu absorbieren.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform des Lasers nach

der Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt längs der Ebene II-II der Fig. 1.

In Fig. 1 sind drei isolierende Rohre 3, 4, 5 beispielsweise aus Glas, dargestellt. Ein Ende jedes Rohres ist mit dem Ausgang eines Speichers 1 für molekularen Chlor durch Leitungen über ein Magnetventil 2 verbunden. Die Achsen dieser Rohre liegen parallel zueinander in ein und der gleichen Ebene, nämlich der Figurenebene. Eine metallische Elektrode, beispielsweise eine Anode 6 ist im Innern des Rohres an jedem mit dem Speicher 1 verbundenen Ende angeordnet. Diese Elektrode hat konische Gestalt und umfaßt eine feine axiale Öffnung, die kalibriert ist, um das Einführen des Chlors in das Rohr bei Schallgeschwindigkeit zu ermöglichen. Die anderen Enden der Rohre münden bei Eintritt in eine Düse 7 und umfassen Elektroden entgegengesetzten Vorzeichens wie beispielsweise die Kathode 8. Die Anoden sind mit dem positiven Pol eines steuerbaren elektrischen Generators 9 verbunden, dessen negativer Pol mit den Kathoden verbunden ist.

Fig. 2 zeigt, daß die Düse 7 vom Eintritt zum Austritt gesehen über einen konvergenten Teil 10, eine Einschnürstelle 11 und einen divergenten Teil 12 verfügt. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Elektroden 8 fest mit dem konvergenten Teil verbunden. Der Querschnitt des Halses 11 der Düse hat die Form eines länglichen Rechtecks, dessen große Seiten parallel zur Ebene der Fig. 1 zu beiden Seiten dieser Ebene entsprechend einer senkrecht zu den Achsen der Rohre stehenden Ebene 17 angeordnet sind. Öffnungen 13 durchsetzen den divergenten Teil 12 der Düse. Diese Öffnungen können einen äußeren zylindrischen Teil 14 umfassen, dessen Achse senkrecht zur Symmetrieebene 15 der Düse ist und über einen ebenfalls zylindrischen Innenteil 16 geringeren Durchmessers verfügen, dessen Achse gegenüber der des Teiles 14 um einen geringen Winkel 28 in der Größenordnung von 10° in der in Fig. 2 angegebenen Richtung geneigt ist. Die Öffnungen 13 sind längs der Düse entsprechend zweier Geraden 18 ausgerichtet, die parallel zur großen Abmessung der Engstelle der Düse 7 zu beiden Seiten dieser Engstelle sind.

Die Öffnungen 13 sind über Kanäle mit dem Ausgang eines Jodwasserstoff Speichers 24 mit steuerbarer Öffnung verbunden. Das Magnetventil 2, der Generator 9 und die Steuerung für die Öffnung des Speichers 24 sind elektrisch mit einem Auslösekreis 2 5 verbunden.

Eine Laserkammer 19 ist in Verbindung mit dem Ausgang der Düse 7 vorgesehen. Zwei einander gegenüberstehende Spiegel 20 und 21 sind in der Kammer 19 gelagert und bilden eine optische Resonanzkammer, deren Achse 22 in der Ebene der Achsen der Rohre 3-5 senkrecht zu diesen Achsen sich befindet. Der Spiegel 21 ist teilweise transparent. Eine industrielles Zeolith enthaltende Kammer 23 ist in Verbindung mit dem Ausgang der Kammer 19 angeordnet. Beispielsweise kann

das Zeoloth vom Typ 200 H sein, welches von der Firma NORTON "unter dem Warenzeichen ZEOLON vertrieben wird.

Der oben beschriebene Laser arbeitet wie folgt.

Bei Beginn werden die Innenvolumen der Kammer 23, des geschlossenen Raums 19, der Düse 7 und der Rohre 3 bis 5 unter Vakuum bzw. unter Unterdruck gehalten.

Soll der Laser in Betrieb gesetzt werden, so wirkt man auf den Kreis 25 ein, um gleichzeitig das Magnetventil 2 zu öffnen, die Spannung des Generators 9 an die Elektroden der Rohre 3 bis 5 zu legen und Jodwasserstoffsäure über die Öffnungen 13 einzuführen bzw. einzuspritzen. Der Speicher 1 enthält molekulares reines Chlor, das bei Schallgeschwindigkeit entsprechend dem Pfeil 26 in die Rohre 3 bis 5 über die feine axiale Öffnung der Elektroden 6 eindringt. Die an die Elektroden gelegte Spannung sorgt für die Bildung einer "Longitudinalentladung"im Gas und führt zu einer Teildissoziation des molekularen Chlors. Das aus atomarem Chlor und molekularem Chlor gebildete Gas wird gegen die Kammer 19 über die Engstelle 11 der Düse 7 entsprechend dem Pfeil 27 (Fig. 2) gesaugt.

Jodwasserstoffsäure wird über die Öffnungen 13 an den Austritt des Halses der Düse geführt; die Neigung 28 der Innenöffnung 16 begünstigt die Mischung mit dem atomares Chlor enthaltenden entsprechend dem Pfeil 27 strömenden Gas. Das atomare Chlor reagiert mit der Jodwasserstoffsäure entsprechend der Reaktion

Cl + HI = H Cl +1

Die angeregte Chlorwasserstoffsäure durchsetzt den optischen Resonanzraum und sorgt für die Bildung eines aus dem Spiegel 21 austretenden Laserbündels 29; das Bündel hat eine Wellenlänge von 3,8 Mikron.

Die Austrittsgase des Lasers, die atomares und molekulares Chlor, Chlorwasserstoffsäure, Jodwasserstoffsäure und Jod enthalten, werden vom Zeolith absorbiert. Dieses befindet sich in der Kammer 23 in ausreichender Menge, um die Austrittsgase während der gesamten für den Betrieb des Lasers vorgesehenen Dauer zu absorbieren.

Das Zeolith absorbiert schnell diese Gase bei Umgebungstemperatur (20 C),seine Absorptionskapazität nimmt zu, wenn die Temperatur 20°C unterschreitet. Die Verwendung dieses Materials führt zu einem erheblichen Vorteil gegenüber den bekannten Vorrichtungen, die mit Kalzium als absorbierendem Material arbeiten, wobei dieses eine Erwärmung auf 400⁰C erfordert, um zu einem ausreichend schnellen Pumpen zu gelangen. Das gesättigte Zeolith kann durch Erwärmen unter Vakuum bei 250°C regeneriert werden.

Die Absorption der Laseraustrittsgase durch das Zeolith erfordert, daß die reaktiven Gase, insbesondere das Chlor, reine Gase sind. Insbesondere kann das Chlor im Helium wie im Falle der bekannten Laser nicht verdünnt werden.

Um eine homogene elektrische Entladung im reinen Chlor zu erhalten, ist es notwendig, daß die Abmessungen der Rohre zweckmäßig gewählt werden. Für eine elektrische Entladespannung von 3500 bis 4000 Volt liegt der Innendurchmesser der Rohre zwischen 2 und 5 cm und die Entfernung zwischen den Elektroden längs des Rohres liegt zwischen 10 und 15 cm.

Beispielsweise beträgt der Innendurchmesser des Rohres 3 cm, die Entfernung zwischen den Elektroden 10 cm und ■die elektrische Entladespannung 3500 Volt. Der Chlordurchsatz in den Rohren liegt bei 12 Millimol pro Sekunde, der Druck in den Rohren zwischen 10 und 15 Torr ; der Entladestrom für die drei Rohre bei 200 bis 250 Milliampere;, die Ein-

spritzmenge an Jodwasserstoffsäure bei 1,5 bis 3 Millimol pro Sekunde. Die gelieferte Laserleistung liegt bei 10 Watt; der elektrische Wirkungsgrad bei 1 %. Andererseits reichen 4 kg ZEOLON, die in einer Kammer von 5 Liter Volumen enthalten sind, um die Austrxttsgase des Lasers während einer Funktionszeit von 20 Sekunden zu absorbieren; die Reinheit der reaktiven Gase liegt bei 99,5%.

Der chemische Laser nach der Erfindung kann als Ausrüstung an Bord von Flugzeugen vorgesehen sein.

Claims (5)

1. ' ' « < < < ti Ci₁₁J₁

   Patentanwälte · European Patent Attorneyt» '■·'··' Dr. w. Müller-Bore f

   Dietridi Lewald

   Dipl.-Ing.

   Dr. Paul Deufel

   Dipl.-Chera., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Dr. MtUlar-Bor* und Partner · POB 280247 . D-βΟΟΟ Manchen M 11 . Γβ «Μ»

   * Dipl.-Chem.

   Werner Hertel

   Dipl.-Phys.

   Dr.-Ing. Dieter Otto

   C 3455 Lw/Ge Dipl.-Ing.

   F° 12918

   COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE S.A.

   54,rue La Boetie

   F-75382 Paris Cedex 08, Frankreich

   Chemischer Chlorwasserstoffsäurelaser

   PATENTANSPRÜCHE

   Chemischer Chlorwasserstoffsäurelaser mit wenigstens zwei einander gegenüberstehenden Elektroden (6, 8), die in einer Dissoziationskammer angeordnet sind,

   - steuerbaren Einrichtungen (1, 2), um in die Dissoziationskammer ein Einsatzgas auf der Basis molekularen Chlors einzuführen,

   - einem elektrischen steuerbaren Generator (9), dessen Ausgänge jeweils mit den beiden Elektroden verbunden sind,

   - einer Düse (7), die vom Eintritt zum Austritt verfügt über einen konvergierenden Teil (10), einen Einschnürteil (11) und einen divergierenden Teil (12), wobei der Düseneintritt in Verbindung mit dem Ausgang der Dissoziationskammer steht,

   B-8Q90 München 2 POB 26 02 47 Kabel: Telefon Telecopier Infotec 0400 B Telex

   Ieartorplatz θ D-8000 München 26 Muebopat OBS/2214 83-7 GII+ III (089)229643 5-24286

   3322258

   - Einrichtungen (24), um Jodwasserstoffsäure am Ausgang der Düse einzuführen,

   - einer Laserkammer (19), am Ausgang aus der Düse, wobei diese Kammer Einrichtungen (20, 21) umfaßt, um eine optische Resonanzkammer zu bilden,

   - einem Gasansaugesystem, das in Verbindung mit der Laserkammer steht,

   - und einem System zur gleichzeitigen Auslösung (25) des elektrischen Generators sowie Einrichtungen zum Einführen des Einsatzgases und Einrichtungen zum Einspritzen von Jodwasserstoffsäure,

   dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung von reinem molekularen Chlor als Einsatzgas und dann, wenn die Laserkammer (19) und die Dissoziationskammer (3-5) unter Vakuum vor dem Ingangsetzen des Systems zur gleichzeitigen Auslösung gehalten werden, das Gasansaugesystem gebildet wird durch Zeolith, der in der unterdruckkammer (23) in Verbindung mit dem Ausgang der Laserkammer angeordnet ist, derart, daß bei Ingangsetzen des Systems zur gleichzeitigen Auslösung das molekulare Chlor in die Dissoziationskammer (3-5) eingeführt wird und eine elektrische Entladung zw. den Elektroden (6, 8) hervorgerufen wird, wobei diese Entladung zur Bildung atomaren Chlors führt und das Gemisch aus atomarem Chlor und molekularem Chlor gegen die Laserkammer (19) über die Einschnürstelle (11) der Düse (7) angesaugt wird und Jodwasserstoffsäure hinter der Engstelle der Düse eingespritzt wird und mit dem atomaren Chlor zur Bildung angeregter Chlorwasserstoffsäure reagiert, wobei die angeregte Chlorwasserstoffsäure enthaltenden Gase die optische Resonanzkammer senkrecht zu ihrer Achse (22) durchsetzen, um ein aus der Kammer austretendes Laserbündel (29) zu erzeugen; daß der Zeolith in ausreichender Menge vorgesehen ist, um die aus der Kammer während der Funktionsdauer des Lasers austretenden Gase zu absorbieren.
2. 2. Chemischer Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Dissoziationskammer zylindrische isolierende Rohre (3-5) umfaßt, wobei zwei Elektroden (6, 8) jeweils an den beiden Enden jedes Rohres (3) im Innern des Rohres angeordnet sind und die Achsen dieser Rohre in einer Ebene sich befinden, die durch die Achse des optischen Resonanzraums und senkrecht zu der Achse (22) dieses Raums geht; daß die an einem ersten Ende jedes Rohres angeordnete Elektrode (6) von konischer Gestalt derart ist, daß das Einführen molekularen Chlors in das Rohr (3) gegen das zweite Ende bei Schallgeschwindigkeit möglich wird und die zweiten Enden dieser Rohre am Eingang der Düse münden; und daß die Einschnürstelle (11) der Düse (7) einen länglichen Querschnitt in einer Richtung parallel zur Achse (22) der Kammer aufweist und in dieser Ebene sich befindet.
3. 3. Chemischer Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Innendurchmesser der Rohre (3-5) zwischen 2 und 5 cm beträgt und daß die Entfernung zwischen den Elektroden (6, 8) zwischen 10 und 15 cm für eine Entladespannung von 3500 bis 4000 Volt beträgt.
4. 4. Chemischer Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die am zweiten Ende der Rohre angeordneten Elektroden (8) fest mit dem konvergenten Teil (10) der Düse verbunden sind.
5. 5. Chemischer Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der divergente Teil (12) der Düse (7) Öffnungen (13) aufweist, über die Jodwasserstoffsäure eingeführt wird, wobei diese Öffnungen entsprechend zwei Geraden (18) parallel zur großen Abmessung der engsten Stelle der Düse zu beiden Seiten dieser engsten Stelle oder dieses Halses (11) ausgerichtet sind.