DE3320258C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen chemischen Chlorwasserstofflaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher Chlorwasserstofflaser ist auch aus der Veröffentlichung GLAZE, Z. A., FINZI, J., KRUPKE, W. F.: A transverse flow cw KCL chemical laser Un US-Z.: Applied Physics letters, Vol. 18, No. 5, 1971, bekannt.

Dieser Laser weist den Nachteil auf, daß er bei bestimmten An­ wendungsfällen 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 aborbiert. Dieses erfordert jedoch eine Erwärmung auf etwa 400°C um die geforderten Absorptionscharakteristiken zu zeigen, was einen erheblichen Nachteil bedeutet.

Durch die Veröffentlichung WINDSOR, E. E.: Sorptionspumpen mit Zeolith In: DE-Buch Physik und Technik von Sorptions- und Desorptionsvorgängen bei niederen Drücken: Rudolf A. Lang-Verlag, Esch/Taunus, 1963, Seiten 278-283 sind Zeolithpumpen bereits bekannt. Allerdings sind hier bei sehr niedriger Temperatur (77 K) gearbeitet; und die Pumpgeschwindigkeiten verschiedener Gase werden nicht angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen chemischen Chlorwasserstofflaser vorzuschlagen, dessen Austrittsgase von einem Material absorbiert werden, welche eine Vorwärmung nicht erfordert.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Einsatzgas aus reinem molekularen Chlor besteht und die Laserkammer sowie die Dissoziationskammer unter Vakuum vor der Inbetriebsetzung des Systems zum gleichzeitigen Auslösen gehalten werden, daß das Gasansaugsystem durch Zeolith gebildet ist, das in einer Unterdruckkammer in Verbindung mit dem Ausgang der Laserkammer steht, derart bei Ingangsetzen des Systems zum gleichzeitigen Auslösen des molekulare Chlor in die Dissoziationskammer eingeführt wird und eine elektrische Entladung zwischen den Elektroden hervorgerufen wird, wobei diese Entladung zur Bildung atomares Chlors führt und das Gemisch atomaren Chlors und molekularen Chlors gegen die Laserkammer über eine Engstelle der Düse gesaugt wird, daß Jodwasserstoff hinter der Engstelle der Düse eingeführt wird und mit dem atomaren Chlor reagiert, um angeregten Chlorwasserstoff zu bilden, wobei die angeregten Chlorwaserstoff enthaltenden Gase den optischen Resonanzraum senkrecht zu seiner 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 einer Gaszufuhreinrichtung 1 für molekualren 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 Inneren des Rohres an jedem mit der Gaszufuhreinrichtung 1 verbundenen Ende angeordnet. Diese Elektrode hat konische Gestalt und umfaßt eine feine axiale Öffnungen, 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 Engstelle 11 und einen divergenten Teil 12 verfügt. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Elektroden 8 fest mit dem konvergenten Teil verbunden. Der Querschnitt der Engstelle 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 Symmetriebeebene 15 der Düse ist und über einen ebenfalls zylindrischen Innenteil 16 geringeren Durchmesser 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 Jod­ wasserstoffspeichers 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 25 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 Zeolith 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. Die Gaszufuhreinrichtung 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 "Longitudinal­ entladung" 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.

Jodwasserstoff wird über die Öffnung 13 an den Austritt der Engstelle der Düse geführt; die Neigung 28 der Innenöffnung 16 begünstigt die Mischung mit dem atomares Chlor enthaltenden entsprechend dem Pfeil 27 strömenden Gas. Das atomoare Chlor reagiert mit Jodwasserstoff entsprechend der Reaktion

Cl + HI = H Cl^* + I

Der angeregte Chlorwasserstoff 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, Chlorwasserstoff, Jodwasserstoff 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 dieses Gase bei Umgebungstemperatur (20°C), seine Absorptionskapazität nimmt zu, wenn die Temperatur 20°C unterscheidet. 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 400°C erfordert, um zu einem ausreichend schnellen Pumpen zu gelangen. Das gesättigte Zeoltih kann durch Erwärmen unter Vakuum bei 250°C regeneriert werden.

Die Absortion der Laseraustrittsgase duch 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 vom 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 Jodwasserstoff bei 1,5 bis 3 Millimol pro Sekunde. Die gelieferte Laserleitung 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 Austrittsgase 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 (6)

1. Chemischer Chlorwasserstoff-Laser, bestehend aus

• a) einer Gaszufuhreinrichtung (1),
• b) Dissoziationskammern (3, 4, 5) zur Bildung atomarer Chlors, die an die Gaszufuhreinrichtung (1) angrenzen und zwei in Strömungsrichtung (26) sich gegenüberstehende, ringförmige Elektroden (6, 8) enthalten,
• c) Düsen (7), die an die Dissoziationskammern (3, 4, 5) anschließen und über Vorrichtungen (13, 14, 16) verfügen, um Jodwasserstoff am Ausgang der Düsen (7) einzuführen,
• d) einer Laserkammer (19), die an die Düsen (7) angrenzt und Einrichtungen (20, 21) umfaßt, um einen optischen Resonator zu bilden, und
• e) einem Gasansaugsystem (23), das in Verbindung mit der Laserkammer (19) steht,

dadurch gekennzeichnet, daß

• f) das den Dissoziationskammern (3, 4, 5) zugeführte Gas reines molekulares Chlor ist,
• g) steuerbare Einrichtungen (2, 9, 24, 25) vorhanden sind, die den Gasfluß von molekularem Chlor in die Dissoziationskammern (3, 4, 5) und den Zustrom von Jodwasserstoff in die Düsen (7) regeln sowie den Generator (9) für die Ent­ ladungsstrecke (6, 8) ansteuern,
• h) die Vorrichtungen (13, 14, 16) zum Einführen von Jodwasserstoff hinter den Engstellen (11) der Düsen (7) angeordnet sind,
• i) das Gasansaugsystem (23) aus einer Sorptionspumpe mit Zeolith als Adsorptionsmittel besteht.

2. Chemischer Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dissoziationskammern 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 molekularer 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 Engstelle (11) der Düse (7) einen länglichen Querschnitt in einer Richtung parallel zur Achse (22) der Kammer aufweist und in dieser Ebene sich befindet.

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. Chemischer Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die am zweiten Ende jedes Rohres angeordnete Elektrode (8) fest mit dem konvergenten Teil (10) der Düse verbunden ist.

5. Chemischer Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der divergente Teil (12) der Düse (7) Öffnungen (13) aufweist, über die Jodwasserstoff eingeführt wird, wobei diese Öffnugnen entsprechend zwei Geraden (18) parallel zur großen Abmessung der Engstelle (11) der Düse zu beiden Seiten dieser Engstelle (11) ausgerichtet sind.