JPS598079B2 - レ−ザ−用気体混合物の製造法及びそれを製造する装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はＣＯ＿２とＮ＿２とＨ＿２とからなるレーザー
用気体混合物の製造法及びそのような混合物を流動気体
レーザーに用いることに関する。

近年、活性気体媒体が、開放パルスサイクルまたは閉鎖
パルスサイクルの作動モードの代りに開放サイクルまた
は閉鎖サイクルのＣＷ（連波）モードあるいはパルスモ
ードのいずれかで作動領域を流れる高出力ＣＯ＿２レー
ザーの開発にはかなりの進歩がみられる。

電気励起対流冷却式ＣＯ＿２レーザーは高い平均出力ま
たは高いピーク出力を必要とする用途に応える最大の可
能性を持つていると考えられている。

ＣＯ＿２レーザー（ＣＯ＿２を含むレーザー光発生気体
混合物を用いてポンピングされるレーザー）の極めて高
い出力を発生する能力はＡｖｃｏＥｖｅｒｅをｔＲｅｓ
ｅａｒｃｈＬａｂｏｒａｔｏｒｙ、Ｉｎｃ、によつて初
めてガスダイナミック式レーザー（電気励起またはポン
ピングを利用しない）を用いて立証された。特定の燃焼
生成物を利用する装置を含むガスダ不ナミツク式レーザ
ーの広い概念は米国特許第３、７１３、０３０号明細書
に記載されている。また、Ｅ、Ｔ、Ｇｅｒｒｙによる論
文゛ＧａｓＤｙｎａｍｉｃＬａｓｅｒｓ”、Ａｍｅｒｉ
ｃａｎＰｈｙｓｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙＢｕｌｌｅｔｉ
ｎ３Ｓｅｒｉｅｓ■、ｖｏｌ、１５、Ｎｏｖ。４、５６
３頁、１９７０年４月；及びＡｖｃｏＥｖｅｒｅｔｔＲ
ｅｓｅａｒｃｈＬａｂＯｒａｔＯｒｙＣ！）Ｅ．Ｖ．Ｌ
Ｏｃｋｅ，Ｒ．Ｈｅｌｌａ，による論文″ＰｅｒｆＯｒ
ｍａｎｃｅＯｆａｎＵｎｓｔａｂｌｅＯｓｃｉｌｌａｔ
ＯｒＯｎａ３ＯＫＷｃｗＧａｓＤｙｎａｍｉｃＬａｓｅ
ｒ″、ＩＥＥＥＪＯｕｒｎａｌＯｆＱｕａｎｔｕｍＥｌ
ｅｃｔｒＯｎｉｃｓ．ＶＯｌ．ＱＥ−７、５８１〜５８
３頁、１９７１年１２月も参照されたい。

しかし、電気励起式レーザー、殊に電気励起対流冷却式
ＣＯ２−レーザーは、例えば、レーザー溶融加工、熱処
理、溶接及び切断の如き多くの用途ではガスダイナミツ
クレーザ一よりも適しているように思える。例えばＨＦ
／ＤＦレーザーやＣＯレーザーの如き、開発中の多数の
タイプのレーザーのなかでもＣＯ２レーザーは早くから
はるかに大きな開発努力の恩恵を受けている。

更に、過去数年間にわたつて、研究開発の努力は開放ガ
スサイクルモード、閉鎖ガスサイクルモードの両方で動
作する電気励起対流冷却式ＣＯ２レーザーに集中してい
た。単一の大きな放電源を利用するこのようなレーザー
は高出力レーザーシステムで用いるに最も適していると
考えられる。なぜならば、このようなレーザーは、とり
わけ、でこぼこのない空気力学デザイン、最少限の管路
系統、レーザーチヤンネル中での少ない圧力損失、均質
な活性媒体及び高い出力を提供するからである。このよ
うなレーザーの１つのタイプが米国特許第３，７２１，
９１５号明細書に記載されており、また電子ビーム持続
安定型レーザーが米国特許第３，７０２，９７３号明細
書に詳しく記載されている。

上記の電子ビーム持続安定型レーザーの出力は非常に大
きく、理に適つた範囲内で望むだけ大きくすることがで
きる。このようなレーザーで必要なことは、気体の有効
で均一な且つ大電力での電気励起、高エネルギー密度、
及び均一な光学的特性を与えることである。電子ビーム
持続安定型レーザーは上記の問題を全て解決し、大気圧
未満の圧力乃至大気圧及びそれ以上の圧力の多量の気体
中で均一な電気放電を行うことができる。電子ビーム持
続安定型レーザーで容易に利用できる気体の量及び圧力
においては、レーザー用気体または気体混合物をポンピ
ングしてその気体中に自己持続放電作用を生じさせるの
に電界のみを作用させると、すぐに高電流の集中的なア
ークが生じる。前記の米国特許第３，７１３．０３０号
の教示によれば、太い高エネルギー電子ビームの如き外
部イオン化源の使用により電磁界に無関係にプラズマ中
に電子イオンを作ることによつて、プラズマ、殊にレー
ザー用気体混合物は大気圧よりも高い圧力にでもほぼそ
の全体にわたつて安定しているということである。この
ように電子一イオンの生成が印加電界から独立している
ということは、その電界が自己持続放電に必要とするよ
りもかなり低くすることができるということを意味する
。従つて、この技術によるプラズマの安定化によれば、
多量のレーザーガスを能率的且つ効果的に電気的にポン
ピングして最適の反転分布及び高出力を得ることができ
る。この技術に従つて動作するレーザーは意外にも、電
子ビーム持続安定型レーザーと呼ばれるには至つていな
い。電子ビーム持続安定型レーザーは本米極めて高い出
力を得ることができる。

しかしながら、これまでは、このタイプのレーザーによ
つて高出力を得るには、商用銘柄の二酸化炭素、窒素及
びヘリウムを自むレーザー気体を多量に用意する必要が
あ０た０現在人手できる形態においては、そのような気
体はそれ自体極めて費用がかかるだけでなく、使用割合
及びレーザー出力によつて異なるがかなりの貯蔵スペー
スを必要とする。史に、これらの気体のための貯蔵装置
は、殊に気体だけの重量に比較して非常に重い。電子ビ
ーム持続安定型ＣＯ２レーザーの動作は、実質的にＣＯ
２、Ｎ２及びＨ２だけを、本明細書に記載した方法で普
通の炭化水素燃料を空気といつしよに燃焼させて得られ
る割合で含むレーザー用気体混合物で達成できることが
分つた。

これにより、複数の別個の気体供給源や予備混合作業の
必要性をなくし、また、レーザーに組込んだ場合にはそ
の気体供給源の重量、寸法をかなり減らすことができる
。

更に、レーザ＝に直接組込んであるなしを問わず、レー
ザー用気体混合物のコストをかなり減することができる
。生成した混合物は、例えば、ガスダイナミツクＣＯ２
レーザーのために作られたまたはそれに用いられるもの
や従米の電子ビーム持続安定型レーザーで用いら・れる
ものと違つて、室温で使用することができるし、あるい
は使用前に冷却することもできる。室温においては、レ
ーザー発振を支持し得るこの生成気体混合物はレーザー
気体４５４ｆ１（１ポンド）当り２５〜３０キロジュー
ルの熱量を発生する。例えば約２０００Ｋまで予備冷却
した時には、レーザー気体４５４９（１ポンド）当り約
４０〜５０キロジュールの熱量を発生する。またレーザ
ー気体４５４９（１ポンド）を作るのにわずか約３２ｙ
（０．０７ポンド）の燃料を必要とするだけである。従
つて燃料４５４ｙ（１ポンド）当り約５００ＫＪまでの
正昧レーザー比エネルギーとなり、初期ガスダイナミツ
クレーザ一の約５００倍、化学レーザーの２〜１０倍の
改善となる。本発明に従つて作られるレーザー用混合物
で得ることのできる高いレーザー比エネルギーは電子ビ
ーム持続安定型レーザーの使用範囲を広げ、レーザー研
究における特定のいかなる論理計算による考察その他の
飛躍とか改善を行うことなく実用的で高出力電子ビーム
持続安定型レーザーシステムを得ることができる。

したがつて、レーザー発振やレーザー動作を維持できる
気体混合物が、本発明に従つて、従来技術よりも優れた
多くの利点を持つ方法で作られる。２こうして、ヘリウ
ムまたは外国産のレーザー燃料を供給したり貯蔵したり
する必要がなくなる。

普通の炭化水素燃料及び空気だけが必要であり、無論、
空気は実質的にどこにでもあり、費用がかからない。レ
ーザー比エネルギーは、例えば化学レーザーの如きその
他の高比エネルギーレーザーで可能性のある最高値の約
２倍越えると考えられる。

レーザー比エネルギーはまた吸気式Ｎ２−ＣＯ２ガスダ
イナミツクレーザ一のものよりも約１０倍以上越えると
考えられる。本発明によれば、炭化水素燃料を空気の存
在下で、その空気中の全てまたはほとんど全ての酸素が
消費されてＣＯ２、Ｎ２及びＨ２を含む燃焼生成物とな
る条件下で燃焼させ、次いでそのＣＯ２、Ｎ２及びＨ２
をその燃焼生成物から分離し、その後その分離したＣＯ
２、Ｎ２及びＨ２を気体レーザーの活性媒体として気体
レーザーに供給するために集めることからなるＣＯ２と
Ｎ２とＨ２とからなるレーザー用気体混合物の製造法が
提供される。

この製造法は、集めた燃焼生成物をレーザーの動作領域
に供給し、この生成物中で放射線の誘導放出を行なわせ
るように流動気体レーザーに直接組合わせて実施するこ
とができる。

この場合、この製造法は下記のものを含む装置で実施さ
れる：（ａ）炭化水素燃料を空？の存在下で、少なくと
もほとんど全ての酸素を消費して少なくともＣＯ２、Ｎ
２及びＨ２を含む燃焼生成物となる条件下で燃焼させる
ためのバーナー手段；（ｂ）該燃焼生成物を、該燃焼生
成物中の凝縮性物質を除去するために少なくとも該燃焼
生成物中の水蒸気の凝縮を引起す温度に冷却するための
熱交換器手段；（ｃ）該冷却した燃焼生成物の残余を集
めるための第一手段：（ｄ）動作領域（ここで反転分布
が生じる）を持つキヤビテイ一を構成する第二手段：（
Ｅｊ該燃焼生成物を該動作領域に流すための第三手段；
（ｆ）該燃焼生成物を別個にイオン化し且つ電圧を該動
作領域中の該燃焼生成物を横切つて印加してそれを通る
電流を作ることによつて該動作領域中の該燃焼生成物中
で放電を持続させ、それによつて該動作領域中の該燃焼
生成物を励起して反転分布を生じさせるための第四手段
；及び（ｇ）該燃焼生成物からの放射線の放出を誘導す
るための第五手段。

本発明に従つて気体混合物（レーザー発振を支持するこ
とができる）を製造しているときにその燃焼プロセスで
放出されるエネルギーは、レーザーの効率及び融通性を
更に高めるのに用いることもできるし、また、この混合
物の可能性を完全に実現できるように使用前に例えば約
２０００Ｋに冷却するのに用いることもできる。

この混合物の比レーザーエネルギーが高いため、全シス
テムの一部を占めるいかなる圧縮機の大きさも、従来技
術の吸気式燃焼駆動型ガスダイナミツクレーザ一で必要
とされるものの約１０分の１以下に小さくすることがで
きる。本発明をより十分に理解してもらえるように、以
下、図面に関連して説明する〇図面には全体的に１０で
示す代表的な対流冷却放電式ＣＯ２レーザーがプロツク
ダイアグラムで示してある。

このレーザーはレーザー気体の供給源または発生手段１
６と、放電部即ち動作領域１２で放電を行ない、そこを
通つて流動しているレーザー気体中に普通の要領で所望
の反転分布を生じさせるための適当な電気励起用電源手
段１１とを含む。放電部１２は種々の方法で構成するこ
とができ、また２段階放電を種々の方法で行なつてもよ
い。

放電部の１つのタイプ並びに放電を行う方法及び装置は
前記の米国特許第３，７２１，９１５号明細書に概説さ
れている。電子ビーム持続安定型放電部は前記の米国特
許第３，７０２，９７３号明細書に概説されている。閉
鎖サイクル型のものが米国特許第３．８１０，０４３号
明細書に記載されている。レーザー気体の供給源または
発生手段１６は、代表的には、空気と、例えばガソリン
、灯油、燃料油、ＪＰ−４、ＪＰ−５等の如き普通の炭
化水素燃料とを受け取るバーナー１７を含む燃料（例え
ばＪＰ−４）をバーナー中で論理値の１００％またはそ
れ未満（８５〜９０％）の空気で燃焼させて、バーナー
出口においてほとんど酸素のない熱い燃焼生成物１８を
得る。この燃焼生成物を、次いで、普通の密封導管尋（
図示せず）を通して熱交換手段１９に送る。バーナー手
段１７は種々の形態の任意の形態を取り得る。例えば、
普通のオイルバーナー（好ましくは燃料／空気の比を調
整するために別個の普通の制御器を持つもの）、アフタ
ーバーナ一を持つ普通のガスタービン、再生ガスタービ
ンまたはその他の過当な熱力学エンジンがある。バーナ
ーから流出する適当な燃焼生成物を下記の第１表に例示
する〇分子酸素は反応ｅ＋０２→Ｏ＋Ｏによつて電子を
除去するのでレーザー動作に有害となる可能性がある。

第１表に示した燃焼生成物の各成分に関して、所望によ
りまたは通当と認められる場合には、理論量に近い量の
空気中で燃焼させることによつてＮ２：ＣＯ２が約６：
１となるようにＣＯ２台量を増加させてもよい。

他の方法としては、燃料としてＣＯを使用すると約１．
８８：１の比となり、また燃料としてＣを用いると約３
．７６：１の比となる。かようにＮ２：ＣＯ２のモル比
の選定においてかなりの融通性がある。第１表に示した
ようなＣＯ台量約５％は許容できる。なぜなら或る程度
、Ｎ２がＣＯと交替できるからである。史に、バーナー
の出口において１５％である水蒸気は３００〜２００お
Ｋに冷却された後では存在しない。これらの温度での水
の濃度は３．５％〜２．５ＰＩ］ｌであると考えられる
。第１表に示した水素含量１．５％はＣＯ２レーザーの
低出力状態の相応の失活に対して必要とされる量にほと
んどぴつたりであり、燃焼一空気混合物の調節によつて
容易に調節される。約４〜５０卿の煙含量は低温（稀薄
）燃焼で生じして作用し、水で除去される。１００ＰＦ
１の炭化水素量は異例に高いというほどのものではない
。

しかし、Ｃ２Ｈ２及びＣＨ４を除いて、炭化水素は再結
合し、凝縮すると考えられる。ＮＯ２、ＳＯ２及びＳＯ
３も凝縮すると考えられ、また（Ｈ．ＯＨ）、Ｏ及びＮ
はレーザー気体の冷却の間に再結合することになる。放
電レーザー中での電子再結合及び結合の分析を基にして
、第３表は不純物の予測最大値及び許容最大値の対照を
示す（凝縮せず、高い電子親和性を持つており、且つ公
知の結合速度拘束を持つている微量物について）上記し
たように望ましくない成分を除去するための熱交換器か
ら出てくる燃焼生成物は、情況に応じて、例えば、電子
ビーム持続安定型レーザー用の活性媒体として後に用い
得るように高圧で、普通の気体貯蔵手段２０に送つても
よい。

あるいは、これらの燃焼生成物を図面に矢印２１によつ
て示すようにレーザーに直接供給してもよい。本発明に
よれば、今や明白なように、Ｎ２−ＣＯ２電気レーザー
用の活性媒体として用いるためのレーザー用気体媒゛体
は普通の炭化水素燃料（ＣｘＨ，）を燃焼させることに
よつて作ることができる。排出生成物中に遊離酸素が実
質的に存在しないようにその燃焼は好ましくは燃料濃度
を大きくして行う。例えばタービンの場合には、アフタ
ーバーナ一の使用によつてこれを達成できる。なぜなら
許容できるほど低いタービン入口温度を維持するために
主バーナーはほぼ３００〜４００％過剰な空気量で作動
するからである。レーザー作用を行なわせるのに適する
気体混合物は次の要領で作り、使用してみた。

ＪＰ−４燃料を、所望の燃料／空気比を得るように供給
燃料及び燃焼空気用の別個の制御装置を持つ改造した工
業用バーナーで燃焼させた。排ガス流中に突き出ている
氷冷プローブを、排ガス試料の抽出のために燃料ノズル
から約６３．５礪（約２５インチ）のところに設けた。
排ガス温度を雰囲気温度近くまで下げるためにこのプロ
ーブのすぐ後に水冷熱交換器を設けた。この熱交換器の
次にはＵ字管水トラツプ及び凝縮物ドレンを設けた。こ
の水トラツプの直ぐ後には、ガスクロマトグラフで分析
するためにガスを取り出すことのできるサンプリングロ
を設けた。排ガスを、次いで、水を更に除去するための
ドライアイス浴に通した。このドライアイス浴は銅ウー
ルを詰めた直径２．５４Ｃ！ＲＬ（１インチ）の銅管を
直径３８．６ＣＴｒＬ（１６インチ）で４回巻回したも
のであつた。この組立体をドライヤ．イスを詰めた容器
中に漬けた。ドライアイス浴を去つた後、燃焼生成物を
次いで約３８．１ｍ（１２５フイート）の高密度ポリエ
チレン管を通してゴルフリン（ＣＯｒｂｌｌｎ）ダイヤ
フラム型圧縮機の入口に送つた。この圧縮機の出口はタ
イプ１Ａガスシリンダーに連結してあつた。ガスを集め
る直前にとつた分析値は次の通りであつた：収集シリン
ダー中のガス圧がゲージ圧３５Ｋｙ／ｄ（５００ｐｓｉ
ｇ）を示すまでバーナーを作動させた。

その後、収集シリンダー中のガスを分析し、次の結果を
得た：１９Ｑ八≦ ０２はガスを収集する間の漏れまたはその他の源から生
じたと思われる。

しかし、この０２は、望ましくないけれども、ガスを電
子ビーム持続安定型レーザー装置で活性媒体として用い
る時にレーザー作用を妨げないことが分った。空気中で
のＪＰ−４の燃焼生成物に可能な限り近く対応する合成
気体混合物を作り試験した。

燃焼生成物中での酸化窒素の存在の可能性が予想される
ので、ガスにＮＯを１０００ＰＦＩ加えてシミユレート
してみた。用いた組成物はモル比でＨ２：Ｎ２：ＣＯ２
：ＣＯ：ＮＯ＝０．１８：８．２：１：０．６：０．０
１であつた。このガス混合物を″ＭｉｃｒＯｂａｎｇ″
として知られている電子ビーム持続装置で用いてみた。

その放電特性を調べるためにこのガス混合物を用いた。
電子ビーム持続式放電は十分に低い電子結合損失一速度
β及び十分に高い電子密度Ｎｅ；数字的にβ：２×１０
５ｓｅｃ−１及びＮｅ：３×１０１１で維持することが
できることが分つた。前記のようにしてＪＰ−４燃料濃
厚側の燃焼で作られた燃焼生成物を次いで同じ放電キヤ
ビテイに導入したところ、同様な条件下でより高い電子
密度（より低いβ値に相当する）を得た〇このことは、
必要な電子ビーム持続式放電を過当な燃焼生成物ガス中
で維持できることを証明している。

理論的な予測では、このガスは有効なレーザー動作を支
持するといえる。ほぼ４×４×１００Ｃ！ＩＬの寸法の
動作領域を持つ電子ビーム持続安定型レーザーに上記と
同じガスの別のものを用い、１気圧で操作してレーザー
動作を達成した。

この場合に２９５しＫでガスの利得０．０８％／ＣＴｆ
Ｌが測定された。このことはガスがレーザー発振を支持
することを立証している。同じレーザーでの第：の試験
において、同じガスの更に別のものを大気圧で導入し、
約２００ガＫに冷却した。不安定オシレーター光学キヤ
ビテイ（出力カツプリング４０％）を用いることにより
、パルス当り５０ｊ／ｌよりも大きい比出力のレーザー
エネルギーが測定された。数字的には、そのパルスの間
の場：密度比はＥ／Ｎ＝２．３×１０−１６Ｖ礪であり
、電子密度Ｎｅ＝３×１０１２ｃｍ−３、またパルス期
間は２３μＳｅｃであつた。

【図面の簡単な説明】 図面は本発明による方法の実施に用いる装置の図式説明
である。 図中、１１は電気励起電源、１２は放電部、１７はバー
ナー、１９は熱交換器、２０はレーザー気体貯蔵部であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭化水素燃料を空気の存在下で、その空気中の全て
   、ほとんど全ての酸素が消費されてＣＯ＿２、Ｎ＿２及
   びＨ＿２を含む燃焼生成物となる条件下で燃焼させ、次
   いでそのＣＯ＿２、Ｎ＿２及びＨ＿２をその燃焼生成物
   から分離し、その後その分離したＣＯ＿２、Ｎ＿２及び
   Ｈ＿２を気体レーザー用の活性媒体として集めることを
   特徴とするＣＯ＿２とＮ＿２とＨ＿２とからなるレーザ
   ー用気体混合物の製造法。 ２ 下記のものを含むことを特徴とする、ＣＯ＿２、Ｎ
   ＿２、Ｈ＿２からなるレーザー用気体混合物を製造する
   装置：（ａ）炭化水素燃料を空気の存在下で、少なくと
   もほとんど全ての酸素を消費して少なくともＣＯ＿２、
   Ｎ＿２及びＨ＿２を含む燃焼生成物となる条件下で燃焼
   させるバーナー；（ｂ）該燃焼生成物を、該燃焼生成物
   中の凝縮性物質を除去するために少なくとも該燃焼生成
   物中の水蒸気の凝縮を引起す温度に冷却する熱交換器；
   及び（ｃ）気体レーザーの活性媒体として用いるために
   該冷却した燃焼生成物の残余を集める収集器。