О стабилизации рабочей смеси ТЕА СО2 лазера

Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН

Приведены результаты исследований и сравнительный анализ влияния добавок Н2, СО, Xe к рабочей смеси ТЕА СО2лазера на процесс разложения СО2 и стабильность разряда. Предложены рекомендации по количественному содержанию добавок Н2 и СО, необходимого для стабилизации состава смеси и длительной работы ТЕА лазера в отпаянном режиме.

При разработке промышленных лазеров одним из важнейших моментов является требование длительной работоспособности лазера без замены смеси, поскольку это значительно уменьшает эксплутационные расходы. В ТЕА СО2 лазерах в результате плазмохимических реакций, сопутствующих разрядам предыонизации и накачки, происходит деградация смеси: распад части молекул СО2 на СО и О2, появление окислов азота. Наработка электроотрицательных молекул О2 приводит к уменьшению числа фотоэлектронов предыонизации, что в начальный момент вызывает снижение эффективности накачки активной среды, а далее может привести к срыву тлеющего объёмного разряда в локальный, искровой. Степень деградация смеси зависит от соотношения газовых компонент, режимов работы, конструктивных особенностей лазерной системы. Поэтому задача стабилизации газового состава лазерной смеси постоянно находится в поле зрения исследователей и разработчиков технологических лазеров.

К настоящему моменту можно выделить два способа поддержания постоянного состава лазерной смеси. Во-первых, это метод каталитического восстановления молекулы СО до двуокиси углерода. Второй метод связан с введением в смесь небольшой порции различных газовых добавок типа Н2, СО, Хе.

В первом способе предусматривается введение в газовый тракт каталитического элемента типа: Pd/Pt/SnO2 или оксидные композиции Cu, Al, Co, с хорошо развитой поверхностной структурой, где и осуществляется реакция доокисления молекул СО до дву окиси углерода. Проведённые нами эксперименты по восстановлению смеси посредством каталитического элемента на основе Pd/ Pt/SnO2 (это была обработанная соответствующим способом стеклоткань, помещённая на расстоянии 15 см от разрядной зоны, так что смесь после разряда проходила через катализатор) показали, что наличие элемента уменьшало скорость наработки СО на 30%, со 170 Па/час в среднем до 119 Па/час. Этот уровень восстановления смеси является явно недостаточным, а для активизации процесса требуется повышение температуры реагентов до 1000С и выше [1,2], что не всегда целесообразно. Здесь, очевидно, требуются дополнительные исследования по повышению эффективности катализатора, поскольку известны успешные результаты восстановления смеси на Pd/SnO2-катализаторе при условиях близких к нормальным [3]. Однако в настоящее время работы в этом направлении приостановлены из-за дороговизны используемых материалов.

Во втором способе каждая из перечисленных добавок обладает своим механизмом ограничения деградации смеси [4-10]. Так добавка СО сдвигает протекание реакции в сторону процесса окисления СО:

СО₂ ^ СО + О.

Ввод молекул водорода приводит к образованию гидроксильного радикала, который взаимодействуя с СО приводит к восстановлению СО 2 :

СО + ОН ^ СО₂ + Н .

Ксенон же [6] понижает электронную температуру разрядной плазмы и тем самым ограничивает разложение углекислого газа в процессе:

CO 2 = > СО + О .

В процессе разработки экспериментального образца TEA СО₂ лазера с предыонизацией вспомогательными искровыми разрядами и поперечной прокачкой смеси были проведены экспериментальные исследования по сравнению эффективности влияния описанных выше механизмов на процесс восстановления и стабилизации газовой смеси в лазерных системах данного класса. Величина удельного энерговклада составляла порядка 200 Дж/л - атм., частота следования импульсов 1-10 Гц.

Экспериментальные результаты.

Анализ смесей на наличие СО, образовавшегося в результате распада углекислого газа, проводился на хроматографе "Chrom-5". Одновременно осуществлялся контроль уровня О₂, хотя точность количественного определения О₂ меньше, чем СО. Уровень СО оценивался относительно известного уровня N 2 , входящего в состав лазерной смеси, а поскольку молекулярные веса СО и N 2 одинаковы, можно надеяться на минимальную ошибку в пересчётах. Одновременно с анализом смеси проводились измерения выходной энергии лазерного импульса.

Работы проводились со смесью СО₂: N 2 : He = 1 : 5 : (5 ^ 6) при давлении 0,6 кгс/см² (5,886 - 10⁴ Па), которое является оптимальным по максимуму выходной энергии излучения при напряжении на разрядном промежутке 2,5см в (40-45)кВ. Энерговклад в активный объём составлял 100 Дж. При введении добавок давление Не уменьшалось на величину парциального давления добавки.

СО вводилось следующими порциями: 490 Па, 2 x 490 Па, 3 x 490 Па; по показаниям вакуумметра, пересчёты по хроматограммам дали значения: 464 Па, 743 Па, 1196 Па. Это несовпадение и определяет величину ошибки измерений в пределах 15 ^ 25%.

Добавка СО в 464 Па обеспечивала непрерывную работу лазера в течение 7 часов с частотой 1 Гц (2,52 - 10⁴ импульсов), при

Рис. Динамика изменения парциального давления СО в рабочей смеси TEA СО2-лазера в зависимости от числа импульсов для различных начальных газовых добавок: кривая 1 - порция СО (Р0 = 740 Па), кривая 2 - порция СО (Р0 = 1200 Па), кривая 3 - порция Н2 (Р0 = 4900 Па), кривая 4 - наработка СО без добавок, кривая 5 - порция Хе с Р0 = 490 Па этом происходило увеличение содержания СО до = 870 Па, что соответствует наработке О2 = 200 Па. После 7 часов работы происходило искрообразование с частотой 0,1^0,2 Гц.

При введении 743 Па СО был получен 14 часовой бесперебойный режим работы лазера. За 5 часов работы содержание СО увеличилось до 925 Па и далее оставалось постоянным. Дополнительно нарабатывалось О2 около 90 Па, по хроматографическим оценкам в смеси находилось около 170 Па кислорода.

Добавка в 1196 Па СО обеспечивала 25 часовой непрерывный режим работы лазера. При этом в первый момент времени ( = 3 часа) наблюдался некоторый рост содержания СО в смеси (приблизительно на 8% относительно начального уровня), затем монотонное падение к уровню 1000 Па. Уровень содержания кислорода в смеси в течение всего периода измерений оставался низким (0,4% от N 2 ) и, по-видимому, находился в пределах ошибки измерений.

Полученные результаты позволяют сделать следующий вывод: количество СО, обеспечивающее стационарное состояние смеси, находится в пределах (900^1000)Па. Динамика изменения парциального давления СО для разных величин газовых добавок представлена на рис., кривые 1 и 2. Следует особо подчеркнуть, что величина добавки СО, как показали измерения, не влияет на выходную энергию импульса излучения, которая в нашем случае составляла =10Дж.

Эксперименты по стабилизации смеси добавками Н₂ проводились при парциальных давлениях: 2 x 490 Па, 6 x 490 Па, 10 x 490 Па. Давление измерялось только по моновакууметру, ввиду проблематичности измерений водорода в потоке гелия на хроматографе.

При парциальном давлении Н₂ в рабочей смеси 980 Па и подаче импульса напряжения на разрядный промежуток в 40 кВ (нормальный режим) время работы лазера без срыва тлеющего разряда в искровой составило 1 час. Увеличение парциального давления Н₂ до 2940 Па и далее до 4900 Па привело к росту периода стабильной работы до 2 часов. Для всех случаев за первый час работы была зарегистрирована примерно одинаковая скорость наработки СО в пределах 180 ± 20Па/час, что практически не намного отличается от той же величины для чистой смеси 220 Па/ час (кривая 4, рис.). Таким образом, был выявлен следующий недостаток водородных добавок: высокая скорость разложения СО₂ и сужение области устойчивости разряда по параметру величины импульса напряжения накачки.

Для смеси с парциальным давлением Н2 4900 Па (кривая 3, рис.) было проведено исследование длительности работы с понижением напряжения в импульсе накачки с 40кВ до 36кВ после первых двух часов в нормальном режиме. Энергия в импульсе при этом уменьшалась на 40%. Выявлена возможность работы лазерной системы на этой смеси с длительностью порядка 25 часов с эпизодическим шнурованием разряда. По-видимому, в данном случае доминирует два механизма восстановления СО2:

СО + О ^ СО₂, СО + ОН ^ СО₂ + Н, с преобладанием первого.

Следует отметить, что во всех случаях разных давлений водорода, хроматографом регистрировался очень низкий уровень кислорода =50 Па (на уровне ошибки методики проведения измерений). Это позволяет сделать вывод о наличие реакции связывания его с водородом, то есть, очевидно, происходит наработка паров воды. Поскольку вода обладает свойством сильного поглощения ультрафиолета предыонизации в рабочей области СО2-лазера [9], то по мере роста её концентрации создаются условия для срыва тлеющего разряда в искровой.

В связи с этим предположением было произведено улучшение условий предыонизации разряда. В нашем случае это достигалось смещением искровых разрядов предыонизации с 10 см до 6см к оси разряда. Это позволило работать на смеси с полной заменой гелия на водород (смесь СО₂: N 2 : Н₂ = 0,05 : 0,25 : 0,3 при давлении 0,6 кгс/см²). Наблюдалась стабильная работа лазера в течение 6 часов, но смесь была признана нецелесообразной ввиду малой выходной энергии в импульсе излучения (~3 Дж против 12 Дж на гелиевой смеси при одинаковых условиях).

Работы с Хе проводились при его парциальном давлении = 490 Па (при больших давлениях не удалось осуществить более или менее стабильный разряд) и напряжении в импульсе накачки 36 кВ. Эксперименты показали, что скорость наработки СО с добавкой Хе (кривая 5, рис.) падает незначительно (на 20 ^ 25%) по сравнению с чистой смесью, а область величин напряжения в импульсе, обеспечивающая стабильный разряд, приближается к порогу срабатывания генератора. При этом энергия импульса излучения составляла половину от обычного значения. Ввиду этого нам представляется не целесообразным использование Хе в качестве добавки для стабилизации смеси.

Таким образом, на основании проведенных экспериментальных исследований в качестве газовых компонент рабочей смеси ТЕА СО2 лазера, оказывающих положительной воздействие на стабильность разряда, можно рекомендовать добавки определенной величины СО и Н2. Причём предпочтительнее использование добавки СО.

Проведенные измерения послужили основанием выбора 4-х компонентной газова-

êóóìíîé ñõåìû äëÿ ýêñïåðèìåíòàëüíîãî îá-ðàçöà ÒÅÀ ÑÎ2 ëàçåðà, îðèåíòèðîâàííîãî íà ìàðêèðîâî÷íûå òåõíîëîãèè.

ÑÏÈÑÎÊ ËÈÒÅÐÀÒÓÐÛ

• 1.    Brown K.G., Sidney B.D., Schryer D.R. et al. Catalytic recombination of dissociation products with Pt/SnO₂ for raree and common isotope long-life, closed-cycle CO₂ lasers // SPIE Laser Radar Technology and Application. Vol.663. 1986.

• 2.    Îñèïîâ Â.Â., Íèêèôîðîâ À.Â., Îðëîâ À.Í. è äð . ÒÅÀ ÑÎ₂ ëàçåð ñ ñèñòåìîé ðåãåíåðà-öèè ãàçîâîé ñìåñè // ÏÒÝ. 1998. ¹2.

• 3.    Stark D.S., Crocker A., Steward G. J. A sealed 100-Hz CO₂ TEA laser using high CO₂ concentrations and ambient-temperature catalysts // J. Phys. E: Sci. Instrum. Vol.16. 1983.

• 4.    Smith A.L.S., Bett T.H., Browne P.G. The Effects of Gas Additives on TEA CO₂ Lasers // IEEE J. Quantum Elektron. Vol.QE-11. 1975. ¹7.

• 5.    Stark D.S., Ckross P.H., Foster H.A. Compact Sealed Pulsed CO₂ TEA Laser // IEEE J. Quantum Elektron. Vol.QE-11. 1975. ¹9.

• 6.    Ikeda H., Horishima T., Owaki T. Sealed-Off Carbon Dioxide Laser // JRC Rev. Vol.26. 1988. ¹9.

• 7.    Hokazono H., Fujimoto H. Theoretical analysis of the CO₂ molecule decomposition and contaminants yield in transversely excited atmospheric CO₂ laser discharge // J. Appl. Phys. Vol.62. 1987. ¹5.

• 8.    Hokazono H., Obara M. Reduction of the CO₂ decomposition in the transversely excited atmospheric CO₂ laser discharge plasma by a very small amount of the water vapor // Appl. Phys. Lett. Vol.57. 1990. ¹1.

• 9.    Hokazono H., Obara M. Theoretical operational life study of the closed-cycle transversely excited atmospheric CO₂ laser // J. Appl.Phys. Vol.69. 1991. ¹10.

• 10.    Tashiro H., Suda A., Kurachi M. et al. Gas degradation and production in a high repetition rate, transversely excited atmospheric CO₂ laser // J. Appl.Phys. Vol.71. 1992. ¹4.

ABOUT STABILIZATION OF A WOKING MIXTURE OF THE TEA CO2 LASER

Samara Branch of Physics Institute named for P.N. Lebedev of Russian Academy of Sciences

The results of studies of the laser medium stabilization is presented. Comparative analysis of influence of the additives of H2, CO, Xe on decomposition of carbon dioxide in a TEA CO2 laser is made. The quantities of the additives for a laser mixture composition stabilization and for a TEA CO2 laser long-lived operation under sealed-off conditions are recommended.