一种氯气利用率测量装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于化学激光技术领域。涉及到一种基于吸收光谱的化学碘源氯气利用率 的测量方法，特别涉及到一种用于氧碘激光器化学碘源的氯气利用率测量方法。通过该测 量方法，使采用化学碘源的氧碘化学激光器含碘气流中存在大量粉尘颗粒导致测量不准确 甚至无法进行的问题得以解决。氧碘激光器的化学碘源受其工作原理限制，其供碘气流中 不可避免的存在大量粉尘，普遍采用的单波长吸收光谱法很难将残余氯气流量和供碘流量 测量准确，因为粉尘的存在会使透射光强减弱，从而使测量结果偏大，甚至出现测量无法进 行的情况。本测量方法主要针对化学碘源氧碘激光器，最大可能地排除了粉尘的干扰，有效 地解决了化学碘源氯气利用率的测量准确性问题，同时可以实现碘流量的在线测量，为氧 碘激光器关键参数的测量提供了可靠的保障，从而可以推动高能氧碘化学激光器的发展。
【背景技术】
[0002] 碘源是氧碘激光器的关键部件，是为激光器提供原料碘蒸气的，按照碘分子的产 生方式可分为物理碘源和化学碘源。其中化学碘源是近年来刚刚兴起的氧碘激光器供碘技 术，是利用氯气与无机碘化物包覆颗粒间的化学反应为激光器提供碘蒸气的，具有对设备 的腐蚀性小，体积小巧等优点。化学碘源是利用氯气和碘化物包覆颗粒间的气-固化学反 应来为激光器提供碘蒸气的，碘源在不同条件下对氯气的利用程度不同，因此氯气利用率 是氧碘激光器化学碘源最重要的参数，其大小直接影响到碘分子的生成速率及激光器的供 碘量，以致直接影响到激光器的输出功率，因此化学碘源氯气利用率的准确测量和实时监 测对激光器的稳定输出和性能优化具有重要意义。
[0003] 化学碘源在反应过程中需要通入超过反应气量数倍的惰性气体作为稀释气体，高 速气流对固体物料床层的强烈冲击使反应后的气流里夹杂有很多粉尘颗粒，化学反应效率 又决定了气流中还有部分残余氯气存在，所以化学碘源输出的气流组份中就有碘蒸气、稀 释气体、残余氯气和粉尘颗粒。气流的多组分性使化学碘源的氯气利用率测量成为了难题。 一方面粉尘颗粒的存在导致经过测试池的透射光强减弱，常规的吸收光谱法误差过大难以 得到有效数据。另一方面，碘蒸气和残余氯气量都是未知的，这就无法利用文丘里流量计来 计量氯气利用率。另外，碘蒸气在400-600nm、氯气在300-390nm谱段都有不同程度的吸收， 专利CN101726337的双波长吸收光谱法因无法选择合适的参考光也不适用于此。因此化学 碘源的氯气利用率目前只能利用系统化学反应的减重量来计算其平均值，无法进行动态测 量。
[0004] 本发明就是针对上述存在的问题而开发的用于氧碘激光器化学碘源的氯气利用 率的测量方法。
【发明内容】
[0005] 本发明是基于吸收光谱法的创新应用，目的是提供一种用于氧碘激光器化学碘源 的氯气利用率测量方法。通过本发明可实现对采用化学碘源的氧碘激光器碘源氯气利用率 及碘流量的准确测量和实时监测，从而达到优化激光器性能的目的。
[0006] 为实现本发明的目的，具体的技术方案是：
[0007] -种用于氧碘激光器化学碘源的氯气利用率测量装置，在氧碘激光器出碘管上设 置有对称的第一和第二筒体，两筒体同轴设置，其轴线垂直于出碘管的轴向，且与出碘管的 轴线相交，两筒体的内端均与出碘管相连通，外端均设置有密封的第一和第二通光测试窗 口，两个筒体、与两筒体连通部分的出碘管以及测试窗口构成测试池，筒体的侧壁设置有加 热装置，同时筒体上分别设置有测温和测压装置；
[0008] 在测试池一侧设置有光源，在光源与第一通光测试窗口之间设置有第一聚焦透 镜，在测试池第二通光测试窗口外侧设置有带有硅CCD的光栅光谱仪，第二通光测试窗口 和光谱仪之间设置有第二聚焦透镜。光源的发射光经过测试池后被光栅光谱仪分光并被 CCD记录下来。光谱仪与计算机上的数据采集卡用数据线连接，由计算机控制数据采集并进 行处理。
[0009] 所述光源发射连续的可见光谱，范围包含300-600纳米谱段。
[0010] 实验时先由（XD采集经过测试池后的透射光信号作为初始光强；短暂延迟后开启 稀释气体阀门和氯气阀门，使气体进入碘源，在碘源内发生化学反应产生的含碘气流流经 出碘管，由C⑶采集经过测试池后的透射光强信号作为透射光强。
[0011] 所述稀释气体为化学碘源反应过程中需要加入的惰性气体，如：氦气或氮气。
[0012] 所述出碘管是激光器碘源输送碘蒸气的管路。
[0013] 所述出碘管的轴向是指平行于出碘管内气流的方向。
[0014] 所述加热装置的作用是为了保证碘蒸气不在测试池中冷凝下来。
[0015] 对于通过实时反应产生碘的化学碘源，碘分子不会在容器和管道中长期存留，反 应过程中又通入了大量稀释气体，所以只要测试池温度达到要求，可以不考虑碘对测试窗 口的污染问题。但是高速气流对物料床层的冲击使待测的含碘气流里夹杂了大量细微的粉 尘颗粒，采用常规单波长吸收光谱法测量残余氯气浓度时，粉尘颗粒对入射光发生散射，结 果使测得的透射光强比实际值偏小，而测量初始光强时并没有粉尘通过测试池，所以测得 的残余氯气浓度比实际值偏大，于是导致氯气利用率比实际值偏小，甚至无法得到有效数 据。为了解决上述问题，我们利用系统中残余氯气流量与碘流量直接相关而且二者光谱吸 收范围不同的特点，采用了氯气与碘蒸气双组份吸收光谱同时测量法。
[0016] 具体方法及计算公式如下：
[0017] 气体介质对光的吸收可以用Beer-Lambert定律来描述：
[0018]I=I〇exp(-snL) (1)
[0019] 其中I。是初始光强，I为透射光强，s为气体介质的吸收截面（cm2)，n为气体介质 浓度（个分子/cm3)，L为光在气体介质中的传播距离（cm)，S卩测试池的长度。
[0020] 由于气流中有粉尘颗粒的存在，造成透射光强减弱，所以透射光强和初始光强的 关系应改为：
[0021] I=aI〇exp(-snL) (2)
[0022] 其中a为透射光强的实际透过率。
[0023] 由待测气体的吸收截面和吸收长度，根据初始光强