一种电激励单重态氧发生装置的制作方法

本发明涉及电激励产生单重态氧的技术，具体地说是一种有效提高放电产生单重态氧的气体总压力和气体流量，提高放电产生单重态氧的绝对浓度，降低出口气体温度的一种装置，可以用于电激励氧碘激光器。

背景技术：

电激励氧碘激光器采用氧气放电来产生单重态氧，凭借着原料安全无毒，全气相操作，适应能力更强而具有更多的优势。这种通过放电方法产生单重态氧的装置称为电激励单重态氧发生装置，影响电激励单重态氧发生装置性能的因素一般包括，单重态氧产率(即单重态氧占总氧的百分比)、总气体压力、单重态氧的绝对浓度、有害物种(主要是氧原子)的百分比、出口气体温度等，这些因素会影响到电激励氧碘激光器的小信号增益大小和功率规模放大的能力。因此，一个好的电激励单重态氧发生装置应该具有以下特点，总气体压力高、单重态氧产率高、单重态氧绝对浓度大、出口气体温度低。

众所周知，氧碘激光器的小信号增益随着温度的降低而增加，所以要求光腔区域的气体温度要非常低才行，一般都采用超音速形式运行。当超音速膨胀发生时，温度迅速降低，并且马赫数越大，温度降低得越多，越有利于小信号增益。考虑到在一定的马赫数条件下，光腔压力与上游放电腔压力成正比，因此为了保证的光腔区单重态氧的绝对浓度较高，必须要求放电区的气体压力要很大才行，也就是说放电过程要在较高的气体压力下运转。

另外，放电出口处的气体温度一般都非常高，为了降低光腔区域的气体温度，除了采用超音速形式运行外，还可以在气体进入光腔之前对其进行预先降温处理，这就需要使用气体冷却装置。

研究发现，氧原子对单重态氧的猝灭作用较大，并且主要是通过三体碰撞猝灭过程进行的：O₂(a¹Δ)+O+M→O₂+O+M，k＝1x10^-32cm⁶/s，其中M是第三体碰撞伴侣(一般是O₂)。因此可以看到，当总气体压力逐渐增高时，单重态氧的产率则随之下降，目前较高的单重态氧产率都是在较低的放电气体压力下获得的(氧气分压小于2torr)。另外还可以看出，当存在氧原子时，也会严重猝灭单重态氧，导致单重态氧的产率下降。

为了提高放电气体压力，可以采用缩短放电电极间距的方法来实现，研究发现，当缩短放电电极间距的时候，可以在较高的气体压力下，不显著降低单重态氧相对产率。

为了尽量降低氧原子对单重态氧的损害，则需要通过化学反应尽量多 地俘获氧原子，降低氧原子浓度，提高单重态氧产率。

综上所述，要实现一个好的电激励单重态氧发生装置，所需要满足的条件应包括：气体压力高，气体温度低，氧原子浓度低。

为了实现这一目的，我们发明了一种可以将氧原子经过催化作用转化为单重态氧分子，并能够显著降低出口气体温度的电激励单重态氧发生装置。

技术实现要素：

本发明的目的是设计制作一种单重态氧产率高、气体总压高、气体温度低的电激励单重态氧发生装置，适用于电激励氧碘激光器。

为实现上述目的，本发明提出一种电激励单重态氧发生装置，具体技术方案包括：放电产生区、催化增强区和气流冷却区。

放电产生区由放电腔和放电电极构成，放电腔包括两个圆筒状石英玻璃管，一个为左端开口、右端密闭的内管，另一个为左右两端开口的外管，内管穿置于外管中，内管和外管之间的空腔构成放电腔；放电电极包括两个圆筒状金属电极，一个为内电极，穿置于放电腔内管的内部，另一个为外电极，套设于放电腔外管的外部；

催化增强区位于放电产生区的下游，由2条以上并行的气流通道构成，气流通道左端入口与放电腔右端开口处相连通，气流通道内壁面上涂有氧化碘或氧化汞的催化层；

气流冷却区位于催化增强区的下游，其为左右两端开口的筒状结构，气流通道右端出口与筒状结构的左侧开口端相连通，气流于筒状结构内从左至右流动，于筒状结构内部沿垂直于气流方向分布有2根以上的冷却管，冷却管内流动有液体冷却剂。

内管外壁与外管内壁之间的空隙2-8毫米。

外管、外管外侧套设的圆筒状金属电极、内管、内管内侧的圆筒状金属管同轴。

催化增强区气流通道的横截面为正六边形，其外接圆直径为5毫米，气流通道壁厚0.5毫米。

冷却管内液态冷却剂的温度范围为-30～30摄氏度。

催化层可以部分地将氧原子转化为单重态氧；冷却管的形状为圆筒形，冷却管由导热性能良好的金属铜制成。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过使用石英玻璃圆形套筒作为放电腔，在保持通道面积不变的条件下，有效地缩小了放电间距，在保持单重态氧相对产率的同时提升了放电气体压力。

2、本发明通过在放电产生区下游添加催化增强装置，可以将氧原子转化为单重态氧，在提升单重态氧产率的同时，有效地降低了氧原子浓度，避免了氧原子对单重态氧的强烈猝灭。

3、本发明利用冷却管接触换热对气流进行冷却，在不过分增加流阻的情况下可以显著地降低气体温度，在单重态氧气体进入光腔之前对其进行预先降温，可以有效地降低光腔气体温度，增加电激励氧碘激光器的小信号增益。

附图说明

通过附图结合前述文字描述，能够更好地理解本发明。

图1为本发明的装置结构示意图。101为放电产生区，102为催化增强区，103为气流冷却区。

图2A为放电产生区的横截面。1为外管，2为内管，3为外电极，4为内电极，5为放电气体腔。

图2B为放电产生区的纵剖面。1为外管，2为内管，3为外电极，4为内电极，5为放电腔，6为O₂/He/NO气体混合物入口，7为放电产生的活性氧气体出口。

图3A为催化增强区的横截面。8为正六边形气流通道，9为气流通道内壁上的氧化物催化剂涂层，12为管外壁。

图3B为催化增强区的纵剖面。8为正六边形气流通道，9为气流通道内壁上的氧化物催化剂涂层，10为气体入口，11为气体出口，12为管外壁。

图4为气流冷却区的纵剖面。13为液态冷却剂，14为导热性极好的金属铜制成的导热管，15为待冷却的放电产物气体，16为气体入口，17为气体出口。

具体实施方式

实施例1

如附图所示，本发明的装置结构共包括三个部分，放电产生区101，催化增强区102，气流冷却区103。

电激励单重态氧发生装置的单重态氧主要由含氧气体混合物O2/He/NO在放电产生区101产生。放电产生区101由放电腔和放电电极构成，放电腔包括两个同轴的圆筒状石英玻璃管，一个为内管1，另一个为外管2，内管置于外管中，内管和外管之间的空腔构成放电气体腔5；放电电极包括两个同轴的圆筒状金属电极，一个为内电极4，位于放电腔内管1的内侧，另一个为外电极3，位于放电腔外管2的外侧。内管2外壁与外管1内壁之间的空隙为2-8毫米。外管1、外管1外侧套设的圆筒状金属电极3、内管2、内管内侧的圆筒状金属电极4同轴。

待放电的气体为O2/He/NO，经过气体入口6进入放电气体腔5，在放电气体腔5中进行放电激发，产生的活性氧气流经气体出口7继续流动进入催化增强区102。在放电气体腔5产生的活性氧气流中含有较多的氧原子，会严重猝灭单重态氧降低其产率。

在放电气体腔5产生的含有氧原子的活性氧气流，经过催化增强区102后，有害的氧原子绝大部分都被转化为单重态氧。催化增强区102位于放 电产生区101的下游，由许多条正六边形气流通道8构成。催化增强区102的气流通道8的横截面为正六边形，其外接圆直径为5毫米，气流通道之间的壁厚0.5毫米。正六边形气流通道8的内壁涂有氧化碘(I₂O₂)或氧化汞(HgO)等氧化物催化涂层9，氧化物催化涂层9可以部分地将对单重态氧有害的氧原子转化为单重态氧，提高单重态氧产率。

经过催化增强区102后的气流温度大约为300-500摄氏度，紧接着会进入气流冷却区103对活性氧气流进行冷却。气流冷却区103位于催化增强区102的下游，垂直于气流方向交错分布有多根冷却管14，冷却管14的形状为圆筒形，由导热性能良好的金属铜制成，冷却管14内流动的是液态冷却剂13。冷却管内液态冷却剂13的温度范围为-30～30摄氏度。待冷却的放电产物气体15通过气体入口16进入气流冷却区，从气体出口17出来的冷却后的气体温度大约为40-120摄氏度。

具体操作步骤如下：

实验过程：

第一步，连接好正负电极，打开真空系统，确保真空正常。

第二步，从气体入口6注入O₂/He/NO气体混合物，并打开电源进行放电，调整放电功率到最大值。

第三步，根据实际情况，逐步加大氧气流量，并记录气体压力P和单重态氧自发辐射信号强度I(波长为1268nm)和气体出口17的气流温度T。

第四步，结束实验。

本发明通过使用石英玻璃圆形套筒作为放电腔，在保持通道面积不变的条件下，有效地缩小了放电间距，在保持单重态氧相对产率的同时提升了放电气体压力。通过在放电产生区下游添加催化增强装置，可以将氧原子转化为单重态氧，在提升单重态氧产率的同时，有效地降低了氧原子浓度，避免了氧原子对单重态氧的强烈猝灭。利用冷却管接触换热对气流进行冷却，在不过分增加流阻的情况下可以显著地降低气体温度，在单重态氧气体进入光腔之前对其进行预先降温。