一种激光器混合气体的制备装置的制作方法

本实用新型激光器领域，特别是涉及一种激光器气体制备装置。

背景技术：

二氧化碳激光器因其优越的光束质量和高性价比而在激光器家族中占有重要的位置，其在材料加工行业有着最广泛的应用。

目前，传统的直流玻璃管激光器正在被新一代的射频激励密封型二氧化碳激光器所取代。针对这种新型二氧化碳激光器，由于气体是密封在激光腔内，它的稳定性直接影响到激光器的性能和使用寿命。通常，二氧化碳激光器腔内的气体介质不是纯二氧化碳气体，而主要由二氧化碳、氮气和氦气及少量的辅助气体按一定比例混合而成。阎吉祥，激光原理与技术，高等教育出版社，2004。

亚当等人给出了一个典型的混合气体比为CO₂:N₂:He＝1:9:15。亚当.赛宁，安德烈.彻努科，格日娜.雷博祖科，工作介质组分对二氧化碳激光器性能的影响，SPIE会议论文集，第4237卷，2000年，219页。(Adam Cenian,Andrey Chernukho,Grazyna Rabczuk.Investigations of the influence of working mixture composition on a CO₂laser performance.Proceedings of SPIE Vol.4237,2000,219)

在射频放电过程中，混合气体的成份并不是固定不变的，会随气体的电离和电子的碰撞而发生变化。二氧化碳气体会发生如下的反应：

CO₂+e→CO+O+e (1)

CO₂+e→CO+O^- (2)

伴随气体反应，混合气体中会产生一系列反应产物像CO、O、O^-及O₂、NO等。反应导致二氧化碳气体的分解，其分解过程可用如下的平衡方程来简单描述：

由公式(3)可看出，当反应达到平衡时，如果CO和O₂的含量不变，则CO₂组分应保持不变。然而，反应生成的CO和O₂会不断的被腔内的电极及其他材料(通常为铝合金)所消耗，促使上述反应不断向右进行，导致CO₂气体含量不断减少，激光的输出功率不断下降。威尔弗里德.哈斯，铁雄岸本，射频激励密封型二氧化碳激光器中气体组分的研究，SPIE会议论文集，第1276卷，1990年，49页。(Wilfried Haas,Tetsuo Kishimoto.Investigation of the gas composition in sealed-off RF-excited CO₂lasers.Proceedings of SPIE Vol.1276,1990,49)

因此，如何防止CO₂气体的分解和保持混合气体的稳定性在很大程度上决定了二氧化碳激光器的寿命和可靠性。

为防止反应生成的CO和O₂与腔内的材料发生氧化反应，目前业界的做法是通过对腔体和电极材料的表面处理(钝化)来阻断或减缓它的氧化速率。比如，铝的表面阳极化、无电镀镍。另外，在电极或其他部件上表面镀金被认为有利于促进(3)式的平衡向生成CO₂的方向移动。这些措施的采用极大的改善了激光器的使用寿命，尤其是改善了当激光器在连续工作条件下的使用寿命。

但这些处理措施不但会增加当激光器的成本，而且，当激光器工作在不断地开关及温度变化强烈的环境下，铝合金表面的保护层会由于热疲劳而遭到破坏，从而一方面引起CO₂气体的分解；另一方面，破裂的表面层会产生大量的细小的氧化物颗粒，这些细颗粒会在腔内运动并附着到光学镜面上，从而造成镜面的光学损伤。

因此，新型的激光器混合气体已成为延长二氧化碳激光器使用寿命的关键技术。但新型的混合气体因为气体组分多，现有的激光器气体配制装置无法保证气体的混合均匀、稳定、高效。因而针对新型的激光器混合气体，对气体制备装置如何改进，已成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种激光器混合气体的制备装置。

一种激光器混合气体的制备装置，包括混合气体气罐，混合气体气罐的入口与控制阀的出口通过管路相连通，控制阀的入口与主管路相连通，所述主管路与气体流量计的出口通过管路相连通，气体流量计的入口与减压阀的出口通过管路相连通，减压阀的入口与纯气体气罐出口相连通；

其中，所述主管路上连接有真空泵；所述的控制阀与混合气体气罐之间的管路连接有压力表。

本实用新型所述的激光器混合气体的制备装置，其中，所述混合气体气罐为三层罐体结构；所述混合气体气罐的内层罐体中央插有搅拌杆，所述搅拌杆伸入内层罐体的部分带有三层搅拌叶片，露在罐体外的搅拌杆由伺服电机驱动旋转。

本实用新型所述的激光器混合气体的制备装置，其中，所述混合气体气罐其外层罐体为钢制，耐压上限为25Mpa；内层罐体为镍基耐腐蚀合金制成，耐压上限是20Mpa；混合气体气罐的外层罐体和内层罐体之间设有隔热保温层。

本实用新型所述的激光器混合气体的制备装置，其中，所述纯气体气罐分为上、下两个腔室；上腔室和下腔室之间通过活塞式隔膜隔开；所述下腔室通过管路阀门与压缩空气源相连。

本实用新型所述的激光器混合气体的制备装置，其中，所述纯气体气罐的数量为六个，分别为氮气气罐、二氧化碳气罐、一氧化碳气罐、氧气气罐、氙气气罐和氦气气罐。

本实用新型所述的激光器混合气体的制备装置，其中，每个纯气体气罐的出口通过管路与一个减压阀的入口相连，每个减压阀的出口均与一个气体流量计的入口相连，每个气体流量计的出口均与一个气体单向阀的入口相连，每个气体单向阀的出口均与主管路相连通。

本实用新型所述的激光器混合气体的制备装置，其中，所述纯气体气罐均为钢制，耐压上限为15MPa；每个纯气体气罐的上腔室充有纯气体。

本实用新型所述的激光器混合气体的制备装置，其中，当纯气体气罐的上腔室的气体压力等于混合气体气罐压力时，打开纯气体气罐下腔室的阀门，压缩空气推动活塞式隔膜上移，压缩上腔室的纯气体，使上腔室的气体压力大于混合气体气罐压力。

本实用新型与现有技术相比，其突出特点在于：

(1)混合气体气罐为三层罐体结构，有效保证了气罐的耐压、耐温、隔热、耐腐蚀性能；而且气罐设有搅拌装置，保证了不同密度的气体在气罐中均匀混合，从而保证在混合气体使用过程中，各组分气体比例始终保持均匀稳定。

(2)当纯气体气罐的上腔室的气体压力等于混合气体气罐压力时，打开纯气体气罐下腔室的阀门，压缩空气推动活塞式隔膜上移，压缩上腔室的纯气体，从而保证了上腔室中纯气体的充分利用，大大减少了更换气罐的频率，提高了纯气体的使用效率。

(3)在管路中增加了气体流量计和气体单向阀，可同时打开所有的纯气体气罐进行气体混合，大大提高了工作效率。

下面结合附图说明和具体实施例对本实用新型的激光器混合气体的制备装置作进一步说明。

附图说明

图1为实施例1的装置示意图；

图2为实施例2的装置示意图；

图3为纯气体气罐的结构示意图；

图4为混合气体气罐的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

结合图1、图3-4所示，激光器混合气体的制备装置，包括混合气体气罐1，混合气体气罐1的入口与控制阀2的出口通过管路相连通，控制阀2的入口与主管路相连通，所述主管路与气体流量计4的出口通过管路相连通，气体流量计4的入口与减压阀5的出口通过管路相连通，减压阀5的入口与纯气体气罐6出口相连通；

其中，主管路上连接有真空泵7；所述的控制阀2与混合气体气罐1之间的管路连接有压力表3。

混合气体气罐1为三层罐体结构；混合气体气罐1的内层罐体12中央插有搅拌杆16，搅拌杆16伸入内层罐体12的部分带有三层搅拌叶片14，露在罐体外的搅拌杆16由伺服电机17驱动旋转。

混合气体气罐1其外层罐体11为钢制，耐压上限为25Mpa；内层罐体12为镍基耐腐蚀合金制成，耐压上限是20Mpa；混合气体气罐1的外层罐体11和内层罐体12之间设有隔热保温层13。

混合气体气罐1通过管路15与控制阀2相连通。

纯气体气罐6分为上、下两个腔室；上腔室61和下腔室62之间通过活塞式隔膜63隔开；下腔室62通过管路阀门64与压缩空气源65相连。

纯气体气罐的数量为六个，分别为氮气气罐、二氧化碳气罐、一氧化碳气罐、氧气气罐、氙气气罐和氦气气罐。

每个纯气体气罐6的出口通过管路与一个减压阀5的入口相连，每个减压阀5的出口均与一个气体流量计4的入口相连，每个气体流量计4的出口均与主管路相连通。

纯气体气罐6均为钢制，耐压上限为15MPa；每个纯气体气罐6的上腔室61充有纯气体。

当纯气体气罐6的上腔室61的气体压力等于混合气体气罐1压力时，打开纯气体气罐6下腔室62的阀门，压缩空气推动活塞式隔膜63上移，压缩上腔室61的纯气体，使上腔室61的气体压力大于混合气体气罐1压力。

纯气体气罐6的上腔室61通过管路66与减压阀5相连通。

某混合气体中各种气体的体积分数分别为：

上述配方的混合气体的制备方法为：首先根据上述的混合气体配方及混合气体的容积和压力，准备好相应压力和体积的六种纯气体气罐6，其气体纯度应不低于99.99％。确定所有的阀门都处于关闭状态，打开真空泵7，然后，打开控制阀2，待混合气体气罐1的压力计3读数趋于零。关闭控制阀2，打开氮气气罐的减压阀，然后，缓慢打开控制阀2的阀门，让氮气流入混合气体气罐1，当压力计3的读数达到相应的值时，关闭控制阀2和氮气气罐的减压阀5。打开真空泵7，将减压阀5和控制阀2之间的残留氮气抽出。打开第二个纯气体(二氧化碳)气罐的减压阀5，将二氧化碳气体加到混合气体气罐1中。重复以上过程，直到所有气体按比例全部加到混合气体气罐1中。

当某个纯气体气罐6的上腔室61的气体压力等于混合气体气罐1压力时，打开该纯气体气罐6的下腔室62的阀门，压缩空气推动活塞式隔膜63上移，压缩上腔室61的纯气体，使上腔室61的气体压力大于混合气体气罐1压力。

实施例2

结合图2-4所示，在实施例1的基础上，每个气体流量计4的出口均与一个气体单向阀8的入口相连，每个气体单向阀8的出口均与主管路相连通。当外部气体压力大于纯气体气罐的压力时，气体单向阀8可以防止外部气体向纯气体气罐6中倒流。气体流量计4可记录气体的总流量和流速。二者配合的情况下，可实现多个纯气体气罐同时打开，进行气体混合，同实施例1相比，工作效率大大提高。

某混合气体中各种气体的体积分数分别为：

上述配方的混合气体的制备方法为：首先根据上述的混合气体配方及混合气体的容积和压力，准备好相应压力和体积的六种纯气体气罐6，其气体纯度应不低于99.99％。确定所有的阀门都处于关闭状态，打开真空泵7，然后，打开控制阀2，待混合气体气罐1的压力计3读数趋于零。关闭控制阀2，同时打开六个纯气体气罐6的减压阀5，记录每个气体流量计4的读数，当某种气体的总流量达到该种气体所需的体积分数时，则关闭该纯气体气罐6的减压阀5。直到所有气体按比例全部加到混合气体气罐1中，关闭所有的减压阀5。

当某个纯气体气罐6的上腔室61的气体压力等于混合气体气罐1压力时，打开该纯气体气罐6下腔室62的阀门，压缩空气推动活塞式隔膜63上移，压缩上腔室61的纯气体，使上腔室61的气体压力大于混合气体气罐1压力。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。