化學(xué)氧碘激光器的BHP配制及穩(wěn)定操作

1、第10卷第3期1998年8月強(qiáng)激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS.10,No.3VolAug.,1998化學(xué)氧碘激光器的BHP配制及穩(wěn)定操作廖偉光桑鳳亭楊柏齡(中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所,大連110信箱,116023)摘要作為化學(xué)氧碘激光器(COIL)的能量來源,O2(1)發(fā)生器(SOG)工作狀態(tài)直接影響COI通過對轉(zhuǎn)盤L的工作性能,而堿性過氧化氫溶液的穩(wěn)定與否又影響SOG的工作狀態(tài)。式SOG實(shí)驗(yàn)中BHP配制及穩(wěn)定操作的系統(tǒng)研究,提出了造成BHP溶液不穩(wěn)定的幾種原因及相關(guān)的解決方法。關(guān)鍵詞BHP配制及穩(wěn)定操作轉(zhuǎn)盤式O2(1)發(fā)生器化學(xué)氧碘激光器中圖分類號

2、TN248.520.41化學(xué)氧碘激光器(COIL)是利用化學(xué)方法生成的O2()與基態(tài)碘原子共振傳能產(chǎn)生激光,化學(xué)能轉(zhuǎn)化為激光輸出的效率很高,容易實(shí)現(xiàn)放大,且具有波長短、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。單重態(tài)氧發(fā)生器(SOG)是為COIL提供能源的裝置,它直接影響COIL的整體工作性能,同時(shí)SOG的工作穩(wěn)定性也是COIL穩(wěn)定工作的關(guān)鍵,而SOG的穩(wěn)定工作在極大程度上取決于工作介質(zhì)堿性過氧化氫堿溶液(BHP)的化學(xué)穩(wěn)定性。本文針對轉(zhuǎn)盤式SOG的BHP配制及穩(wěn)定操作條件進(jìn)行了系統(tǒng)研究,確定了BHP的穩(wěn)定工作環(huán)境。1O2(1)的化學(xué)發(fā)生原理化學(xué)氧碘激光器的工作原理是基于激發(fā)態(tài)碘原子受激發(fā)射2I3(2p1 2)I(p

3、3 2)+h激發(fā)態(tài)碘原子的能量來自基態(tài)碘原子與激發(fā)態(tài)氧的近共振傳能323O2(1)+I(2p3 2)I(p1 2)+O2(2)(1)(2)由上式可知,高效發(fā)生O2(1)是實(shí)現(xiàn)COI目前所采用的O2(1)發(fā)生L高效操作的關(guān)鍵。方法主要是通過氯氣與BHP的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生(3)Cl2+H2O2+2MOHO2(1)+2H2O+2MCl,M=K、Na、Li該反應(yīng)產(chǎn)生的O2(1)實(shí)際產(chǎn)率近100%1,上述反應(yīng)是由一系列基本反應(yīng)過程組成。首先由堿與過氧化氫預(yù)混配制成BHP并產(chǎn)生HO2-離子;當(dāng)氣相中的氯氣通過擴(kuò)散進(jìn)入BHP混合液時(shí),氯氣與HO2-反應(yīng),產(chǎn)生HOOCl中間體,并與HO2-反應(yīng)產(chǎn)生ClO2-;最后

4、ClO2-解離產(chǎn)生O2(1),即H2O2+OH-H2O+HO2-,H=-32kJ molCl2+HO2-HOOCl+Cl-HOOCl+HO2-ClO2-+H2O2ClO2-Cl-+O2(1),H=-155kJ mol(4)(5)(6)(7)國家863激光技術(shù)領(lǐng)域資助課題1998年4月8日收到原稿,1998年6月16日收到修改稿。廖偉光,男,1967年12月出生,助工© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第3期廖偉光等:化學(xué)氧碘激光器的BHP配制及穩(wěn)定操作455由以上反應(yīng)可見,O

5、2(1)的化學(xué)發(fā)生主要是由Cl2與BHP反應(yīng)產(chǎn)生,其反應(yīng)為放熱反應(yīng)。2BHP穩(wěn)定性的影響因素及控制方法SOG的正常運(yùn)轉(zhuǎn)主要取決于BHP的化學(xué)穩(wěn)定性。BHP的化學(xué)不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在:BHP溶液中存在大量泡沫,當(dāng)氯氣及載氣流經(jīng)SOG時(shí),就會(huì)夾帶大量的液體進(jìn)入光腔,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。因此,研究BHP產(chǎn)生泡沫的原因,確定相應(yīng)的控制手段,對SOG的正常操作十分重要。BHP產(chǎn)生泡沫的原因主要有:(1)BHP溶液是大量的H2O2和HO2-的堿性混合液,而二者又是極不穩(wěn)定的物質(zhì)22H2O22H2O+O2,H=-189.1kJ mol2HO2-2OH-+O2(8)(9)(2)由于BHP為堿性溶液,在低溫下粘度較大,

6、當(dāng)有氣泡存在時(shí)極易產(chǎn)生泡沫,而且其粘度越大越容易形成泡沫。引起H2O2和HO2-不穩(wěn)定的因素有以下兩點(diǎn):(1)溫度越高,H2O2和HO2-的穩(wěn)定性越差,同時(shí)由于二者的分解過程是放熱反應(yīng),會(huì)引起分解的惡性膨脹,所以H2O2和HO2-的使用環(huán)境(2)雜質(zhì)的存在,尤其重金屬離子是H2O2分解的催化劑。必須處于低溫狀態(tài)。當(dāng)這些離子或化合物雜質(zhì)在溶液中達(dá)到一定濃度時(shí),會(huì)加劇H2O2的分解,因此要求BHP必須在高純凈環(huán)境下使用,即要求配制BHP的容器和SOG中盡可能減少雜質(zhì),以減少對H2O2分解的影響。選擇合適的堿物質(zhì)以降低BHP的粘度,是控制BHP不穩(wěn)定的另一個(gè)重要手段。3BHP的配制及穩(wěn)定操作3.1B

7、HP的配制選擇MOH時(shí),粘度是一個(gè)重要的參數(shù);同時(shí),由于實(shí)驗(yàn)生成氣體中水的含量增大會(huì)直接引起激光器的輸出功率下降3,所以在選擇MOH時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮其溶解度的影響,因?yàn)闈舛容^低的堿溶液水含量較大,進(jìn)而增大反應(yīng)生成氣體中的水含量。通過對KOH和NaOH物理性質(zhì)的分析得到,無論粘度還是溶解度,KOH都明顯優(yōu)于NaOH。鑒于以上原因,實(shí)驗(yàn)時(shí)選用溶解度為100的KOH溶液(重量百分比濃度為50%),該濃度溶液滿足室溫下的近飽和狀態(tài)。配制KOH溶液時(shí)對水質(zhì)的要求較高,水的電導(dǎo)率一般應(yīng)在0.27×10-6 8 cm以下。BHP配制過程中有大量的反應(yīng)熱產(chǎn)生,如果反應(yīng)熱去除不利,將引起溶液溫度的升高,而

8、溶液溫度過高會(huì)引起H2O2的分解,降低H2O2的濃度并導(dǎo)致BHP化學(xué)性質(zhì)的不穩(wěn)定。所以配液時(shí)應(yīng)采用低溫冷卻換熱和真空蒸發(fā)水分來去除反應(yīng)熱,進(jìn)而降低溶液溫度。同時(shí),控制合理的進(jìn)液溫度和進(jìn)液時(shí)間是控制BHP溫升的有效手段。我們采用50%KOH與50%H2O2配制BHP溶液,真空下的冷凝溫度為-17°實(shí)驗(yàn)證明,將進(jìn)液溫度控制在-5°C左右。C左右,既能保證BHP溶液的穩(wěn)定,也可縮短進(jìn)液時(shí)間。配制時(shí)先將所需的H2O2一次加入罐內(nèi),當(dāng)液體溫度降至-5°C時(shí),逐漸加入與H2O2等量的KOH溶液,控制進(jìn)液閥將罐內(nèi)液體溫度穩(wěn)定在-5°C以下直至在配液過程中通以適量的空氣

9、攪拌,使液體充分冷卻,以免造成靠近冷卻部分KOH溶液加完。的溶液因過冷而冷凝。3.2BHP的穩(wěn)定操作在轉(zhuǎn)盤式SOG中,BHP的不穩(wěn)定因素主要來源于以下幾個(gè)方面:1.氣路腐蝕:目前SOG及氯氣管路的材質(zhì)為Cr18Ni9Ti,它不耐濕氯氣的腐蝕4。實(shí)驗(yàn)中© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.456強(qiáng)激光與粒子束第10卷3+當(dāng)潮濕的氯氣(稀鹽酸)流經(jīng)管路時(shí),因腐蝕生成的Cr3+、Fe等金屬離子將隨氣流進(jìn)入O2(1)發(fā)生器,它們使H2O2極易分解。因此保證氣路、氣體的干燥,可減輕對管路

10、的腐蝕。2.冷阱腐蝕:為了減輕反應(yīng)生成氣體中的水蒸氣對激發(fā)態(tài)碘原子的猝滅,在轉(zhuǎn)盤式SOG的出口連接了表面涂有聚四氟乙烯膜紫銅材質(zhì)的冷阱裝置。但由于冷阱工作溫度較室溫變化較大,多次實(shí)驗(yàn)后,會(huì)造成膜面的龜裂、脫落,從而影響了防腐效果。而裸露的單質(zhì)銅在潮濕的空氣下,易生成銅綠5,同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中,氣流中殘留的氯氣以及碘蒸氣均能與單質(zhì)銅生成鹵化物6。當(dāng)冷阱上的冷凝霜融化時(shí),這些殘留在冷阱表面的離子將與水一起流入O2(1)發(fā)生器。實(shí)驗(yàn)后采取拆卸清洗的方法避免污染。3.局部過熱:由于轉(zhuǎn)盤式SOG的冷卻夾套在轉(zhuǎn)子軸部以下,如果發(fā)生器內(nèi)的液體過多,在進(jìn)液時(shí)嚴(yán)格控制BHP的冷卻換熱就會(huì)受到影響,使液體局部溫度過

11、熱造成BHP的不穩(wěn)定。液體的進(jìn)量。4.其他因素:實(shí)驗(yàn)后的清洗對BHP的穩(wěn)定性也有很大影響,它能夠保證配液罐、進(jìn)液管1路、O2()發(fā)生器內(nèi)部的潔凈,減少因?qū)嶒?yàn)造成腐蝕而生成的金屬離子殘留量,同時(shí)能避免殘留的BHP溶液對金屬焊縫的腐蝕。4結(jié)論純凈的配液環(huán)境是保證BHP化學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)鍵,采取以下措施可以有效地控制BHP的不穩(wěn)定性,確保實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行:(1)保證氣路、氣體的干燥,減輕對氣路的腐蝕;(2)清洗配液容器、輸液管路、氣路腐蝕生成金屬離子的殘留量;(3)改進(jìn)SOG的設(shè)計(jì),SOG減少其中因冷阱、避免內(nèi)部及輸液管路積液;(4)控制SOG的進(jìn)液量,避免造成局部液體過熱;(5)提高原料純度。經(jīng)過COIL

12、的多次實(shí)驗(yàn)證明,采用上述方法進(jìn)行的BHP配制及穩(wěn)定操作,保證了SOG的穩(wěn)定正常工作,為COIL的穩(wěn)定工作提供了可靠保障。致謝本工作在完成過程中得到了大連化學(xué)物理研究所化學(xué)激光研究室701組同志的大力協(xié)助,特此表示謝意。參考文獻(xiàn)1.ApplPhysLett,1978,32:469McDermottWE,etal2朱紹忠等.應(yīng)用化學(xué)手冊.上海科學(xué)技術(shù)出版社,19893莊琦等.短波長化學(xué)激光.北京:國防工業(yè)出版社19974姜信真等.化工生產(chǎn)基礎(chǔ)知識.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,19835曹忠良等.無機(jī)化學(xué)反應(yīng)方程式手冊.湖南:科學(xué)技術(shù)出版社,19826徐紹齡等.無機(jī)化學(xué)叢書.北京:科學(xué)出版社,1995,6

13、PREPARATIONOFBHPANDSTABLEWORKINGCONDITIONSOFCOILLiaoWeiguang,SangFengting,andYangBailingDalianInstituteofChemicalPhysics,ChineseAcademiaSinica,Dalian116023ABSTRACTTheperformanceofSingletOxygenGenerator(SOG)asenergysourceofCOILdeterminetheperformanceofCOILimmediately,butthestabilityofBHPinfluencethestabilityofSOG.Theenviron2mentofBHPpreparationandworkingconditionswerediscussed.Inthelast,t