非链式电激励HF激光器^[1-4]输出激光波长为2.7~3.1 μm，激光功率高，可以实现高重频运行。然而在实现高重频运转方面，该类型HF激光器的激光能量的稳定性却面临着一个重大的问题。非链式电激励HF激光器使用SF₆和C₂H₆作为激光介质，两者在高压放电条件下发生化学反应，生成激发态HF分子和基态HF分子，基态HF分子和其他分子(包括SF₆，H₂O，C₂H₆)对激发态HF分子的碰撞弛豫，形成无辐射跃迁，其中基态HF分子对受激态HF分子的碰撞弛豫最为显著^[5]。随着激光器重频运行时间的增加，反应产物基态HF分子在激光器系统中的含量不断增加，会导致一次充气输出激光脉冲能量持续快速降低，严重影响激光能量的稳定性。在自行研制该类型J级HF激光器系统上开展的实验表明，激光器一次充气以50 Hz/20 s运行一次后，激光的能量下降率达到了52% ^[6]。鉴于此，为了保证激光能量的稳定输出，去除HF激光器系统运行过程中产生的基态HF分子，对激光介质进行净化非常必要。中国科学院电子学研究所采用特种碱性分子筛吸附剂对化学反应生成物进行吸收，激光器在准封离状态下以重复频率2 Hz运转，3×10³个脉冲后激光脉冲能量有20%的下降^[4]。西北核技术研究所也开展了这方面的研究工作，在激光器气体循环管道中使用了3A分子筛吸附后，激光器连续10余次以重复频率50 Hz运行20 s，激光能量下降率均小于15%^[6]。本文在此研究^[6-7]基础上设计了新型的分子筛吸附装置，开展了不同条件下的吸附实验和分子筛使用寿命研究工作。

1.   非链式电激励HF激光器激光介质净化原理分析

对于HF分子的去除，常用的有吸收法、膜分离法、压缩冷凝法和吸附法等，根据这台自行研制的HF激光器^[6]的特点，吸附法最适用。吸附法中最常使用的吸附剂为分子筛。中国科学院电子学研究所柯常军等人采用1 cm厚的分子筛去除基态HF分子，实现了激光器在重复频率2 Hz条件下输出3×10³个脉冲后激光能量下降率为20%^[4]。

分子筛属于微孔型结构的碱金属铝硅酸盐，呈颗粒状，直径3~5 mm，体内有许多空腔状晶胞，晶胞之间有窗口相通，气体分子可以通过窗口吸附于晶胞空腔的内表面。分子筛对气体分子的吸附具有很强的选择性，它只吸附分子直径小于其窗口孔径的气体分子。由于分子筛晶体是离子型的，所以它对极性分子具有优先吸附的能力，因此比较适用于吸附HF分子。分子筛对气体的吸附是物理吸附，吸附过程是可逆的，能够经过活化再生处理后再重复使用。目前市场上常见的分子筛有3 A，4 A，5 A，10X，13X等几种，它们对应的晶孔直径分别为0.32~0.33, 0.42~0.47, 0.49~0.50, 0.80~0.90, 0.90~1.00 nm。考虑到激光介质SF₆分子和C₂H₆分子直径分别为0.47 nm和0.39 nm，而基态HF分子的直径为0.28 nm，从理论上讲，选择3A型分子筛是比较合理有效的。下面将通过实验的方法研究分子筛对基态HF分子的吸附情况。

2.   分子筛吸附装置

2.1   实验室自行研制的HF激光器系统简介

实验室自行研制的高功率重复频率HF激光器系统如图 1所示，由气体循环系统、轴流风机、吸附装置、放电气室和谐振腔等几部分组成，以SF₆和C₂H₆作为激光介质，最高工作电压可达29 kV，目前可实现以50 Hz的频率稳定运行20 s，单脉冲激光能量可达约500 mJ。

图  1  HF激光器系统示意图

Figure  1.  Schematic of non-chain discharge-pumped HF laser

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2.2   分子筛吸附装置结构设计

根据HF激光器系统的构成，分子筛装置设计为如图 2所示的抽拉式结构，整体结构呈长方体，内置6个两侧带有不锈钢网的方框，方框均固定于长方形法兰盖板上，后者则直接固定于分子筛装置的侧面。为了减小吸附装置带来的气阻，吸附装置的截面面积设计得比较大，实际上该截面尺寸设计为350 mm×440 mm，面积约为放电区域截面积的13倍。为了便于对分子筛进行再生活化处理，吸附装置中设计了带温控的加热棒。吸附装置以图 1所示方式接入激光器系统。

图  2  分子筛吸附装置

Figure  2.  Schematic of molecular sieve absorption device

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实际使用分子筛装置时，分子筛颗粒按照如图 3所示的方式装入方框内，每个方框内装入约4/5高度的分子筛颗粒，并且相互错开，这样可以有效降低气阻又可以加大激光介质气体与分子筛颗粒的接触面积，有利于提高吸附效率。

图  3  分子筛装填方式示意图

Figure  3.  Schematic of loading style of molecular sieve

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将分子筛颗粒装入吸附装置后，对激光器系统内气体的流速进行了对比测量。实测结果表明，较之未装填分子筛，气体的流速有小幅降低，但足够满足激光器以50 Hz重复频率运行对气体流速的要求。

3.   分子筛吸附装置对激光介质净化实验研究

3.1   有效分子筛吸附剂的筛选

选择了四种常见的分子筛即3A型、4A型、5A型和13X型分子筛进行对比实验。实验中使用的HF激光器的工作条件为：激光介质为SF₆和C₂H₆，系统内总气压为20 kPa；使用轴流风机，风机的输入电压为140 V；频率50 Hz下运行20 s。使用3A分子筛进行实验时，光路中放置了10倍光学衰减片，使用其他三种分子筛实验时则未放置衰减片。

从图 4(a)~(c)可以得出，使用3A型、4A型、5A型分子筛时，HF激光器以50 Hz/20 s运行1000炮后，激光能量的下降率(前50炮的平均能量与最后50炮的平均能量之差与前者之比)分别约为14%，29%，46%，而使用13X型分子筛时激光器的能量波动非常大。分析认为，4A和5A分子筛的孔径均大于基态HF分子的直径(0.28 nm)，能够吸附反应产物基态HF分子，但是对激光介质中的SF₆分子(0.47 nm)和C₂H₆(0.39 nm)都有一定的吸附作用，导致激光能量下降率偏高。从图 4(d)可以看出，使用13X型分子筛作为吸附剂，激光器的能量波动非常大。分析认为，13X型分子筛的晶孔直径为0.9~1.0 nm，远大于基态HF分子、SF₆和C₂H₆的分子直径，对三者都有无差别的吸附能力，因此造成激光能量的较大波动。

图  4  使用四种不同分子筛条件下的激光能量

Figure  4.  Output laser energy using four different molecular sieves

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上述吸附对比实验的结果与之前的分析一致，可以确认3A型分子筛对基态HF分子具有最有效的吸附效果。

3.2   使用3A型分子筛开展的激光介质净化实验

进行激光介质净化实验的条件为：激光器充电电压为29 kV，激光器以50 Hz工作20 s；激光介质SF₆∶C₂H₆的气体分子比为9∶1，系统内总气压为16 kPa；轴流风机电压140 V；气体流速为13 m/s。在吸附实验中，给激光器系统充满一次激光介质，激光器以50 Hz/20 s方式运行20次，每次间隔5 min。图 5~8分别给出了激光器一次充入激光介质气体(SF₆，C₂H₆)，连续运行20组的输出激光能量、平均激光能量、每组激光能量下降率和激光器系统内气压变化情况。

图  5  HF激光器一次充气连续运行20组实验的输出激光能量

Figure  5.  Laser energies of 20 consecutive groups of absorption experiments

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图  6  20组实验激光能量下降率

Figure  6.  Laser energy reduction rate of 20 groups of experiments

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图  7  20组实验平均激光能量

Figure  7.  Average laser energy of 20 groups of experiments

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图  8  20组实验中激光器系统内气压

Figure  8.  Pressure in laser system

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从图 5可以看到，对比之前未使用分子筛吸附装置^[6]首次实验52%的激光能量下降率，20组实验的平均能量下降率为4.78%，说明激光器的能量稳定性有了非常明显的改善。该数据相较于文献[6]中获得的约15%的能量下降率而言，也有了明显的提高，分析认为使用的新型吸附装置截面设计为长方形且面积比文献[6]中使用的圆形截面面积更大，这就意味着可以装填更多的分子筛，同时采用图 3所示的分子筛装填方式也大大增加了基态HF分子与分子筛的接触面积，有利于对前者的高效吸附。图 6的数据显示，激光器运行了20组共计20 000炮次之后，依然保持着较低的能量下降率。图 7中的数据表明，随着激光器运行次数的增加，每组的平均激光能量呈现连续均匀下降，由第1组的0.0342 J下降到第20组的0.029 J，平均能量下降了15%。分析以上数据，可以认为分子筛吸附装置对激光器运行中产生的基态HF分子进行了充分有效地吸附，同时也大大延长了激光介质的使用寿命。每组实验的激光平均能量的连续均匀下降与图 8中显示的激光器系统内部气压变化趋势相吻合，这说明激光器每次运行后都消耗了一定量的激光介质，所以导致了激光平均能量的均匀下降。

3.3   分子筛吸附装置在激光器以不同频率运行条件下的吸附能力研究

使用分子筛吸附装置开展了激光器工作于10，20，30，40，50 Hz频率下吸附能力的实验研究。其他实验条件为：激光器充电电压29 kV，激光介质SF₆, C₂H₆的金属分子比为9∶1，系统总气压16 kPa。每个频率下进行5组实验。图 9为实验结果。

图  9  激光器不同频率下激光能量

Figure  9.  Laser energy under different frequency

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从图 9可以看出，随激光器运行频率的增加，激光能量下降率有略有上升趋势，但未出现明显的变化。分析认为，循环系统内气体流速一定的条件下，激光器运行频率越高，单位时间内产生的基态HF分子也越多，吸附装置对其吸附也会越不充分，所以能量下降率略有上升趋势。

3.3   分子筛使用寿命

根据实验所用的HF激光器的固有技术特点，认为一旦平均激光能量降低到初始平均能量的90%以下，就可认定分子筛达到其使用寿命了。

在3 A分子筛使用寿命研究实验中，实验条件同3.2节中所述，按照图 3方式装填分子筛，共计使用了约11 kg的分子筛，对激光器系统抽真空达到约50 Pa，之后按照SF₆，C₂H₆的气体分子比为9∶1给激光器系统充气，系统总气压约16 kPa，然后开始进行实验。充电电压为29 kV。激光器以50 Hz/20 s运行，共计进行了80组即80 000炮次实验，图 10、图 11分别给出了初始10组和最后10组的吸附实验结果。

图  10  初始10组实验激光能量

Figure  10.  Laser energy of the preliminary 10 groups of experiments

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图  11  最后10组实验激光能量

Figure  11.  Laser energy of the last 10 groups of experiments

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从图 10和图 11可以看到，激光器在运行了80 000次后，每组激光平均能量基本没有下降，激光能量下降率也未发生任何变化，说明3A分子筛经过80组的实验后依然具有很强的吸附能力。为了提高实验效率，给激光器系统充入HF气体，强迫3 A分子筛吸附，共充入了约50 kPa的HF气体，待全部被分子筛吸附后，给激光器系统重新充入激光介质，之后再进行实验，发现激光能量的下降率为10%左右。

根据上述实验数据，对3 A分子筛的使用寿命进行了粗略的估算，3A分子筛的使用寿命应该在几十万炮次以上。

3.5   3 A分子筛再生活化方法

工业上通常采用高温低压工艺对分子筛进行活化再生处理。吸附装置中特别设计了加热结构，每个装填分子筛的方框内均有两根400 W的加热管，加热功率共计4800 W。文献[8]显示，低压下分子筛的活化温度约为300 ℃，因此，活化处理时将该温度设为加热上限温度。分子筛的加热过程由温控仪和接触器实现。同时，采用机械泵对激光器系统进行抽气形成系统内的低压环境。

在分子筛活化再生处理过程中，使用机械泵抽出循环系统内的气体和加热管对分子筛加热同时进行，在1 h内，分子筛内部温度就已经接近300 ℃，随后开始保持这个温度。通过关闭机械泵与循环系统之间的阀门，观察气压表读数的变化来确认分子筛是否还在释放HF气体。实际上保温约1.5 h观察到气压表读数几乎保持不变，由此断定分子筛的活化处理基本完成。之后停止加热，使分子筛自然冷却到常温，然后开始进行若干组吸附实验。图 12给出了3A型分子筛再生活化后在不同放电电压下的两组典型实验结果。从图 12所示数据可以看出，使用经过上述再生活化工艺处理之后的3A型分子筛进行吸附实验，两组实验的激光能量下降率分别为2.7%和3.9%，均小于4%，表明3A分子筛已经完全恢复了活性，证明上述3A分子筛再生活化处理工艺是合适有效的。对比文献[6]中仅采用低压的活化处理工艺，显然本文中低压与加热的组合活化工艺更加有效。

图  12  3A型分子筛活化后两组实验结果

Figure  12.  Results after activating treatment of 3A molecular sieve

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4.   结论

本文使用专门设计的分子筛吸附装置，开展了对非链式放电激励高重复频率HF激光器中基态HF分子的吸附研究，大量的实验研究表明，3A型分子筛为最有效的吸附剂，使用3A型分子筛能够实现HF激光器在50 Hz/20 s条件下运行时平均激光能量下降率小于5%，大大提高了激光能量的稳定性，并延长了激光介质的使用寿命；此外通过实验还获得了3A分子筛的再生活化的关键工艺参数。下一步将开展激光器以更高频率运行时分子筛对基态HF分子的吸附研究。