DE68910073T2

DE68910073T2 - Lasergase und Arbeitsverfahren für CO2-Laser.

Info

Publication number: DE68910073T2
Application number: DE68910073T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Canadian Liq Larue; Bruno Marie; Christine Marot; Lahcen Ougarane; Der Have Philippe Liquid A Van
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1988-09-26
Filing date: 1989-09-25
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2009-09-26
Also published as: DE68910073D1; EP0362041A1; EP0362041B1; NZ230782A; FR2637132A1; FR2637132B1; TR24380A; PT91813B; ATE96253T1; DK127790D0; ES2059800T3; CA1329003C; KR900702608A; AR244028A1; AU617222B2; JPH0732293B2; US5073897A; WO1990003676A1; AU4405789A; PT91813A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Lasergase für CO&sub2;-Laser, d.h. Gase, die als Bestandteile zumindest Helium, Stickstoff und Kohlendioxid (CO&sub2;) enthalten, und die dazu bestimmt sind, in den Hohlraum von sogenannten CO&sub2;-Lasern als aktives Medium eingeleitet zu werden.
Auf dem Markt existieren zur Zeit zwei Gasqualitäten: Gase "industrieller Qualität", deren garantierte Reinheit üblicherweise nahe 99,5 % liegt, und die Gase "wissenschaftlicher Qualität", deren garantierte Reinheit üblicherweise 99,995 % oder mehr beträgt.
Da die Gase industrieller Qualität für Laserzwecke ungenügend gereinigt sind, verwendet man als Lasergase Gase wissenschaftlicher Qualität, die den Nachteil haben, sehr teuer zu sein.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, insbesondere für CO&sub2;-Laser geeignete, wirtschaftlichere Gase zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einem ersten Aspekt hat die Erfindung zu diesem Zweck ein vorgemischtes Lasergas für einen CO&sub2;-Laser zum Gegenstand, wobei dieses Lasergas der Gattung angehört, die als Bestandteil zumindest Helium, Stickstoff und CO&sub2; enthält, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Gesamtreinheitsgrad von weniger als 99,995 %, einen Wassergehalt von weniger als 5 vpm und einen Gesamtgehalt an Kohlenwasserstoffen von weniger als 5 vpm (vpm = Volumenteil pro eine Million) hat.
Gemaß einem zweiten Aspekt hat die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Lasergas für CO&sub2;-Laser zum Gegenstand, wobei dieses Lasergas als Bestandteil wenigstens Helium, Stickstoff und CO&sub2; hat und durch in-situ-Mischung von wenigstens zwei Gasen erhalten wird, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß (a) jedes dieser Gase einen Gesamtreinheitsgrad von weniger als 99,995 %, einen Wassergehalt von weniger als 5 vpm und einen Gesamtgehalt an Kohlenwasserstoffen von weniger als 5 vpm hat, gegebenenfalls mit Ausnahme von CO&sub2;, sofern dieses eines der Gase bildet, welches CO&sub2; einen Wassergehalt von weniger als 20 vpm haben kann, und daß (b) das so erhaltene Gemisch einen Gesamtreinheitsgrad von weniger als 99,995 %, einen Wassergehalt von weniger als 5 vpm und einen Gesamtanteil an Kohlenwasserstoffen von weniger als 5 vpm hat.
Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung hat außerdem ein Arbeitsverfahren für CO&sub2;-Laser zum Gegenstand, bei dem in den Laserhohlraum ein vorstehend definiertes Lasergas eingeleitet wird.
Wie ohne weiteres verständlich, unterscheidet man bei der Zusammensetzung eines Gases einerseits zwischen den Bestandteilen, die in das Gas absichtlich eingeleitet sind, aber manchmal einen sehr geringen Gehalt haben, und den Verunreinigungen, die unbeabsichtigt in dem Gas vorhanden sind, und zwar manchmal mit nicht vernachlässigbaren Gehalten, wenn das Gas oder seine Bestandteile vor der Vermischung nicht penibel genug gereinigt worden sind. So kann ein und derselbe Körper für ein Gas einen Bestandteil und für ein anderes Gas eine Verunreinigung darstellen, wie weiter unten am Beispiel von Sauerstoff, Kohlenstoffmonoxid, CO&sub2; und Stickstoff ausgeführt wird.
Andererseits geht es hier nur um Verunreinigungen, die man normalerweise bei der industriellen Herstellung der Bestandteile der Lasergase für CO&sub2;-Laser vorfindet, nämlich insbesondere um: Wasser, Sauerstoff, Kohlenstoffmonoxid, CO&sub2;, Kohlenwasserstoffe, CnHm, Wasserstoff, Stickstoff, Argon und Neon, COS und SO&sub2;.
Beispiele für erfindungsgemäße Lasergase werden nunmehr mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm der Abhängigkeit der an einem industriellen CO&sub2;-Laser mit schnellem axialen Durchfluß unter einem Druck von 80 mb und eine Intensität von 510 mA gemessenen Leistung als Funktion des Wassergehalts des in den Laserhohlraum eingeleiteten Lasergases, und
Fig. 2 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit der an einem experimentellen CO&sub2;-Laser gemessenen Ausbeute (Verstärkung) in Abhängigkeit des Gehalts an Kohlenwasserstoffen des in den Laserhohlraum eingeleiteten Lasergases.
Die Anmelderin hat ausführliche Untersuchungen über den Einfluß auf das Funktionieren von CO&sub2;-Lasern in der Gegenwart verschiedener Verunreinigungen durchgeführt, die normalerweise bei der industriellen Erzeugung von Gasen angetroffen werden, die in die Zusammensetzung oder für diese Laser bestimmten Lasergase eingehen. Diese Untersuchungen bezogen sich vor allem auf die Verstärkung der Ausbeute des Lasers, zu welcher Größe die Laserleistung in erster Annäherung proportional ist.
Die Ergebnisse haben überraschend gezeigt, daß es nur mit Bezug auf den Feuchtigkeits- und Kohlenwasserstoffgehalt notwendig ist, eine hohe Reinheit zu garantieren, während in Bezug auf die anderen Verunreinigungen relativ hohe Gehalte, die ohne weiteres mit denjenigen übereinstimmen, die man in den besagten Gasen industrieller Qualität beobachtet, die Funktion des Lasers nicht beeinträchtigen.
Fig. 1 zeigt, daß die Laserleistung linear abnimmt, wenn der Wassergehalt zunimmt. Dennoch ist Wasser selbst in geringen Gehalten vor allem deshalb unerwünscht, weil es die Stabilität der Entladung stört. Die Lasergase bedürfen deshalb einer Entfeuchtungsbehandlung, die den Wassergehalt auf einen Wert von weniger als 5 vpm absenkt.
Fig. 2 zeigt die im Labor für einen experimentellen Laser erreichten Versuchsergebnisse.
Die Analyse der Ergebnisse hat zu dem Schluß geführt, daß zur Verhinderung einer spürbaren Ausbeutenverminderung, d.h. in der Größenordnung von 1 %, der Gesamtgehalt an Kohlenwasserstoffen weniger als 5 vpm betragen muß. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, daß bestimmte Kohlenwasserstoffe durch die Entladung im Laserhohlraum zerstört werden können und andere Stoffe bilden, insbesondere andere Kohlenwasserstoffe.
Bei den anderen in den industriell erzeugten Gasen vorhandenen Verunreinigungen handelt es sich um:
- Argon, Neon: Für Gehalte bis zu 1 % konnte keine wesentliche Wirkung auf die Ausbeute festgestellt werden.
- Wasserstoff: Für Gehalte bis zu 1000 vpm konnte keine Verschlechterung der Ausbeute festgestellt werden.
- COS, SO&sub2; : Für Ausbeuten bis zu 100 vpm, ein Wert, der viel höher liegt als der in den Gasen industrieller Qualität angetroffene, konnte keine Ausbeutenverschlechterung festgestellt werden.
Andere Elemente bilden Verunreinigungen, auch wenn sie keine Bestandteile des Lasergases darstellen. Es handelt sich um CO und um Sauerstoff. Die Versuche haben gezeigt, daß diese Elemente keine meßbare Ausbeutenverschlechterung mit Gehalten bis zu 1000 vpm erzeugen.
In der Praxis können die Lasergase in zwei Formen geliefert werden:
1) Als Vormischung: In diesem Fall sind die einzigen zu beachtenden Verunreinigungen die vorstehend angeführten. Die Funktion des Lasers ist bei einem Gesamtgehalt zufriedenstellend, der geringer ist, als der der wissenschaftlichen Qualität (99,995 %) entsprechenden, solange der Wassergehalt und der Gesamtgehalt an Kohlenwasserstoffen jeweils geringer als 5 vpm ist.
2) Durch in-situ-Vermischen zweier oder noch mehr Gase, nämlich unmittelbar vor dem Einleiten des Gemischs in den Laserhohlraum, wobei es sich bei den Gasen um die einzelnen Bestandteile des Lasergases oder um Teilvormischungen dieser Bestandteile handeln kann.
In diesem Fall betrachtet man als Verunreinigungen diejenigen, die sich auf jedes Gas beziehen, selbst dann, wenn es sich um Bestandteile des endgültigen Lasergases handelt. Wenn man beispielsweise ein ternäres Lasergas Helium-Stickstoff-CO&sub2; aus drei Flaschen verwirklicht, die jeweils das Helium, den Stickstoff und das CO&sub2; enthalten, werden der Stickstoff und das CO&sub2; in Bezug auf das Helium als Verunreinigungen betrachtet, usw.
Die zu erfüllenden Bedingungen zur Verwirklichung eines Lasergases in Übereinstimmung mit der Erfindung sind demnach, daß einerseits jedes Gas einen Gesamtreinheitsgrad von weniger als 99,995 % hat, während andererseits das endgültige Gemisch einen Wassergehalt von weniger als 5 vpm und einen Gesamtgehalt an Kohlenwasserstoffen von weniger als 5 vpm hat.
Wenn CO&sub2; eines der zu mischenden Gase bildet, darf sein Wassergehalt bis zu 20 vpm betragen, vorausgesetzt, daß derjenige des Gemisches geringer als 5 vpm bleibt. Ermöglicht wird dies durch die Tatsache, daß das CO&sub2; in den Lasergasen ublicherweise mit mäßigen Gehalten von weniger als 10 % vorhanden ist.
Als ein Beispiel wird ein erfindungsgemäßes Lasergas mit der Zusammensetzung 74 % Helium, 20 % Stickstoff und 6 % CO&sub2; auf zwei Arten erhalten:
1) In vorgemischter Form mit folgenden Gehalten an Verunreinigungen:
H&sub2;0 4 vpm
O&sub2; 42 vpm
CO 0,5 vpm
CnHm 1 vpm
H&sub2; 0,5 vpm
Ne+Ar 14,5 vpm
Gesamtgehalt 62,5 vpm
Der Gesamtreinheitsgrad dieses Lasergases ist folglich 99,99375 %.
2) Ausgehend von drei getrennt zugeführten Bestandteilen mit den in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Gehalten an Verunreinigungen: Verunreinigungen (vpm) Gesamtgehalt Gesamtreinheitsgrad (%)
Das Gemisch hat damit einen Wassergehalt von 3,2 vpm und einen Gesamtgehalt an Kohlenwasserstoff von 0,04 vpm.
Die beiden derart erhaltenen Lasergase haben zufriedenstellende Ergebnisse gezeitigt.
Die erfindungsgemäßen Lasergase können außer Helium, Stickstoff und CO&sub2; auch Kohlenmonoxid und/oder Sauerstoff als Bestandteile enthalten.

Claims

1. Vorgemischtes Lasergas für CO&sub2;-Laser, wobei das Lasergas der Gattung angehört, die als Bestandteile zumindest Helium, Stickstoff und Kohlendioxyd (CO&sub2;) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Gesamtreinheitsgrad von weniger als 99,995 %, einen Wassergehalt von weniger als 5 vpm und einen Gesamtgehalt an Kohlenwasserstoffen von weniger 5 vpm hat.

2. Lasergas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtreinheitsgrad zwischen 99,5 % und 99,995 % ausschließlich liegt.

3. Verfahren zur Herstellung von Lasergas für CO&sub2;-Laser, wobei dieses Lasergas als Bestandteile wenigstens Helium, Stickstoff und Kohlendioxyd (CO&sub2;) hat und durch in-situ-Mischung von wenigstens zwei Gasen erhalten wird, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß (a) jedes dieser Gase einen Gesamtreinheitsgrad von weniger als 99,995 %, einen Wassergehalt von weniger als 5 vpm und einen Gesamtgehalt an Kohlenwasserstoffen von weniger als 5 vpm hat, gegebenenfalls mit Ausnahme von CO&sub2;, sofern dieses eines der Gase bildet, welches CO&sub2; einen Wassergehalt von weniger als 20 vpm haben kann, und daß (b) das so erhaltene Gemisch einen Gesamtreinheitsgrad von weniger als 99,995 %, einen Wassergehalt von weniger als 5 vpm und einen Gesamtgehalt an Kohlenwasserstoffen von weniger als 5 vpm hat.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes dieser Gase einen Gesamtreinheitsgrad zwischen 99,5 % und 99,995 % ausschließlich hat.

5. Lasergas nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile des Gases außer Helium, Stickstoff und CO&sub2;, Kohlenmonoxyd (CO) und/oder Sauerstoff enthalten.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile des Gases außer Helium, Stickstoff und CO&sub2;, Kohlenmonoxyd (CO) und/oder Sauerstoff enthalten.

7. Arbeitsverfahren für CO&sub2;-Laser, dadurch gekennzeichnet, daß in den Laserhohlraum ein Lasergas nach einem der Ansprüche 1, 2 und 5 oder erhalten nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 3, 4 und 6, eingeleitet wird.