Способ получения фторсодержащей рабочей смеси эксимерных лазеров замкнутого цикла

 

Использование: изобретение относится к лазерной технике, в частности к получению и регенерации фторсодержащих рабочих смесей для эксимерных лазеров замкнутого цикла. Сущность: способ включает дозированную подачу фтора в разрядную камеру путем электролиза водного раствора фторидов щелочного металла с дозированием фтора через мембрану из твердого электролита, к выходной поверхности которой приложен положительный потенциал, регенерацию отработанной рабочей смеси путем пропускания ее через электролитическую ячейку вдоль поверхности мембраны из твердого электролита, к которой приложен отрицательный потенциал, а также подпитку рабочей смеси фтором путем электролиза водного раствора фторидов щелочного металла с дозированием фтора. 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к получению рабочих смесей в эксимерных лазерах замкнутого цикла.

Традиционно исходные рабочие смеси для эксимерных лазеров на монофторидах инертных газов получают смещением фторсодержащего и инертных газов, один из которых основной, участвующий в образовании генерирующей молекулы (Kr, Xe или Ar), а другой - буферный (Не, Ne) [1].

Наиболее оптимальными донорами фтора активных сред эксимерных лазеров являются молекулярный фтор и трифторид азота. В процессе работы эксимерного лазера происходит изменение химического состава рабочей смеси, которое проявляется в уменьшении концентрации доноров фтора и образовании различных примесей, что обуславливает быстрый спад выходных характеристик лазера и соответственно низкий его ресурс.

Распространенным приемом является полное обновление газовой смеси, однако это связано со значительным расходом дорогостоящих инертных газов - ксенона и криптона.

Известны способы получения рабочей смеси, включающие регенерацию отработанных газов с последующей подпиткой необходимых компонентов [2].

Деградированная в ходе работы лазера газовая смесь подвергается криоочистке путем вымораживания части примесей в конденсационных ловушках, обычно использующих в качестве хладагента жидкий азот. Однако в системе, кроме низкокипящих инертных газов, остаются фтор и другие его соединения, которые удаляются высокотемпературной очисткой при их взаимодействии в специальных реакционных ячейках с металлическими геттерами, обладающими высокоразвитой поверхностью. При этом образуются летучие и нелетучие фториды, улавливаемые далее из системы различными способами с применением пылеулавливающих, конденсационных, щелочных ловушек и т.д. Подобные методы получения и поддержания активной среды эксимерных лазеров отличаются многостадийностью, сложным конструкционным исполнением и требуют дополнительной подпитки фтором, который для обеспечения безопасности работы вводят в сильно разбавленной смеси с буферным газом (Не или Ne). Однако в системе с замкнутым циклом это приводит к нарастанию давления буферного газа, изменению пропорций газов, полного давления смеси и в итоге к ухудшению характеристик лазера.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ, сущность которого состоит в дозированной подаче исходных компонентов в разрядную камеру лазера с регенерацией отработанной газовой смеси с последующей подпиткой ее фтором, при этом дозирование фтора на стадии заполнения и подпитки осуществляют путем электролиза расплава фторида олова или серебра при температуре 225 и 450^oС соответственно [3]. Регенерацию отработанной газовой смеси осуществляют вымораживанием газообразных и улавливанием твердых примесей. Способ получения рабочей среды в соответствии с прототипом не обеспечивает как требуемой степени чистоты генерируемого фтора, так и очистки газовой смеси от паразитных соединений фтора.

Предлагаемый способ получения фторсодержащей рабочей смеси эксимерных лазеров замкнутого цикла включает дозированную подачу фтора и других исходных компонентов рабочей смеси в разрядную камеру лазера, регенерацию отработанной рабочей смеси путем удаления вредных примесей и последующую подпитку рабочей смеси фтором, при этом осуществляют дозированную подачу фтора в разрядную камеру путем электролиза водного раствора фторидов щелочного металла с дозированием фтора через мембрану из твердого электролита, к выходной поверхности которой приложен положительный потенциал, а регенерацию отработанной рабочей смеси осуществляют путем пропускания ее через электролитическую ячейку вдоль поверхности мембраны из твердого электролита, к которой приложен отрицательный потенциал. Подпитку рабочей смеси фтором осуществляют методом, аналогичным указанному методу дозированной подачи фтора.

На фиг.1 и 2 представлены две принципиальные схемы осуществления способа получения рабочей смеси эксимерного лазера замкнутого цикла.

П р и м е р 1. Схема циркулирующей подачи компонентов в рабочую камеру эксимерного лазера выполнена в соответствии с фиг.1 и содержит источники инертных газов в виде баллонов 1 и 2, разрядную камеру 3, вентилятор 4 для обеспечения циркуляции газа по замкнутому контуру, электролитические ячейки 5а и 5б каждая с мембраной из твердого электролита 6а, 6б, криоловушку 7. Кроме того, в схеме предусмотрен выпускной клапан 8 для удаления из системы воздуха при начальном заполнении ее газовой средой (или инертного газа-наполнителя в случае, если система предварительно отпассирована фтором и после этого законсервирована) и клапаны 9 и 9а, 10 и 10а для подачи и регулировки расходов основного и буферного инертных газов из баллонов 1 и 2 и отсечной клапан 11.

При начальном заполнении системы прежде всего удаляют воздух или инертный газ, которым наполнена законсервированная система, открывая клапан 8, затем, открывая клапаны 9 и 10, подают в систему инертные газы (основной и буферный) нужной концентрации и давления. Регулировка расходов производится при помощи клапанов 9а и 10а, давления - при помощи манометра 12. После этого перекрывают клапан 11 и система становится замкнутой. Далее, прогоняя газовую смесь по замкнутому контуру вентилятором 4, вводят в работу электролитическую ячейку с твердоэлектролитной мембраной 6б, на омываемую газовой смесью выходную поверхность которой подают положительный потенциал. Отрицательный потенциал при этом подают на электрод, вводимый в жидкий электролит, например водный раствор фторида калия, заливаемый в полость ячейки.

Генерируемый при подаче электрического поля к электродам ячейки фтор поступает в циркулирующую по замкнутому контуру газовую смесь и его концентрация доводится до нужной величины, соответствующей оптимальному соотношению рабочих газов эксимерного лазера. Скорость подачи в систему генерируемого фтора регулируется рабочим током, проходящим через твердоэлектролитную мембрану. При этом производится УФ-спектральный контроль на содержание фтора в рабочей смеси и после достижения необходимой концентрации0 подтверждаемой данными измерений генерационных выходных характеристик лазера, включается ячейка 5а, работающая на очистку рабочей смеси лазера от паразитных соединений фтора, образующихся в ходе работы лазера. На выходную поверхность твердоэлектролитной мембраны 6а ячейки 5а подается отрицательный потенциал, положительный электрод погружен в жидкий электролит. При контакте отработанной газовой смеси, циркулирующей по замкнутому контуру, с выходной поверхностью твердоэлектролитной мембраны 6а ячейки 5а на поверхности мембраны под влиянием электрического поля происходит разложение молекул газообразных соединений и комплексов фтора с миграцией фтора через мембрану в полость ячейки, заполненную жидким электролитом. Кроме того, часть молекулярного фтора из газового потока в результате контакта с поверхностью мембраны также разлагается до атомарного и фтор-ионы проходят через мембрану. Жидкий электролит при наличии разности потенциала является в данном случае стоком для фтора.

Криоловушка, расположенная по потоку циркулирующего в контуре газа непосредственно за ячейкой 5а, служит для вымораживания более легкокипящих, чем азот, примесей, в том числе и "осколков" разложения на мембране 6а ячейки 5а паразитных для лазерных плазмохимических процессов соединений и комплексов фтора.

Убыль фтора из рабочей среды эксимерного лазера, обусловленная и деградационными плазмохимическими процессами в рабочей камере лазера, и описанным взаимодействием газового потока из рабочей камеры с заряженной отрицательно поверхностью твердоэлектролитной мембраны 6а ячейки 5а, восполняется генерированием фтора в рабочую среду лазера электролитической ячейкой 5б, выходная поверхность твердоэлектролитной мембраны 5б которой заряжена положительно.

П р и м е р 2. Работает схема циркулирующей подачи компонентов в рабочую камеру эксимерного лазера, включающая в отличие от описанной в примере 1 лишь одну электролитическую ячейку, настраиваемую на режим, при котором происходит периодическое переключение полярности электродов этой ячейки (см. фиг. 2). Цикл очистки рабочей среды лазера, осуществляемый, когда выходная поверхность твердоэлектролитной мембраны ячейки 5 ориентирована отрицательно, чередуется с циклом подачи дефицита фтора в систему, осуществляемым, когда выходная поверхность мембраны ориентирована положительно. Для обеспечения стабильного поддержания необходимых генерационных характеристик эксимерной рабочей смеси производится настройка и балансировка токовых режимов для обоих циклов работы электролитической ячейки и экспериментально устанавливается период каждого цикла переключения. Периодически проводится УФ-спектральный контроль газовой рабочей смеси на содержание в ней фтора. При работающем лазере постоянно проводится контроль уровня выходной мощности и при необходимости вносятся коррективы в режим работы ячейки.

В рассматриваемом примере электролитическая ячейка с твердоэлектролитной мембраной действует реверсивно, т.е. в зависимости от того, какой потенциал (положительный или отрицательный) подается на выходную поверхность мембраны, ячейка под воздействием электрического поля соответственно генерирует или экстрагирует фтор. Очень важно то, что транспорт фтора через мембрану в обоих направлениях происходит селективно; мембрана непроницаема для всех других газов.

Положительный эффект, получаемый при осуществлении предложенного способа заключается в увеличении ресурса работы лазера с генерирующей молекулой KrF до 6^.10⁷ импульсов, т.е. на три порядка больше, чем без применения схем циркулирующей подачи рабочей среды по данному способу. Способ обеспечивает высокую чистоту подаваемого в газовый контур фтора, не требующего затем дополнительной очистки. В газовый тракт лазера поступает атомарный (активный) фтор, что в конечном итоге положительно влияет на энергетический выходной баланс лазера. Способ прост в эксплуатации, высокая точность дозировки фтора в газовый контур лазера, определяемая тем, что токовые режимы электролиза фтора стабильны, определяются только свойствами твердоэлектролитной мембраны и не зависят от жидкого электролита, который играет роль донора фтора (режим генерирования фтора) или его стока при работе ячейки на экстракцию фтора из системы (режим очистки газовой среды лазера).

Существенным фактором является более высокая экологичность предлагаемого способа (по сравнению с системами) подачи и подпитки рабочей смеси фтором, подаваемым из баллонов (пусть даже и в виде разбавленных инертным буферным газом смесей). Это обусловлено нетоксичностью заливаемого в электролитическую ячейку водного раствора электролита (например, кислого фторида калия или натрия), а также малым количеством фтора, вырабатываемого разово и необходимого для эксплуатации лазера. Концентрация фтора в эксимерных рабочих газовых средах составляет только десятые доли процента. Для осуществления предлагаемого способа электролитической ячейкой генерируется не более, чем необходимое для работы лазера количества фтора. Замена или восполнение электролита особых проблем не создает.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФТОРСОДЕРЖАЩЕЙ РАБОЧЕЙ СМЕСИ ЭКСИМЕРНЫХ ЛАЗЕРОВ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА, включающий дозированную подачу фтора и других исходных компонентов рабочей смеси в разрядную камеру, регенерацию отработанной рабочей смеси путем удаления вредных примесей и последующей подпитки рабочей смеси фтором, отличающийся тем, что дозированную подачу фтора в разрядную камеру осуществляют путем электролиза водного раствора фторидов щелочного металла с дозированием фтора через мембрану из твердого электролита, к выходной поверхности которой приложен положительный потенциал, а регенерацию отработанной рабочей смеси осуществляют путем пропускания ее через электролитическую ячейку вдоль поверхности мембраны из твердого электролита, к которой приложен отрицательный потенциал, при этом подпитку рабочей смеси фтором осуществляют путем электролиза водного раствора фторидов щелочного металла с дозированием фтора через мембрану из твердого электролита, к выходной поверхности которого приложен положительный потенциал.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2