4-6  缓冲气体对氧碘化学激光器的性能影响

许  正  谢秀芳

目前，普遍采用氮气或者氦气作为COIL的缓冲气体。而且，在相同条件下，氦气作为COIL缓冲气体时的出光功率比氮气作为其缓冲气体时的高。但是值得注意的是，氮气不但比氦气便宜得多，而且可以直接由液氮转化气态氮气加以应用，这大大缩小了COIL缓冲气体供气系统的体积和运行成本，提高了氮气的贮存量和装置的移动能力。

近年来，一些科学家采用温度80 K氮气作为COIL的缓冲气体直接冷却活性介质，替代超音速工作方式的气动冷却，从而避免COIL在超音速工作方式下造成的高总压损失。研究结果表明用80 K氮气直接冷却活性介质在超音速和亚音速模式下均可做到与氦气作缓冲气体时近似的化学效率。同时，一些日本科学家也提出了比能的概念，并且用它来衡量COIL的压力恢复能力，指出了用高压亚音速模式运行COIL可降低对真空泵能力的要求和碘消耗量。

基于上述原因，在利用实验室中已取得的实验结果为基础，采用一个一维计算模型，以低温氦气或氮气改变喷管前气流温度，计算在不同主气流温度、缓冲气体和光腔马赫数条件下，COIL的小信号增益系数、饱和光强、光腔气流温度，以及出光功率和比能，从而分析氮气和氦气分别作为缓冲气体时对COIL的出光能量及其压力恢复能力的影响。

利用实验室中得到的基本计算参数，代入计算模型进行计算，可得出结论：（1）无论是提高喷管马赫数，还是降低喷管入口气流温度，其目的均是为了降低光腔中的气流温度，提高COIL的出光功率。在低喷管前气流温度条件下（气流温度≤100 K时），氮气和氦气分别作缓冲气体的出光功率相差不大，计算结果比我们用常温氦气作缓冲气体做实验得到的出光功率约高60%。而且随着喷管前气流温度的不断降低，采用降低喷管入口气流温度的方法来降低光腔气流温度比提高喷管马赫数更有效。采用低温氦气或低温氮气作缓冲气体是降低COIL主气流温度的有效途径。（2）采用低光腔气流速度和低温主气流方式运行COIL有利于提高COIL比能，且氮气作缓冲气体时比用氦气时更有利于提高COIL比能。计算的理想值比我们以常温氦气作缓冲气体得到的实验值约高10倍以上。因此，COIL采用上述方式运行可大大降低对真空泵抽吸能力的要求，极大减小其压力恢复系统的体积和重量。