(57)【要約】【課題】  化学酸素ヨウ素レーザにおいて、励起酸素ガスと高いよどみ点圧力を有する超音速希釈ガスとの混合を促進することにより、高いレーザ出力とレーザ発振後の高い圧力回復とを同時に達成できる混合ノズルを提供する。【解決手段】  ノズル本体１と、円筒パイプ4a、4bとを具備する。ノズル本体１は、励起酸素ガスノズル２と、超音速希釈ガスノズル３とを有する。円筒パイプ4a、4bには、多数のガス噴出孔8a、8bが配列されており、ヨウ素と不活性ガスとの混合ガスを超音速希釈ガス流に向けて噴出する。励起酸素ガスと高いよどみ点圧力を有する希釈ガスとをそれぞれ異なるノズルからレーザ共振器に導入することができるので、希釈ガスのよどみ点圧力を励起酸素ガスの圧力とは無関係に高くすることができる。また、ヨウ素混合が超音速領域で行われるため、励起酸素ガスの持つエネルギーの損失を最小化することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
希釈ガスノズル、および前記希釈ガスノズルの両側に並置された励起酸素ガスノズルを有するノズル本体と、前記ノズル本体の開口端付近に配設されたヨウ素導入部材とを具備する化学酸素ヨウ素レーザにおける混合ノズルであって、
前記希釈ガスノズルと前記励起酸素ガスノズルとの間は仕切り壁で区切られており、前記ヨウ素導入部材は、前記仕切り壁の縁の付近に配設され、かつ前記希釈ガスノズルから噴出される希釈ガスに向けてヨウ素ガスを噴射するガス噴出孔を有することを特徴とする化学酸素ヨウ素レーザにおける混合ノズル。
【請求項２】
前記希釈ガスノズルは超音速ノズルであり、前記励起酸素ガスノズルは音速ノズルであることを特徴とする請求項１記載の化学酸素ヨウ素レーザにおける混合ノズル。
【請求項３】
前記ヨウ素導入部材は、前記仕切り壁の各々の縁に沿って配設されたパイプであり、前記パイプの側面の長手方向に前記ガス噴出孔が等間隔で配列されていることを特徴とする請求項１記載の化学酸素ヨウ素レーザにおける混合ノズル。
【請求項４】
前記ヨウ素導入部材は、前記仕切り壁の各々の縁の付近の内部に前記縁に沿う方向に形成された噴出ガス導入路であり、その長手方向に前記ガス噴出孔が等間隔で配列されていることを特徴とする請求項１記載の化学酸素ヨウ素レーザにおける混合ノズル。
【請求項５】
同一の希釈ガスに向けてヨウ素ガスを噴射する一対のヨウ素導入部材におけるガス噴出孔は互いに前記間隔の半周期ずれた位置に配列されていることを特徴とする請求項３または４記載の化学酸素ヨウ素レーザにおける混合ノズル。
【請求項６】
前記希釈ガスが分子数４以上の不活性ガスであることを特  徴とする請求項１記載の化学酸素ヨウ素レーザにおける混合ノズル。
【請求項７】
前記噴出孔から噴出されるヨウ素ガスには分子数４以上の不活性ガスが混合されていることを特徴とする請求項１記載の化学酸素ヨウ素レーザにおける混合ノズル。
【請求項８】
請求項１記載の混合ノズルを有することを特徴とする化学酸素ヨウ素レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音速化学酸素ヨウ素レーザに関し、特に、励起酸素、希釈ガスおよびヨウ素の混合を促進するだけでなく、高い回復圧力を達成することのできる混合ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
化学酸素ヨウ素レーザ装置（Chemical Oxygen Iodine Laser：ＣＯＩＬ）は励起状態のヨウ素Ｉ（2Ｐ1/2）が基底状態のヨウ素Ｉ（2Ｐ3/2）に緩和するときに発生する光を利用するレーザで、その励起は電子励起状態の酸素分子Ｏ2（1Δ）とヨウ素原子との共鳴的なエネルギー移乗によって行われる。
【０００３】
従来、化学酸素ヨウ素レーザ装置としては特許文献１、２に記載されたものがあった。図５はこのような化学酸素ヨウ素レーザ装置の構成を示す図である。この化学酸素ヨウ素レーザは励起酸素発生器21、ヨウ素気化器22、レーザ共振器23、ディフューザー24および真空排気装置25を主要な構成要素としている。ここで、レーザ共振器23に供給する反応ガスの流速を音速以上または数１００ｍ／ｓ以上の高速にすることにより高出力が得られるようにした超音速化学酸素ヨウ素レーザ装置の場合、レーザ共振器23の上流に超音速ノズルと呼ばれるガス流増速機構を有している。
【０００４】
励起酸素発生器21では過酸化水素水とアルカリ溶液（図５ではＫＯＨ）との混合液であるＢＨＰに塩素ガスを反応させることにより、電子励起状態の酸素分子Ｏ2（1Δ）を得る。超音速ノズルによりレーザ共振器23に供給する反応ガスの流速を高めるために、電子励起状態の酸素分子に窒素やヘリウムなどの不活性ガス（図５では窒素Ｎ2）を希釈ガスとして添加する。希釈ガスの添加は、図５のように励起酸素発生器21の下流側で電子励起状態の酸素分子Ｏ2（1Δ）と混合する場合と、励起酸素発生器21の上流側で塩素ガスと混合する場合とがある。希釈ガスと励起酸素ガスとの混合ガスは主流れを形成する。
【０００５】
一方、ヨウ素気化器22で気化されたヨウ素分子はキャリアとしての不活性ガス（窒素やヘリウムなど。図５では窒素）によって同伴され、２次流れを形成する。この２次流れは超音速ノズル付近で主流れと混合される。
【０００６】
ヨウ素分子は励起酸素分子からエネルギー移乗を受けて励起状態となり、レーザ共振器23内でレーザ発振を行う。下記［１］〜［３］は反応式である。これらの式において、Ｏ2（3Σ）は基底状態の酸素分子である。
【０００７】
ｎＯ2（1Δ）＋Ｉ2→ｎＯ2（3Σ）＋２Ｉ（2Ｐ3/2）…［１］
Ｉ（2Ｐ3/2）＋Ｏ2（1Δ）→Ｉ（2Ｐ1/2）＋Ｏ2（3Σ）…［２］
Ｉ（2Ｐ1/2）→Ｉ（2Ｐ3/2）＋（波長１.３１５μｍのレーザ光線）…［３］
【０００８】
超音速ノズルにより反応ガスの流速を高めることは、反応ガスのガス流がレーザ共振器23と交差する位置、すなわちレーザ発振領域あるいはその近傍における反応ガスの圧力を低下させることにほかならない。そこで、レーザ共振器23のレーザ発振領域を通過した反応ガスの圧力を回復させる（高める）ために、ディフューザー24と呼ばれる圧力回復機構が設けられ、レーザ発振領域を通過する反応ガスの圧力が維持される。ディフューザー24により圧力が回復された反応ガスは真空排気装置25により排出される。
【特許文献１】特開2000- 68576号公報
【特許文献２】特開2001-358390号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述した主流れの圧力はおよそ１０〜５０Torrの範囲内にある。これ以上の高い圧力は励起酸素の失活につながるため、レーザの発振効率は極めて低下してしまう。超音速ノズルの亜音速領域における圧力は上記圧力にほぼ等しく、超音速ノズル内を流れる反応ガスのよどみ点圧力にほぼ等しい。よどみ点圧力はディフューザー24における回復圧力の限界値を与えるものであるが、実際にはディフューザー内で衝撃波による圧力回復を行う際に、よどみ点圧力は低下してしまい回復圧力はさらに低下してしまう。
【００１０】
また、励起酸素は塩素と水溶液（ＢＨＰ）との反応により生成されるため、主流れには水溶液温度に対応する水蒸気が含まれる。この水蒸気は励起状態にあるヨウ素原子を失活させる。水蒸気による主流れのエネルギー損失は２次流れの導入位置に依存し、超音速ノズルの亜音速領域で最大となり、超音速領域で導入した場合が最もエネルギー損失が少ない。また、同損失は主流れの圧力にも依存し、主流れの圧力が高い場合にもエネルギーを大きく損失する。
【００１１】
そこで本発明は、化学酸素ヨウ素レーザにおいて、励起酸素発生器内部の圧力を高めることなく、高い回復圧力を達成することができ、かつヨウ素投入時のエネルギー損失を最小化することのできる混合ノズルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明に係る化学酸素ヨウ素レーザにおける混合ノズルは、希釈ガスノズル、および前記希釈ガスノズルの両側に並置された励起酸素ガスノズルを有するノズル本体と、前記ノズル本体の開口端付近に配設されたヨウ素導入部材とを具備する化学酸素ヨウ素レーザにおける混合ノズルであって、前記希釈ガスノズルと前記励起酸素ガスノズルとの間は仕切り壁で区切られており、前記ヨウ素導入部材は、前記仕切り壁の縁の付近に配設され、かつ前記希釈ガスノズルから噴出される希釈ガスに向けてヨウ素ガスを噴射するガス噴出孔を有することを特徴とする。このように構成したことにより、励起酸素ガスと高いよどみ点圧力を有する希釈ガスとをそれぞれ異なるノズルからレーザ共振器に導入することができるので、希釈ガスのよどみ点圧力を励起酸素ガスの圧力とは無関係に高くすることができる。したがって、励起酸素発生器内部の圧力を高めることなく、高い回復圧力を達成することができる。さらに、励起酸素ガス流の圧力を高くする必要がないので、励起酸素ガスの持つエネルギーの損失を最小化することができる。
【００１３】
また、本発明に係る化学酸素ヨウ素レーザにおける混合ノズルは、前記希釈ガスノズルが超音速ノズルであり、前記励起酸素ガスノズルが音速ノズルであることを特徴とする。このように構成したことにより、ヨウ素混合が超音速領域で行われるため、励起酸素ガスの持つエネルギーの損失を最小化することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、化学酸素ヨウ素レーザにおいて、励起酸素発生器内部の圧力を高めることなく、高い回復圧力を達成することができ、かつヨウ素投入時のエネルギー損失を最小化することのできる混合ノズルを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態の超音速混合ノズルの要部を示す図であり、図２はその断面図である。ただし、図１は超音速混合ノズルの最小限の構成を示しており、図２は最小限の構成を多数並べた場合について励起酸素ガスノズルを中心に切り出したものである。また、これらの図は、超音速混合ノズルの開口端（ガス流出口）付近を示しており、ガス流の下流側にはレーザ共振器が配設されている。さらに、本実施形態において、超音速混合ノズルを除く超音速化学酸素ヨウ素レーザの全体の構成は図５と同じである。
【００１６】
本実施形態の超音速混合ノズルは、ノズル本体１と、ノズル本体１の開口端付近に固定された円筒パイプ4a、4bとを具備する。ノズル本体１は、励起酸素ガスノズル２と、超音速希釈ガスノズル３とを有する。励起酸素ノズル２および超音速希釈ガスノズル３はガス流（図１、２における矢印Ｎ2および矢印Ｏ2）の方向に対して平行に配置されている。そして、超音速希釈ガスノズル３は二つの励起酸素ガスノズル２に挟まれている。これらのノズルは仕切り壁６で区切られているが、ノズル出口からガス流の下流では仕切りのない空間を共有している。
【００１７】
円筒パイプ4a、4bは、仕切り壁６におけるガス流の出口側の縁に沿って固定されている。したがって、円筒パイプ4a、4bの長手方向（軸方向）が励起酸素ガスノズル２および超音速希釈ガスノズル３が並んでいる方向と直交し、かつ励起酸素ガスおよび超音速希釈ガスの流れの方向とも直交するように仕切り壁６の下流端付近に配置される。円筒パイプ4aの長手方向には、超音速希釈ガス流に向いている側、好ましくは超音速希釈ガス流と直交する方向に多数のガス噴出孔8aが空けられている。同様に、円筒パイプ4bの長手方向には、超音速希釈ガス流に向いている側、好ましくは超音速希釈ガス流と直交する方向に多数のガス噴出孔8bが空けられている。したがって、ガス噴出孔8a、8bからの噴出ガスは超音速希釈ガス流に向かって噴出する。１対の円筒パイプ4a、4bが１つの超音速希釈ガス流に噴出ガスを噴射する。円筒パイプ4a、4bのそれぞれにおいてガス噴出孔8a、8bは等間隔に配置されている。しかし、円筒パイプ4aのガス噴出孔8aと円筒パイプ4bのガス噴出孔8bとは互いに半周期ずれた位置に配置されている。ヨウ素気化器（図示せず）で生成されたヨウ素ガスと、そのキャリアガスである不活性ガス（図１、２では窒素ガス）との混合ガスが円筒パイプ4a、4bの上下から導入され、ガス噴出孔8a、8bから超音速希釈ガス流に向けて噴出する。
【００１８】
以上のように構成された超音速混合ノズルの作用を説明する。例えばよどみ点圧２０Torrの励起酸素ガス流がレーザ共振器（図示せず）で１０Torr前後の圧力となつた場合、流速はマッハ１程度となる。また、よどみ点圧力が５２００Torrの窒素ガス流は超音速希釈ノズル３で膨張し、およそマッハ５、圧力１０Torrの超音速希釈ガス流を形成する。前記の励起酸素ガス流と超音速希釈ガス流とが完全に混合するとマッハ３から３．５程度、圧力約１０Torr、よどみ点圧力数１００Torrの超音速ガス流（主流れ）となる。 この流れの混合を促進するために、円筒パイプ4a、4bのガス噴出孔8a、8bから超音速希釈ガス流れに向けてヨウ素ガスと不括性ガスとの混合ガスを噴出する。このときの混合ガスの流量は超音速希釈ガスノズル３からの超音速希釈ガス流量の５％程度で十分である。
【００１９】
ヨウ素ガスと不活性ガスとの混合ガスによって横方向の運動量を与えられた超音速希釈ガス流は渦を形成しながら励起酸素ガス流と混ざり合って行く。ヨウ素ガスはまず超音速希釈ガス流に向かって吹きつけられるため、ヨウ素と酸素との反応は急激には起こらず、混合の促進とともに次第に進んで行く。このため、励起酸素ガスのエネルギー損失を最小限に押さえることができる。ここで、ガス噴出孔8a、8bの長手方向の位置が半周期ずれているため、それぞれのガス噴出孔8a、8bから噴出されたガス同士が干渉し合うことなく、有効に超音速希釈ガス流に向けて噴射される。
【００２０】
図３は本実施形態の超音速混合ノズルの効果を説明するためのグラフである。このグラフは、超音速混合ノズルの中心付近での酸素ガスの均一度の指標として混合率を示している。このときノズルからの距離は２５０ｍｍである。図中には噴出孔からの噴出ガス（窒素）の流量が超音速希釈ガス（窒素）流量の１０％、５％、０％の３種類についてプロットしてある。この図より、噴出ガス流量が増えるにしたがって、混合率が改善されていることが分かる。励起酸素ガスノズル２と超音速希釈ガスノズル３を挟んだ隣の励起酸素ガスノズル２との間隔は１０ｍｍ程度以上離れていても、十分な混合を超音速領域で達成することが可能である。
【００２１】
このように、本発明の第１の実施形態の超音速混合ノズルによれば、励起酸素ガスと、高いよどみ点圧力を有する超音速希釈ガスとをそれぞれ異なるノズルからレーザ共振器に導入することにより、超音速希釈ガスのよどみ点圧力を励起酸素ガスの圧力とは無関係に高くすることができる。このため、励起酸素ガス流と超音速希釈ガス流との混合を行うことにより、主流れのよどみ点圧力を混合前の１０倍程度に高めることができるので、励起酸素発生器内部の圧力を高めることなく、高い回復圧力を達成することができる。
【００２２】
また、励起酸素ガス流の圧力を高くする必要がないので、励起酸素ガスの持つエネルギーの損失を最小化することができる。
【００２３】
さらに、ヨウ素の混合が超音速領域で行われるため、励起酸素ガスの持つエネルギーの損失を最小化することができる。
【００２４】
なお、本発明の超音速混合ノズルを大出力レーザに適用する場合は、図１の超音速ノズルを多数横に並べることにより対応できる。その際、隣り合うノズル本体間の仕切り壁７は必要ない。また、図１、２では、円筒パイプ4a、4bが仕切り壁６の縁に沿って固定されていたが、円筒パイプ4a、4bを仕切り壁６の縁に固定せず、僅かに離れた位置に配置してもよい。
【００２５】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態の超音速混合ノズルを示す断面図である。本実施形態の特徴は、仕切り壁６の内部に噴出ガス導入路9a、9bが設けられていることである。噴出ガス導入路9a、9bは、第１の実施形態と同様、励起酸素ガスおよび超音速希釈ガスの流れの方向と直交するように仕切り壁６の下流端付近に配設されている。噴出ガス導入路9a、9bの長手方向には、超音速希釈ガス流に向いている側、好ましくは超音速希釈ガス流と直交する方向に多数のガス噴出孔10a、10bが空けられている。１対の噴出ガス導入路9a、9bが１つの超音速希釈ガス流に噴出ガスを噴射する。噴出ガス導入路9a、9bのそれぞれにおいてガス噴出孔10a、10bは、仕切り壁６の下流側の壁縁に沿って長手方向に等間隔に配置されている。しかし、噴出ガス導入路9aのガス噴出孔10aと噴出ガス導入路9bのガス噴出孔10bとは互いに半周期ずれた位置に配置されている。噴出ガス導入路9a、9bには、ヨウ素ガスとそのキャリアガスである不活性ガスとの混合ガスが導入され、前記ガス噴出孔10a、10bから超音速希釈ガス流に向けて噴出する。
【００２６】
以上のように構成された第２の実施形態の超音速混合ノズルの作用は第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、化学酸素ヨウ素レーザにおいて、励起酸素発生器内部の圧力を高めることなく、高い回復圧力を達成することができ、かつヨウ素投入時のエネルギー損失を最小化することのできるものであり、特に、超音速化学酸素ヨウ素レーザに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態の超音速混合ノズルを示す斜視図、
【図２】本発明の第１の実施形態の超音速混合ノズルを示す断面図、
【図３】本発明の第１の実施形態の超音速混合ノズルの効果を説明するためのグラフ、
【図４】本発明の第２の実施形態の超音速混合ノズルを示す断面図、
【図５】従来の化学酸素ヨウ素レーザ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  ノズル本体
２  励起酸素ガスノズル
３  超音速希釈ガスノズル
4a、4b  円筒パイプ
６、７  仕切り壁
8a、8b、10a、10b  ガス噴出孔
9a、9b  噴出ガス導入路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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