Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Führung eines molekularen Gases oder Gasgemisches, das wenigstens eine molekulare Komponente enthält, in einem geschlossenen Kreislauf, insbesondere zur Er¬ zeugung von Prozeßabläufen in dem entsprechenden Gas oder Gasgemisch, die mit seiner teilweisen Ionisierung und der Anregung von Molekülschwingungen in der ent- - sprechenden Gaskomponente verbunden sind.

Prozeßabläufe in molekularen Gasen oder Gasgemischen,, die wenigstens eine molekulare Komponente enthalten, welche durch die teilweise Ionisierung und die An¬ regung von Molekülschwingungen gekennzeichnet sind, dienen im wesentlichen den folgenden drei Zwecken: der Einleitung und Durchführung plasmachemischer Reaktionen, der Isotopentrennung und der Erzeugung eines laser- aktiven Zustands.

Die Durchführung solcher Prozesse in offenen Systemen, d.h. Systemen, bei denen das Gas die Reaktionszone nur einmal durchströmt, sind für alle drei Anwendungs- bereiche hinreichend bekannt (siehe z.B. DE-OS 2651 306; Proc. IEEE, 2(1974)1, ρ.4 ff; Angew. Chemie, 84. Jahrg. (1972) 18, Seiten 876 ff; IEEE Transactions on Plasma Science, PS-2(1974), p. 297-307; J. Microwave Power, 10(1975)4, p. 433-440; Sov. Phys. Dokl. 23(1978)1, p. 44-46; J. Microwave Power, 12(1977)2, p. 155-166).

Im Bereich des Lasers dominieren sogar Systeme mit ge¬ schlossenem Gaskreislauf; diese Systeme sind gasdyna¬ mische, bzw. Gastransport-Laser (siehe z.B. Appl. Phys. 22(1980), Seiten 421-427; Appl. Phys. Letters 15(1969)3, p. 91-93; ALAA-Paper 72-723 (1972); US-Patent Nr. 4,096,449).

Im Falle der Plasmachemie und der Isotopentrennung er-

zielt man mit einem offenen System i.a. geringe

Reaktions usbeuten, da stets nur ein Teil der Aus¬ gangssubstanz an dem gewünschten ümsetzungsprozeß be¬ teiligt ist. Im Falle des Lasers hingegen beruht der Nachteil der genannten Vorrichtungen darin, daß ent¬ weder passive Rückleitungen mit großem Querschnitt zur Verringerung der Reibungsverluste in der Strömung, oder aufwendige Pumpsysteme für die Gasumwälzung zur Überwindung dieser Reibungsverluste in Kauf genommen werden müssen. Ersteres führt zu einer großvolumigen, gewichtigen Bauweise, letzteres zu einem ungünstigen Gesamtwirkungsgrad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für den Fall der Anwendung in der Plasmachemie und der Isotopen¬ trennung die Ausbeute, bezogen auf die Menge der AusgangsSubstanz, zu erhöhen; im Falle der Anwendung als Laser eine kompakte Bauweise mit einem hohen Ge- samtwirkungsgrad zu vereinen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei gleichartig gestaltete Strömungskanäle mit vor¬ zugsweise rechteckigem Querschnitt mit den Breitseiten unmittelbar nebeneinander angeordnet, oder konstruktiv integriert sind und an ihren nebeneinanderliegenden Enden durch zwei Vorrichtungen zur Gasumwälzung so miteinander verbunden sind, daß sie von dem Gas in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden und in Teilbereichen beider Kanäle elektrisch isoliert von den Kanalwinden, Elektroden eingelassen sind, wobei die dem jeweils anderen Kanal nähergelegene Elektrode mit der entsprechenden Elektrode des anderen Kanals elektrisch verbunden, oder mit ihr konstruktiv identisch ist.

Für die Anwendung der Vorrichtung für Zwecke der Isotopentrennung und für die Verwendung als gas- dynamischer oder Gastransport-Laser ist es weiterhin

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zweckmäßig, daß in den Schmalseiten der beiden Kanäle Öffnungen vorgesehen sind, die den Durchtritt elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise Laser¬ strahlung, im wesentlichen senkrecht zur Strömungs- richtung, erlauben.

Zur Zufuhr, bzw. Abfuhr von Gas ist es weiterhin vor¬ teilhaft für die Anwendung der Vorrichtung für Zwecke der Plasmachemie und der Isotopentrennung, daß in die Kanalbreitseiten bzw. in die Elektroden, die einen

Teil dieser Breitseiten bilden, zahlreiche Öffnungen kleinen Durchmessers eingelassen sind.

Ferner ist es für die Anwendung als gasdynamischer oder Gastransport-Laser vor Vorteil, wenn die beiden Kanäle durch zahlreiche Öffnungen kleinen Durchmessers in den beiden einander zugewandten Breitseiten miteinander verbunden sind.

Zur Kontrolle der Aufenthaltsdauer des Gases im Bereich der Wechselwirkung mit einer Entladung, die zwischen den genannten Elektroden erzeugt wird, bzw. einem Strahlungsfeld, das durch die genannten Öffnungen in den Kanalschmalseiten eingekoppelt wird, ist es bei einer Anzahl von Anwendungen von Vorteil, die

Strömungsgeschwindigkeit des Gases in dieser Wechsel¬ wirkungszone dadurch zu erhöhen, daß der Querschnitt der beiden Strömungskanäle eine düsenartige Ein¬ schnürung aufweist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile _, bestehen bei der Anwendung in den Bereichen Plasmachemie und Iso¬ topentrennung darin, daß das Gas wiederholt die ge¬ nannte Wechselwirkungszone durchströmt und auf diese Weise effizienter als bei einmaliger Durchströmung für die gewünschten Prozesse genutzt wird. Die Öffnungen in den Breitseiten erlauben die Zufuhr von frischem Gas, bzw. die Abfuhr der erzeugten Produkte, bzw. von

angereicherter Isotopenmischung an den jeweils günstigen Stellen des Prozeßablaufs. Verändert man den Querschnitt des Kanals durch eine düsenförmige Einschnürung, so läßt sich infolge der veränderten Strömungsgeschwindigkeit die Aufenthaltsdauer des Gases in der Wechselwirkungszone der jeweiligen Reaktion optimal anpassen. Wählt man schließlich eine Düsenform, die das Auftreten einer überschallströmung erlaubt, so läßt sich zusätzlich infolge der Abkühlung durch Expansion die Temperatur des Gases in der

Wechselwirkungszone den optimalen Parametern für die gewünschte Reaktion anpassen.

Bei der Anwendung der Vorrichtung als gasdynamischer oder Gastransport-Laser ist es vorteilhaft, daß durch Vermeidung einer passiven Rückleitung des Gases eine kompakte Bauweise und ein geringer Energieaufwand für das Umwälzsystem erzielt werden. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn durch die Öffnungen in den Schmalseiten die Wechselwirkungszonen beider Kanäle innerhalb eines U-förmig gefalteten optischen Resonators angeordnet werden. Durch eine zweimalige Strahlumlenkung um je¬ weils 90° in einem U-förmig gefalteten Resonator wird infolge des verschiedenen Reflexionsgrades der Spiegel- Oberflächen bei schrägem Lichteinfall, parallel, bzw. senkrecht zur Einfallsebene, die bevorzugte Polari¬ sationsrichtung der Laserstrahlung eindeutig definiert und kann daher anschließend nach Durchtritt durch ein doppeltbrechendes Medium in zirkulär polarisierte Strahlung umgewandelt werden. Es ist bekannt, daß letztere für zahlreiche Aufgaben in der Materialbear¬ beitung besonders geeignet ist. Ferner werden, da die Wechselwirkungszonen in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden, die allgemein bei gasdynamischen und Gastransport-Lasern auftretende Asymmetrie des Strahlprofils in Strömungsrichtung aufgehoben. Dies trägt zur Verbesserung des Laser odes im Nahfeld bzw. zur Verbesserung des Fokussierbarkeit ^" des Laserstrahls

bei. Die Verbindung der beiden Strömungskanäle durch Kapillaröffnungen in den einander zugewandten Breit¬ seiten bewirkt folgendes: infolge des Druckabfalls im Verlaufe der Durchströmung eines Kanals ist der Druck vor der Wechselwirkungszone höher als dahinter. Daher wird durch eine Verbindung der genannten Art zwischen dem Bereich höheren Drucks des einen Kanals und dem Bereich niedrigeren Drucks des anderen Kanals die sich im Einlauf zur Wechselwirkungszone all- mählich aufbauende Grenzschicht zum anderen Kanal hin abgesaugt. Diese Grenzschichtabsaugung ist für die Stabilität der Entladung von Nutzen, denn es ist bekannt, daß sich EntladungsInstabilitäten bevorzugt im Bereich der Strömungsgrenzschicht bilden. Falls erforderlich, kann die Strömungsgrenzschicht auch an den einander abgewandten Breitseiten der Kanäle durch geeignete konstruktive Maßnahmen abgesaugt werden. Die Vorteile einer düsenartigen Einschnürung gelten auch im Falle der Anwendung als gasdynamischer, bzw. als Gastransport-Laser.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für die An¬ wendung im Bereich der Plasmachemie ist in Fig. 1 als Längsschnitt und in Fig. 2 als Querschnitt A-A darge- stellt. Der Hauptanteil des Gases strömt in Pfeil¬ richtung durch die beiden Kanäle 1 bzw. 1 * . Lediglich schematisch dargestellt ist die Anordnung der Außen¬ elektroden 2 bzw. 2', sowie der gemeinsamen Mittel¬ elektrode 3, welche durch den Anschluß 4 eine Ver- bindung nach außen besitzt. Diese Elektroden sind gegen die Kanalwinde 5 durch Isolierstücke 6 bzw. 6' und 7, vorzugsweise aus Keramik bestehend, elektrisch getrennt. Diese Teile sind in an sich bekannter Weise vakuumdicht miteinander verbunden. Die Kanalenden, an denen das Gas eintritt, 8 bzw. 8' und jene, durch welches das Gas wieder austritt, 9 bzw. 9 ¹ sind so durch an sich bekannte Gasumwälzsysteme, wie Wälz¬ kolbenverdichter, Axialverdichter, Radialverdichter,

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Seitenkanalverdichter oder Querstromgebläse miteinander verbunden, daß ein Gasumwälzsystem die Austritts¬ öffnung 9 mit der Eintrittsöffnung 8' , ein zweites die Austrittsöffnung 9' mit der Eintrittsöffnung 8 verbindet. In den meisten Fällen ist es erforderlich, daß sich in den AustrittsÖffnungen 9 bzw. 9' ebenfalls bekannte Wärmetauscher zur Abkühlung des Gases be¬ finden. Zwischen den Elektroden 2 und 3, bzw. 2' und 3 wird zur Einleitung der gewünschten Reaktion ein elektrisches Gleicϊv- oder Wechselfeld zur Erzeugung einer Glimmentladung angelegt. In dieser Entladung werden die Aus angsSubstanzen teilweise ionisiert und die Moleküle schwingungsmäßig angeregt, so daß sie bevorzugt die gewünschten chemischen Reaktionen ein- gehen können. Die erzeugten Produkte können nun ent¬ weder durch die Öffnungen 10 bzw. 10' abgesaugt, oder an den erwähnten Wärmetauschern ausgefroren werden. Der Ersatz von verbrauchten AusgangsSubstanzen kann mittels Gaszufuhr durch die Öffnungen 11 bzw. 11* geschehen. Das Verhältnis von umgewälzter zu neu zu- bzw. abge¬ führter Gasmenge läßt sich leicht durch Anzahl und Durchmesser der Öffnungen, bzw. durch geeignete Wahl der Druckdifferenz zu den nicht dargestellten äußeren Sammelleitungen den jeweiligen Gegebenheiten anpassen.

In Fig. 3 und Fig. 4 ist ein abgewandeltes Aus¬ führungsbeispiel in der gleichen Weise wie bei Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt. Es handelt sich um eine Varian¬ te zur Isotopentrennung. Zusätzlich zu jenen Bauteilen und Funktionen, welche mit denen von Fig. 1 und Fig. 2 übereinstimmen, sind Öffnungen 12 bzw. 12* in den Schmalseiten der Kanäle vorgesehen. Sie sind durch an sich bekannte, nicht dargestellte Druckfenster abge¬ schlossen. Die Elektroden 2 bzw. 2 ¹ und 3 bzw. 3' sind gegenüber diesen Öffnungen stromab versetzt. Das Gas z.B. bestehend aus den Isotopengemischen ^°U _ζ und 235UF ₆ tritt im Bereich der Öffnungen 12 bzw. 12" in Wechselwirkung mit einem Laserstrahl 13, umgelenkt

durch die Spiegel 14. Dabei wird eine Isotopenkomponente selektiv schwingungsmäßig angeregt, z.B. durch Laser¬ strahlung im Wellenlängenbereich von 16 Mikrometer. Anschließend tritt es in eine Gleichentladung ein, wobei die Elektroden 2 bzw. 2' als Anoden, 3 bzw. 3' als Kathoden dienen. Die schwingungsangeregte Komponente wird bevorzugt ionisiert und infolge der Wechsel¬ wirkung der positiv geladenen Ionen mit dem elektrischen Feld im Bereich der Kathode angereichert. Die Anordnung der Elektroden kann natürlich auch sinngemäß ver¬ tauscht sein. In den Kathoden befinden sich Öffnungen 15, durch welche das angereicherte Gemisch abgesaugt wird.

In Fig. 5 und Fig. 6 ist ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel in gleicher Weise wie bei Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt. Diese Variante dient der An¬ wendung als Gastransport-Laser. Wie in Fig. 3 und Fig.4 sind Öffnungen 12 und 12' in die Schmalseiten der Kanäle eingelassen. Sie sind entweder durch an sich bekannte, für die Laserstrahlung transparente Druck¬ fenster abgeschlossen, oder druckdicht mit den Umlenk¬ spiegeln 14 bzw. dem totalreflektierenden Laserspiegel 17 und dem teilweise durchlässigen Laserspiegel 18, durch welchen der Laserstrahl 19 ausgekoppelt wird, verbunden. Der Resonator kann auch mehrfach gefaltet bzw. ein Resonator vom astabilen Typus sein. Die Ent¬ ladung, die durch ein an die Elektroden 2 bzw. 2' und 3 angelegtes Gleich- oder Wechselfeld erzeugt wird, ist im wesentlichen der Wechselwirkungszone mit dem Strahlungsfeld, das sich im Resonator ausbildet, überlagert. Nicht ausgeschlossen durch diese Dar¬ stellung ist die an sich bekannte vorteilhafte Segmen¬ tierung der Elektroden, bzw. ihre Bedeckung durch eine dielektrische Schicht. Beide Maßnahmen dienen der

Stabilisierung der Entladung. Die Öffnungen 16 dienen der Grenzschichtabsaugung im Einlaufbereich zur Ent¬ ladung, eine Maßnahme, die ebenfalls die Stabilisierung

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der Entladung fördert. Nicht ausgeschlossen durch die Darstellung ist gleichfalls die Gestaltung der Kanäle in konvergent-divergenter Düsenform. Dadurch werden neben der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in der Entladungszone, mit hieraus resultierender höherer Leistungsdichte des erzielbaren Strahlungs¬ feldes die Reibungsverluste der Strömung in den Kanälen verringert. Die übrigen Bauelemente und Funktionen sind jenen von Fig. 1 und Fig. 2 gleich.

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