Содержание к диссертации
Введение
1. Разработка источника инфракрасного излучения для молекулярного метода разделения изотопов урана 7
1.1. Введение 7
1.2. Эксперимент 9
1.3. Экспериментальные результаты 10
1.4. Теоретические аспекты 11
1.5. Заключение 12
2. Лазерное разделение изотопов в парах атомов 14
2.1. Введение 14
2.2. Экспериментальные результаты и их обсуждение 16
2.3. Заключение 19
3. Лазерная диагностика плазмы в сильном магнитном поле 21
3.1. Метод ионно-циклотронного резонанса для разделения изотопов 21
3.2. Лазерная система для диагностики плазмы 25
3.3. Экспериментальные результаты 27
3.4. Теоретические аспекты 30
3.5. Заключение 34
4. Метод время-пролетной масс-спектрометрии для измерения малых относительных концентраций изотопов урана 35
4.1. Введение 35
4.2. Экспериментальная установка 36
4.3. Экспериментальные результаты 37
4.4. Теоретическая модель фотоионизации атомов урана 40
4.5. Заключение 41
5. Метод оптической спектроскопии лазерной плазмы для элементного анализа веществ 43
Введение 43
Экспериментальная установка 45
Экспериментальные результаты и их обсуждение 47
Заключение 55
- Экспериментальные результаты
- Метод ионно-циклотронного резонанса для разделения изотопов
- Теоретические аспекты
- Теоретическая модель фотоионизации атомов урана
Введение к работе
Актуальность темы.
Лазерные методы находят все более широкое применение в современных технологиях. Так, например, в ядерных технологиях они используются для изотопного и элементного анализа радиоактивных веществ и конструкционных элементов, очистки радиоактивно загрязненных поверхностей, дистанционного контроля технологических процессов, контроля окружающей среды и т.д. Достижения в области фундаментальных и прикладных лазерных исследований приводят к открытию и развитию новых лазерно-ядерных технологий, таких, например, как лазерное разделение стабильных и радиоактивных изотопов. За время своей работы в двух ведущих научных ядерных центрах - ИАЭ им. И.В.Курчатова (Москва, Россия) и Комиссии по атомной энергии (Сакле, Франция) - автор данной работы принимал активное участие в разработке и исследовании лазерных методов в приложении к различным ядерным технологиям. Результаты этих исследований легли в основу диссертации.
Цель работы состояла в разработке и исследовании лазерных методов и их применений в следующих областях ядерных технологий:
1. разделение изотопов урана лазерно-молекулярным методом;
2. лазерное разделение изотопов в парах атомов;
3. лазерная диагностика плазмы при разделении изотопов методом ионно-циклотронного резонанса;
4. изотопный анализ малых относительных концентраций изотопов урана в технологическом процессе его обогащения лазерным методом;
5. микроанализ ядерного топлива и конструкционных элементов.
В работах по разделению изотопов (молекул или атомов) лазерными методами ставилась задача создать и экспериментально исследовать источники когерентного излучения, удовлетворяющие требованиям технологических испытаний этих методов. В ходе отработки и практической реализации диагностики плазмы в процессе разделения изотопов методом ионно-циклотронного резонанса было необходимо не только предложить обоснованную концепцию метода лазерной диагностики, но и теоретически обосновать его в применении к ионам плазмы в сильном магнитном поле ( 1 Тесла). Метод лазерной флуоресценции был впервые применен для диагностики плазмы крупномасштабной установки SUPER-ERIC (Франция). Для оперативного контроля и измерения малых относительных концентраций изотопов урана ( U/ U 0,1%) был предложен и исследован метод время-пролетной масс-спектрометрии в комбинации с лазерной абляцией и неселективной фотоионизацией атомов урана. Исследования по лазерной микроабляции имели целью разработать и оптимизировать методы элементного микроанализа веществ для ядерных технологий. Научная новизна полученных результатов:
были разработаны и созданы источники излучения для лазерного разделения изотопов: источник на основе вынужденного комбинационного рассеяния лазерного излучения в газах в многопроходной кювете и системы перестраиваемых лазеров на красителях;
метод лазерной флуоресценции был изучен экспериментально и теоретически и применен для диагностики плазмы в сильном магнитном поле; экспериментально и теоретически была исследована неселективная фотоионизация атомов урана излучением коммерческого Nd-YAG-лазера, что позволило разработать простой и надежный метод оперативного измерения малых относительных концентраций изотопов урана методом время-пролетной масс-спектром етрии;
в исследованиях по лазерной микроабляции было установлено влияние параметров лазерного излучения (длины волны, энергии, длительности импульса) и свойств мишени (чистые металлы, оптически прозрачные кристаллы) на аналитические характеристики абляции (форма микрократеров, свойства лазерной плазмы). Анализ полученных результатов позволяет более полно понять роль различных физических механизмов лазерной абляции и выбрать оптимальный режим проведения элементного микроанализа веществ. Научная и практическая значимость работы.
Проведение исследований, результаты которых вынесены на защиту, было обусловлено и тесно связано с насущной потребностью ядерной индустрии как в разработке новых методов разделения изотопов, так и в проведении анализа веществ и контроля технологических процессов. Полученные экспериментальные и теоретические результаты имеют фундаментальную и прикладную ценность в таких областях, как лазерная физика, лазерное разделение изотопов, нелинейная оптика, лазерная спектроскопия и аналитическая химия.
Установки, созданные на основе проведенных исследований и полученных результатов, нашли применение в исследованиях по лазерному (ИАЭ им.И.В.Курчатова, Россия) и плазменному (Комиссия по атомной энергии, Франция) методам разделения изотопов. Разработанные методы анализа и контроля были применены в исследованиях технологических процессов ядерно-топливного цикла, проводимых Комиссией по атомной энергии (Франция). Основные положения, выносимые на защиту:
1. разработка, исследование и реализация метода получения инфракрасного когерентного излучения в области средних инфракрасных длин волн на основе вынужденного комбинационного рассеяния лазерного излучения в газах в многопроходной кювете;
1. разработка, исследование и реализация перестраиваемой лазерной системы на красителях с параметрами, удовлетворяющими проведению технологических исследований по разделению изотопов в парах атомов;
2. экспериментальное и теоретическое исследование свойств нелинейных многоволновых (ВЧПР) и магнитооптических эффектов (эффект Фарадея), проявляющихся при прохождении лазерного излучения через резонансные оптически плотные среды;
3. реализация, экспериментальное исследование и теоретическое обоснование метода лазерной флуоресценции для диагностики ионов плазмы в сильном магнитном поле ( 1Тесла);
4. исследование процесса неселективной фотоионизации атомов урана третьей гармоникой Nd-YAG-лазера;
5. разработка и применение метода время-пролетной масс-спектрометрии в сочетании с лазерной .абляцией и фотоионизацией для измерения малых относительных концентраций изотопов урана (235U/238U 0,1%);
6. комплексное исследование свойств лазерной микроабляции для ее применения в элементной картографии поверхностей.
Апробация работы.
Материалы, выносимые на защиту, были представлены в форме приглашенных докладов и устных сообщений и обсуждались на многих отраслевых, общесоюзных и международных конференциях с участием ведущих специалистов:
1. Всесоюзная школа «Физические основы голографии», Баку, 1986.
2. Всесоюзная конференция «Обращение волнового фронта», Минск, 1986.
3. Всесоюзная школа «Нелинейная оптика и голография», Черновцы, 1989.
4. Междисциплинарный коллоквиум Национального комитета научных исследований, Жиф-сюр-Иветт, Франция, 1992.
5. IV конгресс Французского физического общества, Тулуз-Лабек, Франция, 1994.
6. Международная конференция «Фотонное эхо и когерентная спектроскопия», Йошкар-Ола, Россия, 1997.
7. Международная конференция «Лазерная обработка поверхностей», Лимож, Франция, 1997.
8. VII Международный конгресс «Лазерная физика», Берлин, Германия, 1998.
9. Международная конференция «Мощная лазерная абляция», Санта-Фэ, США, 1998.
10. Конференция Европейского общества исследования материалов, Страсбург, Франция, 1998.
П. VIII Международный конгресс «Лазерная физика», Будапешт, Венгрия, 1999.
12. Международная конференция Федерации аналитической химии, Ванкувер, Канада, 1999.
13. Международная конференция «Нерезонансное взаимодействие излучения с веществом», Санкт-Петербург, Россия, 2000.
14. Международная конференция «Лазерная абляция», Токио (Тцукуба), Япония, 2001.
Результаты работ докладывались на семинарах ведущих научных центров России и Франции. Работы по созданию когерентных источников излучения и исследованию свойств резонансных голограмм были отмечены призовыми и специальными премиями на конкурсах научных работ ИАЭ им.И.В.Курчатова (1978, 1980, 1981, 1984, 1985 и 1986 гг.).
По теме диссертационной работы в международных научных журналах и сборниках опубликовано 30 печатных работ, в которых соискатель является автором или соавтором.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из:
общей характеристики работы;
материалов исследований, изложенных в пяти главах;
общего заключения;
списка публикаций, положенных в основу написания диссертации по результатам исследований, выносимых на защиту; (при ссылках на эти публикации использовалась двузначная индексация, где первая цифра указывает номер главы данной работы); - приложения, где в полном объеме приведены цитируемые в диссертационной работе публикации со ссылками на работы, результаты которых были ценны при проведении исследований.
Диссертация содержит 62 страницы, включая 23 рисунка и 1 таблицу.
Экспериментальные результаты
Ввод и вывод излучения осуществлялись через оптические окна Oi и О: и отверстия в сферических зеркалах Зі и 3:. Перефокусировка лазерного луча в центр кюветы при его 25-кратном прохождении в кювете осуществлялась соответствующим выбором радиуса кривизны зеркал и расстояния между ними, а также согласованием диаметра и расходимости луча лазера на входе в кювету с пространственной ТЕМ00 модой кюветы. Направление лазерного луча подбиралось так, чтобы при прохождении кюветы его многократные отражения в плоскости зеркал располагались равномерно по окружности с радиусом, равным расстоянию от оси кюветы до центра отверстия в зеркалах Зі и Зг, и чтобы после 25 проходов луч лазера проходил через отверстие в зеркале З2 и выводился из кюветы. Кювета, рассчитанная на давление до 6 атм, имела азотную рубашку, что позволяло работать с газами при температуре жидкого азота. Охлаждение кюветы необходимо для работы с водородом в форме пара-водорода, которая является термодинамически неравновесной, но при комнатной температуре достаточно быстро переходит в равновесное состояние, когда концентрация пара-водорода составляет около 25%. Для увеличения порога пробоя лазерного излучения в местах его фокусировки в центре кюветы газ во время его подачи в кювету проходил очистку фильтрами, что позволяло работать без пробоя с энергиями лазерных импульсов до 1,5 Дж. Специальная система поддува сухого газа на оптические окна позволяла избежать конденсации влаги на них.
Экспериментальные исследования проводились со специально созданным «гибридным» С02-лазером (ТЕМоо мода, 100 не, 1,5 Дж) и модернизированным Nd-YAG-лазером (ТЕМоо мода, 15 не, 150 мДж). Nd-YAG-лазер применялся для получения «затравочного» инфракрасного излучения с длиной волны 20 мкм в орто-водороде (кювета была заполнена равновесным водородом при комнатной температуре), которое затем усиливалось в процессе ВКР-излучения СОг-лазера на вращательных переходах молекул орто-водорода [1.1]. Nd-YAG-лазер использовался также в исследованиях ВКР-излучения сХ= 1,06 мкм на колебательных переходах молекул СОг (кювета была заполнена СОг-газом) [1.2]. Специально разработанная оптическая система позволяла провести согласование излучения СОг- и Nd-YAG-лазеров между собой и с пространственной модой многопроходной кюветы. Временная синхронизация импульсов осуществлялась электронной системой запуска лазеров.
Чтобы получить одночастотную генерацию (генерацию на одной продольной моде резонатора) импульсного СОг-лазера, кювета низкого давления СОг-активной среды с постоянным продольным разрядом была установлена в резонатор этого лазера . Одночастотный режим генерации такого «гибридного» лазера осуществлялся надлежащим выбором параметров активных сред высокого и низкого давления и резонатора лазера [1.3]. Перестройка длины волны по колебательно-вращательным переходам молекул СОг осуществлялась диффракционной решеткой, служившей выходным зеркалом импульсного СОг-лазера.
Получение эффективного преобразования частоты излучения СОг-лазера на основе ВКР на вращательных переходах молекул орто-водорода в многопроходной кювете высокого давления является наиболее важным результатом данных исследований. Высокая эффективность ВКР-преобразования была достигнута использованием вынужденного четырехволнового рассеяния (ВЧВР) для получения высокого уровня «затравочного» импульса излучения (мощность »10 кВт, длина волны - 20 мкм) уже на первом проходе в кювете. Этот импульс усиливался в процессе ВКР-излучения СОг-лазера в орто-водороде. При использовании СОг-лазера с энергией 1,5 Дж было получено на выходе из кюветы излучение с мощностью 5 мДж (длина волны 20 мкм, длительность 15 не). Длительность этого импульса определялась длительностью излучения Nd-YAG-лазера. С учетом взаимной временной суперпозиции импульсов СОг- и Nd-YAG-лазеров (100 не и 15 не соответственно) эффективность ВКР-преобразования излучения СОг-лазера составляла 5%. Для получения такой эффективности преобразования использовалась также оптимальная взаимная ориентация поляризаций излучения СОг- и Nd-YAG-лазеров.
Многопроходная кювета применялась также для ВКР-преобразования излучения Nd-YAG-лазера в видимую и ближнюю инфракрасную области спектра. Кювета в этих экспериментах была заполнена СОггазом. Интенсивность комбинационного рассеяния на колебательных переходах молекул СО2 была настолько сильной, что в результате генерировалось множество стоксовых и антистоксовых компонент.
«Гибридный» СОг-лазер при определенных параметрах ячейки низкого давления (ток, давление, выбор смеси) позволял получать генерацию на одной продольной моде. В зависимости от этих параметров наблюдалось три режима работы лазера: одночастотный, многочастотный (на нескольких продольных модах) или переходный (срыв одночастотной генерации и переход в многочастотный режим).
Преобразование частоты на основе ВКР в водороде можно описать следующим образом. При прохождении излучения СОг-лазера с частотой «і через молекулярный водород происходит комбинационное рассеяние с генерацией сигнала на стоксовой компоненте cois = Ю]—сон2, где 0)н2 " энергия вращательного кванта молекулы Нг. Усиление сигнала на частоте cois при прохождении им эффективной длины усиления L может быть выражено как: P(cois):=Psoexp(g1sxL), где Pso - начальный уровень усиливаемого сигнала и gis - коэффициент усиления ВКР активной среды. Величина Pso может быть оценена из интенсивности спонтанных шумов стоксовой компоненты ВКР в пределах ее спектральной ширины ACOR :
Таким образом, для получения мощности стоксовой компоненты P(cois), сравнимой с мощностью СОг-лазера (т.е. для получения преобразования частоты с высокой эффективностью), количество проходов в кювете для излучения СОг-лазера с мощностью 10 МВт определяется как: gisxL=ln[P(cois)/Pso ] = 1п[10 Вт /10" Вт] и было найдено равным 44. Для снижения требуемой величины коэффициента усиления gis L использовался процесс ВЧВР излучений Nd-YAG- и СО лазеров в водороде. Излучение Nd-YAG-лазера с частотой 2 уже на первом проходе эффективно преобразовывалось в стоксовую компоненту a 2s в процессе ВКР в водороде: o 2s = С02 - Н2 Затем в процессе ВЧВР-излучения СО2- и Nd-YAG- лазеров и излучения o 2s генерировался импульс с частотой со is и мощностью:
При использовании Nd-YAG- и С02-лазеров с мощностью = 10 МВт генерировалось « 10 кВт «затравочного» импульса (P os) на частоте iS. Мощность ВЧВР-импульса P os превышает в 1016 раз мощность спонтанных ВКР шумов Pos-Ю-12 Вт. В этом случае требуемое значение коэффициента усиления сокращается с gisxL =44 до g isxL =7. Такое шестикратное сокращение коэффициента усиления означает, что возможно шестикратное снижение мощности (энергии импульса) С02-лазера, которая необходима для достижения насыщения в ВКР усилении стоксовой компоненты, т.е. для получения мощности сигнала P(is), сравнимой с мощностью С02-лазера.
Для уменьшения поглощения излучения С02-лазера в водороде давление в многопроходной кювете было выбрано равньм трем атмосферам. Равновесное состояние водорода при комнатной температуре соответствует 75% водорода в орто-состоянии (J=l) и 25 % водорода в пара-состоянии (J=0). В этом случае процесс ВКР происходил на вращательных переходах молекул Н2 в орто-состоянии, и длина волны стоксового сигнала is равнялась 20 мкм. При использовании водорода в пара-состоянии (J-0) и при тех же параметрах лазерного излучения генерация стоксовой компоненты будет происходить на длине волны 16 мкм, что было экспериментально продемонстрировано .
Метод ионно-циклотронного резонанса для разделения изотопов
В настоящее время стабильные изотопы находят все большее применение во многих отраслях промышленности, технологических процессах и медицинских исследованиях. Чтобы удовлетворить постоянно растущие потребности в изотопах, необходимо разработать эффективные и относительно дешевые способы получения стабильных изотопов в достаточно больших количествах. Начиная со времен Второй мировой войны, предлагались различные идеи и концепции разделения изотопов, в частности, основанные на использовании плазмы для этой цели. Для успешной реализации таких процессов необходимо было решить целый ряд технологических и технических проблем, таких как получение большого количества металлической плазмы высокой плотности и стабильности, создание установок с сильным магнитным полем в большом объеме (постоянные или сверхпроводящие магниты), отработать процедуру сбора обогащенных изотопов и т.д. Наиболее удачная концепция разделения изотопов, основанная на ионном циклотронном резонансе (ИЦР), была предложена профессором Ричардсоном в 1949 г. Основное преимущество этой концепции заключалось в использовании плазмы (электрически нейтрального облака зарядов), которая позволяет устранить ограничения пространственного заряда и обеспечить определенную универсальность и гибкость метода для разделения различных изотопов металлических элементов. Но, как и прочие проекты того времени, концепция ИЦР оказалось очень дорогостоящей и технологически сложной, что существенно ограничивало ее дальнейшее развитие. С разработкой современных технологий и целым рядом усовершенствований в системах сверхпроводящих магнитов и источников СВЧ-излучения концепция ИЦР получила новое осмысление и развитие. Последние экспериментальные и теоретические исследования ИЦР подтвердили возможность получения высокого коэффициента разделения изотопов при использовании селективного ИЦР-нагрева целевого изотопа. Сопоставительный анализ всех существующих на сегодняшний день технологических концепций разделения изотопов с использованием плазмы показал, что ИЦР-метод является самым эффективным, дешевым и наиболее перспективным для получения стабильных изотопов для удовлетворения постоянно растущих потребностей современной промышленности. Исследования по ИЦР велись во многих лабораториях мира. Так, в 1980-ые годы в рамках программы исследований перспективных направлений разделения изотопов научные коллективы Комиссии по атомной энергии (Франция) и Департамента по энергии (США) проводили интенсивные исследования по разработке ИЦР-метода. Аналогичные исследования велись и в ИАЭ им. И.В.Курчатова (Россия).
Принцип разделения изотопов ИЦР-методом может быть представлен в следующем виде: плазма разделяемых изотопов помещается в сильное однородное магнитное поле 1-3 Тесла; ионы плазмы с массой irij и зарядом q=Ze движутся по геликоидальным траекториям с радиусом ларморовского вращения Гц = V ц / coci, где V л - поперечная к магнитному полю компонента скорости ионов и cocj - ионно-циклотронная частота иона. При приложении переменного электрического поля амплитуды Е и частоты fc, = эс,У2я = qB/(2rarij), совпадающей с ионно-циклотронной частотой иона изотопа, возможен селективный нагрев только этого резонансного изотопа. В простом одночастичном приближении ИЦР-нагрева его ларморовский радиус будет расти как ти - (Е/В)т, где т - время ИЦР-нагрева. В случае бесстолкновительной плазмы в магнитном поле т. равно времени пролета ионом зоны ИЦР-нагрева. Ларморовский радиус вращения нерезонансных ионов испытывает биения, и их ИЦР-нагрев незначителен. Таким образом, на выходе из зоны нагрева только резонансные ионы существенно увеличивают свой ларморовский радиус и могут быть собраны на коллекторе обогащенного изотопа. Коллектор представляет собой пластины, разнесенные на расстояние равное приблизительно ларморовскому радиусу резонансных ионов.
Наши исследования проводились на установке SUPER-ERIC (Сакле,Франция), которая была разработана для разделения изотопов ИЦР-методом. Установка SUPER-ERIC состоит из четырех основных частей: источника плазмы, зоны резонансного нагрева плазмы (2 м длина, 10 см диаметр), коллектора для сбора обогащенного изотопа и коллектора для сбора обедненного изотопа (Рис. 3.1). Основные рабочие характеристики установки SUPER-ERIC приведены в Таблице 1 [3.4]. Зона резонансного нагрева находится в однородном магнитном поле 1-4 Тесла, которое задается током сверхпроводящих катушек. Однородность магнитного поля является одним из основных обязательных факторов процесса разделения изотопов ИЦР-методом. На установке SUPER-ERIC неоднородность магнитного поля в зоне ИЦР-нагрева не превышает 0,5%. Этот параметр определяет верхний предел массы изотопов, которые могут быть разделены. Так, например, на установке могут быть разделены изотопы с различием масс АМ=1 а.е.м. и массой М вплоть до М=200 а.е.м.
Эффективность и селективность разделения изотопов ИЦР-методом находятся в прямой зависимости от параметров источника плазмы (ионов). Как показали наши исследования, для эффективного разделения изотопов оптимальными параметрами источника являются плотность ионов плазмы порядка 1012 см"3 и энергия ионов 1 эВ. Чтобы получить такие значения и в зависимости от разделяемых изотопов, были использованы два типа источника плазмы. Первый тип использовал термическое испарение вещества мишени, а второй - его атомное распыление.
Для нагрева электронов в обоих типах источника использовалось микроволновое излучение, частота которого подбиралась так, чтобы получить электронно-циклотронный резонанс (ЭЦР) в нагреве электронов. Нагретые электроны в свою очередь ионизировали атомы изотопов и создавали плазму. Для ЭЦР-нагрева электронов был использован гиротрон "Былина-8" (12 кВт , 37,5 ГГц) (Рис. 3.2), который был установлен для проведения исследований в сотрудничестве с Институтом атомной энергии им. И.В. Курчатова (Россия). Для эффективного и однородного нагрева плазмы в источнике излучение гиротрона передавалось к установке SUPER-ERIC системой зеркал (М1-М4), которые фильтровали излучение гиротрона и формировали луч, согласованный с пространственной модой волноводной линии. Другая система зеркал (М5-М6) позволяла получать однородное распределение электромагнитного поля и необходимую поляризацию в зоне ЭЦР. Прежде чем проводить согласование гиротрона "Былина-8" с параметрами установки SUPER-ERIC, все его рабочие характеристики были тщательно изучены. Полученные результаты использовались при создании передающей линии СВЧ-излучения гиротрона к установке SUPER-ERIC.
Теоретические аспекты
Аналитические методы определения изотопного содержания исследуемых образцов является важной составляющей многих передовых технологий современной ядерной промышленности. Проведение такого анализа должно увязываться со схемой технологического процесса и давать возможность проводить измерения и обеспечивать непрерывный контроль на всех этапах процесса. Метод время-пролетной масс-спектрометрии в сочетании с лазерной абляцией имеет целый ряд достоинств при определении низких концентраций изотопов и, в частности, может быть использован для анализа образцов с низким содержанием U. Однако этот метод имеет некоторые ограничения при прямом использовании ионов лазерной плазмы, образующейся в процессе лазерной абляции. Эти ограничения связаны с такими факторами, как высокая энергетическая и пространственная дисперсия ионов плазмы, влияние пространственной плотности зарядов и некоторыми другими параметрами лазерной плазмы, которые достаточно трудно контролировать. Для устранения этих ограничений было предложено немало довольно сложных схем проведения анализа изотопного содержания образцов. В частности, одна из них основывалась на использовании время-пролетного масс-спектрометра с рефлектроном и с импульсной экстракцией ионов лазерной плазмы. Но этот метод, будучи сложным в реализации и недостаточно надежным, не нашел промышленного применения и только ограниченно используется с некоторыми модификациями в лабораторных исследованиях. Требования ядерной промышленности и особенно технологического цикла получения и переработки ядерного топлива ставят задачу разработки простого и надежного метода проведения изотопного анализа без какой-либо предварительной подготовки исследуемого образца. Нами было предложено технологически простое решение проблемы измерения малых концентраций изотопов, которое основано на использовании линейного время-пролетного масс-спектрометра и коммерческих неодимовых ИАГ-лазеров (Nd:YAG) для получения ионов с помощью изотопической неселективной фотоионизации атомов урана, полученных лазерной абляцией. В этом методе принципиально важное значение имеет правильный выбор размера зоны фотоионизации, который задается диаметром лазерного луча и апертурой масс-спектрометра. При использовании лазерного излучения с длительностью в несколько наносекунд и сфокусированного в пятно диаметром менее 1 мм можно существенно уменьшить пространственное и энергетическое распределение фотоионов. В этом случае для экстракции и ускорения фотоионов можно использовать простой линейный время-пролетный масс-спектрометр с постоянными электрическими полями.
Получение необходимой точности измерений, которая определяется количеством зарегистрированных детектором фотоионов, можно обеспечить как увеличением частоты следования лазерных импульсов (что дает возможность проводить измерение, аккумулируя сигнал от многих импульсов), так и насыщением фотоионизации, которая в данном методе должна быть неселективной. В ходе экспериментальных и теоретических исследований метода изучались его рабочие характеристики и, в частности, разрешение по массам, влияние первичных ионов лазерной плазмы, насыщение фотоионизации и др.
Экспериментальная установка, используемая в данных исследованиях, состояла из источника атомов урана, лазера для фотоионизации и линейного масс-спектрометра (Рис. 4.1.). Пучок атомов получали либо термическим испарением образцов металлического урана в тигле, либо лазерной абляцией (ЛА). В экспериментах с термическим испарением тигель радиационно нагревался до 2000К с помощью жаростойкой нити накала. В этом случае применялись образцы обогащенного урана с приблизительно одинаковой концентрацией изотопов U и U. В экспериментах с ЛА использовался уран с природной концентрацией изотопов. Для ЛА урана применяли вторую гармонику излучения импульсного Nd-YAG-лазера с длительностью импульса 10 не. Лазерный луч фокусировался перпендикулярно поверхности образца в пятно диаметром 500 мкм с помощью линзы, установленной вне вакуумной камеры. Плотность энергии лазерного излучения на поверхности мишени составляла \ Дж/см2. Чтобы сузить энергетическое и пространственное распределение атомов урана в зоне фотоионизации (поперечное доплеровское уширение пучка атомов составляло 100 МГц), этот поток атомов коллимировался диафрагмой (диаметр 2 мм).
Атомы урана фотоионизировались третьей гармоникой (355 нм) Nd-YAG-лазера с параметрами: частота следования импульсов - 10 Гц, длительность лазерного импульса (полная ширина по полувысоте) - 4 не, спектральная ширина излучения - 1,6 см" . В работе использовался разработанный нами линейный время-пролетный масс-спектрометр, гдє фотоионы вытягивались постоянным электрическим полем Еэкст Затем, прежде чем попасть в зону свободного пролета длиной 50 см, они ускорялись приложением еще одного постоянного электрического поля Е уск . Фотоионы детектировались двухступенчатым микроканальным детектором. Сигнал с детектора усиливался быстрым электрическим усилителем и затем усреднялся либо по 30, либо по 300 импульсам (3 или 30 секунд) с помощью цифрового осциллографа.
Чтобы получить широкий диапазон значений плотности энергии лазерного излучения в зоне фотоионизации, в экспериментах использовали лазерные пучки с различной степенью фокусировки. Измерения проводились как с фокусированным линзой лучом лазера (линзы с фокусным расстоянием f = 300 мм и f = 400 мм), так и с нефокусированным (ТЕМ00 мода). Пространственные формы лазерного .луча в зоне фотоионизации измерялись ОМА-камерой с объективом с увеличение 16х. Расстояние между мишенью и зоной фотоионизации составляло 75 мм. Лазерные импульсы для ЛА и фотоионизации запускались и синхронизировались импульсным генератором с частотой повторения 10 Гц и регулированной задержкой t3 между ними. Регистрация и компьютерная обработка результатов осуществлялась программным обеспечением OPTIMAS.
Теоретическая модель фотоионизации атомов урана
Оптические методы анализа состава веществ, имея ряд несомненных достоинств (позволяя, в частности, проводить непрерывный текущий анализ без существенных изменений схемы технологических процессов), находят широкое применение во многих современных отраслях промышленности. Метод оптической спектроскопии плазмы, полученной при лазерной абляции (метод ЛА-ОСП), особо востребован атомной индустрией, т.к. позволяет проводить дистанционные измерения элементного состава радиоактивных образцов. Принцип метода ЛА-ОСП схематично представлен на Рис. 5.1.
В процессе взаимодействия лазерного излучения с веществом происходит его нагревание и последующее испарение (процесс лазерной абляции - ЛА). При достаточно высокой плотности энергии лазерного импульса испаряемое вещество образует плазму, спектральный анализ которой позволяет определить как состав, так и процентное содержание элементов исследуемого образца.
Рабочие характеристики ЛА-ОСП метода определяются величиной регистрируемого аналитического сигнала (число фотонов, детектируемых от выбранной спектральной линии), стабильностью и воспроизводимостью аналитического сигнала, степенью атомизации испаряемого вещества в плазме и т.д. Высокое пространственное разрешение является одной из важнейших характеристик ЛА-ОСП метода, что позволяет использовать его для проведения микроанализа веществ и элементной картографии поверхностей. Пространственное разрешение и эффективность вклада энергии в поверхность ограничены тепловой диффузией, взаимодействием лазерной плазмы с поверхностью, поглощением, рассеянием и рефракцией лазерного излучения в лазерной плазме и рядом других факторов. Чтобы отсечь сильный непрерывный фон излучения плазмы, который присутствует в начальные моменты ее расширения с поверхности образца, регистрация спектра производится с некоторой задержкой.
Для выбора оптимальных условий проведения анализа методом ЛА-ОСП необходимо установить роль и природу сложной комбинации различных быстро меняющихся во времени физических процессов, сопровождающих ЛА. Несмотря на то, что основные механизмы ЛА уже достаточно хорошо и многосторонне изучены, тем не менее и на сегодняшний день нет ни одной теоретической модели, которая бы дала адекватное количественное описание процесса ЛА в целом. Сложность проведения сравнительного анализа экспериментальных результатов, полученных в разных лабораториях, связана с тем, что параметры взаимодействия излучения с поверхностью и физико-химические свойства используемых образцов не одинаковы. В наших экспериментах для сравнительного анализа влияния параметров взаимодействия и мишени на свойства ЛА была предпринята попытка менять только один параметр взаимодействия, чтобы понять его непосредственное влияние на процесс ЛА. Исследовалось влияние таких параметров, как тип вещества мишени, длина волны и длительность излучения, газовый состав окружающей среды и т. д. Изучение влияния длительности лазерного импульса представляло особый интерес, т.к. в наших работах использовались фемтосекупдные (фс) лазерные импульсы, которые позволяют исключить негативное воздействие лазерной плазмы на процесс взаимодействия излучения с поверхностью образца, а также значительно расширить область применения метода ЛА-ОСП. Используя фемтосекундную ЛА, возможно проведение микроанализа не только сильнопоглощающих образцов (металлов и их сплавов), но и оптически прозрачных сред (стекол и кристаллов).
При исследованиях ЛА (порогов абляции, формы кратеров, параметров плазмы и т.д.) использовались различные методы, такие как оптическая и электронная микроскопия, скоростная регистрация формы плазменного факела, оптическая спектроскопия с временным разрешением, измерения температуры и плотности частиц плазмы.
Лазерное излучение фокусируется оптической линзой на образец, который закреплен на юстировочном узле, позволяющем перемещать его в трех направлениях (х, у, z) с точностью 1 мкм. Для получения гауссового распределения интенсивности использовалась пространственная фильтрация излучения лазера с помощью двух фокусирующих линз и диафрагмы. Электромеханический затвор (ирисовая диафрагма) позволял работать как в режиме одиночных импульсов, так и с частотой импульсов 20 Гц (частота следования импульсов фс лазера). ОМА-камера с объективом от оптического микроскопа позволяла регистрировать форму лазерной плазмы с 3 мкм пространственным и 4 не временным разрешением. Полученные изображения плазмы обрабатывались компьютерной программой OPTIMAS. Для спектральных измерений плазмы использовался оптический спектрометр THR-1000 (Jobin-Yvon) с фокусным расстоянием 1000 мм и решетками 1200 мм " или 1800 мм " . Спектр регистрировался ОМА-камерой, представляющей собой матрицу фотодиодов с двумя ступенями микроканальных электронных усилителей. Система синхронизации позволяла использовать желаемую задержку начала измерения и время регистрации спектра с точностью 1 не. Обработка спектров проводилась с помощью компьютера. Измерения формы кратеров проводились на интерференционном оптическом микроскопе MicroXam (интерференция в «белом» свете). Продольное и поперечное разрешения этих измерений составляли 4 нм и 1 мкм соответственно. Комьютерная программа MAPVUE позволяла представить результаты измерений в виде сечения и объема кратера, его диаметра и глубины, трехмерного изображения и т.д. Измерения, сделанные с электронным микроскопом, позволяли получать изображения с поперечным разрешением 10 нм.
Особое внимание уделялось контролю и измерению параметров лазерного излучения - поперечному распределению интенсивности излучения, временной форме импульсов, поляризации, энергии и ее стабильности от импульса к импульсу. Специальные меры предпринимались для снижения и контроля уровня пикосекундной подложки (пьедестала) фс импульсов, который в наших измерениях не превышал 20% от общей энергии импульсов фс лазера.
Излучение лазеров фокусировалось на мишени в пятна диаметром »10 мкм, что требовало соответствующим образом подбирать фокусные расстояния линз при использовании различных длин волн. Распределение интенсивности в фокальном пятне измерялось прибором SPIRICON и было близким к гауссовому.
Во всех экспериментах использовался один и тот же набор мишеней, что позволяло проследить в чистом виде влияние параметров как мишени, так и лазерного излучения (длительности импульсов, длины волны) на ЛА. Большинство измерений проводилось в воздухе при нормальном давлении. При использовании инертных газов (Аг, Не, Кг,..) применялась струя этого газа в направлении зоны взаимодействия.
Измерения микрократеров показали, что их форма зависит от целого ряда факторов, в частности, от энергии импульса, исследуемого образца, окружающей среды, длины волны, и, особенно, от длительности импульса излучения. Принципиальная разница в форме кратеров, полученных с использованием не и фс импульсов, проиллюстрирована на Рис.5.3. Выброс расплавленного вещества и образование короны вокруг кратера было характерной чертой наносекундной ЛА в отличие от фемтосекундной, когда образование короны не наблюдалось. В общем случае форма кратеров отличалась от поперечного распределения интенсивности лазерного излучения. Увеличение поперечного размера кратеров изучалось в [5.1, 5.3, 5.5, 5.8, 5.11]. При энергиях импульса, незначительно превышающих величину порога ЛА, диаметр кратера был меньше диаметра лазерного луча.
