Введение к работе
Актуальность работы. Одной из наиболее значимых проблем в области лазеров с ядерной накачкой (ЛЯН) представляется проблема поиска как перспективных лазерно-активных сред, так и более эффективных способов преобразования ядерной энергии в энергию оптического когерентного излучения. Широко используемые в настоящее время активные газовые лазерные среды до настоящего времени не позволили создать высокоэнергетичные ЛЯН [1-4]. Связано это, в основном, с тем, что при таком способе накачки активной среды лазера, лишь около десяти процентов энергии осколков деления попадают в активную среду. Ядерно-возбуждаемая плазма, содержащая мелкодисперсные частицы, представляется весьма перспективной в качестве активной лазерной среды для создания высоко-энергетичных конкурентноспособных ЛЯН, поскольку имеет ряд преимуществ относительно других лазерно-активных сред [5]:
Использование аэрозольных сред может позволить увеличить эффективность энерговклада осколков деления в среду на порядок.
Аэрозольные среды, вследствие распыления делящегося вещества по объему среды, позволят уменьшить ограничения на размеры лазерно-активных элементов (ЛАЭЛов) и на диапазоны применяемых давлений.
Равномерное распыление частиц по активной среде лазера уменьшит крупномасштабные оптические неоднородности, имеющие место в средах с гетерогенным способом накачки среды.
Есть и ряд ограничений, которые создают значительные трудности при использовании аэрозольных сред в качестве лазерно-активных сред для ЛЯН:
Процессы ослабления лазерного излучения пылевыми частицами, распыленными в активной среде лазера - серьезная проблема использования аэрозольных сред в качестве лазерно-активных сред для ЛЯН.
Пылевые частицы, попадая в плазму инертных газов, заряжаются. Вследствие большей подвижности электронов по сравнению с ионами, многозарядные кластеры приобретают отрицательный заряд. Соответственно, увеличивается взаимодействие с ионами среды. Эти процессы могут существенно повлиять на компонентный состав среды, что, в свою очередь, вполне способно отразиться на генерационных характеристиках.
Проблемы технологического характера и радиационной безопасности при работе с радиоактивными аэрозолями. Очень важный аспект. Во многом из-за этого рассматриваемый метод ядерно-оптического преобразования энергии до сих пор экспериментально практически не изучен.
Цели диссертационной работы: 1) Исследование влияния нанокластеров и микрочастиц на протекание кинетических процессов в гелиевой ядерно-возбуждаемой плазме при различных концентрациях и размерах добавленных в среду нанокластеров, в условиях, характерных для ядерной накачки удельных мощностей энерговклада.
Исследование влияния нанокластеров на протекание кинетических процессов в гелий-аргоновой ядерно-возбуждаемой плазме при различных концентрациях частиц в концепции применения данной среды в качестве лазерно-активной среды для ЛЯН.
Исследование гелий-аргоновой ядерно-возбуждаемой плазмы, содержащей на-нокластеры соединений урана, на возможность усиления лазерного излучения на длине волны 1,79 мкм.
Научная новизна:
Впервые разработана кинетическая модель гелиевой ядерно-возбуждаемой плазмы, содержащей нанокластеры и микрочастицы, с учетом дискретности процесса передачи заряда. С помощью разработанной модели методами математического моделирования исследовано влияние нанокластеров и микрочастиц на компонентный состав данной среды. Также изучены процессы зарядки пылевых частиц.
Впервые разработана кинетическая модель гелий-аргоновой ядерно-возбуждаемой плазмы, содержащей нанокластеры. С помощью разработанной модели методами математического моделирования исследовано влияние нанокластеров на компонентный состав данной среды, а также на генерационные характеристики гелий-аргоновой активной среды для лазерного излучения на переходе Ar(3d[\ 12\0) - Аг(4р[3 /2]12) на длине волны X = 1,79 мкм в условиях, характерных для ядерной накачки удельных мощностей энерговклада.
Впервые показана возможность усиления слабого сигнала лазерного излучения на длине волны X = 1,79 мкм в гелий-аргоновой ядерно-возбуждаемой плазме, содержащей нанокластеры соединений урана при больших (10 -10 см ) концентрациях нанокластеров.
На защиту выносятся:
Кинетическая модель гелиевой ядерно-возбуждаемой плазмы, содержащей нанокластеры и микрочастицы.
Результаты математического моделирования кинетических процессов в ядерно-возбуждаемой гелиевой плазме, а именно - результаты расчета компонентного состава гелиевой пылевой для частиц радиусами 10, 100 и 200 нм.
Кинетическая модель гелий-аргоновой ядерно-возбуждаемой плазмы, содержащей нанокластеры, при различных концентрациях частиц.
Результаты математического моделирования кинетических процессов в ядерно-возбуждаемой гелий-аргоновой плазме, а именно - результаты расчета компонентного состава гелий-аргоновой пылевой плазмы, содержащей нанокластеры радиусом 10 нм. А также расчет одной из основных генерационных характеристик данной среды - линейного коэффициента усиления слабого сигнала для лазерного излучения на переходе Ar(3d[\ / 2\ 0) - Ar(4 р[3 / 2\ 2) на длине волны X = 1,79 мкм.
Научная и практическая значимость. В работе разработаны кинетические модели гелиевой и гелий-аргоновой ядерно-возбуждаемой плазмы. Детальное изучение негативных факторов, которые имеют место в данных средах (речь идет, в первую очередь, о негативном влиянии нанокластеров на кинетику заселения лазерных уровней, а также о процессах ослабления лазерного излучения пылевыми частицами), в сравнении с их преимуществами дает объективную оценку в плане перспективы данной среды для дальнейшего ее использования в области лазерной энергетики. Добавление нанокластеров соединений урана именно в гелий-аргоновую среду позволяет существенно уменьшить процессы ослабления лазерного излучения на пылевых частицах, поскольку данная среда излучает в инфракрасном диапазоне, что в концепции применения аэрозольных сред является несомненным преимуществом по сравнению со средами, излучающими в диапазонах более коротких длин волн. Кроме того, в отличие от широко используемых ксено-новых сред, тоже генерирующих лазерное излучение в инфракрасном диапазоне, кинетика процессов, происходящих в гелий-аргоновой среде, исследована гораздо менее подробно, что, соответственно, представляет значительный научный интерес в плане ее более детального изучения.
Таким образом, исследование влияния нанокластеров на кинетику данных сред, а также на генерационные характеристики гелий-аргоновой среды для лазерного излучения на переходе Ar(3d[\/2]l0)- Ar(4p[3/2]l2) на длине волны Х=1,79мкм
показывает потенциальную возможность использования данной среды в качестве лазерно-активной среды в концепции применения аэрозольных сред в качестве активных сред для ЛЯН, и является начальным этапом практического освоения данного типа лазеров.
Достоверность результатов диссертации подтверждается физической обоснованностью постановки задачи, широкой апробацией использованных в работе данных по кинетическим моделям и методов расчета, а также хорошим соответствием результатов моделирования гелий-аргоновой среды с экспериментальными и расчетными данными, полученными другими авторами.
Личный вклад диссертанта. Идея работы принадлежит научному руководителю - А.П. Буднику. Им же была выполнена постановка задачи. Автор самостоятельно проводил сбор, систематизацию и анализ необходимых данных для построения кинетических моделей, построенных в настоящей работе. Содействие при поиске необходимой литературы оказали: А.П. Будник, В.П. Лунев и Е.Э. Кузнецова. При математическом моделировании использовался комплекс программ, созданный на основе [7-8]. Автором диссертации написаны программы для расчета необходимых параметров взаимодействия нанокластеров с заряженными компонентами плазмы для учета роста температуры. Автор диссертации самостоятельно проводил численные расчеты и необходимую обработку полученных данных. Анализ результатов проводился совместно с А.П. Будником.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на научных семинарах в ГНЦ РФ-ФЭИ, а также докладывались на 3 международных, 2 всероссийских конференциях, а также на 2 всероссийских школах-семинарах:
IV международная конференция «Физика лазеров с ядерной накачкой и импульсные реакторы» (ЛЯН-ИР-2007, г. Обнинск, Россия, сентябрь 2007 г.);
II Всероссийская школа-семинар «Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем» (АФМ-2008, г.Москва, Россия, декабрь 2008 г.);
XVII Всероссийская конференция «Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов и решение задач математической физики с приложением к многопроцессорным системам», посвященная памяти К.И. Бабенко (г. Новороссийск 15-21 сентября, 2008 г.);
XIII International conference on Physics of Non-ideal Plasmas (Chernogolovka, Russia, September 13-18, 2009);
VI International Conference Plasma physics and plasma technology. (Minsk, Belarus, September 28 - October 2, 2009);
Ill Всероссийская школа-семинар «Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем» (АФМ-2009, г.Москва, Россия, декабрь 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 1 статья из перечня Высшей аттестационной комиссии РФ. Список работ представлен в конце автореферата.
Структура и объём диссертационной работы: диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, включает 144 страницы машинописного текста, 36 рисунков, 7 таблиц, содержит библиографию из 119 наименований и Приложение.
