Введение к работе
Актуальность проблемы. Актуальность темы исследований
определяется потребностью в разработке мощных непрерывных
кислородно-йодных лазеров (ХКИЛ), генерирующих на длине волны 1,315
мкм с высокой химической эффективностью и минимальными
весогабаритными характеристиками. Исходными химическими
реагентами ХКИЛ являются относительно недорогие перекись водорода,
гидроокись калия (натрия), хлор, йод. Продуктами химических реакций в
ХКИЛ являются нетоксичные калийная соль, кислород, а низко летучие
пары йода без труда утилизируются. В качестве конструкционных
материалов ХКИЛ можно использовать относительно недорогие
материалы, такие как, нержавеющая сталь, полиэтилен, широкий набор
коммерческих пластмасс. Излучение химического кислородно-йодного
іазера с длиной волны 1.315 мкм попадает в полосу прозрачности
ггмосферьі и имеет минимальные потери при распространении по
;текловолокну. Активная газовая среда ХКИЛ потенциально позволяет
юлучать излучение с низкой расходимостью. В комплексе эти факторы
юзволяют создать технологические лазерные комплексы с мощностью
іолее 10 Квт с высоким качеством излучения и возможностью его
іаспространения по стекловолокну на большие расстояния. Здесь особый
інтерес представляют автономные комплексы для применений в разборке
отработанных ядерных реакторов и для резки материалов в условиях
резвычайных ситуаций [1,2,3]. На уровне мощности более 10 Квт ХКИЛ
е имеет практически конкурентов в ближней ИК-области. ХКИЛ
пособен работать в частотно-импульсном режиме генерации с частотой
овторения импульсов от герц до гГц, для чего может использоваться
ютолитическая или электроразрядная наработка атомов йода [4],
юдуляция в магнитном поле усиления [5] или резонансных потерь [6],
инхронизация мод (43.85 КГц)[7], одновременная генерация на переходах
=3-»F=4, F=2->F=2 (13.59 ГГц) [8]. Применение нелинейных элементов
позволяет произвести преобразование излучения 1,315 мкм в мощное излучение в видимой области [9]. Обсуждается возможность создания лазерного драйвера на основе импульсного ХКИЛ [10]. Первые установки ХКИЛ работали на основе барботажного генератора Ог^Д), давление кислорода на выходе которого не превышало нескольких мм рт.ст.. На основе генераторов 02('Д) с таким выходным давлением невозможно реализовать эффективные и компактные кислородно-йодные лазеры высокой мощности. Решение проблемы создания генераторов синглетного кислорода высокого давления (более 20 мм рт.ст) позволит решить ряд важных задач стоящих на пути создания мощных и эффективных ХКИЛ. Во-первых, для достижения высокой химической эффективности и компактности установки необходима сверхзвуковая прокачка активной среды через резонатор. Это позволит увеличить потенциально извлекаемую в излучение энергию, запасенную в 02('Д), и коэффициент усиления. В этих условиях открываются более широкие перспективы для применения специальных схем оптических резонаторов для получения излучения с минимальной расходимостью. Во-вторых, для некоторых применений требуется получить максимально высокое полное давление активной среды в резонаторе. В связи с этим, важным представляется использование в качестве разбавителя активной среды дешевого азота как для увеличения давления, так и для компенсации тепловых эффектов. В-третьих, необходимо поднять плотность С>2('Д) в зоне резонатора, что позволит увеличить удельную мощность лазера на единицу площади газового потока (или энергию импульса на единицу объёма резонатора) и минимизировать весо- габаритные характеристики ХКИЛ. Решения этих задач особенно важно для автономных мобильных ХКИЛ. В-четвертых, необходимо получить высокую химическую эффективность лазера без ловушки паров воды, что существенно повышает экономичность и эксплуатационные характеристики ХКИЛ. Использование генераторов 02( Д) высокого давления позволяет реализовать новые схемы смешения
йодосодержащих соединений с Ог( Д) п ХКИЛ как непрерывного, так и импульсного действия. Таким образом, ХКИЛ основе источников 02('Д) высокого давления являются наиболее перспективными для технологических применений.
Цель работы. Основной задачей, решаемой в диссертации, являлись создание и исследование источника Ог('Д) высокого давления, исследование и оптимизация дозвукового и сверхзвукового кислородно-йодного лазеров на основе ГСК высокого давления. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследование физико-химических закономерностей образования
Ог( Д) в реакции хлорирования щелочного раствора перекиси водорода.
2. Анализ физико-химической кинетики струйного генератора
синглетного кислорода (СГСК) и выбор его оптимальной конструкции для
кислородно-йодного лазера.
3. Проведение экспериментальных испытаний СГСК, определение
физико-химических закономерностей его работы и поиск таких его
параметров, при которых достигаются выход 02('Д) более 60% и степень
утилизации хлора более 90%.
-
Экспериментальная реализация дозвукового химического кислородно-йодного лазера со струйным генератором синглетного кислорода высокого давления (до 100 мм рт.ст) без специальных ловушек паров воды и аэрозоля.
-
Исследование физико-химических закономерностей работы сверхзвукового кислородно-йодного лазера, его энергетических характеристик в зависимости от совокупности исходных параметров СГСК, газопроточной части и резонатора.
-
Исследование эффектов оптического насыщения усиления активной среды и кинетики преобразования запасенной энергии в излучение в кислородно-йодном лазере.
Научная новизна.
-
Предложен струйный генератор синглетного кислорода в качестве источника энергии кислородно-йодного лазера. Теоретически определены условия для достижения в нем высокого выхода 02('Д) и степени утилизации хлора. Теоретически выведены и экспериментально подтверждены критерии масштабирования СГСК по давлению и плотности потока хлора.
-
Экспериментально определены содержание 02('Д) и остаточный хлор на выходе СГСК в зависимости от его исходных параметров. Определены условия, при которых достигаются выход 02('Д) более 60% и утилизация хлора более 90%. Показано, что СГСК обладает гидродинамической устойчивостью вплоть до давлений 100 мм рт.ст. в активной зоне СГСК.
-
Создан непрерывный СГСК, генерирующий кислород в газовой фазе до 100 мм рт.ст при комнатной температуре с выходом электронно-возбужденного 02('Д) более 50%. При температурах, близких к комнатной, получена плотность энергии, запасенной в электронно-возбужденном состоянии молекул кислорода в газе до 258 дж/литр.
-
Показано, что константа скорости реакции Cl2+ HOj —> 02('Д) +Н++2СГ, которая является источником электронно-возбуждённого 02('Д) в ХКИЛ, близка к константе скорости диффузионно - контролируемой реакции и при температуре -10С равна 5-Ю8 литр/моль/с., а вероятность прилипания молекул хлора к поверхности раствора Н202+КОН+Н20 находится в пределах 0.03«ус<1. Наиболее сильное влияние на достижение высокого выхода 02('Д) и утилизации хлора оказывает выработка ионов НО J на поверхности раствора. Показано, что высокая скорость гидродинамического обновления поверхности раствора в СГСК обеспечивает высокую утилизацию хлора в нём вплоть до начальных давлений хлора 100 мм рт.ст..
5. Создана экспериментальная установка "генератор СЦ'Д) высокого
давления+химический кислородно-йодный лазер". Показано, что
эффективная работа ХКИЛ возможна без ловушки паров воды и
сепаратора капель. Достигнута удельная мощность лазера 8кВт на литр
реакционного объёма СГСК.
6. Предложена и реализована схема сверхзвукового ХКИЛ с
подмешиванием буферного газа к 02('А) после СГСК высокого давления,
что повысило надежность работы лазера и позволило использовать
буферные газы при температурах до 80К. Впервые показано, что при
подмешивании азота в качестве буферного газа можно получить
химическую эффективность сверхзвукового ХКИЛ более 20%.
7. Экспериментально определена область параметров
сверхзвукового ХКИЛ для достижения его высокой (более 20%)
химической эффективности. Показано, что подмешивание паров йода в
области трансзвукового или сверхзвукового течения потока, содержащего
02('Д), является оптимальным в случае работы ХКИЛ с разбавлением
кислорода азотом.
8. Исследованы эффекты оптического насыщения усиления в ХКИЛ.
Определено влияние каждого из таких процессов, как обмен энергией
нежду 02( А) и атомами йода, упругие столкновения атомов йода с
окружающими молекулами и перемешивание состояний сверхтонкой
лруктуры атомов йода на спектр генерации и интенсивность насыщения в
ЖИЛ.
Практическая ценность полученных результатов.
1. Разработанный струйный генератор синглетного кислорода
іьісокого давления существенно расширил перспективы создания
ющных и экономичных ХКИЛ.
2. Развита и экспериментально реализована методика
іасштабирования струйного генератора синглетного кислорода по
шотности потока хлора, позволяющая проектировать источники Ог('А)
для заданной мощности ХКИЛ.
3. Сверхзвуковой химический кислородно-йодный лазер высокой
эффективности можно создавать при разбавлении активной кислородно-
йодной среды азотом, вместо гелия, что значительно удешевляет лазерную
энергию.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Концепция и экспериментальная реализация генератора Cb('A)
высокого давления на основе противоточной инжекции струй щелочного
раствора перекиси водорода в поток хлора. Экспериментально
установленные зависимости выхода С^С'Д) и утилизации хлора в
струйных генераторах Ог( Д) от его исходных физико-химические
параметров. На выходе струйного генератора (^('Д) получен поток
кислорода при давлении 30+80 мм рт.ст с содержанием Ог('Д) более 60% и
остаточным хлором менее 10%.
2. Константа скорости реакции образования 02('Д) в реакции
CI2+HO2—> Ог('Д) +ГҐ +2СГ, которая является источником электронно-
возбужденного 02('Д) в ХКИЛ, в щелочном растворе перекиси водорода
близка к диффузионно- контролируемой реакции и при температуре -10С
равна (5+2)108 литр/моль/сек. Вероятность прилипания молекул хлора к
поверхности раствора Н2О2-Н2О-КОН находится в пределах 0.03«ус<1.
3. Установленные расчетным путем зависимости выхода С^'Д) и
степени утилизации хлора от исходных параметров СГСК. Предельно
возможная плотность потока хлора через СГСК, при которой достигаются
высокие выход Сь^А) и степень утилизации хлора, определяется тремя
критериями, которым должны удовлетворять исходные параметры СГСК.
Гидродинамическое обновление поверхности струй раствора в СГСК
обеспечивает в нём высокую степень утилизации хлора и возможность
работы СГСК при начальных давлениях хлора вплоть до 100 мм рт.ст.
Экспериментально реализована методика масштабирования СГСК по
плотности потока хлора через его поперечное сечение до 0.013 моль/см2/сек с высокими выходом Огі'А) и утилизацией хлора.
4. Выходные параметры СГСК (температура газа, содержание
аэрозоля, паров воды) находятся в пределах величин, достаточных для
создания кислородно-йодных лазеров с высокой химической
эффективностью без специальных устройств для удаления паров воды и
остаточного аэрозоля раствора. Генерация ХКИЛ с химической
эффективностью более 10% возможна без ловушки паров воды и
сепаратора капель с СГСК, работающим при давлении кислорода до 100
мм рт.ст.
5. Установленные зависимости выходной мощности сверхзвукового
ХКИЛ от исходных параметров его газопроточной части, параметров
СГСК высокого давления и резонатора. Существует область параметров
сверхзвукового ХКИЛ с подмешиванием к ОгС'Д) буферного газа азота
между СГСК и резонатором, в которой достигается химическая
эффективность более 20%. Подмешивание к кислороду азота при
температуре 80К увеличивает химическую эффективность ХКИЛ на 30%
по сравнению с азотом при комнатной температуре.
6. Подмешивание паров йода к газовому потоку, содержащему
Эг( Д) и буферный газ азот, в области его трансзвукового или
:верхзвукового течения обеспечивает наибольшую выходную мощность
:верхзвукового кислородно-йодного лазера.
7. Установленные зависимости интенсивности насыщения и
жорости преобразования запасенной энергии в лазерное излучение в
сислородно-йодном лазере от вероятностей элементарных процессов в
сислородно-йодной среде. Интенсивность насыщения усиления при
)Дномодовой генерации ХКИЛ определяется, главным образом, частотами
других столкновений атомов йода с окружающими молекулами и обмена
інергией между атомарным йодом и кислородом, а при многомодовой
енерации частотами обмена энергией между атомарным йодом и
кислородом и перемешивания состояний сверхтонкой структуры Рід.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 3 и 4 Всесоюзных совещаниях по лазерохимии (Звенигород, 1982, 1985), 19 Всесоюзном съезде по спектроскопии (Томск, 1983), 4 Всесоюзной конференции «Оптика Лазеров»(Ленинград, 1984), Workshop Iodine Lasers and Application (Прага, 1989, 1995), 2nd International Conference Laser M2P» (Гренобль, Франция, 1991), International Conference «Laser Advance Material Processing» (Нагаока, Япония, 1992), 10th International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers (Фридрихшафен, Германия, 1994), Photonics west (Сан-Хосе, США, 1996), научных семинарах ФИАН и Самарского филиала ФИАН.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 198 стр. включая 65 рисунков, 18 таблиц, список литературы с 223 наименованиями.
