Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Радиолюминесценция кристалла Y3AI5Oi2:Nd3+ и лазерных фосфатных стекол при возбуждении а-частицами и осколками деления
Глава 2. Радиолюминесценция конденсированных лазерных сред при гомогенном возбуждении продуктами ядерных реакций
Глава 3. Спектрально-люминесцентные и генерационные свойства жидких урансодержащих лазерных сред при оптическом возбуждении
Глава 4. Радиолюминесценция ионов редкоземельных элементов в уранилсодержащих неорганических жидкостях при гомогенном возбуждении а-частицами изотопов урана
Глава 5. Оптические и лазерные свойства жидких сред при импульсном облучении на реакторе БАРС-6
Заключение 240
Список литературы 247
- Радиолюминесценция кристалла Y3AI5Oi2:Nd3+ и лазерных фосфатных стекол при возбуждении а-частицами и осколками деления
- Радиолюминесценция конденсированных лазерных сред при гомогенном возбуждении продуктами ядерных реакций
- Спектрально-люминесцентные и генерационные свойства жидких урансодержащих лазерных сред при оптическом возбуждении
- Радиолюминесценция ионов редкоземельных элементов в уранилсодержащих неорганических жидкостях при гомогенном возбуждении а-частицами изотопов урана
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Развитие новых лазерных технологий и их промышленное освоение требуют разнообразных и достаточно дешёвых источников лазерного излучения. В перспективе одними из таких источников могут стать лазеры и усилители с ядерной накачкой, в которых энергия деления атомных ядер прямо преобразуется в энергию лазерного излучения [1-3]. Сегодня уже известны более тридцати различных газовых сред, на которых получена генерация при накачке осколками деления [4,5], и показана принципиальная возможность преобразования энергии цепной реакции деления в лазерное излучение [6]. Однако параметры газовых лазеров с прямой ядерной накачкой (низкая эффективность накачки, невысокие удельные мощности лазерного излучения, большие габариты и т.д.) пока не могут в полной мере удовлетворить физиков.
Наряду с газовыми средами в лазерах широко используются конденсированные (твердотельные и жидкие) среды. Эти активные среды имеют большие времена жизни верхних лазерных уровней и высокие концентрации активных ионов, что позволяет получить большую мощность лазерного излучения. Для лазеров с ядерной накачкой конденсированные среды представляют особый интерес. В них можно гомогенно распределить делящееся вещество, что позволит на порядок увеличить эффективность ядерной накачки за счет полного использования энергии осколков деления при их торможении в конденсированной лазерной среде. Создание урансодержащей жидкой лазерной среды позволит осуществить прокачку лазерной жидкости и тем самым решить проблему отвода избыточного тепла, которая особенно актуальна в условиях ядерной накачки.
Несмотря на эти преимущества, исследования, связанные с поиском кон денсированных активных сред и созданию на этих средах лазеров с ядерной накачкой значительно отстают от развития работ по созданию газовых лазеров с ядерной накачкой. Данное обстоятельство можно объяснить, во-первых, же сткими требованиями, предъявляемыми к конденсированной среде, которая должна содержать в своём составе делящееся вещество (например, уран-235) и при этом сохранять свои лазерные свойства. Во-вторых, явно недостаточной экспериментальной информацией о свойствах конденсированных лазерных сред при возбуждении тяжёлыми заряженными частицами. И, наконец, слож ностью физических процессов, происходящих при преобразовании кинетиче ской энергии тяжёлых заряженных частиц в оптическое излучение в конденси рованных средах.
К началу исследований, представленных в диссертации, были известны щ всего несколько работ, в которых изучали радиолюминесцентные свойства жидких лазерных сред и которые носили противоречивый характер. Так, в работе [7] были исследованы в условиях реакторного облучения растворы хела-тов европия, содержащие уран-235, и получено, что эффективность преобразования кинетической энергии осколков деления в излучение иона Еи3+ составляет 4 %. Однако, в работе [8] при исследовании аналогичных растворов в условиях реакторного облучения была получена эффективность световыхода всего 0.01 %. В работах [9,10] изучали радиолюминесцентные свойства хела-тов европия при возбуждении растворов интенсивным импульсным пучком электронов с энергией 0.9 МэВ. Максимальный энергетический КПД преобразования энергии электронов в энергию возбуждения ионов европия составил 12 %, что вполне удовлетворительно согласовывалось с данными работы [7]. В тоже время, в этих работах было отмечено, что органические растворители, к # которым относятся хелаты, являются фото и радиационно нестойкими среда ми и изменяют свои характеристики в процессе импульса накачки.
В конце 60-х и 70-е годы были созданы низкопороговые мощные лазеры на апротонных неорганических жидкостях, активированные неодимом, [11,13], и практически сразу в печати появились предложения по накачке этих лазерных жидкостей осколками деления ядер урана-235 [14]. Информация о первых экспериментах по исследованию радиолюминесценции апротонных неорганических жидкостей на основе оксихлорида фосфора в условиях реакторного облучения приведена в работах [8,15]. В этих работах было получено, что эффективность световыхода растворов, соактивированных Еи3+ и ураном-235, составила 0.08 % [8], а растворов соактивированных Nd3+ и ураном-235 - 0.1 % [15]. Таким образом, из работы [8] следует, что эффективность световыхода растворов европия в оксихлориде фосфора в 4-8 раз выше, чем хелатов европия. Поэтому, несмотря на низкие значения эффективности световыхода, полученные в работах [8,14] представляло несомненный интерес продолжить исследования радиолюминесцентных и оптических свойств апротонных неорганических жидкостей при их возбуждения тяжелыми заряженными частицами.
В начале 70-х годов появилось сообщение о радиолюминесцентных свойствах кристалла Y3Al50i2:Nd3+ [12] при накачке электронами с энергией Ее < 1 МэВ. В этой работе было измерено время жизни, спектры радиолюминесценции Nd3+, эффективность накачки, квантовый выход фотонов радиолюминесценции и впервые зарегистрировано индуцированное излучение иона Nd3+ в условиях накачки ионизирующим излучением.
Кроме того, большое количество исследований, выполненных в области сцинтилляционных методов регистрации ионизирующего излучения, показали, что радиационная стойкость неорганических сцинтилляционных материалов намного выше, чем органических. Лидирующее положение по радиационной стойкости занимают кислородосодержащие сцинтилляторы [16]. Поскольку известные лазерные среды на основе кристалла Y3AI5O12, а также фосфатные стёкла и лазерные неорганические жидкости по своему составу можно отнести к кислородосодержащим материалам, то следует ожидать достаточно высокую радиационную стойкость этих материалов, что особенно актуально для ядерной накачки, и именно эти среды были выбраны для исследований на начальном этапе представленной работы.
Таким образом, потребности в создании лазеров и усилителей с прямой ядерной накачкой на конденсированных средах и недостаточная экспериментальная информация о процессах преобразования кинетической энергии тяжёлых заряженных частиц в свет в неорганических лазерных средах стимулировали исследования, представленные в настоящей работе.
Цель диссертационной работы состояла в разработке методик и проведении исследований, направленных на получение экспериментальной информации об оптических свойствах конденсированных лазерных сред при их возбуждении продуктами ядерных реакций, на изучение фундаментальных физических процессов, происходящих при преобразовании энергии тяжёлых заряженных частиц, в том числе осколков деления, в оптическое излучение, создание урансодержащей лазерной среды и построение моделей лазеров и усилителей с ядерной накачкой с учётом полученных экспериментальных данных.
Научная новизна работы определяется следующими результатами: разработаны и реализованы методы измерения параметров конденсированных лазерных материалов, необходимых для диагностики и оценки их перспективности в качестве активных сред оптических квантовых усилителей и лазеров с прямой ядерной накачкой; впервые получены данные по ширине и положению линии радиолюминесценции перехода 4F3/2 -» 41ц/2> а также времени жизни верхнего лазерного уровня 4F3/2 иона Nd3+ в лазерных фосфатных стёклах, в лазерном кристалле иттрий-алюминиевого граната и в лазерных неорганических жидкостях разного состава при их возбуждении тяжелыми заряженными частицами; впервые получены количественные данные об эффективности накачки верхних лазерных уровней трехвалентных ионов редкоземельных элементов в лазерных средах разного состава при возбуждении тяжёлыми заряженными час- кф тицами; показано, что эффективность накачки зависит как от матрицы, так и от иона редкоземельного элемента; исследованы спектрально-люминесцентные свойства новых урансодержащих лазерных жидкостей, активированных неодимом; обнаружено и изучено явление фотовосстановления уранила и его влияние на оптические свойства лазерных неорганических жидкостей разного состава; впервые в растворах POCl3-SnCl4-U022+-P333+ обнаружены гетерокомплексы, содержащие в своём составе ион уранила (U02 ) и активный ион редкоземельного элемента (РЗЭ +); изучена кинетика их образования и определены константы скорости комплексообразования; - впервые при оптической накачке получена генерация на урансодержащих ап- ротонных жидкостях POCl3-SnCl4-U022+-Nd3+ и POCl3-SnCl4-235U022+-Nd3+; - впервые получены данные по радиационно-химическому выходу возбуждён- 0 ных ионов редкоземельных элементов при гомогенном возбуждении сс- частицами изотопов урана в апротонных растворах разного состава; - впервые измерены эффективность накачки и время жизни верхнего лазерного уровня 4F3/2 иона неодима при возбуждении лазерной жидкости POCl3-SnCl4-
ЛІС ^i ^i "JU02 -NcT осколками деления в условиях высокоинтенсивного облучения на импульсном реакторе; - впервые измерено дополнительное ослабление света с X = 1.052 мкм, наве- ^ 235 2+ денное осколками деления в неорганической жидкости POCl3-SnCI4- U02 в условиях высокоинтенсивного облучения нейтронами импульсного реактора; - впервые получены данные по усилению света с X = 1.052 мкм жидкой средой POCl3-SnCl4- U02 -Nd , возбужденной осколками деления в условиях вы сокоинтенсивного облучения нейтронами импульсного реактора; - построена модель твердотельного лазера с ядерной накачкой; * - построены модели жидкостного лазера и усилителя с ядерной накачкой.
0 Научная и практическая ценность работы заключается в следующем - разработаны и реализованы экспериментальные методы исследования и ди агностики конденсированных лазерных сред для прямой ядерной накачки, ко торые позволяют отбирать перспективные среды для последующих технологи ческих разработок по введению в них делящегося вещества и до постановки сложных и дорогостоящих генерационных экспериментов на импульсном ре акторе оценивать энергетические характеристики лазера с прямой ядерной на- * качкой на отобранной среде; - разработанные экспериментальные и расчетно-теоретические методики ис следований и диагностики конденсированных сред могут быть использованы как для изучения процессов и механизмов преобразования энергии тяжелых заряженных частиц в энергию возбуждения активного иона, так и для создания новых материалов для лазеров с ядерной накачкой, сцинтилляционных детек-
Ф торов ядерного излучения и конверторов, преобразующих энергию продуктов ядерных реакций в оптическое излучение; при непосредственном участии автора создана технология синтеза и получен патент на новый урансодержащий жидкостной лазерный материал на основе оксихлорида фосфора, которой по своим параметрам пригоден для использования в качестве активной среды лазера и усилителя с ядерной накачкой; разработанные модели усилителя и лазера с ядерной накачкой на конденси-рованнои среде позволяют проводить предварительные расчеты оптимальных условий постановки усилительных и лазерных экспериментов на импульсном реакторе, рассчитывать коэффициент усиления, пороговые и энергетические характеристики лазера с учетом свойств конкретной урансодержащей лазерной среды, импульса накачки и параметров резонатора.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:щ Методические разработки: - методы измерений временных распределений, распределений по длинам волн, абсолютного выхода фотонов радиолюминесценции и эффективности накачки
Л лазерных кристаллов и стёкол при их гетерогенном возбуждении а-частицами и осколками деления; методы измерений временных распределений, распределений по длинам волн абсолютного выхода фотонов радиолюминесценции и эффективности накачки конденсированных лазерных сред при их гомогенном возбуждении продуктами ядерных реакций в условиях облучении нейтронами с энергией 14 Мэв; метод измерения эффективности накачки и радиационно-химического выхода возбуждённых ионов редкоземельных элементов в жидких лазерно-активных средах, содержащих уран-235, при их гомогенном возбуждении а-частицами; методы исследования оптических свойств конденсированных лазерно-активных сред при их облучении на импульсном реакторе БАРС-б. метод определения концентрации люминесцирующих гетероядерных ком-плексов UO2 -РЗЭ в растворах. # Результаты измерения спектров радиолюминесценции, коэффициентов ветв- ления, формы и ширины линии излучения с X = 1.052 мкм, времени жизни и эффективности накачки уровня 4F3/2 иона неодима в кристалле Y3Al50i2:Nd3+ при возбуждении а-частицами и осколками деления.
Результаты измерения эффективности накачки верхнего лазерного уровня 4F3/2 иона Nd3+ в апротонных неорганических жидкостях разного состава при возбуждении продуктами ядерных реакций.
Эффекты сенсибилизации и образования гетероядерных комплексов UO2 -
РЗЭ в растворах на основе оксихлорида фосфора.
Экспериментальные и расчетные данные по силам осцилляторов, вероятно-стям переходов и матричным элементам излучательных переходов иона Ьи в растворах POCl3-SnCl4 и D20.
Результаты измерения генерационных свойств лазеров на апротонных неорганических жидкостях, соактивированных ураном и неодимом, при оптиче-ской накачке. Эффект влияния возбужденного уранила (UO2 ) на мощность ф лазерного излучения иона Nd в апротонных неорганических жидкостях POCl3-SnCl4-U022+-Nd3+ и S02Cl2-GaCl3-U022+-Nd3+.
Экспериментальные данные по радиационно-химическим выходам возбужденных 3-х валентных ионов редкоземельных элементов в растворах на основе оксихлорида фосфора, содержащих уран-235.
Результаты измерения наведенного осколками деления дополнительного по-
235 2+ глощения света в неорганической жидкости POCl3-SnCl4- U02
Результаты измерения усиления света с длиной волны 1.052 мкм лазерной
235 2+ 3+ жидкостью POCl3-SnCl4- U02 "Nd при возбуждении осколками деления.
Личный вклад автора. Все методические разработки и экспериментальные исследования проводились в подавляющем большинстве по инициативе, под руководством и при непосредственном участии автора, которая возглавляет научно-исследовательскую группу по конденсированным средам ла-зеров с ядерной накачкой с момента её образования (1987 г) и по настоящее время. Все результаты, выносимые на защиту, получены либо при непосредственном участии автора, либо лично автором. Анализ всего экспериментального материала, представленного в диссертации, был выполнен лично автором.
Апробация работы. Материалы, представленные в диссертации, опуб ликованы в работах [17-87], 19 из которых опубликованы в виде статей в ре- л ферируемых журналах, рекомендованных ВАК. Представленные материалы докладывались на международной конференции по лазерам «LASER"90» (США, 1990), на совещаниях по химии комплексных соединений XVII (Минск, 1990) и XVIII (Москва, 1996); на X Всесоюзном совещании «Физические методы в координационной химии» (Кишинев, 1990), на международных конференциях по физике ядерно-возбуждаемой плазмы и проблеме лазеров с ядерной накачке «ЛЯН'92» (Обнинск, 1992), «ЛЯІ-Г94» (Арзамас-16, 1994) и ЛЯН'02 (Снежинск, 2002), на XXI и XXII Съезде по спектроскопии (Звенигород, 1995 и 2001), на европейских конференциях по применению ускорителей в научных исследованиях ECAART-3 (Франция, 1993) и ECAART-6 (Германия, 1999), на симпозиумах по проблемам современной химии (Туапсе, 1995, 2000, 2001 и 2002 гг), на XVI Менделеевском съезде по химии (Санкт-Петербург, 1998), на 9-ой международной конференции по нетрадиционным энергетическим системам ICENES'98 (Израиль, 1998), на 1-ой международной конференции по инерциальному термоядерному синтезу IFSA'99 (Франция, 1999), на 5-ой международной конференции по возбужденным состояниям переходных элементов ESTE'01 (Польша, 2001); на 1-ой Всероссийской конференции по прикладной химии высоких энергий (Москва, 2001), на 1-ой международной конференции по применению лазеров в исследованиях LAP'02 (Бельгия, 2002). Результаты исследований регулярно докладывались и обсуждались на научных семинарах в ГНЦ РФ ФЭИ, на семинарах в институте кристаллографии и в С.-П. РГПУ им. Герцена.
Радиолюминесценция кристалла Y3AI5Oi2:Nd3+ и лазерных фосфатных стекол при возбуждении а-частицами и осколками деления
Лазерные кристаллы Y3Al50i2:Nd3+ при облучении рентгеновским излучением или электронами с энергией несколько килоэлектронвольт эффективно возбуждаются [12, 89-93]. При этом ионы неодима люминесцируют не только в традиционной ИК области спектра, но и в видимом диапазоне длин волн. Люминесценция в видимом диапазоне связана, в основном, с излучательными переходами Nd3+ с высоко лежащего метастабильного уровня F25/2 [90]. При оптической накачке возбуждение ионов активатора производится светом с длиной волны, соответствующей f — f переходам Nd3+. При этом все процессы возбуждения и релаксации локализованы в оптических центрах и протекают без участия кристалла-матрицы. В случае возбуждения высокоэнергетическим излучением энергия поглощается всей кристаллической матрицей, а затем происходит передача энергии возбуждения от матрицы к иону активатора. В работе [12] были измерены энергетический выход (конверсионная эффективность Г) и квантовый выход люминесценции Nd при возбуждении кристалла Y3Al5Oi2:Nd3+ электронами с энергией 90 кэВ. Более того, авторами этой работы было получено индуцированное излучение Nd3+ на длинах волн 400.7 и 1063.7 нм при импульсном возбуждении электронами. Величина конверсионной эффективности кристалла Y3A150 :Nd составила в видимом диапазоне длин волн 6.5+1.5 % и в РЖ области - 4±1 %. Большая величина г и получение эффекта индуцированного излучения указывают на наличие достаточно эффективного переноса энергии возбуждения от кристаллической матрицы к иону активатора. В связи с вышесказанным, представляло несомненный научный интерес исследовать спектрально-люминесцентные свойства кристалла Y3Al50i2:Nd3+ при возбуждении тяжёлыми заряженными частицами такими как ос-частицы и осколки деления. При торможении тяжёлой заряженной частицы в твёрдотельной матрице возникает трек, ось которого совпадает с траекторией движения частицы [94]. По радиусу трек неоднороден. У него есть центральная часть (сердцевина трека), где выделяется около 70% всей энергии заряженной частицы, и внешняя часть. По сравнению с электронами тяжёлые заряженные частицы имеют очень высокие удельные потери энергии, которые сопровождаются более высокой плотностью ионизации вещества в треке частицы, что может отразиться на его спектрально-люминесцентных характеристиках. Прежде всего, можно ожидать уменьшения времени жизни возбуждённых состояний 2F25/2 и 4їїз/2 иона неодима, а также уширения линии люминесценции излучательных переходов. Вышеперечисленные причины могут приводить к снижению выхода фотонов радиолюминесценции Nd , к ухудшению лазерных свойств материала и к снижению эффективности накачки верхнего лазерного уровня тяжёлыми заряженными частицами по сравнению с эффективностью накачки электронами. Для получения количественных данных об этих процессах необходимо было разработать методику абсолютных измерений выхода фотонов радиолюминесценции. В этой главе диссертации описаны методы измерения временных распределений и распределений по длинам волн фотонов радиолюминесценции, а также абсолютного выхода фотонов радиолюминесценции при возбуждении твердотельных сред тяжёлыми заряженными частицами от внешнего источника (гетерогенная накачка). С использованием этих методов были получены новые данные о свойствах лазерного кристалла YjAbO Nd и ряда лазерных фосфатных стёкол при их возбуждении а-частицами и осколками деления.
В экспериментах по измерению распределений Р(Л,) источниками ионизирующего излучения были тонкие (спектрометрические в ядерном смысле) слои Ри и Cf, нанесённые на металлическую подложку. В экспериментах по измерению временных распределений Q(t) в качестве источников ионизирующего излучения использовали тонкий слой 252Cf на плёнке из окиси алюминия, прозрачной для осколков деления.
Блок-схема эксперимента по измерению распределений Р(Л,) приведена на рис. 1.1. Образец / в виде плоскопараллельной полированной пластины помещали на расстоянии 0.1 мм от поверхности радиоактивного слоя 2, и вся сборка располагалась непосредственно перед входной щелью светосильного монохроматора МДР-23, 3 . Выходная щель монохроматора просматривалась одноэлектронным фотоумножителем ФЭУ-62, 4, с охлаждаемым фотокатодом. Охлаждение фотокатода позволило снизить уровень темновых шумов при рабочих напряжениях на ФЭУ на несколько порядков, что в свою очередь резко повысило отношение сигнал-шум.
Радиолюминесценция конденсированных лазерных сред при гомогенном возбуждении продуктами ядерных реакций
Исследования радиолюминесцентных свойств неодимсодержащих лазерных кристаллов и фосфатных стёкол при гетерогенном возбуждении электронами, а-частицами и осколками деления показали, что конверсионная эффективность преобразования энергии ионизирующего излучения в свет достаточно высока и составляет от 0.1 до 6 % [12,23]. Из-за больших сечений взаимодействия перечисленных видов ионизирующего излучения с веществом возбуждение среды в этом случае происходит в поверхностных слоях вещества толщиной 10-100 мкм. В тоже время, для создания лазеров с прямой ядерной накачкой важны экспериментальные данные о процессах, происходящих при объёмном, гомогенном возбуждении конденсированных сред тяжёлыми заряженными частицами. Добавление делящегося вещества в матрицу лазерной среды сама по себе сложная задача и прежде, чем начать развивать технологию синтеза урансодержащей лазерной среды следует провести оценку её перспективности для ядерной накачки.
Объёмную гомогенную накачку конденсированных лазерных сред, не содержащих делящееся вещество, можно осуществить путём облучения вещества в потоке быстрых нейтронов, т.е. нейтронов, и, с энергиями превышающими порог ядерных реакций на атомных ядрах А матрицы типа: А(п,Ь)В, где b - заряженная частица, В - ядро отдачи. Сечения взаимодействия нейтронов с атомными ядрами зависят от энергии нейтронов и изотопного состава среды. Так, нейтроны с энергией 14 МэВ взаимодействуют с ядрами практически всех изотопов [109]. Сечения таких взаимодействий составляют от нескольких единиц до нескольких сотен милибарн, а кинетическая энергия заряженных частиц, возникающих в результате ядерных реакций, составляет, как правило, несколько мегаэлектронвольт и полностью поглощается средой. Оценки показы-вают, что при плотности потока 10 нейтронов/(см -с) с энергией 14 Мэв скорость удельного энерговыделения частиц в лазерных стёклах и кристаллах составит 1012 эВ/ см3-с. Такая величина энерговыделения вполне достаточна для изучения распределений фотонов радиолюминесценции образцов при условии, что эффективность преобразования энергии заряженных частиц в энергию люминесценции будет сравнима с конверсионной эффективностью кристалла Y3Al50i2:Nd и неодимовых стёкол при их гетерогенном возбуждении а-частицами и осколками деления (см. Глава 1, Табл. 1.5).
Развитие методов гомогенного возбуждения среды продуктами ядерных реакций в потоках быстрых нейтронов представляет особый интерес для исследования жидкофазных лазерно-активных сред. Имеется в виду, прежде всего, лазерные жидкости на основе неорганических апротонных растворителей [ПО]. Апротонные лазерные жидкости синтезируют и заливают в кварцевые спектрометрические или лазерные кюветы. Кюветы либо заваривают, либо герметично уплотняют. Облучение кювет с жидкостями в потоках быстрых нейтронов позволит гомогенно возбуждать лазерные среды продуктами ядерных реакций - тяжёлыми заряженными частицами и ядрами отдачи. Исследование явления радиолюминесценции известных лазерных жидкостей важно для получение информации о процессах преобразования энергии продуктов ядерных реакций в свет и о конверсионной эффективности этих сред. Эта информация с одной стороны даст сведения о механизме возбуждения верхнего лазерного уровня иона-активатора, а с другой стороны позволит оценить перспек тивность той или иной среды для жидкостных лазеров с ядерной накачкой и выработать рекомендации для какой именно неорганической жидкости проводить разработку технологии изготовления урансодержащей среды с аналогичными спектрально-люминесцентными и лазерными параметрами. Результативность направленного поиска жидких лазерных сред для ядерной накачки будет зависеть от объёма экспериментальной информации, позволяющего расшифровать связь между внутренними свойствами среды и теми параметрами, кото-рые определяют рабочие характеристики лазера с ядерной накачкой. Поэтому развитие методик по изучению радиолюминесценции используемых в квантовой электронике конденсированных лазерных сред при их гомогенном возбуждении тяжёлыми заряженными частицами и количественные измерения эффективности преобразования кинетической энергии частиц в энергию возбуждения активатора является актуальным как с научной, так и с практической точки зрения.
Метод гомогенного возбуждения конденсированных лазерно-активных сред продуктами ядерных реакций был развит с использованием каскадного нейтронного генератора КГ-03 ГНЦ РФ ФЭИ в качестве источника быстрых нейтронов. Апробация метода была выполнена на лазерном кристалле Y3Al50I2:Nd3+.
Спектрально-люминесцентные и генерационные свойства жидких урансодержащих лазерных сред при оптическом возбуждении
Первые опыты приготовления лазерно-активных растворов, соактивиро-ванных ураном и неодимом, показали, что не все лазерные среды сохраняют свои оптические свойства (см. Глава 2, раздел 2.4). Действительно, лазерные свойства материалов очень чувствительны к составу матрицы и различным добавкам [101,105,110]. Исследование традиционными методами влияния соединений урана на спектрально-люминесцентные и лазерные свойства неорганических жидкостей, активированных редкоземельными элементами, может дать ответы на ряд вопросов фундаментального и технологического характера и помочь в разработке основ технологии приготовления новых жидких сред для лазеров и оптических квантовых усилителей с ядерной накачкой. Более того, спектроскопические способы определения лазерных параметров среды позволят получить данные об излучательном времени жизни ц верхнего лазерного уровня относительно нижнего лазерного уровня и сечения вынужденного излучения, которые необходимы для подпороговой диагностики лазерных сред для лазеров с ядерной накачкой.
Как отмечалось выше, активная среда лазера с ядерной накачкой должна содержать как активный ион, так и делящиеся элементы. Наиболее дешёвым и доступным является изотоп 235U. Известны четыре степени валентности иона урана. Ионы 3-х и 4-х валентного урана имеют интенсивные полосы поглощения в УФ, видимой и ближней ИК области, которые перекрываются как с полосами поглощения, так и с областью люминесценции большинства трёхвалентных ионов редкоземельных элементов (РЗЭ3+), и не пригодны в качестве добавки в лазерные материалы. Ионы 5-ти валентного урана неустойчивы и переходят либо в 4-х, либо в 6-ти валентное состояние. Наиболее подходящим в качестве добавки в активный лазерный материал является 6-ти валентный уран в виде молекулярного иона иОг2+. Этот ион имеет полосы поглощения в УФ об-ласти спектра и прозрачен в видимом и ближнем ИК диапазоне. Ион UO2 интересовал исследователей уже давно, и этот интерес был связан с поиском сенсибилизатора РЗЭ3+ в лазерных матрицах таких, например, как лазерные стёк у і
ла, активированные Nd [123-125], цезиевые уранил-фосфатные стёкла, акти-вированные Eu , [126] и кристаллы СзДл иС РгОуЬ, активированные Ей [126,127]. Сенсибилизированная UO2 люминесценция РЗЭ в этих средах была установлена, однако использовать это явления для увеличения выхода лазерного излучения не удалось. Оказалось, что при накачке светом лазерного стекла, соактивированного UO2 и Nd , возбуждённый уранил начинает играть роль пассивного затвора, и лазер из режима свободной генерации переходит в моноимпульсный режим работы с регулируемой добротностью [123]. Действительно, более поздние исследования свойств возбуждённого уранила показали, что сечение поглощения света с метастабильного уровня 1Юг2+ примерно на порядок выше, чем из основного состояния [129,130].
Перенос энергии возбуждения и взаимодействие уранила со многими РЗЭ3+ в различных неорганических растворителях были подробно изучены в конце 60-х и 70-ые годы. К основным можно отнести работы Дж. Л. Кроппа и С.П.Теннера по изучению взаимодействия уранила с РЗЭ3+ в водных растворах [131,132], цикл работ сотрудников ИОНХ и ИРЭ в полифосфорных кислотах [133-135]. Во всех случаях выяснилось, что сенсибилизация сопровождается увеличением тушения, ограничивающего достижимую населённость метаста-бильных уровней РЗЭ и уранила, что препятствует получению лазерной генерации в этих жидкостях.
До конца 80-х годов оставались неясными возможности и пути создания в жидкостях на основе апротонных растворителей двухцентровых активных систем, необходимых для сенсибилизации активных ионов [110]. Обусловлено это тем, что активные центры являются сольватированными «островными» структурами, слабо взаимодействующими как между собой, так и с растворителем [114,136,137]. Благодаря этой особенности удалось достичь высокого квантового выхода люминесценции активного иона (более 90%) и, практически, полного отсутствия концентрационного тушения в лазерных растворах на основе оксихлоридов. В тоже время эта особенность должна препятствовать обмену энергией между одноцентровыми сенсибилизаторами и активаторами и, в результате, препятствовать увеличению эффективность накачки активных ионов, за счет переноса энергии от какого-либо иного иона-сенсибилизатора.
Настоящая глава посвящена исследованию спектральных, люминесцентно-кинетических и лазерных свойств новых уранилсодержащих неорганических растворов, активированных РЗЭ , при оптическом возбуждении среды.
Бинарные апротонные растворители имеют собственную полосу поглощения в ультрафиолетовой области, причём край поглощения меняется от 340 до 450 нм в зависимости от состава растворителя. В видимом и ближнем РПС диапазоне апротонные растворители, как правило, прозрачны, и не имеют собственных полос поглощения.
Радиолюминесценция ионов редкоземельных элементов в уранилсодержащих неорганических жидкостях при гомогенном возбуждении а-частицами изотопов урана
Редкоземельные элементы давно используются как активаторы радиолюминесценции в сцинтилляционных детекторах ионизирующего излучения, в рентгено- и катодолюминофорах [16,164,165]. Однако радиолюминесценция неорганических растворов этих активаторов мало изучена. Полный обзор опубликованных до 1985 года работ по радиолюминесценции водных растворов ТЬ и ряда других РЗЭ можно найти в книге Казакова В.П. и Шарипова Г.Л. [117]. До настоящего времени нет единой точки зрения на механизм возбуждения водных растворов РЗЭ3+ ионизирующим излучением, несмотря на то, что среди неорганических жидкостей водные растворы наиболее изучены [117,166]. Очень интересные экспериментальные данные по выходам возбуждённых ионов были получены при рентгеновском возбуждении водных раствор РЗЭ [117]. Авторы этой работы условно разделили редкоземельные элементы на три группы: первая - Sm3+, Eu3+, Tb3+, вторая - Gd3+, Dy3+, и третья - Се3+, Рг . Радиационно-химический выход G возбуждённых ионов первой группы высокой Gi « G(Tb 3+). Вторая группа характеризуется средними значениями выхода возбужденных ионов 0.1G(Tb 3+) G2 0.5G(Tb 3+). Для третьей группы G3 0.05G(Tb ). К сожалению, причины этих различий в величинах радиаци-онно-химических выходов ещё не установлены.
В более поздней работе [167] изучали радиолюминесценцию трехвалент-ных РЗЭ (Eu, Tb, Dy и Sm) под действием сс-излучения кюрия-244 в водных растворах. Авторами работы [167] было установлено, что при концентрации РЗЭ + 0.01 моль/л Eu +, Tb3+, Dy3+ и Sm3+ имеют радиационно-химические вы 169
ходы G возбужденных ионов (0.47±0.05 10 2, (0.45±0.08 10 2, (0.23±0.08 10"2 и (0.19±0.08)-10"2возб. ион/100 эВ, соответственно. Полученные в [167] данные коррелируют с результатами работы [117]. Как на одну из причин различий G возбуждённых РЗЭ3+ в водных растворах указывают на возможное различие квантовых выходов при фото- и радиолюминесценции, так как при радиолизе в растворе могут возникать продукты, являющиеся тушителями возбуждённых состояний ионов редкоземельных элементов. Здесь следует заметить, что наши исследования процессов затухания радиолюминесценции РЗЭ3+ в тяжёлой воде и апротонных неорганических жидкостях показали, что люминесцентное время жизни EuJ , TV , SmJT и NcT не зависит от способа возбуждения и совпадает с данными по фотолюминесценции (см. Глава 2 раздел 2.3).
Измерение выхода возбуждённых ионов РЗЭ3+ в апротонных неорганических жидкостях при их гомогенном возбуждении а-частицами представляет как научный, так и практический интерес. С одной стороны, исследование различных РЗЭ3+ в одном и том же растворителе может дополнить имеющиеся данные и получить новую информацию о механизме преобразования энергии тяжёлых заряженных частиц в энергию возбуждения. С другой стороны радиационно-химический выход возбуждённых ионов в лазерных средах есть не что иное, как инверсная заселённость верхнего лазерного уровня, и знание этого параметра необходимо для оценки эффективности накачки и подпороговой диагностики среды.
Квантовый выход люминесценции есть отношение числа фотонов люминесценции к числу возбужденных ионов, а квантовый выход радиолюминесценции - количество фотонов радиолюминесценции, излученных веществом при поглощении 100 эВ энергии ионизирующих частиц. При одинаковых т и xri квантовый выход радиолюминесценции r\ri связан с квантовым выходом фотолюминесценции тп через константу G.
Таким образом, измеряя квантовые выходы фотонов радиолюминесцен-ции и зная квантовый выход фотолюминесценции РЗЭ в данной среде, получают информацию о радиационно-химических выходах возбужденных ионов редкоземельных элементов в уранилсодержащих растворах при их гомогенном облучении а-частицами, возникающими в результате радиоактивного распада изотопов урана. Основные результаты, изложенные в этой главе опубликованы в работах [38,51,53,66,67,68,75,78,79,84,87].
Одной из важных проблем при количественных измерениях квантовых выходов фотонов радиолюминесценции и выходов возбуждённых состояний РЗЭ3+ в уранилсодержащих растворах является корректное определение скорости удельного энерговыделения а-частиц, соа, которая зависит от а-активности использованного урана. В настоящей работе а-активность урана была определена несколькими способами: по измерению изотопного состава урана и по измерению а-активности мишеней, приготовленных из растворов урана с известной концентрацией.
Изотопный состав использованного в работе оксида урана был измерен экспериментально на "Уран-плутониевом инспекторе" с особо чистым германиевым датчиком "Canberra" и идентификацией по у-спектрам. В работе использовали уран следующего изотопного состава: [234U] = 0.838±0.088, [235U] = 95.382±3.636 и [238U] = 3.780±3.636 %. В пересчете на концентрацию ядер 1019 см" выходы а-частиц составили 7.3x10 а/(см с) с энергией 4.75 МэВ по урану-234 и 2.9x10 а/(см с) с энергией 4.38 Мэв по урану-234.
