Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Для осуществления инерциального термоядерного синтеза, промышленного разделения изотопов и ряда других крупных проектов необходимы мощные, но, в то же время, и дешевые источники лазерного излучения. Такими источниками вполне могут стать импульсные лазеры с ядерной накачкой, в которых энергия деления атомных ядер преобразуется в энергию лазерного излучения. Сегодня уже известно около трех десятков различных газовых сред, на которых получена генерация при накачке продуктами ядерных реакций [1,2]. Однако параметры этих сред (небольшая эффективность накачки, малое время жизни верхнего рабочего уровня) пока не могут в полной мере удовлетворить требованиям, предъявляемым к активным средам будущих мощных лазеров с ядерной накачкой. С другой стороны известно, что кроме газовых сред в лазерах широко используются конденсированные среды. Эти активные среды имеют большие времена жизни верхних рабочих уровней и большие концентрации активных ионов, что позволяет получить большую мощность лазерного излучения. Для лазеров с ядерной накачкой жидкие 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 лазерной среде. Использование 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, развитие жидкостных лазеров с ядерной накачкой значительно отстает от развития лазеров на газовых смесях. В настоящее время разрабатываются два вида жидкостных лазеров, в которых используется преобразование кинетической энергии осколков деления ядер в лазерное излучение и которые отличаются по
способу накачки: лазеры с прямой ядерной накачкой и лазеры с ядерно-оптической накачкой. При прямой ядерной накачке лазерная среда возбуждается непосредственно осколками деления, при этом область накачки и область снятия инверсии совмещены. При ядерно-оптической накачке область ядерной накачки и область снятия инверсии разделены. Область ядерной накачки (конвертор) играет роль "ядерной лампы", которая преобразует энергию деления ядер в световую, а область снятия инверсии (активный элемент) - обычный лазерный элемент, накачиваемый этим светом. Ожидается, что кпд лазеров с прямой ядерной накачкой будет выше кпд лазеров с ядерно-оптической накачкой. Наиболее актуальной проблемой при разработке лазеров с прямой ядерной накачкой является создание эффективных лазерных урансодержащих сред, что невозможно сделать без понимания физических процессов, протекающих при преобразовании кинетической энергии осколков деления в возбуждение излучающих ионов редкоземельных элементов. В случае лазеров с ядерно-оптической накачкой главной проблемой является создание эффективного конвертора. Известно [3,4], что облучение твердотельных лазеров мощным реакторным импульсом приводит к существенному необратимому ухудшению их генерационных характеристик вплоть до полного прекращения работы лазеров на этих материалах. Однако, влияние мощного потока нейтронов и у-квантов реактора на работу жидкостного лазера не было изучено.
Целью работы является разработка методик и проведение исследований, направленных на получение экспериментальной информации, необходимой для изучения физических процессов, протекающих при прямом преобразовании энергии продуктов ядерных реакций в оптическое и лазерное излучение сред на основе оксихлорида фосфора.
Структурные этапы изложения диссертации.
Для изучения процессов, происходящих в среде при ядерной накачке, необходимо было провести работу по изложенному ниже плану. Во-первых необходимо было изучить оптические и лазерные свойства иона неодима в неорганических растворителях на основе РОСЬ-МС1п (М: Sn, Sb, Zr, Ті и Al). Затем, перейти к изучению радиолюминесцентных свойств иона неодима в урансодержащих растворах на основе оксихлорида фосфора. В этой части работы необходимо было выяснить наиболее перспективные неорганические растворители, в которых эффективность накачки иона неодима тяжелыми заряженными частицами выше. Далее нами была предпринята попытка получения лазерного излучения при ядерной накачке, которая не увенчалась успехом. Тогда встал вопрос о возможности работы обычного жидкостного лазера с оптической накачкой в нейтронном поле реактора БАРС-6, ответу на который посвящена одна из глав диссертации. Забегая вперед, отметим, что лазер оставался работоспособным, но происходило изменение режима его работы. В завершающей главе диссертации представлен метод, позволяющий исследовать соотношение населенностей лазерных уровней иона неодима в процессе ядерной накачки. Следует подчеркнуть, что проведенное комплексное исследование показывает возможность осуществления лазерной генерации иона неодима в неорганической жидкости POCI3-S11CI4- UO2 -Nd , а также перспективу использования лазерных сред на основе оксихлорида фосфора в качестве активных сред для лазера с ядерно-оптической накачкой.
Научная новизна.
Большинство результатов, представленных в диссертационной работе, получены впервые.
Разработан и реализован метод исследования радиационно-индуцированных изменений характеристик жидкостного лазера с оптической накачкой в нейтронном поле импульсного реактора БАРС-6. Показано, что в
сильных радиационных полях жидкостной лазер на неорганических жидкостях POCl3-SnCl4-Nd3+ и POCl3-SnCl4-235U022+-Nd3+ остается работоспособным.
Разработан и реализован метод исследования радиационно-индуцированных изменений населенности лазерных уровней иона неодима, позволяющий экспериментально изучать зависимости населенностеи от скорости энерговклада осколков деления, от концентрации неодима и от времени жизни верхнего лазерного уровня.
Впервые получены зависимости радиационно-химического выхода возбужденных ионов неодима в растворах РОС1з-МС1п- UO2 -Nd (М: Ті, Zr, Sn, Sb) от концентрации неодима. В растворах РОС1з-МС1п- UO2 -Nd (М: Sn, Sb) радиационно-химический выход возбужденных ионов Nd растет с ростом относительной концентрации кислоты Льюиса и достигает насыщения при соотношении концентраций [MCln]/[Nd ] больше 3. Такой характер зависимости указывает на внутрикомплексный перенос энергии возбуждения на центральный ион Nd в этих растворах.
Впервые при оптической накачке получена лазерная генерация на ионах неодима в новой урансодержащей среде на основе оксихлорида фосфора с пентахлоридом сурьмы.
Практическая значимость работы.
Разработанная и представленная методика исследования радиационно-
индуцированных изменений населенности лазерных уровней иона неодима
позволяет изучать различные конденсированные среды под влиянием
внешнего ионизирующего воздействия. С помощью данной методики
показано, что в средах
POCI3-S11CI4- U02z -NdJT наблюдается инверсия
населенностеи, которая указывает на возможность достижения ядерно-индуцированной лазерной генерации.
В работе показано, что конденсированные среды на основе оксихлорида фосфора обладают высокой радиационной стойкостью. Данное обстоятельство позволяет использовать жидкостные лазеры в сильных радиационных полях.
Полученные в диссертационной работе данные о вероятности спонтанного излучения, об излучательном времени жизни, о коэффициентах ветвления люминесценции и о сечении вынужденного излучения иона неодима в лазерных средах на основе оксихлорида фосфора могут быть использованы исследователями при моделировании протекающих в них физических процессов.
Высокое сечение вынужденного излучения иона неодима в среде РОСЬ-ВСЬ-Nd по сравнению с традиционно используемыми средами РОСЬ-SnCLpNd и POCl3-ZrCl4-Nd делает её перспективной для квантовой электроники.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
метод исследования радиационно-индуцированных изменений характеристик жидкостного лазера с оптической накачкой в нейтронном поле импульсного реактора БАРС-6;
метод исследования радиационно-индуцированных изменений населенности лазерных уровней иона неодима, позволяющий экспериментально изучать зависимости населенностей от скорости энерговклада осколков деления, от концентрации неодима и от времени жизни верхнего лазерного уровня;
экспериментальные и расчетные данные по силам осцилляторов, вероятностям переходов, сечениям вынужденного излучения иона неодима в неорганических растворителях РОС1з-МС1п (М: Sn, Sb, Zr, Ті, В, А1);
результаты измерения положения и ширины линии люминесценции иона неодима в РОСІз-ВСІз-Nd при возбуждении оптическим излучением и нейтронным потоком реактора БАРС-6;
экспериментальные данные по радиационно-химическому выходу возбужденного иона неодима в неорганических растворителях POCl3-MCln-235U022+-Nd3+ (М: Ті, Zr,Sn, Sb).
Личный вклад автора. Разработка методов и экспериментальные исследования, представленные в диссертации, проводились либо лично автором, либо при непосредственном участии автора. Автор принимал активное участие в обработке экспериментальной информации, обсуждениях и опубликовании результатов.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
использованием современных средств регистрации и методов обработки результатов;
совпадением значений физических величин, получаемых различными методами;
воспроизводимостью полученных результатов при повторении условий экспериментов.
Апробация работы.
Материалы, представленные в диссертации опубликованы в виде 3 статей, 9 препринтов ГНЦ РФ-ФЭИ, а также докладывались на XVI, XVII, XIX Симпозиумах «Современная химическая физика» (Туапсе, 2004, 2005, 2007), II Всероссийской конференции по прикладным аспектам химии высоких энергий (Москва, 2004), на XXIII Съезде по спектроскопии (Звенигород, 2005), на IV Международной конференции «Физика лазеров с ядерной накачкой и импульсные реакторы» (Обнинск, 2007). Результаты
исследований регулярно докладывались и обсуждались на научных семинарах в ГНЦ РФ-ФЭИ.
Структура и объем диссертации.
