Химические генераторы синглетного кислорода высокого давления и кислородно-йодные лазеры на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

оо

СП

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

о_

ФЮИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ ИМ. П.Н.ЛЕБЕДЕВА САМАРСКИЙ ФИЛИАЛ

на правах рукописи УДК 621.373..8.038.82

ЗАГИДУЛЛИН МАРСЕЛЬ ВАКИФОВИЧ

ХИМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И КИСЛОРОДНО-ЙОДНЫЕ ЛАЗЕРЫ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 01.04.21-лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА-1997

Работа выполнена в Самарском филиале Физического института им. П.Н.Лебедева Российской Академии Наук

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Ораевский А.Н. доктор физико-математических наук Башкин А.Н. доктор физико-математических наук Напартович А.П.

Ведущая организация

Всесоюзный Научно- Исследовательский Институт Экспериментальной Физики (ВНИИЭФ), г.Саров, Нижегородской области

Защита диссертации состоится « »_1998 г. в

_час

_мин на заседании Специализированного Совета Д002.39.02 при

Физическом Институте им.П.Н.Лебедева Российской Академии Наук по адресу: 117924, г.Москва, Ленинский проспект, 53

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФИАН Автореферат разослан "_"_199 г.

Ученый секретарь

Специализированного Совета Д002.39.02 доктор физико-математических наук

А.П.Шотов

Общая характеристика работы 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 юзера с длиной волны 1.315 мкм попадает в полосу прозрачности ггмосферы 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 юлее 10 Квт с высоким качеством излучения и возможностью его >аспространения по стекловолокну на большие расстояния. Здесь особый [нтерес представляют автономные комплексы для применений в разборке ггработанных 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-»Р=4, Р=2->Р=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 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 02('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) в 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 ОгС'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 ОгС'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%.

4. 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.

5. Исследование физико-химических закономерностей работы сверхзвукового кислородно-йодного лазера, его энергетических характеристик в зависимости от совокупности исходных параметров СГСК, газопроточной части и резонатора.

6. Исследование эффектов оптического насыщения усиления активной среды и кинетики преобразования запасенной энергии в излучение в кислородно-йодном лазере.

Научная новнзна.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. Показано, что константа скорости реакции С12+ Н02 —» 02('Д) +Н++2СГ, которая является источником электронно-возбуждённого 02('Д) в ХКИЛ, близка к константе скорости диффузионно - контролируемой реакции и при температуре -10°С равна 5-108 литр/моль/с., а вероятность прилипания молекул хлора к поверхности раствора Н2О2+КОН+Н2О находится в пределах 0.03«ус<1. Наиболее сильное влияние на достижение высокого выхода 02('Д) и утилизации хлора оказывает выработка ионов НО^ 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 02('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('Д) после СГСК высокого давления, что повысило надежность работы лазера и позволило использовать буферные газы при температурах до 80°К. 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. Эпределено влияние каждого из таких процессов, как обмен энергией нежду 02('Д) и атомами йода, упругие столкновения атомов йода с окружающими молекулами и перемешивание состояний сверхтонкой ггруктуры атомов йода на спектр генерации и интенсивность насыщения в ОСИЛ.

Практическая ценность полученных результатов.

1. Разработанный струйный генератор синглетного кислорода (ысокого давления существенно расширил перспективы создания ющных и экономичных ХКИЛ.

2. Развита и экспериментально реализована методика 1асштабирования струйного генератора синглетного кислорода по глотности потока хлора, позволяющая проектировать источники 02('Д)

для заданной мощности ХКШ1.

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 ОзС'Д) высокого давления на основе противоточной инжекции струй щелочного раствора перекиси водорода в поток хлора. Экспериментально установленные зависимости выхода 02('Д) и утилизации хлора в струйных генераторах Ог('Д) от его исходных физико-химические параметров. На выходе струйного генератора 02('Д) получен поток кислорода при давлении 30+80 мм рт.ст с содержанием ОгС'Д) более 60% и остаточным хлором менее 10%.

2. Константа скорости реакции образования 02('Д) в реакции СЬ+НОг—> Ог('Д) +Н* +2СГ, которая является источником электронно-возбужденного 02('Д) в ХКИЛ, в щелочном растворе перекиси водорода близка к диффузионно- контролируемой реакции и при температуре -10°С 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 02('Д) и степени утилизации хлора от исходных параметров СГСК. Предельно возможная плотность потока хлора через СГСК, при которой достигаются высокие выход 02('Д) 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 СЬС'Д) 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 02('Д) буферного газа азота между СГСК и резонатором, в которой достигается химическая эффективность более 20%. Подмешивание к кислороду азота при температуре 80°К 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 шругих столкновений атомов йода с окружающими молекулами и обмена шергией между атомарным йодом и кислородом, а при многомодовой ■енерации частотами обмена энергией между атомарным йодом и

кислородом и перемешивания состояний сверхтонкой структуры 2Рi/2.

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 М2Р» (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.

По материалам диссертации опубликовано 20 работ в центральных научных журналах, Трудах ФИАН, трудах научных конференций.

Основное содержание работы В Главе 1 исследуется физико-химическая кинетика образования 02('Д) в реакции газообразного хлора с щелочным раствором перекиси водорода. Образование ОгС'Д) в ГСК происходит при последовательной серии физико-химических процессов вблизи поверхности раствора Н2О2-Н20-К0Н: абсорбция молекул хлора раствором Н202-Н20-К0Н, диффузией молекул хлора вглубь раствора, их реакцией с ионом Н02, образование 02('Д) в растворе, диффузия 02('Д) к поверхности раствора, десорбция 02('д) из раствора в газ. Работа ГСК происходит при температурах -10°С-ь30°С, при которой раствор относительно стабилен и давление насыщенных паров воды примерно 1 мм рт.ст. Физико-химические свойства Н202-Н20-К0Н раствора перекиси водорода при этих температурах (вязкость, диаграмма растворимости раствора Н2О2-

Н20-К0Н, равновесие электролитических реакций, давление насыщенных паров над раствором Н202-Н20-К0Н, скорость его спонтанного разложения) играют исключительно важную роль в работе ХКИЛ. Поэтому значительное место уделено литературному обзору физико-химических свойств раствора Н202-Н20-К0Н.

Анализ процессов массопереноса на границе раздела фаз газ-раствор показывает, что стационарные распределения концентраций хлора и кислорода в растворе устанавливаются за времена менее 10"6сек, которое значительно меньше, чем характерные времена протекания других процессов в ГСК. Это позволяет воспользоваться квазистационарным приближением при описании процессов абсорбции-десорбции и зыработки ионов НО^ в приповерхностном слое раствора. Скорость

п=УР.кдин 1

1бсорбции хлора поверхностью раствора равна Р и ■ , ,

с А.

-де Кд-константа скорости реакции С12 + НО2-^НООС^, приводящая в юнечном итоге к генерации 02('Д). Здесь Ос - коэффициент диффузии :лора в растворе, Ин- концентрация ионов НО^ вблизи поверхности 1аздела фаз газ-раствор, Нс- константа растворимости хлора в раствор,

._/УРсКдНн

и , где \'с- тепловая скорость молекул хлора, ус-"с( с*1 с

ероятность прилипания молекул хлора к раствору. Содержание 02('Д) в ыделяющимся из раствора кислороде равно У=

4 ПТ4"

1+-

V у И \\ т > гДе уо" тепловая скорость о I о11о V Л /

юлекул кислорода, у0- вероятность прилипания молекул кислорода к оверхности раствора, Н0- коэффициент диффузии и растворимость ислорода в растворе, фд, Тд-выход 02((Д) в реакции и время его жизни в астворе соответственно. Расчеты показывают, что при концентрации

V

щелочи в растворе более 0.1 моль/литр выход 02('Д) из раствора более 90%. В процессе абсорбции хлора раствором на его поверхности

концентрация но; уменьшается. Характерное время падения

нс *МНБН

концентрации Ни2 вблизи поверхности в 10 раз равно р ^—• При

концентрациях хлора Мс=3-10|8см'3 и начальной концентрации ионов в растворе N¡1= 4 моль/литр время, за которое уменьшится концентрация ионов в 10 раз, равно примерно Ю^с.

Для измерения важнейшей характеристики процесса образования

02(4) -константы скорости реакции С12+НС>2 -»НООС^ была разработана установка по исследованию кинетики абсорбции хлора одиночной ламинарной струей. Для измерения концентрации остаточного хлора на выходе реактора использовалась чувствительная абсорбционно-спектроскопическая методика. Подбирались такие условия эксперимента, при которых эффективность утилизации хлора не зависела от давления смеси С12:Не. В этих условиях измерялась концентрация хлора на выходе

проточного реактора в зависимости от концентрации ионов НО^ в растворе и времени пролета газа через реактор. По данным этих экспериментов была определена скорость абсорбции хлора поверхностью

раствора, которая оказалась равной (3(см/с)= 224^ см/с. Из значения величины скорости абсорбции было вычислено значение константы скорости реакции Кд=(5±2)-108М"'с'' при 1=-10°С и показано, что вероятность прилипания хлора к раствору находится в пределах 1>ус»0.03. Анализ температурной зависимости константы скорости реакции и её сравнение с расчетной показывают, что данное значение константы скорости реакции близко к значению для диффузионно-контролируемой реакции. Такие значения константы скорости реакции Кд и вероятности прилипания хлора к поверхности раствора создают благоприятную возможность для получения кислорода при давлении до

100 мм рт.ст. с высоким содержанием 02('Д).

Глава 2 посвящена разработке концепции и расчетной модели генератора (^('Л) высокого давления, основанного на иижекции высокоскоростных струй раствора Н2О2-Н2О-КОН в противоположно направленный поток хлора. Такая конфигурация СГСК одновременно удовлетворяет нескольким условиям, необходимых для генерации 02('Л) при высоком давлении и работы кислородно-йодного лазера без ловушки паров воды и сепаратора капель. Основные достоинства противоточного струйного генератора 02('Д) состоят в следующем:

-можно создать заданную удельную поверхность а контакта газ-раствор и скорость поглощения хлора из газа в раствор за счет изменения расстояния между струями и их диаметра

-возможность создания высокой скорости газа ие для уменьшения тушения ОгС'Д) при высоком давлении

-возможность поддерживать высокую концентрацию ионов Н02 на поверхности раствора за счет высокой скорости струй 11] и гидродинамического обновления поверхности струй ■эффективный теплообмен между струями и газом позволяет подавить гагрев газа, возникающий при тушении 02('Д)

противоточное движение газа и струй позволяет сделать парциальное явление паров воды на выходе СГСК близким к давлению насыщенных иров при начальной температуре раствора и не зависящим от давления

ЭК'Л)

противоточное движение газа и струй создает благоприятные условия для шнимального уноса капель раствора, образующихся при разрушении труй

геометрические размеры реакционной зоны СГСК можно так согласовать геометрическими размерами смесительного йодного блока и резонатора СКИЛ, что время доставки 02('Д) к ним будет минимальным.

Требования к выходным параметрам струйного ГСК высокого давления для получения качественной активной среды ХКИЛ следуют из кинетики активной среды ХКИЛ. Оказывается, что при относительном содержании паров воды <5%, остаточного хлора <20%, массовой доле аэрозоля раствора по отношению к кислороду на выходе ГСК 0а/0КИс <0.03 коэффициент усиления и время жизни запасенной энергии не сильно отличаются от значений для чисто кислородно-йодной активной среды.

Формирование поверхности раствора в струйном ГСК и гидродинамика течения струй в значительной мере определяются характером течения раствора в соплах и его газонасыщенностью, которая вызывается спонтанным разложением раствора. Для описания процесса гидродинамического (волны, газовыделение и т.д.) обновления химического состава поверхности струй используется феноменологическая модель обновления. Взаимодействие потока газа с противоположно направленным потоком струй и капель вызывает непрерывную генерацию возмущений в потоке газа и интенсифицирует в нём скорость массопереноса. Как показали дальнейшие эксперименты, турбулентная и молекулярная диффузия обеспечивают скорость массопереноса в газе для хлора существенно более высокую по сравнению со скоростью массоотдачи хлора в раствор до давлений 100 мм рт.ст.. Это обстоятельство позволяет применить для расчетов выходных параметров СГСК приближение одномерной модели, в которой скорость абсорбции хлора и наработки 02('д) определяются скоростью химической реакции. Основные потери 02('Д) в газе при высоком исходном давлении хлора обусловлены тушением в реакциях: 02(1Д)+02(1Д)->02(1Е)+02(31), к,=2x10-" см3/сек; 02('Д) +02('д)->02(3Е)+02(3Е), к2=1,7х10"17 см3/сек; 02('Д)+С12-> 02(3Х)+С12, кз=6хЮ"'8 см3/сек.

В задаче абсорбции хлора и наработки 02('Д) фигурирует только значение концентрации ионов Н02 вблизи поверхности, а выработка ионов НОТ происходит в тонком приповерхностном слое раствора (на

расстояния от поверхности примерно 10'7 см). Это обстоятельство позволяет свести уравнение в частных производных для распределения концентрации Н02 к интегральному уравнению для концентрации НО^ вблизи поверхности. Окончательные уравнения для концентрации 02('Л), С12, НО ^ вдоль длины взаимодействия газ-струи приводятся к безразмерному виду. Общий анализ этих уравнений приводит к следующим критериям эквивалентности струйных ГСК. Относительные концентрации 02('Д) и С12 на выходе СГСК будут одинаковыми при сохранении следующих безразмерных параметров:

П-относительный перепад давлений на длине взаимодействия струй с

(к,+2к2)Н3

хлором 224ол/>1 -отношение частоты вероятности тушения

02('Д) в газе к частоте вероятности абсорбции хлора, безразмерный параметр, характеризующий темп истощения ионов НО ¿"на поверхности раствора или эквивалентный параметр- длина выработки Н02 на

1 гси^нРн поверхности/н=^*2 = 411 И2(30 '

224Ьал/Ын" 224Ьобал/^

N у приведенная длина СГСК, /оС= у

приведенная длина обновления поверхности, где 1^а(моль/литр)-концентрация активного газа 02('Д)+С]2+02 на выходе СГСК, Мц(моль/литр) - начальная концентрация ионов но, в растворе, Цсм)-цлина взаимодействия струй с хлором, Ьоб(см)- расстояние вдоль струи, через которое происходит гидродинамическое обновление её поверхности, Он(см2/с) -коэффициент диффузии НО ^.

Можно говорить о трех предельных режимах работы СГСК в ¡ависимости от соотношения между параметрами /, /о5, /н: а) /об> 1, б) 1>

/н» /о6, в) /> /0б >/ц- Априори невозможно предсказать, какой режим реализуется при конкретных исходных параметрах СГСК. В режиме а) выход ОзС'А) более 60% и утилизация хлора более 90% будут достигаться при значениях />3, В <1, А/ц <1-5-1.5. В режиме б), когда истощение ионов

НО 2 на поверхности отсутствует, для достижения тех же значений выхода 02('Д) и утилизации хлора необходимо выполнение условий />3, А/<1-г1.5. Более сложное соотношение на параметры СГСК получается в случае сильного истощения поверхности ионами Н02 и нескольких обновлений поверхности на реакционной длине Ь(режим в)). В этом случае в первом приближении должны выполнятся условия 1^=1-1^1 ^>3, А/<1-М.5. Полученные соотношения являются базовыми для динамического масштабирования СГСК, т.е. процедуре увеличения плотности потока хлора через реакционную зону СГСК с сохранением выхода 02('Д) и утилизации хлора.

3 Глава посвящена экспериментальному исследованию СГСК. Исследовалась зависимость выхода 02('Д) и утилизации хлора от геометрических параметров СГСК, давления, скорости струй и газа, состава раствора. Испытывалось 6 моделей СГСК, различающихся диаметром сопел, сечением реакционной зоны, скоростью струй и газа, удельным расходом хлора. Часть СГСК были специально разработаны для дозвукового или сверхзвукового кислородно-йодного лазера. В целом было получено примерно 1000 экспериментальных точек на предмет выхода 02('Д) и утилизации С12. Полученные экспериментальные результаты в целом подтверждают выводы, следующие из одномерной модели СГСК. Диаметр сопел для генерации струй и их плотность (число на единицу площади) по отдельности не влияют на утилизацию хлора и выход 02('Д), последние зависят только от комбинации этих параметров с!Ы. Массопередача хлора в газе до давлений 100 мм рт.ст. и расстоянии между соплами менее 2 мм не сказывается на скорости абсорбции хлора.

Утилизация хлора возрастает с увеличением удельной поверхности контакта, увеличением скорости струй, ростом концентрации ПО2 в растворе, увеличением длины взаимодействия струй с газом. Выход 02('Д) растет с ростом удельной поверхности, концентрации ПО; и с увеличением скорости газа. На рис.1 представлены некоторые результаты испытаний СГСК, имеющего реакционную зону .20 мм в диаметре (диаметр сопел 0.3 мм, реакционная длина 10 см, скорость газа 10.5 м/с, скорость струй 7 м/с, концентрация щелочи 2М), на предмет относительных концентраций 02('Д) гц и С12 г)с на его выходе при начальном давлении раствора 1 атм.

1008060 40200

%

Д-02('Д) о-С12 темные N=140 светлые N=280

-А ж

100-1

80-

60-

40-

20-

%

■ У с&

о

г~

20

1

30

I

40

Д-Р=6, о-Р=17, С1-Р=30 мм рт.ст. светлые 02('Д) темные С12

□

и" ■

т*-

-т^-Ч

5 6

1 2 3

Давление в СГСК, мм рт.ст. Скорость струй 11], м/сек

ис.1. Выходные параметры СГСК-/ рис. 2 Выход 02('А) и

•уи изменении числа сопел N остаточного С12 при изменении

скорости струй в СГСК-I. На рис.2 представлены результаты испытаний СГСК при вариации :корости струй и начального давления хлора. Проведенные эксперименты иглядно демонстрируют эффект истощения поверхности раствора ионами при высоком давлении хлора. Измерения содержания паров воды юказали, что их концентрация на выходе СГСК не зависит от расхода лора и близка к концентрации насыщенных паров при начальной

▲

А

температуре раствора. Обобщая результаты испытаний СГСК с давлением раствора менее 1 атм можно сделать следующие выводы: утилизация хлора более 90% достигается при значениях безразмерных параметров />5, В <1.7 , выход ОгС'Д) более 60% наблюдается при выполнении

Цк,+2к2)Иа

дополнительного условия /А=---<0.53, которое более жестко,

8

чем следует из одномерной модели, что указывает на дополнительные каналы тушения ОгС'А) в реакционной зоне СГСК. Результаты испытаний СГСК с низким исходным давлением раствора заставили предположить, что если одновременно увеличить скорость газа до 20-г30м/с, скорость струй до 15-г20 м/с, поднять концентрацию щелочи в растворе до 6 М, то можно получить выходное давление кислорода до 100 мм рт.ст. с высокими содержанием О^'Д) и утилизацией хлора. Проведённые испытания подтвердили это предположение. В частности выходные параметры СГСК сверхвысокого давления, специально разработанного для дозвукового ХКИЛ, представлены в нижеследующей таблице.

Оказалось, что в этих условиях объяснить такую высокую степень утилизации хлора можно эффектом гидродинамического обновления поверхности раствора, т.е. эффектом макроскопического переноса ионов НО ^ из глубины раствора. Это обновление поверхности вызывается неустойчивостью течения струй и спонтанным разложением щелочного раствора перекиси водорода, которое вызывает кавитацию раствора в соплах. Сравнение расчетного содержания хлора на выходе СГСК и измеренного даёт оценку времени обновления поверхности раствора в этих условиях примерно 10'4 сек. Для данных типов СГСК были

Ра и6 Ц Пл 1с

мм рт.ст м/с м/с % %

30 27 14 70 6

60 27 14 70 12.5

75 27 14 62 16

79 27 14 60 12

98 27 14 55 24

48 41 21 57 13

68 41 21 49 25

75 41 21 45 28

проведены измерения содержания аэрозоля раствора и температуры газа на его выходе. Оказалось, что массовая доля аэрозоля раствора по отношению к кислороду не превышает 10"3, а температура газа не выше 315°К при давлении кислорода 80 мм рт.ст. Получение кислорода высокого давления с высоким содержанием 02('Д) перед зоной его смешения с молекулярным йодом можно обеспечить только при минимальном времени транспортировки кислорода от СГСК. Экспериментально показано, что тушение 02('Д) при транспортировке приводит к нагреву газа и зависимости режима течения газа в реакционной зоне СГСК от времени транспортировки 02('Д) до критического сечения. Для устойчивой работы СГСК необходимо устанавливать критическое сечение (зона звукового течения газа) как можно ближе к реакционной зоне, а точка подмешивания паров йода должна находится ниже по потоку от критического сечения.

Гидродинамическая устойчивость СГСК (отсутствие катастрофического выброса раствора в газовакуумиый тракт) имеет важное значение для его практических применений в кислородно-йодном лазере. Опытным путем обнаружено, что при диаметрах струй более 0.5 мм, удельной поверхности менее 7 см'1 и давлений 100 мм рт.ст. (при разбавлении хлора тяжелыми газами :1М2> Аг) СГСК устойчив при отношении скоростей Ц,/Ц<2. В случае разбавления хлора гелием отношение скоростей может быть увеличено.

Из соотношения теплового баланса по разнице температур раствора на входе и выходе СГСК была проведена абсолютная калориметрическая калибровка фотодетектора 02('д). Испытания СГСК при низких парциальных давлениях хлора в реакционной зоне позволили сделать вывод, что в процессе реакции хлора с раствором из последнего выделяется кислород с практически 100% содержанием 02('Д).

Глава 4 посвящена экспериментальному исследованию дозвукового ХКШ1 соединенного к СГСК высокого давления. Длина усиления

химического кислородно-йодного составляла 10 см, высота потока в резонаторе 10 мм. Для этого лазера были специально разработаны СГСК с минимальным временем транспортировки ОгС'Д) при высоком давлении. Отличительной особенностью комплекса является отсутствие ловушки паров воды и аэрозоля. Получена 12% химическая эффективность при давлении активного газа (CI2+O2) в СГСК 27 мм рт.ст. и начальным давлением раствора 1 атм. (Рис.3). При этом удельная мощность генерации составила 35 вт на см2 поперечной зоны СГСК.

150 л Вт ж 100 Вт

100 -

50 -

0

10

30

~I-1-1-1-г

15 20 25 Р, мм рт.ст.

Рис.3. Зависимость мощности лазера от давления в СГСК с поперечным сечением 30x15 мм2,

••••

I

20

—г-40

—I— 60

—1—1—I 80 100

Р, мм рт.ст.

Рис.4. Зависимость мощности ХКИЛ от давления активного газа в СГСК. Скорость газа 21 м/сек.

скоростью газа в СГСК иш= 21 м/с

Продемонстрирована также 10% химическая эффективность дозвукового ХКИЛ с СГСК имеющим поперечное сечение 1,13 см2 и работающим при давлении активного газа до 100 мм рт.ст.(Рис.4). В этом случае достигнута рекордная удельная мощность генерации 80 вт/см2 на поперечное сечение СГСК или 8 кВт/литр активного объёма СГСК при 10% химической эффективности. Основной вывод из результатов испытаний малогабаритного дозвукового кислородно-йодного лазера состоит в экспериментальном доказательстве возможности получения высокоэнергоёмкой активной среды кислородно-йодного лазера с

генератором 02('Д) высокого давления без ловушки паров воды и сепаратора капель. Достигнутая химическая эффективность 12% дозвукового ХКИЛ сравнима с химической эффективностью других дозвуковых ХКИЛ со сравнимой длиной усиления, но работающих с ГСК низкого давления и с вымораживанием паров воды из газового потока, выходящего из ГСК.

Глава 5 посвящена исследованию и оптимизации малогабаритного сверхзвукового ХКИЛ (5 см длина усиления) с числом Маха потока близким к 2 и расходом хлора через СГСК до 20 ммоль/с. Данный ХКИЛ может рассматриваться как элемент сопловой решетки крупномасштабной установки. Исследовались схемы подмешивания паров йода в области дозвукового, трансзвукового и сверхзвукового течения

кислородсодержащего газового потока. Экспериментальная установка дозвукового смешения включала в себя СГСК, камеру смешения 02('Д) с буферным газом азотом, смеситель паров йода с 02('Д), сверхзвуковое сопло. Для исследования работы СХКИЛ при различных степенях расширения газа и с разными числами Маха потока в резонаторе использовались два смесителя йода с проходным сечением для газового потока 6x46 мм2 и 10x46мм2 для моносопел с высотой горловины 5 мм (сопло-1) и 8 мм (сопло-2) соответственно. Профиль сопел рассчитывался методом характеристик с дальнейшим их разворотом на 4° для сопла-1 и 2° для сопла-2. Затем сопла переходили в канал, равномерно расширяющиеся под этими углами. Сечение газового потока на оптической оси резонатора для обоих сопел равнялось 17x50мм2 (длина усиления 50 мм). Конструкция установки позволяла изменять расстояние от смесителя паров йода до горловины сопла и расстояние от горловины сопла до оптической оси резонатора. Раствор ЬЪСЪ-КОГМ-ЬО приготавливался из 2,6 литров медицинской 34-^38% перекиси водорода и 1,6 литра 60% (раствор КОН находился при температуре 60°С) водного

раствора КОН (1,574 кг 85% КОН + 0,653 кг Н20). В качестве разбавителя кислорода использовался азот. Ширина газопроточной части установки от СГСК вплоть до резонатора составляла 50 мм. Размер зеркал по потоку составлял 30 мм. Зеркала с радиусом кривизны 5 м располагались на расстоянии 65 см друг от друга

Были определены оптимальные расходы буферного газа азота, молекулярного йода, расхода аргона через йодный смеситель, поперечного сечения горловины сопла (сопло-2), рабочего давления в СГСК при расходе хлора 10 ммоль/с (Рис.5). Показано, что приближение точки смешения к горловине сопла увеличивает выходную мощность лазера (Рис.6), что указывает на сильную дезактивацию 02('Д) в реакциях с участием молекулярного и атомарного йода. Таким образом, показано, что приближение точки смешения паров йода с кислородом к трансзвуковой области газового потока ведёт к росту мощности лазера. С другой стороны, выходная мощность лазера оказалась одинаковой при положениях горловины сопла относительно оптической оси 50мм и 80мм, что указывает на малость потерь 02('Д) в сверхзвуковой части потока. В оптимальном режиме при числе Маха потока 1,5 достигнута мощность 160 вт при комнатной температуре азота и мощность 210 вт при температуре азота 80°К (химическая эффективность 22%). Этот результат сравним с химической эффективностью, достигнутой на крупномасштабных установках и при разбавлении активной среды более дорогим гелием. Эксперименты показали, что при работе лазера с соплом, имеющим горловину 5x50 мм2, повышение температура раствора в СГСК с -20°С до -10°С понижает мощность на 30%, а при использовании сопла 8x50 мм2 только на 10%. Этот результат указывает на сильное влияние паров воды на дезактивацию 02('Д) в зоне смешения его с парами йода. Пропорциональное увеличение расходов всех газов в 2 раза, а йода в 1,5

200 150 -100 -50 0

Вт

150

100 -

50 -

—г-1-1-1-■-1

0 20 40 60

давление в СГСК, мм рт.ст

Рис.5

Вт

I 1 I

4 6 мм

Рис.6

10

раза привело к пропорциональному увеличению выходной мощности лазера. Максимально достигнутая мощность составила 350 Вт при расходе хлора через СГСК 19 ммоль/сек и при температуре подмешиваемого к кислороду азота 80К.

Перспективной схемой смешения паров йода с 02('Д) для крупномасштабных установок ХКИЛ является схема смешения сверхзвукового потока, содержащего СЬС'Д), со сверхзвуковым потоком, содержащим пары йода. Для исследования перспектив сверхзвукового смешения был разработан специальный смесительный блок в виде решетки Кэссади. Сопловой элемент решетки Кэссэди представлял собой коническое сопло с полууглом раскрыва 10°, диаметрами в критических сечениях и на выходе, равными 1.5 мм и 3 мм соответственно. 36 кислородных и 32 азотных сопла образовывали чередующиеся вертикальные ряды по 4 сопла в ряду. Площадь выходного сечения решетки составляла 12x51 мм2. Дозвуковые части кислородных сопл представляли собой конусы, аналогичные сверхзвуковым, с переходом в цилиндрический канал диаметром 2 мм. Область критического сечения представляла собой цилиндр диаметром 1.5 мм и длиной 1мм. При расходе хлора через СГСК « 10 ммоль/сек давление кислорода в

реакционной зоне СГСК и перед решеткой Кэссэди равнялось Ро*«20 мм.рт.ст. Все 4 азотных сопла одного вертикального ряда были соединены в дозвуковых частях щелыо шириной 2 мм и длиной 5 мм, выходящей в нижнюю и верхнюю полости для раздачи по соплам азота с примесью йода. После сопловой решётки поток поступал в щелевой канал 4, стенки которого составляли угол 2.35° с осью тракта. На расстоянии 115 мм от решётки располагалась оптическая ось резонатора. Эксперименты были проведены для соотношения расходов газов 02^2~1:1, 1:2 и 1:3 при расходе хлора 10 ммоль/с и пропускании зеркал Т 1=0,7%, Т2=0.17%. Обнаружено, что максимальная выходная 110 вт мощность слабо зависит от степени разбавления кислорода азотом. Однако с ростом расхода Ы2 максимум выходной мощности смещается в сторону больших расходов йода. Такую ситуацию можно объяснить динамикой диссоциации 12 на её начальном этапе, совпадающим с началом смешения компонент. Поскольку увеличение расхода азота приводит к росту его статического давления на выходе сопла по сравнению с давлением в кислородной струе, то в результате выравнивания их статических давлений поперечный размер азотной струи увеличивается за счёт кислородной, а парциальное давление йода при сохранении его расхода при этом уменьшается. Чтобы сохранить концентрацию йода и темп его диссоциации на границе струй неизменными на начальном этапе, необходимо расход йода увеличить. В экспериментах характерное жёлто-зелёное свечение перехода В—>Х молекулярного йода, сопровождающее процесс его диссоциации, появлялось на расстояниях > 4 см от решётки и простиралось на 10 или более сантиметров за резонатор. При этом практически всегда в свечении можно было наблюдать наличие струйной структуры. Максимальная величина химической эффективности 14.3% была получена при использовании зеркал с коэффициентами пропускания Т]=0.8% и Т2=0.09%. Увеличение расхода хлора до 14 ммоль/сек привело к росту давления кислорода в СГСК и перед решеткой Кэссэди до 33 мм рт.ст. При

давлении азота перед сопловым блоком 42 мм рт.ст., расходе йода 0.41 ммоль/сек и суммарном коэффициенте пропускания зеркал Т|+Т2=0.89% полная выходная мощность возросла до 165 вт. Химическая эффективность при этом составила 13%. Результаты исследований ХКИЛ со сверхзвуковым смешением попутных струй кислорода и смеси азота с йодом демонстрируют принципиальная работоспособность такой схемы лазера. Достигнутая максимальная величина химической эффективности, равная 14.3 %, отнюдь не является предельной для такой схемы смешения реагентов. Очевидно, что сверхзвуковое смешение малоразмерных ламинарных струй и более полная диссоциация йода требуют расположения резонатора на больших расстояниях от смесительной решётки. Затруднительно полностью реализовать преимущества этой схемы в малогабаритных ХКИЛ, суммарная толщина пограничных слоев в которых соизмерима с высотой газового тракта в области полного смешения газов и завершения диссоциации 12.

В главе 6 теоретически и экспериментально исследуются эффекты оптического насыщения усиления в ХИКЛ низкого давления и эффективность преобразования энергии, запасённой в 02('д), в излучение. При типичных давлениях активной среды ХКИЛ линия усиления атомарного йода уширена неоднородно и спектры отдельных сверхтонких переходов между собой не перекрываются. Поэтому в резонаторе с полем излучения резонансно взаимодействуют не все атомы йода, что вызывает нарушение максвелловского распределения по проекции их скорости на оптическую ось и состояниям сверхтонкой структуры. Процессы упругих столкновений атомов йода с другими молекулами и перемешивания подуровней сверхтонкой структуры атомов йода стремятся восстановить равновесную заселенность атомов йода и тем самым увеличить плотность атомов йода, взаимодействующих с излучением (кросс-релаксация). Роль продольной релаксации в кинетики нацыщения полем усиления в кислородно-йодной среде играет резонансный обмен энергией между

атомарным йодом и кислородом 1(2Рз,?) + Ог('А) <-> 1(2Р|д) + Ог(3Г), идущий с константой скорости близкой к газокинетической.

Далее в приближении модели сильных столкновений выводятся уравнения кинетики насыщения усиления. На основе этих уравнений рассматриваются наиболее интересные предельные случаи насыщения усиления полем излучения (бесконечно быстрой кросс-релаксации, одномодовый и многомодовый режимы генерации) и для них рассчитываются значения интенсивности насыщения. Показано, что при одномодовой генерации ХКИЛ низкого давления и слабом разбавлении активной среды буферным газом величина интенсивности насыщения в значительной степени определяется частотой упругих столкновений атома йода с окружающими частицами (СЬ, Аг). Далее рассчитываются интенсивности насыщения для однородного насыщения линии усиления и насыщения при генерации большого числа мод резонатора. Для активной кислородно-йодной среды с энергетической точки зрения (значения величины интенсивности насыщения и темпа съёма энергии в излучения) многомодовый режим генерации можно приближенно заменить на одномодовый с однородным насыщением линии усиления. Показано, что при слабом разбавлении активной среды буферным газом из-за слабой кросс-релаксации (что в конечном итоге связано с близостью константы скорости передачи энергии от атома йода к кислороду к константе скорости упругих столкновений) спектр генерации ХКИЛ сравним с доплеровской шириной линии атома йода. При увеличении разбавления среды буферным газом спектр генерации должен сужаться. Генерация на переходе Р=2—>Р=2 возможна только при уровнях усиления на переходе Р=3-»Р=4 над порогом более чем в 5 раз.

Измерения интенсивности насыщения при многомодовой генерации производились для сверхзвукового ХКИЛ с соплом-2, работающим при числе Маха потока 1,5 и при давлении среды с составом С^^Аг = 10:19.8:10.5 равном 2 мм рт.ст.. Для измерения локальной интенсивности

насыщения вблизи выходного зеркала устанавливались круглые диафрагмы диаметром 4 или б мм. Их диаметр был достаточен для генерации многих поперечных мод и в то же время на этой длине изменением содержания 02('Д) в потоке можно пренебречь. Измерялась выходная мощность и размер выходного лазерного пучка в зависимости от коэффициента пропускания зеркал. Рассчитанная по этим данным интенсивность насыщения оказалась равной 15 кВт/см2. Измеренное значение интенсивности насыщения 15 кВт/см2 оказалось сравнимым с расчетным для однородного насыщения линии усиления и конечной вероятности перемешивания состояний 2Р|/2. Поскольку для расчетов интенсивности насыщения необходимо знать параметры потока в резонаторе были проведены соответствующие газодинамические измерения. Для оценки параметров потока (содержания 02('д), температуры, концентрации частиц, скорости потока) использовалось одномерное приближение. Было получено, что число Маха для среды 02:М2:Аг =10:19.8:10.5 без подмешивания йода равно 1,79, а высота ядра потока 13 мм, что на 4 мм меньше геометрической. Затем по измеренным высоте и числу Маха потока с подмешиванием паров йода определялась температура торможения потока, потери 02('Д) в зоне смешения, статическая температура, концентрации всех частиц. Из этих экспериментов также найдены коэффициент усиления слабого сигнала 4х10"3 см"1, распределённые нерезонансные потери 5х10'4 см"1, степень диссоциации молекулярного йода (50%). При этом было также показано, что при затратах 2 молекул СЬ('Д) на разрыв связи молекулярного йода примерно энергия 5 молекул 02('Д) переходит в нагрев потока активной среды.

Для расчетов темпа съёма запасённой энергии в излучение при многомодовой генерации использовалась одномерная модель с постоянной интенсивностью вдоль потока активной среды, основные параметры которой были определены выше. Полученные уравнения

позволяли рассчитывать выходную мощность лазера от длины зеркал вдоль потока активной среды. На эксперименте для исследования скорости преобразования энергии, запасённой в 02('Д), внутри резонатора около выходного зеркала устанавливались прямоугольные диафрагмы с разной длиной вдоль потока, но не ограничивающие апертуру лазерного пучка по высоте. Максимальна возможная апертура диафрагм по потоку равнялась 30 мм. При коэффициенте пропускания зеркал Т1=0,8% и Т2=0,09% расчетная и измеренная зависимости выходной мощности лазера от длины зеркал оказались весьма близкими. Производная выходной мощности по длине зеркал оказалась не равной нулю при значении апертуры 30 мм. Этот результат указывает на неполную трансформацию запасённой энергии в излучение из-за конечной длины зеркал по потоку. Расчеты предсказывают примерно 27% химическую эффективность при длине зеркал по потоку 100 мм. Измерения показали, что размер лазерного пучка по высоте в этом случае равен высоте ядра потока (14 мм). При установке зеркал с Т|=1,7% и Т2=0,09% размер лазерного пучка по высоте потока составил только 10 мм и расчетная мощность была существенно больше измеренной, что указывает на ограниченность одномерной модели. Проведённые более детальные измерения зависимости размеров лазерного пучка по высоте от коэффициента пропускания зеркал позволили построить распределение коэффициента усиления по высоте потока. Усиление в ядре потока оказалось примерно в 3 раза выше, чем около стенок сопла. При смешении 02('Д) с азотом при температуре 80К коэффициент усиления в ядре потока оказался примерно таким же, а усиление около стенок на 20+30% выше, чем для азота при комнатной температуре.

Существует три основных причины относительно невысокой эффективности («20%) маломасштабного сверхзвукового кислородно-йодного лазера при высоком начальном содержании 02('Д) (У0~70%). Во-первых, это низкий коэффициент усиления, с которым при реальных

нерезонансных потерях в зеркалах и дифракционных потерях трудно достичь высокой локальной эффективности преобразования запасенной энергии в излучение. Другой причиной является недобор энергии атомами йода от 02('Д) при конечной длине зеркал по потоку. Несмотря на то, что константа скорости передачи энергии близка к газокинетической, при высокой скорости потока и низкой концентрации йода времени пролёта активной среды через резонатор недостаточно для отбора всей энергии атомами йода от 02(!Д). Третья причина потерь мощности в маломасштабном кислородно-йодном лазере связана с относительно высокой долей потока находящимся вблизи стенок сопла, где условия самовозбуждения менее благоприятные из-за торможения потока. Это особенно проявляется при работе лазера с зеркалами, имеющими высокий суммарный коэффициент пропускания. Однако полученные результаты испытаний позволяют надеяться на более чем 30% химическую эффективность крупномасштабного сверхзвукового ХКИЛ при разбавлении 02('Д) азотом. В целом это позволит достичь в таких установках удельной мощности более 20 кВт на 1 литр объёма СГСК.

Заключение

1. Константа скорости реакции молекулы хлора с ионами НО^, в которой образуется 02('Д) , в щелочном растворе перекиси водорода близка к диффузионно- контролируемой реакции и для температуры -10°С равна (5±2)-108 литр/моль/сек. Вероятность прилипания молекул хлора к раствору Н2О2-Н2О-КОН находится в пределах 0.03«ус<1. Это создаёт благоприятные условия для генерации 02('Д) при высоком давлении (до 100 мм рт.ст.). Путем прямого калориметрического измерения показано, что результирующий выход ОгС'Д) в последовательности процессов С12+Н02 (раствор)->02('Д)(газ) близок к 100%, если концентрация НО, на поверхности раствора более 0.1 моль/литр.

2. Предложенные и разработанные генераторы 02('Д) высокого давления на основе противогочной инжекции струй щелочного раствора перекиси водорода в поток хлора обеспечивают высокую скорость гидродинамического обновления поверхности раствора Н202-Н20-К0Н , а значит высокие значения утилизации С12 и выхода 02('Д). СГСК противоточного типа обладает высокой стабильностью работы (т.е. без выброса раствора в газовакуумный тракт) до давлений 100 мм рт.ст..

3. Созданная расчетная модель струйных генераторов 02('Д) высокого давления, позволяет производить оценку его выходных параметров и масштабирование. Динамическое масштабирование показало, что технически возможно обеспечить удельный расход хлора через СГСК до 10 ммоль/см2/с с одновременным достижением высоких значений утилизации С12 и выхода 02('Д).

4. Экспериментально определены выход 02('Д) и утилизация хлора в зависимости от исходных параметров струйного ГСК. Найдена область параметров струйного генератора 02('Д) для достижения давления кислорода 30+80 мм рт.ст. с содержанием 02('Д) более 50%+60% и утилизацией хлора более 90%. Экспериментально доказано, что можно получать кислород в газовой фазе до 100 мм рт.ст при комнатной температуре с выходом 02('Д) более 50% (плотность запасенной энергии в электронно-возбужденном состоянии молекул кислорода в газе 258дж/литр).

5. Измерения показали, что выходные параметры СГСК (температура газа, содержание аэрозоля, паров воды) находятся в пределах величин, достаточных для получения качественной активной среды кислородно-йодного лазера без специальных устройств для удаления паров воды и остаточного аэрозоля раствора. Дезактивация 02('Д) при высоком его начальном давлении между СГСК и местом его смешения с йодом существенно изменяет режим работы СГСК и ведет к падению доли 02('Д). Необходимо создавать критическое сечение между СГСК и местом

смешения с парами йода для газодинамической развязки СГСК от проточной части активной среды лазера.

6. Создан экспериментальный комплекс "генератор 02('Д) высокого давления+химический кислородно-йодный лазер" для проведения его многопараметрических испытаний. На примере дозвукового ХКИЛ без ловушки паров воды и сепаратора капель экспериментально показана возможность эффективной лазерной генерации с СГСК высокого давления. Эффективная генерация ХКИЛ возможна без ловушки паров воды и сепаратора капель с СГСК с выходным давлением кислорода вплоть до 100 мм рт.ст. Достигнута удельная мощность 8 кВт на 1 литр объёма СГСК при 10% химической эффективности лазера.

7. Экспериментально определены режимы работы сверхзвукового ХКИЛ для достижения высокой (более 20%) его химической эффективности. Показано, что подмешивание паров йода в области трансзвукового или сверхзвукового течения газового потока, содержащего 02('Д) являются наиболее оптимальными в случае работы ХИКЛ с разбавлением активной среды азотом.

8. Схема подмешивания буферного газа к 02('Д) после СГСК позволила подмешивать к потоку кислорода азот при низких температурах. Кроме того, это обеспечивает более стабильную работу СГСК и всего лазера в целом. Достижение высокой химической эффективности при работе ХКИЛ с разбавителем активной среды азотом вместо гелия существенного снижает стоимость лазерной энергии ХКИЛ.

9. Экспериментально и теоретически показано, что интенсивность насыщения, спектр генерации и скорость преобразования запасенной энергии в лазерное излучение в кислородно-йодном лазере в значительной степени определяются эффектами упругих столкновений и перемешиванием сверхтонких состояния 2Р,/2 атома йода.

10. Основные потери энергии в маломасштабном и малорасходном сверхзвуковом ХКИЛ связаны с коротким временем пролета среды через

резонатор, относительно высокими нерезонансными потерями излучения и относительно высокой доле газового потока у стенок сопла, где условия самовозбуждения активной среды менее благоприятные. Можно ожидать, что для крупномасштабных установок сверхзвукового ХКИЛ с расходом СЬ 1 моль/с и выше можно достичь 30% и выше химической эффективности ХКИЛ со струйным ГСК высокого давления и при разбавлении активной среды азотом.

11. Результаты работы открывают возможность создания компактных и дешевых в эксплуатации сверхзвуковых ХКИЛ с удельной мощностью более 20 кВт на 1 литр объёма СГСК при химической эффективности более 20%. Разработанный источник 02('Д) высокого давления представляет интерес для возможности создания химических лазеров видимого диапазона и синтеза веществ в химических реакциях с участием 02('Д).

Основное содержание диссертации изложено в работах.

1. Загидуллин М.В., Игошин В.И., Куприянов Н.Л. Кинетика насыщения активной среды кислородно-йодного лазера. - Квантовая электроника, 1984, т.11, сс.1379-1389

2. Басов Н.Г., Загидуллин М.В., Игошин В.И., Катулин В.А., Куприянов Н.Л. Активная среда химического кислородно-йодного лазера. -Квантовая электроника, 1986, т. 13, сс. 787-796.

3. Басов Н.Г., Загидуллин М.В., Игошин В.И., Катулин В.А., Куприянов Н.Л. Теоретический анализ химических кислородно-йодных лазеров. -Труды ФИАН, 1986, т. 171, сс.30-53.

4. Загидуллин М.В., Игошин В.И., Куприянов Н.Л. О содержании паров воды в активной среде химического кислородно-йодного лазера. -Квантовая электроника, 1987, т.14, сс.516-523.

5. Загидуллин М.В., Заикин А.П., Игошин В.И. Длительность импульса свободной генерации 02'-1 лазера. - Краткие сообщения по физике,

1987.N.10, сс. 3-5.

6. Zagidullin M.V. COIL Review:Theoretical modelling and experimental analysis.-Proc. 2nd Int.Workshop «Iodine laser and Application», Czechslovakia, 1989, pp. 163-185.

7. Загидуллин M.В., Куров А.Ю., Николаев В.Д., Пичкасов В.М., Свистун М.И.Непрерывный струйный генератор синглетного кислорода.- Письма в ЖТФ, 1990, т. 16, сс.71-74.

8. Загидуллин М.В., Куров А.Ю., Куприянов H.JL, Николаев В.Д., Свистун М.И., Ерасов Н.В. Высокоэффективный струйный генератор 02('д).-Квантовая электроника, 1991, т.18, сс.826-832.

9. Загидуллин М.В., Ерасов Н.В. Куров АЛО., Николаев В.Д., Свистун М.И., Хватов H.A. Кислородно-йодный лазер на основе генератора 02('Д) высокого давления. - Квантовая электроника, 1991, т. 18, сс. 1471-1472.

10. Азязов В.Н., Загидуллин М.В., Николаев В.Д., Свистун М.И., Хватов.

Струйный генератор 02(^Д) с давлением кислорода до 13.3 кПа. -Квантовая электроника, 1994, т. 21, сс. 129-132.

11. Азязов В.Н., Загидуллин М.В., Николаев В.Д., Свистун М.И., Хватов H.A. Транспортировка 02('Д) высокого давления. - Квантовая электроника,

1994, т.21,сс. 247-249

12. Загидуллин М.В., Николаев В.Д., Свистун М.И. Компактный кислородно-йодный лазер с теплоизолированным струйным генератором синглетного кислорода. - Квантовая электроника, 1994, т.21, сс.23-24.

13. Азязов В.Н., Загидуллин М.В., Николаев В.Д., Свистун М.И., Хватов H.A. Кислородно-йодный лазер, использующий капельно-струйный генератор 02('Д) с давлением до 90 мм рт.ст. -Квантовая электроника,

1995, т.22, сс.443-445

14. Zagidullin M.V. Liquid jet 02('Д) generator for chemical oxygen-iodine laser. - Proc. SPIE, 1995, vol. 2502, pp.208-216

15. Zagidullin M.V., Nikolaev V.D, Svistun M.I., Safonof V.S, Ufimtsev N.I.,

Khvatov N.A. The study of buffer gas mixing with active gas on chemical oxygen-iodine laser performance with jet type SOG. - Proc.SPIE, 1996, vol.2702, pp.310-319

16. Zagidullin M.V., Nikolaev V.D., Svistun M.I., Ufimtzev N.I. Predicted and measured output parameters of high pressure jet SOG. - Proc. SPIE, 1996, vol. 2767, pp.221-228

17. Загидуллин M.B., Николаев В.Д., Свистун М.И., Хватов Н.А., Уфимцев Н.И. Высокоэффективный сверхзвуковой химический кислородно-йодный лазер с расходом хлора 10 ммоль/с. - Квантовая электроника, 1997, т.24, сс.201-205.

18. Азязов В.Н.. Загидуллин М.В., Николаев В.Д.. Сафонов В.с. Химический кислородно-йодный лазер со смешением сверхзвуковых струй. - Квантовая электроника, 1997, т.24, №6

19. Загидуллин М.В.. Николаев В. Д. Насыщение усиления и эффективность преобразования запасенной энергии в излучение в сверхзвуковом кислородно-йодном лазере с устойчивым резонатором. -Квантовая электроника, 1997, т.24, сс.423-428.

20. Азязов В.Н., Загидуллин М.В., Николаев В.Д., Уфимцев Н.И. Кинетика хемосорбции СЬ растворами Н2О-Н2О2-КОН и Н2О-КОН. - Журнал физической химии ( в печати).

ЛИТЕРАТУРА

1. Fujii Н., Atsuta Т., Masuda W. COIL activities in Japan. - Proc. SPIE, 1996, vol. 2767, pp.170-179.

2. Scott J.E., Truesdell K.A. Idustrialization of the chemical oxygen-iodine laser. - Proc.SPIE, 1994, vol.2214, pp.188-196.

3. Vetrovic J., Hindy R.N., Subbaraman G., Spiegel L. High-power iodine laser application for remote D&D cutting. - Presented on GCL/HPL conference in Edinburgh, 1996.

4. Вагин Н.П., Пазюк B.C., Юрышев H.H. Импульсный химический

кислородно-йодный лазер с объёмной наработкой атомов йода в электрическом разряде.-Квантовая электроника, 1995, т.22, сс.776-778.

5. Schmiedberger, Kodymova J., Kovar J., Spalek O., Trenda P. Magnetic modulation of gain in the chemical oxygen-iodine laser. -IEEE J. Quantum Electronics, 1991, vol.27, pp.1262-1265.

6. Highland R., Crowell P., Hager G. A 630 watt average power Q-switched chemical oxygen-iodine laser. -Proc.SPIE, 1990, vol.1225, pp.512-520.

7. Phipps S.P., Helms C.A., Copland R.J., Rudolf W., Truesdell K.A., Hager G. Mode locking of a CW supersonic chemical oxygen-iodine laser.- IEEE J. Quantum Electronics, 1996, vol.32, pp.2045-2050,

8. Nicholson J.W., Bienfang J., Rudolf W., Hager G. Intronsic gigagerz modulation of photolytic iodine lasers. - IEEE J. Quantum Electronics, 1997, vol.33, pp.324-328.

9. Johnson D.E., Humphreys R.H., Keating P., Hager G.D. A frequency doubled chemical oxygen-iodine laser.- Appl.Phys., 1989, vol.B-48, pp.339-342.

10. Басов Н.Г., Крюков П.Г., Юрышев H.H. Импульсно-периодический режим химического кислородно-йодного лазера. - Препринт ФИАН, 1985, №54

ЗУ ^

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ.П.Н.ЛЕБЕДЕВА САМАРСКИЙ ФИЛИАЛ

на правах рукописи

ЗАГИДУЛЛИН МАРСЕЛЬ ВАКИФОВИЧ

ХИМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И КИСЛОРОДНО-ЙОДНЫЕ ЛАЗЕРЫ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 01.04.21-лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени ' доктора физико-математических наук

МбСКВА-1997 •11 0^Л9<11 г., №&//]<?

присудил ученую степень Ди1\ 1

г—з

гчальиик шхра'вл8ни>1 БАК Росс ___________

Содержание

Введение_3-14

Глава 1. Кинетика образования СЬ^Л) в реакции хлорирования щелочного раствора перекиси водорода

1.1. Рабочая среда и процессы, приводящие к генерации ОгОЛ) в реакции хлора с щелочным раствором перекиси водорода __15-24

1.2. Кинетика поглощения СЬ раствором Н2О2-Н2О-КОН и выхода ОгОЛ) в газовую фазу__24-32

1.3. Кинетика выработки ионов НО2 в растворе_ 32-33

1.4. Экспериментальное исследование кинетики абсорбции хлора раствором Н2О2-

НгО-КОН и измерение константы скорости реакции СЬ+ НО 2 ._34-45

Глава 2. Струйный генератор О2ОЛ) и его моделирование 46

2.1. Требования к выходным параметрам генератора 02(1А)_ 47-51

2.2. Основные физико-химические процессы в СГСК_ 51-60

2.3. Расчетная модель СГСК_ 60-63

2.4. Результаты расчетов_ 63-72

2.5. Геометрическое и динамическое масштабирование СГСК 72-75

2.6. Тепловые эффекты в СГСК_ 75-80

Глава 3. Параметрическое экспериментальное исследование СГСК 81

3.1. Описание экспериментальной установки СГСК_ 81-88

3.2. Влияние геометрических факторов на выход Ог(1А) и утилизацию хлора 88-93

3.3. Влияние параметров потока хлора на его утилизацию и выход ОгОЛ) _93-95

3.4. Влияние параметров потока раствора на утилизацию СЬ и выход ОгОЛ) 95-98

3.5. СГСК с давлением кислорода до 100 мм рт.ст. 98-101

3.6. Содержания паров воды, аэрозоля, температура газа на выходе СГСК, перепад давления на длине реакционной зоны и гидродинамическая устойчивость СГСК __101-106

3.7. Транспортировка Ог^Л) высокого давления_ 106-108

3.8. Калориметрическая калибровка фотодетектора ОгОЛ) и выход ОгОЛ) в реакции хлорирования _;__108-112

Глава 4. Дозвуковой кислородно-йодный лазер с СГСК_113

4.1. Установка дозвукового химического кислородно-йодного лазера_114-117

4.2. Результаты испытаний дозвукового кислородно-йодного лазера со струйным

ГСК__117-125

Глава 5. Высокоэффективный малогабаритный сверхзвуковой кислородно-йодный лазер с СГСК высокого давления_126

5.1. Экспериментальная установка малогабаритного сверхзвукового

ХКИJI с СГСК высокого давления_ 126-13 3

5.2. Анализ процессов в газопроточной части СХКИЛ_ 133-137

5.3. Оптимизация расхода буферного газа и параметров

смесительного блока_ 137-140

5.4. Влияние параметров СГСК и первичного буферного газа

азота на выходную мощность лазера_ 141 -147

5.5. Сверхзвуковой кислородно-йодный лазер на основе

смешения сверхзвуковых струй_ 148-154

Глава 6. Оптическое насыщение усиления активной среды ХКИЛ_155

6.1. Уравнения оптического насыщения усиления

кислородно-йодной среды__156-166

6.2. Одномерная модель генерации сверхзвукового ХКИЛ с устойчивым резонатором при однородном насыщении линии усиления__166-168

6.3. Измерение параметров сверхзвукового потока в резонаторе и интенсивности насыщения при многомодовой генерации СХКИЛ_ 168-172

6.4. Эффективность преобразования энергии в излучение в сверхзвуковом ХКИЛ с

устойчивым резонатором__172-176

Заключение__177-180

Литература

181-199

Введение

Краткий исторический обзор. Создание химического кислородно-йодного лазера в конце 70-ых годов явилось итогом многочисленных попыток создания чисто химического лазера на электронном переходе [1,2]. Реализация химического кислородно-йодного лазера (ХКИЛ) стала возможной благодаря трем основным открытиям, сделанным в 60-е годы.

Во-первых, это создание йодного фотодиссоционного лазера, работающего на переходе тонкой структуры атома йода [3]. Последующие работы по исследованию йодного фотодиссоционного лазера и кинетики его активной среды позволили определить основные спектроскопические постоянные перехода 2Р1/2—>2Рз/2 атома йода [4], вероятности его тушения в газовой фазе [5], коэффициенты ударного уширения [6]. Второй предпосылкой для создания ХКИЛ было открытие диссоциации молекулярного йода в присутствии синглетного кислорода ОгС'А) [7]. В этой же работе было впервые высказано предположение о возможности резонансной передачи электронной энергии от О2ОЛ) к атому йода. Затем последовала серия работ [8,9,10,11], в которых была исследована кинетика основных процессов в кислородно-йодной смеси. В этих работах было показано, что передача энергии с О2ОЛ) на атом йода и обратная передача энергии идут с константами скоростей близкими к газокинетическим (« Ю-10 см3/с). Кроме того, в них было доказано, что желто-зеленое свечение молекулярного йода (переход Ь(В->Х) и диссоциация молекул йода идет по механизму ступенчатого возбуждения молекул йода сингл етным кислородом. Диссоциация Ъ в присутствии О2ОЛ) создавала благоприятные условия для наработки атомов йода в активной среде без внешних источников энергии. Резонансная передача электронной энергии с ОгСЛ) на атом йода

1(2Рз/2> + 02('А) -» 1(2Р1/2) + 02(32)+402°К (1)

играет роль накачки рабочего лазерного уровня в ХКИЛ. Обратная передача энергии играет роль "тушения" верхнего лазерного уровня

1(2Р1/г) + 02(3£)-> 1(2Рз/2) + ОгСА), (2)

при которой, однако, число электронновозбуждённых частиц не изменяется.

Оказалось, что вероятность Е-Е обмена в реакциях (1), (2) намного больше вероятности процессов E-V, R,T релаксации [12] 1(2Рз/2)+02(1А)-^1(2Рз/2)+02(3Е,у,1), I(2Pi/2)+02(3S)->I(2P3/2)+02(3S,v,J). Это обстоятельство создавало предпосылки для высокой энергетической эффективности ХКИЛ, а также позволило сделать оценку, что для получения положительной инверсии в кислородно-йодном лазере содержание синглетного кислорода в активной среде при температуре 300К должно превышать 15% [10,13].

Проблема получения кислорода в газовой фазе с необходимым содержанием ОгС'А) оказалась наиболее трудной на пути создания кислородно-йодного лазера. Одно из первых предложений по реализации кислородно-йодного лазера состояло в электроразрядном способе генерации ОгС'А) [14]. Но до настоящего времени все попытки получить в электрическом разряде ОгСА) с высоким содержанием закончились безуспешно [15]. В конце 70-ых уже было известно несколько способов получения ОгСА) в газовой фазе. К ним относятся способ получения ОгОА) при фотолизе озона [16], термическое разложение эндопереоксидов [17] и т.д. [18]. Но все эти способы получения ОгОА) не могли послужить основой создания кислородно-йодного лазера с высокой эффективностью и с возможностью его последующего масштабирования. Фундаментальную роль в создании генератора Ог(1А) на основе реакции хлорирования щелочного раствора перекиси водорода сыграла работа [19], где впервые был исследована хемилюминесценция в красной области спектра (6340А) при слиянии раствора гиперхлорида натрия NaOCl с перекисью водорода Н2О2. В работе [20] впервые было высказано предположение, что данное красное свечение вызвано люминесценцией кислорода, но ошибочно приписали его переходу молекулы кислорода. В это же время в работе [21] были открыты линии люминесценции кислородного разряда в красной области спектра. Сравнив спектры люминесценции кислородного разряда и хемилюминесценции при барботировании хлора через щелочной раствор перекиси водорода, авторы в работе [22] доказали, что загадочная красная хемилюминесценция объясняется димольным излучением синглетного кислорода

02('А) +02(!А) —»2 02(35:) +hv(6348A)

Таким образом, было показана принципиальная возможность чисто химического способа получения Ог('А). Если раньше для получения ОгСА) вначале получали гипохлорид натрия в реакции хлора с щелочью и только затем сливали гипохлорид с перекисью водорода, то в работе [22] была изменена последовательность реакций: сначала перекись водорода смешивалась с щелочью и только затем через раствор пропускался хлор. По-видимому, в этой работе впервые наблюдалась люминесценция О2СА) в газовых пузырьках при барботировании хлора через щелочной раствор перекиси водорода. Далее встала задача, используя данную реакцию, получить кислород газовой фазе с высоким содержанием ОгСА), необходимым для получения инверсной населенности. Было известно, что характерное время жизни ОгСА) в водных растворах составляет величину примерно 2 ¡асек [23]. Если ОгСА) генерируется в объеме жидкости на расстоянии х от поверхности жидкости, то время необходимое ему для выхода в газовую фазу примерно х2Ю0, где Бо «Ю*5 см2/сек коэффициент диффузии кислорода. Поэтому стало ясно, что для получения кислорода с высоким содержанием О2СА) в газовой фазе необходимо генерировать кислород на расстоянии не более 5х106 см от поверхности жидкости. Попытки получить значительное содержание ОгСА) в газе увенчались успехом в работе [24]. Далее удалось получить кислород с долей ОгСА) достаточной для получения положительной инверсии [13].

Первое сообщение о наблюдении генерации непрерывного химического кислородно-йодного лазера было опубликовано в 1977 году [25]. Мощность лазера с потоком кислородно-йодной смеси вдоль оптической оси резонатора составила 4 мвт. В качестве источника ОгСА) использовался барботажный генератор, основанный на пропускании пузырьков хлора через щелочной раствор перекиси водорода, аналогичный генератору, созданному в работе [22]. Затем МсОегтои и его коллеги осуществили поперечную прокачку кислородно-йодной смеси через резонатор и достигли мощности 100 вт в непрерывном режиме [26]. Начиная с этого момента, началось интенсивное исследование и разработка химического кислородно-йодного лазера. Аналогичные установки дозвукового ХКИЛ с той или иной модификацией затем были созданы в различных

лабораториях мира [27,28,29,30,31]. В 1990 году на основе барботажного ГСК в фирме Kawasaki Heavy Industries (Япония) был создан первый промышленный образец дозвукового ХКИЛ мощностью 1 кВт [32]. Все эти установки ХКИЛ работали с источником 02('А) невысокого давления (~1 мм рт.ст.) и существенным элементом этих установок была ловушка паров воды, понижающая их давление перед зоной смешения ОгСА) с молекулярным йодом. Очевидно, что следующим этапом развития непрерывного ХКИЛ явилось бы создание сверхзвуковой прокачки активной среды через резонатор. Реализация эффективной схемы сверхзвукового ХКИЛ может быть осуществлена только благодаря созданию источника 02(!А) высокого давления. В целом принципиальная схема любого ХКИЛ включает в себя: генератор синглетного кислорода (ГСК), генератор паров йода, узел смешения паров йода с Ог('А), резонатор с потоком перемешанной среды Ог('А) + атомарный йод, система выхлопа отработанного газа. В общем случае между ГСК и узлом смешения необходимо располагать ловушку паров воды и аэрозоля.

Приведем важнейшие характеристики кислородно-йодной среды и химического кислородно-йодного лазера (диаграмма уровней ОгСА), атома и молекулы йода показаны на рис. 1):

коэффициент усиления на сильнейшем переходе F=3 —» Р=4 / хт хт 7 2,23 х Ю-16 (Kp+0.5)Y-0.5

g0 см =N1^3* =Nt — х--=-X—z--(3),

/ 1 Э(Р 12 VT (Кр — 1)Y +1 V ''

энергия, потенциально извлекаемая в излучение, приходящаяся на один моль кислорода,

f \

(4)

е(Дж)= 90,6-103

Y--!_

2Кр+1у

где Т-температура активной среды, Щсм-3) - концентрация атомов йода, Кр=к1/к2=0.75ехр(402/Т) -константа равновесия реакций (1)-(2) обмена энергией между Ог('А) и атомом йода, У- отношение концентрации О2ОА) к суммарной концентрации 0г(1А)+02(3Е), 90,6-103 Дж- энергия одного моля атомов 1(2Р1/г)

16000 -14000 " 12000 " 10000 -8000 " 6000 -4000 " 2000 -Н 0 -

см^

^1/2)

7603

О (Т ) 2 У

13121

о2('д)

7882

Яг

15525

В3П

и

12420

21

3П1и

9989 Г^и

Р 3

3 2 1

Спектр и коэффициенты Эйнштейна переходов между состояниями сверхтонкой структуры атома йода

5с-1

3-4

2,4с 2-3

Зс -1 2-2

-1

0.0656

2.3с-1 2-1

0.0247 0.406

2.1с"1 3-3

0.1409

0.6с 3-2

-1

0.0656

см

-1

Рис. 1. Нижние электронные состояния кислорода, йода и тонкая структура атома йода

(или, если можно так сказать, энергия одного моля лазерных фотонов). Важнейшей величиной, характеризующей эффективность ХКИЛ, является полная химическая эффективность, определяемая как полное число излученных лазером фотонов к количеству молекул хлора, введенных в генератор Ог^А)

:г|хим=-;-, где ХУ^вт^выходная мощность лазера, Мс-расход хлора (в

90.6-10 Мс

моль/сек) через генератор ОгСА). Зная химическую эффективность лазера и стехиометрию химических реакций, можно определить стоимость лазерной энергии по расходу всех химических реагентов.

Актуальность проблемы. Химический кислородно-йодный лазер потенциально масштабируемое устройство. Исходными химическими реагентами ХКИЛ являются относительно нетоксичные перекись водорода, гидроокись калия (натрия), хлор, йод. Продуктами химических реакций в ХКИЛ являются нетоксичные калийная соль, кислород, а низколетучие пары йода без труда утилизируются. В качестве конструкционных материалов ХКИЛ можно использовать относительно недорогие материалы, такие как, нержавеющая сталь, полиэтилен, широкий набор коммерческих пластмасс. В ХКИЛ нигде не используются давления более 10 атм (пары хлора над его жидкой фазой при комнатной температуре) и все его узлы работают при температурах в пределах ±100°С от комнатной. Излучение химического кислородно-йодного лазера с длиной волны 1.315 мкм попадает в полосу прозрачности атмосферы [33] и имеет минимальные потери при распространении по стекловолокну. Газовая активная среда ХКИЛ позволяет потенциально получать излучение с дифракционной расходимостью. В комплексе эти факторы позволяют создать технологические лазерные комплексы с мощностью более 10 кВт с высоким качеством излучения и возможностью распространения по стекловолокну на большие расстояния. Особый интерес представляют технологические ХКИЛ для применений в дистанционной разборке отработанных ядерных реакторов и для резки материалов в условиях чрезвычайных ситуаций [34,35,36]. Для таких применений на уровне мощности более 10 кВт ХКИЛ не имеет практически конкурентов в ближней ИК-области. Такие технологические лазеры при приемлемых весо-

габаритных характеристиках могли бы размещаться на трейлерах или вертолетах. Анализируется возможность создания ХКИЛ мощностью 1 Мвт с размещением его на борту самолета [37]. ХКИЛ способен работать в импульсном и частотно-импульсном режиме генерации, для чего может использоваться фотолитическая [38] или электроразрядная наработка атомов йода [39], модуляция в магнитном поле усиления [40] или резонансных потерь [41], синхронизация мод (43.85 КГц)[42], одновременная генерация на переходах Р=3->Р=4, Р=2->Р=2 (13.59 ГГц) [43]. Применение нелинейных элементов позволяет произвести преобразование излучения 1,315 мкм в мощное излучение в видимой области [44]. Обсуждается возможность создания лазерного драйвера на основе импульсного ХКИЛ [45,46]. Для создания мощных ХКИЛ с малой расходимостью излучения, высокой удельной мощностью, для удешевления основных затрат и эксплуатационных расходов ХКИЛ требуется решить ряд принципиальных научных проблем. 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 О2ОЛ), 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 ОгОЛ) в зоне резонатора, что позволит увеличить удельную мощность лазера на единицу площади газового потока (или энергию на единицу объёма резонатора для импульсного лазера) и минимизировать весо-габаритные характеристики ХКИЛ. Решения этих задач особенно важно для военных применений ХКИЛ с размещением его на борту самолета [37]. В-четвертых, необходимо получить высокую химическую эффективность лазера без ловушки паров воды, что существенно повышает экономичность и эксплуатационные характеристики ХКИЛ [47]. Решение всех этих задач в конечном итоге связано с возможностью создания источника О2СД) высокого

давления (более 20 мм рт.ст). Поэтому исследование физико-химических закономерностей работы генераторов синглетного кислорода высокого давления и химических кислородно-йодных лазеров на их основе актуально для создания мощных технологических ХКИЛ с высоким качеством излучения и пр^ллемыми весо-габаритными характеристиками..

Цель работы. Основной задачей, решаемой в диссертации, являлось создание и исследование источника ОгОА) высокого давления, исследование и оптимизация дозвукового и сверхзву�