Исследование импульсного химическогго кислородно-йодного лазера высокого давления тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

саратовский ордена трудового красного зналшш

государственный университет имени н. г. чернышевского

На правах рукописи

КУРОВ Анатолий Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ХИМИЧЕСКОГО КИСЛОРОДНО-ЙОДНОГО ЛАЗЕРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 01.04.21 — лазерная физика

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

саратов 1991

Работа выполнена в Самарском филиале физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР и Самарском Государственном университете.

Научные руководители: доктор физико-математических наук

профессор Катулин В. А.,

кандидат физико-математических наук Николаев В. Д.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Березин В. И.,

кандидат физико-математических наук Нетемин В. Н.

Ведущая организация: Самарское НПО автоматических систем.

Защита состоится « » ЯН ВЗ РЯ_1992.года в

/4-И-часов на заседании Специализированного совета

№ K063.74.ll. по специальности 01.04.21. — лазерная физика Саратовского ордена Трудового Красного Знамени Государственного университета имени Н. Г. Чернышевского по адресу: 410071, Саратов, ул. Астраханская,. 83.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГУ. Автореферат разослан «_ в » лека вря 1991 г>

Учеиый секретарь Специализированного совета доцент В. Л. Дербов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Химический кислородно-йодный лазер (ХКЛ) первый химический лазер на электронном переходе. Он является перспективным источником мощного когерентного излучения в ближнем ИК диапазоне. В основе работы лазера лежит быстрая квазирезонансная передача энергии с синглетного кислорода на атомарный йод.

После открытия этих лазеров в конце семидесятых годов [1], в течение нескольких лет мощность этих лазеров в непрерывном режиме возросла до 25 кВт [2], был реализован также импульсный режим генерации [3]. Эти лазеры найдут применение не только в промышленности, но и, в силу специфичной длины волны генерации, в лазерной хирургии и связи [4].

Очевидно, что повышение удельных выходных генерационных характеристик требует увеличения давления кислорода. К моменту постановки настоящей работы практически все известные генераторы синглетного кислорода (ГСК) обеспечивали малое содержание хлорал относительно высокую долю ОгСД) на выходе лишь при давлениях кислорода 1—2 Тор, поэтому и ХКЛ работали именно при этих давлениях. В то же время теоретический анализ химических и кинетических процессов указывал на отсутствие принципиальных ограничений, препятствующих созданию лазеров с давлением кислорода 10 Тор н более [5].

Таким образом, существовала необходимость выявления причин (как физических, так и технических), мешающих работе ХКЛ при давлениях кислорода существенно выше 1 Тор, и поиска путей их устранения. Необходимо было экспериментально показать возможность получения кислорода при высоких давлениях с высоким содержанием Ог ('А) и возможность получения эффективной генерации ХКЛ при этих давлениях кислорода.

Актуальность экспериментальных исследований импульсного химического кислородно-йодного лазера высокого давления была обусловлена появлением проектов создания кислородно-йодных усилителей большого объема с целью осуществления лазерного термоядерного синтеза [6].

Цель работы состояла в создании И исследовании импульсного ХКЛ с фотолитической наработкой атомарного йода, действующего при давлениях кислорода значительно превышающих 1 Тор. Она включала в себя:

1. Разработку и создание генераторов Ог('А) высокого давления на основе хлорирования щелочного раствора перекиси водорода и исследование влияния состава рабочего раствора на их выходные характеристики.

2. Создание на базе этих генераторов импульсных ХКЛ с высокими удельными генерационными характеристиками.

3. Исследование влияния состава активной среды на выходные генерационные характеристики импульсного ХК.Л.

Научная новизна работы. В рамках поставленной задачи была предложена и реализована концепция разработки барботажных ГСК высокого давления. На базе такого генератора Ог ('А) был впервые создан импульсный ХКЛ, действующий в диапазоне давлений кислорода до 10 Тор с максимальным удельным энергосъемом ~ 3 Дж/л при давлении кислорода ~ 5 Тор.

В процессе исследований были экспериментально определены и получили свое объяснение зависимости пороговой доли Ог('А) от превышения коэффициента усиления активной-среды ХКЛ над пороговой величиной и длительности импульса генерации от концентрации йодшдов.

Впервые разработан и создан струйный ГСК высокого давления и показана возможность получения Ог ('А) при давлении ~ 50 Тор (при общем давлении в ГСК ~ 100 Тор). Определено влияние концентрации щелочи в рабочем растворе ГСК на эффективность образования Ог('А) и вероятность захвата хлора на поверхности раствора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Импульсный химический кислородно-йодный лазер с фотолити-ческой наработкой атомарного йода на базе барботажного генератора спнглетного кислорода, действующий в диапазоне давлений кислорода до 10 Тор. с максимальным удельным энергосъемом ~ 3 Дж/л при давлении кислорода ~ 5 Тор, что приблизительно втрое превышает аналогичные параметры известных химических кислородно-йодных лазеров, а также положения, сформулированные на основе анализа результатов его исследования:

— увеличение оптимального давления кислорода и удельного объемного эпергозапаса [Дж/л] активной среды требует ограничения объемного расхода газа через отдельное отверстие барботера и соответствующего выбора высоты раствора в барботажном гене-4

раторе, количества отверстий в барботажной пластине и расстояния между ними;

— с ростом остаточного давления хлора на выходе генератора синглетного кислорода удельный энергосъем в импульсном ХКЛ уменьшается из-за образования в присутствии синглетного кислорода тушителей Ог('А) и I (2 Р|/2) в процессе темповых реакций хлора е йодндами;

— удельный массовый энергозапас |Дж/г] при оптимальных давлениях кислорода не зависит от эффективного времени транспортировки Оз'О'Д) до резонатора;

— в диапазоне давлений кислорода до 10 Тор наибольший энергосъем достигается при использовании в качестве донора атомарного йода CH3I;

— пиковая мощность генерации растет пропорционально величине концентрации йодидов.

2. Струйный генератор синглетного кислорода, который в импульсном режиме работы позволяет получать кислород при давлении около 100 Тор с содержанием О2 ('А) не ниже 50%, а также результаты его исследования:

— с ростом приведенной реакционной поверхности раствора з генераторе Ог('А) удельный объемный энергозапас |Дж/л] и оптимальное давление кислорода увеличиваются;

— вероятность захвата хлора па поверхности водного щелочною раствора перекиси водорода падает с уменьшением концентрации щелочи пропорционально корню квадратному из этой величины;

— подмешивание йодидов к хлору значительно увеличивает тушение Ог ('А), из-за образования в процессе темповых реакций тушителей синглетного кислорода.

Практическая значимость. Полученные результаты имеют научную и практическую значимость:

— при проектировании и создании ГСК и ХКЛ высокого давления;

— при выборе оптимальных параметров активной среды и резонатора ХКЛ и состава рабочего раствора в ГСК;

— для управления выходными генерационными характеристиками ХКЛ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на Международной конференции «Laser-89» (München, 1989), на 2 Международном семинаре по йодным лазерам (Liblice, Czechoslovakia, 1989, 2 доклада), на Всесоюзной конференции «Оптика лазеров» (Ленинград, 1990, 2 доклада), обсуждались на семинарах ФИАН СССР и его Самарского филиала.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения общим объемом 131 страница, включая 46 рисунков и список литературы из 82 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, изложена структура л приводятся основные результаты работы.

В первой главе приведены результаты исследований барботажного ГСК, действующего в диапазоне давлений кислорода до 10 Тор, проанализированы основные причины, мешающие масштабированию его по давлению кислорода, и предложены пути их устранения.

В § 1.1 предложена концепция построения барботажных ГСК. В рамках простой модели пузырькового режима барботажа проанализированы основные особенности работы ГСК и показано, что для обеспечения устойчивости режима барботажа необходимо, во-первых, согласовывать скорость откачки в ГСК с площадью барбо-тажной пластины и, во-вторых, ограничивать расход газа через каждое отверстие этой пластины.

В § 1.2 описана экспериментальная установка «Барботажный генератор спнглетного кислорода», созданная с учетом сформулированных выше требований. Это позволило добиться устойчивого барботажа вплоть до давлений кислорода ~ 15 Тор, расход хлора при этом составлял величину более 40 мМоль/сек.

В § 1.3 описаны методики измерений концентрации спнглетного кислорода, паров воды и хлора. Концентрация 02('А) определялась по интенсивности излучения люминесценции 02 ('Д) —02 (32) на длине волны %— 1,27 мкм. Содержание паров воды находилось из соотношения между интенсивностями излучений на длинах волн Х= 1,27 мкм (которая пропорциональна концентрации синглетно-го кислорода /¡д) и I — 0,762 кмк (переход Ог ('2) —02 (32), интенсивность которого пропорциональна концентрации пу кислорода в состоянии '2) согласно выражения пн;о = к ктп* , где 1<1 — скорость пулинга 02('Д) и кт — скорость тушения СЬ^Ё) парами воды. Для измерения концентрации хлора использовался прямой абсорбционный метод по поглощению излучения азотного лазера ИЛГН-503 на длине волны = 0,3371 мкм .

В § 1.4 приведены результаты исследований барботажного ГСК в диапазоне давлений кислорода до 10 Тор: зависимости концепт-рации и доли р2(1 Д), концентрации паров воды и хлора от давления кислорода на выходе ГСК. Здесь же приведено сравнение этих параметров при использовании в ГСК двух различных барботажных пластин, отличающихся по площади и числу отверстий.

Показано, что при давлении кислорода ~ 10 Тор доля паров воды составляет величину ~10%, содержание хлора ~5%, а запасенная в кислороде энергия ~ 15 Дж/л. Это позволяет наде-

йться, что при использовании такого ГСК возможно получений генерации в непрерывных ХКЛ без охлаждаемой ловушки [7].

Вторая глава посвящена исследованию импульсного ХКЛ с фотолитической наработкой атомарного йода, действующего в диапазоне давлений кислорода до 10 Тор. В начале главы, для определения места и значения настоящей работы, дается краткий обзор литературы.

В §2.1 дан теоретический анализ работы импульсного ХКЛ. Выяснены основные причины, ограничивающие оптимальные давления кислорода. В предположении, что основной канал тушения 02('А) — это процесс пулннга

02(1 А) + 02(' А)— 02(>1) + 02(31)

получено выражение для максимально достижимого удельного энергозапаса в зависимости от эффективного времени т транспортировки О5СА) до резонатора

Етах —

]<1Т(2 Кр + 1)

Кр — константа равновесия реакции 02('А)+1 (2 Р3/2)-> 02('А) -Н + 1(2Р1/2).

В рамках простой кинетической модели, включающей в себя квазирезонансную передачу энергии с 02('А) на I (2 Р3/2) и тушение 1(2Р1/2) парами воды, показано, что для активной среды ХКЛ с высоким содержанием паров воды существуют ограничения па скорость наработки атомарного йода. Получено выражение, определяющее связь между пороговой долей синглетного кислорода т]пор и степенью превышения коэффициента усиления активной среды ХКЛ 0, над пороговой величиной 0ПОр

_ _1__

Т,П0Р + 2~впор/9> г ■

1 + Опср/е, "

В §2.2 приведено описание экспериментального образца импульсного ХК.Л с фотолитической наработкой атомарного йода. Установка включала в себя барботажный генератор 02('Д) и фо-годиссоционный модуль, представляющий собой помещенную в осветитель от лазера ГОС кварцевую трубку. Здесь же приведены методики измерений энергии и длительности импульсов генерации ХКЛ, концентрации атомов йода и параметров зеркал резонатора.

В § 2.3 приведены основные результаты исследований импульсного ХКЛ.

Показано, что полученные зависимости энергии и длительности импульсой генерации от давления йодидов качественно согласуются с теоретическими. В экспериментах было обнаружено существен-

нос отличие зависимостей от давления кислорода энергии импульсов генерации и энергии, запасенной в кислороде.

Эксперименты по исследованию влияния хлора на генерацию импульсного ХКЛ и реакций хлора с йодидами, результаты которых приведены здесь же, позволяют сделать вывод, что отличие динамики изменений энергии импульсов генерации и энергозапаса активной среды с ростом давления кислорода, а также различия в эффективностях йодидов обусловлены наработкой 12 и ICI в процессе темповых реакций хлора с йодидами в присутствии 02('Д).

В третьей главе исследуется импульсный струйный генератор сииглетного кислорода. В начале главы дан краткий обзор патентов генераторов 02('Д), чтобы подчеркнуть основные преимущества струйных ГСК.

В § 3.1 приведено описание экспериментальной установки. Струн водного щелочного раствора перекиси водорода инжектировались в реакционный объем, представляющий собой заполненную хлором стеклянную трубку. В процессе экспериментов варьировались диаметр трубки, количество струй и их диаметр, удельная реакционная поверхность и время инжекции струй- Концентрация 02('Д) измерялась по интенсивности излучения люминесценции на =1,27 мкм.

В §3.2 и §3.3 приведены зависимости концентрации Ог('Д) ог площади поверхности струй, времени инжекции струй и концентрации щелочи в растворе. Результаты показывают, что вероятность прилипания хлора к раствору уменьшается с уменьшением концентрации щелочи п0н~, что качественно хорошо согласуется с теоретической зависимостью у ~ V «он~ [5].

Экспериментальная установка позволяла получать до 50 Тор О2СД), общее давление кислорода при этом достигало —100Тор. Результаты позволили сделать вывод, что основным фактором, сдерживающим увеличение концентрации Ог('Д) в струйном Г'СК, является истощение поверхности струи раствора ионами НОГ и, как следствие, падение вероятности захвата хлора.

. §3.4 посвящен выяснению перспектив создания импульсных ХКЛ высокого давления по схеме, предложенной в [8], где 02('Д) нарабатывается непосредственно в смеси хлора с йодидом. Было исследовано влияние C3F7I на образование ОгО Д) в струйном ГСК. Показано, что подмешивание C3F7I к хлору на уровне 0,01—0,1 Тор приводит к существенному уменьшению выхода ОгСД). Причем, чем выше давление хлора, тем меньше критическая величина давления C3F7I. Хроматографнческпй анализ показал, что причина этого явления — темповые реакции С1г и C3F7I с образованием, например, ICI. На основании этого делается вывод, что создание на базе струйного ГСК импульсного ХКЛ высокого давления воз-

можно лишь при наличии заменителей С12 (источник ОгСА)) и С3Г71. (источник атомарного йода), нпертпых друг к другу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты полученные в диссертации, состоят в следующем :

1. Предложена концепция конструирования барботажных ГСК высокого давления. Реализация сформулированных требований позволила создать ГСК, действующий в диапазоне давлений кислорода до ЮТор, расходом по кислороду ~ 1 г/сек и содержа-пнем О; ('А) около 50%.

2. Показано, что содержание паров воды па выходе ГСК слабо зависит от расхода хлора и определяется, в основном, температурой раствора в реакторе.

3. На базе разработанного генератора Ог('А) создан импульсный ХК.Л, действующий в диапазоне давлений кислорода до ЮТор. Максимальный удельный энергосъем ~3 Дж/л был достигнут при давлении кислорода ~5Тор с коэффициентом экстракции —0,5.

4. Экспериментально получена зависимость пороговой доли О» ('А) в ХКЛ от превышения коэффициента усиления активной среды над пороговой величиной.

5. Экспериментально показано, что длительность импульса генерации обратиопропорциональпа концентрации атомарного йода. Это подтверждает возможность управления пиковой мощностью импульсного ХКЛ путем изменения давления йодида.

6. Разработан импульсный струйный ГСК. Показана возможность получения синглетного кислорода с давлением —50 Тор при общем давлении в реакторе ~ 100 Тор.

7. Установленная зависимость вероятности захвата хлора водным щелочным раствором перекиси водорода от концентрации щелочи показывает, что истощение поверхности раствора ионами НОГ оказывает существенное влияние на эффективность образования 02('А) в ГСК высокого давления.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Балан //. Ф., Гизатуллин Р. М., Катулин В. А., Куров А. Ю., Николаев В. Д., Петров А. Л., Пичкасов В. М., Свистун М. И. «Импульсный химический кислородно-йодный лазер без охлаждаемой ловушки». Кр. сообщения по физике. № 4, с. 40. 1988.

2. Гизатуллин Р. М., Катулин В. А., Куров А. Ю., Кузнецов С. Г., Николаев В. Д., Петров А. Л., Пичкасов В. М., Свистун М. И. «Оптимизация энергетических характеристик химического кисло-

родно-йодного лазера».—Кв. электроника, т. 14, с. 1807—1809, 1987.

3. Гизатуллин Р. М„ Загидуллин М. В., Куприянов Н. Л., Куров А. 10., Николаев В. Д., Петров А. Л., Пичкасов В■ М. «Химический кислородно-йодный лазер».—Авт. свидетельство № 1514204, 1989.

4. Балан Н. Ф., Гизатуллин Р. М., Дубровский А. В., Кату-лин В. А., Куров А. Ю., Мнацаканян Э. А., Николаев В. Д., Петров А. Л., Пичкасов В. М., Свистун М. И. «Исследование импульсного химического кислородно-йодного лазера».—Кв. электроника, г. 16, с. 1587—1592, 1989.

5. Гизатуллин Р. М., Загидуллин М, В., Заикин А. П., Иго-шин В. И., Куприянов Н. Л., Куров А. Ю., Николаев В. Д., Петров А. Л., Пичкасов В. М„ Свистун М. И. «Релаксация энергозапаса кислородно-йодной активной среды со связанным йодом».— Кв. электроника, т. 15, с. 2078—2086, 1988.

6. Балан Н. Ф., Гизатуллин Р. 'М„ Катулин В. А., Куров А. Ю., Николаев В. Д., Петров А. Л., Пичкасов В. М„ Свистун М. И., Загидуллин М. В. «Влияние параметров генератора ОгОД) на работу импульсного химического кислородно-йодного лазера».—Краткие сообщения по физике, № 4, с. 64—67, 1989.

7. Балан Н. Ф., Загидуллин М. В., Куров А. 10., Николаев В- Д., Свистун М. И., Пичкасов В. М., Гизатуллин Р. М., «Исследование струйного генератора 02('A)».—Кв. электроника, т. 16, с. 2197— —2200, 1989.

9. Balan N. F., Guizatullin R. М„ Zaguidullin М. V.. Katu-lin V. A., Kurov A. U„ Nikolaev V. D., Petrov A. L., Pichkasov V M.. Svistun M. I. «02('A) Generator Parameter Effect on Operation of Coil». Proceedings of the 9th International Congress, Laser 89 Optoelekfronik, p. 24. 1990.

10. Balan N. F., Guizatullin R. M, Zaguidullin M. V., Katu-lin V. A., Kurov A. U„ Nikolaev V. D., Petrov A. L., Pichkasov V. M.. Svistun M. I. «Investigation on pulsed chemical oxygen—iodine laser». Proceedings of the second international workshop, Liblice, Czechoslovakia, p. 199—206, 1989.

1 1. Balan N. F.. Zaguidullin M. V.. Kurov A. U., Nikolaev V. D., Pichkasov V. M., Svistun M. I. «Jet Ог('А) generator» Proceedings of the second international workshop, Liblice, Czechoslovakia, p. 213—218, 1989.

12. Балан H. Ф., Загидуллин M. В., Куров A. 10., Николаев В. Д. Свистун М. И., Пичкасов В. М. «Исследование эффективности использования алкилйодидов в импульсном химическом кислородно-йодном лазере».—Тезисы Всесоюзной конференции «Оптика лазеров». с. 420, 1990.