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

САРАТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ 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

АВТОРЕФ ЕРАТ 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&д Р/!_1992 года в

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 —» . ,. 1991 г.

Ученый 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, по и, п 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 хлорат относительно высокую долю ОгОД) па 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 и 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 О2 С1 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 н исследовании импульсного ХКЛ с фотолитнческой наработкой атомарного йода, действующего при давлениях кислорода значительно превышающих 1 Тор. Она включала в себя:

1. Разработку и создание генераторов О2 ('А) высокого давления на основе хлорирования щелочного раствора перекиси водорода и исследование влияния состава рабочего раствора на их выходные характерце такн.

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

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

Научная новизна работы. В рамках поставленной задач:» была предложена и реализована концепция разработки ба;рботажных 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 ОгСД) от превышения коэффициента усиления активной среды ХКЛ над пороговой величиной и длительности импульса генерации от концентрации йодидов.

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) п вероятность захвата хлора на поверхности раствора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Импульсный химический кислородно-йодный лазер с фотолитнческой наработкой атомарного йода на базе барботажного генератора синглстпого 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 энсргозапаса [Дж/л] активной среды требует ограничения объемного расхода газа через отдельное отверстие барботера и соответствующего выбора высоты раствора в барботажном гене-4

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

— с ростом остаточного давления хлора на выходе генератора синглетного кислорода удельный энергосъем в импульсном XKJ1 уменьшается из-за образования в присутствии синглетного кислорода тушителей ОгОА) и I (2 Р1/2) в процессе темновых реакций хлора с йодидами;

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

— в диапазоне давлений кислорода до 10 Тор наибольший энергосъем достигается при использовании в качестве донора атомарного йода СН31;

— 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 Ог ('А) не ниже 50%, а также результаты его исследования:

— с ростом приведенной реакционной поверхности раствора и 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 02 ('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» (Munchen, 1989), 11а 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 н 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 н 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 синглетного 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 опнеаны методики измерений концентрации синглетного кислорода, паров воды и хлора. Концентрация 02('А) определялась по интенсивности излучения люминесценции 02 ('А) —02 (3il) па длине волны Х= 1,27 мкм. Содержание паров воды находилось из соотношения между интенсивностями излучений на длинах волн Я= 1,27 мкм (которая пропорциональна концентрации синглетного кислорода мл) и >„ = 0,762 кмк (переход 02 ('S) — 02 (32), интенсивность которого пропорциональна концентрации кислорода в состоянии '2) согласно выражения пн,о = ki кт^!: , где ki — скорость пулинга 02('A) и кт — скорость тушения СЬ^И) 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 Г'СК в диапазоне давлений кислорода до 10 Тор: зависимости концентрации и доли 0|2(' А), 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-

яться, 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 дай теоретический анализ работы импульсного ХКЛ. Выяснены основные причины, ограничивающие оптимальные давления кислорода. В предположении, что основной капал тушения 02('Д) — это процесс пулинга

02('Д) + 02('Д) — 02('2) + 02(32)

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

_ I] у[(2 Кр + 1) 72 — 1]г Ьтах~ к,т(2Кр + 1)

Кр — константа равновесия реакции 02(' Д) +1 (2 Р3/2)-*- 02 (' Д) + + 1(2Р1/Ь).

В рамках простой кинетической модели, включающей в себя квазирезопансную передачу энергии с 02('Д) на I (2 Р3/2) и тушение I (2 Р* 1 /2) парами воды, показано, что для активной среды ХКЛ с высоким содержанием паров воды существуют ограничения на скорость наработки атомарного йода. Получено выражение, определяющее связь между пороговой долей синглетного кислорода 1]пор и степенью превышения коэффициента усиления активной среды ХКЛ 0, над пороговой величиной 6Пор

_ _\_

11"ОР_ | + 2-вп°р/еМ, •

1 + епор / е(

В §2.2 приведено описание экспериментального образца импульсного ХКЛ с фотолитической наработкой атомарного йода. Установка включала в себя барботажный генератор 02('Д) и фо-тодиссоционный 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 импульсов генерации от давления йодндов качественно согласуются с теоретическими. В экспериментах было обнаружено существен-

ii6s отличие зависимостей от давления кислорода энергии кинули-' сов 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 синглетпого кислорода. В начале главы дан краткий обзор патентов генераторов ОгСД), чтобы подчеркнуть основные преимущества струйных ГСК.

В § 3.1 приведено описание экспериментальной установки. Струи 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 О2СД) измерялась но интенсивности излучения люминесценции па =1,27мкм.

В §3.2 и §3.3 приведены зависимости концентрации 02(1 от площади поверхности струй, времени инжекиии струй и концентрации щелочи в растворе. Результаты показывают, что вероятность прилипания хлора к раствору уменьшается с уменьшением концентрации щелочи я0н~, чт<> качественно хорошо согласуется с теоретической зависимостью у — У Лон~ [5].

Экспериментальная установка позволяла получать до 50 Тор 02('Д), общее давление кислорода при этом достигало —100 Тор. Результаты позволили сделать вывод, что основным фактором, сдерживающим увеличение концентрации ОгСД) в струйном ГСК, 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 О2С Д) в струйном ГСК. Показано, что подмешивание C3F7I к хлору на уровне 0,01—0,1 Тор приводит к существенному уменьшению выхода 02('Д). Причем, чем выше давление хлора, тем меньше критическая величина давления C3F7I. Хроматографический анализ показал, что причина этого явления — темповые реакции СЬ 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 СЬ (источник ОгСА)) и СзГ;1. (источник атомарного йода), инертных друг к другу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты полученные в диссертации, состоят в следующем:

1. Предложена концепция конструирования барботажных ГС К высокого давления. Реализация сформулированных требований позволила создать ГСК, действующий в диапазоне давлений кислорода до 10 Тор, расходом по кислороду ~ 1 г/сек и содержанием 03('Л) около 50%.

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

3. На базе разработанного генератора ОгСА) создан импульсный ХКЛ, действующий в диапазоне давлений кислорода до 10 Тор. Максимальный удельный энергосъем ~ЗДж/л был достигнут при давлении кислорода ~5Тор с коэффициентом экстракции ~0,о.

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 обратнопропорциональпа 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 Н02~ оказывает существенное влияние на эффективность образования Ог('А) в ГСК высокого давления.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:. ""1

1. Балан Н. Ф.. Гилатуллин Р. М., Катулин В. А.. Куров А. 10., 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., Мнацаканйн 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 знергоза-паса кислородно-йодной активной среды со связанным йодом».— Кв. электроника, т. 15, с. 2078—2086, 1988.

6. Балан Н. Ф., Гизатуллин Р. М., Кату лин В. А., Куров А. 10., Нш юлаев В. Д., Петров А. Л., Пичкасов В. М., Свистун /VI. И., Загидуллин М. В. «Влияние параметров генератора 02('Д) на работ}" импульсного химического кислородно-йодного лазера».—Краткие сообщения но физике, М> 4, с. 64—67, 1989.

7. Балан Н. Ф., Загидуллин М. В., Куров А. ¡О., Николаев В■ Д., Свистун М. И., Пичкасов В. М., Гизатуллин Р. М„ «Исследование струйного генератора 02('Д)».—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('Д) 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. AT.. Svistun M. I. «Investigation on pulsed chemical oxygen—iodine laser». Proceedings of the second international workshop, Liblice, Czechoslovakia, p. 199—206, 1989.

11. Balan N. F., Zaguidullin M. V., Kurov A. U., Nikolaev V. D., Pichkasov V. M„ Svistun M. I. «Jet 02('A) 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.

13. Балан Н. Ф„ Загидуллин М. В., Куров А. Ю., Николаев В. Д., Свистун М. И., Пичкасов В■ М. «Струйный генератор ОгСЛ)»—Тезисы Всесоюзной конференции «Оптика лазеров», с. 126, 1990.

1. McDermott W. Е., Pchelkin N. R., Benard D. J., Bousek R. R. «An electronic transition chemical laser» Appl. Phys. Lett., vol. 32, p. 469—470, 1978.

2. «Report to the American Physical Sociaty of directed energy weapons» — Rewiews of Modern Physics, vol. 59, Num. 3, Pt. 2, p. SI—S201, 1987.

3. Басов H. Г., Вагин H. П., Крюков П. Г., Нурлигареев Д. К., Пазюк В. С., Юрышев Н. Н. «СН31 и C3F7I как доноры атомарного йода для импульсного химического кислородно-йодного лазера». Квантовая электроника, т. 11, с. 1893—1894, 1984.

4. Под редакцией Кебнера Г. «Промышленное применение лазеров»—М.: Машиностроение, 1988.

5. Басов Н. Г., Загидуллин М. В., Игошин В. И., Катулин В. А., Куприянов Н. Л. «Теоретический анализ химического кислородно-йодного лазера». — Труды ФИАН, т. 171, с. 30—53, 1986.

6. Hays G. N., Fisk G. A. «Chemically pumped iodine laser as fusion driver». — IEEE J. Ouantum Electronics, vol. OE—17, p. 1823—1827, 1981.

7. Gerasimenko N- N., Eroshenko V. A., Kalinovski V. V., Kono-valov V. V., Krukovslii I. M., Nikolacv V. D., Shornicov L. N. «А Chemical Oxyg-en—Iodine Laser with a High Water Vapor Content». — Laserion 91, Book of Abstracts, p. 107, Munchen, 1991.

8. Загидуллин M. В., Игошин В. И., Куприянов Н. Л. «Способ получения инверсной заселенности на атомах йода».—Авт. свидетельство № 1329531, 1987.

Литература

Заказ 790. Тираж 100 экз. Типография ЭОЗ САИ, Самара, Ульяновская, 18,