Мелников Газовые лазеры с ядерной накачкой 2008

измерению энергетических и пороговых характеристик в зависимости от парциального давления ксенона при различных коэффициентах пропускания зеркал резонаторов. В экспериментах применялись узкополосные диэлектрические зеркала, что позволяло исключить одновременную генерацию на нескольких линиях. При использовании экспериментальных данных и теории Ригрода [81] были определены зависимости начальных коэффициентов усиления и параметров насыщения от парциального давления ксенона. В табл. 4.2 приведены некоторые данные для этих смесей при q = 40 Вт/см3 (максимум импульса накачки) в оптимальных по давлению ксенона режимах.

Таблица 4.2. Начальные коэффициенты усиления (α0) и параметры насыщения (Is) для ЛЯН на переходах атома Хе при оптимальном давлении ксенона 1 мм рт. ст.

Результаты исследований во ВНИИТФ

Исследования по проблемам ЛЯН во ВНИИТФ начались в 1979 г., а в 1981 г. были проведены первые эксперименты по накачке смеси Не-Хе осколками деления урана. В отличие от большинства экспериментальных работ, в которых лазерные кюветы размещались вблизи активных зон импульсных реакторов, в экспериментах ВНИИТФ применялась специализированная установка ЭБР-Л, в состав которой входят импульсный реактор на быстрых нейтронах и лазерная кювета (см. раздел 3.5).

С использованием установки ЭБР-Л выполнены исследования ИК-лазеров на переходах атомов Хе и Ar, основные результаты которых представлены в таблице 4.3 [18,82].

111

Таблица 4.3. Результаты исследований ЛЯН на ИК-переходах атомов инертных газов, выполненных во ВНИИТФ

К наиболее важным результатам следует отнести высокий КПД лазера на переходах атома Хе, что является подтверждением результатов экспериментов ВНИИЭФ, а также получение ηl ≥ 1 % для лазера на смеси He-Ar (λ = 1,79 мкм). Следует также отметить исследования, выполненные на импульсных реакторах ЭБР-Л и ИГРИК, где были определены энергетические характеристики ла-

зеров на смесях He-Ar (λ = 1,79 мкм) и He-Ar-Xe (λ = 2,03 мкм) при удельных энерговкладах до 2,5 Дж/см3. В результате исследований получены достаточно высокие удельные энергосъемы лазерного излучения – 7,5 Дж/л на λ = 1,79 мкм и 9 Дж/л на λ = 2,03 мкм.

Зарубежные исследования

За рубежом накачка лазеров на переходах атомов инертных газов ядерными излучениями была впервые осуществлена в 1975 г. в лаборатории LANL (США) при возбуждении смеси Не-Хе (λ = 3,51 мкм) осколками деления урана [83]. Дальнейшие исследования были направлены на поиск и изучение параметров ЛЯН на различных переходах атомов Xe, Kr и Ar. Основные результаты экспериментов представлены в табл. 4.4.

Из приведенных в табл. 4.4 данных видно, что в зарубежных исследованиях генерация получена, в основном, на тех же переходах nd-(n+1)p атомов Xe, Kr, Ar (за исключением линий 3,65 мкм атома Хе и 1,27 мкм атома Ar). Максимальные мощности излучения до 1 кВт зарегистрированы в экспериментах на быстром им-

112

пульсном реакторе APRF (Φmax = 4,3 1016 см-2 с-1) для лазера на смеси 3He-Ar (λ = 1,79 мкм) при использовании многопроходной ла-

зерной кюветы объемом 3,6 л (рис.3.2,б). Однако КПД этого лазера был невелик и составлял ~ 0,01 %.

Таблица 4.4. Результаты зарубежных исследований ЛЯН на ИК-переходах атомов Xe, Kr, Ar [18]

113

Примечание: *) в смеси Не-Хе генерация происходит на линии 2,65 мкм, а не 2,63 мкм

В опубликованных до 1989 г. работах зарубежных исследователей величина КПД для ИК-лазеров на переходах атомов Xe, Kr, Ar не превышала 0,1 %, что объясняется конструктивными особенностями лазерных кювет, загерметизированных на концах окнами, расположенными под углом Брюстера. В этих окнах из-за уменьшения светопропускания под действием реакторного n,γ-излучения возникают дополнительные потери внутри резонатора. Кроме того, наличие окон Брюстера не позволило получить генерацию на интенсивных линиях 2,63 и 2,65 мкм атома Хе из-за поглощения излучения в атмосферных парах воды в областях резонатора, расположенных между окнами и зеркалами.

Значительно более высокие значения ηl = 3,3 и 5,6 % были получены в лабораториях Sandia для лазеров на смесях He-Ar-Xe (λ = 2,03 мкм) и Ar-Xe (λ = 1,73 мкм) при использовании кювет с окнами из радиационностойких оптических материалов и сравнительно невысоких удельных мощностях накачки q ≤ 10 Вт·см-3 [84]. При более высоких удельных мощностях накачки и удельных поглощенных энергиях происходило снижение КПД и генерация наблюдалась на переднем фронте импульса накачки, что могло быть

114

вызвано существенными нарушениями оптической однородности среды (особенно в смеси Ar-Xe) или плазменными эффектами. Исследования, выполненные в Sandia, показали также, что введение Не в смесь Ar-Xe приводит к изменению спектра генерации (вместо линии 1,73 мкм появляется линия 2,03 мкм) и увеличению длительности лазерного импульса.

Из выполненных за рубежом исследований можно также отметить работу [85], где изучалось влияние добавок 235UF6 на характеристики Ar-Xe-лазера (λ = 2,6 мкм). Эти эксперименты были направлены на выяснение возможности использования газообразного соединения 235UF6 в качестве объемного источника осколков деления. Показано, что уже при низкой концентрации гексафторида урана (~ 0,5 %) наблюдается снижение энергетических параметров, что свидетельствует об эффективном «тушении» возбужденных атомов Хе* молекулами UF6. Таким образом, создание ЛЯН на основе 235UF6 представляется в настоящее время нереальным.

КПД ЛЯН на переходах атомов Xe, Kr и Ar

КПД (ηl) или эффективность преобразования поглощенной энергии (мощности) накачки в лазерное излучение является важнейшим параметром для всех лазеров. В случае ЛЯН максимальными КПД преобразования поглощенной ядерной энергии в лазерное излучение обладает семейство лазеров на переходах атомов инертных газов, причем самые высокие ηl ≥ 1 % зарегистрированы для лазеров на переходах атома Хе (1,73; 2,03 и 2,65 мкм) и атома Ar (1,27 и 1,79 мкм). В табл. 4.5, заимствованной из монографии [18], сопоставлены результаты, полученные в различных лабораториях, а также приведены предельные КПД (ηmax), представляющие собой отношение энергии лазерного кванта к энергетическим затратам на образование одной первичной активной частицы плазмы (иона или возбужденного атома). Подробнее этот вопрос обсуждается в разделе 5.1. Для сравнения в табл. 4.5 включены также данные по КПД, полученные при возбуждении газовых сред электронными пучками.

Из табл. 4.5 следует, что в некоторых случаях величина реального КПД (ηl) приближается к предельному значению, что свидетельствует о незначительных потерях энергии в плазмохимиче-

115

ских реакциях передачи энергии и высокой селективности конечного процесса заселения верхних лазерных уровней. Возможно, что высокая эффективность ЛЯН объясняется также заметным вкладом в заселение верхних лазерных уровней процессов ассоциативной ионизации с участием метастабильных состояний 6s атома Хе или 4s атома Ar.

Таблица 4.5. Максимальные КПД (ηl) лазеров на переходах атомов Хе и Ar [18]

≥ 100 мкс, что существенно больше характерных времен плазменных процессов, КПД обычно определяют как отношение мощности генерации к мгновенной мощности, поглощенной в активном объеме лазера. Под активным объемом понимают, как правило, весь возбуждаемый объем лазерной кюветы. В частности, таким способом определялись КПД в исследованиях, выполненных во ВНИИЭФ и ВНИИТФ. Однако иногда ηl определяют по отношению к вкладу мощности в мόдовый (излучающий) объем, который меньше полного объема. Естественно, что в этом случае значение ηl будет выше. Например, в работе [86] КПД для ЛЯН на смеси 3He-Ar (λ = 1,79 мкм), вычисленные двумя способами, отличаются примерно в 100 раз.

116

Одной из причин несоответствия данных по КПД, полученных в различных лабораториях, является также использование двух различных способов определения энерговклада в лазерную среду – из результатов измерения скачка давления в газовой среде или расчетным путем. Исследования в различных лабораториях показали, что измеренный в экспериментах энерговклад меньше расчетного примерно в 1,5-2 раза (см. раздел 1.4). Не исключено, что полученные в экспериментах Sandia высокие значения ηl ≈ 5 %, превышающие предельные, объясняются погрешностями в определении энерговклада.

Влияние температуры и газовых примесей на лазерные характеристики

В экспериментах с ЛЯН на импульсных реакторах удельные мощности накачки достигали q ≤ 5 кВт/см3 (удельный энерговклад до 1 Дж/см3), что может привести к заметному увеличению температуры газовой среды – до ~ 1000 К при давлениях 1 атм. Увеличение температуры в процессе импульса накачки может оказать влияние на мощность генерации. Возможно, что это обстоятельство является одной из причин срыва генерации до момента достижения максимума импульса накачки для некоторых смесей. Заметный нагрев активной среды может также происходить в мощных непрерывных ядерно-лазерных устройствах. Поэтому изучение влияние температуры нагрева активной среды ЛЯН на их характеристики представляет большой интерес.

Первые эксперименты в этой области были выполнены во ВНИИТФ для ЛЯН на переходах атома Хе. К настоящему времени влияние температуры на характеристики ЛЯН исследовано для ксенонового лазера на смесях He(Ar)-Xe, He(Ne)-Ar-Xe (λ = 1,73; 2,03;2,65 мкм) и аргонового лазера на смесях He-Ar, He-Ne-Ar (λ = 1,27; 1,79 мкм). Для изменения температуры газовых сред использовался электрический нагреватель. Обзор результатов этих исследований выполнен в монографии [18].

Анализ результатов показывает, что влияние температуры на параметры ЛЯН зависит от давления (плотности), состава газовой среды и длины волны генерации. Для исследованных ЛЯН уменьшение мощности лазерного излучения в два раза происходило при нагреве газовой среды до сравнительно невысоких температур

117

400-500 К (начальная температуры газовой среды 300 К). Причины такого влияния до сих пор окончательно не выяснены и являются предметом дискуссии.

Чаще всего среди наиболее вероятных причин снижения энергетических лазерных параметров с ростом температуры рассматривалось влияние температуры на процессы формирования инверсной населенности лазерных уровней. Для ЛЯН на переходах атома Хе в качестве таких процессов, например, предлагались столкновительное «тушение» и «перемешивание» лазерных уровней атомами буферного газа, снижение скорости образования гетероядерных ионов ArХе+ и «перемешивание» лазерных уровней электронами, разрушение ионов ArХе+ при столкновениях с атомами буферного газа.

Одна из возможных причин влияния температуры на параметры ЛЯН − загрязнение активной среды посторонними газовыми примесями (в частности, парами воды) в результате их десорбции со стенок кюветы с ростом температуры. Прилипание электронов к молекулам H2O может привести к снижению концентрации электронов и, следовательно, к уменьшению скорости заселения верхнего лазерного уровня в результате снижения скорости рекомбинационных процессов [87].

Интересные данные были получены в работе [88], где при возбуждении лазеров на смесях Ar-Хе (λ = 1,73 мкм) и He-Ar-Xe (λ = 2,03 мкм) пучком ионов 32S9+ с энергией 100 МэВ (длительность прямоугольных импульсов 20-50 мкс, частота следования импульсов 30-45 Гц) удалось изучить раздельное влияние на лазерные параметры температуры среды и примесей H2O. Как показывают результаты, энергетические параметры лазера на смеси Ar-Хе снижаются как при увеличении температуры активной среды без примесей H2O, так и с увеличением содержания H2O при постоянной комнатной температуре. Так, для смеси Ar-Хе (р = 0,16 атм; 0,3 % Хе) мощность генерации снижается в два раза при увеличении температуры до 400 К. При увеличении содержания паров воды в смеси Ar-Хе (р = 0,5 атм; 0,5 % Хе) такое же снижение наблюдается при концентрации H2O около 1·1015 см-3. Для смеси He-Ar- Xe (рНе = 0,15 атм; рХе = 0,05 атм; 0,2 % Хе) снижение мощности генерации в 2 раза происходит при температуре 520 К.

118

По мнению авторов [88], влияние паров воды заключается не только в снижении концентрации электронов, но и в столкновительном «тушении» верхнего лазерного уровня 5d[3/2]10 атома Хе, причем константа скорости процесса «тушения» очень велика и составляет 4·10-9 см3/с. Наблюдаемое в экспериментах [88] снижение мощности генерации с ростом температуры для смесей без примесей H2O свидетельствует, что температура газа влияет на процессы формирования инверсной населенности лазерных уровней.

Кроме паров воды в активных средах ЛЯН присутствуют примеси N2, СО2, O2, H2 и др., которые могут появляться в результате процессов десорбции этих примесей со стенок кювет и из-за недостаточной степени откачки лазерных кювет. Появление этих молекулярных газов в активной среде также может привести к ухудшению лазерных параметров из-за их влияния на процессы заселения и «тушения» как верхних, так и нижних лазерных уровней.

4.2.Лазеры видимого диапазона на переходах атома Ne

Вспектрах атомов инертных газов имеется ряд интенсивных линий, принадлежащих переходам (n+1)p-(n+1)s атомов инертных газов (n = 5,4,3,2 соответственно для Xe, Kr, Ar, Ne), которые заканчиваются на метастабильных состояниях (n +1)s. Эффективность заселения верхних уровней (n+1)p в рекомбинацион- но-неравновесной плазме очень высока [61], поэтому эти переходы являются перспективными для поиска лазерной генерации. Однако для получения генерации на переходах (n+1)p-(n+1)s в непрерывном режиме необходима высокая скорость расселения (n+1)s-уровней, что можно обеспечить двумя способами: за счет столкновительного «тушения» атомами буферного газа (как, например, в лазере с ядерной накачкой на линии 1,15 мкм атома Ar) и

спомощью дополнительных «тушащих» примесей.

Сложность выбора «тушащей» примеси связана, прежде всего, с тем, что она не должна существенно влиять на населенность верхнего уровня. Такая схема была реализована в неоновом ЛЯН на переходах 3p-3s атома Ne на линиях 585,3; 703.2 и 724.5 нм. Информацию об этих ЛЯН можно найти в монографии [18] и об-

зорных работах [20,26,39,82].

119

Кроме ядерных излучений для накачки неонового лазера использовались электронные пучки [32], причем в этом случае генерация наблюдалась дополнительно на линиях 626,7; 633,4; 659,9 и 743,9 нм. В качестве «тушащих» примесей в случае ЛЯН использовались М = Ar, Kr, Xe, H2, а при накачке электронным пучком и NF3. «Тушение» нижних 3p-уровней осуществлялось за счет реакции Пеннинга: Ne*(3p) + М → М+ + Ne + e. Схема уровней атома Ne с лазерными переходами приведена на рис.4.5.

632,8 нм

585,3 нм

724,5 нм

703,2 нм

Рис.4.5. Схема уровней атома Ne с лазерными переходами

Впервые накачка неонового лазера ядерными излучениями была осуществлена во ВНИИЭФ в 1985 г., сразу после первых сообщений об успешной накачке этого лазера электронным пучком. Основные результаты исследования ЛЯН на переходах 3p-3s атома

120