УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ УГЛЕРОДА Российский патент 1996 года по МПК H01S3/08 B01D59/34 

Изобретение относится к квантовой электронике.

Известно, что под действием излучения импульсного СО₂-лазера молекулы многих соединений способны диссоциировать с высокой изотопической селективностью [1] Это явление можно использовать для создания технологии лазерного разделения изотопов углерода. Для эффективной диссоциации молекул требуется плотность энергии лазерного излучения 5-10 Дж/см² за один импульс. Частота следования импульсов и средняя мощность установки обычно лимитируются лучевой прочностью материала разделительного окна лазерной камеры. В качестве разделительных окон обычно используются плоскопараллельные пластины из NaCl или ZnSe, расположенные под углом Брюстера к оси лазерного луча.

Принципиальным решением проблемы является использование газодинамического окна. Однако это устройство требует для своей работы расхода большого количества энергии и гелия. Использование этого устройства может быть оправдано лишь для особенно мощных лазерных установок.

Другим решением этой проблемы являются уменьшение плотности энергии лазерного излучения в области разделительного окна лазерной камеры и фокусировка излучения внутрь фотохимического реактора.

Прототипом предлагаемого технического решения является устройство [2] включающее лазер и реактор. Линза фокусирует излучение лазера внутрь реактора. В реакторе расположено металлическое зеркало. Газ непрерывно прокачивается через реактор. Эффективная диссоциация молекул происходит в области каустики линзы.

Основной недостаток устройства состоит в том, что здесь имеются значительные непроизводительные потери лазерного излучения. Во-первых, это потери на выходном окне лазера и входном окне реактора. Во-вторых, это потери внутри реактора вблизи его концов, где плотность энергии лазерного излучения невелика и диссоциация молекул практически отсутствует. Это следствие того, что весь объем реактора заполнен поглощающим излучение газом.

Техническим результатом изобретения является увеличение производительности установки лазерного разделения изотопов.

Этот результат достигается тем, что в устройстве линза выполнена в виде разделительного окна между разрядной камерой и реактором, а кроме того, используется плосковыпуклая линза, причем на плоскую поверхность линзы, обращенную в сторону дифракционной решетки, нанесено отражающее покрытие с коэффициентом отражения для используемой длины волны излучения 10-50% Это позволяет полностью извлечь энергию из активной среды СО₂-лазера даже при большом давлении поглощающего излучение газа в реакторе и повысить производительность установки.

При изготовлении линзы из материала, обладающего значительным отражением на данной длине волны лазерного излучения (Ge, AsGa, ZnSe), производительность установки снижается вследствие существенных потерь излучения при отражении от выпуклой поверхности линзы. В этом случае наносят на нее просветляющее покрытие.

Схема предлагаемого устройства представлена на чертеже.

Устройство включает лазерную камеру 1 и реактор 2. В лазерной камере расположена дифракционная решетка 3. В реакторе расположено металлическое зеркало 4 с радиусом кривизны R=-1- -5 м. Плосковыпуклая фокусирующая линза 5, изготовленная из NaCl или ZnSe, с фокусным расстоянием f=1-5 м является разделительным окном между лазерной камерой 1 и реактором 2 с сепаратором (6). На плоской поверхности линзы 5, обращенной в сторону дифракционной решетки, расположено отражающее покрытие 7 с коэффициентом отражения 10-50% На выпуклой поверхности линзы находится просветляющее покрытие 8.

Устройство работает следующим образом.

Реактор 2 расположен в области каустики излучения, и через него прокачивается смесь диссоциирующего соединения, например CF₂HCl, с буферным газом, например азотом или сухим воздухом. Газовая смесь разделяется в криогенном сепараторе 6, очищенный буферный газ вновь подается в реактор и служит для предотвращения диффузии молекул исходного вещества и продуктов его диссоциации к линзе 5 и зеркалу 4, что устраняет потери излучения на поглощение в области вне каустики излучения.

Экспериментальная проверка предлагаемого технического решения проводилась с использованием плосковыпуклой линзы из NaCl с фокусным расстоянием f=2 м, коэффициентом отражения плоской грани линзы 10% и медного зеркала (R=-2м). Реактор длиной 60 см располагался в каустике линзы. Зеркало располагалось на расстоянии 380 см от линзы. Давление CF₂HCl в реакторе составило 30 мм рт. ст. Давление буферного газа (азота) составляло 30 мм рт.ст. Газовая смесь прокачивалась через область каустики излучения с помощью вентилятора. Частота следования импульсов лазерного излучения составляла 200 Гц. Установлено, что предложенное техническое решение позволяет снизить потери лазерного излучения и повысить производительность установки.

Использование: в лазерной технике. Сущность изобретения: устройство для лазерного разделения изотопов углерода содержит CO₂-лазерную камеру с дифракционной решеткой, фотохимический реактор с металлическим зеркалом и криогенным сепаратором, фокусирующую линзу. Для увеличения производительности установки плосковыпуклая линза выполнена в виде разделительного окна между лазерной камерой и реактором, и на плоскую поверхность линзы, обращенную в сторону дифракционной решетки, нанесено отражающее покрытие с коэффициентом отражения 10 - 50%, а на выпуклую поверхность нанесено просветляющее покрытие. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ УГЛЕРОДА, включающее CO₂-лазерную камеру с дифракционной решеткой, фотохимический реактор с металлическим зеркалом и криогенным сепаратором, фокусирующую линзу, отличающееся тем, что плосковыпуклая фокусирующая линза выполнена в виде разделительного окна между лазерной камерой и фотохимическим реактором, а на плоскую поверхность линзы, обращенную в сторону дифракционной решетки, нанесено отражающее покрытие с коэффициентом отражения 10 - 50%. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на выпуклую поверхность линзы нанесено просветляющее покрытие.