ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ЯДЕРНОЙ НАКАЧКОЙ Советский патент 1994 года по МПК H01S3/09 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсных газовых лазеров с ядерной накачкой.

Известен газовый лазер с ядерной накачкой, осуществляемой за счет энергии осколков деления ядер 235V, наносимых на внутреннюю поверхность кюветы. Недостатком указанного лазера является низкая энергия генерации.

Наиболее близким по технической сущности является газовый лазер с ядерной накачкой, содержащий кювету, выполненную в виде цилиндрической трубки, наполненную рабочим газом, на внутреннюю поверхность которой нанесен ураносодержащий слой.

Недостатком такого лазера является низкая выходная энергия генерации из-за того, что активная область генерации не охватывает весь объем газа, заполняющего кювету. Это возникает по той причине, что при работе лазера газовый объем разделяется на две части: активную область генерации и область, не охваченную генерацией, то есть пассивную зону. Пассивная зона образуется вследствие охлаждения непосредственно прилегающей к ураносодержащему слою части газа. Охлаждение происходит за счет передачи тепла трубке кюветы, теплоемкость единицы объема которой значительно превосходит теплоемкость единицы объема газа. В пределах пассивной зоны градиент температуры отрицателен, и соответственно положительны градиенты плотности и показателя преломления; в активной области - наоборот. В активной области потерь световой энергии нет, так как световые лучи, имевшие первоначальное направление, параллельное оси симметрии лазера, беспрепятственно выходят за пределы его кюветы. В пассивной же зоне имеют место потери световой энергии ввиду того, что при положительном градиенте показателя преломления световые лучи загибаются на стенку кюветы и там поглощаются. С течением времени пассивная зона расширяется. При длительности нейтронного импульса накачки τ≈10^-3с размер пассивной зоны примерно равен 1 мм. При увеличении длительности облучения до значения 10^-2 с размер пассивной зоны к концу облучения возрастает до 3 мм. При длительности облучения нейтронным потоком газового лазера с ядерной накачкой порядка или больше 0,8 с пассивная зона может охватить весь рабочий объем лазера.

Целью изобретения является повышение выходной энергии лазера.

Цель достигается тем, что в газовом лазере с ядерной накачкой, содержащем цилиндрическую трубку с нанесенным на ее внутреннюю поверхность слоем, включающем ядра урана ²³⁵U, наполненную рабочей газовой средой, ядра урана ²³⁵U внедрены также и в стенку трубки, при этом концентрация N ядер урана ²³⁵U в стенке выбрана из соотношения
N= N ε-1 где N₁ - концентрация ядер урана ²³⁵U в единице объема урансодержащего слоя;
С₁, С_2, С₃ - удельные теплоемкости (при постоянном объеме) рабочей среды, урансодержащего слоя и цилиндрической трубки, соответственно;
ρ₁, ρ₂, ρ₃ - плотность активной среды, урансодержащего слоя и цилиндрической трубки, соответственно;
r₁ - внутренний радиус урансодержащего слоя;
r₂ - внешний радиус урансодержащего слоя;
r₃ - внешний радиус цилиндрической трубки;
ε- эффективно передаваемая рабочей среде доля энергии осколков от деления, происходящего в урансодержащем слое.

На фиг. 1 изображен продольный разрез лазера; на фиг.2 для момента времени t = 2,6 с представлены кривые зависимости координаты внешней границы активной области генерации и энергии лазерного излучения как функции концентрации ядер урана ²³⁵U в трубке, полученные расчетным путем для потока нейтронов накачки, нарастающего с периодом τ_н =1,5 с. Кривые фиг.3 иллюстрируют временную зависимость квазипрямоугольного нейтронного импульса накачки и результаты расчетов средней интенсивности излучения лазера при внедрении ядер урана ²³⁵U с оптимальной концентрацией N в стенку трубки и в отсутствие урана в стенке.

Показанный на фиг.1 лазер содержит цилиндрическую трубку, наполненную рабочей газовой средой 1, урансодержащий слой 2, стенку цилиндрической трубки 3 с внедренными в нее ядрами урана ²³⁵U 4.

Выражение для выбора оптимальной концентрации N ядер урана ²³⁵U, внедренных в стенку трубки, получено из балансных энергетических соотношений. Значение оптимальной концентрации не зависит от динамики работы лазера, что было подтверждено расчетом.

Работает газовый лазер с ядерной накачкой следующим образом.

При облучении лазера нейтронным потоком происходит деление ядер урана ²³⁵U как урансодержащего слоя нанесенного на внутреннюю стенку трубки, так и ядер урана, внедренных в стенку трубки. Пpи этом осколки деления ядер урансодержащего слоя обеспечивают создание инверсной заселенности активной среды газового лазера. Энергия, выделяемая при делении ядер урана, внедренных в стенку, приводит к повышению температуры стенки и тем самым устраняет причину возникновения пассивных зон.

П р и м е р. Рассмотрим газовый лазер с ядерной накачкой, полость цилиндрической трубки которого заполнена смесью НЕ+Хе (в отношении 200:1) с начальной плотностью ρ₁ =0,9256˙10³ г/см³. Внешний радиус урансодержащего слоя -2 r₂=1 см, его толщина δ =0,518˙10^-3 см. Материал слоя - двуокись урана, характеризующая плотностью ρ₂ =10,96 г/см³ и концентрацией ядер урана ²³⁵U N₁ = 2,47˙ 10²² яд/см³. Внешний радиус цилиндрической трубки -3 r₃=1,1 см, ее толщина Δ r₃=0,1 см; трубка сплошная. Материал трубки - сплав: цирконий с добавкой урана ²³⁵U его плотность ρ₃=6,44 г/см³. Начальная температура всей системы Т_о = 303К. Выполнены термогазодинамические расчеты на ЭВМ при нарастании потока тепловых нейтронов накачки по закону
Φ(t)= Φ_oe^t/τн с заданным периодом τ_н =1,5с. Φ_o полагалась равной 10¹³ н/см² с. В расчетах варьировалась концентрация ²³⁵U в материале стенки трубки 3. Кривая 5 на фиг.2 изображает зависимость координаты границы активной области генерации от концентрации ядер урана-235 в стенке трубки. Кривая 6 отражает зависимость от этого же параметра относительной величины q, равной отношению полной энергии лазерного излучения, выводимой из активной области генерации, к величине энергии излучения лазера, которая имеет место, если бы активная область охватывает весь газовый объем. При значении концентрации N = 2,13 ˙ 10²¹ яд/см³, которое совпадает со значением N, рассчитанным по формуле, определяющей оптимальную концентрацию ядер ²³⁵U в стенке трубки, обе кривые на фиг.2 имеют характерные особенности. При N₃ ≥2,13˙10²¹ яд/см³ координата внешней границы активной области генерации (кривая 5) становится равной внутреннему радиусу урансодержащего слоя 2 кюветы, то есть пассивная зона исчезает. Соответственно, кривая 6, характеризующая зависимость полной энергии генерации, достигает своего максимального возможного значения q=1. Таким образом, прямые расчеты подтверждают, что приведенные выше формулы определяют оптимальное значение концентрации ядер урана в трубке лазерной кюветы, которое необходимо обеспечить для эффективной компенсации влияния неоднородностей температуры и плотности, возникающих в рабочем газе.

Эффективность действия такого лазера с оптимальной концентрацией ядер ²³⁵U в трубке проверена в расчетах термогазодинамических и оптических характеристик при работе его в режиме накачки потоком тепловых нейтронов, имеющем временную зависимость, близкую по форме к прямоугольной, с длительностью τ=1с - кривая 7 на фиг.3. Величина Φ_m =0,683˙10¹⁴ н/см²˙с есть максимальное значение потока тепловых нейтронов. На основе полученных пространственно-временных распределений температуры и плотности газовой смеси с использованием временной зависимости импульса накачки тепловых нейтронов и известных соотношений, описывающих связь между плотностью газа и его показателем преломления, распределением показателя преломления и расходимостью оптического излучения и т.п., рассчитано изменение во времени относительной средней интенсивности лазерного излучения. Кривая 8 на фиг.3 отражает изменение со временем относительной интенсивности I(t)/Im излучения лазера, в стенки трубки N₃* =2,13˙10²¹ яд/см³. Кривая 9 на фиг.3 передает изменение со временем относительной интенсивности излучения лазера, трубка кюветы которого не содержит ядер ²³⁵U. Для обеих кривых (как 8, так и 9) I_m есть максимальное значение средней интенсивности излучения лазера, в стенке трубки которого введен уран-235 с оптимальной концентрацией.

Оптимальная концентрация ядер ²³⁵U в трубке кюветы лазера определяется геометрическими размерами и теплофизическими параметрами самой трубки, урансодержащего слоя и рабочей газовой среды. При изменении концентрации ядер ²³⁵U в материале трубки от нуля до оптимальной величины выходная энергия излучения лазера монотонно растет до максимально возможного значения. При дальнейшем увеличении концентрации выходная энергия излучения остается неизменной.

Таким образом, внедрение ядер урана ²³⁵U с оптимальной концентрацией N в стенку трубки лазера с ядерной накачкой, позволяет существенно в 5-10 раз (при длительности накачки τ≈ 1 с) увеличить энергию выходного излучения лазера по сравнению с прототипом. Кроме того, такое устройство полностью исключает возможность отказа нагрева стенки трубки и обеспечивает синхронность слежения разогрева трубки за разогревом рабочей газовой среды. (56) Helmick H-H. Tuller I. Let all Direct nuclear pumping of Helium Xenon Laser Applied Physics Letters 1975, 26, N 6, р.327.

Воинов А.М., Довбыш Л.Е., Кривоносов В.Н. и др. "Инфракрасные лазеры с ядерной накачкой на переходах Ar 1, Kr 1 и Xel, Письма в ЖТФ, 1979, т.5, в 7, с.422.

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ЯДЕРНОЙ НАКАЧКОЙ, содержащий цилиндрическую трубку с нанесенным на ее внутреннюю поверхность слоем, включающим ядра урана ²³⁵U, наполненную рабочей газовой средой, отличающийся тем, что, с целью повышения выходной энергии лазера, ядра урана ²³⁵U внедрены также и в стенку трубки, при этом концентрация N ядер урана ²³⁵U в стенке выбрана из соотношения
N=N · ε-1,
где N₁ - концентрация ядер урана ²³⁵U в единице объема урансодержащего слоя;
C₁; C₂; C₃ - удельные теплоемкости (при постоянном объеме) рабочей среды, урансодержащего слоя и цилиндрической трубки соответственно;
ρ₁ ; ρ₂ ; ρ₃ - плотности активной среды, урансодержащего слоя и цилиндрической трубки соответственно;
r₁ - внутренний радиус урансодержащего слоя;
r₂ - внешний радиус урансодержащего слоя;
r₃ - внешний радиус цилиндрической трубки;
ε - эффективно передаваемая рабочей среде доля энергии осколков от деления, происходящего в урансодержащем слое.