Устройство для двухчастотного лазерного разделения изотопов

 

Использование: в лазерной технике. Сущность изобретения: устройство для двухчастотного лазерного разделения изотопов включает CO₂ - лазерную камеру с дифракционной решеткой, фотохимический реактор с металлическим зеркалом и криогенным сепаратором, фокусирующую линзу. Для увеличения производительности установки линза выполнена в виде разделительного окна между лазерной камерой и реактором. В лазерной камере расположено дополнительное металлическое зеркало. 1 ил.

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 особо 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.

Существенный недостаток данного устройства состоит в том, что здесь используется одночастотное лазерное излучение. В то же время известно, что эффективность многофотонной диссоциации значительно возрастает при использовании двухчастотного излучения [3] Техническим результатом изобретения является увеличение производительности установки лазерного разделения изотопов путем осуществления двухчастотного режима диссоциации молекул.

Этот результат достигается тем, что на пути луча дополнительной частоты, выходящего из реактора и отраженного дифракционной решеткой в первый порядок, установлено металлическое зеркало, которое позволяет получать двухчастотную генерацию в лазере [4] Схема предложенного 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. Фокусирующая линза 5 с фокусным расстоянием f= 1-5м является разделительным окном между лазерной камерой и реактором. Реактор расположен в области каустики излучения лазера, и через него прокачивается смесь диссоциирующего соединения, например СF₂HCl с буферным газом, азотом или сухим воздухом. Газовая смесь разделяется в криогенном сепараторе 6, oчищенный буферный газ вновь подается в реактор и служит для предотвращения диффузии молекул исходного вещества и продуктов его диссоциации к линзе 5 и зеркалу 4 и устраняет непроизводительные потери лазерного излучения на поглощение вне каустики излучения. Дополнительное зеркало 7 может быть установлено внутри СО₂-лазерной камеры рядом с линзой. Оно обращено в сторону дифракционной решетки и размещено в первом порядке ее отражения для дополнительной частоты. Прямой резонатор лазера, образованный решеткой 3, линзой 5 и зеркалом 4, обычно настраивают на одну из длинноволновых линий генерации 9Р(26)-10R(20). Зигзагообразный резонатор, образованный зеркалом 7, решеткой 3, линзой 5 и зеркалом 4 настраивают на одну из коротковолновых линий генерации 9R(12)-9P(24). Поглощающий излучение газ в реакторе играет роль пассивного затвора и стабилизирует двухчастотную генерацию, развивающуюся в режиме конкуренции частот. Задержка между импульсами излучения разной частоты минимальна (50нс), что весьма благоприятно для многофотонной диссоциации молекул. С помощью предложенного устройства удается получить с высоким КПД устойчивую двухчастотную генерацию для ряда комбинаций линий.

Экспериментальная проверка предложенного технического решения проводилась с использованием плосковыпуклой линзы из NaCl c фокусным расстоянием f=2 м. Реактор длиной 60 см располагался в каустике излучения. Медное зеркало 4 с радиусом кривизны R=-2,5 м располагалось внутри реактора на расстоянии 380 см от линзы. Дополнительное медное зеркало 7 с радиусом кривизны R=-15 м располагалось внутри СО₂-лазерной камеры рядом с линзой. Прямой резонатор (3-5-4) настраивался на линию генерации 10R(26). Зигзагообразный резонатор (7-3-5-4) настраивался на линию 9Р(12). Давление диссоциирующего соединения (CF₂HCl) в реакторе составляло 30 мм рт. ст. давление буферного газа (азота)-30 мм рт.ст.Проводилось сравнение производительности установки в режиме двухчастотной диссоциации с режимом одночастотной диссоциации, когда лазер был настроен на линию 9Р(20).

Установлено, что при использовании устройства, эквивалентного фиг. 2, производительность установки оказалась выше в 1,8 раза при том же энерговкладе в лазерную смесь, чем при работе в режиме одночастотной диссоциации.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить производительность установки лазерного разделения изотопов углерода.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДВУХЧАСТОТНОГО ЛАЗЕРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ, включающее CO₂-лазерную камеру с дифракционной решеткой, фотохимический реактор с металлическим зеркалом и криогенным сепаратором, фокусирующую линзу, отличающееся тем, что фокусирующая линза выполнена в виде разделительного окна между лазерной камерой и реактором, а на пути прохождения лазерного луча дополнительной частоты, выходящего из реактора и отраженного дифракционной решеткой в первый порядок, установлено дополнительное металлическое зеркало.

РИСУНКИ

Рисунок 1