Рабочая смесь для йодного фотодиссоционного лазера

Рабочая смесь для йодного фотодиссоционного лазера включает перфторйодид и инжектор дополнительных радикалов CF3. В качестве инжектора радикалов CF3 рабочая смесь содержит газообразный перфторуксусный ангидрид - (CF3CO)2О при парциальном давлении 0.05-0.5 от парциального давления перфторйодида. Дополнительно рабочая смесь может содержать инертный буферный газ. Технический результат заключается в обеспечении малой расходимости и хорошей однородности лазерного пучка с увеличением энергии на выходе, а также в снижении загрязнения рабочего объема твердыми продуктами фотолиза. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании йодных фотодиссоционных лазеров с оптической накачкой.

К таким лазерам относится йодный фотодиссоционный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используются различные перфторйодиды (Кормер С.Б. "Фотодиссоционные лазеры для управляемого термоядерного синтеза", Изв. АН СССР, Сер. физ, т.44, №10, 1980, с.2002…2017).

При эксплуатации этого лазера встают вопросы поднятия энергетики на выходе и воспроизводимости этой энергии. Йодный фотодиссоционный лазер работает следующим образом.

При инициировании рабочей среды оптическим излучением происходит фотолиз йодосодержащего вещества, который может быть представлен в следующем виде:

где RI - перфторйодид, hνн - квант оптической накачки, I* - йод в возбужденном состоянии (I(2P1/2)), R - радикал CF3, C2F5, C3F7 и др. Генерация происходит по схеме:

где hvг - рабочий квант излучения лазера (λ=1.315 мкм), I - атом йода в основном состоянии (I(2Р3/2)), но на работу йодного лазера влияют и вторичные химические реакции, такие как рекомбинация рабочего вещества

т.е. атомы не накапливаются на нижнем лазерном уровне, в результате чего образуются молекулы исходного рабочего йодида, например, C3F7I, CF3I и т.д., которые вновь фотодиссоциируют по схеме (1). Реакция рекомбинации играет определяющую роль в кинетике йодных фотодиссоционных лазеров.

В рабочей среде протекают и "вредные" процессы, такие как процессы тушения возбужденных атомов йода как исходными продуктами, так и возникающими в процессе фотолиза

сопровождающиеся наработкой молекулярного йода (I2) и загрязнением стеклянных поверхностей, а также процесс димеризации, снижающий роль реакции (3), т.е. образующийся в процессе фотолиза из радикалов димер (R2), уводит из процесса необходимые для рекомбинации радикалы R:

Для решения вопроса очистки, например, использовались дорогостоящие установки замкнутого цикла по очищению рабочей смеси от продуктов фотолиза и, в частности, от молекулярного йода, являющегося, кроме того, сильнейшим тушителем возбужденного йода. Применение таких установок не решило радикально стоящие вопросы (Борович Б.Л., Зуев B.C., Катулин В.А. и др. "Сильноточные излучающие разряды и газовые лазеры с оптической накачкой". - М.: Итоги науки и техники, сер. Радиотехника, т.15, 1978).

Известна рабочая смесь для йодного фотодиссоционного лазера, применение которой частично решает вопрос поднятия энергетики йодного фотодиссоционного лазера (Srinivasan R., Lankard J.R. J. Phys. Chem. "The Role of CF3-Radicals in the Photochemical Iodine Laser", v.78, №10, 1974, р.951). Рабочая смесь содержит основное рабочее вещество перфторйодид CF3I и в качестве инжектора радикалов гексафлюороазометан CF3NNCF3. Находясь в рабочем объеме лазера и подвергаясь воздействию световой накачки, добавка гексафлюороазометан CF3NNCF3 фотодиссоциирует по следующей схеме

создавая избыток радикалов CF3, которые рекомбинируют по схеме (3) в рабочий йодид CF3I.

Недостатком известной рабочей смеси является нерешенность проблемы загрязнения рабочего объема продуктами фотолиза, что отрицательно сказывается на энергетическом выходе лазера.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение энергетического выхода лазера и снижение загрязненности рабочего объема твердыми продуктами фотолиза.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в следующем:

- увеличение энергии на выходе лазера;

- обеспечение малой расходимости и хорошей однородности лазерного пучка с увеличением энергии на выходе: эффективный градиент показателя преломления рабочей среды при максимальной накачке составляет dn/dx~8·10-7 см-1 и при L=100 см расходимость составляет ~8·10-5 рад.

- снижение загрязнения рабочего объема твердыми продуктами фотолиза.

Для решения поставленной задачи и достижения технического результата рабочая смесь для йодного фотодиссоционного лазера, включающая газообразный перфторйодид и инжектор дополнительных радикалов CF3, согласно изобретению в качестве инжектора радикалов CF3 содержит газообразный перфторуксусный ангидрид (CF3CO)2О при парциальном давлении 0,05-0,5 от парциального давления перфторйодида. Рабочая смесь может дополнительно содержать буферный газ.

В качестве йодосодержащего вещества могут использоваться различные перфторйодиды: i-C3F7I, n-C3F7I, t-C4F9I, C2F5I, CF3I и т.д. В качестве буферного газа выбираются химически инертные газы (Не, Ne, Ar, Kr, Xe, N2, SF6 и др.).

Под воздействием излучения накачки фотодиссоциация с перфторуксусным ангидридом протекает по следующей схеме (Кузнецова С.В., Маслов А.И. "Исследование реакций радикала CF3 с атомарным и молекулярным хлором". Химия высоких энергий, т.13, №5, 1979, с.448):

т.е. в результате фотодиссоциации в рабочей смеси образуется избыток радикалов (CF3) и буферные газы (CO2 и СО). Появление в рабочей среде химически активных молекул СО может способствовать переводу нелетучих загрязняющих продуктов фотолиза в летучие и тем самым способствовать очищению стеклянных поверхностей рабочего объема. Далее, что очень важно, в рабочем объеме с вновь образовавшимися радикалами и йодом (в основном состоянии) по схеме (3) происходит процесс рекомбинации:

и получившееся новое рабочее вещество - перфторйодид CF3I фотодиссоциирует по схеме (1), как и основной рабочий перфторйодид, использующийся в конкретном случае, такой как, например, i-C3F7I, n-C3F7I, t-C4F9I и т.д.

Кроме увеличения энергии на выходе лазера, экспериментально установлено, что предлагаемый перфторуксусный ангидрид удовлетворяет требованиям к рабочей смеси йодного лазера по времени появления оптических неоднородностей в рабочем объеме.

Предлагаемая рабочая смесь имеет оптимум по давлению составляющих компонентов. Сам перфторуксусный ангидрид является хоть и слабым (по сравнению с молекулярным йодом I2), но тушителем возбужденного йода (I(2Р1/2)). С повышением давления ангидрида процесс рекомбинации (3) будет конкурировать с процессами тушения (4, 5). Кроме того, из-за совпадения полос поглощения с основным рабочим веществом, ангидрид будет как бы экранировать основное рабочее вещество. Этим и определяется диапазон используемых давлений.

На чертеже показаны экспериментальные данные по отработке рабочих смесей для йодного фотодиссоционного лазера, а именно приведена зависимость лазерной энергии от парциального давления перфторуксусного ангидрида (CF3CO)2O:

зависимость 1-30 Торр i-C3F7I+705 Торр SF6;

зависимость 2-40 Торр i-C3F7I+705 Торр SF6.

Для определения динамического диапазона применения перфторуксусного ангидрида было приготовлено некоторое количество составов рабочих смесей, два из них приведены на чертеже. Первоначально готовилась рабочая смесь: 30 Торр i-C3F7I+705 Торр SF6 и далее к этой (основной) смеси добавлялся порциями перфторуксусный ангидрид. В результате срабатывания лазером получена экспериментальная зависимость (кривая 1). Первоначально заметен рост выходной лазерной энергии, а затем спад. Максимум выходной энергии наблюдается при ~8 Торр перфторуксусного ангидрида, а при 15 Торр рост прекращается, что составляет 0,5 от давления рабочего перфторйодида. Во втором случае (кривая 2) первоначально готовилась рабочая смесь: 40 Торр i-C3F7I+705 Торр SF6. Максимум выходной энергии наблюдается при ~10 Торр перфторуксусного ангидрида, а при 20 Торр рост прекращался, что также составляет 0,5 от давления рабочего перфторйодида. Таким образом, была зафиксирована динамическая пропорция основного рабочего вещества и перфторуксусного ангидрида, при которой регистрируется рост лазерной энергии высокого качества. В результате вариаций парциальными давлениями газов незначительный прирост выходной энергии компенсировался достижением высокого качества лазерной энергии, т.е. малой расходимостью и хорошей однородностью лазерного пучка. Направленность излучения лазера определяется степенью однородности показателя преломления рабочей среды в зоне генерации (усиления). В частности, направленность (расходимость) излучения в усилительном режиме определяется выражением

где dn/dx - поперечный градиент показателя преломления рабочей среды, L - освещаемая лампой накачки длина кюветы йодного лазера. В нашем случае эффективный градиент показателя преломления рабочей среды при максимальной накачке составлял dn/dx~8·10-7 см-1 и при L=100 см расходимость составляла ~8-10-5 рад.

По результатам экспериментов окончательно была определена рабочая смесь йодного фотодисоционного лазера, которая содержит йодосодержащее вещество, инжектор радикалов и буферный газ в качестве разбавителя при следующих соотношениях парциальных давлений компонентов:

Йодосодержащее вещество 1
Инжектор радикалов 0.05-0.5
Буферный газ 3-200

при этом полное давление рабочей среды йодного лазера может составлять 100-1000 Торр.

1. Рабочая смесь для йодного фотодиссоционного лазера, включающая перфторйодид и инжектор дополнительных радикалов CF3, отличающаяся тем, что в качестве инжектора радикалов CF3 она содержит газообразный перфторуксусный ангидрид - (CF3CO)2О при парциальном давлении 0,05-0,5 от парциального давления перфторйодида.

2. Рабочая смесь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит инертный буферный газ.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании газодинамического тракта непрерывного химического лазера с выхлопом лазерного газа в атмосферу, а также элементов системы восстановления давления (СВД) этих лазеров.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано, например, в физике низкотемпературной плазмы и биологии. .

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании источников когерентного излучения на переходах состояний атомов йода и, дополнительно, молекул окиси углерода.

Изобретение относится к генераторам синглетного кислорода и может быть использовано в химических кислород-йодных лазерах, а также в технологических установках по дезинфекции воды, нейтрализации и утилизации промышленных органических загрязнителей и отходов.

Изобретение относится к лазерной технике, к конструкциям сопловых блоков для проточных газовых лазеров. .

Изобретение относится к технической физике - к области генерации когерентного электромагнитного излучения (ЭМИ) - и может быть использовано при создании мощных лазерных систем, например, в технологических установках по фрагментированию отработанного оборудования ядерных реакторов атомных электростанций.

Изобретение относится к струйным генераторам синглетного кислорода и может быть использовано при разработке химических лазеров, а также в химической технике. .

Изобретение относится к лазерной физике и оптике и может быть использовано в системах преобразования солнечной энергии в лазерное излучение с последующей передачей этой энергии потребителю.

Изобретение относится к химической технике и может быть использовано при разработке химических лазеров. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к лазерной технике и связано с разработкой образцов HF/DF импульсно-периодических химических лазеров (HF/DF-ИПХЛ)

Изобретение относится к области преобразования ядерной энергии. Реакторно-лазерная установка с прямой накачкой осколками деления состоит из подкритического лазерного блока с активным веществом (1) и запального импульсного ядерного реактора, окруженного подкритическим лазерным блоком. Активное вещество (1) включает лазерную среду (4), не пороговый делящийся ядерный материал (7) и замедлитель (3) нейтронов. Запальный импульсный ядерный реактор состоит из активной зоны, содержащей делящийся ядерный материал, и модулятора реактивности (5). В качестве делящегося ядерного материала в запальном импульсном ядерном реакторе используют пороговый делящийся ядерный материал (9). В подкритическом лазерном блоке в качестве не порогового делящегося ядерного материала (7) используют, например, уран-233, уран-235, плутоний-239. В запальном импульсном ядерном реакторе в качестве порогового делящегося ядерного материала (9) используют, например, нептуний-237, плутоний-240 и, по меньшей мере, одну активную зону. Технический результат состоит в повышении энергии и мощности импульса накачки лазерной среды. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Устройство и способ работы авиационного газотурбинного двигателя включающий процесс сжатия в компрессорах, подвода тепла в камере сгорания, расширения на турбинах и реактивном сопле. Процесс расширения на рабочих лопатках турбины высокого давления осуществляют в сверхзвуковом потоке и используют создаваемую в этом потоке инверсию населенности для организации когерентного излучения. Двигатель включает компрессор каскада низкого давления, компрессор каскада высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления, реактивное сопло. Дополнительно введена пара бочкообразных резонаторов, внутренний и наружный, с полупрозрачным элементом в наружном резонаторе, обтюратор и биротативное колесо активного облопачивания. Рабочие лопатки турбины высокого давления выполнены в виде последовательности сопел Лаваля, за которыми установлена пара бочкообразных резонаторов, и далее по потоку газа установлены обтюратор и биротативное колесо активного облопачивания. Группа изобретений позволяет создать качественно новый способ работы с одновременным расширением функциональных возможностей авиационного газотурбинного двигателя путём его работы в качестве газодинамического лазера. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для создания кислородно-йодных лазеров. Способ получения инверсной населенности на атомах йода заключается в оптической накачке газового потока. Оптическую накачку производят в два этапа, на первом этапе газовый поток облучают светом с длиной волны 490±10 нм, осуществляя частичную 1-10% диссоциацию молекул йода, с последующим облучением газового потока излучением с длиной волны 1315 нм до полной диссоциации молекул йода, а затем производят газодинамическое охлаждение. Основными достоинствами предлагаемого способа являются отсутствие необходимости использования опасных реагентов (таких как хлор) и возможность осуществления непрерывной прокачки рабочей среды. 1 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. В электроразрядном кислородно-йодном лазере в газовый поток непосредственно на выходе генератора молекул синглетного кислорода O2(1Δ) и перед сверхзвуковым соплом подмешивается газ X (CO2, SF6, SiF4 и т.д.), состоящий из молекул, тушащих возбужденный озон O 3 ∗ , с концентрацией, превышающей концентрацию молекул O2(1Δ) более чем в 5×10-11/k раз, где k - константа скорости тушения процесса X + O 3 ∗ → X + O 3 в единицах см3/сек. Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности лазера. 3 ил.

Группа изобретений относится к боевой авиации, на борту которой устанавливается лазерное оружие. В способе работы авиационного газотурбинного двигателя, включающем процесс сжатия воздуха в компрессорах, подвод тепла в камере сгорания, расширение газового потока для получения сверхзвуковой скорости осуществляют через бинарную систему, состоящую из турбины низкого давления, лопатки которой выполнены в виде сопел Лаваля, и установленного за ней кольцевой неподвижной закритической расширяющейся части сопла Лаваля. В авиационном газотурбинном двигателе рабочие лопатки турбины низкого давления выполнены в виде сопел Лаваля, создающих на выходе турбины сверхзвуковой газовый поток с углом выхода, близким к 90 градусов. С минимальным зазором за турбиной низкого давления установлена неподвижная часть, за срезом которой расположен проточный оптический резонатор с зеркальной системой фокусировки и вывода лазерного луча на систему прицеливания. Достигается увеличение секундного расхода газа, выходящего из оптического резонатора, приводящего к увеличению мощности лазера и тяги двигателя, а также повышение надежности лазера. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх