Способ получения жидкостного лазерно-активного материала


 


Владельцы патента RU 2442253:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации-Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" (RU)

Способ заключается в получении урансодержащего неорганического жидкостного лазерно-активного материала для оптических квантовых генераторов и усилителей с прямой ядерной накачкой на основе оксихлорида фосфора, кислоты Льюиса, ионов неодима и уранила. Реализуется путем растворения соединений уранила и неодима в бинарном растворителе оксихлорид фосфора - тетрахлорид олова при нагревании с последующей отгонкой части растворителя. Характеризуется тем, что приготовление урансодержащего жидкостного лазерно-активного материала проводят при температуре меньшей, чем температура кипения растворителя при атмосферном давлении, а в качестве соединения уранила используют перхлорат уранила. Технический результат заключается в обеспечении получения устойчивого высокоэффективного урансодержащего жидкостного лазерно-активного материала со стабильными во времени и оптимальными для работы характеристиками. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области создания жидкостных лазерно-активных материалов, в частности урансодержащих, и может быть использовано при изготовлении оптических квантовых генераторов (ОКГ) и оптических квантовых усилителей (ОКУ).

Известен способ получения урансодержащих неорганических лазерно-активных жидких материалов (НЛЖ) [Батяев И.М., Суханов С.Б., Кишалов Ф.М. Спектрально-люминесцентные свойства неорганических жидкостей на основе оксихлорида фосфора, активированных неодимом и ураном (VI) // Журнал прикладной спектроскопии. 1991. Т.55, № 3. С.507-509], основанный на сольвотермальном растворении оксидов Nd2O3 и UO3 в матрице состава оксихлорид фосфора-тетрахлорид олова POCl3-SnCl4 или оксихлорид фосфора-тетрахлорид титана POCl3-TiCl4 в запаянных ампулах при температурах 20-250°С. Ампулы помещают в воздушный термостат и вращают для перемешивания в течение 2-200 часов.

Недостатками способа являются сложность получения материалов с высокими концентрациями ионов неодима Nd3+ и уранила UO22+ и с низким линейным коэффициентом неактивных потерь µin излучения на длине волны генерации Nd3+4F3/24I11/2λ=1,05 мкм и повышенные опасность и сложность приготовления больших количеств урансодержащих жидкостных лазерно-активных материалов.

Наиболее близким техническим решением к заявленному способу является способ получения урансодержащих НЛЖ [Новодережкина Е.Л., Борина А.Ф., Серегина Е.А., Куликовский Б.Н. Взаимодействие между ураном и неодимом в бинарном растворителе POCl3-SnCl4 // Координационная химия. 1996. Т.22, №10. С.797-800], состоящий в растворении соединений уранила и неодима в бинарном растворителе оксихлорид фосфора-тетрахлорид олова при нагревании с последующей отгонкой части растворителя. Способ синтеза с совместным растворением соединений уранила и неодима позволяет готовить активные материалы с высокой концентрацией Nd3+ и UO22+.

Недостатком известного технического решения является невозможность воспроизводимого приготовления устойчивых, т.е. не образующих осадки, урансодержащих НЛЖ со стабильными во времени оптимальными для работы характеристиками, в частности низким линейным коэффициентом неактивных потерь (µin), большими концентрациями Nd3+ и UO22+ и высоким временем затухания люминесценции (τ) Nd3+.

Задачей изобретения является устранение указанного недостатка, а именно получение устойчивого высокоэффективного урансодержащего жидкостного лазерно-активного материала со стабильными во времени оптимальными для работы характеристиками, а именно низким линейным коэффициентом неактивных потерь, большими концентрациями Nd3+ и UO22+, высоким временем затухания люминесценции Nd3+.

Для решения поставленной задачи в способе получения урансодержащих НЛЖ на основе оксихлорида фосфора, кислоты Льюиса, ионов неодима и уранила путем совместного растворения соединений уранила и неодима в бинарном растворителе оксихлорид фосфора-тетрахлорид олова при нагревании с последующей отгонкой части растворителя предлагается:

- приготовление урансодержащей НЛЖ проводить при температуре меньшей, чем температура кипения растворителя при атмосферном давлении;

- в качестве соединения уранила использовать перхлорат уранила.

В частных случаях реализации способа предлагается:

- НЛЖ готовить при температуре кипения растворителя и при полном давлении 2·104 Па < Р < 6·104 Па;

- процесс приготовления урансодержащей НЛЖ разбить на отдельные стадии: сначала раздельно готовить НЛЖ POCl3-кислота Льюиса-Nd3+ без урана и урансодержащую жидкость POCl3-кислота Льюиса-UO22+ без неодима, а затем путем смешивания двух жидкостей POCl3-кислота Льюиса-Nd3+ и POCl3-кислота Льюиса-UO22+ готовить урансодержащую НЛЖ POCl3-кислота Льюиса-UO22+-Nd3+;

- при использовании тетрахлорида олова SnCl4 в качестве кислоты Льюиса для получения ионов неодима (Nd3+) растворять кристаллогидрат хлорида неодима NdCl3·xH2O (x=1-6), где x - количество молекул воды в кристаллогидрате;

- в качестве кислоты Льюиса использовать пентахлорид сурьмы SbCl5, в этом случае для получения ионов неодима (Nd3+) растворять кристаллогидрат трифторацетата неодима Nd(CF3COO)3·xH2O (x=1-3).

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

Получение урансодержащего неорганического жидкостного лазерно-активного материала для оптических квантовых генераторов и усилителей с прямой ядерной накачкой на основе оксихлорида фосфора, кислоты Льюиса, ионов неодима и уранила проводят путем растворения соединений уранила и неодима в бинарном растворителе оксихлорид фосфора-тетрахлорид олова при нагревании с последующей отгонкой части растворителя. Для получения устойчивых урансодержащих НЛЖ с высоким временем затухания люминесценции Nd3+ требуется длительное время синтеза. Однако при известном способе получения урансодержащих НЛЖ в процессе синтеза происходит быстрое накопление U(IV), который поглощает оптическое излучение на длине волны лазерной генерации Nd3+. Это приводит к увеличению линейного коэффициента неактивных потерь и, следовательно, к резкому увеличению порога генерации и к уменьшению энергетических характеристик ОКГ и ОКУ.

Поэтому приготовление урансодержащей НЛЖ проводят при температуре меньшей, чем температура кипения растворителя при атмосферном давлении. Для уменьшения температуры кипения растворителя уменьшают полное давление в системе меньше атмосферного. Вследствие этого уменьшается скорость накопления U(IV), что позволяет увеличить продолжительность операции приготовления урансодержащей НЛЖ для достижения оптимальных характеристик. В результате уменьшается линейный коэффициент неактивных потерь, а за счет более глубокого удаления газообразных и легко кипящих тушащих примесей увеличивается время затухания люминесценции Nd3+.

Для приготовления урансодержащей НЛЖ в качестве соединения уранила используют перхлорат уранила. Перхлорат уранила среди других соединений U(VI) имеет наибольшую растворимость в POCl3-SnCl4, и в растворах достигается наибольшая концентрация UO22+. В случае раздельного синтеза приготовленная из перхлората уранила урансодержащая жидкость POCl3-кислота Льюиса-UO22+ без неодима не содержит U(IV) при любом времени ее приготовления. При использовании перхлората уранила существует интервал времени, в течение которого U(IV) еще отсутствует или незначительно влияет на линейный коэффициент неактивных потерь, а урансодержащая НЛЖ уже имеет высокое время затухания люминесценции Nd3+, т.е. существует оптимальная продолжительность приготовления урансодержащего жидкостного лазерно-активного материала.

В частных случаях реализация способа включает следующее.

Приготовление урансодержащего жидкостного лазерно-активного материала проводят при полном давлении 2·104 Па < Р < 6·104 Па, что позволяет получать оптимальные характеристики урансодержащих НЛЖ и улучшить генерационные характеристики ОКГ и ОКУ.

Процесс приготовления урансодержащей НЛЖ разбивают на отдельные стадии. Сначала соединение неодима и соединение уранила раздельно растворяют в бинарном растворителе и получают лазерный жидкий материал POCl3-кислота Льюиса-Nd3+ без урана и урансодержащий жидкий материал POCl3-кислота Льюиса-UO22+ без неодима - устойчивые жидкости со стабильными характеристиками. Затем две раздельно приготовленные жидкости POCl3-кислота Льюиса-Nd3+ и POCl3-кислота Льюиса-UO22+ смешивают, нагревают при температуре кипения жидкости и отгоняют часть растворителя для удаления протонсодержащих и других тушащих примесей и для увеличения концентрации ионов Nd3+ и UO22+. В результате получают устойчивую урансодержащую НЛЖ POCl3-кислота Льюиса-UO22+-Nd3+ со стабильными во времени характеристиками.

При использовании в качестве кислоты Льюиса тетрахлорида олова (SnCl4) для получения ионов Nd3+ растворяют кристаллогидрат хлорида неодима NdCl3·xH2O (x=1-6), что позволяет улучшить воспроизводимость приготовления урансодержащих НЛЖ с требуемыми характеристиками.

При использовании в качестве кислоты Льюиса пентахлорида сурьмы (SbCl5) для получения ионов Nd3+ растворяют кристаллогидрат трифторацетата неодима Nd(CF3COO)3·xH2O (x=1-3), что позволяет получать наиболее устойчивые урансодержащие НЛЖ с временем затухания люминесценции Nd3+ до 220 мкс.

Совокупность существенных признаков заявляемого объекта обеспечивает воспроизводимое приготовление устойчивых урансодержащих НЛЖ со стабильными характеристиками: [Nd3+] до 0,6 моль/л; [UO22+] до 0,1 моль/л; время затухания люминесценции Nd3+ до 350 мкс и линейный коэффициент неактивных потерь менее 1·10-2 см-1.

Примеры конкретного осуществления заявленного способа

Пример 1.

В качестве кислоты Льюиса используют тетрахлорид олова SnCl4. Растворитель POCl3-SnCl4 готовят добавлением 3 мл SnCl4 к 40 мл POCl3. Для приготовления НЛЖ POCl3-SnCl4-Nd3+ в колбу с 3,4 г кристаллогидрата хлорида неодима NdCl3·H2O добавляют меньшую часть (15±1 мл) растворителя. Полученную смесь нагревают до температуры кипения жидкости 107°С, синтез ведут в течение 2 часов, в конце синтеза отгоняют 2±1 мл жидкости для удаления протонсодержащих и других тушащих примесей. Для приготовления урансодержащей жидкости POCl3-SnCl4-UO22+ в колбу с 1,4 г кристаллогидрата перхлората уранила UO2(ClO4)2·5H2O добавляют остаток (27±2 мл) растворителя. Смесь нагревают до температуры кипения жидкости 107°С, синтез ведут в течение 30 минут, в конце синтеза отгоняют 4±1 мл жидкости. После синтеза растворы POCl3-SnCl4-Nd3+ и POCl3-SnCl4-UO22+ отстаивают в течение 12-24 часов для осаждения возможных нерастворимых веществ. Для приготовления урансодержащей НЛЖ POCl3-SnCl4-UO22+-Nd3+ урансодержащую жидкость POCl3-SnCl4-UO22+ декантируют в колбу с НЛЖ POCl3-SnCl4-Nd3+. Синтез проводят при температуре кипения жидкости и полном давлении в системе 5·104 Па в течение 1 часа, в конце синтеза отгоняют 5±1 мл жидкости.

Приготовленная в количестве 32±5 мл урансодержащая НЛЖ POCl3-SnCl4-UO22+-Nd3+ имеет следующие характеристики: [UO22+]=0,08 моль/л, [Nd3+]=0,4 моль/л, τ=310 мкс и µin=5·10-3 см-1.

Пример 2.

В качестве кислоты Льюиса используют пентахлорид сурьмы SbCl5. Чтобы приготовить растворитель POCl3-SbCl5, к 50 мл POCl3 добавляют 4 мл SbCl5. Для приготовления НЛЖ POCl3-SbCl5-Nd3+ в колбу с 10,7 г кристаллогидрата трифторацетата неодима Nd(CF3COO)3·3H2O добавляют более половины (32±2 мл) растворителя. Полученную смесь нагревают до температуры кипения жидкости 107°С, синтез ведут в течение 1 часа, в конце синтеза отгоняют 3±1 мл жидкости. Для приготовления урансодержащей жидкости POCl3-SbCl5-UO22+ в колбу с 1,3 г перхлората уранила UO2(ClO4)2·5Н2О добавляют остаток (20±2 мл) растворителя. Смесь нагревают до температуры кипения жидкости 107°С в течение 30 минут, в конце синтеза отгоняют 3±1 мл жидкости. После синтеза растворы POCl3-SnCl4-Nd3+ и POCl3-SnCl4-UO22+ отстаивают в течение 12-24 часов. Для приготовления урансодержащей НЛЖ POCl3-SbCl5-UO22+-Nd3+ урансодержащую жидкость POCl3-SbCl5-UO22+ добавляют в колбу с НЛЖ POCl3-SbCl5-Nd3+. Синтез проводят при температуре кипения жидкости и полном давлении в системе Р≤4·104 Па в течение 40 минут, в конце синтеза отгоняют 6±1 мл жидкости.

Приготовленная в количестве 40±5 мл урансодержащая НЛЖ POCl3-SbCl5-UO22+-Nd3+ имеет следующие характеристики: [UO22+]=0,06 моль/л, [Nd3+]=0,5 моль/л, τ=220 мкс и µin=6·10-3 см-1.

Заявленный способ был использован для приготовления нескольких десятков образцов урансодержащих НЛЖ, характеристики которых были изучены как при оптическом возбуждении, так и в условиях возбуждения нейтронами импульсного двухзонного реактора БАРС-6 ГНЦ РФ-ФЭИ.

Технический результат состоит в получении устойчивого высокоэффективного урансодержащего жидкостного лазерно-активного материала со стабильными во времени оптимальными для работы характеристиками.

1. Способ получения урансодержащего неорганического жидкостного лазерно-активного материала для оптических квантовых генераторов и усилителей с прямой ядерной накачкой на основе оксихлорида фосфора, кислоты Льюиса, ионов неодима и уранила путем растворения соединений уранила и неодима в бинарном растворителе оксихлорид фосфора - тетрахлорид олова при нагревании с последующей отгонкой части растворителя, отличающийся тем, что приготовление урансодержащего жидкостного лазерно-активного материала проводят при температуре, меньшей, чем температура кипения растворителя при атмосферном давлении, а в качестве соединения уранила используют перхлорат уранила.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приготовление урансодержащего жидкостного лазерно-активного материала проводят при температуре кипения растворителя при полном давлении 2·104 Па < Р < 6·104 Па.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что приготовление урансодержащего лазерного жидкого материала разбивают на отдельные стадии и сначала раздельно готовят лазерный жидкий материал POCl3 - кислота Льюиса - Nd3+ без урана и урансодержащий жидкий материал POCl3 - кислота Льюиса - UO22+ без неодима, а затем после смешивания двух раздельно приготовленных жидкостей POCl3 - кислота Льюиса - Nd3+ и POCl3 - кислота Льюиса - UO22+ готовят урансодержащий лазерный жидкий материал POCl3 - кислота Льюиса - UO22+ - Nd3+.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве кислоты Льюиса используют тетрахлорид олова (SnCl4), а для получения ионов неодима (Nd3+) растворяют кристаллогидрат хлорида неодима NdCl3·хН2О, где х=1-6.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области создания новых жидких лазерных материалов, пригодных для использования в оптических квантовых генераторах (ОКГ) и оптических квантовых усилителях (ОКУ) как с традиционной оптической накачкой, так и с накачкой продуктами ядерных реакций.

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к устройствам для генерации и усиления лазерного излучения с использованием жидких активных сред (ЖАС), в том числе для замкнутых не прокачиваемых объемов.

Изобретение относится к области создания жидкофазных активных материалов, пригодных для использования в оптических квантовых генераторах и оптических квантовых усилителях с импульсной и непрерывной генерацией.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании лазерных систем, предназначенных для зондирования атмосферы, исследования кинетики химических реакций, лазерной спектроскопии, цветной изобразительной голографии и др.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам для генерации и усиления лазерных пучков, и может быть использовано для улучшения параметров выходного излучения жидкостных лазеров, а также для улучшения технологичности их изготовления.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке лазеров как с фиксированной, так и с перестраиваемой длиной волны генерации.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к жидкостным лазерам, и может быть использовано для создания мощных источников лазерного излучения, обладающих узкой диаграммой направленности.
Наверх