Радиолюминесцентные свойства иона неодима в жидких лазерных средах на основе оксихлорида фосфора

Оглавление
2
Введение..................................................................5
Глава 1. Спектрально-люминесцентные и лазерные свойства иона неодима в неорганических растворителях на основе РОС1з-МС1п (М: 8Ь, вп, Zr, ТС, А! или В)................................................................17
1.1. Спектроскопический метод определения люминесцентных и генерационных параметров лазерных жидкостей.........................19
1.2. Экспериментальная часть.............................................21
1.3. Результаты и обсуждение.............................................24
1.3.1. Силы осцилляторов и параметры Джадда-Офельта.................24
1.3.2. Люминесцентные и лазерные характеристики иона неодима 30
1.4. Выводы..............................................................33
Глава 2. Спектральные, радиолюминесцентные и лазерные свойства М3* в лазерных жидкостях Р0С1э-МС1„-23;;и022+№13+ (1М: Т1, Ът, вп, БЬ).........35
2.1. Спектральные свойства иона неодима в средах ; на основе Р0С13-МС1п-235и022+-Нс13+ (М: Т1, Ъх, Бп, вЬ)............................37
2.1.1. Спектры поглощения растворов РОС13-МС1п-2351Ю22+-Ш3+ (М: ТС, Ъх, 8п, вЬ)..............................................................37
2.1.2. Спектры люминесценции неодима в Р0С13-МС1п-235и022+-Ыс13+ (М: ТС, Ъх, Бп, БЬ)......................................................40
2.2. Радиолюминесценция неодима в Р0С13-МС1п-235и022+-ТСсГ' (М: ТС, 2г, 8п,
8Ь) при гомогенном возбуждении а-частицами урана....................42
2.2.1. Методика проведения эксперимента.............................42
2.2.2. Обсуждение результатов экспериментов по измерению выхода радиолюминесценции ионов неодима в Р0С13-МС1п-23;,и022~-Нс13" (М: ТС, Ъх, 8п, 8Ь) при гомогенном возбуждении а-частицами урана 44
з
2.3. Генерационные свойства неодима в неорганической жидкости РОС13-8ЬСІ5-
2351Ю22+-Мс13+ при оптической накачке....................................52
2.3.1. Методика проведения эксперимента.............................53
2.3.2. Лазерные свойства неодима в неорганической жидкости РОС13-8ЬС15-1Ю22+-Ш3+ при оптической накачке..............................58
2.4. Выводы..............................................................64
Глава 3. Радиационно-индуцированное излучение иона неодима в жидких лазерных средах при облучении на реакторе БАРС-6.........................66
3.1. Методика проведения эксперимента....................................66
3.2. Спектральные и временные характеристики радиационно-индуцированного излучения неодима в лазерных жидкостях РОС13-8пС14-№3+, РОС13-8пС14-235и022+-Ш3* и Р0С13-8ЬСІ5-235и022+^с13+ в условиях облучения нейтронами и у-квантами двухзонного импульсного реактора БАРС-6 71
3.3. Выводы..............................................................77
Глава 4. Метод исследования радиационно-индуцированных изменений характеристик жидкостного лазера с оптической накачкой в нейтронном ноле импульсного реактора БАРС-6.........................................79
4.1. Методика проведения эксперимента....................................80
4.2. Энергетические характеристики жидкостного лазера на основе РОС13-8пС14-Ш3+ в условиях реакторного облучения..........................89
4.3. Энергетические характеристики жидкостного лазера на основе РОС13-8пС14-2Ъи022+-К<.13+ при облучении на реакторе......................94
4.4. Результаты и обсуждение.............................................99
4.5. Выводы.............................................................100
Глава 5. Метод исследования радиационно-индуцированных изменений населенности лазерных уровней иона неодима в процессе ядерной накачки на реакторе БАРС-6............................................102
4
5.1. Методика проведения эксперимента...................................102
5.2. Результаты и обсуждение............................................110
5.3. Выводы.............................................................118
Заключение..............................................................120
Список литературы.......................................................123
Введение
Актуальность темы диссертации.
Для осуществления инерциального термоядерного синтеза, промышленного разделения изотопов и ряда других крупных проектов необходимы мощные, но, в то же время, и дешевые источники лазерного излучения. Такими источниками вполне могут стать импульсные лазеры с ядерной накачкой, в которых энергия деления атомных ядер преобразуется в энергию лазерного излучения. На сегодняшний день известно уже около трех десятков различных газовых сред, на которых получена генерация при накачке продуктами ядерных реакций [1, 2]. Однако параметры этих сред (небольшая эффективность накачки, малое время жизни верхнего рабочего уровня) пока не могут в полной мере удовлетворить требованиям, предъявляемым к активным средам будущих мощных лазеров с ядерной накачкой. С другой стороны, известно,- что кроме газовых сред в лазерах широко используются конденсированные среды. Эти
активные среды имеют большие времена жизни верхних лазерных уровней и
с
высокие концентрации активных ионов, что позволяет получить большую мощность лазерного излучения. Для лазеров с ядерной накачкой жидкие среды' представляют особый интерес, поскольку в них можно гомогенно распределить делящееся вещество. Это позволит на порядок увеличить эффективность ядерной накачки за счет полного использования энергии осколков деления при их торможении в лазерной среде. Кроме того, использование урансодержащей жидкой лазерной среды позволит осуществить прокачку лазерной жидкости и тем самым решить проблему отвода избыточного тепла, которая особенно актуальна в условиях ядерной накачки. Несмотря на эти преимущества, развитие жидкостных лазеров с ядерной накачкой значительно отстает от развития лазеров на газовых смесях. В настоящее время разрабатываются два вида жидкостных лазеров, в которых используется преобразование кинетической энергии осколков деления ядер в лазерное излучение и которые различаются по способу накачки: лазеры с прямой ядерной накачкой и лазеры с ядерно-оптической накачкой. При прямой ядерной накачке лазерная среда
возбуждается непосредственно осколками деления, при этом область накачки и область снятия инверсии совмещены. При ядерно-оптической накачке область ядерной накачки и область снятия инверсии разделены. Во втором случае область ядерной накачки (конвертор) играет роль "ядерной лампы", которая преобразует энергию деления ядер в световую, а область снятия инверсии (активный элемент) - обычный лазерный элемент, накачиваемый этим светом. Ожидается, что кпд лазеров с прямой ядерной накачкой будет выше кпд лазеров с ядерно-оптической накачкой. Наиболее актуальной проблемой при разработке лазеров с прямой ядерной накачкой является создание эффективных лазерных урансодержащих сред, что невозможно сделать без понимания физических процессов, протекающих при преобразовании кинетической энергии осколков деления в возбуждение излучающих ионов редкоземельных элементов. В случае лазеров с ядерно-оптической накачкой главной проблемой является создание эффективного конвертора.
На первом этапе исследований жидких сред для лазера с ядерной накачкой были изучены свойства растворов хелатов европия [3], содержащих 235и, в условиях реакторного облучения. Получено, что эффективность преобразования кинетической энергии осколков деления • в энергию люминесценции иона Еи3+ составляет 4%. В то же время, в работе [4] при исследовании аналогичных растворов в условиях реакторного облучения была получена эффективность свеговыхода всего 0.01%. В работах [5, 6] изучали радиолюминесцентные свойства хелатов европия при возбуждении растворов интенсивным импульсным пучком электронов с энергией 0.9 МэВ. Максимальная эффективность преобразования энергии электронов в энергию возбуждения ионов европия составила 12%, что вполне удовлетворительно согласовывалось с данными работы [3]. В то же время, в этих работах было отмечено, что органические растворители, к которым относятся хелаты, являются фото- и радиационно-нестойкими средами и изменяют свои характеристики в процессе импульса накачки, что делает проблематичным использование их в качестве сред ЛЯН.
7
В конце 60-х и 70-е годы были созданы низкоиороговые мощные лазеры на апротонных неорганических жидкостях, активированных неодимом [7, 8]. В работах [4, 9] приведена информация о первых экспериментах по исследованию радиолюминесценции апротонных неорганических жидкостей на основе оксихлорида фосфора РОСЬ-впСЦ в условиях реакторного облучения. В этих работах было получено, что световыход растворов, соактивированных Еи3+ и и, составил 0.08% [4], а растворов соактивированных и “ и - 0.1% [9]. Таким образом, из работы [4] следует, что световыход растворов европия в оксихлориде фосфора в 4-8 раз выше, чем хелатов европия. Поэтому, несмотря на низкие значения световыхода, полученные в работах [4, 9], представляло несомненный интерес продолжить исследования радиолюминесцентных и других оптических свойств апротонных неорганических жидкостей при их возбуждении тяжелыми заряженными частицами.
В конце 80-х годов в ГНЦ РФ-ФЭИ были начаты исследования, направленные на изучение конденсированных лазерных сред для ЛЯН. Исследования радиолюминесцентных свойств лазерных материалов были начаты с изучения временных распределений 0(1) и распределений по длинам волн Р(Х) фотонов радиолюминесценции неодима в кристалле У3А150|2^с13+ при возбуждении осколками деления Ь2СГ и а-частицами 239Ри ( Еа=5.1МэВ ). Измерения распределений 0(1) в режиме счета одиночных фотонов были выполнены методом задержанных совпадений. Результаты этой работы позволили сделать ряд важных выводов. Оказалось, что время жизни верхнего лазерного уровня иона неодима, положение и ширина люминесцентной линии лазерного перехода 4Рзд—*41||/2 не зависят от способа возбуждения кристалла. Так же как и при оптическом возбуждении иона неодима форма линии радиолюминесценции описывается распределением Лоренца. Эффективность накачки верхнего лазерного уровня 5 [10], напротив, зависит от способа возбуждения лазерного кристалла и от вида ионизирующего излучения. Важно отметить, что при возбуждении а-частицами эффективность накачки иона
неодима примерно такая же, как и при возбуждении осколками деления, и только в 2 раза ниже, чем при возбуждении электронами.
При облучении лазерных кристаллов электронами [11], а-частицами и осколками деления возбуждение происходит в поверхностных слоях вещества толщиной 10-100 мкм из-за больших сечений взаимодействия перечисленных видов ионизирующего излучения с веществом. Для осуществления объемной гомогенной накачки лазерных материалов продуктами ядерных реакций была развита методика подпороговой диагностики с использованием облучения сред быстрыми нейтронами из мишени ускорителя КГ-03 ГНЦРФ-ФЭИ [10, 12]. Эта методика позволила провести абсолютные измерения выхода фотонов радиолюмииесцснции и получить информацию как о люминесцентнокинетических свойствах иона активатора, так и об эффективности накачки верхнего лазерного уровня продуктами ядерных реакций. В результате этого этапа работы были получены данные об эффективности накачки тяжелыми заряженными частицами верхнего лазерного уровня иона неодима в бинарных апротонных растворителях РОС13-8пС14, БОСЬ-СаСЬ, 7пС12-СаС13 и 82ОС12-ваСЬ [13-15], а также данные о радиолюминесцентных свойствах Еи3+, ТЬ3~ и Мп2+ в апротонных растворителях и в тяжелой воде. Из анализа полученных данных был сделан вывод, что такие лазерные свойства ионов активатора как люминесцентное время жизни верхнего лазерного уровня, положение и ширина линии люминесценции, соответствующей лазерному переходу, сечение вынужденного излучения и коэффициенты ветвления люминесценции слабо зависят от способа возбуждения среды и с высокой точностью совпадают с данными параметрами, измеренными при оптической накачке. Эффективность накачки тяжелыми заряженными частицами оказалась наибольшей для растворов 80С12-СаС13-КсГ+, затем несколько ниже для РОСЬ-ЗпСЦ-Ш3^ и 82ОС12-СаС13-Ыс13+ и ещё ниже для 2пС12-СаС13-Ш3+. Затем перед исследователями встала задача введения делящегося вещества в состав конденсированной среды. В качестве делящегося материала был выбран 235и, поскольку на нем возможно получение цепной ядерной реакции. Последующие
работы по созданию урансодержащей лазерно-активной жидкости показали,
^35 2+
что при добавлении урана в виде солей уранила (‘ 1Ю2 ) в вышеперечисленные лазерные растворы идет процесс фотовосстановления, уранил меняет свою валентность и переходит из 6-ти в 4-х валентное состояние. Этот процесс значительно ухудшал лазерные свойства среды [16, 17]. Было установлено, что константа скорости протекания процесса и6'-->и,+ зависит как от свойств растворителя, так и от методики приготовления уранилсодержагцих растворов, активированных ионами редкоземельных элементов. Специальная методика синтеза лазерно-активных жидкостей РОСЬ-БпСЦ-“ иСЬ“ -Ж [18] позволила частично решить проблему стабилизации иСЬ2+ и приготовить растворы с характеристиками, удовлетворяющими требованиям, предъявляемым к лазерным жидкостям. На этих растворах была получена генерация на ионах неодима при оптической накачке и показано, что
невозбужденный уранил не влияет на лазерные свойства неодима [19].
Исследования процессов взаимодействия между уранилом и
трехвалентными ионами редкоземельных элементов (РЗЭ31) в РОСЬ-БпСЦ и БгО были выполнены спектрометрическими и люминесцентно-кинетическими методами. Впервые был обнаружен эффект сенсибилизированной уранилом люминесценции неодима [20, 21], Ег3* [21] и Еи3+ [22] в РОСЦ-БпСЬ,
установлено наличие полиядерных комплексов - и022+- РЗЭ3' [20, 23, 21],
изучена кинетика их образования [20].
Для исследования механизма преобразования энергии тяжелых заряженных частиц в оптическое излучение был развит метод измерения радиационно-химического выхода в возбужденных РЗЭ3+ в а-активиых растворах, содержащих уран, обогащенный по изотопу 235и. Эффективность накачки 5 верхнего лазерного уровня РЗЭ3г и в связаны соотношением: 5=С-Е2/100, где Е2 - энергия верхнего лазерного уровня. В результате изучения и анализа большого ■ количества апротонных растворов разного состава, соактивированных 2ои022+ и РЗЭ3+ (РЗЭ: N(1, Ей, ТЬ, Ег, Рг, Эу, Бт и Но) были сделаны следующие выводы: 1) установлено, что выходы возбужденных ионов
10
европия в растворах на основе РОС1з-8пС1.| в 4 раза выше, чем в ЭгО; 2) показано, что эффективность возбуждения РЗЭ3т а-частицами зависит как от состава комплекса с центральным ионом РЗЭ +, так и от структуры электронных уровней иона редкоземельного элемента [24, 25].
Также был выполнен большой цикл работ по изучению оптических свойств урансодержащих лазерных жидкостей, возбужденных осколками деления в условиях импульсного облучения на реакторе БАРС-6 ГНЦ РФ-ФЭИ [26-28, 29, 30]. Приготовленные но методике [18] лазерно-активные среды для
жидкостного реактора-лазера представляют собой раствор РОСІз-БпСІ.г 235и022'-Нс13+, в котором концентрация ядер ионов неодима составляет (2-3)* 1020 см”3, концентрация ионов 235и - не менее 5-Ю19 см”3, время жизни
метастабильного состояния - не менее 200 мкс, сечение вынужденного
излучения - 8-Ю*20 см2 и показатель неактивных потерь на длине волны
О 1 -
генерации не более 10' см” . Параметры синтезированных урансодержащих лазерно-активных сред соответствуют требованиям, предъявляемым к хорошей лазерно-активной среде. С данной лазерно-активной средой были проведены первые эксперименты по получению лазерного эффекта при накачке от импульсного двухзонного реактора БАРС-6, которые проводились в двух геометриях. В первом варианте кювета, окруженная замедлителем нейтронов, помещалась сбоку от реактора. Во втором варианте - между зонами реактора. Ни в первом, ни во втором варианте расположения кюветы относительно реактора не удалось зарегистрировать лазерный эффект. Были выделены две главные причины отсутствия генерации. Это термооптические явления, вызванные неоднородностью нейтронного поля по объему кюветы, и наведенные осколками деления дополнительные потери. Изучению этих эффектов было уделено особое внимание. Для изучения термооптических явлений в жидкой лазерной среде в условиях накачки осколками деления была разработана методика измерения пространственно-временных характеристик излучения, прошедшего через возбужденную жидкость [28]. Результаты эксперимента показали, что на свойства жидкости оказывают существенное
11
влияние термооптические явления типа наведенной термооптической линзы с переменным фокусом и термооптического клина [29]. Более подробно методика и результаты эксперимента предстаачены в работах [28, 30]. С целью определения наведенных дополнительных оптических потерь были выполнены эксперименты по измерению пропускания зондирующего лазерного излучения
235 2+
возбужденной осколками деления лазерной жидкостью РООз-БпСЦ- и02 -Ьп3+, в которой ион неодима был заменен на лантан, не имеющий полос люминесценции ни в видимом, ни в ближнем ИК диапазоне [27, 29]. В среднем за нейтронный импульс величина наведенного осколками деления оптического поглощения составила (6±2)10'3 см'1 при удельном энерговкладе 4.6 Дж/см3 [27]. В последующей работе [31] измерены наведенные оптические потери в разные моменты нейтронного импульса и обнаружена корреляция между скоростью энерговклада и наведенными оптическими потерями. Для количественного описания зависимости наведенных оптических потерь от скорости энерговклада осколков деления в лазерно-активной жидкости была* разработана теоретическая модель образования пузырьков на треках осколков деления с учетом избыточного давления, появляющегося в кювете в момент импульса, и с учетом переменной концентрации газообразных продуктов радиолиза. Данная модель позволила вполне удовлетворительно описать полученные экспериментальные результаты [31]. С целью уменьшения рассеяния электромагнитного излучения, наведенного треками осколков деления при ядерной накачке, было решено увеличить давление в среде. В работе [32] показано, что увеличение давления до 25 атм приводит к уменьшению наведенных осколками деления оптических потерь в 2 раза. Для этого была разработана конструкция герметичного контейнера, в котором можно было создать избыточное давление в 25 атм. Также была разработана конструкция фторопластовой кюветы с прижимными окнами. Через тонкую стенку герметичной кюветы давление 25 атм передается лазерной среде. Кроме того, были проведены эксперименты по изучению пространственно-временного распределения оптического излучения при прохождении непрерывного Мс1-