CC BY
74
УДК 621.373.826.038.823
ХИМИЧЕСКИЙ КИСЛОРОДНО-ЙОДНЫЙ ЛАЗЕР - ОПТИЧЕСКАЯ
СТАНЦИЯ 21 ВЕКА
© 1999 М.В. Загидуллин, В.Д. Николаев
Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
Представлен обзор областей применения перспективнейших химических кислородно-йодных лазеров, а также основных результатов исследований, разработок и достижений в этом направлении Самарского филиала ФИАН.
Химический кислородно-йодный лазер (ХКИЛ) является первым химическим лазером на электронных переходах с длиной волны излучения в ближней инфракрасной области (1 = 1,315 мкм). Исходными рабочими компонентами лазера являются перекись водорода, раствор гидроокиси калия (щелочь), хлор и йод. В процессе реакции получаются абсолютно нетоксичные продукты такие, как: калийная соль (удобрение) и вода.
Простота и дешевизна получения активной среды с большими массовыми расходами, слабое поглощение излучения с этой длиной волны в атмосфере [14] и эффективное взаимодействие его с материалами [5] с самого начала предопределили первоочередные разработки этого лазера для использования его в военных целях для противоракетной обороны.
Разработка кварцевых световодов с малыми потерями на длинах до 150^200 м [6] позволили в дальнейшем определить также важные технологические задачи, в решении которых у кислородно -йодного лазера нет конкурентов. К таким задачам относятся дистанционная роботизированная лазерная разделка отработавшего свой срок радиоактивного обо-
рудования атомных энергетических установок [7, 8] с минимальным загрязнением окружающей среды, ремонт под водой корпусов кораблей без помещения их в сухой док [5], резка толстых листов и заготовок стали и алюминия, сварка алюминиевых кузовов автомобилей и др. [9]. Более эффективное взаимодействие излучения ХКИЛ с металлами, как показано в работе [5], позволяет резать при одной и той же с С02 - лазером мощности вдвое большую толщину стали. Так 30 киловат-тный ХКИЛ при фокусировке его излучения в пятно диаметром 1мм по оценкам [5] позволит резать сталь толщиной 30 мм со скоростью 2см/мин при поддуве азота в зону резания.
Особая привлекательность ХКИЛ связана с тем, что в России, США, Японии, Корее и других индустриально развитых странах мира количество ядерных энергетических установок, подлежащих утилизации, в ближайшие три десятилетия будет резко нарастать с годами (см. Таблицу 1) [5].
Эта проблема также остро стоит перед российской ядерной энергетикой в связи с сокращением подводного флота и предстоящей утилизацией более 50 атомных подводных лодок
Таблица 1. Количество реакторов в мире, подлежащих со временем утилизации (учитывая 30летний период их полной амортизации)
Год 1990 2000 2010 2020 2030
Число реакторов 60 100 250 460 535
В технически развитых странах кислородно-йодный лазер рассматривается как передовое технологическое оборудование XXI века - века оптоэлектроники, на базе которого на крупных производствах будут построены лазерные станции с раздачей лазерной энергии по световодам на роботизированные технологические посты. При этом уже сейчас разрабатываются технология и оборудование для регенерации всех химических компонент из отработанных продуктов как неотъемлемый элемент такого лазера [10,11]. По мнению экспертов, создание коммерческих ХКИЛ окажет такое же, если не более сильное влияние на технологию, какое оказала разработка коммерческих С02-лазеров.
Весогабаритные характеристики и конкурентоспособность лазерной системы зависят от многих параметров [3] и в том числе от давления в генераторе син-глетного кислорода (ГСК), которое определяет технические решения системы выброса отработанной среды в атмосферу. В технологических ХКИЛ повышение давления на выходе лазера позволяет использовать компактные и высокоэффективные турбо - компрессоры и простые водокольцевые насосы для откачки активной среды [12].
Во всех известных ГСК давление кислорода не превышает 10 тор. В Самарском филиале ФИАН процессы в генераторе синглетного кислорода и химическом кислородно-йодном лазере исследуются и разрабатываются более 15 лет. В результате этих исследований и разработок был предложен и создан новый тип ГСК - струйный, который за счёт интенсификации массообменных процессов в реакционной зоне позволил получать высокий выход синглетного кислорода (>60 %) при давлениях более 30 тор [13], а дальнейшее его совершенствование позволило поднять давление практически до 100 тор [14]. В США такие давления в генераторе достигаются только за счет (6 + 10) кратного разбавления кислорода буферным газом гелием при парциальном
давлении кислорода всего около 10 тор, что значительно удорожает и утяжеляет систему жизнеобеспечения лазера.
На базе созданных струйных генераторов синглетного кислорода в СФ ФИАН предложен и реализован ряд принципиально новых лазерных схем [15-18], позволяющих заменить дорого стоящий гелий на дешёвый азот. Использовать вместо газодинамического охлаждения активной среды в сверхзвуковых соплах, сопровождающегося значительными потерями полного давления, предварительное понижение температуры кислорода при смешении его с парами жидкого азота [19-20], что значительно снижает требования к системе откачки. А предложенная авторами эжекторная схема [18] приготовления активной среды позволяет получать активную среду с давлением выхлопа на выходе ХКИЛ до 150 тор и более, что даёт возможность использовать в технологических лазерах дешёвые и очень эффективные системы откачки.
В результате этих разработок в СФ ФИАН создан 1.5 квт компактный и полностью масштабируемый ХКИЛ с 26 % химической эффективностью и длиной активной среды, равной всего 5 см. При этом для создания модульной конструкции ХКИЛ с уровнем мощности в десятки и сотни киловатт не существует никаких технических проблем.
0тметим, что лучшее значение химической эффективности лазера, равное 29%, было достигнуто тоже в ХКИЛ со струйным генератором синглетного кислорода, но с длиной активной среды 25 см [21], что позволило обеспечить работу лазера с более высоким КПД резонатора.
В Самарском филиале ФИАН теоретически и экспериментально исследовались ряд фундаментальных процессов, определяющих работу генератора синг-летного кислорода [13] и химического кислородно-йодного лазера [23,24]. Были измерены такие важнейшие физико-химические константы процессов, происхо-
дящих в генераторе синглетного кислорода, как вероятность прилипания молекул хлора к поверхности щелочного раствора перекиси водорода у>0,03 и константа скорости реакции молекул хлора с
ионами HO2 5х108 (моль/литр)-1с-1 [22].
Были исследованы важнейшие термодинамические процессы в генераторе синглетного кислорода: теплота реакции хлора с щелочным раствором перекиси водорода, теплоемкость таких растворов, температура их замерзания, скорость их спонтанного разложения. Было показано, что в реакции хлора с щелочным раствором перекиси водорода электронно-возбужденный кислород образуется с вероятностью более 90% [19]. Создана теория химического струйного генератора синглетного кислорода [13], которая может быть использована также для многих других процессов, представляющих интерес в химической технологии. Экспериментально и теоретически продемонстрирована важная роль процессов перемешивания состояний сверхтонкой структуры атома йода на скорость и эффективность преобразования энергии, запасенной в активной среде кислородно-йодного лазера, в его излучение [23, 24].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. W.L. Bohn, «COIL activities in Germany», Proc. SPIE, v2767, 1995, pp.160-169.
2. W.E. Mc.Dermott, N.R. Pchelkin and all. Appl. Phys. Lett., v. 32, 1978, pp.469-470.
3. Дж.Даути. «Анализ химических ла-
зерных систем.» Аэрокосмическая техника, № 2, 1990, стр. 53-59.
4. F.G.Gebhard. «Atmosperic Effects Modeling For High Power Laser Sistem», Proc. SPIE, v. 2502, 1994, p.109-110.
5. D.L. Carroll, D.M. King, L. Fockler, D. Stromberg, W.C. Solomon, L.H. Sentman, “Performance of a High Power Chemical Oxygen-Iodin Laser using Nitrogen Diluent”, Proc. of Lasers’98 Conference, ed. V.J. Corcoran, STS Press,
McLean, VA, 1999.
6. H. Fujii, “COIL development in Japan”, AIAA Paper 94 - 2419, 1994
7. J. Vetrovec, “High - power iodine laser application for remote D&D cutting”, Proc. SPIE, Vol. 3092, pp 7В0 - 7В3.
В. M. Hallada, “ Research into COIL systems advances remediation of nuclear reactors”, OE Report, М1В0, December 199В, pp. 1 ,б,7.
9. J. Vetrovec, “ Prospects for an industrial chemical oxygen - iodine laser”, Proc. SPIE, Vol. 3092, pp 723 - 72б.
10.R.J. Demyanovich, S. Lynn, “ Process design and evaluation of a continuous chemical plant for the singlet oxygen-iodine laser”, Fusion Technology, v. 12, Nov., 19В7.
11.J. Vetrovec, “Regeneration of basic hydrogen peroxide and chlorine for use in chemical oxygen - iodine laser”, Proc. SPIE, Vol.3092, pp 740-743.
12.F. Wani, S. Nagamoto, M. Endo, S. Takeda, T. Fujioka, “ Downsizing of Chemical-Iodine Laser with a Turbo Blower”, Proc. SPIE, v.3574, pp 301-304, 199В.
13.M.B. Загидуллин, AЮ. Куров, Н.Л. Куприянов, B.Д. Николаев, M.И. Свистун «Bысокоэффективный струйный генератор 02(1DD)». вантовая электроника, т.18, М7, 1991, стр. В2б-В32
14. B.Н. Aзязов, M.B. Загидуллин, B.Д. Николаев, M..И. Свистун, НЛ. Хватов. «Струйный генератор 02(1DD) с давлением кислорода до 13,3 кПа», вантовая электроника, т. 21, М 2, 1994, стр. 129-132
15.B.Н. Aзязов, M.B. Загидуллин, B.Д. Николаев, B.С. Сафонов, ‘Химический кислородно-йодный лазер со смешением сверхзвуковых струй”, вантовая электроника, т. 24, М б, стр. 491-494, 1997
16.M.B. Загидуллин, B.Д. Николаев, M.И. Свистун, Н.A. Хватов, “Сравнительные характеристики дозвукового и сверхзвукового кислородно-йодных лазеров”, вантовая электроника, т. 25, М 5, стр. 413-415, 199В
17.M.B. Загидуллин, B.Д. Николаев, M.И. Свистун, НА. Хватов, “Эффективный
химический кислородно-йодный лазер с продольной прокачкой активной среды”, Квантовая электроника, т. 26, № 2, стр. 1-3, 1999
18. V.D. Nikolaev, “Comparative analysis of the different methods of preparing active media in a supersonic COIL”, Proc. SPIE, v. 3268, Paper: 3268-22, 1998
19.M.V. Zagidullin, V.D. Nikolaev, M.I. Svistun, V.S. Safonov, N.I. Ufimtsev, N.A. Hvatov, “The study of buffer gas mixing with active gas on chemical oxygen-iodine laser performance with jet type SOG”, Proc. SPIE, v 2702, pp 310-319, 1996
20.M. Endo, S. Nagatomo, S. Takeda, M. V. Zagidullin, V.D. Nikolaev, H. Fujii, F. Wani, D. Sagimoto, K. Sunako, K. Nanri, T. Fujioka, “High-Efficiency Operation of Chemical-Iodine Laser Using Nitrogen as Buffer Gas”, IEEE Journ. QE, v34, № 3, PP 393-398, 1998
21. W. E. McDermott, J.C. Stephens, J.
Vetrovec, R.A. Dickerson, “Operating Experience With a High Thoughput Jet Generator”, 28th Plasmadynamics and Lasers Conference, June 23-25, 1997/ Atlanta, GA, USA, AIAA Paper 97-2385
22.B.H. Азязов, M.B. Загидуллин, В.Д. Николаев, Н.И. Уфимцев. “Кинетика хемосорбции Cl2 растворами Н20-Н202-КОН и H20-H202-Na0H”, Журнал физической химии, 1998, т.72, №10, стр.1850-1854.
23.M.B. Загидуллин, В. И. Игошин, Н.Л. Куприянов, “ Кинетика насыщения активной среды кислородно-йодного лазера”, Квантовая электроника, Т. 11, стр. 1379-1389, 1984
24.M.B. Загидуллин, В.Д. Николаев, “Насыщение усиления и эффективность преобразования энергии в излучение в сверхзвуковом кислородно-йодном лазере с устойчивым резонатором”, Квантовая электроника, т. 24, № 5, стр. 423-428, 1997.
CHEMICAL OXYGEN-IODINE LASER AS AN OPTICAL STATION OF 21 CENTURY
© 1999 M.V. Zagidulin, V.D. Nikolaev
Samara Branch of Physics Institute named for P.N. Lebedev of Russian Academy of Sciences
The review of application range for the most perspective chemical oxygen-iodine lasers is presented in this paper. Main results of research, developments and achievements of Samara Branch of Physics Institute in this field are also discussed.
