Химический кислородно-йодный лазер - оптическая станция 21 века

ХИМИЧЕСКИЙ КИСЛОРОДНО-ЙОДНЫЙ ЛАЗЕР - ОПТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ 21 ВЕКА

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 (ХКЙЛ) является первым химическим лазером на электронных переходах с длиной волны излучения в ближней инфракрасной области (X = 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 за готовок стали и алюминия, сварка алю миниевых кузовов автомобилей и др. [9].

Более эффективное взаимодействие излу чения ХКЙЛ

с металлами, как показано в работе [5], позволяет резать при одной и той же с СО2 - лазером мощности вдвое большую толщину стали. Так 30 киловаттный ХКЙЛ при фокусировке его излучения в пятно диаметром 1мм по оценкам [5] позволит резать сталь толщиной 30 мм со скоростью 2см/мин при подду ве азота в зону резания.

Особая привлекательность ХКЙЛ 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 кис-лородно-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 ХКЙЛ окажет такое же, если не бо лее сильное влияние на технологию, какое оказала разработка коммерческих СО2-лазеров.

Весогабаритные характеристики и конкурентоспособность лазерной системы зависят от многих параметров [3] и в том числе от давления в генераторе синглетного кислорода (ГСК), которое опре деляет технические решения системы выброса отработанной среды в атмосфе-

В технологических ХКЙЛ

ру.

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. Исполь зовать вместо газодинамического охлаждения активной среды в сверхзвуковых соплах, сопровождающегося значитель ными потерями полного давления, пред варительное 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 ХКЙЛ до 150 тор и более, что даёт возможность ис пользовать в технологических лазерах дешёвые и очень эффективные системы откачки.

В результате этих разработок в СФ ФИАН создан 1.5 квт компактный и полностью масштабируемый ХКЙЛ с 26 % химической эффективностью и длиной активной среды, равной всего 5 см. При этом для создания модульной конструк- ции ХКЙЛ с уровнем мощности в десят ки и сотни киловатт не существует никаких технических проблем.

Отметим, что лучшее значение химической эффективности лазера, равное 29%, было достигнуто тоже в ХКЙЛ 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 синглетного 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 5х 108 (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].