RU2729064C1 - Method of converting nuclear energy (energy of radioactive decay and/or fission) into optical energy and device for implementation thereof - Google Patents
Method of converting nuclear energy (energy of radioactive decay and/or fission) into optical energy and device for implementation thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2729064C1 RU2729064C1 RU2019136639A RU2019136639A RU2729064C1 RU 2729064 C1 RU2729064 C1 RU 2729064C1 RU 2019136639 A RU2019136639 A RU 2019136639A RU 2019136639 A RU2019136639 A RU 2019136639A RU 2729064 C1 RU2729064 C1 RU 2729064C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- energy
- radiation
- nuclear
- laser
- scintillator
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21H—OBTAINING ENERGY FROM RADIOACTIVE SOURCES; APPLICATIONS OF RADIATION FROM RADIOACTIVE SOURCES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; UTILISING COSMIC RADIATION
- G21H1/00—Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
- G21H1/12—Cells using conversion of the radiation into light combined with subsequent photoelectric conversion into electric energy
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Luminescent Compositions (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для трансформации ядерной энергии (энергии частиц при радиоактивном распаде изотопов и изомеров и энергии осколков деления) в световой поток узкого спектра с последующим его использованием для накачки активной среды лазера с получением выхода энергии луча с высоким КПД преобразования.The invention relates to quantum electronics and can be used for the transformation of nuclear energy (the energy of particles in the radioactive decay of isotopes and isomers and the energy of fission fragments) into a luminous flux of a narrow spectrum, followed by its use for pumping the active medium of a laser to obtain a beam energy output with a high conversion efficiency ...
Известно, что при прохождении продуктов ядерной реакции через вещество, происходит передача энергии от этих продуктов частицам вещества, при этом энергия, так называемого, ионизирующего излучения (ядерной частицы), расходуется в процессе столкновений на ионизацию вещества и на излучение при разных видах рассеяния и переходах электронов возбужденных уровней. Для разных частиц и их энергий процесс замедления в веществе происходит по разным законам. Подавляющая доля энергии при ядерных реакциях приходится на заряженные частицы: электроны и позитроны при бета-распаде, ядра гелия-4 при альфа-распаде и осколки деления - при делении ядра нейтронами. Нейтральные частицы, за исключением гамма-квантов, большого влияния на процесс ионизации не оказывают и взаимодействуют, в основном, с ядрами атомов путем рассеяния при столкновении.It is known that when the products of a nuclear reaction pass through a substance, energy is transferred from these products to particles of the substance, while the energy of the so-called ionizing radiation (nuclear particle) is spent in the process of collisions for the ionization of the substance and for radiation with different types of scattering and transitions electrons of excited levels. For different particles and their energies, the process of deceleration in matter occurs according to different laws. The overwhelming share of energy in nuclear reactions falls on charged particles: electrons and positrons in beta decay, helium-4 nuclei in alpha decay, and fission fragments in nuclear fission by neutrons. Neutral particles, with the exception of gamma quanta, do not have a large effect on the ionization process and interact, mainly, with atomic nuclei by scattering in collisions.
В процессе движения частиц в веществе одной из важнейших характеристик является длина свободного пробега частиц или экстраполированная длина пробега, которая зависит от вида частиц, их начальной энергии и свойств вещества. По своей сути, это расстояние, которое проходит частица в таком веществе до полной потери начальной энергии. В таблице 1 представлены экстраполированные значения пробегов электронов (в см) в некоторых веществах в зависимости от их энергии.During the movement of particles in a substance, one of the most important characteristics is the free path of particles or the extrapolated path length, which depends on the type of particles, their initial energy and properties of the substance. In essence, this is the distance that a particle travels in such a substance before the complete loss of initial energy. Table 1 shows the extrapolated values of the electron ranges (in cm) in some substances depending on their energy.
По мере продвижения в веществе частица расходует свою энергию на возбуждение атомных уровней этого вещества, которые в свою очередь, при обратном переходе электронов излучают электромагнитные волны. По мере замедления начинают превалировать процессы ионизации окружающего вещества с рождением вторичных частиц-электронов, которые, в свою очередь, теряют энергию на торможение по тому же принципу и, в конечном итоге, рекомбинируют с ранее ионизованными атомами также с выходом излучения. В большинстве случаев при прохождении ядерных частиц в глубине вещества процесс их торможения приводит к его нагреву, таким образом, почти все излучение (в том числе, энергия ядерной частицы) преобразуется в тепло.As it moves through the substance, the particle spends its energy on the excitation of the atomic levels of this substance, which, in turn, emit electromagnetic waves during the reverse transition of electrons. As the deceleration proceeds, the processes of ionization of the surrounding matter begin to prevail with the production of secondary particles-electrons, which, in turn, lose energy for deceleration according to the same principle and, ultimately, recombine with previously ionized atoms also with the emission of radiation. In most cases, when nuclear particles pass through the depth of a substance, the process of their deceleration leads to its heating, thus, almost all radiation (including the energy of a nuclear particle) is converted into heat.
Вместе с тем, в случае использования ядерной энергии для накачки лазеров возникает проблема следующего характера. Наиболее эффективной для концентрации энергии является твердая активная среда лазера. Это бесспорно в связи с высокой концентрацией атомов в твердом теле. Ядерные источники энергии также самые мощные по соотношению кВт/кг и кВт/литр на сегодняшний день. Однако совместить оба эти преимущества в целях наилучшей накачки для мощных и компактных лазерных устройств до сего дня не представлялось возможным. Ядерная энергия имеет очень жесткий спектр и губительно действует на матрицу твердотельного (или волоконного) лазера. Известны газовые лазеры с ядерной накачкой. Однако они имеют огромные размеры при невысокой мощности, а энерговклад в активную среду по ряду непреодолимых технических причин не превышает 35 Дж/литр. Наиболее же перспективным способом накачки твердотельных (и волоконных) лазеров на сегодня считается светодиодный (по примеру YAG-лазеров). Но этот метод накачки сопряжен с электропитанием системы, имеет невысокий КПД (теоретический предел 20%) и требует для мощного лазера большой подведенной мощности электропитания. Это опять возвращает проблему к преобразованию первичной энергии (в данном случае ядерной) в электричество традиционными путями. Кроме этого, лазеры с накачкой от электричества имеют, так называемую, LC-проблему. L - это индуктивность зарядного контура батарей, а С - емкость. От этих параметров зависит время зарядки и разрядки аккумуляторов, питающих лазер.At the same time, in the case of using nuclear energy for pumping lasers, the following problem arises. The most effective for energy concentration is the solid active medium of the laser. This is indisputable due to the high concentration of atoms in the solid. Nuclear energy sources are also the most powerful in terms of the ratio of kW / kg and kW / liter today. However, to this day it has not been possible to combine both of these advantages in order to provide the best pumping for powerful and compact laser devices. Nuclear energy has a very hard spectrum and has a detrimental effect on the matrix of a solid-state (or fiber) laser. Nuclear-pumped gas lasers are known. However, they have huge dimensions with low power, and the energy input into the active medium, for a number of insurmountable technical reasons, does not exceed 35 J / liter. The most promising method of pumping solid-state (and fiber) lasers today is considered to be LED (following the example of YAG lasers). But this pumping method is coupled with the power supply of the system, has a low efficiency (the theoretical limit is 20%) and requires a large supplied power supply for a powerful laser. This again brings the problem back to converting primary energy (in this case nuclear) into electricity in the traditional way. In addition, electrically pumped lasers have a so-called LC problem. L is the inductance of the battery charging circuit, and C is the capacity. The charging and discharging times of the batteries supplying the laser depend on these parameters.
Из общего уровня техники известен класс веществ, обладающих способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (ядерной частицы) - гамма-квантов, электронов, альфа-частиц, осколков деления и т.д. - так называемые сцинтилляторы. Традиционно сцинтилляторы используют исключительно в качестве детекторов частиц (сцинтилляционные детекторы ядерных излучений). В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприемнике (как правило, это фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). значительно реже используются фотодиоды и другие фотоприемники), преобразуется в импульс тока, усиливается и записывается той или иной регистрирующей системой. Количество фотонов, излучаемых сцинтиллятором при поглощении определенного количества энергии (обычно 1 МэВ) называют световыходом. Большим световыходом считается величина 50-70 тыс.фотонов на МэВ. На сегодняшний день получены материалы на базе кристаллов иодида стронция, допированных церием, тербием, неодимом, европием с фотонным выходом до 120000, и конверсионной способностью до 34% по первичной энергии. Большую перспективу показывают исследования керамик на гадолинии, а также металл-органических пластиков. (Голошумова А.А. Диссертация к.т.н., «Институт геологии и минералогии Сибирского отделения РАН им. В.С. Соболева», 2016).From the general state of the art, a class of substances is known that have the ability to emit light upon absorption of ionizing radiation (nuclear particle) - gamma quanta, electrons, alpha particles, fission fragments, etc. - the so-called scintillators. Traditionally, scintillators are used exclusively as particle detectors (scintillation nuclear radiation detectors). In a scintillation detector, the light emitted during scintillation is collected on a photodetector (as a rule, it is a photomultiplier tube (PMT) photocathode. Photodiodes and other photodetectors are used much less often), converted into a current pulse, amplified and recorded by one or another recording system. The number of photons emitted by a scintillator when it absorbs a certain amount of energy (usually 1 MeV) is called light yield. A large light yield is considered to be 50-70 thousand photons per MeV. To date, materials have been obtained on the basis of strontium iodide crystals doped with cerium, terbium, neodymium, europium with a photon yield of up to 120,000, and a conversion capacity of up to 34% in terms of primary energy. Studies of ceramics using gadolinium and metal-organic plastics show great promise. (Goloshumova A.A. Ph.D. thesis, "Institute of Geology and Mineralogy of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences named after V.S.Sobolev", 2016).
При прохождении ядерных частиц в сцинтилляторе в результате их торможения часть энергии преобразуется в излучение, которое может покинуть вещество даже при значительной глубине трека частицы. Доля этого излучения зависит от многих факторов. Для повышения световыхода и создания узкого спектра излучения движущейся частицы используют так называемые активированные сцинтилляторы. В этом случае в матрицу основного вещества вводят легирующие атомы (ионы). По треку движущейся частицы, особенно тяжелого многозарядного иона образуется плазма (плазмоны), через которые от матрицы основного вещества энергия передается атомам активатора, и они в свою очередь высвечивают фотоны определенной длины волны с некоторым уширением спектра.When nuclear particles pass through the scintillator, as a result of their deceleration, part of the energy is converted into radiation, which can leave the substance even at a considerable depth of the particle track. The proportion of this radiation depends on many factors. To increase the light yield and create a narrow emission spectrum of a moving particle, so-called activated scintillators are used. In this case, alloying atoms (ions) are introduced into the matrix of the basic substance. A plasma (plasmons) is formed along the track of a moving particle, especially a heavy multiply charged ion, through which energy is transferred from the matrix of the main substance to the atoms of the activator, and they, in turn, emit photons of a certain wavelength with some broadening of the spectrum.
Частицы разной природы, но с одинаковой энергией при поглощении в сцинтилляторе, дают различный световыход. Частицы с высокой плотностью ионизации (протоны, альфа-частицы, тяжелые ионы, осколки деления) дают в большинстве сцинтилляторов меньшее количество фотонов, чем гамма-кванты, бета-частицы, мюоны или рентген, при этом отношение световыхода данного типа частиц к световыходу гамма-квантов с равной энергией называется квенчинг-фактором (от англ. quenching - «тушение»).Particles of different nature, but with the same energy when absorbed in a scintillator, give a different light yield. Particles with a high ionization density (protons, alpha particles, heavy ions, fission fragments) give in most scintillators fewer photons than gamma quanta, beta particles, muons or X-rays, while the ratio of the light yield of this type of particle to the light yield of gamma quanta with equal energy is called quenching factor (from the English quenching - "quenching").
Электроны высоких энергий (до энергий порядка рождения пар) почти всю свою энергию расходуют на образование излучения в сцинтилляторе и квенчинг-фактор у них порядка единицы. Осколки деления - это тяжелые (порядка 80-140 а.е.м.) многозарядные (Z порядка 40-50) ионы с удельной первичной энергией около 1 МэВ/нуклон. Такие ионы оставляют яркий толстый след в сцинтилляторе, окруженный «метлой» - ливнем вторичных ионизационных электронов, оставляющих свои треки. Несмотря на то, что квенчинг осколков деления в неорганических сцинтилляторах не более 25%, а в органических всего около 5%, по закону сохранения энергии остальная ее доля при торможении приходится именно на ионизацию и излучение при торможении вторичных частиц - электронов. Таким образом, без учета тепловых потерь при низких и сверхнизких энергиях в конце торможения и на поглощение в матрице, а также при незначительном излучении самой матрицы по сравнению с активаторами, большая доля энергии осколка деления преобразуется в конечном итоге в излучение узкого спектра. То есть имеет смысл говорить об интегральном квенчинг-факторе, который оценочно и с учетом выноса энергии вторичными нейтронами деления составит около 80%. Следует отметить, что сцинтилляторы могут выдавать и мультичастотный спектр при легировании атомами нескольких химических элементов. В отличие от применения сцинтилляторов в качестве детектора, где место, скорость рождения фотонов и их поглощение самими активаторами имеют принципиальное значение, здесь имеет смысл только суммарный выход энергии в заданном спектре, то есть некое интегральное значение.High-energy electrons (up to energies of the order of pair production) spend almost all their energy on the formation of radiation in the scintillator and their quenching factor is of the order of unity. Fission fragments are heavy (about 80-140 amu) multiply charged (Z about 40-50) ions with a specific primary energy of about 1 MeV / nucleon. Such ions leave a bright thick trace in the scintillator, surrounded by a "broom" - a shower of secondary ionization electrons that leave their tracks. Despite the fact that the quenching of fission fragments in inorganic scintillators is no more than 25%, and in organic scintillators it is only about 5%, according to the law of conservation of energy, the rest of its share during deceleration falls on ionization and radiation during deceleration of secondary particles - electrons. Thus, without taking into account the heat losses at low and ultra-low energies at the end of deceleration and for absorption in the matrix, as well as with insignificant radiation of the matrix itself in comparison with activators, a large fraction of the energy of the fission fragment is ultimately converted into radiation of a narrow spectrum. That is, it makes sense to talk about the integral quenching factor, which, estimated and taking into account the energy removal by secondary fission neutrons, will be about 80%. It should be noted that scintillators can also produce a multi-frequency spectrum when doped with atoms of several chemical elements. In contrast to the use of scintillators as a detector, where the place, the rate of production of photons and their absorption by the activators themselves are of fundamental importance, here only the total energy output in a given spectrum makes sense, that is, a certain integral value.
Таким образом, по мнению авторов, применение активированного сцинтиллятора в совокупности с замешенным в него или нанесенным на него слоем ядерного материала, излучающего самостоятельно и/или при облучении из внешнего источника ядерные частицы, позволит получить преобразованный с высоким КПД поток световой энергии узкого спектра, используемый для накачки активной среды лазера. В качестве аналогов подобного метода преобразования могут быть упомянуты технические решения по патентам РФ №№2247451 и 2295184. Первым принципиальным отличием заявленного решения от представленных в указанных патентах является более общий подход к преобразованию первичной ядерной энергии и ее использование для накачки лазерных уровней. Вторым принципиальным отличием является использование в качестве первичного источника энергии более широкого спектра ядерных реакций, включая деление ядер, что позволяет управлять процессами энерговыделения и получать гораздо большие мощности устройств, а также избегать паразитного разогрева устройств во время их остановки вне зависимости от их дизайна и конструктивных особенностей. И третьим принципиальным отличием является способ размещений ядерного топлива в сцинтилляторе. Это может быть как взвесь диспергированных частиц с диаметром менее примерно 1/5 длины волны излучаемого спектра, так и длинные волокна приблизительно такого же диаметра в концентрациях, не ухудшающих оптических свойств среды, или тонкие чередующиеся слои напыления ядерного материала и более толстые сцинтиллятора. Но также может быть использовано и частичное или полное замещение некоторых атомов матрицы или активатора сцинтиллятора атомами ядерного топлива (изотопами) при условии химического сродства этих атомов или замены обычного атома на его (рабочий, дающий первичную энергию) изотоп. Примером может служить сродство актиния-228 и лантана. То тесть, в содержащем лантан сцинтилляторе возможно его замещение изотопом актиния; или замещения стронция в кристалле иодида на изотоп стронций-90. И по аналогии - использование топливных изотопов урана-235(233) и плутония - 239 в сцинтилляторах со сродными элементами, например, «светящиеся» урановые стекла. Аналогичное решение авторами предложено в патенте №2694362 от 12.07.2019 г. Thus, according to the authors, the use of an activated scintillator in combination with a layer of nuclear material mixed into it or deposited on it, emitting nuclear particles independently and / or when irradiated from an external source, will make it possible to obtain a narrow-spectrum light energy flux converted with high efficiency, used for pumping the active medium of the laser. As analogs of such a conversion method, technical solutions under RF patents Nos. 2247451 and 2295184 can be mentioned. The first fundamental difference between the claimed solution and those presented in these patents is a more general approach to the conversion of primary nuclear energy and its use for pumping laser levels. The second fundamental difference is the use of a wider range of nuclear reactions, including nuclear fission, as a primary source of energy, which makes it possible to control the processes of energy release and obtain much higher power of devices, as well as to avoid parasitic heating of devices during their shutdown, regardless of their design and structural features. ... And the third fundamental difference is the way the nuclear fuel is placed in the scintillator. This can be either a suspension of dispersed particles with a diameter less than about 1/5 of the wavelength of the emitted spectrum, and long fibers of approximately the same diameter in concentrations that do not degrade the optical properties of the medium, or thin alternating layers of nuclear material deposition and thicker scintillators. But also partial or complete replacement of some atoms of the matrix or the scintillator activator with nuclear fuel atoms (isotopes) can be used, provided that these atoms have chemical affinity or replace an ordinary atom with its (working, giving primary energy) isotope. An example is the affinity of actinium-228 and lanthanum. That father-in-law, in a scintillator containing lanthanum, it is possible to replace it with an isotope of actinium; or substitution of strontium in the iodide crystal for strontium-90 isotope. And by analogy - the use of fuel isotopes of uranium-235 (233) and plutonium-239 in scintillators with related elements, for example, "glowing" uranium glasses. A similar solution was proposed by the authors in patent No. 2694362 dated 12.07.2019.
Таким образом, задачей, решаемой при создании заявленного способа, является возможность использования самораспадающихся (радиоактивных) материалов, делящегося ядерного топлива и т.п. для получения оптической энергии лазерного излучения, в частности, в возможности использования для этих целей сравнительно дешевых источников ядерной энергии, в том числе, отходов ядерного производства и пр. Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в возможности увеличения КПД преобразования энергии ядерного излучения в энергию потока фотонов узкого спектра, при одновременной возможности существенного уменьшения размеров подобных преобразователей, увеличения срока их службы и снижения себестоимости.Thus, the problem solved when creating the claimed method is the possibility of using self-decaying (radioactive) materials, fissile nuclear fuel, etc. to obtain optical energy of laser radiation, in particular, in the possibility of using for these purposes relatively cheap sources of nuclear energy, including nuclear waste, etc. The technical result achieved when solving the problem is the possibility of increasing the efficiency of conversion of nuclear energy into the energy of the photon flux of a narrow spectrum, with the simultaneous possibility of significantly reducing the size of such converters, increasing their service life and reducing the cost.
Для достижения поставленного результата предлагается способ получения когерентной лучистой энергии, при котором обеспечивают прохождение ядерных частиц через, по меньшей мере, один слой активированного сцинтиллятора с получением накачивающего излучения узкого спектра или нескольких узких спектров в диапазоне от инфракрасного (ПК) до ультрафиолетового (УФ) и последующим преобразованием полученного накачивающего излучения в энергию когерентного лазерного излучения, включающий расположение активированного сцинтиллятора на некотором расстоянии до активной среды лазера в твердом или жидком агрегатном состоянии и передачу упомянутого накачивающего излучения из активированного сцинтиллятора до активной среды лазера через градиентный волновод с введением этого излучения через боковую поверхность волновода частично или по всей его длине и/или через его торцевую поверхность.To achieve this result, a method for obtaining coherent radiant energy is proposed, in which the passage of nuclear particles through at least one layer of an activated scintillator is provided to obtain pumping radiation of a narrow spectrum or several narrow spectra in the range from infrared (PC) to ultraviolet (UV) and subsequent conversion of the obtained pumping radiation into the energy of coherent laser radiation, including the location of the activated scintillator at a certain distance to the active medium of the laser in a solid or liquid aggregate state and the transfer of the said pumping radiation from the activated scintillator to the active medium of the laser through a gradient waveguide with the introduction of this radiation through the side surface the waveguide partially or along its entire length and / or through its end surface.
Для достижения поставленного результата предлагается также преобразователь ядерной энергии (энергии радиоактивного распада и/или энергии деления атомных ядер) в энергию когерентного лазерного излучения (ядерный фото-преобразователь энергии), содержащий, по меньшей мере, один слой активированного сцинтиллятора с, по меньшей мере, одной излучающей поверхностью, в контакте с которой расположен градиентный волновод, связанный с активной средой лазера в твердом или жидком агрегатном состоянии, с частотой накачки, ниже или близкой к наиболее вероятной частоте узкого спектра излучения активированного сцинтиллятора, при этом в слой активированного сцинтиллятора внедрено ядерное топливо в виде гранул и/или волокон, и/или такой слой расположен в контакте с, по меньшей мере, одним слоем ядерного топлива и/или атомы ядерного топлива замещают сродные им химические элементы в составе самого сцинтиллятора.To achieve the set result, it is also proposed to convert nuclear energy (energy of radioactive decay and / or energy of fission of atomic nuclei) into energy of coherent laser radiation (nuclear photo-energy converter), containing at least one layer of an activated scintillator with at least one emitting surface, in contact with which a gradient waveguide is located, connected with the active medium of the laser in a solid or liquid aggregate state, with a pumping frequency lower than or close to the most probable frequency of the narrow emission spectrum of the activated scintillator, while nuclear fuel is embedded in the activated scintillator layer in the form of granules and / or fibers, and / or such a layer is located in contact with at least one layer of nuclear fuel and / or atoms of nuclear fuel replace chemical elements similar to them in the composition of the scintillator itself.
Дальнейшее раскрытие технической осуществимости заявленной группы иллюстрируется следующими фигурами:Further disclosure of the technical feasibility of the claimed group is illustrated by the following figures:
на фиг. 1 показан процесс захвата излучения из сцинтиллятора таким градиентным волноводом;in fig. 1 shows the process of capturing radiation from a scintillator by such a gradient waveguide;
на фиг. 2. приведенная схема одного из возможных вариантов технического решения градиентного волновода;in fig. 2. the given diagram of one of the possible options for the technical solution of the gradient waveguide;
на фиг. 3 схема одного из базовых вариантов реализации заявленного способа. В рамках заявленной группы изобретений для накачки активной среды (АС) лазера необходимо добиться насыщения лазерных уровней свыше 50% от их концентрации в АС за времена порядка жизни этого уровня. Наиболее перспективной авторы считают применение стеклянной легированной лазерными ионами активной среды, позволяющей получать изделие любой формы в широком диапазоне объемов и с широким спектром концентраций легирования вплоть до 10% массовой доли (см. продукцию «Лыткаринского завода оптического стекла», «Швабэ»). Однако это не снимает проблему быстрой подачи значительного количества энергии (определенного энерговклада) в АС малого объема (высокой концентрации лазерных атомов). В существующих на данный момент технических решениях для твердых сред (ламповая, диодная, солнечная накачка) существует парадигма, заложенная со времен рубиновых лазеров с ламповой накачкой. Теоретически и экспериментально установлен факт, что для достижения инверсии плотность мощности излучения, подаваемого в рубиновый кристалл (гранат, стекло, керамику или волокно с близким содержанием лазерных уровней) сопоставимо с плотностью мощности разряда в ксеноновой лампе, а размер накачивающего устройства примерно равен размеру АС. Так, для рубиновой АС требуется плотность мощности накачки порядка 1000-10000 Вт/см3 при времени вспышки порядка 1 мс. Энерговклад порядка 1-10 Дж/см3 (Ю.В. Байбародин, Основы лазерной техники).in fig. 3 is a diagram of one of the basic embodiments of the claimed method. Within the framework of the claimed group of inventions for pumping the active medium (AS) of a laser, it is necessary to achieve saturation of laser levels in excess of 50% of their concentration in the AS during times of the order of life of this level. The most promising authors consider the use of a glass laser-doped active medium, which makes it possible to obtain a product of any shape in a wide range of volumes and with a wide range of doping concentrations up to 10% mass fraction (see the products of Lytkarinsky Optical Glass Plant, Shvabe). However, this does not remove the problem of rapidly supplying a significant amount of energy (a certain input of energy) to an AS of small volume (high concentration of laser atoms). In the currently existing technical solutions for solid media (lamp, diode, solar pumping) there is a paradigm laid down since the days of lamp-pumped ruby lasers. It was theoretically and experimentally established that, to achieve inversion, the power density of radiation supplied to a ruby crystal (garnet, glass, ceramic, or fiber with a similar content of laser levels) is comparable to the power density of the discharge in a xenon lamp, and the size of the pumping device is approximately equal to the size of the AS. For example, a ruby AS requires a pump power density of the order of 1000-10000 W / cm 3 with a flash time of the order of 1 ms. Energy contribution of the order of 1-10 J / cm 3 (Yu.V. Baybarodin, Fundamentals of laser technology).
Ядерные реакции (особенно реакция деления) вполне может обеспечить подобные энерговклады и даже мощности как в режиме вспышки (цуговая накачка), так и в стационарном варианте накачки. Однако возникает проблема накачивающего устройства - среды сцинтиллятора. Если создать устройство с таким энерговыделением, то среда сцинтиллятора моментально разрушится из-за тепловых перегрузок.Nuclear reactions (especially the fission reaction) may well provide such energy input and even power both in the flash mode (train pumping) and in the stationary pumping mode. However, there is a problem of the pumping device - the scintillator medium. If a device with such an energy release is created, then the scintillator medium will instantly collapse due to thermal overloads.
Поэтому для осуществления способа в данном изобретении реализуется конструкция среды накачки с объемом много больше объема АС лазера с удельным энерговыделением порядка 1-10 Дж/см3 (относительно неяркое свечение в объеме сцинтиллятора) и с высокой плотностью мощности в импульсе в объеме АС лазера (те же 1000-10000 Вт/см3 за время импульса 1 мс), но с количеством импульсов порядка 1 в секунду, что даст приведенную по времени тепловую нагрузку на среду не более 1-10 Вт/см3. Тогда остается решить вопрос о транспортировке этого рассеянного по большому объему излучения и его концентрации в малый объем АС лазера. Для этой цели в заявленном устройстве применяется градиентный волновод (или система таких волноводов, чередующихся со слоями сцинтиллятора с внедренным в него ядерным топливом).Therefore, to implement the method in this invention, the design of a pumping medium with a volume much larger than the volume of an AS laser with a specific energy release of the order of 1-10 J / cm 3 (relatively dim glow in the volume of the scintillator) and with a high power density in a pulse in the the same 1000-10000 W / cm 3 for a pulse time of 1 ms), but with the number of pulses of the order of 1 per second, which will give a time-reduced thermal load on the medium no more than 1-10 W / cm 3 . Then it remains to solve the problem of transporting this radiation scattered over a large volume and its concentration into a small volume of the AS laser. For this purpose, the claimed device uses a gradient waveguide (or a system of such waveguides alternating with layers of a scintillator with nuclear fuel embedded in it).
Устройство накачки, как один из вариантов дизайна, представляет собой цилиндр большого диаметра D с коаксиально расположенной вставкой малого диаметра d (D>>d) в виде активной среды лазера, АС, ограниченный оптическим резонатором в виде зеркальной поверхности. Пространство между D и d состоим из чередующихся слоев сцинтиллятора с внедренным в него ядерным топливом (опционно с элементами принудительного охлаждения) и градиентными волноводными дисками - плоскими дискообразными градиентными волноводами. У этих волноводов приемной поверхностью излучения является боковая поверхность, внешний торец (кромка) D зеркальный и выходной поверхностью служит только внутренний торец (кромка) малого диаметра d шириной h. Градиент коэффициента преломления направлен от поверхности приема излучения по толщине диска. Каждый слой сцинтиллятора, зажатый двумя такими дисками, представляет собой элемент устройства накачки. Все элементы устройства накачки плотно прижаты сторонами волноводов с максимальным n по всей длине контакта их излучающих внутренних торцов (кромок) со стержнем АС малого диаметра d.The pumping device, as one of the design options, is a cylinder of large diameter D with a coaxially located insert of small diameter d (D >> d) in the form of an active laser medium, an AS, limited by an optical cavity in the form of a mirror surface. The space between D and d consists of alternating layers of a scintillator with embedded nuclear fuel (optionally with forced cooling elements) and gradient waveguide disks - flat disk-shaped gradient waveguides. In these waveguides, the receiving surface of the radiation is the lateral surface, the outer end (edge) D is mirror-like, and only the inner end (edge) of small diameter d and width h serves as the output surface. The gradient of the refractive index is directed from the radiation receiving surface along the thickness of the disk. Each scintillator layer clamped by two such discs constitutes an element of the pumping device. All elements of the pumping device are tightly pressed by the sides of the waveguides with the maximum n along the entire length of contact of their radiating inner ends (edges) with the AS rod of small diameter d.
Градиентным волноводом (ГВ) называется (волновод) устройство передачи электромагнитной энергии в виде электромагнитных волн с переменным по сечению коэффициентом преломления. Существуют ГВ со ступенчатым распределением n и с плавным, например, параболическим, секансным или иным другим, заданным функцией n(x,y,z) в общем виде в декартовых координатах или n(r) в часто распространенной цилиндрической геометрии. Суть явления захвата и транспортировки излучения вдоль ГВ описывается законом полного внутреннего отражения. Технически n варьируется за счет легирования прозрачных на заданном интервале оптических частот материалов (стекол, пластиков, кристаллов и керамик) определенными добавками (ионами металлов, боратами, германатами, оксидами церия, празеодима и т.д.). Показатель преломления также существенно зависит от длины волны излучения. Для ближнего и среднего ИК-диапазона (неодимовый лазер) согласно справочным данным, например, промышленно и серийно изготовляемые стекла имеют диапазон n в интервале от 1,45 (фторированный кварц) до 3,05 (ИКС32). Но существуют материалы и с n>4 (керамики, кристаллы и легированные германием стекла). Также существуют материалы с n<1,36 (легирование LiF). (см. Оптические материалы. Часть 2 Учебное пособие для конструкторов оптических систем и приборов; В.А. Зверев, Е.В. Кривопустова, Т.В. Точилина, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики).A gradient waveguide (GW) is a (waveguide) device for transmitting electromagnetic energy in the form of electromagnetic waves with a cross-sectional refractive index. There are GWs with a stepped distribution n and with a smooth, for example, parabolic, secant or other, given by the function n (x, y, z) in general form in Cartesian coordinates or n (r) in the often widespread cylindrical geometry. The essence of the phenomenon of capture and transport of radiation along the GW is described by the law of total internal reflection. Technically, n varies by doping transparent materials (glasses, plastics, crystals, and ceramics) with certain additives (metal ions, borates, germanates, cerium oxides, praseodymium, etc.) that are transparent in a given optical frequency range. The refractive index also depends significantly on the radiation wavelength. For the near and mid-IR range (neodymium laser), according to reference data, for example, industrially and commercially produced glasses have a range of n in the range from 1.45 (fluorinated quartz) to 3.05 (IKS32). But there are also materials with n> 4 (ceramics, crystals and glass doped with germanium). There are also materials with n <1.36 (LiF doping). (see Optical materials. Part 2 Tutorial for designers of optical systems and devices; VA Zverev, EV Krivopustova, TV Tochilina, St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics).
Согласно Дэвиду Бейли и Эдвину Райту (Волоконная оптика. Теория и практика. ISBN 5-9579-0093-1), поскольку волокно цилиндрическое, входящие в волокно лучи образуют конус. Все лучи, входящие в сердечник изнутри этого конуса, будут падать на оболочку под углом больше критического, поэтому смогут благополучно распространяться вдоль волокна. Этот конус называют "конусом приема".According to David Bailey and Edwin Wright (Fiber Optics. Theory and Practice. ISBN 5-9579-0093-1), since the fiber is cylindrical, the rays entering the fiber form a cone. All rays entering the core from the inside of this cone will fall on the shell at an angle greater than the critical one, so they can safely propagate along the fiber. This cone is called the "receiving cone".
Половина (θ1) от угла при вершине конуса приема называется "углом приема". Его величина зависит, от показателей преломления сердечника, оболочки и воздуха (причем у воздуха показатель преломления 1) или любого другого материала источника света. Луч света, входящий в сердечник под углом, большим θ1 будет рассеиваться в оболочке. Луч света, входящий под углом ровно θ1, будет падать на границу сердечника и оболочки под (критическим) углом θC и будет двигаться параллельно этой границе.Half (θ 1 ) of the angle at the top of the receiving cone is called the “receiving angle”. Its value depends on the refractive indices of the core, shell and air (moreover, air has a refractive index of 1) or any other material of the light source. A ray of light entering the core at an angle greater than θ 1 will be scattered in the cladding. A ray of light entering at an angle of exactly θ 1 will fall on the core-cladding interface at a (critical) angle θ C and will move parallel to this boundary.
Для указания собирательной способности волокна используется специальная мера. Она называется "числовая апертура" (numerical aperture). Числовая апертура представляет собой синус угла приема, то есть:A special measure is used to indicate the collecting capacity of the fiber. It is called the numerical aperture. Numerical aperture is the sine of the receiving angle, that is:
NA=sin(θ1).NA = sin (θ 1 ).
Ее также можно выразить через множитель коэффициентов преломления волокна.It can also be expressed in terms of a fiber refractive index multiplier.
Если имеются два волокна с одним и тем же диаметром сердечника, но с различными числовыми апертурами, волокно с большей апертурой будет принимать больше световой энергии от источника света, чем волокно с меньшей апертурой. Если есть два волокна с одинаковыми апертурами, но с различными диаметрами, волокно с большим диаметром получит в сердечник больше световой энергии, чем волокно с меньшим диаметром.If there are two fibers with the same core diameter but different numerical apertures, the larger aperture fiber will receive more light energy from the light source than the smaller aperture fiber. If there are two fibers with the same aperture but different diameters, the larger diameter fiber will receive more light energy into the core than the smaller diameter fiber.
Оптические волокна с большими апертурами или диаметрами принимают больше света, чем волокна с меньшими апертурами или диаметрами. Волокна с большими апертурами и диаметрами больше подходят для недорогих передатчиков, таких, как светодиоды, которые не способны концентрировать выходную энергию в узкий когерентный пучок (как лазеры) и излучают под большим углом. Однако недостатком волокна с такими параметрами является большая дисперсия (рассеяние) света, введенного в сердечник, а следовательно, и снижение полосы пропускания волоконной передачи. С другой стороны, волокно с меньшей апертурой или диаметром будет иметь большую полосу пропускания. Это происходит потому, что в сердечник входят относительно параллельные лучи света и их дисперсия вдоль волокна будет меньше. Недостатком же в этом случае является необходимость в более дорогих источниках света (таких, как лазеры), предоставляющих более узкие пучки света, и в более точном выравнивании передатчика и сердечника.Optical fibers with large apertures or diameters receive more light than fibers with smaller apertures or diameters. Fibers with larger apertures and diameters are more suitable for low-cost transmitters, such as LEDs, which cannot concentrate the output energy into a narrow coherent beam (like lasers) and emit at a large angle. However, the disadvantage of a fiber with such parameters is the large dispersion (scattering) of the light introduced into the core, and therefore, a decrease in the transmission bandwidth of the fiber transmission. On the other hand, a fiber with a smaller aperture or diameter will have a higher bandwidth. This is because relatively parallel light rays enter the core and their dispersion along the fiber will be less. The disadvantage in this case is the need for more expensive light sources (such as lasers), providing narrower beams of light, and more accurate alignment of the transmitter and core.
Бэйли и Райт рассматривают случай ввода излучения с торца ГВ при закрытой боковой поверхности защитным кожухом. Чаще всего такую схему используют при накачке волоконных лазеров. Это обусловлено очень малым диаметром ядра волокна, которое является в этом случае АС лазера. Такое волокно одномодовое и имеет очень невысокое отличие коэффициента преломления Δn ~ 0,01, слабо поглощает многомодовое излучение на торце. Но за счет его многократного отражения по длине коаксиального ГВ создается эффект боковой накачки, которая более равномерна.Bailey and Wright consider the case of radiation input from the GW end with the side surface closed by a protective casing. Most often, such a scheme is used when pumping fiber lasers. This is due to the very small diameter of the fiber core, which in this case is the AS of the laser. Such a fiber is single-mode and has a very low difference in the refractive index Δn ~ 0.01, weakly absorbs multimode radiation at the end. However, due to its multiple reflection along the length of the coaxial GW, the effect of side pumping is created, which is more uniform.
В нашем случае мы рассматриваем боковой вход излучения в плоский ГВ из сцинтиллятора довольно умеренной интенсивности через плоскости большой площади и его транспортировку волноводом к узкому торцу, который контактирует с твердой АС лазера также по боковой поверхности. В этом случае конус приема вырождается в конус потерь излучения, что очевидно из фиг. 1.In our case, we consider the lateral entrance of radiation into a plane GW from a scintillator of rather moderate intensity through planes of a large area and its transport by a waveguide to a narrow end, which also contacts the solid AS of the laser along the lateral surface. In this case, the reception cone degenerates into a radiation loss cone, which is obvious from Fig. 1.
В данном случае точечные источники излучения находятся в пространственно протяженной плоской щели, заполненной сцинтиллятором, между двумя ГВ той же протяженности. При линейных размерах ГВ порядка сотен мм и ширине не более 1 мм краевыми эффектами можно в первом приближении пренебречь. Тогда наш угол входа излучения (захвата) будет находиться в пределах от до и из расчета в половину телесного угла на каждую группу ГВ.In this case, point radiation sources are located in a spatially extended flat slit filled with a scintillator between two GWs of the same length. With the linear dimensions of the HS of the order of hundreds of mm and the width of no more than 1 mm, the edge effects can be neglected in the first approximation. Then our angle of entry of radiation (capture) will range from before and at the rate of half the solid angle for each group of HS.
Для волны порядка 0,760 - 1,550 мкм с использованием исключительно стекла как основы ГВ (диапазон n) получим ≈0,88, что соответствует углу ≈ 1,076 радиан. Тогда ≈ 0,5 радиана. При условии равновероятного распределения излучения сцинтилляций это значит, что ГВ увлекает более 2/3 излучения при первом же контакте с ним. Но это не означает, что 1/3 излучения теряется, поскольку:For a wave of the order of 0.760 - 1.550 μm using only glass as the basis for the HS (range n), we obtain ≈0.88, which corresponds to the angle ≈ 1.076 radians. Then ≈ 0.5 radians. Provided that the distribution of scintillation radiation is equiprobable, this means that the GW carries away more than 2/3 of the radiation at the first contact with it. But this does not mean that 1/3 of the radiation is lost, because:
- возможно изготовление комбинированного ГВ с большим nmax;- it is possible to manufacture a combined GW with a large n max ;
- система полностью окружена зеркальным резонатором и чем дольше фотон будет двигаться в среде, тем больше вероятность его рассеяться из углов конуса потерь;- the system is completely surrounded by a mirror resonator, and the longer the photon moves in the medium, the more likely it is to scatter from the corners of the loss cone;
- активаторы сцинтиллятора являются также и поглотителями своего излучения, при этом они же его и переизлучают; иными словами, излучение в сцинтилляторе может претерпевать значительное диффузное рассеяние вследствие череды поглощений и повторных излучений атомами активатора (сама матрица прозрачна) и также захватываться градиентным волноводом при повторном прохождении через него с учетом углов захвата, либо идет на следующую итерацию.- scintillator activators are also absorbers of their own radiation, while they also re-emit it; In other words, radiation in the scintillator can undergo significant diffuse scattering due to a succession of absorption and repeated radiation by the activator atoms (the matrix itself is transparent) and can also be captured by the gradient waveguide when it passes through it again taking into account the capture angles, or goes to the next iteration.
Конструктивно возможен вариант реализации практической схемы заявленного преобразователя, при котором некий объем условно прозрачной упруго рассеивающей излучение среды с источником вспышки (с поглощением и обратным излучением) фотонов, ограниченный зеркальным отражателем и поверхностью стока излучения - боковой поверхностью АС лазера, подобием которой является большая сфера с внутренней зеркальной поверхностью диаметра D, заполненная прозрачным для фотонов веществом с вкраплениями атомов, которые поглощают и через некоторое очень короткое время обратно излучают данные фотоны, и сточное отверстие с диаметром d<<D. Внутри сферы происходит вспышка N фотонов с общей суммарной энергией Е=hν × N. Тогда, за время вспышки t >> τ, где τ=D/C, которое будет зависеть от скорости света в среде С и от d/D - геометрии (t≥τ × [D/d]2 и τ≥τ* - время жизни возбужденного состояния при поглощении/излучении фотона активатором), при коэффициенте отражения ~ 1 и коэффициенте потерь в среде близком к 0, все это излучение и вся энергия вспышки выходит через отверстие d за время порядка (1...2)t, при этом пространственное распределение излучения из отверстия d будет как у исходной вспышки, например, по Пуассону - равномерно в 2π на плоскость перпендикулярно нормали к d. То есть, яркость (энергия/время/площадь источника = Вт/см2) вырастет на выходе из малого отверстия, по сравнению с яркостью на поверхности этой сферы как ≈ [D/d]2/2.Structurally, it is possible to implement a practical scheme of the claimed converter, in which a certain volume of a conditionally transparent elastically scattering radiation medium with a flash source (with absorption and backward radiation) of photons, limited by a mirror reflector and a radiation drain surface - the side surface of the laser AS, which is similar to a large sphere with an inner mirror surface of diameter D, filled with a substance transparent for photons with inclusions of atoms that absorb and after a very short time re-emit these photons, and a drain hole with a diameter d << D. Inside the sphere, a flash of N photons occurs with a total total energy E = hν × N. Then, during the flash time t >> τ, where τ = D / C, which will depend on the speed of light in the medium C and on d / D - geometry ( t≥τ × [D / d] 2 and τ≥τ * is the lifetime of an excited state when a photon is absorbed / emitted by an activator), with a reflection coefficient of ~ 1 and a loss coefficient in the medium close to 0, all this radiation and all the flash energy comes out through the hole d in a time of the order of (1 ... 2) t, while the spatial distribution of radiation from the hole d will be the same as that of the original flash, for example, according to Poisson - uniformly in 2π on the plane perpendicular to the normal to d. That is, the brightness (energy / time / source area = W / cm 2) grows downstream of the small aperture, compared to the brightness on the surface of this sphere as a ≈ [D / d] 2/2.
В любом случае, все рожденное в объеме накачивающего устройства V излучение, с учетом потерь в материалах и на отражающих поверхностях, будет неизбежно передано в объем v<<V активной среды лазера.In any case, all radiation generated in the volume of the pumping device V, taking into account losses in materials and on reflecting surfaces, will inevitably be transferred into the volume v << V of the laser active medium.
Поскольку в ГВ за отсутствием существенного поглощения (потери в современных волноводах составляют примерно 0,2-1 дБ/км, а радиус плоских волноводов не превышает десятков см, и размер всей конструкции между внешними резонаторами сотни см) световой поток Ф = const, то его плотность Ф/S (а значит и яркость Вт/см2) при входе через боковую поверхность группы ГВ и выходе через торец (кромку) с меньшей площадью вырастет пропорционально отношению этих площадей (подобная геометрия рассмотрена в работе «О повышении яркости оптического излучения», И.Н. Сисакян, А.В. Шварцбург, А.В. Шепелев; «Компьютерная оптика», №9, стр. 36-48; 1991 г., МЦНиТИ ЦКБ Уникального приборостроения РАН, стр. 45, рис. 4; патент РФ 2024895 «Способ освещения объектов» от 15.12.1994 г).Since in a GW, in the absence of significant absorption (losses in modern waveguides are approximately 0.2-1 dB / km, and the radius of flat waveguides does not exceed tens of cm, and the size of the entire structure between external resonators is hundreds of cm), the light flux is Ф = const, then its the density F / S (and hence the brightness W / cm 2 ) when entering through the side surface of a group of HW and exiting through the end (edge) with a smaller area will grow in proportion to the ratio of these areas (a similar geometry is considered in the work "On increasing the brightness of optical radiation", IN Sissakian, AV Schwarzburg, AV Shepelev; "Computer Optics", No. 9, pp. 36-48; 1991, ICNiTI Central Design Bureau for Unique Instrumentation RAS, p. 45, Fig. 4; RF patent 2024895 "Method of lighting objects" dated 15.12.1994).
Известны методы введения излучения в градиентный волновод (ГВ) с торца и с боковой поверхности (см. «Волноводная фотоника», Никоноров Н.В., Шандаров С.М., ИТМО, 2008 г. Рис. 5.3, стр. 60).Known methods of introducing radiation into a gradient waveguide (GW) from the end and from the lateral surface (see "Waveguide Photonics", NV Nikonorov, SM Shandarov, ITMO, 2008 Fig. 5.3, p. 60).
В нашем случае возможный материал принимающей поверхности - это стекло с минимальным n (1,45 приведено в оценках и до 1,35 известно для кварцевого стекла). У подавляющего большинства сцинтилляторов, пригодных для наших целей, имеем n3: для матрицы иодида стронция (SrI2:Eu, Се, Tb, Nd и т.д.) n=2,05; для титаната стронция (SrTiO3) n=2,41; CsI:Tl n=1,79; LaBr3(Ce) n=1,9; PbWO4 n=2,19; BGO n=2,15 и т.д... (Данные изготовителя. «Ленинградские лазерные системы». Технопарк ИТМО). В данном случае градиентные волноводы и слой сцинтиллятора будут образовывать единую волноводную систему с источником диффузного излучения в центральном по сечению локальном максимуме n и ограниченную со всех сторон, кроме выходного торца (кромки) зеркальным резонатором.In our case, a possible material for the receiving surface is glass with a minimum n (1.45 is given in estimates and up to 1.35 is known for quartz glass). For the overwhelming majority of scintillators suitable for our purposes, we have n 3 : for the strontium iodide matrix (SrI 2 : Eu, Ce, Tb, Nd, etc.) n = 2.05; for strontium titanate (SrTiO 3 ) n = 2.41; CsI: Tl n = 1.79; LaBr 3 (Ce) n = 1.9; PbWO 4 n = 2.19; BGO n = 2.15, etc. (Manufacturer's data. Leningrad Laser Systems. ITMO Technopark). In this case, the gradient waveguides and the scintillator layer will form a single waveguide system with a source of diffuse radiation in the local maximum n central over the section and limited from all sides, except for the exit end (edge) by a mirror resonator.
В целях улучшения захвата излучения волноводом и его транспортировки к АС лазера возможно применение ряда уже известных технических решений. Например, для сокращения числа перерождений фотона в сцинтилляторе можно изготовить диффузно отражающую поверхность волновода с максимальным n. Тогда фотоны, попавшие в конус потерь , испытав диффузное отражение на границе волновода, будут иметь большую вероятность захвата, которая будет расти с итерациями к примерно как при условии случайного распределения. Также возможно применение известного метода повышения яркости с помощью клиновидного волновода. В этом случае волноводный диск выполняется в клиновидном сечении с заострением к большему диаметру, что обеспечит выход захваченного излучения через «раствор» клина с ростом яркости. Однако надо учесть, что в волновод будет поступать и УСИ (усиленное спонтанное излучение) из АС лазера с высокой радиальной составляющей. А сужение градиентного волновода часто используют именно для вывода многомодового излучения. Поэтому для возврата мод с направлением по радиусу от центральной оси необходима смена угла на π, то есть гладкое боковое зеркало с высоким коэффициентом отражения - боковой резонатор. Схема подобных улучшений изображена на фиг. 2. Приведенная схема технического решения находится в рамках заявленного способа ядерной накачки твердотельного (или жидкостного) лазера и, по мнению авторов, позволит повысить ее оптические характеристики, КПД накачки и компактность устройств, но не является принципиальной с точки зрения осуществимости способа.In order to improve the capture of radiation by the waveguide and its transportation to the laser AS, it is possible to use a number of already known technical solutions. For example, to reduce the number of photon transformations in the scintillator, a diffusely reflecting waveguide surface with maximum n can be fabricated. Then the photons hitting the loss cone , having experienced diffuse reflection at the waveguide boundary, will have a high capture probability, which will grow with iterations to approximately as subject to random distribution. It is also possible to apply the known method of increasing brightness using a wedge-shaped waveguide. In this case, the waveguide disk is made in a wedge-shaped section with a sharpening to a larger diameter, which will ensure that the trapped radiation escapes through the "opening" of the wedge with increasing brightness. However, it should be taken into account that ASE (amplified spontaneous emission) from an AS laser with a high radial component will also enter the waveguide. And the narrowing of the gradient waveguide is often used precisely for the output of multimode radiation. Therefore, to return the modes with a direction along the radius from the central axis, it is necessary to change the angle to π, that is, a smooth side mirror with a high reflection coefficient - a side resonator. A diagram of such improvements is shown in FIG. 2. The presented scheme of the technical solution is within the framework of the claimed method of nuclear pumping of a solid-state (or liquid) laser and, in the authors' opinion, will improve its optical characteristics, pump efficiency and compactness of devices, but is not fundamental from the point of view of the feasibility of the method.
Проведем оценку требуемых параметров накачивающего устройства и АС лазера реалистичных размеров. Зададим следующие параметры:Let us estimate the required parameters of the pumping device and the AL laser of realistic dimensions. Let's set the following parameters:
внешний торец (кромка D) таких дисков покрыт отражающим слоем, внутренний (кромка d) - открыт для выпуска излучения. В этом случае, площадь поверхности, принимающей излучение сцинтиллятора на 2 диска есть Sn=2×(D2-d2)π/4 ≈ πD2/2. А площадь испускания излучения в AC:Sn=3πdh (1 слой сцинтиллятора 2 мм и 2 волновода по 0,5 мм - на 3 мм длины стержня АС).the outer end (edge D) of such discs is covered with a reflective layer, the inner (edge d) is open for emission of radiation. In this case, the surface area receiving radiation scintillator disc 2 is S n = 2 × (D 2 -d 2) π / 4 ≈ πD 2/2. And the area of radiation emission in AC: S n = 3πdh (1 scintillator layer 2 mm and 2 waveguides 0.5 mm each - for 3 mm of the AS rod length).
Таким образом, градиентный волновод является концентратором яркости (плотности мощности), выделяемый в объеме пакета дисков в сцинтилляторе с топливными элементами. При d ~ 1 см, D ~ 15 см, h ~ 0,1 см в пересчете на яркость, ее коэффициент усиления волноводом составит примерно 60 раз! Иными словами, чтобы обеспечить в АС плотность мощности накачки порядка 103 Вт/см2 в накачивающей среде необходимо обеспечить энерговыделение на приемную поверхность волноводов порядка 7 Вт/см2, что вполне реализуемо даже в стационарном режиме. При этом объемная плотность мощности в АС достигнет 1000 Вт/см3, а объемная плотность мощности в сцинтилляторе около 70 Вт/см3, что также вписывается в рамки допустимых нагрузок. Здесь надо понимать, что диаметр D можно увеличивать и снижать нагрузку на сцинтиллятор, хотя и ограничено инженерными соображениями. Например, для сцинтиллятора на базе кристаллов ZnS (Ср ≈ 1,8 Дж/см3К) при конверсионной способности около 25% (нагрев ~ 200 Вт/см3) даже без охлаждения время непрерывной работы при такой плотности мощности составит около 1-2 секунд до нагрева среды выше 100 К от начальной температуры.Thus, the gradient waveguide is a brightness (power density) concentrator released in the volume of a disk stack in a scintillator with fuel cells. At d ~ 1 cm, D ~ 15 cm, h ~ 0.1 cm in terms of brightness, its gain by the waveguide will be about 60 times! In other words, in order to provide a pump power density in the AS of the order of 10 3 W / cm 2 in the pumping medium, it is necessary to provide an energy release to the receiving surface of the waveguides of the order of 7 W / cm 2 , which is quite realizable even in a stationary mode. In this case, the volumetric power density in the AU will reach 1000 W / cm 3 , and the volumetric power density in the scintillator is about 70 W / cm 3 , which also fits into the framework of permissible loads. It should be understood here that the diameter D can be increased and the load on the scintillator can be decreased, although it is limited by engineering considerations. For example, for a scintillator based on ZnS crystals (C p ≈ 1.8 J / cm 3 K) with a conversion capacity of about 25% (heating ~ 200 W / cm 3 ), even without cooling, the time of continuous operation at this power density will be about 1 2 seconds until the medium heats up above 100 K from the initial temperature.
Особо следует подчеркнуть, что ориентироваться на рубиновый лазер нецелесообразно по меньшей мере по двум причинам. Во-первых, его АС - это кристалл с очень незначительным варьированием плотности лазерных ионов Cr3+, что не дает возможности мощностного маневра и требует для стационарной работы высокой для нее плотности мощности в АС (что справедливо отмечено экспертом). Но твердотельные лазеры не ограничиваются искусственными кристаллами рубина и гранатов! Неодимовое стекло в этом смысле идеальный кандидат на АС. Оно позволяет создавать АС с содержанием Nd2+ от сотых долей % до 10% массовой доли неодима! То есть, на его основе можно создавать лазеры от мощных импульсных до слабых стационарных и оно идеально подходит по нейтронно-физическим и иным параметрам к заявленному способу накачки (данные по стеклам были приведены ранее со ссылкой на производителей: концерн «Швабе» и «Лыткаринский завод оптического стекла»). Во-вторых, рубиновый лазер трехуровневый, а неодимовый - четырехуровневый, что дает существенный выигрыш в КПД.It should be especially emphasized that it is inexpedient to focus on a ruby laser for at least two reasons. First, its AS is a crystal with a very insignificant variation in the density of laser ions Cr 3+ , which does not allow power maneuver and requires a high power density in the AS for stationary operation (which was rightly noted by the expert). But solid-state lasers are not limited to artificial ruby and garnet crystals! In this sense, neodymium glass is an ideal candidate for an AU. It allows you to create speaker systems with Nd 2+ content from hundredths of% to 10% of the mass fraction of neodymium! That is, on its basis it is possible to create lasers from high-power pulsed to weak stationary ones, and it is ideally suited in terms of neutron-physical and other parameters to the claimed pumping method (data on glasses were given earlier with reference to manufacturers: Shvabe concern and Lytkarinsky plant optical glass "). Secondly, the ruby laser is three-level, and the neodymium laser is four-level, which gives a significant gain in efficiency.
В литературе указаны достижимые параметры поверхностной плотности мощности и удельного энерговклада в АС твердотельных лазеров. Опираться в данном случае на одну только плотность мощности крайне не корректно, поскольку в зависимости от темпоральной характеристики импульса зависит накопление паразитного тепла в АС лазера и условия его охлаждения. На сегодня в твердых АС достижимы: W ~ 1012 Вт и Р ~ 1010 Вт/см2, но при τ ~ 1 нс в импульсном режиме (или режиме модулированной добротности), что соответствует энерговкладу порядка Е ~ 1 кДж/см3 (и энергии в пучке около 1 кДж) и приводит к разрушению, например, того же неодимого стекла SNLG (ГЛС22 или QX/Nd) при E/S ~ 22 Дж/см2 - см.The literature indicates the attainable parameters of the surface power density and the specific energy input into the AS of solid-state lasers. In this case, it is extremely incorrect to rely on the power density alone, since the accumulation of parasitic heat in the laser AS and the conditions for its cooling depend on the temporal characteristics of the pulse. Today, in solid AS the following are achievable: W ~ 10 12 W and P ~ 10 10 W / cm 2 , but at τ ~ 1 ns in the pulsed mode (or Q-switched mode), which corresponds to an energy input of the order of E ~ 1 kJ / cm 3 ( and the energy in the beam is about 1 kJ) and leads to the destruction, for example, of the same neodymium glass SNLG (GLS22 or QX / Nd) at E / S ~ 22 J / cm 2 - see.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Волоконный лазер, а также диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва-2013, Глущенко Илья Николаевич, «Неодимовые и иттербиевые термопрочные и химически стойкие стекла на фосфатной основе для дио дно-накачиваемых лазеров»: Ср ~ 2 Дж/гК, Тплав. ~ 1100-1300°С. Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН), цтата:https://ru.wikipedia.org/wiki/Fiber laser, as well as a dissertation for the degree of candidate of technical sciences, Moscow-2013, Glushchenko Ilya Nikolaevich, “Neodymium and ytterbium thermally stable and chemically resistant glasses on a phosphate basis for diode pumped lasers ": C p ~ 2 J / gK, T mel . ~ 1100-1300 ° C. The work was performed at the Federal State Budgetary Institution of Science, Institute of General Physics. AM Prokhorov of the Russian Academy of Sciences (GPI RAS), ctata:
«Лазерные исследования неодимовых стекол SNLG в непрерывном и импульсно-периодическом режимах, осуществлялись совместно с сотрудниками лаборатории физических и прикладных проблем твердотельных лазеров ИОФ РАН. Имевшиеся в нашем распоряжении образцы промышленного стекла ГЛС22 позволили напрямую сравнить лазерные свойства промышленного и разработанного стекол. Исследования генерационных характеристик активных элементов (АЭ) из этих стекол осуществлялись в максимально приближенных друг к другу экспериментальных условиях с целью корректного сравнения их лазерных свойств. Концентрация ионов неодима в обоих стеклах составляла 2×1020 см-3. Использовалась простая схема резонатора с зеркалами, напыленными непосредственно на торцы активных элементов. Рабочая длина активных элементов составляла 2,5 мм. В качестве источника излучения накачки использовалась диодная линейка с волоконным выводом излучения (~803, нм) с выходной мощностью до 12 Вт.Излучение накачки фокусировалось на АЭ в пятно диаметром 150 мкм.“Laser studies of neodymium glasses SNLG in continuous and repetitively pulsed modes were carried out jointly with the staff of the Laboratory of Physical and Applied Problems of Solid-State Lasers of the GPI RAS. The samples of industrial glass GLS22 at our disposal made it possible to directly compare the laser properties of industrial and developed glasses. Investigations of the lasing characteristics of active elements (AEs) made of these glasses were carried out under experimental conditions as close to each other as possible in order to correctly compare their laser properties. The concentration of neodymium ions in both glasses was 2 × 10 20 cm -3 . A simple scheme of a resonator with mirrors deposited directly on the ends of the active elements was used. The working length of the active elements was 2.5 mm. A diode array with a fiber output of radiation (~ 803 nm) with an output power of up to 12 W. The pump radiation was focused on the AE into a spot 150 mm in diameter as a pump radiation source.
На SNLG была получена непрерывная генерация с выходной мощностью 300 мВт при 3,2 Вт накачки, а на ГЛС22 - 160 мВт при 1,4 Вт накачки, с соответствующими значениями дифференциальной эффективности 13,4 и 16,25% (см. рис. 7). Дальнейшее увеличение мощности накачки приводило к разрушению АЭ (появление трещин) в зоне воздействия излучения накачки.CW lasing was obtained on SNLG with an output power of 300 mW at 3.2 W pumping, and on GLS22 - 160 mW at 1.4 W pumping, with the corresponding values of the differential efficiency of 13.4 and 16.25% (see Fig. 7 ). A further increase in the pump power led to the destruction of the AE (the appearance of cracks) in the zone of action of the pump radiation.
Генерационные исследования проводились вплоть до разрушения АЭ на сериях из 3 лазерных элементов каждого типа.» Конец цитаты.Lasing studies were carried out up to the destruction of the AE on a series of 3 laser elements of each type. " End of quote.
Из приведенных выше данных, очевидно, что накачка осуществлялась в объеме АС порядка V ~ πd2L/4 ≈ π×(0,015)2×0,25/4 ≈ 4,42 × 10-5 см3 при постоянной генерации 300 мВт. Тогда предельная объемная плотность мощности излучения в АС (при постоянной генерации 300 мВт) составит около 6-7 кВт/см3. А плотность мощности накачки ~ 18 кВт/см2 и 73 кВт/см3 при 3,2 Вт мощности накачки.From the above data, it is obvious that the pumping was carried out in the AS volume of the order of V ~ πd 2 L / 4 ≈ π × (0.015) 2 × 0.25 / 4 ≈ 4.42 × 10 -5 cm 3 with constant generation of 300 mW. Then the limiting volumetric power density of radiation in the AU (with constant generation of 300 mW) will be about 6-7 kW / cm 3 . And the pump power density is ~ 18 kW / cm 2 and 73 kW / cm 3 at 3.2 W of pump power.
Эти данные также согласуются с данными из других источников, например: https://studopedia.ru/7_148041_tverdotelniy-lazer.html; «Физика лазеров» В.С. Айрапетян, О.К Ушаков, Новосибирск, СГГА, 2012, см. ниже, таблицу 2, основные параметры технические параметры неодимовых лазеров.This data is also consistent with data from other sources, for example: https://studopedia.ru/7_148041_tverdotelniy-lazer.html; "Physics of Lasers" by V.S. Airapetyan, O.K. Ushakov, Novosibirsk, SGGA, 2012, see below, table 2, the main parameters of the technical parameters of neodymium lasers.
Использование делящихся материалов в качестве топлива в противовес радиоизотопам позволяет обеспечить управляемость реакции и выделения энергии вThe use of fissile materials as a fuel, as opposed to radioisotopes, makes it possible to control the reaction and release of energy in
накачивающем устройстве. И, как следствие, дает возможность создавать и стационарные лазеры. И импульсные с цуговой накачкой с помощью «ядерной вспышки».pumping device. And, as a consequence, it makes it possible to create stationary lasers. And pulsed with a train pumping with the help of "nuclear flash".
Проведем оценку плотности мощности в накачивающем устройстве в режимах «ядерной вспышки» и стационарной работы ядерной лазерно-реакторной системы (см. Бать Г.А. (ред.), В.Д. Байбаков, М.С. Алхутов «Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов», Энергоатомиздат, 1982; Абагян Л.П., Базазянц Н.О., Николаев М.Н., Цибуля A.M. «Физика ядерных реакторов»; Лукин А.В. (ред.) «Импульсные ядерные реакторы РФЯЦ - ВНИИТФ», Снежинск: РФЯЦ-ВНИИТФ, 2002. Физика ядерных реакторов. 1994. Выпуск 2. «Импульсные реакторы и простые критические сборки»; Труды конференции «Проблемы лазеров с ядерной накачкой и импульсныереакторы». Снежинск, 2003; Дьяченко П.Л., Кухарчук О.Ф, Фокина О.Г., Щукин А.Н. «Оптимизация параметров импульса накачки в реакторно-лазерной установке стенда «Б»»; Труды конференции «Физика лазеров с ядерной накачкой и импульсные реакторы». Обнинск, 2007; Дьяченко П.П., Фокин Г.Н. «Запальный реактор и параметры импульса накачки в реакторно-лазерной системе»).Let us estimate the power density in the pumping device in the "nuclear flash" and stationary operation of a nuclear laser-reactor system (see G. A. Bat (ed.), V. D. Baibakov, M. S. Alkhutov "Fundamentals of theory and methods calculation of nuclear power reactors ", Energoatomizdat, 1982; Abagyan LP, Bazazyants N.O., Nikolaev M.N., Tsibulya AM" Physics of nuclear reactors "; Lukin A.V. (ed.)" Pulsed nuclear reactors RFNC - VNIITF ", Snezhinsk: RFNC-VNIITF, 2002. Physics of nuclear reactors. 1994. Issue 2." Pulse reactors and simple critical assemblies "; Proceedings of the conference" Problems of nuclear-pumped lasers and pulsed reactors. "Snezhinsk, 2003; Dyachenko PL ., Kukharchuk OF, Fokina OG, Shchukin AN "Optimization of pump pulse parameters in the reactor-laser facility of stand" B "; Proceedings of the conference" Physics of nuclear-pumped lasers and pulsed reactors. "Obninsk, 2007 ; Dyachenko PP, Fokin GN "Ignition reactor and pump pulse parameters in a reactor-laser system").
ЛЯН - лазер с ядерной накачкой, обычно представляет собой лазерно-реакторную систему, где система накачки лазера ядерной энергией деления является одновременно и частью АЗ (активной зоны) ядерного реактора. При условии достаточности размеров устройства накачки и его критичности, оно само целиком может представлять из себя реакторную АЗ (это наиболее эффективно). Однако в существующих на сегодня установках (например, БАРС-6) устройство накачки, состоящее из более чем 500 лазерных элементов (ЛАЭЛ) является лишь частью АЗ и в нем выделяется не более 30% от всей энергии ядерного реактора. Существуют также малые лабораторные образцы, облучаемые внешним потоком нейтронов из реактора-источника, не влияющие на его характеристики своими вторичными нейтронами. В этом случае устройства накачки являются подкритическими реакторами с внешним источником первичных нейтронов, Кэфф << 1 и с малым коэффициентом умножения нейтронов Кум. На сегодня в ЛЯН используют исключительно газовую АС лазера, поскольку накачка производится прямым контактом осколков деления с веществом АС. Это влечет за собой массу недостатков, а именно: большие габариты и низкую удельную энергию и мощность накачки.LYAN is a nuclear-pumped laser, usually a laser-reactor system, where the system for pumping the laser with nuclear fission energy is at the same time part of the core (core) of a nuclear reactor. Provided that the pumping device is of sufficient size and critical, it can itself be a reactor core (this is most effective). However, in existing installations (for example, BARS-6), a pumping device consisting of more than 500 laser elements (LAEL) is only part of the core and no more than 30% of the total energy of a nuclear reactor is released in it. There are also small laboratory samples irradiated by an external neutron flux from the source reactor, which do not affect its characteristics with their secondary neutrons. In this case, the pumping devices are subcritical reactors with an external source of primary neutrons, K eff << 1 and with a small neutron multiplication factor K um . At present, LYAN uses exclusively a gas-assisted AS laser, since the pumping is performed by direct contact of fission fragments with the AS material. This entails a lot of disadvantages, namely: large dimensions and low specific energy and pump power.
Предложенный в данной заявке способ с помощью «посредника» - сцинтилляционного излучения - позволяет исключить прямой контакт ядерных частиц высокой разрушающей силы с веществом АС и, тем самым, перейти к использованию концентрированных твердых (или жидких) АС, а устройство накачки сделать компактным даже при достижении критических параметров (устройство накачки = активная зона, AЗ реактора).The method proposed in this application with the help of an "intermediary" - scintillation radiation - makes it possible to exclude direct contact of nuclear particles of high destructive force with the AC substance and, thereby, to switch to the use of concentrated solid (or liquid) AC, and make the pumping device compact even when reaching critical parameters (pumping device = core, reactor core).
И как бы то ни было, во всех вариантах организации ядерной накачки лазера скорость реакций деления рассчитывается через поток нейтронов: Rf=Фn×Σf, где Rf - число реакций деления в единицу времени в единице объема (в нашем случае -сцинтиллятора с топливом), Фn - плотность потока нейтронов (Фn=nV), Σf - макросечение реакции деления (Σf=Nтоп × σf).And be that as it may, in all options for organizing nuclear pumping of a laser, the rate of fission reactions is calculated through the neutron flux: R f = Ф n × Σ f , where R f is the number of fission reactions per unit time per unit volume (in our case, a scintillator with fuel), Ф n is the neutron flux density (Ф n = nV), Σ f is the macro section of the fission reaction (Σ f = N top × σ f ).
Из данных приведенной литературы известно, что в стационарных ЯР на тепловых (медленных) нейтронах Ф ~ 1012-1014 нейтрон/(см2×с), а в стационарных быстрых реакторах Ф ~ 1014-1015 нейтрон/(см2×с). У импульсных реакторов, соответственно: медленный - Ф ~ 1018-1019 нейтрон/(см2×с) при времени импульса от 10 мс до секунд, быстрый - Ф ~ 1016-1017 нейтрон/(см2×с) при времени импульса 100 мкс - 10 мс.From the data presented in the literature, it is known that in stationary thermal (slow) neutron nuclear reactors Φ ~ 10 12 -10 14 neutron / (cm 2 × s), and in stationary fast reactors Φ ~ 10 14 -10 15 neutron / (cm 2 × from). For pulsed reactors, respectively: slow - Ф ~ 10 18 -10 19 neutron / (cm 2 × s) with a pulse time from 10 ms to seconds, fast - Ф ~ 10 16 -10 17 neutron / (cm 2 × s) at pulse time 100 μs - 10 ms.
Оценка концентрации ядерного топлива в сцинтилляторе производится из соображений гомогенного приближения (мелкодисперсные частицы) при условии не нарушения прозрачности материала. Для ранее заданной геометрии устройства накачки D ~ 15 см и длина L принимается из соображений габаритов AC (L/d ~ 20) будет 20 см. Объем устройства накачки около 3500 см3. 2/3 этого объема занимает сцинтиллятор с топливными нано-размерными гранулами или волокнами их урана-235 или плутония-239 с обогащением не ниже 93%. Мы исходим из соображений, что присутствие таких объектов объемным содержанием до (1…3)% (Пусть v=60 см3) на оптические свойства сцинтиллятора при толщине слоев нанесения на волноводы порядка 1 мм заметного влияния не оказывает. Тогда в гомогенном приближении по урану-235 получим концентрацию (в общем объеме сцинтиллятора с волноводами) около ≈ 1,45×1021 атомов/см3.The concentration of nuclear fuel in the scintillator is estimated from considerations of the homogeneous approximation (fine particles), provided that the transparency of the material is not disturbed. For the previously specified geometry of the pumping device, D ~ 15 cm and the length L is taken from considerations of dimensions AC (L / d ~ 20) will be 20 cm. The volume of the pumping device is about 3500 cm 3 . 2/3 of this volume is occupied by a scintillator with fuel nano-sized granules or fibers of their uranium-235 or plutonium-239 with an enrichment of at least 93%. We proceed from considerations that the presence of such objects with a volumetric content of up to (1 ... 3)% (Let v = 60 cm 3 ) does not have a noticeable effect on the optical properties of the scintillator with a layer thickness of about 1 mm on waveguides. Then, in the homogeneous approximation for uranium-235, we obtain the concentration (in the total volume of the scintillator with waveguides) about ≈ 1.45 × 10 21 atoms / cm 3 .
Для медленного реактора в одногрупповом приближении σf ≈ 500×10-24 см2. Тогда для стационарного (постоянного) реактора при условно одинаковом во всех областях накачивающего устройства потоке нейтронов Ф ~ 3×1012 см-2 с-1 получим удельную скорость реакций деления: Rf=Фn×Σf ≈ 2,2×1012 реакций деления в 1 см3 в 1 секунду в стационарном режиме. Одна реакция деления урана-235 тепловыми нейтронами дает около 160 МэВ энергии в виде осколков деления. Тогда ядерная удельная мощность, выделяемая в накачивающем устройстве Р=RfEf ≈ 56 Вт/см3. Из этой мощности современными сцинтилляторами на базе SrO2 - Eu градиентным волноводом может быть выведено в АС до 34% от выделенной ядерной энергии в виде узкого спектра накачивающего излучения (Г ~ 15-30 нм). При этом плотность мощности будет в заданной конструкции усилена в 60 раз. Таким образом, постоянное тепловыделение в сцинтилляторе составит 37,5 Вт/см3, а плотность мощности потока фотонов накачки в АС составит около 6000 Вт/см3. Это полностью соответствует современным возможностям лазерных сцинтилляционных материалов. При КПД 2% это даст постоянную выходную плотность мощности в пучке 2400 Вт/см2, что вписывается в предел порога энергетического разрушения оптики при времени работы в 1-4 секунд (см. таблицу 2).For a slow reactor in the one-group approximation σ f ≈ 500 × 10 -24 cm 2 . Then, for a stationary (permanent) reactor with a conditionally identical neutron flux in all areas of the pumping device Ф ~ 3 × 10 12 cm -2 s -1, we obtain the specific rate of fission reactions: R f = Ф n × Σ f ≈ 2.2 × 10 12 fission reactions in 1 cm 3 in 1 second in a stationary mode. One reaction of fission of uranium-235 by thermal neutrons gives about 160 MeV energy in the form of fission fragments. Then the nuclear specific power released in the pumping device is Р = R f E f ≈ 56 W / cm 3 . From this power, modern scintillators based on SrO 2 - Eu with a gradient waveguide can output into the AS up to 34% of the released nuclear energy in the form of a narrow spectrum of pumping radiation (Г ~ 15-30 nm). In this case, the power density in a given design will be increased 60 times. Thus, the constant heat release in the scintillator will be 37.5 W / cm 3 , and the power density of the pump photon flux in the AS will be about 6000 W / cm 3 . This fully corresponds to the modern capabilities of laser scintillation materials. With an efficiency of 2%, this will give a constant output power density in the beam of 2400 W / cm 2 , which fits into the limit of the threshold of energy destruction of optics with an operating time of 1-4 seconds (see Table 2).
Для варианта накачки быстрым реактором в импульсном режиме (с τ ~ 1 мс, что сопоставимо с временем жизни лазерного уровня в Nd2+ - цуговая накачка) мы также используем одногрупповое и гомогенное приближение. Для урана-238 микросечение деления σf ≈ 2 барн, а плотность потока нейтронов примем Ф=5×1016 нейтрон/см3с1. Остальные геометрические и материальные характеристики АС и накачивающего устройства оставляем прежними. Тогда, Rf=Фn×Σf ≈ 1,45×1014 реакций деления в 1 см3 в 1 секунду. Общая ядерная мощность составит около 12 МВт, общее энерговыделение - около 12 кДж, из них в тепло - около 8 кДж. Плотность мощности накачки в объеме устройства накачки составит около 1150 Вт/см3, ядерной мощности - 3700 Вт/см3, (общая мощность накачки составит около 4 МВт, а энерговклад в АС ~ 4 кДж), а плотность мощности, направляемая в АС ~ 250000 Вт/см3. При этом энерговыделение в накачивающем устройстве: удельное - 3,7 Дж/см3; в АС: удельное - 250 Дж/см3, общее - 4000 Дж; энергия в пучке, предположительно, составит около 1000-2000 Дж при мощности излучения порядка 1000-2000 кВт. Таким образом, поток накачивающей мощности в АС около 60 кВт/см2 и удельный энерговклад в АС ~ 250 Дж/см3 достаточны для генерации и не превышают допустимых значений. E/S ≈ 65 Дж/см2 - смотрим таб. 2. Это доказывает, что и в импульсном режиме предложенный способ накачки лазера вполне применим, при этом в нашем случае время импульса не масштаба 10-9-10-7 с, а порядка времени рабочего импульса накачивающего ЯР, то есть в диапазоне 10-4-10-2 с. For the variant of pumping by a fast reactor in a pulsed regime (with τ ~ 1 ms, which is comparable to the lifetime of a laser level in Nd 2+ - train pumping), we also use the one-group and homogeneous approximation. For uranium-238, the fission microsection is σ f ≈ 2 barn, and the neutron flux density is assumed to be Ф = 5 × 10 16 neutrons / cm 3 s 1 . The rest of the geometric and material characteristics of the speaker and the pumping device are left unchanged. Then, R f = Ф n × Σ f ≈ 1.45 × 10 14 fission reactions in 1 cm 3 in 1 second. The total nuclear power will be about 12 MW, the total energy release - about 12 kJ, of which about 8 kJ into heat. The density of the pumping power in the volume of the pumping device will be about 1150 W / cm 3 , the nuclear power - 3700 W / cm 3 (the total pump power will be about 4 MW, and the energy input to the AS is ~ 4 kJ), and the power density directed to the AS is ~ 250,000 W / cm 3 . In this case, the energy release in the pumping device: specific - 3.7 J / cm 3 ; in AS: specific - 250 J / cm 3 , total - 4000 J; the energy in the beam is expected to be about 1000-2000 J at a radiation power of about 1000-2000 kW. Thus, the pumping power flux in the AC of about 60 kW / cm 2 and the specific energy input to the AC of ~ 250 J / cm 3 are sufficient for generation and do not exceed the permissible values. E / S ≈ 65 J / cm 2 - see tab. 2. This proves that in the pulsed mode the proposed method of pumping the laser is quite applicable, while in our case the pulse time is not on the scale of 10 -9 -10 -7 s, but on the order of the time of the working pulse of the pumping nuclear reactor, that is, in the range of 10 -4 -10 -2 s.
Со ссылкой на фиг. 3, простейшая схема заявленного преобразователя ядерной энергии с первичным ее преобразованием в узкий спектр излучения с односторонней схемой облучения и последующим направлением этого первичного излучения на приемное устройство (АС лазера), может состоять из следующих элементов:With reference to FIG. 3, the simplest diagram of the claimed nuclear energy converter with its primary transformation into a narrow radiation spectrum with a one-sided irradiation scheme and the subsequent direction of this primary radiation to the receiving device (laser AC) may consist of the following elements:
1 - слой активированного сцинтиллятора;1 - activated scintillator layer;
2 - диспергированные в него гранулы ядерного топлива;2 - granules of nuclear fuel dispersed into it;
3 - зеркало (при необходимости, для искусственного ограничения излучающей поверхности);3 - mirror (if necessary, to artificially limit the emitting surface);
4 - защитный слой чистого (без топлива) активированного сцинтиллятора (опционально);4 - a protective layer of a clean (without fuel) activated scintillator (optional);
5 - приемная поверхность - градиентный волновод для транспортировки и концентрации энергии узкого спектра первичного излучения до АС лазера.5 - receiving surface - a gradient waveguide for transporting and concentrating the energy of a narrow spectrum of primary radiation to the AS laser.
Таким образом, во всех типах устройств, функционирующих на основе заявленного способа преобразования ядерной энергии, основными элементами являются: 1) топливные гранулы/волокна или слои напыления, содержащие ядерный материал - источник первичной энергии; 2) сцинтиллятор с атомами - активаторами - преобразователь энергии ядерных частиц из топливных гранул/волокон или слоев напыления или энергии ядерных частиц из ядер атомов собственного состава в первичное излучение узкого спектра в зависимости от вида активатора в диапазоне от ИК до УФ; 3) приемник фотонной энергии - это может быть непосредственно среда ее дальнейшего преобразования или передачи на расстояние: активная среда лазера с соответствующими уровнями накачки, или волновод для транспортировки этого излучения.Thus, in all types of devices operating on the basis of the claimed method of converting nuclear energy, the main elements are: 1) fuel pellets / fibers or deposition layers containing nuclear material - a source of primary energy; 2) a scintillator with atoms - activators - a converter of the energy of nuclear particles from fuel granules / fibers or layers of deposition or the energy of nuclear particles from the nuclei of atoms of their own composition into the primary radiation of a narrow spectrum, depending on the type of activator in the range from IR to UV; 3) a receiver of photonic energy - this can be directly the medium of its further conversion or transmission over a distance: the active medium of a laser with appropriate pump levels, or a waveguide for transporting this radiation.
В объеме заявленной группы изобретений, возможность повышения КПД накачки активной среды лазера обусловлена преобразованием первичной ядерной энергии в комплементарный спектр возбуждающего лазерные уровни излучения. Отсутствие прямого контакта активной среды (АС) лазера с быстрыми ядерными частицами исключает быстрое критическое повреждение структур и кардинально повышает срок службы устройств. В свою очередь, возможность использования в заявленной группе изобретений градиентных волноводов (например, световодов или оптоволоконных кабелей с изменяемым по сечению показателем преломления n светопроводящего материала) позволяет транспортировать полученное излучение сцинтиллятора на требуемые расстояния.Within the scope of the claimed group of inventions, the possibility of increasing the efficiency of pumping the active medium of a laser is due to the conversion of primary nuclear energy into a complementary spectrum of radiation exciting laser levels. The absence of direct contact of the active medium (AS) of the laser with fast nuclear particles excludes rapid critical damage to structures and dramatically increases the service life of the devices. In turn, the possibility of using gradient waveguides in the claimed group of inventions (for example, optical fibers or fiber-optic cables with a cross-sectional refractive index n of a light-conducting material) makes it possible to transport the obtained radiation of the scintillator over the required distances.
Во избежание негативного воздействия ядерного излучения на АС лазера, толщину слоя сцинтиллятора в случае использования его совместно со слоем ядерного топлива подбирают из условия превышения такой толщины над длинной пробега первичных частиц - носителей ядерной энергии. Для этих же целей, в случае использования слоя сцинтиллятора с внедренными в него частицами ядерного топлива, толщину такого слоя подбирают из условия оптимизации между энергетическим выходом в виде узкого спектра и пропускной способностью слоя (прозрачностью и потерями) для рабочих частот и при наличии «чистого» защитного слоя сцинтиллятора между АС лазера излучения и слоем с внедренным топливом. При этом толщина защитного слоя не менее длины пробега частиц - носителей ядерной энергии в нем. Особые условия при конструировании подобных устройств возникают в случае использования в качестве топлива делящегося материала. В этом случае важным фактором является устойчивость элементов и веществ конструкций к большим нейтронным потокам и учет взаимодействия нейтронов спектра деления и/или замедляющихся нейтронов с веществами, входящими в состав всех элементов и конструкций устройств.In order to avoid the negative impact of nuclear radiation on the laser AS, the thickness of the scintillator layer in the case of using it together with a layer of nuclear fuel is selected from the condition that such a thickness exceeds the long path of primary particles - carriers of nuclear energy. For the same purposes, in the case of using a scintillator layer with embedded nuclear fuel particles, the thickness of such a layer is selected from the condition of optimization between the energy output in the form of a narrow spectrum and the bandwidth of the layer (transparency and losses) for operating frequencies and in the presence of a "clean" a protective layer of the scintillator between the laser radiation and the layer with embedded fuel. In this case, the thickness of the protective layer is not less than the path length of particles - carriers of nuclear energy in it. Special conditions for the design of such devices arise when fissile material is used as fuel. In this case, an important factor is the resistance of structural elements and substances to large neutron fluxes and taking into account the interaction of fission spectrum neutrons and / or moderating neutrons with substances that are part of all elements and structures of devices.
Требования к топливным гранулам/волокнам/слоям в общем виде зависят от типа ядерного топлива (делящийся материал или определенный радиоактивный элемент), вида и энергии его частиц. Например, осколки деления ядра урана в металлическом уране имеют длину пробега порядка 6-8 мкм, а в сцинтилляторе на базе кристаллов сульфида цинка (ZnS) около 20-25 мкм. Электроны при распаде стронция-90 в иттрий-90 с энергией порядка 550 кэВ имеют длину пробега в том же сцинтилляторе 50 мкм и при распаде иттрия в цирконий-90 - энергию около 2,3 МэВ и пробег в 500 мкм. В самом стронции эти электроны имеют пробеги порядка пробега в алюминии, то есть 60 мкм и 450 мкм соответственно. Эти параметры влияют на геометрические требования к дисперсности или толщине слоя топлива и его объемной доле в смеси. Характерный размер гранул, диаметр волокна или толщина слоя топлива должны быть таковы, что потери энергии при выходе из топлива в сцинтиллятор ядерной частицы - носителя первичной энергии - должны быть минимальны, а отношение объема топлива к объему сцинтиллятора не должно быть настолько большим, чтобы ядерные частицы за время своего торможения в среде смеси не теряли много энергии при встрече с другими топливными гранулами или волокнами. С другой стороны, повышение объемного содержания ядерного топлива как исходного источника энергии предпочтительно с точки зрения мощности и компактности устройств. Практическое решение задачи лежит в области оптимизации этого параметра, а также в создании сцинтилляционных материалов, содержащих в своем составе ядерное топливо без ухудшения оптических свойств. Также размер топливных гранул или диаметр топливных волокон должен быть меньше длины волны генерируемого в сцинтилляторе излучения, а основные пики спектра не должны совпадать со спектрами поглощения атомами топлива. Иначе может возникнуть эффект неупругого рассеяния фотонов на гранулах с потерей ими энергии, а также эффект самогашений сцинтилляций на атомах топлива. Особенно, следует подчеркнуть, что дисперсное или послойное расположение топлива относительно слоя сцинтиллятора не оказывает заметного влияния на физико-химические и оптические свойства самого сцинтиллятора, в отличие от гомогенной смеси атомов топлива в сцинтилляторе. Например, растворение солей урана в сцинтилляторе может привести к изменению его оптических свойств и существенной потере энергии полезного излучения. Задача подбора веществ топливных элементов (гранул, волокон или слоев), матрицы сцинтиллятора и активатора, матриц и легирующих добавок для АС лазера, а также оптимизация дизайна преобразователя энергии и его конструктивных размеров, равно как и подбор вспомогательных частей (при необходимости), ставится и решается в зависимости от типа и назначения преобразователя и требуемых от него характеристик.Requirements for fuel pellets / fibers / layers generally depend on the type of nuclear fuel (fissile material or a specific radioactive element), the type and energy of its particles. For example, fragments of uranium nuclear fission in metallic uranium have a path length of about 6-8 microns, and in a scintillator based on zinc sulfide (ZnS) crystals, about 20-25 microns. Electrons in the decay of strontium-90 into yttrium-90 with an energy of about 550 keV have a path length in the same scintillator of 50 μm, and in the decay of yttrium into zirconium-90 - an energy of about 2.3 MeV and a range of 500 μm. In strontium itself, these electrons have ranges of the order of that in aluminum, that is, 60 μm and 450 μm, respectively. These parameters affect the geometric requirements for the dispersion or thickness of the fuel layer and its volume fraction in the mixture. The characteristic size of the granules, the diameter of the fiber or the thickness of the fuel layer should be such that the energy loss when leaving the fuel into the scintillator of a nuclear particle - the primary energy carrier - should be minimal, and the ratio of the fuel volume to the scintillator volume should not be so large that nuclear particles during their deceleration in the environment, the mixtures did not lose much energy when meeting with other fuel pellets or fibers. On the other hand, increasing the volumetric content of nuclear fuel as an initial energy source is preferable from the point of view of power and compactness of devices. A practical solution to the problem lies in the optimization of this parameter, as well as in the creation of scintillation materials containing nuclear fuel in their composition without deterioration of optical properties. Also, the size of the fuel pellets or the diameter of the fuel fibers should be less than the wavelength of the radiation generated in the scintillator, and the main peaks of the spectrum should not coincide with the absorption spectra of fuel atoms. Otherwise, the effect of inelastic scattering of photons on granules with a loss of energy may occur, as well as the effect of self-extinguishing of scintillations on fuel atoms. Especially, it should be emphasized that the dispersed or layered arrangement of the fuel relative to the scintillator layer does not significantly affect the physicochemical and optical properties of the scintillator itself, in contrast to the homogeneous mixture of fuel atoms in the scintillator. For example, the dissolution of uranium salts in a scintillator can lead to a change in its optical properties and a significant loss of useful radiation energy. The task of selecting the substances of the fuel cells (granules, fibers or layers), scintillator and activator matrices, matrices and dopants for the AS laser, as well as optimization of the design of the energy converter and its structural dimensions, as well as the selection of auxiliary parts (if necessary), are posed and is solved depending on the type and purpose of the converter and the characteristics required from it.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019136639A RU2729064C1 (en) | 2019-11-14 | 2019-11-14 | Method of converting nuclear energy (energy of radioactive decay and/or fission) into optical energy and device for implementation thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019136639A RU2729064C1 (en) | 2019-11-14 | 2019-11-14 | Method of converting nuclear energy (energy of radioactive decay and/or fission) into optical energy and device for implementation thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2729064C1 true RU2729064C1 (en) | 2020-08-04 |
Family
ID=72085884
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019136639A RU2729064C1 (en) | 2019-11-14 | 2019-11-14 | Method of converting nuclear energy (energy of radioactive decay and/or fission) into optical energy and device for implementation thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2729064C1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2247451C1 (en) * | 2003-07-11 | 2005-02-27 | Мещеряков Борис Тимофеевич | Solid state laser |
RU2295184C2 (en) * | 2004-06-07 | 2007-03-10 | Борис Тимофеевич Мещеряков | Solid-state laser |
KR101327521B1 (en) * | 2012-02-15 | 2013-11-08 | 영남대학교 산학협력단 | Pumping apparatus for a one side excitation laser diode pumped solid-state laser |
FR3019910B1 (en) * | 2014-04-10 | 2016-05-06 | Commissariat Energie Atomique | OPTICAL DEVICE WITH PHOTON RETURN |
RU2017139507A (en) * | 2017-11-14 | 2019-05-14 | Валерий Владимирович Крюков | METHOD OF TRANSFORMING NUCLEAR ENERGY (ENERGY OF RADIOACTIVE DECOMPOSITION AND / OR FISSION) TO OPTICAL ENERGY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION |
RU2690864C2 (en) * | 2014-12-15 | 2019-06-06 | Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн | Fibred circular generator with passive mode synchronization |
RU2697434C1 (en) * | 2018-12-12 | 2019-08-14 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Device for optical pumping of solid-state laser-active element for amplification of optical radiation |
-
2019
- 2019-11-14 RU RU2019136639A patent/RU2729064C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2247451C1 (en) * | 2003-07-11 | 2005-02-27 | Мещеряков Борис Тимофеевич | Solid state laser |
RU2295184C2 (en) * | 2004-06-07 | 2007-03-10 | Борис Тимофеевич Мещеряков | Solid-state laser |
KR101327521B1 (en) * | 2012-02-15 | 2013-11-08 | 영남대학교 산학협력단 | Pumping apparatus for a one side excitation laser diode pumped solid-state laser |
FR3019910B1 (en) * | 2014-04-10 | 2016-05-06 | Commissariat Energie Atomique | OPTICAL DEVICE WITH PHOTON RETURN |
RU2690864C2 (en) * | 2014-12-15 | 2019-06-06 | Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн | Fibred circular generator with passive mode synchronization |
RU2017139507A (en) * | 2017-11-14 | 2019-05-14 | Валерий Владимирович Крюков | METHOD OF TRANSFORMING NUCLEAR ENERGY (ENERGY OF RADIOACTIVE DECOMPOSITION AND / OR FISSION) TO OPTICAL ENERGY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION |
RU2697434C1 (en) * | 2018-12-12 | 2019-08-14 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Device for optical pumping of solid-state laser-active element for amplification of optical radiation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kharzheev | Radiation hardness of scintillation detectors based on organic plastic scintillators and optical fibers | |
US3391281A (en) | Direct nuclear radiation excited photon generator and emitter | |
Wang et al. | Transmutation prospect of long-lived nuclear waste induced by high-charge electron beam from laser plasma accelerator | |
Hu et al. | Proton-induced radiation damage in BaF 2, LYSO, and PWO crystal scintillators | |
Akchurin et al. | Quartz fibers as active elements in detectors for particle physics | |
Hu et al. | Development of gated fiber detectors for laser-induced strong electromagnetic pulse environments | |
Hu et al. | Neutron-induced radiation damage in BaF2, LYSO/LFS and PWO crystals | |
RU2729064C1 (en) | Method of converting nuclear energy (energy of radioactive decay and/or fission) into optical energy and device for implementation thereof | |
RU2663971C1 (en) | Method of nuclear energy conversion (energy of radioactive decay and/or split) to electric energy and device for its implementation | |
Kawase et al. | MeV γ-ray generation from backward Compton scattering at SPring-8 | |
RU2694362C1 (en) | Method of converting nuclear energy (energy of radioactive decay and/or fission of atomic nuclei and/or energy of thermonuclear neutrons) into electrical energy and a device for its implementation | |
Muray | Photoelectric effect induced by high-intensity laser light beam from quartz and borosilicate glass | |
van Hoorne | Cherenkov fibers for beam loss monitoring at the CLIC two beam module | |
Ruchti et al. | Scintillating glass, fiber-optic plate detectors for active target and tracking applications in high energy physics experiments | |
Ramsey et al. | Nuclear radiation effects in fused SiO2 lightguides | |
Kukhlevsky et al. | Pulsed-mode analysis of soft-x-ray radiation passing through capillary waveguides | |
RU2433493C1 (en) | Method and device to generate quantum beams | |
Shakhmuratov et al. | Principles of controlling a single-photon radiation state using optically thick resonant media | |
Melnikov et al. | Studies of Condensed-Media NPLs | |
CA2241422C (en) | Compact high efficiency electrical power source | |
CN114994743B (en) | Fast neutron time spectrum detection method and device | |
Sinyanskii et al. | Nuclear-optical converters for neutron detection | |
Li et al. | Ultra-intense laser field amplification from a petawatt-class laser focusing in moderate density plasma | |
Boody | Nuclear-driven fluorescence pumped solid-state lasers | |
Imasaki et al. | High-brightness γ-ray generation for nuclear transmutation |