Лазерное разделение изотопов иттербия и палладия на основе системы перестраиваемых лазеров на красителе

Содержание

• Глава 1. Лазерная система на красителе для трехступенчатой селективной фотоионизации иттербия
  • 1. 1. Задающий генератор с поперечной накачкой. Исследование спектральных и энергетических характеристик
  • 1. 2. Усилительный модуль с поперечной накачкой. Исследование эффективности мощного лазерного канала
  • 1. 3. Стабилизация длин волн лазерной системы на красителе
• Глава 2. Исследование трехступенчатой схемы селективной фотоионизации по 168 изотопа иттербия
  • 2. 1. Экспериментальная установка ИЗО для лазерного разделения изотопов иттербия
  • 2. 2. Селективная фотоионизация 168 изотопа иттербия
  • 2. 3. Эксперименты по селективной фотоионизации иттербия на крупномасштабной установке
• Глава 3. Лазерная система на красителе для исследования селективной фотоионизации палладия
  • 3. 1. Анализ возможности эффективной генерации второй гармоники в лазерах на красителе с поперечной накачкой
  • 3. 2. Исследование лазерного канала с ваттным уровнем мощности УФ излучения
  • 3. 3. Исследование спектральных характеристик узкополосного УФ лазерного канала
• Глава 4. Селективная фотоионизация изотопов палладия
  • 4. 1. Схема селективной фотоионизации изотопов палладия
  • 4. 2. Измерение сечения фотоионизации палладия
  • 4. 3. Исследование изотопов палладия
• Заключение
• Литература селективности двухступенчатой фотоионизации

ВВЕДЕНИЕ. ЛАЗЕРНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ -ДЕЙСТВУЮЩИЕ УСТАНОВКИ И КОМПЛЕКСЫ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ЛАЗЕРОВ Идея и первые разработки метода лазерного разделения изотопов на основе лазерной селективной фотоионизации принадлежат В. С. Летохову [1]. В англоязычной литературе часто используют термин — метод AVLIS. Это аббревиатура английского словосочетания Atomic Vapor Laser Isotope Separation — лазерное разделение изотопов в атомном паре. В русскоязычной литературе удобней использовать сокращение ЛАРИЗ (лазерное разделение изотопов), предполагая, что в этом методе лазерное излучение воздействует именно на атомарный пучок. К лазерным методам разделения изотопов следует также отнести метод многофотонной селективной фотодиссоциации молекул Molecular Laser Isotope Separation (MLIS) [2], в котором объектом воздействия являются молекулы летучих соединений. Технология MLIS, несмотря на конкуренцию со стороны высокопроизводительных газокинетических методов активно развивается. Продолжаются работы с гексафторидом урана (см. например [3]), запущена промышленная установка по производству углерода — 13 [4].

Основой метода ЛАРИЗ является различие в длинах волн поглощения у разных изотопов одного и того же элемента. Основные процессы ЛАРИЗ включают в себя следующие этапы.

Из твердотельной фазы получают атомный пар рабочего элемента. Этот пар содержит естественную смесь изотопов. В случае тугоплавких элементов, к которым относятся, например, уран и гадолиний, используют испарение пучком электронов. В случае легко испаряющихся металлов, к которым относится, например, иттербий, нагрев осуществляют омическим способом.

Поток атомов обычно стремятся сделать пространственно ограниченным в виде расходящегося атомного пучка, что позволяет частично уменьшить доплеровскую ширину атомных линий и засорение экстракторов.

Полученный пар ионизуют излучением нескольких лазеров, настроенных с высокой точностью (часто до 7-го знака в длине волны) на соответствующие переходы атомов разделяемого изотопа. Обычно селективная фотоионизация атомов разделяемого изотопа осуществляется путем многоступенчатого возбуждения с ионизацией на последней ступени. Для того, чтобы имела место преимущественная ионизация нужного изотопа, излучение лазеров на изотопически селективных переходах должно иметь узкий спектр, малый разброс по частоте и быть достаточно стабильным.

Ионы, имеющие обогащенный изотопный состав, экстрагируют из пара и транспортируют на коллектор экстрактора с помощью электрического поля или его комбинации с магнитным полем. В экстракторе происходит накопление изотопически чистого материала. Извлечение обогащенного материала осуществляется хорошо разработанными химическими методами.

Основными характеристиками процесса ЛАРИЗ являются коэффициент обогащения и производительность.

Коэффициентом обогащения в технике разделения изотопов принято считать (см. например [5]) параметр К = С- (100 — ОиУСо^ЮО — С,) — 1, где С0- - исходная концентрация (обычно равная естественному содержанию), С- -концентрация достигнутая в результате обогащения. В большинстве традиционных методов разделения коэффициент обогащения имеет малую величину. Например, максимальный коэффициент обогащения для гексафторида урана на газодиффузионных установках не равен 0.004, и 0.06 на центрифугах, что требует применение многокаскадных разделительных устройств. Физико-химические методы разделения, основанные на изотопном обмене и ректификации, позволяют получать сравнительно большую величину коэффициента обогащения (максимальное значение около 6 достигается для изотопов водорода), однако их применение ограничено лишь производством небольшого числа легких изотопов.

Высокие значения коэффициента обогащения порядка 10 и даже 10 за один цикл достигаются только двумя методами: с помощью электромагнитных сепараторов и на установках ЛАРИЗ.

Производительность разделительной установки зависит от метода разделения и изменяется в широких пределах от порядка 104 — 103г/час для газокинетических и физико-химических методов до порядка 10"3 — 10"1 г/час для электромагнитных методов разделения. Лазерные методы разделения изотопов позволяют в принципе перекрыть весь указанный диапазон производительности традиционных методов разделения.

Существенную роль играет также себестоимость произведенного изотопного продукта, которая при использовании технологии ЛАРИЗ должна быть ниже традиционных способов их производства. Последнее обстоятельство при рыночной экономике играет весьма существенную роль. Поэтому лазерная технология разделения изотопов сможет быть конкурентоспособной лишь в тех случаях, когда ее применение позволяет получать более дешевую продукцию.

Можно обозначить три направления развития технологии ЛАРИЗ, за период с начала ее становления до настоящего времени.

Первое из них связано с обогащением реакторных материалов, предусматривающее получение сравнительно больших количеств (порядка сотен килограммов в год) слабо обогащенного продукта (например, и для ядерной энергетики). Другая ветвь этого направления связана с получением оружейного плутония — 239, путем очистки топливного материала.

В США приступили к реализации программы разделения изотопов урана для ядерно-энергетических установок еще в середине 70-х годов [6, 7]. Интенсивные исследования ведутся также во Франции [8] и в Японии [9].

Основные исследования проводились в США в Ливерморской национальной лаборатории (США). Уже в 1975 г. за один цикл работы установки REGALIS было произведено небольшое весовое количество 3%

U при производительности 50мкг/час. К 1982 г. была построена установка большой производительностью MARS, на которой было получено 5 кг обогащенного урана. В 1983 г. началось строительство новой установки UDF. Испытания установки прошло в 1993 г. В отчетах Ливерморской лаборатории сообщается о больших успехах, производстве чуть ли не тонн обогащенного урана. Однако говорится и о том, что лазерный метод производства ядерного топлива пока существенно дороже обычного. Во всяком случае, на мировом рынке этой продукции еще не было. В настоящее время исследования по обогащению урана, несмотря на большие затраченные средства (более 2 миллиардов долларов) приостановлены.

Аналогичные исследования, проводившиеся в СССР, были менее затратными и интенсивными. Работа по разделению урана велась в основном в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова (ныне Курчатовский федеральный научный центр) [10, 11].

Перспективность применения технологии ЛАРИЗ для крупномасштабного производства обогащенного урана вызывает сомнение, так как при достигнутой производительности существующих установок стоимость продукта остается пока выше, чем при использовании газовых центрифуг, применяемых для промышленного обогащения урана.

Второе направление ЛАРИЗ связано с получением стабильных высокообогащенных изотопов в малых количествах (порядка граммов, десятков или сотен граммов в год) для применения в медицине, научных исследованиях и промышленности. В первую очередь, речь идет об изотопах таких элементов, которые не образуют устойчивых газофазных химических соединений и их производство невозможно осуществить с помощью высокопроизводительных газодиффузионных и центробежных сепараторов. Поэтому единственным конкурирующим с ЛАРИЗ способом производства таких изотопов является универсальный, но низкопроизводительный и дорогой метод электромагнитной сепарации. Ориентировочно, стоимость обогащенного изотопа на электромагнитных сепараторах США равна примерно 1 Долларам США/мг/Сест, где Сест — естественное содержание изотопа в исходном материале [12]. Поэтому лазерные методы разделения изотопов способны конкурировать с методом электромагнитной сепарации лишь в тех случаях когда затраты на производство изотопа будут меньше. Видимо по этим причинам, в настоящее время, в Ливерморской лаборатории на основе существующего оборудования реализуется AVLIS проект для крупномасштабного производства дешевых стабильных изотопов, предназначенных для использования в медицине и промышленности [12]. Потенциальные возможности применения технологии ЛАРИЗ с возможностью трехкратного снижения цены продукта были исследованы для производства изотопа Т1 с производительностью около 2кг/год. В планы лаборатории входит развитие этого направления с целью производства целого ряда стабильных изотопов для рынка США с ориентировочном годовым доходом Юмлн. Долларов в год.

И, наконец, третье направление связано с очисткой материала от обычно радиоактивного изотопа (например, 210РЬ или 107Pd), а также созданием изотопически модифицированных и чистых материалов, с целью улучшения характеристик элементной базы микроэлектроники. Работы по очистке свинца от радиоактивного изотопа 210РЬ (содержание которого всего

10″ J%) проводятся в США в рамках новой программы Ливерморской национальной лаборатории [12]. В России эти исследования проводились в новосибирском институте физики полупроводников [13] и были завершены строительством промышленной установки по производству низкорадиоактивного свинца с расчетной производительностью З. бкг/час.

Проблемой очистки палладия от радиоактивного изотопа Pd активно занимаются в Японии [14, 15].

Итак, для ЛАРИЗ наиболее перспективным направлением является получение ряда стабильных изотопа в небольших количествах (порядка граммов — килограмма в год) для применения в медицине и технике. При этом экономически целесообразным является производство изотопов с низким природным содержанием, на небольших установках. В этом случае технология ЛАРИЗ при значительно меньшей энергоемкости и затратах на амортизацию оборудования способна конкурировать с электромагнитными сепараторами.

В связи с непрерывно растущими требованиями по безопасности ядерной энергетики, а также потребностями медицины, науки и техники можно ожидать расширение диапазона применения изотопически модифицированных и чистых материалов. Поэтому возможности применения ЛАРИЗ для цели получения дешевых изотопов продолжают исследоваться в различных лабораториях. Отметим лишь ряд исследований, демонстрирующих возможности технологии лазерного разделения изотопов для получения: изотопа гадолиния 1570<1 [16], применяемого в качестве выгораемой присадки в легководородных реакторах- изотопа бора 10 В [17], для нужд ядерной энергетики и микроэлектроники- очищенного от изотопа 9Х2х циркония [18], с целью улучшения эксплутационных и конструктивных характеристик ядерных реакторов- изотопа неодима 150Ыс1 [19], для детекторов нейтрино- изотопически чистого кремния 2881 [17, 20] для микроэлектроники- изотопически чистых кристаллов и нитей (изотопы

§ и 40Са) в экспериментах по квантовым компьютерам [21]- углерода 13С [4], эрбия и иттербия, 68УЬ [22, 23] для медицинскои целей.

В России в области лазерного разделения изотопов работают несколько коллективов, располагающих необходимыми для этой цели действующими установками.

В институте общей физики РАН — экспериментальные исследования и разработка рабочей схемы разделения изотопов иттербия [24], работы в области разделения изотопов гадолиния [25].

В РНЦ «Курчатовский институт» ряд лет проводились работы по лазерному обогащению урана из твердой фазы на созданной для этих целей крупнейшей в России установке [10, 11]. Два года назад эти работы видимо были приостановлены из-за отсутствия финансирования. В настоящее время активно ведутся работы по разделению изотопов неодима [19]. Продемонстрирована возможность наработки обогащенного изотопа 150Ш (с содержанием 65% на коллекторе, при естественной концентрации 5.6%) с производительностью 20мг/час.

В институте физики полупроводников сибирского отделения РАН проводятся работы по программе ЛАРИЗ и лазерного разделения изотопов в в газовом потоке с использованием фотохимических реакций. Реальным успехом работы коллектива является запуск промышленной установки по производству низкорадиоактивного свинца в г. Новосибирске (компания «Когерентные технологии»). Результаты работ по лазерному разделению изотопов подробно изложены в недавно вышедшей книге [26].

В Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ, ранее Троицкий филиал Института атомной энергии им. И.В. Курчатова) ряд лет проводились исследования по селективной многофотонной диссоциации молекул СР2НС1 с целью разделения изотопов углерода. Отработанная технология позволяла получать обогащенный изотоп, 3С с содержанием 30 — 40% при максимальной производительности 1.5г/час. Результатом работы является создание промышленной установки «Углерод», которая была создана в сотрудничестве с компанией «Газ-Ойл» в г. Калининграде [4].

В ООО «ЛАД» совместно с ИОФРАН в инициативном порядке разрабатывается программа ЛАРИЗ для мелкомасштабного производства стабильных изотопов для медицинских целей. На созданной в 1996 г. установке реализована технология производства высокообогащенного изотопа УЬ с производительностью бмг/час [23, 27]. На разработанный способ разделения изотопов иттербия изотопа был получен патент [28]. В 2000 — 2002 г. были проведены исследования по разделению изотопов палладия [29, 30].

Основные идеи лазерного разделения изотопов были разработаны в Институте спектроскопии РАН B.C. Летоховым. Действующей установки в институте сейчас нет, однако в рамках программы ЛАРИЗ сотрудники этого института в ЦЕРН проводят успешные исследования по селективной фотоионизации короткоживущих изотопов, изомеров и изобаров [31, 32].

Завершая краткий обзор работ в области лазерного разделения изотопов, следует отметить, что конкурентоспособность новой технологии в сравнении с традиционными способами разделения определяется развитием лазерной техники, оптимизацией процессов изотопически селективной возбуждения и сбора изотопически модифицированного материала.

Основной частью любой установки по лазерному разделению изотопов являются перестраиваемые импульсно периодические лазеры. Чаще всего в технологии ЛАРИЗ используются лазеры на красителе [33, 34]. Недавно стали применяться титанат-сапфировые лазеры [12]. Для многофотонного возбуждения молекул используются СО2 лазеры (9.6 — Ю. бмкм) [35, 4], СО лазеры (5мкм) [36], CF4 — лазеры [37] и пароводородные рамановские лазеры (в полосе 16мкм) [38, 39].

Основные достижения в области ЛАРИЗ получены с помощью лазерных систем на красителе, позволяющих путем смены типа красителя перекрыть диапазон от 380нм до 850нм при накачке на длине волны 532нм и 310 — ЮЗОнм при накачке в УФ области спектра (эксимерные лазеры). Применение различных методов преобразования частоты увеличивает диапазон перестройки от 200нм до 2000нм [40].

Твердотельные, перестраиваемые лазеры, например, титанат-сапфировые (Ti3+:A1203), имеют меньшую область перестройки 700 — ЮООнм [12]. Перестраиваемые лазеры на центрах окраски генерируют в ИК области спектра [41].

Лазеры на красителе (ЛК) обладают высоким коэффициентом усиления, большим КПД (40 -70% в максимуме усиления) и также как твердотельные лазеры легко масштабируются в мощную лазерную систему из цепочек усилителей [33]. ЛК имеют широкую полосу поглощения, что позволяет применять для их накачки различные лазеры: эксимерные и азотные лазеры, работающие в УФ диапазоне, непрерывные ионные лазеры, твердотельные лазеры и лазеры на парах меди.

К недостаткам ЛК следует отнести меньший, чем у твердотельных лазеров ресурс (необходимость замены раствора красителя) связанный с фотохимической деградацией молекул красителя, более низкую лучевую прочность и технические проблемы, связанные с использованием в качестве растворителей горючих и токсичных жидкостей. Немаловажную проблему для ЛК с высокой мощностью представляют термооптические искажения в активной среде. Для их устранения необходимо применять довольно сложные и дорогостоящие системы прокачки раствора красителя, включая фильтрующие устройства. Такие системы часто близки по стоимости самой лазерной системе. Тем не менее, ЛК остаются наиболее подходящим лазером для ЛАРИЗ, и в ближайшем будущем ему вряд ли будет найдена альтернатива.

Современная технология ЛАРИЗ базируется в основном на использовании перестраиваемых ЛК с оптической накачкой излучением лазеров на парах меди (ЛПМ). Характеристики ЛПМ, выпускаемых России объединением «Исток» и зарубежных образцов приведены в обзоре [42]. Применение источников накачки, альтернативных ЛПМ долгое время сдерживалось необходимостью применения сравнительно высокой частоты следования импульсов (порядка 104Гц). При меньшей частоте часть атомов не подвергается лазерному воздействию, что связано с характерными тепловыми скоростями атомов (3 — 4)-104см/с.

К настоящему времени прогресс в технике полупроводниковых лазеров привел к созданию достаточно мощных, высокочастотных, твердотельных лазеров (на основе Ш: УАО и УЬ: УАО) с накачкой излучением полупроводниковых лазеров [43, 44]. Для накачки ЛК возможно использование излучение на второй гармонике. КПД преобразования во вторую гармонику достигает 50 — 70%. Такие «зеленые» твердотельные лазеры имеют среднюю мощность ~ 100Вт, Они имеют кпд, почти на порядок больший, чем у ЛПМ и большой срок службы (более 104 часов) [44]. Однако по стоимости на 1Вт излучения они пока еще дороже. Тем не менее, у ЛПМ появился серьезный соперник, и в ближайшие годы на установках ЛАРИЗ возможна их замена на компактные и мощные твердотельные лазеры.

Мощные лазерные системы как ЛК, так и ЛПМ строятся обычно по каскадной схеме: задающий генератор, предусилитель, цепочка усилителей. В лазерных системах на парах меди используется обычно схема последовательно параллельного усиления. В ЛК системах используется в основном схема последовательного усиления.

Для реализации ЛАРИЗ необходимо несколько лазеров на красителе (лазерных каналов). На частотах видимого диапазона используется обычно 3, реже четыре лазерных канала. В схемах с использованием УФ излучения обычно применяется два канала. Как минимум один из каналов должен быть узкополосным. Т. е. ширина спектра излучения должна быть меньше ширины изотопического сдвига на атомном переходе, где возможно обеспечить селективное возбуждение обогащаемого изотопа. С другой стороны ширина спектра излучения ЛК должна быть примерно равной характерной остаточной доплеровской ширины линии поглощения атомов. Одновременное выполнение этих условий (при достаточной интенсивности излучения) приведет к преимущественному возбуждению всех атомов обогащаемого изотопа. Обычно при разделении выбирают схему переходов в атоме, такую, чтобы изотопические сдвиги хотя бы на одном переходе были больше доплеровской ширины линии. Уменьшение доплеровской ширины обычно осуществляется путем углового ограничения истекающего из испарителя атомного пара с помощью системы щелей или диафрагм [45]. Однако чрезмерная коллимация пара приводит к уменьшению потока атомов, увеличению отвала, и снижению производительности установки. Поэтому, в отличии от лабораторных условий, где угол расходимости пучка может иметь значения порядка 1мрад, на реальных установках ЛАРИЗ остаточная доплеровская ширина линии имеет значения не менее 500МГц.

Следовательно, характерная ширина линии генерации лазера на красителе, отвечающего за селективность возбуждения должна быть примерно такой же величины. Интенсивность излучения при этом должна быть порядка интенсивности насыщения, чтобы обеспечить эффективную накачку верхнего уровня. Интенсивность насыщения определяется временем жизни возбужденного уровня и сечением перехода [45]. Для резонансных переходов сечение обычно велико, поэтому интенсивность излучения соответствующего канала ЛК не превышает нескольких Вт/см

Совершенно другие характеристики имеет лазер на красителе, отвечающий за фотоионизацию возбужденных атомов изотопа. Сечение фотоионизации даже через автоионизационное состояние (АИС) обычно на три и более порядка меньше чем для резонансных переходов. Поэтому средняя интенсивность ионизирующего канала ЛК должна быть велика. Рассмотрим ниже конкретные схемы ЛК систем применяемых на различных установках ЛАРИЗ.

Одной из самых мощных лазерных систем на красителе располагает Ливерморская лаборатория (с 1999 г. работа на ней приостановлена) [46]. Система ЛК состоит из 16 каналов. Для накачки кювет по волокну используется излучение ЛПМ (четыре модуля по 12 каналов) суммарной мощностью 72кВт. Каждый канал включает в себя задающий генератор (ЗГ), предусилитель (ПУ) и три последовательно включенных усилителя, работающие с частотой 4.3кГц и имеющий выходную мощность 1.5кВт. Каналы работают со сдвигом по времени, так что суммарная частота повторения импульсов составляет 26кГц.

Каждый канал ЛК состоит из ЗГ и четырехступенчатой системы усилителей (ПУ + Зусилителя) и имеет выходную мощность 1.4 — 1.6кВт на частоте 26кГц. Ширина полосы излучения ЛК — 50МГц, длительность 32нс.

Общая мощность системы ЛК достигает 24кВт. Для усиления излучения использовались специально разработанные усилители с поперечной накачкой, в которых обеспечивалось ламинарное течение раствора красителя с помощью системы пористых мембран и фильтров. Дальнейшее совершенствование лазерной системы предполагалось осуществить с помощью твердотельных лазеров с диодной накачкой.

В настоящее время, смена тематики с ориентацией на производство стабильных изотопов привела к существенным изменениям лазерной системы [12]. В отличие от предыдущих, лазерная система стала существенно компактней и значительно менее мощной. В качестве перестраиваемых лазеров используются лазерные каналы на красителе и лазерный канал на титанат-сапфире (Т13+:А12Оз) с накачкой излучением на второй гармонике Кс1: УАО лазера с диодной накачкой. ЗГ на Т13+:А12Оз (первая ступень) — одномодовый. Длительность лазерных импульсов равна 60нс при частоте повторения 5 — ЗОкГц. Максимальная мощность титанат-сапфирового канала на длине волны 829нм равна 45Вт и 1Вт на второй гармонике (в максимуме на 378нм). Несмотря на хорошее качество пучка (всего в 1.5 раз хуже дифракционного предела), эффективность преобразования мощности излучение во вторую гармонику низка и не превышает 2%.

В лазерной системе предусмотрена модуляция частоты генерации в пределах доплеровской ширины линии, с целью повышения эффективности использования излучения узкополосного для возбуждения атомов.

В Японии лазерный комплекс обеспечивает более 2 кВт мощности накачки с одного канала лазеров на дарах меди (500Вт средней мощности с одного усилителя при 2% эффективности- частота повторения 4 — бкГц) и более 700Вт мощности перестраиваемого излучения ЛК [9] .Во Франции, в рамках программы «БГЬАХ» по обогащению урана создан комплекс из шестиканальной системы ЛПМ (4 ЗГ+16 усилителей) с общей мощностью 2кВт и четырехканальной системы ЛК [47].

В России, в настоящее время, наиболее мощной лазерной системой располагает РФЦ «Курчатовский институт». В открытой печати, в 1996 г., сообщается о создании укрупненной установки «Талисман» [10,11]. Установка состоит из лазерного комплекса и сепаратора с электроннолучевым испарением урана. Лазерный комплекс установки включает в себя системы J111M и импульсных ЛК. Система J111M (8 лазеров) имеет три канала (ЗГ + ПУ +2 усилителя) в каждом. Выходная мощность в каждом канале равна 70Вт (510нм +578нм). Система ЛК состоит из трех линеек (ЗГ +ПУ+2усилителя) с мощностью по 15Вт в канале. В трехканальной лазерной системе на красителе используется продольная геометрия накачки. ЗГ собран по схеме со скользящим падением на дифракционную решетку (схема Литтмана) [48]. Ширина линии излучения порядка 1ГТц. Калибровка длин волн осуществляется с помощью лампы с полым катодом. Точность настройки длин волн 0.05Ангстрем. Сообщается, что скорость испарения урана достигала 750г/час. Обнаружена эффективная схема фотоионизации с сечением 6.5 10″ см на 606.5нм. В экспериментах по трехступенчатой фотоионизации урана достигнута производительность 150мг/час, с обогащением от 2% до 6% по урану-235, при расчетной производительности 2г/час.

Дальнейшее совершенствование лазерного комплекса осуществлялось в двух направлениях. Во первых, путем улучшения характеристик блоков питания ЛПМ и повышения выходной мощности лазерного излучения за счет применения более мощных лазерных трубок с просветленными торцами. Это позволило увеличить суммарную мощность излучения накачки почти до 400Вт.

Второе направление развития установки связано с улучшением параметров системы ЛК, за счет применения высокоэффективных красителей и увеличения числа усилительных каскадов. В 1999 году в одном из каналов установки (ЗГ+ПУ+4усилителя) на красителе Cresil Violet при двухсторонней накачке выходного усилителя было получено 52Вт перестраиваемого излучения [49]. В дальнейшем на растворах пиромезиновых красителей в п гептане, позволяющих увеличить эффективность усилителя до 60 — 70% [50], удалось довести выходную мощность в отдельном канале до 100Вт [51]. Интегральный кпд существующей лазерной системы на красителе составляет 33%, при кпд основных усилителей 50−55% и кпд отдельных усилителей от 50 до 70%. Год назад в узкополосных каналах удалось реализовать одночастотный режим генерации (ширина полосы около 100МГц) с использованием средств активной стабилизацией частоты. В настоящее время данная установка остается самой мощной в России. После свертывания урановой программы, на ней проводятся исследования по лазерному разделению кальция [52] и неодима [19, 53].

Первые сообщения о лазерном комплексе для разделения изотопов в институте полупроводников СО РАН появились в печати в 1999 г. 13, 54]. Созданная установка была ориентирована на нужды микроэлектроники. Лазерный комплекс представляет собой двухканальную лазерную систему на красителе (по схеме ЗГ+ПУ+2усилителя в каждом канале), аргонового лазера и двухканальной системы ЛПМ (по схеме ЗГ +ПУ + усилитель). В каждом канале лазерной системы ЛПМ выходная мощность достигала 75Вт. Источником перестраиваемого по частоте излучения в каждом канале являлся непрерывный одночастотный лазер на красителе Родамин 6Ж с трехзеркальным резонатором, накачиваемый излучением одномодового аргонового лазера (10Вт). Селектирующими элементами ЗГ были трехкомпонентный фильтр Лио, эталон Фабри-Перо и пленка Троицкого. С помощью электронного блока управления обеспечивался одночастотный режим генерации с шириной линии 5МГц при дрейфе частоты несколько сотен МГц/час. Погрешность контроля частоты составляла 150 — 200Мгц. Излучение ЗГ усиливалось трехкаскадной импульсной усилительной системой на красителе с поперечной накачкой излучением лазеров на парах меди. В качестве красителя использовался «Феналемин-512» (в этаноле). В процессе импульсного усиления мощность излучения на выходе отдельного канала достигает 12Вт. Ширина линии излучения увеличивается до 16МГц,

Исследования ориентируются на применении фотохимического разделения изотопов в сочетании с когерентным изотопически селективным двухфотонным возбуждением [26], поэтому особое внимание уделялось получению УФ излучения. Для этой цели используется метод умножения частоты с помощью нелинейного кристалла ВВО длиной 7 мм. В [55] сообщается о получении до 3Вт УФ излучения на длине волны 303. бнм и 307. бнм с эффективностью преобразования 25%. Ширина спектра УФ излучения оценивается в 45МГц. Основные результаты исследований на установке подробно изложены в [26].

В лаборатории атомной спектроскопии Института общей физики РАН первые работы в области лазерного разделения изотопов начались в начале 90-х годов. Лазерная установка на тот момент базировалась в основном на импортном оборудовании и состояла из трех непрерывных узкополосных (3 МГц) ЛК с накачкой излучением аргоновых лазеров и твердотельного импульсного лазера с преобразованием частоты во вторую гармонику. Непрерывные лазеры стабилизировались по внешнему термостатированному эталону. На установке были выполнены экспериментальные исследования спектроскопических и радиационных характеристик переходов в атоме иттербия на основании чего предложена схема обогащения редкого изотопа

УЪ [24, 22]. Позднее переход от лабораторной установки к крупномасштабной был связан с разделением гадолиния [25]. Эта работа осуществлялась в рамках контракта с Кореей. В этот период проводится разработка лазерного комплекса модульного типа с вертикальным расположением ЛПМ и ЛК. Одними из первых в России реализован импульсный одночастотный лазер на красителе с накачкой излучением ЛПМ [56], а также с волоконным вводом пучка в ЗГ [57, 58]. Генератор имеет длину резонатора 5 см (межмодовый интервал ЗГГц). Используется схема скользящего падения на дифракционную решетку. Путем оптимизации селектирующего узла [59] удалось реализовать режим генерации с одной продольной модой при КПД генерации около 7%. Длительность импульсов равна 6 — 10нс. По косвенным измерениям авторы считают, что ширина линии генерации равна 100 — 150МГц, хотя из спектра, полученного с помощью интерферометра Физо, ширина линии значительно больше. Применение многомодового волокна, по мнению авторов, позволило стабилизировать пространственно угловые характеристики лазерного пучка. Низкий кпд лазера обусловлен низкой эффективностью коммерчески доступных дифракционных решеток, при углах скользящего падения. Например, при 89° - 89.5°, эффективность решетки падает до 10%. Кроме этого в резонаторе излучение за обход отражается от решетки дважды. Поэтому обычно в резонатор вводят дополнительный расширитель и уменьшают угол падения на решетку. Однако введение дополнительного элемента усложняет конструкцию, вносит потери и ухудшает качество пучка. В [60] предложено использовать специально изготовленную решетку с высокой эффективностью при скользящих углах, однако публикаций о ее практической реализации пока нет. Обсуждается вопрос автоподстройки частоты с нужной для АВЛИС точностью — 50МГц.

Отсутствие действующей установки по лазерному разделению изотопов и возможности проведения экспериментальных исследований сместили направление исследований в сторону численного моделирования процессов селективной фотоионизации и нелинейных процессов при прохождении лазерных пучков через резонансно поглощающую среду [61 -64], процессов экстракции ионов из фотоплазмы [65, 66], оптимизации параметров мощных лазерных систем [67].

Из приведенного в данной главе обзора лазерных комплексов для ЛАРИЗ можно сделать ряд выводов.

1.На момент начала исследований (1995г), результаты которых описываются в настоящей диссертации, исследования в области ЛАРИЗ приобрели прикладной характер.

При этом возникла необходимость решения целого ряда теоретических и технических проблем. Применительно к перестраиваемым лазерным комплексам основными проблемами являются следующие.

Создание надежных импульсно- периодических перестраиваемых лазеров с воспроизводимыми и стабильными спектральными, пространственно угловыми и энергетическими характеристиками. Требуемая спектральная ширина линии генерации лазеров должна быть согласована с шириной линий атомных переходов (400 — 600МГц), а частота следования импульсов должна быть согласована со скоростью атомов (3 — 5) 104см/с. Не выполнение этих условий приводит к снижению эффективности использования лазерного излучения, увеличению отвала и в конечном итоге, к снижению производительности установки.

Частота лазеров должна контролироваться и поддерживаться с высокой точностью (менее 50МГц). Применение известных методов активной стабилизации частоты [45] с такой точностью для импульсных лазеров с высокой частотой следования представляют собой сложную и трудноразрешимую задачу.

Для технологических ЛК, диапазон перестройки может быть небольшим, по сравнению с лабораторными лазерами. Более важным является работоспособность лазера в широком диапазоне спектра, включая УФ диапазон, с минимально возможными затратами на сменную оптику и красители.

Лазеры должны обладать высокой мощностью, следовательно, включать в себя цепочку усилителей. При этом важную роль играет оптимизация числа используемых усилителей и их параметров, с целью получения высокой эффективности усиления, а также сохранение спектрального контраста излучения формируемого задающим генератором. Учитывая, что в технологии ЛАРИЗ используются несколько лазерных каналов, возникают проблемы, связанные с синхронной работой каналов (с точностью менее 1нс), реализацией пространственного объединения лазерных пучков с различной частотой излучения, получением высокой эффективности поглощения в атомном пучке на конечной длине. 2. К началу работ по технологии ЛАРИЗ в НПО ЛАД + ИОФРАН почти все известные научные коллективы занимались проблемой обогащения ядерного топлива. На тот момент, практически ни одной установки не было ни в России, ни за рубежом, где решались бы задачи по обогащению стабильных изотопов. Более того, успешное решение такой задачи со сравнительно скромными техническими и финансовыми возможностями было не очевидным.

Таким образом, универсальность новой технологии, принципиально позволяющая разделять любые изотопы — основное достоинство метода ЛАРИЗ, практически не использовалось на практике. С другой стороны потребность в стабильных изотопах, применяемых в научных исследованиях, современной технологии, промышленности и медицине неуклонно увеличивается. При этом в отличие от топливных изотопов, речь идет о сравнительно малых количествах обогащенной продукции с годовой потребностью мирового рынка изотопов порядка 10 — 103 грамм Традиционные методы разделения изотопов, по крайней мере, по ряду позиций, не обеспечивают в полной мере потребности мирового рынка изотопной продукции. Кроме этого стоимость изотопной продукции, особенно для редких изотопов, в производстве которых применяются дорогостоящие и низкоэффективные электромагнитные сепараторы (кулатроны), остается крайне высокой

К настоящему времени уже совершенно четко видны новые тенденции в технологии ЛАРИЗ — переход от громоздких лазерных установок к компактным, умеренным по мощности, лазерным системам с высокоэффективным использованием лазерного излучения.