DE2544431A1

DE2544431A1 - Lasersystem

Info

Publication number: DE2544431A1
Application number: DE19752544431
Authority: DE
Inventors: David Alexander Mcarthur; Philip Bjorn Tollefsrud
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1974-10-04
Filing date: 1975-10-04
Publication date: 1976-04-15
Also published as: GB1489956A; FR2287122A1; US3952263A; JPS5164395A; CA1035454A

Description

DS Energy Research and Development Administration Washington, DC (USA)

Lasersystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein durch Aufspaltteilchen angeregtes Laser-System. Es gibt viele potentielle Laser-Anwendungsfälle _f die derzeit aber hinsichtlich ihrer Entwicklung begrenzt sind, v/eil keine eine hinreichend hohe Leistung abgebende Lasersysteme verfügbar sind, oder weil die zur Erregung solcher Laser erforderliche Energie ein sehr hohes Niveau haben muß. Zu diesen Anwendungsfällen gehört die Verwendung von Laserstrahlen bei der Erzeugung einer Kernfusion, die Anwendung in Laser-Nachrichtenübertragungs-Systemen und die Verwendung von Lasern bei der Energie-Extraktion aus Neutronenquellen sowie für bestimmte Waffenarten oder dergleichen.

Es wurde vorgeschlagen, die in Spaltreaktoren vorhandene hohe Energie zur Erregung eines Lasermediums zu verwenden, um Laser-Energie erzeugende Populationsxnversionen (Besetzungsinversionen) hervorzurufen. Diese Vorschläge basierten auf der einem Spaltreaktor innewohnenden Gesamtenergie und der potentiell kleinen relativen Größe, die ein solcher Reaktor haben kann, wobei er noch immer in der Lage ist, diese Energie zu erzeugen. Versuche Laser-Anregung durch Spaltreaktoren zu erreichen, haben sich jedoch als nicht erfolgreich herausgestellt, da keine zuverlässig meßbare Laser-Verstärkung oder Laser-Wirkung bislang berichtet werden, konnte.

Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine

609818/0812

Laser-Wirkung unter Verwendung einer Neutronen-Quelle hoher Intensität vorzusehen. Die Erfindung bezweckt ferner, eine Laser-Wirkung zu erzeugen/ wobei die Pumpenergie für das Laser-Medium allein aus der in einem Kernspaltungs- oder Fusions-System erzeugten Spaltung kommt. Die Erfindung erzeugt die Laser-Wirkung ferner durch Stöße zwischen durch eine Neutronenquelle hoher Intensität erzeugten Aufspaltteilchen und einem Molekülgas-Laser-Medium.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 einen Querschnitt und eine etwas schematische Ansicht einer Laser-Vorrichtung, die für den erfindungsgemäßen Betrieb geeignet ist;

Figur 2 eine graphische Darstellung der Laser-Verstärkung,. abhängig von der Laser-Wellenlänge, und zwar für ein Laser-System der in Figur 1 gezeigten Bauart;

Figur 3 einen schematischen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laser-Systems zur Erzeugung von Hochenergie-Laser-Strahlen.gemäß der Erfindung.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Anregung der Laser-Wirkung durch Injektion oder Eingeben von Aufspalt-Teilchen durch ein Molekülgas-Lasermedium hindurch, und zwar bei einem hinreichenden Druck und einer geringen Temperatur, um Schwingungsniveaus, bei denen die Laser-Wirkung auftreten kann,

6098 167 08 1 2

anzuregen, und um dazwischen Populationsinversionen hervorzurufen.

Es wurde festgestellt, daß Laser-Wirkung in einem Kohlenstoffmonoxyd (CO)-Gas erreicht werden kann, wenn das Gas auf eine niedrige Temperatur abgekühlt ist und sodann durch Aufspaltteilchen und Alphateilchen angeregt wird, die aus Neutronen bestrahltem, spaltbaren Material"austreten. Die Spaltteilchen und Alphateilchen regen unter diesen Bedingungen vorzugsweise Schwingungsniveaus des CO-Gases an und erzeugen Populationsinversionen (Besetzungsinversionen) , zwischen den Niveaus, aus denen Laser-Energie entnommen werden kann. Das CO-Gas ist in einem Laser-Hohlraum angeordnet, der mit geeigneten Reflektoren versehen ist, um eine außerordentlich wirksame Extraktion oder Auskopplung der Laser-Energie zu erreichen.

In Figur 1 ist eine Vorrichtung dargestellt, die zur Erzeugung dieser Laser-Wirkung verwendet werden kann. Die Vorrichtung kann eine Laser-Gaskammer umfassen, die innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses 12 umschlossen ist, welches an einem Ende durch Wand 14 und am anderen Ende durch eine geeignete Wand 16 und ein Brewster-Fenster 18 abgeschlossen ist. Ein Laser-Hohlraum 19 kann zwischen einem benachbart zur Endwand 14 angeordneten total reflektierenden Spiegel 2o (im allgemeinen mehr als 99 % reflektierend) und einem einstellbaren, teilweise reflektierenden Spiegel 22 (von ungefähr 96 bis 98,5 % reflektierend) ausgebildet sein, wobei der letztgenannte Spiegel am anderen Ende des Laser-Hohlraums 19 angeordnet ist, und zwar entweder innerhalb des Gehäuses 12, oder an einer Stelle außerhalb des Gehäuses 12, um so bequemer die Ausrichtung mit dem Spiegel 2o mit geeigneten (nicht gezeigten) Halterungs- und Steuer-Mechanismen durchzuführen. Um das Molekül-Gas-

60981670812

Laser-Medium innerhalb des Gehäuses 12 auf den gewünschten •Temperaturen gleichförmig durch das Gehäuse hindurch zu halten, kann benachbart zum Ende 16 des Gehäuses 12 ein zusätzlicher Behälter oder ein Gehäuse 24 vorgesehen sein, wobei dessen Innenraum 26 einen niedrigen Druck durch eine geeignete Vakuumpumpe 28 zur Erreichung einer thermischen Isolierwirkung evakuiert ist, und zw.ar im allgemeinen auf Drücke von ungefähr 1 Pascal. Ein geeignetes für die Laser-Wellenlängen transparentes Fenster 30 kann in der Wand des Behälters 24 axial ausgerichtet mit den Spiegeln 20 und 22 des Laser-Hohlraums 19 vorgesehen sein. Außerhalb des Laser-Hohlraums 19 können optische Mittel, wie beispielsweise ein Spiegel 32 vorgesehen sein, um den aus dem Laser-Hohlraum 19 emittierten Laser-Strahl 34 zu einer Ver-Wendungsstelle zu lenken.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Gehäuse 12 und Behälter 24 für den Laser-Hohlraum 19 im ganzen rohrförmig ausgebildet, wobei die Spiegel,Fenster und anderen optischen Elemente im allgemeinen längs der Achse ausgerichtet sind. Die entsprechenden Fenster, Spiegel und an-" deren optischen Elemente können so ausgewählt sein, daß sie mit der Wellenlänge des erzeugten Laser-Strahls kompatibel sind. Darüber hinaus kann der Laser-Strahl 34 nur an einem Ende des Laser-Hohlraums 19 ausgekoppelt werden, um die Aufrechterhaltung gleichförmiger Temperaturen im ganzen Lasermedium innerhalb des Gehäuses 12 zu erleichtern. Es können auch andere Laser-Hohlraumformen verwendet werden, beispielsweise solche, wie sie durch Mehrfach-Laser Bahnen,definiert zwischen versetzten Spiegeln in einem rechteckigen oder anders geformten Behälter, erzeugt werden können, solange nur die Temperaturgradienten innerhalb des Laser-Mediums minimiert werden, um unerwünschte Laser-

609 81&/0812

254443Π

strahl-Ablenkungen, die dadurch erzeugt v/erden können, I zu minimieren. Es kann ferner ein Mehrfachstrahl-Zugriff zum Laser-Hohlraum benutzt werden, wenn dies erforderlich ist, solange nur die Temperaturgradienten-Wirkungen minimiert werden können.

Das Laser-Gehäuse 12 und mindestens.ein Teil des Behälters 24 kann in ein verflüssigtes Gas 36 bei einem gewünschten Temperaturpegel eingetaucht werden, beispielsweise in flüssigen Stickstoff bei einer Temperatur von ungefähr 77 K innerhalb eines in geeigneter Weise isolierten Behälters, einer Flasche oder eines Dewar-Kolbens 38. Das verflüssigte Gas sollte auf einem Niveau gehalten v/erden, bei welchem das gesamte Gehäuse 12 eingetaucht ist, so daß sämtliche Wände des Gehäuses 12 auf der Temperatur des verflüssigten Gases gehalten werden. Der Dewar-Kolben 38 kann irgendeine Form besitzen, die erforderlich ist, um das Laser-Gehäuse 12 und den Behälter 24 mit dem verflüssigten Gas 36 in der gewünschten Weise zu umschließen, um so das Gehäuse 12 auf diesem Temperaturpegel zu halten. Es wurde festgestellt/ daß für den wirkungsvollsten Betrieb des Lasers und für die Erzeugung einer hoch-selektiven Schwingungs-Anregung des Molekülgases im Gehäuse 12 die Temperatur des verflüssigten Gases 36 im Bereich von ungefähr 60 K bis 150 K liegen sollte, wobei das bevorzugte Niveau allgemein unterhalb 77 K liegt. Niedrigere Temperaturen des Laser-Mediums können in nicht statischen Operationen verwendet werden, wo die Kondensierung des Laser-Mediums verhindert werden kann.

Die Wände des Gehäuses 12 sollten aus einem thermisch höchst leitenden Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, Messing und Aluminium bestehen, Materialien also,

6 098167 08 1 2

die in der Umgebung, welcher der Laser ausgesetzt ist verwendbar sind. Das Innere des Gehäuses 12 kann ausgespült werden und hinsichtlich unerwünschter Gase oder Materialien evakuiert werden, um sodann auf einen geeigneten Gasdruck durch eine geeignete Gasquelle 39 wieder aufgefüllt zu werden, so daß das Gehäuse 12 mit CO-Gas angefüllt ist. Das CO-Laser-Medium kann in relativ reiner Form oder gemischt mit irgendwelchen geeigneten Hilfsgasen, wie Helium, Argon, Stickstoff, usw. verwendet werden. Das Gas sollte in das Gehäuse 12 mit einem Druck von ungefähr 10 bis ungefähr 10 Pascal eingefüllt werden, und zwar abhängig von.der Größe des Gehäuses 12 und dem gewünschten Bereich der darinnen befindlichen Spaltteilchen. Beispielsweise laufen Alpha-Teilchen und Spaltteilchen ungefähr 3 cm in CO-Gas bei einem Druck von ungefähr 1,3 χ Pascal und 77 K, bevor sie den größten Teil ihrer kinetischen Energie verlieren.

Ein Sehne11impuls- oder Schnellstoß-Kernreaktor 40 oder eine andere Quelle von neutronenhoher Intensität kann benachbart zum Äußeren des Dewar-Kolbens 38 derart angeordnet sein, daß die Neutronen vom Reaktor 40 durch den Laser-Hohlraum 19 und das darin eingeschlossene CO-Gas gerichtet werden.

Der Reaktor oder die andere Neutronenquelle 40 sollte in der

17 Lage sein, einen Neutronenfluß von größer als 10 Neutronen/ qcm/sec. in einem Impuls in der Größenordnung von wenigen Millisec.-Länge oder weniger zu erzeugen. Die bei der Erzeugung eines derartigen Neutronenimpulses freigegebene Energie kann von ungefähr 6 bis ungefähr 100 oder mehr Megajoule in Amplitude bei typischen Impulsbreiten von ungefähr 50 Micros.ec. bis ungeführ 5 Millisec. aufweisen. Schnellimpuls-Kernreaktoren, die in der Lage sind, Neutronenimpulse mit diesen Eigenschaften zu erzeugen, sind typischerweise aus blankem Metall hergestellt und sind nicht reflektierende,

609816/0812

nicht moderierte, kritische Anordnungen, beispielsweise in einem geraden Kreiszylinder von ungefähr 20 cm Durchmesser und 20 cm Höhe von vollständig angereicherter Uran-Legierung (ungefähr 105 kg) mit einem Gehalt von ungefähr 10 Gewichtsprozent Molybdän. Die kritische An-.Ordnung kann an ihrer horizontalen Mittelebene unterteilt sein, wobei die obere Hälfte stationär und die untere Hälfte über einen Bereich hinweg bewegbar ist, der ausreicht, um die Anordnung unkritisch zu machen. Die kritische Anordnung kann mit einem geeigneten Entkopplungs-Abdeckgli_sed bedeckt sein. Ein derartiger Reaktor kann eine Spitzen-Neutronenrate von ungefähr 2 χ

1 9
10 Neutronen/qcm/sec. bei einer Spitzen-Gammarate von

ungefähr 4,8 χ 10 rads (H-O/sec.) und einer Spitzen-

leistung von ungefähr 2,3 χ 10 Watt erzeugen. Der Reaktor 40 sollte nahe oder benachbart zum Laserhohlraum angeordnet sein, wie beispielsweise in der dargestellten Position oder in anderen, den Laser-Hohlraum 19 umfassenden oder teilweise umfassenden Positionen, so daß die davon ausgehende Neutronenstrahlung im wesentlichen gleichförmig durch das Gehäuse 12 gerichtet wird. Ein typischer Reaktor, der in diesem Laser verwendet werden kann, ist der im Bericht "SLA-73-0551" mit dem Titel "Sandia Pulsed Reactor II (SPR II): Experimenters Manual" von L.L.Bonzon und J.A.Snyder, vom November 1973 beschriebene.

Zur Thermalisierung der durch den Reaktor 40 erzeugten Neutronen auf ein verwendbares Neutronen-Energie-Niveau kann ein rohrförmiges Neutronenmoderatorgebilde 42 entweder innerhalb oder um das Äußere des Gehäuses 12 herum zwischen der schnellen Neutronenquelle 40 und dem spaltbaren Material im Gehäuse 12 angeordnet sein. Das Moderatorgebilde 42 solltej wenn, wie gezeigt, außerhalb des Gehäuses 12 angeordnet, in enger Berührung mit den Außenwand-Oberflächen des Gehäuses 12 angeordnet sein,, um die

6098 167 0812

Menge des verflüssigten Gases 36 zu minimieren, die zwischen dem Moderatorgebilde 42 und dem Gehäuse 12 sein kann_r da das verflüssigte Gas thermische Neutronen absorbieren kann. Zudem kann das Moderatorgebilde 42 mit Perforationen oder Löchern 44 versehen sein, die zwischen dem verflüssigten Gas 36 und der Außenoberfläche des Gehäuses 12 verlaufen,'um so das verflüssigte Gas 36 in Kontakt mit einem wesentlichen Teil des Gehäuses 12 zu bringen, um auf diese Weise die Aufrechterhaltung einer gleichförmigen Temperatur über das Innere des Gehäuses 12 hinweg sicherzustellen. Die Perforationen 44 können.typischerweise ungefähr 0,5 cm Durchmesser, entweder in einem regelmäßigen oder einem Zufalls-Abstandsmuster aufweisen, um die gewünschte.Kühlung zu erzeugen, ohne die Neutronenmoderierung nachteilig zu beeinflussen. Die durch das Moderatorgebilde 42 auf thermische Neutronen moderierten schnellen Neutronen können sodann das Gehäuse 12 im wesentlichen ungestört durch die verschiedenen Wandmaterialien durchsetzen.

Das Material, welches als Quelle für die Aufspaltteil-, chen bei Bestrahlung durch thermische Neutronen dient', kann innerhalb des Innenraums des Gehäuses 12 derart angeordnet werden, daß die im spaltbaren Material erzeug-

ten Aufspaltteilchen in den Innenraum des Gehäuses 12 hinein und durch diesen hindurch eingegeben oder eingeführt werden, und auch durch das darin eingeschlossene CO-Gas-Lasermedium. Beispielsweise kann ein Überzug oder eine Schicht aus spaltbarem Material 46 mit einer im ganzen rohrförmigen Gestalt innerhalb des Gehäuses 12 konzentrisch mit der Gehäuseachse angeordnet werden. Da der überzug oder die Schicht nicht selbsttragend sein kann, kann die Schicht 46 an einem rohrförmigen Glied 48

609816/0812

25UA3j1

befestigt oder in anderer Weise von diesem getragen werden, wobei das rohrförmige Glied 48 aus einem Material oder Materialien besteht, die im wesentlichen für thermische Neutronen transparent ist bzw. sind, wie beispielsweise Aluminiumoxyd, Kupfer und/oder Quarz. Das spaltbare Material 46 kann direkt auf der Innenoberfläche des Gliedes 48 abgeschieden sein, oder es kann als Folie oder Bogen in den Zylinder 48 eingepaßt sein. Die Quelle der Aufspaltteilchen, d.h. das spaltbare Material 46, kann eine Uran enthaltende Verbindung, wie beispielsweise UO₂, U₃O₈ oder dergleichen sein, und zwar stark angereichert mit Uran 235. Es können auch andere Quellen für Aufspaltteilchen oder spaltbare Materialien verwendet werden, solange sie nur mit dem Laser-Medium kompatibel sind und die durch die Aufspaltteilchen erzeugte Laserwirkung nicht degradieren.

Der Dewar-Kolben 38 ist, wie gezeigt, an einem Ende zur Erleichterung des Füllens offen, so daß der Dewar-Kolben in einer Vertikal-Stellung angeordnet werden muß, wobei das Gehäuse 12 in geeigneter Weise gehaltert und in Vertikalrichtung in das verflüssigte Gas 36 durch das offene Ende eingetaucht ist. Die Anordnung des Dewar-,Kolbens und des Lasers in dieser Vertikalstellung vermindert auch, wie oben erwähnt, die Anzahl der Fenster, die erforderlich ist, um einen Laser-Strahl in und aus dem Hohlraum 19 und der gekühlten Kammer des Gehäuses 12 zu leiten. Die Konvektionsströme im Gas-Laser-Medium werden dadurch sehr klein gemacht, daß man das Brewsterfenster 18 mit einer Vakuumzone 26 oder in anderer Weise isoliert j und dadurch, daß man gestattet, daß das CO-Laser-Medium in Berührung nur mit den Kammerwänden kommt, die sich entweder in direktem Kontakt mit dem verflüssigten Gasbad 36 befinden oder mit Wänden oder Materialien,

6098 16./08 1 2

die keinen externen Wärmeeingang besitzen, oder die mit einer relativ kurzen Bahn eines eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisenden Materials mit dem aus verflüssigtem Gas 36 bestehenden Bad in Verbindung stehen. Ein total reflektierender,innerer Laserspiegel, der aus Bequemlichkeit nicht einstellbar sein kann, wird an einem Ende des Laser-Hohlraums 19 verwendet, um Laser-Hohlraum-Verluste zu reduzieren, die durch die Verwendung von mehr als einem Laser-Fenster erzeugt v/erden können. Der einstellbare teilweise durchlassende Laser-Ausgangsspiegel 22 (und auch das Fenster 30) können auf oder nahe Raumtemperatur oder Umgebungstemperatur sein und sind vom kalten Teil des Laser-Hohlraums 19 durch die evakuierte Zone 26 isoliert, und befindet sich innerhalb dieser evakuierten Zone, um ein zusätzliches Fenster innerhalb des Laser-Hohlraums 19 zu vermeiden.

In CO-Gas-Laser-Medien kann ein breiter Bereich an Schwingungsniveaus, typischerweise durch Molekularzusammenstöße angeregt werden, von denen jeder Populationsinversionen erzeugen kann und zum Laserstrahl '34 zusammen mit den anderen Schwingungsniveaus beiträgt. Der Schnell-Neutronen-Anregungsimpuls von einem Schnell-'Stoß- oder Burst-Reaktor gestattet die Abgabe der Energie,bevor sich große Dichtegradienten in dem CO-Laser-Mediura entwickeln können, und zwar infolge der Erwärmung durch die Spaltteilchen oder Anregung der darin befindlichen geladenen Teilchen. Das CO-Laser-Medium ist somit ein sehr wirkungsvolles, durch Molekularzusammenstöße anregbares Medium, und zwar insbesondere bei niedrigen Temperaturen und bei Dichten, die ausreichen, um

609816/0812

Spaltteilchen in einem vernünftigen Abstand abzustoppen.

Die in Figur 1. dargestellte Las er-Anordnung wurde aus einem rostfreien Stahlgehäuse aufgebaut, und zwar mit einer aktiven Laser-Mediumlänge von ungefähr 20 cm und angefüllt mit relativ reinem CO-Laser-Gas bei ungefähr 1,3 χ 10 Pascal Druck und bei 77 K eingetaucht in flüssigen Stickstoff. Die optischen Elemente definierten einen Laser-Hohlraum von ungefähr 1 cm Durchmesser und 40 cm Länge. Das spaltbare Material (Uran 235, angereichert mit U_0„) befand sich in Folienform mit einer

-3
Dicke von ungefähr 10 cm, 2,6 cm Innendurchmesser und einer Länge von 20 cm innerhalb eines 0,32 cm dicken Aluminium-Oxyd-Rohrs. Das Moderatorgebilde war ein 2,2 cm dickes, perforiertes Polyäthylen-Rohrgebilde, angeordnet in Berührung mit den Außenwänden des Gehäuses, ungefähr 20 cm von der Mitte eines Schnellimpuls-Kern-Reaktors entfernt. Wenn der Reaktor kritisch gemacht wurde, so erzeugte er' einen schnellen Neutronenimpuls

17

von ungefähr 10 Neutronen/qcm/sec. in einen Impuls von ungefähr 0,o5 Millisec. Dauer durch das Laser-Gehäuse. Die Abspaltteilchen-Quelle wurde mit einem grob gleichförmigen, thermischen Neutronenfluß (weniger als 0,4 Elektronen-Volt Neutronen bei mehr als ungefähr 10 Neutronen/qcm/sec.) bestrahlt, was seinerseits Spaltteilchen erzeugte, die in das CO-Laser-Medium eingegeben wurden, und -zwar mit einer durchschnittlichen Energieabgabe von ungefähr 2OO Joule/Liter.

Figur 2 zeigt den Verstärkungs-Koeffizienten (Prozent-Vefstärkung/Laser-Hohlraumlänge (m) nach Korrektur auf Fluoreszenz) als Funktion der Laser-Wellenlänge.

609816/0812

Der Verstärkungsimpuls hatte seinen Scheitel ungefähr 20-30 Mikrosec. nach dem Scheitel des schnellen Neutronenimpulses und hatte eine volle Breite bei halbem Maximal-Wert von ungefähr 75 Mikrosec. Durch die obige Vorrichtung wurde dann, wenn der Spiegel 22 parallel mit dem Spiegel 20 ausgerichtet war, ein Laser-Impuls ungefähr 1000 χ größer erzeugt, als jegliches, festgestelltes Hintergrundsignal (einschließlich Strahlungsrauschen und Fluoreszenz des Laser-Mediums). Dieser Impuls verschwand, wenn der Spiegel 22 absichtlich fehlausgerichtet war. Es scheint, daß vmgefähr 50 % der im Gas abgegebenen Spaltteilchen-Energie Schwingungsanregung erzeugen kann, während nur ungefähr 30 % eine Translationsbewegung hervorrufen. Diese Anregungswirkungsgrade sind beträchtlich höher, als bei bekannten Anregungsquellen.

Wie bereits erwähnt, erfordert das CO-Molekülgas-Laser-Medium Zusammenstöße zur Erzeugung der gewünschten Laserinversionen, die über einen breiten Bereich von Schwingungsniveaus hin erreicht werden, von denen viele bei relativ geringen Schwingungszuständen oder Schwingungsniveaus liegen. Zudem wurde festgestellt, daß das La-•ser-Medium eine Massenflächen-Dichte (Produkt aus mittlerer Dichte und mittlerer Tiefe) von ungefähr 5 χ 10 gr/

cm haben sollte,um das Stoppen der Spaltteilchen zu bewirken, und um Erholzeiten von ungefähr 50 - 100 Mikrosec. zu bewirken, um eine effektive molekulare Stoßanregung der Schwingungsniveaus zu erzeugen. Andere Gase, wie beispielsweise N₂, können ähnliche, durch Molekülzusammenstöße angeregte Schwingungseigenschaften zeigen, die bei hohen Drücken verwendet werden können, um Anregung aus Spaltteilchen zu erhalten. Im Falle des

609816/0812

Stickstoffs kann die Schwingungsanregung auf ein laserfähiges Molekül-Gas, wie beispielsweise Kohlenstoffdioxyd (CO«) übertragen v/erden, um Laserwirkung zu bewirken.

Es kann zweckmäßig sein, und zwar entweder bei dem CO~ Laser-Medium oder einer Mischung von Stickstoff mit C0„_f die Lasermedien in einer nicht statischen oder Gasströmungsanordnung zu verwenden, um noch niedrigere Laser-Medientemperaturen zu erreichen, oder um ein Laser-Medium abzukühlen, welches durch Spaltteilchen-Anregung übermäßig erhitzt ist. Ein solcher Vorgang kann solange verwendet werden, wie das Laser-Medium auf die gewünschten niedrigen Temperaturen gebracht werden kann, und zwar mit minimierten Leitungsströmen und Gasdichte-Gradienten. Das Laser-Medium kann entweder während,,vor oder nach dem Erregen durch Spaltteilchen gekühlt werden, und zwar beispielsweise dadurch, daß man das Gas durch eine kleine Öffnung oder Öffnungen in einen Kanal mit ansteigender Querschnittsfläche strömen läßt. Eine derartige Anordnung ist in etwas vereinfachter Form in Figur 3 dargestellt, in der der Schnellstoß-Kernreaktor oder eine andere Schnellneutronen-Quelle 50 ringförmig durch einen Laserhohlraum 52 und eine Vielzahl von sich ringförmig erweiternden Gasdüsen oder einer Gasdüsen-Anordnung 54 umgeben ist. Eine jede der Düsen in der Düsen-Anordnung 54 ist symmetrisch und besitzt eine Ringform. Beispielsweise ist jede Düse der Anordnung mit einem mittigen Ring-Plenum 56 gekuppelt, in welches das durch den Reaktor 50 anzuregende Gas in geeigneter Weise eingespeist wird. Das Gas im Plenum 56 fließt von dort durch eine Vielzahl von ringförmigen, scheibenförmigen Kammern, wie beispielsweise Kammer 58, zwischen sich gegenüber liegenden

6098 16/08 12

25ΑΑΑ3Π

scheibenförmigen aus spaltbarem Material bestehenden Folien oder Folienpaaren, beispielsweise Folien 60 und 62. Die Folienpaare sind ihrerseits auf sich gegenüberliegenden Oberflächen aus ringförmigem, Neutronen moderierendem Graphit oder ähnlichen Gebilden, wie beispielsweise Gebilden 64 und 66 gehaltert, die derart geformt sind, daß sie dazwischen eine Vielzahl.von Kanälen, wie beispielsweise Kanal 58 zwischen Folien 60 und 62 ausbilden. Die Kanäle besitzen einen "im ganzen gleichförmigen Querschnitt und können in einem ringförmigen, sich zusammenziehenden Dügenteil und einem sich erweiternden Teil, wie beispielsweise Düsenteil 68 und Erweiterungsteil 70 enden. Das vom Erweiterungsteil fließende, angeregte Gas, welches jetzt mit einer hohen Geschwindigkeit läuft und auf eine niedrige Temperatur abgekühlt ist, mischt sich mit den Gasen, die von den anderen Erweiterungsteilen und den Düsen im Laser-Hohlraum 52 zwischen dem Ring der Spiegel 72 und 7 4 kommen. Das angeregte Laser-Medium kann Populationsinversionen im ringförmigen Laser-Hohlraum 52 induzieren, um so einen ringförmigen Laser-Strahl 76 zu erzeugen. Das sich ergebende, einen geringen Druck und eine hohe Geschwindigkeit aufweisende aus dem Laser-Hohlraum 52 austretende Gas kann in eine geeignete Expansionskammer oder einen Tank 55 fließen, der um den Laser-Hohlraum 52 herum angeordnet ist. Das verwendete Laser-Medium kann gefiltert werden, um Spaltteilchen und dergleichen zu entfernen, und das Molekülgas-Laser-Medium kann durch eine geeignete Filter- und Zirkulations-Vorrichtung 78 wieder ins Plenum 56 zurückzirkuliert werden.

Das Molekülgas-Laser-Medium wie beispielsweise CO oder

60981 6/0812

- is - 254443h

eine Mischung aus N„ und CO kann typischerweise in

das Plenum 56 mit einem Druck von ungefähr 10 Pascal zirkuliert oder gepumpt v/erden und dann durch die Ringkammern 58, den Düsenteil 68 und den Erweiterungsteil 70 strömen. Die Kammern 58 können typischerweise ' eine Länge von ungefähr 55 cm und eine Breite von ungefähr 1,5 cm zwischen Foliengebilden von 0,16 cm Dicke und Moderatorgebilden von 1 ,.2 cm Dicke aufweisen. Mit einem Expansionsverhältnis von ungefähr 10 : 1 zwischen Teilen 68 und 70 kann das angeregte Gas mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 4 Mach und bei einer Temperatur von ungefähr 50 - 150 K laufen. Der Reaktor 50 kann in der Zwischenzeit schnelle Neutronen emitieren, die durch die Moderatorgebilde auf thermische Neutronen moderiert werden, die ihrerseits Spaltteilchen in die Kammern 58 initiieren, um vorzugsweise die Schwingungsniveaus der durch die Ringkammer 58 strömenden Gase anzuregen. Wenn sich das Gas nach dem Durchströmen der Düsen abkühlt, so können die Schwingungsanregungen "eingefangen" werden, und zwar infolge der durch diese Abkühlung erhöhten Erholzeiten des Gases. Die "eingefangenen" Schwingungsniveaus können sodann PopulationsInversionen und Laserwirkung im Laser-Hohl-•raum 52 erzeugen.

Man erkennt* daß andere dynamische Gas-Laser-, Gas-Strömungskanal- und Spaltmaterial-Anordnungen oder Konstruktionen als die dargestellten verwendet werden können/ um die gewünschte Spaltteilchen-Anregung eines Molekül-Gas-Laser-Mediums zu bewirken. Beispielsweise können Ein-Düsenanordnungen mit einem oder mehreren Spaltmaterialkanälen, durch welche das Gas-Laser-Medium fließt, oder einer oder mehrere Impulsreaktoren verwendet werden.

609816/0812

Zudem kann ein CO„-Laser-Medium in das angeregte N~- Gas zu irgendeinem geeigneten Zeitpunkt initiiert werden, wie beispielsweise dann, wenn das angeregte Gas durch die Expansionsdüse fließt, und zwar anstelle der beschriebenen anfänglichen Mischung.

Die Leistungsanforderung zum Betrieb der oben beschriebenen Laser ist begrenzt auf die Leistung, die erfor-'derlich ist, um den mechanischen Betrieb der Reaktorneutronen-Quelle und das Kühlen des Molekülgas-Mediums zu erzeugen, da die verwendete Laser-Energie in den spaltbaren Kernen gespeichert ist. Die Gesamtgröße des Laser-Systems ist somit verhältnismäßig.klein, verglichen mit der erzeugbaren Gesamt-Energie.

Man. erkennt, daß der beschriebene Laser-Hohlraum benachbart zu einem Fusions- oder Spalt-Reaktor angeordnet sein kann, um daraus Energie abzuziehen, und zwar unter Verwendung des Reaktors als Neutronenquelle, wobei die derart abgezogene Energie in der Form eines Laser-Lichtstrahls sodann eng fokusiert werden kann_r um bei vielen industriellen und anderen Anwendungsfällen nutzbar gemacht zu werden.

6 0 9 8 1670812

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1♦) Verfahren zur Anregung der Laser-Wirkung in einem Laser-Hohlraum, gekennzeichnet durch Initiieren eines Molekülgas-Laser-Mediums mit einer Massenflächen-

—3

Dichte von ungefähr 5 χ 10 gr/qcm in den Laser-Hohlraum und mit Erholzeiten von ungefähr 50 - 100
Mikrosec., sowie mit anregbaren Schwingungsniveaus,
in denen Populationsinversionen auftreten können, und die durch molekulare Zusammenstöße angeregt sind; Abkühlen des Laser-Mediums auf eine Temperatur von ungefähr 60 K bis ungefähr 150 K; Initiieren von Abspaltteilchen durch den Laser-Hohlraum und das Laser-Medium zur Anregung der Schwingungsniveaus des Laser-Mediums und zur Einleitung von Populationsinversionen.
2.) Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das initiierte Gas-Laser-Medium auf einem Druck
von ungefähr 10 - 10 Pascal sich befindet.
3.) Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Gas-Laser-Medium Kohlenstoff-Monoxyd oder eine Mischung aus Stickstoff und Kohlenstoff-Dioxyd ist.
4.) Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Abspaltteilchen dadurch in den Laser-Hohlraum initiiert werden, daß man ein spaltbares Material in

dem Hohlraum mit thermischen Neutronen bestrahlt, und

1 zwar mit einer Dosisrate von größer als ungefähr 10

Neutronen/qcm/sec.
5.) Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die schnellen Neutronen mit einer Dosisrate von

609816/0812

17
größer als ungefähr 10 Neutronen/qcm/sec. außerhalb des Laser-Hohlraums erzeugt v/erden, und daß diese mindestens teilweise moderiert v/erden, bevor sie in den Hohlraum eintreten und das spaltbare Material bestrahlen.
6.) Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß das spaltbare Material zwischen dem Laser-Medium und den Neutronen angeordnet ist.
7.) Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß das spaltbare Material eine Schicht ist, die Uran 235 auf v/ei st .
8.) Laser-System gekennzeichnet durch eine Laser-Hohlraumkammer mit eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisenden Wänden, die ein Molekülgas-Laser-Medium

3 5

bei einem Druck von ungefähr 10 bis 10 Pascal umgeben und wobei das Medium eine Massenflächen-Dichte von ungefähr 5 χ 10 gr/qcm, Relaxationszeiten von ungefähr 50 - 100 Mikrosec. und anregbare Schwingungsniveaus aufweist, aus denen Populationsinversionen erfolgen können und die durch Molekülzusammenstöße angeregt werden, und wobei ferner in der Kammer ein spaltbares Material angeordnet ist, und sich mit den Oberflächen der Kammerwände ein Neutronenmoderator in Berührung befindet, und wobei schließlich Mittel zum Kühlen des Lasermediums auf eine Temperatur von ungefähr 60°K bis ungefähr 150 K durch die Kammerwände und den Neutronen-Moderator vorgesehen sind, und wobei ferner Bestrahlungsmittel vorhanden sind, die das spaltbare Material durch den Moderator mit Neutronen bestrahlen, und zwar mit einer Dosis-

16
rate größer als ungefähr 10 Neutronen/qcm/sec.

60981 6/0812
9.) System nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse im ganzen rohrförmig ausgebildet ist und -daß das spaltbare Material Uran 235 aufweist, welches in einer Schicht auf der Innenoberfläche eines hohlen Aluminiumoxyd-Rohrs angeordnet ist, das längs der Innenoberfläche des Gehäuses verläuft.
10.) System nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß der Neutronen-Moderator perforiert ist und daß die Kühlmittel flüssigen Stickstoff umfassen, der um den Neutronen-Moderator herum angeordnet ist und durch die Perforation hindurch in Berührung mit der Außenoberfläche der Kammerwände steht.
11.) System nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektionsmittel ein Brewster-Fenster aufweisen, welches sich in axialer Ausrichtung mit dem reflektierten Laser-Licht in einer Wand der Kammer befindet, und wobei ein evakuiertes Abdeckglied an äußeren Teilen des Fensters, benachbart zu den Kammerwänden angeordnet ist.

609816/0812