DE3736924A1 - Vorrichtung zur erzeugung von laserstrahlung hoher durchschnittsleistung, insbesondere zur uran-isotopentrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung hoher Durchschnittsleistung im Infrarot­ bereich, insbesondere von 16-µm-Laserstrahlung zum Zwecke der Uran-Isotopentrennung, gemäß Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

In der allgemeinen Literatur und im Patentschrifttum, siehe z. B. DE-PS 24 47 762 oder DE-PS 28 10 791, sind Verfahren zur Trennung von Uranisotopen beschrieben, bei denen das Prozeßgas Uranhexafluorid (UF₆) in einer Überschallströmung abgekühlt und anschließend mittels Infrarot-Laserstrahlung isotopen­ spezifisch angeregt wird. Die Laseranregung erfolgt gepulst im Wellenlängenbereich λ ≈ 16 µm. Damit jedes Molekül in der Über­ schallströmung der Laserstrahlung ausgesetzt wird, müßte die Wiederholfrequenz des gepulsten Lasers bei 10-50 kHz liegen. Bei einer technischen Isotopentrennanlage führt dies zu durch­ schnittlichen Laserleistungen im Kilowatt-Bereich. Die Erzeu­ gung von 16-µm-Strahlung, die diesen Anforderungen entspricht, bereitet erhebliche technische Schwierigkeiten und stand bisher der wirtschaftlichen Nutzung der Uranisotopentrennung mit Lasern entgegen.

Da kein Laser bekannt ist, der mit ausreichender Leistung direkt im 16-µm-Bereich emittiert, benutzt man vorteilhafter­ weise einen Hochleistungs-CO₂-Laser, dessen Strahlung durch stimulierte Ramanstreuung in gasförmigem Wasserstoff in den relevanten Wellenlängenbereich transformiert wird. Dieser Prozeß erfordert allerdings solch hohe Laserleistungen, daß er nur mit Lasern mit Megawatt-Pulsleistung und in Verbindung mit speziellen Ramanzellen durchgeführt werden kann. Eine ent­ sprechende Anordnung ist in Optics Letters Vol. 3, No. 4, Oct. 78, Seiten 147 ff, beschrieben. Danach wird in der mit Wasser­ stoffgas gefüllten Ramanzelle das Laserlicht zwischen einem Spiegelpaar vielfach reflektiert und focussiert. Zweck dieser Maßnahmen ist es, das Laserlicht im Wasserstoff über eine möglichst große Entfernung mit hoher Intensität zu führen und dadurch die für den Prozeß erforderliche Laserleistung möglichst niedrig zu halten. Trotzdem sind Pulsleistungen im Bereich <10 MW erforderlich.

Im genannten Dokument werden zur Erzeugung solch leistungs­ starker Laserpulse CO₂-TEA-Laser benutzt. Diese Laser sind einfach aufgebaut und liefern die erforderliche Pulsleistung bereits in relativ kleinen Einheiten.

Die Anregung erfolgt bei diesen Lasern durch eine extrem schnelle energiereiche Hochspannungs-Stoßentladung. Mit dieser gepulsten Hochspannungsentladung sind allerdings technische Schwierigkeiten verbunden, die dem Betrieb des Lasers mit hohen Wiederholfrequenzen (< 100 Hz) entgegen stehen. Zum einen liegen diese Schwierigkeiten in der unbefriedigenden Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Hochspannungskomponenten (speziell des Schalters). Zum anderen ruft die Stoßentladung Störungen im Lasermedium hervor. Daher muß das Lasergas zwi­ schen jedem Puls ausgetauscht werden, was bereits bei mode­ raten Wiederholungsfrequenzen zu exzessiven Gebläseleistungen führt.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß eine großtech­ nische Urananreicherungsanlage nicht auf der Basis von CO₂- TEA-Lasern aufgebaut werden kann. Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der 16-µm-Strahlung für eine großtechnische Urananreicherungsan­ lage erzeugt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einer Vorrich­ tung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definierten Auf­ bauform durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Patentansprüchen 2 und 3 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem in folgendem zu sehen: Die mit der Verwendung von CO₂-TEA-Lasern verbundenen Probleme wurden eliminiert. Bei den kontinuierlich angeregten CO₂-Niederdrucklasern, die statt dessen erfindungs­ gemäß verwendet werden, handelt es sich um Laser, die norma­ lerweise für die Materialbearbeitung benutzt werden und dabei Dauerstrichleistungen von mehr als 20 kW erreichen. Für die Erzeugung von 16-µm-Laserlicht im Megawatt-Bereich als gepulste Leistung werden nun solche CO₂-Niederdruck-Laser zwar kontinuierlich mit einer Gasentladung angeregt, die Laser­ emission jedoch wird diskontinuierlich durch Güteschaltung in kurzen Pulsen abgerufen.

Bei dieser Betriebsweise läßt sich mit einer Pulswiederholfre­ quenz von 10-20 kHz nahezu die gleiche Durchschnittsleistung erzielen wie im Dauerstrichbetrieb. Die Pulsleistung ist je­ doch um mehrere Größenordnungen erhöht. Gegenüber dem CO₂-TEA- Laser besitzt die Vorrichtung nach der Erfindung den Vorteil, daß bereits mit einem System nahezu die für die Uran­ anreicherungsanlage erforderliche Wiederholfrequenz erzielt werden kann, ohne daß die mit der Stoßentladung verknüpften Probleme auftreten.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung sowie weitere Einzelheiten und Vorteile erläutert. Darin zeigt in vereinfachter, schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Erzeugung von 16-µm-Laserstrah­ lung, bestehend aus Oszillatorstufe, Verstärker und Ramanzelle,

Fig. 2 die Oszillatorstufe nach Fig. 1, vergrößert, im Detail.

In der kontinuierlich angeregten Oszillatorstufe 1 (siehe Fig. 1) wird gepulste CO₂-Laserstrahlung mit beugungsbegrenz­ ter Strahlqualität erzeugt. Die Dauer der Pulse beträgt 15 ns und die Wiederholfrequenz ca. 10 kHz. Die Pulsleistung liegt im Bereich von 100 kW.

In dem ebenfalls kontinuierlich angeregten Laser-Verstärker 2 werden die Pulse bis zu einer Leistung von ca. 10 MW ver­ stärkt. In der nachgeschalteten Ramanzelle 3 wird durch stimu­ lierte Ramanstreuung in Wasserstoff-Atmosphäre die Wellenlänge der Pulse in den 16-µm-Bereich transformiert, wodurch die für die Urananreicherung erforderliche Strahlung 4 erzeugt wird.

Die Oszillatorstufe 1 nach Fig. 2 enthält 2 kontinuierlich brennende Niederdruck-CO₂-Sektionen 11 und 11′, die bei 50 mbar arbeiten. Der Resonator wird gebildet durch ein optisches Gitter 12 für die Wellenlängenabstimmung und den Auskoppe­ lungsspiegel 13. Zwischen den Anregungssektionen 11 und 11′ befindet sich ein Linsenpaar 14 und 14′, das den Durchmesser des Laserstrahles in einem gemeinsamen Brennpunkt auf weniger als 1 mm reduziert. In der Brennebene befindet sich ein mecha­ nischer Chopper 15, der bei Umfangsgeschwindigkeit von 400 m/s den Lichtstrahl mit 10 kHz Wiederholfrequenz für jeweils ca. 10 µs freigibt. Außerdem enthält der Resonator einen akusto- optischen Modulator 16, dessen Transmission im Takt der ange­ legten Schallwelle moduliert ist. Die Frequenz der Schallwelle ist so gewählt, daß sie dem Abstand der longitudinalen Resona­ tormoden entspricht. Bei dem beschriebenen Aufbau mit 10 m Resonatorlänge beträgt die Modulationsfrequenz 15 MHz.

Die Funktionsweise der Oszillatorstufe läßt sich wie folgt be­ schreiben: Durch die Dauerstrichentladung wird im Lasergas eine Inversion aufgebaut, die so lange gespeichert ist, bis der mechanische Chopper 15 den optischen Weg freigibt. Der Laser emittiert dann in einem gütegeschalteten Puls von 100- 200 ns Dauer, wobei die Pulsleistung um 2-3 Größenordnungen über der entsprechneden Dauerstrichleistung des Lasers liegt. Die optimale Pulswiederholrate ist durch die Speicherzeit des Lasergases gegeben und daher vom Arbeitsdruck abhängig. Bei den genannten 50 mbar liegt die optimale Wiederholrate bei 10 kHz.

Wenn durch den Modulator 16 die longitudinalen Resonatormoden gekoppelt sind, so hat der gütegeschaltete Emissionspuls eine Substruktur. Sie besteht aus einem Pulszug, bei dem die Puls­ breite durch die Verstärkungsbreite des Lasergases und der Pulsabstand durch die Modulationsfrequenz und damit die Reso­ natorlänge gegeben sind. Im beschriebenen Beispiel beträgt die Pulsdauer 15 ns und der Pulsabstand 66 ns. Daher wird die ge­ samte aus dem Oszillator extrahierbare Energie im wesentlichen in 1 bis 2 Pulsen von jeweils 15 ns Dauer emittiert. Entspre­ chend hoch ist dann die Pulsleistung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, durchlaufen die Pulse den Ver­ stärker 2 und werden bis ca. 10 MW Leistung verstärkt. Der Verstärker besteht im wesentlichen aus der Anregezone eines CO₂-Dauerstrich-Materialbearbeitungslasers der 10-kW-Klasse. Der Arbeitsdruck des Verstärkers ist so gewählt, daß während der Dauer des zu verstärkenden Pulses eine vollständige Rotationsrelaxation stattfindet und somit von allen Rotations­ niveaus die gespeicherte Laserenergie extrahiert werden kann. Im Verstärker 2 hat sich ein Druck des Lasergases, der 2- bis 3­ mal größer ist als derjenige im Oszillator 1, für diesen Zweck als vorteilhaft erwiesen. Die Rotationsrelaxationszeit des Lasermediums ist dann deutlich kürzer als die Dauer der Oszillatorpulse.

Die Ramanzelle 3 ist analog aufgebaut wie in der eingangs zitierten Literaturstelle (Optics Letters ... ). Allerdings ist wegen der kurzen CO₂-Pulse der Wasserstoffdruck in der Ramanzelle im Rahmen der Erfindung auf 2 bis 3 bar erhöht. Außerdem besitzt die Ramanzelle 3 ein (nicht dargestelltes) Gebläse zum Umwälzen des Gases.

Mit der geschilderten Vorrichtung kann 16-µm-Strahlung mit 10-kHz-Wiederholrate und ca. 500 W Durchschnittsleistung erzeugt werden. Die Vorrichtung ist ausreichend, eine Uran­ anreicherungsanlage mit ca. 100 Jahrestonnen Trennleistung zu betreiben.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung hoher Durch­ schnittsleistung im Infrarotbereich, insbesondere von 16-µm-Laserstrahlung zum Zwecke der Uran-Isotopentrennung, bei der das in einem CO₂-Laser erzeugte gepulste CO₂-Laser­ licht durch stimulierte Ramanstreuung in den relevanten Wellenlängenbereich transformiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das CO₂-Laserlicht in einer kontinuierlich angeregten Niederdrucksektion des CO₂-Lasers erzeugt wird und daß der CO₂-Laser als Oszilla­ tor-Verstärker-System aufgebaut ist, wobei im Oszillator kurze Pulse hoher Leistung durch die Verbindung von Güte­ schaltung und Modenkopplung im Resonator erzeugt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Verstärker der Druck des Laser­ gases 2- bis 3mal größer als im Oszillator ist, so daß die Rotationsrelaxationszeit des Lasermediums deutlich kürzer als die Dauer der Oszillatorpulse ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei wenigstens eine Ramanzelle der Verstärkerstufe des Lasers nachge­ schaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffdruck in der Ramanzelle 2 bis 3 bar beträgt und somit zum einen kein transientes Verhalten bei der Ramanstreuung und zum anderen auch keine druckinduzierte Absorption der Laserstrahlung auftritt.