RU2285986C1

RU2285986C1 - Device for producing optical-range electromagnetic radiation

Info

Publication number: RU2285986C1
Application number: RU2005106181/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Порхаев (RU); Владимир Владимирович Порхаев; лов Николай Валентинович Завь (RU); Николай Валентинович Завьялов; Валерий Тихонович Пунин (RU); Валерий Тихонович Пунин; Александр Валентинович Тельнов (RU); Александр Валентинович Тельнов; Юрий Анатольевич Хохлов (RU); Юрий Анатольевич Хохлов
Priority date: 2005-03-05
Filing date: 2005-03-05
Publication date: 2006-10-20

Abstract

FIELD: engineering physics (generation of coherent electromagnetic radiation).

SUBSTANCE: proposed device that can be used to develop off-line laser radiation sources has reference-input element, neutron source, and quantum amplifier. The latter has gas tray holding fissionable material on its inner surface and end windows. Reference-input element has electron accelerator and undulator. Neutron source is surrounded by moderator unit and is made in the form of shell holding fissionable material and target device. Quantum amplifier trays are disposed in moderator unit channels or on its outer surface.

EFFECT: enhanced efficiency of nuclear-to-electromagnetic-radiation energy conversion.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технической физике - к области генерации когерентного электромагнитного излучения - и может быть использовано при создании автономных источников энергии лазерного излучения большой мощности, в частности в системах, предназначенных для мониторинга метеоритной и астероидной опасности.The invention relates to technical physics - to the field of generation of coherent electromagnetic radiation - and can be used to create autonomous energy sources of high-power laser radiation, in particular in systems designed to monitor meteorite and asteroid hazards.

Известно устройство для получения электромагнитного излучения оптического диапазона в виде комбинации ускорителя электронов, лазера на свободных электронах и газового лазера патент US №4189686, кл. МПК H 01 S 3/09, кл. НКИ 331-945, опубл. 19.02.1980 г. Ускоритель электронов выполнен на базе микроволнового клистрона. Лазер на свободных электронах представляет собой генератор периодического магнитного поля с оптическим резонатором, а газовый лазер - это кювета с газовой средой и оптическим резонатором.A device for producing electromagnetic radiation of the optical range in the form of a combination of an electron accelerator, a free electron laser and a gas laser is US Pat. No. 4,189,686, cl. IPC H 01 S 3/09, cl. NKI 331-945, publ. 02/19/1980 The electron accelerator is based on the microwave klystron. A free-electron laser is a generator of a periodic magnetic field with an optical resonator, and a gas laser is a cell with a gaseous medium and an optical resonator.

Недостатком известного устройства является низкий к.п.д. из-за того, что ширина линии генерации лазера на свободных электронах прямо пропорциональна энергии, теряемой электроном в его магнитном поле. В газовом лазере, возбуждаемом высокоэнергичным пучком электронов, распространяющимся вдоль оптической оси резонатора, экстраполированная длина пробега электронов определяется давлением смеси. В плотных газовых смесях, которые могут использоваться в качестве лазерно-активной среды, существенную роль играют время жизни верхнего уровня рабочего перехода лазерного компонента, а также градиенты плотности частиц. В газовых лазерах, работающих в режиме автогенерации, для снижения порога возникновения лазерного излучения необходимо поддерживать время жизни верхнего уровня рабочего перехода лазерного компонента большим (низкий уровень параметра насыщения активной среды), а для получения максимальной мощности лазерного излучения время жизни верхнего уровня рабочего перехода лазерного компонента должно быть предельно малым (предельно высокий уровень параметра насыщения активной среды). Параметр насыщения активной среды прямо зависит от удельной мощности ее возбуждения, поэтому вдоль траектории пучка электронов в активной среде формируется распределение удельной мощности накачки и параметра насыщения активной среды от нуля (конечная часть траектории пучка) до их максимального значения (начальная часть траектории пучка). Поэтому вдоль оптической оси резонатора возникают зоны усиления и поглощения излучения, что существенно снижает к.п.д. лазера.A disadvantage of the known device is the low efficiency due to the fact that the width of the generation line of a free-electron laser is directly proportional to the energy lost by the electron in its magnetic field. In a gas laser excited by a high-energy electron beam propagating along the optical axis of the resonator, the extrapolated electron mean free path is determined by the pressure of the mixture. In dense gas mixtures, which can be used as a laser-active medium, an important role is played by the lifetime of the upper level of the working transition of the laser component, as well as particle density gradients. In gas lasers operating in the auto-generation mode, in order to reduce the threshold for the occurrence of laser radiation, it is necessary to keep the lifetime of the upper level of the working transition of the laser component large (low level of the saturation parameter of the active medium), and to obtain the maximum power of laser radiation, the lifetime of the upper level of the working transition of the laser component should be extremely small (extremely high level of the saturation parameter of the active medium). The saturation parameter of the active medium directly depends on the specific power of its excitation, therefore, along the path of the electron beam in the active medium, a distribution of the specific pump power and saturation parameter of the active medium from zero (the final part of the beam path) to their maximum value (the initial part of the beam path) is formed. Therefore, along the optical axis of the resonator there arise zones of amplification and absorption of radiation, which significantly reduces the efficiency laser.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения электромагнитного излучения оптического диапазона авторов А.П. Барзилов, А.В. Гулевич, А.В. Зродников, Б.В. Качанов, О.Ф. Кухарчук, Е.А. Пашин "Расчетные исследования в обоснование безопасности и проектных характеристик энергетического макета реакторно-лазерного устройства". Труды второй Международной конференции "Физика ядерно-возбуждаемой плазмы и проблемы лазеров с ядерной накачкой", ВНИИЭФ, Арзамас-16, 1995, том 2, стр. 127-137. Устройство содержит задающее устройство, источник нейтронов (генератор нейтронного потока) и квантовый усилитель, включающий, по меньшей мере, одну газовую кювету с делящимся материалом (ДМ) на ее внутренней поверхности и торцевыми окнами, прозрачными для электромагнитного излучения. Нейтронным источником является двухзонный импульсный ядерный реактор "БАРС-5", задающим устройством является газовый лазер, а в качестве делящегося материала на внутренней поверхности кювет квантового усилителя используется двуокись урана. В основе устройства по прототипу использована схема генератор-усилитель, включающая создание в генераторе лазерного излучения с требуемыми характеристиками и его усиление в ядерно-возбуждаемой плазме, которая образуется в размножающей сборке, окруженной отражателем нейтронов, - бустерном каскаде реактора "БАРС-5".Closest to the claimed is a device for receiving electromagnetic radiation in the optical range of the authors A.P. Barzilov, A.V. Gulevich, A.V. Zrodnikov, B.V. Kachanov, O.F. Kukharchuk, E.A. Pashin "Computational studies to justify the safety and design characteristics of the energy model of a reactor-laser device." Proceedings of the Second International Conference "Physics of Nuclear-Excited Plasma and Problems of Nuclear-Pumped Lasers", VNIIEF, Arzamas-16, 1995, Volume 2, pp. 127-137. The device contains a master device, a neutron source (neutron flux generator) and a quantum amplifier, including at least one gas cell with fissile material (DM) on its inner surface and end windows that are transparent to electromagnetic radiation. The neutron source is the BARS-5 dual-zone pulsed nuclear reactor, the master is a gas laser, and uranium dioxide is used as fissile material on the inner surface of the cell of the quantum amplifier. The prototype device is based on a generator-amplifier circuit, which includes the creation of laser radiation with the required characteristics in the generator and its amplification in a nuclear-excited plasma, which is formed in a breeding assembly surrounded by a neutron reflector, the BARS-5 booster cascade.

Недостатками прототипа являются потенциальная опасность возникновения самоподдерживающейся цепной реакции (СЦР) в активной зоне реакторно-лазерного устройства и низкий к.п.д. преобразования ядерной энергии в энергию лазерного излучения.The disadvantages of the prototype are the potential danger of a self-sustaining chain reaction (SCR) in the active zone of the laser reactor device and low efficiency conversion of nuclear energy into laser radiation energy.

В данном изобретении решалась задача создания ядерно-безопасной системы с принципиально невозможной СЦР при любом уровне возбуждения активной среды квантового усилителя, создание автономного ядерно-безопасного источника мощного лазерного излучения оптического диапазона, а также повышение к.п.д. преобразования ядерной энергии в энергию лазерного излучения.This invention solved the problem of creating a nuclear-safe system with a fundamentally impossible SCR at any level of excitation of the active medium of a quantum amplifier, creating an autonomous nuclear-safe source of powerful laser radiation in the optical range, as well as increasing the efficiency conversion of nuclear energy into laser radiation energy.

Техническим результатом при решении данной задачи является увеличение к.п.д. преобразования ядерной энергии в энергию электромагнитного излучения.The technical result in solving this problem is to increase the efficiency the conversion of nuclear energy into electromagnetic radiation energy.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для получения электромагнитного излучения оптического диапазона, который включает задающее устройство, источник нейтронов и квантовый усилитель, содержащий, по меньшей мере, одну газовую кювету с делящимся материалом на ее внутренней поверхности и торцевыми окнами, прозрачными для электромагнитного излучения, в заявляемом устройстве задающее устройство состоит из ускорителя электронов и ондулятора. Источник нейтронов, окруженный блоком замедлителя, выполнен в виде оболочки с делящимся материалом и мишенного устройства, а кюветы квантового усилителя расположены в каналах блока замедлителя или на его наружной поверхности.The specified technical result is achieved in that, in comparison with the known device for producing electromagnetic radiation of the optical range, which includes a driver, a neutron source and a quantum amplifier containing at least one gas cell with fissile material on its inner surface and end windows, transparent to electromagnetic radiation, in the inventive device, the master device consists of an electron accelerator and an undulator. The neutron source surrounded by the moderator block is made in the form of a shell with fissile material and a target device, and the cells of the quantum amplifier are located in the channels of the moderator block or on its outer surface.

При любом числе делений ядер радиоактивных изотопов всегда имеет место равенство k_эф<1 (где k_эф - эффективный коэффициент размножения нейтронов), поэтому в такой системе исключена сама возможность СЦР.For any number of fissions of nuclei of radioactive isotopes, the equality k _eff <1 (where k _eff is the effective neutron multiplication factor) always holds, therefore the possibility of SCR is excluded in such a system.

Особенности предлагаемой схемы получения когерентного электромагнитного излучения заключаются в том, что данный источник электромагнитного излучения является генератором с перестраиваемыми параметрами излучения с максимально полным использованием энергии пучка электронов и энергии ядерных излучений для образования и усиления электромагнитного излучения оптического диапазона. Это достигается путем введения в схему ондулятора, который располагается между ускорителем электронов и кюветой квантового усилителя и является задающим устройством когерентного электромагнитного излучения с перестраиваемыми параметрами. Максимально полное использование энергии электронов для усиления электромагнитного излучения достигается путем использования мишенного устройства, которое является источником нейтронов. Электроны взаимодействуют с материалом мишени, в результате чего образуется поток гамма-излучения. Поток нейтронов образуется в результате фотоядерных реакций. В результате взаимодействия нейтронов с делящимся материалом, расположенным внутри кюветы квантового усилителя, происходит возбуждение его активной среды продуктами ядерных реакций - осколками деления, β-излучением и вторичными электронами. Взаимодействие ондуляторного излучения с возбужденной активной средой квантового усилителя приводит к увеличению энергии лазерного излучения и повышению к.п.д. преобразования ядерной энергии и энергии электронов в энергию электромагнитного излучения.The features of the proposed scheme for obtaining coherent electromagnetic radiation are that this electromagnetic radiation source is a generator with tunable radiation parameters with the most complete use of electron beam energy and nuclear radiation energy for the formation and amplification of electromagnetic radiation in the optical range. This is achieved by introducing into the circuit an undulator, which is located between the electron accelerator and the cell of the quantum amplifier and is the master device of coherent electromagnetic radiation with tunable parameters. The maximum full use of electron energy to enhance electromagnetic radiation is achieved by using a target device, which is a source of neutrons. Electrons interact with the target material, resulting in the formation of a gamma radiation stream. A neutron flux is produced as a result of photonuclear reactions. As a result of the interaction of neutrons with fissile material located inside the cell of a quantum amplifier, its active medium is excited by the products of nuclear reactions - fission fragments, β-radiation and secondary electrons. The interaction of undulator radiation with an excited active medium of a quantum amplifier leads to an increase in the energy of laser radiation and an increase in the efficiency transform nuclear energy and electron energy into electromagnetic radiation energy.

На фиг.1 изображено заявляемое устройство с кюветами квантового усилителя, расположенными на наружной поверхности блока замедлителя.Figure 1 shows the inventive device with cuvettes of a quantum amplifier located on the outer surface of the moderator block.

На фиг.2 изображено заявляемое устройство с кюветами квантового усилителя, расположенными в каналах блока замедлителя.Figure 2 shows the inventive device with cuvettes of a quantum amplifier located in the channels of the moderator block.

На фиг.3 изображен вид А на фиг.1.Figure 3 shows a view of figure 1.

Устройство для получения электромагнитного излучения оптического диапазона включает задающее устройство 1 и 2, источник нейтронов 3 и 4, окруженный блоком замедлителя 5, и квантовый усилитель 6, содержащий, по меньшей мере, одну газовую кювету 7 с делящимся материалом на ее внутренней поверхности и торцевыми окнами 8, прозрачными для электромагнитного излучения. Задающее устройство состоит из ускорителя электронов 1 и ондулятора 2. Источник нейтронов выполнен в виде оболочки с делящимся материалом 3 и мишенного устройства 4. Кюветы 7 квантового усилителя расположены в каналах блока замедлителя 5 фиг.2 или на его наружной поверхности фиг.1.A device for producing electromagnetic radiation of the optical range includes a master device 1 and 2, a neutron source 3 and 4, surrounded by a moderator unit 5, and a quantum amplifier 6, containing at least one gas cell 7 with fissile material on its inner surface and end windows 8, transparent to electromagnetic radiation. The master device consists of an electron accelerator 1 and an undulator 2. The neutron source is made in the form of a shell with fissile material 3 and a target device 4. The cells of the quantum amplifier 7 are located in the channels of the moderator block 5 of FIG. 2 or on its outer surface of FIG.

В примере реализации заявляемого устройства в качестве ускорителя электронов 1 используют линейный резонансный ускоритель ЛУ-50, рабочие параметры которого опубликованы в журнале «Приборы и техника эксперимента» №3 с.56-58 за 1990 в статье Завьялов Н.В., Иванин И.А., Иньков В.И., Ситников Н.П., Тельнов А.В., Хохлов Ю.А., Галкин А.В., Григоренко А.В. «Получение электронного пикосекундного импульса на сильноточном линейном ускорителе». Энергия электронов в ЛУ-50 составляет 50 МэВ, а средний ток электронов в импульсе - 10 А. Ондулятор 2 выполнен из последовательности соосно расположенных тонких соленоидов, создающих на оси реверсивное магнитное поле. На оси ондулятора расположен электроновод, представляющий собой отрезок трубы из немагнитного материала с вакуумированной внутренней полостью. Источник нейтронов состоит из оболочки 3 с делящимся материалом (нептуний-237) и мишенного устройства 4 (алюминий). Блок замедлителя нейтронов 5 выполнен из полиэтилена. Квантовый усилитель выполнен из набора кювет - труб, заглушенных с обоих концов прозрачными для электромагнитного излучения окнами и заполненных газовой смесью высокого давления с делящимся материалом (окись-закись урана-235) на их внутренней поверхности.In an example implementation of the inventive device, an LU-50 linear resonance accelerator is used as the electron accelerator 1, the operating parameters of which are published in the journal "Instruments and Experimental Techniques" No. 3, p.56-58 for 1990, in the article Zavialov N.V., Ivanin I. A., Inkov V.I., Sitnikov N.P., Telnov A.V., Khokhlov Yu.A., Galkin A.V., Grigorenko A.V. "Obtaining an electronic picosecond pulse at a high-current linear accelerator." The electron energy in the LU-50 is 50 MeV, and the average electron current in the pulse is 10 A. The undulator 2 is made of a sequence of coaxially arranged thin solenoids creating a reversible magnetic field on the axis. On the axis of the undulator is an electron guide, which is a piece of pipe made of non-magnetic material with a vacuum inside the cavity. The neutron source consists of a shell 3 with fissile material (neptunium-237) and a target device 4 (aluminum). The neutron moderator block 5 is made of polyethylene. The quantum amplifier is made up of a set of cuvette tubes, which are muffled at both ends by windows transparent to electromagnetic radiation and filled with a high pressure gas mixture with fissile material (uranium oxide-235 oxide) on their inner surface.

Работает заявляемое устройство следующим образом. В магнитном поле ондулятора 2 электроны пучка испускают магнитотормозное излучение. В результате радиационного энергообмена в пучке электронов образуются ансамбли когерентных осцилляторов, которые при соответствующих параметрах поля ондулятора являются источником электромагнитного излучения с заданной длиной волны. Изменение длины волны генерации в рабочем диапазоне квантового усилителя (полоса люминесценции активной среды) происходит в результате изменения периода структуры магнитного поля ондулятора и/или энергии электронов пучка. Когерентное ондуляторное излучение с помощью зеркала и системы поворотных зеркал (не показаны) направляется на входные окна 8 каналов квантового усилителя. Усиление оптического сигнала происходит в результате взаимодействия фронта бегущей волны с ядерно возбуждаемой плазмой высокого давления. На выходе каналов усиления с помощью системы поворотных зеркал (не показаны) излучение формируется в световой пучок, который обладает свойствами мощного лазерного излучения. Ядерно возбуждаемая плазма является активной средой оптического квантового усилителя. ДМ оболочки 3 связан с ДМ, расположенным внутри кюветы квантового усилителя односторонней связью по нейтронному потоку. В результате этого образуется двухсекционная бланкетная структура, состоящая из внутренней секции - оболочка 3 с ДМ - и внешней секции - делящимся материалом, расположенным внутри каналов квантового усилителя. ДМ оболочки 3 обладает пороговой зависимостью сечения деления от энергии нейтронов. Диодная нейтронная связь между секциями бланкета возникает в результате взаимодействия нейтронов, испущенных ДМ оболочки 3, с материалом замедлителя, в результате чего энергия нейтронов уменьшается до значений ниже пороговых. Первоначальное нейтронное излучение в оболочке 3 образуется в результате фотоядерных реакций при взаимодействии электронного пучка или его тормозного излучения с пороговым ДМ внутренней секции. Тормозное излучение образуется в мишени 4. Замедленные нейтроны внутренней секции при взаимодействии с ДМ в кюветах квантового усилителя вызывают в ней деление ядер ДМ, что приводит к увеличению нейтронного потока. Нейтроны, образуемые при делении ядер радиоактивных изотопов в кюветах квантового усилителя, не вызывают деления вещества в оболочке 3, так как являются подпороговыми.The claimed device operates as follows. In the magnetic field of the undulator 2, the beam electrons emit magnetic braking radiation. As a result of radiation energy exchange, ensembles of coherent oscillators are formed in the electron beam, which, with the corresponding parameters of the undulator field, are a source of electromagnetic radiation with a given wavelength. A change in the generation wavelength in the working range of a quantum amplifier (luminescence band of the active medium) occurs as a result of a change in the period of the undulator magnetic field structure and / or beam electron energy. Coherent undulator radiation using a mirror and a system of rotary mirrors (not shown) is directed to the input windows of the 8 channels of a quantum amplifier. The amplification of the optical signal occurs as a result of the interaction of the traveling wave front with a high-pressure nuclear-excited plasma. At the output of the amplification channels using a system of rotary mirrors (not shown), the radiation is formed into a light beam that has the properties of high-power laser radiation. Nuclear excited plasma is the active medium of an optical quantum amplifier. The shell DM 3 is connected with the DM located inside the cell of the quantum amplifier by one-way neutron flux coupling. As a result of this, a two-section blanket structure is formed, consisting of an inner section — a casing 3 with DM — and an outer section — fissile material located inside the channels of a quantum amplifier. The DM of shell 3 has a threshold dependence of the fission cross section on the neutron energy. A diode neutron coupling between blanket sections arises as a result of the interaction of neutrons emitted by the DM shell 3 with the moderator material, as a result of which the neutron energy decreases to values below the threshold. The initial neutron radiation in the shell 3 is formed as a result of photonuclear reactions in the interaction of an electron beam or its bremsstrahlung with a threshold DM of the inner section. The bremsstrahlung is generated in target 4. The slowed-down neutrons of the inner section, when interacting with the DM in the cells of a quantum amplifier, cause fission of the DM nuclei in it, which leads to an increase in the neutron flux. Neutrons formed during fission of nuclei of radioactive isotopes in cuvettes of a quantum amplifier do not cause fission of matter in shell 3, since they are subthreshold.

Режим работы источника электромагнитного излучения задается режимом работы ускорителя электронов (импульсный или частотно-импульсный) и может изменяться в достаточно широких пределах по следующим параметрам: частота следования импульсов ν=1/Т (где Т - период), их скважность k=Т/τ (где τ - длительность импульса), импульсный ток и энергия электронов пучка. Однако минимальная длительность нейтронного импульса в источнике и, соответственно, максимальное энерговыделение в устройстве определяется его инерционностью.The operating mode of the electromagnetic radiation source is determined by the operating mode of the electron accelerator (pulsed or frequency-pulsed) and can vary within a fairly wide range in the following parameters: pulse repetition rate ν = 1 / T (where T is the period), their duty cycle is k = T / τ (where τ is the pulse duration), the pulse current and the electron energy of the beam. However, the minimum duration of the neutron pulse in the source and, accordingly, the maximum energy release in the device is determined by its inertia.

При разработке данного источника электромагнитного излучения преследовалась цель обеспечения необходимого уровня ядерной безопасности. Поэтому в его структуре отсутствуют подвижные элементы, а двухсекционный бланкет всегда находится в подкритичном состоянии и работает в режиме усиления нейтронного потока.In developing this source of electromagnetic radiation, the aim was to ensure the necessary level of nuclear safety. Therefore, there are no moving elements in its structure, and a two-section blanket is always in a subcritical state and operates in a neutron flux amplification mode.

Предварительные расчеты показывают, что, по сравнению с прототипом, заявляемое устройство является ядерно-безопасным и позволяет увеличить к.п.д. преобразования энергии ядерных реакций в энергию оптического излучения, примерно, в 5 раз за счет использования диодной связи по нейтронному потоку между ДМ, расположенными в оболочке 3 и кюветах квантового усилителя.Preliminary calculations show that, in comparison with the prototype, the claimed device is nuclear-safe and can increase the efficiency converting the energy of nuclear reactions into the energy of optical radiation, about 5 times due to the use of diode coupling in the neutron flux between the DM located in the shell 3 and the cells of the quantum amplifier.

Claims

A device for producing electromagnetic radiation of the optical range, comprising a master device, a neutron source and a quantum amplifier containing at least one gas cell with fissile material on its inner surface and end windows transparent to electromagnetic radiation, characterized in that the master device consists from an electron accelerator and undulator, the neutron source is surrounded by a moderator block and is made in the form of a shell with fissile material and a target device, and the cells are qua tovogo amplifier disposed in channels retarder unit or on its outer surface.