УТВЕРЖДАЮ - Вопросы атомной науки и техники

УДК 621.039.66
ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЙКОСТИ КВАРЦЕВЫХ СТЕКОЛ
ПРИ МНОГОИМПУЛЬСНОМ ЛАЗЕРНОМ ОБЛУЧЕНИИ
А.В. Горбунов, Н.В. Классен, Д.В. Орлинский
Определялась возможность использования кварцевых стекол в качестве диагностических окон лазерных диагностик ИТЭР в течение всего времени эксплуатации установки с использованием импульснопериодического высокочастотного (82 МГц) лазера. Показано, что при ожидаемой полной энергетической нагрузке (107 Дж/см2) прозрачность кварцевых стекол КУ-1 и КС-4В сохраняется.
STUDY OF THE QUARTZ GLASS DAMAGE RESISTANCE UNDER MULTYPULSE LASER BEAM
IRRADIATION. A.V. GORBUNOV, N.V. KLASSEN, D.V. ORLINSKI. The possibility of quartz glass
application study as material for windows for the multypulse laser diagnostic system of ITER-FEAT during al
of its lifetime with the use of multypulse (82 MHz) laser. It is shown that at expected total energy input
(107 J/cm2) the transparency of quartz glasses KU-1 and KS-4V is conserved.
ВВЕДЕНИЕ
Как было установлено ранее, порог мощности пробоя кварцевых стекол КУ-1 и
КС-4В, которые предполагается применить в качестве окон лазерных диагностик
ИТЭР [1], на два—три порядка величины превышает планируемый предельный
уровень мощности излучения диагностического лазера. Поэтому возможность одномоментного разрушения окон под действием лазерного излучения в ИТЭР можно
исключить и сосредоточить внимание на усталостных изменениях структуры и
свойств кварцевых стекол, которые способны в процессе работы реактора привести
к их разрушению. Так как в настоящее время в распоряжении исполнителей не было лазера, по техническим характеристикам полностью соответствующего тому,
который предполагается использовать в диагностической системе ИТЭР, для проведения исследований использовался импульсно-периодический лазер, позволяющий по суммарной энергии излучения адекватно смоделировать наиболее критические режимы, в которых могут оказаться кварцевые окна в экспериментальном реакторе [2].
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ
Для проведения ресурсных испытаний образцов оптического кварца использовался импульсно-периодический лазер на иттрий-алюминиевом гpанате с неодимом
(YAG:Nd) Spectra Physics model 3800. Длина волны излучения l=1,06 мкм. За счет
модуляции добротности резонатора с помощью акустооптического модулятора лазер работает в режиме активной синхронизации продольных мод (mode locking).
Длительность импульсов излучения ~100 пс, частота следования 82 МГц обусловлены временем обхода резонатора светом. Энергия в одиночном импульсе 0,12 мкДж
(при средней плотности энергии пучка 12 мДж/см2, что близко к ожидаемой для диагностических окон ИТЭР), пиковая мощность 1,2 кВт при средней мощности 8 Вт.
Излучение лазеpа — одномодовое (поперечная мода низшего порядка ТЕМ00), линейно-поляpизованное. Диаметр пучка 1 мм, расходимость 1 мрад. В принципе выходная мощность зависит от тока лампы накачки, однако на практике для достиже69
ния стабильной работы лазера ток держится постоянным при фиксированном уровне мощности.
Высокая интенсивность выходного импульсного излучения позволяет достаточно эффективно удваивать его частоту (l=0,53 мкм) вне резонатора. Средняя
мощность света второй гармоники достигает 1,4 Вт. При этом импульс укорачивается до 70 пс, т.е. пиковая мощность и энергия одиночного импульса составляют
соответственно 240 Вт и 17 нДж.
Излучение лазера фокусировалось в область внутри образца с помощью стеклянной линзы с фокусным расстоянием 25 мм. Размер пучка в фокусе линзы был
измерен методом перекрытия луча экраном с прямым краем. Перемещение края
экрана контролировалось с помощью индикаторной головки с ценой деления 10 мкм,
а прошедшая мощность — измерителем Gentec PS-330WB. Для предотвращения
подгорания края экрана в фокусе средняя мощность в пучке снижалась в 30 раз с помощью дискового обтюратора. Результаты измерений показаны на рисунке. Радиальное
распределение интенсивности в моде
ТЕМ00 — гауссово: I(r) = I0exp(–2r2/w2), где
I0 — интенсивность на оси, а w — гауссов
радиус пучка. Поэтому при перекрывании такого пучка полуплоскостью прошедшая мощность описывается выражением
P(x) = Pi(1+erf(x×21/2/w))/2.
Измеренный таким образом радиус
пучка в фокусе составляет 20 мкм. Эффективная площадь по порядку величины
Распределение интенсивности в пятне лазерсоставляет S=10–5 cм2. Отсюда оцениваного излучения
ется импульсная плотность мощности в
8
2
фокусе 1,2×10 Вт/см и плотность энергии импульса 1,2× 10–2 Дж/см2. Для света второй гармоники получается соответственно 2,4×107 Вт/см2 и 1,7×10–3 Дж/см2.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Испытаниям были подвергнуты образцы оптического кварца в виде дисков диаметром 16 мм, толщиной 2 мм, КУ-1 — необлученные и облученные в ядерном реакторе до дозы 1017 и КС-4В — облученные до той же дозы и такие же диски толщиной 10 мм, необлученные и облученные до дозы 1016 нейтр./см2 соответственно.
Луч лазера пропускался через полированные плоские поверхности приблизительно по нормали к ним. Излучение фокусировалось в объем образцов: при толщине 2 мм — на глубину 1 мм, при 10 мм — на 3 мм. Время экспозиции составляло
5 мин (все образцы КС-4В) или 3 мин (большая часть образцов КУ-1), что означает
воздействие приблизительно 2,5×1010 и 1,5×1010 лазерных импульсов (полная энергия 3×108 и 2,5×107 Дж/см2) соответственно. На каждом образце облучались как минимум 10 разных точек. Интенсивность излучения, проходящего через образец, постоянно контролировалась с помощью измерителя мощности. Распределение ин-
70
тенсивности в прошедшем пучке периодически контролировалось с помощью
ИК-визуализатора.
При использовании ИК-излучения с длиной волны 1,06 мкм никаких признаков
оптической деградации не наблюдалось: отсутствовали признаки оптического повреждения, за исключением редких случаев сгорания пылинок на поверхности.
Под действием излучения второй гармоники (l=0,53 мкм) испытывались главным образом облученные образцы кварца. Связано это с тем, что плотность мощности импульса, достигаемая при фокусировке света второй гармоники, ниже в
5 раз, а плотность энергии импульса почти на порядок величины меньше, чем при
l=1,06 мкм. В этих условиях трудно ожидать оптического повреждения в высокопрозрачных необлученных образцах. Облученные же нейтронами образцы обладают дополнительным поглощением из-за образовавшихся в них центров окраски:
широкая полоса поглощения с максимумом в районе 630 нм зацепляет своим коротковолновым крылом и зеленую область спектра.
Тем не менее, признаков оптического разрушения не было замечено и при испытаниях на длине волны 0,53 мкм. Во всех облученных образцах проверяли по
пять разных мест. Время экспозиции составляло 3 мин. Кроме того, как в облученных, так и в необлученных образцах проводили непрерывное сканирование по образцу с целью обнаружить области, подверженные оптической деградации. Результаты поисков оказались отрицательными.
Пропускание облученных образцов на длине волны 0,53 мкм на 1—2% ниже,
чем у необлученных. Зеленый свет второй гармоники возбуждает в облученных
нейтронами образцах красную люминесценцию. За счет нее можно было легко
увидеть распределение лазерного света в материале. Однако даже в образце, заметно окрашенном в результате нейтронного облучения до дозы 1019 см–2, не было обнаружено признаков оптической деградации.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Условия проведенных экспериментов существенно отличаются от требуемых
условий по следующим параметрам:
— энергия лазерного импульса и его пиковая мощность 0,125 мкДж вместо
1 Дж и 1,2 кВт вместо 5×109 Вт;
— частота следования импульсов 82 МГц вместо 20 Гц;
— площадь лазерного пучка 10–5 см2 вместо 40 см2.
Однако при средней плотности мощности ~107 Вт/cм2 (вместо 2×108 Вт/см2)
полный вклад энергии 107 Дж/см2 достигается за примерно 100 с (вместо ожидаемых 10 лет работы реактора).
Несмотря на бросающееся в глаза расхождение параметров лазерного излучения, использовавшегося при испытаниях кварцевых окон и планируемого для диагностики ИТЭР, из полученных экспериментальных результатов можно сделать
важный вывод: основные процессы, которые могли бы привести к усталостному
разрушению кварцевых окон реактора, в действительности происходить не будут.
В первую очередь это относится к процессу накопления разорванных действием
лазерного излучения кислород-кремниевых связей, который, если судить по лите71
ратурным данным, может приводить к разрушению кварцевого стекла. Он имеет
локальный характер и определяется локальными величинами плотности мощности
излучения и интегральной энергии. В нашем случае плотность мощности излучения и интегральная плотность энергии излучения, прошедшей через облучаемую
лазером область кристалла, были, по крайней мере, не ниже тех, которые ожидается
иметь в системе лазерной диагностики работающего реактора. Поэтому с уверенностью можно сказать, что этот вариант усталостного разрушения в нашем случае
можно исключить.
Вывод о том, что согласно полученным в данной работе экспериментальным
результатам в рабочем режиме реактора ИТЭР с приведенными выше параметрами
лазерного разрушения окон, изготовленных из кварцевых стекол типа КУ-1 и КС-4В,
происходить не будет, относится ко всем процессам, определяемым локальной плотностью мощности излучения и локальным интегральным потоком энергии.
Важно отметить, что радиационные дефекты, возникающие в кварцевых стеклах под действием нейтронного облучения, также не приводят к усталостному разрушению, хотя и дают дополнительное поглощение лазерного излучения на второй
гармонике, о чем свидетельствует красная люминесценция, наблюдающаяся в облученных стеклах. Это явление может быть использовано для диагностики радиационных изменений, происходящих в окнах непосредственно в процессе работы
реактора.
Еще один локальный процесс, способный, вообще говоря, приводить к усталостному разрушению, — разрастание кристаллических областей внутри аморфной
матрицы. В связи с полярностью кристаллической решетки кварца кристаллические
включения должны создавать вокруг себя сильное электрическое поле, вызывающее поглощение оптического излучения на частотах намного ниже края фундаментального поглощения. Поглощенная энергия «разрыхляет» межатомные связи и
создает локальный разогрев, что способствует дальнейшему превращению метастабильной аморфной фазы в кристаллическую. Это приводит к расширению области
статического электрического поля, дальнейшему возрастанию поглощения и т.д.
Но, как показали описанные эксперименты, данный процесс в условиях ИТЭР также не будет иметь места.
В то же время следует отдавать себе отчет в том, что отнюдь не все варианты
оптической деградации материала могут быть промоделированы. Так, в случае достаточно распространенного механизма зарождения оптического разрушения на поглощающих неоднородностях, когда важна именно плотность мощности и/или
энергии света в области постороннего включения, используемый лазер сам по себе
недостаточен для достижения оптического пробоя. Кроме того, острая фокусировка
в пятно порядка 40 мкм делает очень маловероятным факт попадания пучка в опасное включение, если их концентрация в объеме материала недостаточно высока.
Степень опасности за счет редко распределенных в объеме кварца поглощающих
включений можно было бы оценить сканированием по всему сечению исследуемых
окон. Очевидно, что такой эксперимент даже при использовании средств автоматизации окажется чрезвычайно длительным.
Проведенные эксперименты также не могут предоставить информацию о влиянии интегрального нагрева лазерным излучением всего окна в целом. Элементар72
ные оценки показывают, что такие процессы будут представлять опасность при
уровнях локального разогрева от градуса и выше. Подобные изменения температуры легко отслеживаются с помощью термодатчиков или тепловизионных приборов,
которые могут быть использованы непосредственно в процессе работы ИТЭР.
Большое различие частоты повторения импульсов имеет значение для локально
поглощающих областей размером порядка и больше длины распространения тепла за
время, равное периоду следования импульсов, если возможность разрушения связывать с циклическими осцилляциями локальной температуры. При периоде Т @ 10–8 с и
температуропроводности k @ 10–2 см2/с характерная тепловая длина составляет порядка (kТ)1/2 = 0,1 мкм. При меньшем размере поглощающих включений они должны
будут остывать и в промежутках между импульсами с частотой повторения 82 МГц.
Иными словами, и в этих условиях будет иметь место термоциклирование.
Таким образом, можно сделать вывод, что кроме варианта редко расположенных поглощающих включений, которые можно пытаться выявить с помощью контроля рассеяния света, окна, изготовленные из кварцевого стекла КУ-1 и КС-4В,
пригодны для работы в системе лазерной диагностики ИТЭР.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства Российской Федерации по атомной энергии, госконтракт 2002 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Nielsen P. et al. LIDAR Thomson scattering for the ITER core plasma. Diagnostics for Experimental
Thermonuclear Reactors 2. Ed. by P.E. Stott et al. — Plenum Press, 1998, p. 217.
2. Горбунов А.В., Классен Н.В., Кобелев Н.В. и др. — ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2001,
вып. 2, с. 76.
Статья поступила в редакцию 22 апреля 2003 г.
Вопросы атомной науки и техники.
Сер. Термоядерный синтез, 2003, вып. 3, с. 69—73.
УДК 661.1(075.8)+54.138
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ЧАСТИЦ
ПРИ РАЗРЫВЕ МЕТАЛЛА
П.А. Александров, В.И. Калечиц, Е.С. Хозяшева, П.В. Чечуев
Экспериментально обнаружена генерация аэрозольных частиц при разрыве металлических образцов.
Полученные данные указывают на зависимость размеров и количества образующихся частиц от механических характеристик металла.
INVESTIGATION OF PARTICLE GENERATION DURING METAL BREAKING. P.A. ALEKSANDROV, V.I. KALECHITS, E.S. KHOZYASHEVA, P.V. CHECHUEV. Aerosol particle generation was experimentally detected during breaking of metal specimens. The dependence of forming particle sizes and their
concentration from mechanical properties of metal was found from the data obtained.
73