Кладинг для активных элементов

Лекция № 12

Технология непрерывной варки неодимовых фосфатных лазерных стекол для установок NIF (США) и LMJ (Франция)

- Зарубежные мощные высокоэнергетические лазерные установки;

- Лазерные стекла для установок NIF и LMJ;

- Технологические операции непрерывной варки неодимового стекла;

- Технология обработки заготовок активных элементов;

Импульсные у силительные установки для инициирования управляемого лазерного термоядерного синтеза требуют огромного числа крупногабаритных активных элементов. Одним из вариантов топлива является смесь дейтерия и трития. Если приносимой световой энергии лазерных пучков достаточно для инициирования реакции термоядерного синтеза, реакция начинается. В каждом акте взаимодействия образуется изотоп гелия и нейтрон:

₁T³ + ₁D² + hν = ₂He⁴ + ₀n¹. (12.1)

К новым мощным высокоэнергетическим установкам, проектирование и строительство которых начато в нулевых годах XXI века, относятся американская NIF (National Ignition Facility – Национальная установка для зажигания) и французская LMJ (Лазер мегаджоулевый). Лазер NIF должен поставлять около 1.8 МДж энергии в импульсе длительностью 3.5 нс со средней пиковой мощностью 5.0*10¹⁴ Вт. Чтобы обеспечить такие характеристики, NIF имеет 192 канала, каждый из которых содержит по 16 активных элементов из неодимового фосфатного стекла со световой апертурой 400*400 мм. Несложный расчет показывает, что для полного оснащения NIF требуется 3072 крупногабаритных активных элемента, а LMJ – около 4500. Таким образом, около 8000 стеклянных активных элементов необходимы для этих двух лазерных установок. Это означает, что объем требуемого высококачественного стекла в готовых активных элементах превосходит 125 м³ или 330 тонн. С учетом же неизбежных технологических потерь стекла при варке и обработке реально требуемая масса стекла, конечно же, намного больше указанных 330 тонн.

В отличие от названных установок NIF и LMJ наиболее крупными, действовавшими к началу XXI века установками были Nova (Ливерморская лаборатория) на 70 кДж и Omega (Рочестерский университет) на 40 кДж. Эти установки используют соответственно только около 2.2 и 1.1 м³ лазерного стекла в финишных активных элементах. Максимальные размеры апертуры усилительных эллиптических дисков из неодимового стекла равны 46 см для первой установки и 21 см для второй. Если же вернуться к установкам NIF и LMJ, то для их оснащения активными элементами из неодимового стекла требуются производственные мощности, в 75 раз превосходящие мощности, использованные для построения установок Nova и Omega. При этом размеры требуемых для NIF и LMJ активных элементов более чем в 2 раза превосходят размеры элементов для установок Nova и Omega.

Технология получения стекла для новых установок была разработана и освоена в американской компании Schott Glass Technologies и японской Hoya Corporation. Однако прежде чем приступать к описанию этой технологии, следует сказать несколько слов о составе и свойствах лазерных стекол для новых установок.

В больших усилительных установках используются неодимовые фосфатные стекла, которые могут быть получены на основе смеси метафосфатов и которые удовлетворяют требованиям по КПД лазера, по накачке активных элементов и извлечению из них энергии, по лучевой прочности. К таким стеклам относятся стекла марок LHG-8 (Hoya Corporation) и LG-750 (Schott Glass Technologies). У обоих стекол количественное отношение числа атомов кислорода к числу атомов фосфора (О/Р) приблизительно равно 3, что близко к названному отношению в метафосфатных стеклах. Несмотря на небольшие отличия в концентрациях и номенклатуре компонентов стекла названных марок близки друг к другу по основным функционально важным свойствам (табл. 12.1), что позволяет заменять в установках одно стекло другим. Основное отличие в составе состоит в том, что стекло LHG-8 содержит BaO, в то время как стекло LG-750 – MgO, остальные компоненты – P₂O₅, Al₂O₃, K₂O – одинаковы, хотя их концентрации незначительно отличаются друг от друга. Концентрация неодима в обоих стеклах одинакова и равна 4.2*10²⁰ ионов/см³.

Таблица 12.1. Составы и свойства неодимовых

фосфатных лазерных стекол LHG-8 и LG-750.

Состав, свойство	LHG-8	LG-750
P2O5 Al2O3 K2O BaO MgO Nd2O3 Другие компоненты O/P nd n2, 10^-13 esu σ, 10^-20 см^2 ∆λэфф, нм α, 10^-7 К^-1 Tg, ^0С ρ, г/см^3	55-60 8-12 13-17 10-15 - 0-2 < 2 1.5296 1.12 3.6 26.5 2.83	58-62 6-10 20-25 - 5-10 0-2 < 2 1.5067 1.01 3.9 25.4 2.59

Стекла для старых установок производились по классической технологии, включающей в себя следующие стадии: варка сырьевого стекла в кварцевых сосудах, его перевар в платиновом тигле, грубый отжиг отливки. Варка в платиновом тигле представляла собой последовательность следующих операций: плавление сырьевого стекла, окисление расплава, его осветление и гомогенизация (размешивание) при понижающейся температуре, охлаждение расплава до температуры выработки и его выработка в форму. Эта технология демонстрировала хорошие результаты при производстве небольшого количества активных элементов, однако она малопроизводительна: она позволяет выпускать только несколько заготовок активных элементов в неделю. Кроме того, качество стекла в получаемых заготовках активных элементов варьируется при переходе от одного из них к другому, поскольку условия варок хоть и ненамного, но могут случайным образом изменяться. Непрерывная варка стекла лишена всех перечисленных недостатков классической технологии.

Непрерывная варка стекла. Обычно система для непрерывной варки стекла разделена на ряд связанных друг с другом зон. Каждая зона состоит из одного или нескольких сосудов, сконструированных таким образом, чтобы обеспечить протекание той или иной части процесса варки. В случае лазерных стекол таких зон 6, в которых происходят: 1) загрузка исходных реактивов и их смешивание; 2) плавление шихты; 3) кондиционирование расплава (создание условий для придания стеклу требуемых спектрально-люминесцентных параметров); 4) осветление расплава; 5) его гомогенизация; 6) формирование непрерывной ленты из стекла. Кратко остановимся на описании всех этих процессов.

Загрузка исходных реактивов и их смешивание. Неактивное поглощение на длине волны генерации (1.054 мкм) должно быть очень малым (а_нат ≤ 0.0015 см^-1). Поэтому требования по чистоте реактивов оказываются очень жесткими. Хотя наибольшим удельным поглощением при 1.054 мкм в фосфатном стекле характеризуется двухвалентная медь, тем не менее, наиболее проблемной примесью является, по-видимому, железо, поскольку значительная часть используемого технологического оборудования изготовлена из сплавов на основе железа. Концентрация других, кроме неодима, редкоземельных элементов, которые могут сопутствовать ему в его реактивах, должна быть очень малой (< 100 ppm). Наконец, желательно, чтобы исходные реактивы содержали минимально возможное количество физически и химически поглощенной воды (< 10^-5 ppm), поскольку она вводит в стекло гидроксильные группы, которые повышают скорость безызлучательной релаксации возбуждения в ионах Nd³⁺, понижая квантовый выход люминесценции неодимового стекла. Выполнение этого требования является проблематичным из-за гигроскопичности порошкообразных реактивов, а также из-за того, что многие из них являются тонко дисперсными порошками с развитой поверхностью. Исходные реактивы должны смешиваться в сухой атмосфере и затем непрерывно поступать в плавильный тигель так, чтобы избежать усвоения влаги воздуха шихтой.

Плавление шихты. Поступающая в плавильный тигель хорошо смешанная шихта растворяется в расплаве стекла и подвергается интенсивному перемешиванию с ним за счет конвекционных потоков в тигле. Газы, образующиеся при термическом разложении исходных реактивов, собираются с помощью специального оборудования и утилизируются, чтобы не загрязнять окружающую среду.

По сравнению с силикатными стеклами, варка которых обычно проводится при температурах вблизи 1500 ⁰С, фосфатные стекла плавятся при температурах в диапазоне от 1000 до 1200 ⁰С. Нагревание плавильного тигля производится электрическим способом, поскольку атмосфера газо-пламенной печи повышает концентрацию гидроксильных групп в стекле, которые уменьшают эффективность люминесценции неодима. Срок службы любой плавильной системы зависит от скорости растворения стенок сосуда в высокотемпературном расплаве. Фосфатные стекла вызывают коррозию большинства огнеупорных материалов (табл. 12.2), поэтому выбор подходящего огнеупора является критическим при конструировании плавильной системы. При этом, конечно, следует принимать во внимание, что из-за коррозии материала варочного комплекта получаемое стекло может содержать включения огнеупорного материала, что неизбежно приведет к выбраковке получаемых заготовок активных элементов. В этом смысле наиболее приемлемым из приведенных в табл. 12.2 огнеупорных материалов мог бы рассматриваться синтетический Al₂O₃, однако меньше всего растворяется в расплаве фосфатного стекла платина, особенно в атмосфере азота.

Таблица 12.2. Растворимость огнеупорных материалов

в метафосфатном стекле LG-750 при 1300 ⁰С.

Огнеупорный материал	а1.054, 10^-3 см^-1, (±1)	Скорость растворения, мм/час	Включения огнеупора
Плавленный кварц Муллит (Al6Si2O13) AZS (хром) AZS (плавленный) Al2O3 синтетический Циркон (ZrSiO4) среднеплотный Циркон плотный ZrO2 плавленный		0.28 ± 0.03 0.20 ± 0.03 0.11 ± 0.02 0.07 ± 0.02 0.06 ± 0.02 0.02 ± 0.01   0.02 ± 0.01 0.010 ± 0.005	Мало Мало Отдельные Отдельные Отсутствуют Отдельные   Мало Много

Кондиционирование расплава. Все технологические элементы после плавильного тигля (от кондиционера до выработочного патрубка) изготавливаются из платины. Это касается и соединительных трубок, и мешалок. Чистота платины превышает 99.95 %. Ее использование в варочной системе обусловлено двумя причинами. Во-первых, платина характеризуется очень малой скоростью ее растворения в расплаве: в атмосфере азота она меньше скорости растворения плавленного ZrO₂ на 4 порядка, а в атмосфере кислорода – на 2. Во-вторых, как показывают оценки, те количества ионной платины (≤ 100 – 200 ppm), которые переходят в расплав стекла, оказывают пренебрежимо малый эффект на свойства лазерного стекла.

Не считая высокой стоимости платины, одним из главных технических недостатков использования платины в качестве огнеупорного материала для изготовления комплекта для варки лазерного стекла является возможность введения в стекло включений металлической платины. Чтобы не допустить этого, требуется жестко контролировать окислительно-восстановительные условия в расплаве стекла, что обеспечивается продувкой через него газа-окислителя. Исследование скорости растворения металлической платины в расплаве стекла показало, что O₂, Cl₂, хлорсодержащие газы (CCl₄, POCl₃) или O₂ в комбинации с этими газами могут растворить включения металлической платины в стекле.

Продувка газа через расплав стекла имеет еще одно преимущество – удаление групп ОН^-. В случае использования достаточно инертного в химическом отношении кислорода удаление гидроксильных групп достигается за счет установления равновесия между гидроксильными группами в расплаве и водой в пузырьках газа. Это можно описать следующей обратимой реакцией:

О О О

║ ║ ║

2(─ Р ─ ОН) ↔ Н₂О + ─ Р ─ О ─ Р ─ (12.1)

│ │ │

О^- О^- О^-

Константа равновесия этой реакции пропорциональна корню квадратному из парциального давления паров воды в пузырьках газа. Как показывают эксперименты, чем меньше это давление, тем меньше коэффициент поглощения излучения в полосах, обусловленных гидроксильными группами. В рамках описываемой технологии о концентрации гидроксильных групп в стекле судили по поглощению на длине волны 3 мкм.

Химически активный газ, такой как Cl₂, более эффективен в обезвоживании расплава стекла, чем кислород, поскольку он реагирует с водой, образующейся на поверхности пузырьков по реакции 12.2, вследствие чего образуется HCl:

2H₂O + Cl₂ ↔ 4HCl + O₂. (12.2)

Константа равновесия этой реакции много больше 1, поэтому удаление воды (т. е. и гидроксильных групп) протекает более эффективно, чем при использовании химически неактивного газа. В последнем случае фактором, лимитирующим удаление гидроксильных групп из расплава, является встраивание воды в пузырьки газа. Как только уровень Н₂О в них достигает равновесия, прекращается транспорт гидроксильных групп через поверхность пузырей. Более того, чем меньше содержание воды в стекле, тем быстрее пузырьки насыщаются, и процесс обезвоживания стекла становится менее эффективным. В отличие от этого химически активный газ, такой как хлор, потребляет воду на поверхности пузырьков, резко повышая эффективность обезвоживания.

Осветление и гомогенизация расплава и формирование непрерывной ленты из стекла. Из блока кондиционирования расплав перетекает в секцию осветления, в которой температура повышается, что способствует увеличению скорости подъема пузырей и их удалению из расплава. В соответствии с уравнением Стокса, конечная скорость подъема пузырей в вязкой жидкости пропорциональна квадрату диаметра пузырей и обратно пропорциональна ее вязкости. Фосфатные стекла имеют существенно боле низкую вязкость в расплавах, поэтому и скорости удаления пузырей из расплава в них выше, чем в силикатных стеклах. Поэтому осветление расплава фосфатных стекол не является проблемой в технологии непрерывной варки.

Гомогенизация расплава. После завершения осветления расплав поступает в секцию гомогенизации, в которой с помощью платиновой мешалки расплав тщательно перемешивается, чтобы добиться высокой оптической однородности стекла, требуемой для лазерных применений, достигающей 10^-6 по показателю преломления. Далее, как и в случае варки по классической технологии, температура расплава в секции гомогенизации понижается, чтобы вязкость расплава повысилась до уровня, позволяющего получать при его выработке ленту из стекла шириной около 50 см и толщиной около 5 см. Детали операции выработки стекла в литературе не раскрываются.

Грубый отжиг. После выработки ленточная отливка движется по конвейеру через длинную (25 – 35 м) печь грубого отжига, в которой температура понижается от входа к выходу со скоростью, исключающей возникновение в ленте неприемлемых термических напряжений. Такая технология грубого отжига для фосфатных лазерных стекол является намного более сложной проблемой, чем для обычных оптических стекол, поскольку фосфатные стекла имеют почти в 2 раза более высокий КТР и более чем в 2 раза более низкую прочность на излом, чем, например, оптическое стекло ВК-7 фирмы Schott, Германия (аналог российского стекла К8). По этим причинам термостойкость фосфатного лазерного стекла составляет примерно одну четвертую от термостойкости стекла ВК-7, вследствие чего вероятность раскола ленты из фосфатного стекла во время грубого отжига и последующих технологических операций раза в 4 выше, чем при аналогичных операциях со стеклом ВК-7.

На выходе из печи грубого отжига непрерывная лента из стекла режется на отдельные заготовки активного элемента, которые далее обрабатываются индивидуально до получения требуемого активного элемента.

Обработка заготовок активного элемента. Процесс обработки заготовок активного элемента включает 4 операции: 1) тонкий отжиг заготовки; 2) ее оптическая аттестация; 3) изготовление предфинишной заготовки; 4) приклейка к ней кладинга и финишная механическая обработка. Первые три операции проводятся на заводах, производящих стекло, а четвертая – в компании финишной обработки активных элементов. Порядок, в соответствии с которым компании проводят аттестацию стекла, его отжиг, изготовление заготовок, может варьироваться и зависит от того, как каждая компания оптимизирует свой процесс.

Для получения активного элемента с высокой оптической однородностью и малым остаточным двулучепреломлением требуется проводить тонкий отжиг заготовок с гораздо более низкой скоростью снижения температуры. В начале процесса тонкого отжига пластина стекла разогревается до температуры, близкой к температуре стеклования, и затем медленно охлаждается в течение нескольких недель (≥ 25 суток). В таких условиях термические градиенты поперек пластины малы настолько, что остаточные напряжения, оцениваемые по вызванному ими двулучепреломлению, оказываются меньше требуемых 5 нм/см.

Далее для каждой пластины измеряется целый ряд параметров. К числу 4 наиболее важных относятся: 1) оптическая однородность; 2) коэффициент неактивного поглощения на длине волны генерации; 3) остаточное содержание гидроксильных групп в стекле (по поглощению в максимуме разрешенной полосы при 3000 см^-1); 4) содержание платиновых включений.

Кладинг для активных элементов. Что касается заключительных стадий обработки заготовки активного элемента, следует сказать, что каждый активный элемент обклеивается по боковым поверхностям пластинками стекла, содержащего ионы Cu²⁺ и согласованного со стеклом активного элемента по показателю преломления. Концентрация меди подбирается таким образом, чтобы пластинки оболочки (кладинга) из медьсодержащего стекла поглощали кванты света люминесценции Nd³⁺, распространяющиеся в сторону боковых поверхностей или отраженных от них. Испускаемые в этих направлениях фотоны усиливаются, поэтому, не будучи поглощенными неотражающим кладингом, они ведут к появлению паразитных лазерных осцилляций, которые эффективно понижают инверсную населенность во всей пластине.

Стекло для кладинга производится по непрерывной технологии на отдельной установке, чтобы исключить загрязнение лазерного стекла ионами Cu²⁺. Для того чтобы обклеить около 3500 стеклянных пластин, требуемых для установки NIF, необходимо около 20 тонн стекла для кладинга в виде 14000 пластинок. Эти пластинки приклеиваются к активному элементу с помощью специального клея, подобранного по показателю преломления. При приклейке пластин кладинга к активному элементу необходимо избегать попадания пыли в клей или на склеиваемые поверхности активного элемента и пластинок кладинга.

После наклейки кладинга к боковым поверхностям активного элемента большие поверхности сборки шлифуются, затем полируются до такой степени, которая обеспечивает требуемое качество волнового фронта излучения, проходящего через активный элемент и усиливаемого им.

Дата добавления: 2014-01-07