Математическое моделирование генерации лазерного излучения в He-N2-H2 плазме, возбуждаемой осколками деления урана

Abstract

Создание высокоэнергетических лазеров с ядерной накачкой до сих пор остаётся перспективной и актуальной, но пока не реализованной задачей совместного применения двух высоких технологий: ядерной и лазерной. Экспериментальные исследования являются крайне затратными и небезопасными. Это существенно тормозит прогресс в этой области исследований. Детально разработанные кинетические модели ядерно-возбуждаемой плазмы могут существенно ускорить разработку высокоэнергетических лазеров с ядерной накачкой. Авторами разработана оригинальная многокомпонентная кинетическая модель гелий-азот-водородной активной среды, возбуждаемой осколками деления урана, в которой учитываются все основные процессы селективного заселения рабочих лазерных уровней. Методами математического моделирования установлено, что заселение верхнего лазерного уровня примерно в равной степени определяется как процессами перезарядки атомарных и молекулярных ионов гелия в столкновениях с участием молекулы азота, так и процессами Пеннинга при столкновениях молекулярного азота с возбужденными атомами гелия. Учитывая тот факт, что в типичных условиях ядерной накачки возбуждаемая осколками деления гелий-азот-водородная активная лазерная среда является сильно неоднородной, в настоящей работе был проведен анализ полученных данных математического моделирования. В условиях реального эксперимента по ядерной накачке среды коэффициент усиления мощности пучка лазерного излучения за один проход не сильно отличается как при учете неоднородного распределения энерговклада в активную среду, так и при замене его однородным. При этом мгновенный общий энерговклад в активную среду должен совпадать. Эти отличия приближенно можно учесть, введя эффективный линейный коэффициент потерь ?, который равен, согласно расчетам настоящей работы, 10-5 см-1.

Development of high-energy nuclear-pumped lasers is still a challenging and actual, but not yet implemented task of the joint application of two high technologies: nuclear and laser. Experimental studies are extremely cost-based and unsafe. It balks greatly the progress in this research area. The detailed kinetic models of nuclear-exited plasma can significantly accelerate the development of high-energy nuclear-pumped lasers. The authors developed a unique multi-component kinetic model of helium-nitrogen-hydrogen active medium excited by uranium fission fragments, which takes into account all the major processes of selective check-working laser levels. It was ascertained by the methods of mathematical modeling that the upper laser level population is defined almost equally both by the charge exchange processes of atomic and molecular helium ions in collisions with nitrogen molecules and by the Penning processes at molecular nitrogen collision with the excited helium atoms. Considering the fact that in typical conditions of nuclear pumping the helium-nitrogen-hydrogen active laser medium excited by fission fragments is strongly inhomogeneous, the mathematical modeling data were analyzed. Under real nuclear pumping medium experiment the power gain coefficient of laser beam per a pass does not differ greatly both when taking into account the inhomogeneous energy input distribution to the active medium, and when replacing it by the uniform one. At this time the instant total energy input into the active medium must be the same. These differences can be approximately taken into account by introducing an effective linear loss factor b?, which is10-5 cm-1 according to the calculations of the research.