СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОСТНОГО ЛАЗЕРНО-АКТИВНОГО МАТЕРИАЛА
THE METHOD OF PRODUCTION OF THE FLUID LASER ACTIVE MATERIAL

Изобретение относится к области создания жидкостных лазерно-активных материалов, в частности урансодержащих, и может быть использовано при изготовлении оптических квантовых генераторов (ОКГ) и оптических квантовых усилителей (ОКУ).
2
3
3
3
4
3
4
Известен способ получения урансодержащих неорганических лазерно-активных жидких материалов (НЛЖ) [Батяев И.М., Суханов С.Б., Кишалов Ф.М. Спектрально-люминесцентные свойства неорганических жидкостей на основе оксихлорида фосфора, активированных неодимом и ураном (VI) // Журнал прикладной спектроскопии. 1991. Т.55, № 3. С.507-509], основанный на сольвотермальном растворении оксидов NdO и UO в матрице состава оксихлорид фосфора-тетрахлорид олова POCl-SnCl или оксихлорид фосфора-тетрахлорид титана POCl-TiCl в запаянных ампулах при температурах 20-250°С. Ампулы помещают в воздушный термостат и вращают для перемешивания в течение 2-200 часов.
3+
2+
3+4
4
2
in
3/2
11/2
Недостатками способа являются сложность получения материалов с высокими концентрациями ионов неодима Nd и уранила UO  и с низким линейным коэффициентом неактивных потерь µ излучения на длине волны генерации NdF→Iλ=1,05 мкм и повышенные опасность и сложность приготовления больших количеств урансодержащих жидкостных лазерно-активных материалов.
3
4
2
3+
2+
Наиболее близким техническим решением к заявленному способу является способ получения урансодержащих НЛЖ [Новодережкина Е.Л., Борина А.Ф., Серегина Е.А., Куликовский Б.Н. Взаимодействие между ураном и неодимом в бинарном растворителе POCl-SnCl // Координационная химия. 1996. Т.22, №10. С.797-800], состоящий в растворении соединений уранила и неодима в бинарном растворителе оксихлорид фосфора-тетрахлорид олова при нагревании с последующей отгонкой части растворителя. Способ синтеза с совместным растворением соединений уранила и неодима позволяет готовить активные материалы с высокой концентрацией Nd и UO .
in
2
3+
2+
3+
Недостатком известного технического решения является невозможность воспроизводимого приготовления устойчивых, т.е. не образующих осадки, урансодержащих НЛЖ со стабильными во времени оптимальными для работы характеристиками, в частности низким линейным коэффициентом неактивных потерь (µ), большими концентрациями Nd и UO  и высоким временем затухания люминесценции (τ) Nd.
3+
2+
3+
2
Задачей изобретения является устранение указанного недостатка, а именно получение устойчивого высокоэффективного урансодержащего жидкостного лазерно-активного материала со стабильными во времени оптимальными для работы характеристиками, а именно низким линейным коэффициентом неактивных потерь, большими концентрациями Nd и UO , высоким временем затухания люминесценции Nd.
Для решения поставленной задачи в способе получения урансодержащих НЛЖ на основе оксихлорида фосфора, кислоты Льюиса, ионов неодима и уранила путем совместного растворения соединений уранила и неодима в бинарном растворителе оксихлорид фосфора-тетрахлорид олова при нагревании с последующей отгонкой части растворителя предлагается:
- приготовление урансодержащей НЛЖ проводить при температуре меньшей, чем температура кипения растворителя при атмосферном давлении;
- в качестве соединения уранила использовать перхлорат уранила.
В частных случаях реализации способа предлагается:
4
4
- НЛЖ готовить при температуре кипения растворителя и при полном давлении 2·10 Па < Р < 6·10 Па;
3
3
2
3
3
2
3
2
3+
2+
3+
2+
2+
3+
- процесс приготовления урансодержащей НЛЖ разбить на отдельные стадии: сначала раздельно готовить НЛЖ POCl-кислота Льюиса-Nd без урана и урансодержащую жидкость POCl-кислота Льюиса-UO  без неодима, а затем путем смешивания двух жидкостей POCl-кислота Льюиса-Nd и POCl-кислота Льюиса-UO  готовить урансодержащую НЛЖ POCl-кислота Льюиса-UO -Nd;
4
3
2
3+
- при использовании тетрахлорида олова SnCl в качестве кислоты Льюиса для получения ионов неодима (Nd) растворять кристаллогидрат хлорида неодима NdCl·xHO (x=1-6), где x - количество молекул воды в кристаллогидрате;
5
3
3
2
3+
- в качестве кислоты Льюиса использовать пентахлорид сурьмы SbCl, в этом случае для получения ионов неодима (Nd) растворять кристаллогидрат трифторацетата неодима Nd(CFCOO)·xHO (x=1-3).
Сущность предложенного способа заключается в следующем.
3+
3+
Получение урансодержащего неорганического жидкостного лазерно-активного материала для оптических квантовых генераторов и усилителей с прямой ядерной накачкой на основе оксихлорида фосфора, кислоты Льюиса, ионов неодима и уранила проводят путем растворения соединений уранила и неодима в бинарном растворителе оксихлорид фосфора-тетрахлорид олова при нагревании с последующей отгонкой части растворителя. Для получения устойчивых урансодержащих НЛЖ с высоким временем затухания люминесценции Nd требуется длительное время синтеза. Однако при известном способе получения урансодержащих НЛЖ в процессе синтеза происходит быстрое накопление U(IV), который поглощает оптическое излучение на длине волны лазерной генерации Nd. Это приводит к увеличению линейного коэффициента неактивных потерь и, следовательно, к резкому увеличению порога генерации и к уменьшению энергетических характеристик ОКГ и ОКУ.
3+
Поэтому приготовление урансодержащей НЛЖ проводят при температуре меньшей, чем температура кипения растворителя при атмосферном давлении. Для уменьшения температуры кипения растворителя уменьшают полное давление в системе меньше атмосферного. Вследствие этого уменьшается скорость накопления U(IV), что позволяет увеличить продолжительность операции приготовления урансодержащей НЛЖ для достижения оптимальных характеристик. В результате уменьшается линейный коэффициент неактивных потерь, а за счет более глубокого удаления газообразных и легко кипящих тушащих примесей увеличивается время затухания люминесценции Nd.
3
4
2
3
2
2+
2+
3+
Для приготовления урансодержащей НЛЖ в качестве соединения уранила используют перхлорат уранила. Перхлорат уранила среди других соединений U(VI) имеет наибольшую растворимость в POCl-SnCl, и в растворах достигается наибольшая концентрация UO . В случае раздельного синтеза приготовленная из перхлората уранила урансодержащая жидкость POCl-кислота Льюиса-UO  без неодима не содержит U(IV) при любом времени ее приготовления. При использовании перхлората уранила существует интервал времени, в течение которого U(IV) еще отсутствует или незначительно влияет на линейный коэффициент неактивных потерь, а урансодержащая НЛЖ уже имеет высокое время затухания люминесценции Nd, т.е. существует оптимальная продолжительность приготовления урансодержащего жидкостного лазерно-активного материала.
В частных случаях реализация способа включает следующее.
4
4
Приготовление урансодержащего жидкостного лазерно-активного материала проводят при полном давлении 2·10 Па < Р < 6·10 Па, что позволяет получать оптимальные характеристики урансодержащих НЛЖ и улучшить генерационные характеристики ОКГ и ОКУ.
3
3
2
3
3
2
2
3
2
3+
2+
3+
2+
3+
2+
2+
3+
Процесс приготовления урансодержащей НЛЖ разбивают на отдельные стадии. Сначала соединение неодима и соединение уранила раздельно растворяют в бинарном растворителе и получают лазерный жидкий материал POCl-кислота Льюиса-Nd без урана и урансодержащий жидкий материал POCl-кислота Льюиса-UO  без неодима - устойчивые жидкости со стабильными характеристиками. Затем две раздельно приготовленные жидкости POCl-кислота Льюиса-Nd и POCl-кислота Льюиса-UO  смешивают, нагревают при температуре кипения жидкости и отгоняют часть растворителя для удаления протонсодержащих и других тушащих примесей и для увеличения концентрации ионов Nd и UO . В результате получают устойчивую урансодержащую НЛЖ POCl-кислота Льюиса-UO -Nd со стабильными во времени характеристиками.
4
3
2
3+
При использовании в качестве кислоты Льюиса тетрахлорида олова (SnCl) для получения ионов Nd растворяют кристаллогидрат хлорида неодима NdCl·xHO (x=1-6), что позволяет улучшить воспроизводимость приготовления урансодержащих НЛЖ с требуемыми характеристиками.
5
3
3
2
3+
3+
При использовании в качестве кислоты Льюиса пентахлорида сурьмы (SbCl) для получения ионов Nd растворяют кристаллогидрат трифторацетата неодима Nd(CFCOO)·xHO (x=1-3), что позволяет получать наиболее устойчивые урансодержащие НЛЖ с временем затухания люминесценции Nd до 220 мкс.
3+
2+
3+
-2
-1
2
Совокупность существенных признаков заявляемого объекта обеспечивает воспроизводимое приготовление устойчивых урансодержащих НЛЖ со стабильными характеристиками: [Nd] до 0,6 моль/л; [UO ] до 0,1 моль/л; время затухания люминесценции Nd до 350 мкс и линейный коэффициент неактивных потерь менее 1·10 см.
Примеры конкретного осуществления заявленного способа
Пример 1.
4
3
4
4
3
3
4
3
2
3
4
2
2
4
2
2
3
4
3
4
2
3
4
2
3
4
2
3
4
3+
2+
3+
2+
2+
3+
2+
3+
4
В качестве кислоты Льюиса используют тетрахлорид олова SnCl. Растворитель POCl-SnCl готовят добавлением 3 мл SnCl к 40 мл POCl. Для приготовления НЛЖ POCl-SnCl-Nd в колбу с 3,4 г кристаллогидрата хлорида неодима NdCl·HO добавляют меньшую часть (15±1 мл) растворителя. Полученную смесь нагревают до температуры кипения жидкости 107°С, синтез ведут в течение 2 часов, в конце синтеза отгоняют 2±1 мл жидкости для удаления протонсодержащих и других тушащих примесей. Для приготовления урансодержащей жидкости POCl-SnCl-UO  в колбу с 1,4 г кристаллогидрата перхлората уранила UO(ClO)·5HO добавляют остаток (27±2 мл) растворителя. Смесь нагревают до температуры кипения жидкости 107°С, синтез ведут в течение 30 минут, в конце синтеза отгоняют 4±1 мл жидкости. После синтеза растворы POCl-SnCl-Nd и POCl-SnCl-UO  отстаивают в течение 12-24 часов для осаждения возможных нерастворимых веществ. Для приготовления урансодержащей НЛЖ POCl-SnCl-UO -Nd урансодержащую жидкость POCl-SnCl-UO  декантируют в колбу с НЛЖ POCl-SnCl-Nd. Синтез проводят при температуре кипения жидкости и полном давлении в системе 5·10 Па в течение 1 часа, в конце синтеза отгоняют 5±1 мл жидкости.
3
4
2
2
in
2+
3+
2+
3+
-3
-1
Приготовленная в количестве 32±5 мл урансодержащая НЛЖ POCl-SnCl-UO -Nd имеет следующие характеристики: [UO ]=0,08 моль/л, [Nd]=0,4 моль/л, τ=310 мкс и µ=5·10 см.
Пример 2.
5
3
5
3
5
3
5
3
3
2
3
5
2
2
4
2
2
3
4
3
4
2
3
5
2
3
5
2
3
5
3+
2+
3+
2+
2+
3+
2+
3+
4
В качестве кислоты Льюиса используют пентахлорид сурьмы SbCl. Чтобы приготовить растворитель POCl-SbCl, к 50 мл POCl добавляют 4 мл SbCl. Для приготовления НЛЖ POCl-SbCl-Nd в колбу с 10,7 г кристаллогидрата трифторацетата неодима Nd(CFCOO)·3HO добавляют более половины (32±2 мл) растворителя. Полученную смесь нагревают до температуры кипения жидкости 107°С, синтез ведут в течение 1 часа, в конце синтеза отгоняют 3±1 мл жидкости. Для приготовления урансодержащей жидкости POCl-SbCl-UO  в колбу с 1,3 г перхлората уранила UO(ClO)·5НО добавляют остаток (20±2 мл) растворителя. Смесь нагревают до температуры кипения жидкости 107°С в течение 30 минут, в конце синтеза отгоняют 3±1 мл жидкости. После синтеза растворы POCl-SnCl-Nd и POCl-SnCl-UO  отстаивают в течение 12-24 часов. Для приготовления урансодержащей НЛЖ POCl-SbCl-UO -Nd урансодержащую жидкость POCl-SbCl-UO  добавляют в колбу с НЛЖ POCl-SbCl-Nd. Синтез проводят при температуре кипения жидкости и полном давлении в системе Р≤4·10 Па в течение 40 минут, в конце синтеза отгоняют 6±1 мл жидкости.
3
5
2
2
in
2+
3+
2+
3+
-3
-1
Приготовленная в количестве 40±5 мл урансодержащая НЛЖ POCl-SbCl-UO -Nd имеет следующие характеристики: [UO ]=0,06 моль/л, [Nd]=0,5 моль/л, τ=220 мкс и µ=6·10 см.
Заявленный способ был использован для приготовления нескольких десятков образцов урансодержащих НЛЖ, характеристики которых были изучены как при оптическом возбуждении, так и в условиях возбуждения нейтронами импульсного двухзонного реактора БАРС-6 ГНЦ РФ-ФЭИ.
Технический результат состоит в получении устойчивого высокоэффективного урансодержащего жидкостного лазерно-активного материала со стабильными во времени оптимальными для работы характеристиками.