Budowa i zasada działania lasera

oraz reaktora jądrowego

Budowa i zasada działania lasera.

• Czym właściwie jest laser?

• Laser jest to urządzenie generujące światło za pomocą wykorzystania emisji wymuszonej. Światło lasera ma specyficzne właściwości. Jego wiązka jest bardzo wąska i ściśle ukierunkowana. Duża moc w określonym obszarze widma emisyjnego.

• Laser wykorzystywany jest w wielu dziedzinach nauki. Jego zastosowanie jest wyjątkowo różne, od prostych zadań do skomplikowanych przy których laser jest niezastąpiony:

  1. Edukacja – wykorzystywany jako wskaźnik punktowy w prezentacjach lub wykładach.

  2. Medycyna – lasery używane są do wykonywania skomplikowanych operacji, w niektórych przypadkach laser jest niezastąpionym narzędziem leczenia.

  3. Poligrafia – druk, przenoszenie grafik na określone materiały światłoczułe.

  4. Metalurgia – wykorzystuje lasery do cięcia metali. Cięcie laserowe ma tę zaletę że umożliwia wykonanie precyzyjnie określonego kształtu materiału.

  5. Budownictwo - laser wykorzystuje się jako oznaczenie poziomu aby dokładnie wyznaczyć sposób budowania.

  6. Technika wojskowa – lasery są wykorzystywane do namierzania obiektów, jako narzędzie o dużej mocy laser wykorzystywany jest jako broń

  7. Elektronika – dzięki laserom możliwe stało się tworzenie układów scalonych o coraz większej skali integracji (więcej elementów umieszczonych w jednym układzie scalonym).

  8. Elektronika użytkowa – dzięki wynalezieniu lasera w naszych domach znajdują się odtwarzacze CD, DVD które dają wielkie możliwości wykorzystania dzięki ilości danych jakie mogą pomieścić. Dźwięk z płyty CD audio lub film z płyty DVD przewyższa jakością wielokrotnie materiały nagrane na analogowych nośnikach.

Śmiało można zaryzykować stwierdzenie że laser w mniejszym lub większym stopniu jest używany w każdej dziedzinie życia.

• Jak jest zbudowany i jak działa laser?

  • Laser zbudowany jest z 3 elementów gdzie każdy z nich może być zbudowany na różny sposób w zależności o rodzaju lasera:

1. Ośrodek czynny – miejsce gdzie następuje wywołanie i pobudzenie fotonu czyli jego wymuszenie. Foton wzbudzany jest zewnętrznie, często za pomocą zewnętrznego fotonu. Foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej jest spójny (ma taką samą częstotliwość, polaryzację) z fotonem wywołującym emisję. Foton wzbudzający musi mieć odpowiednią energię równą energii wzbudzenia ośrodka. Atomy w stanie podstawowym pochłaniają fotony wzbudzające (także te wyemitowane). Aby laser działał proces emisji wymuszonej musi przeważyć nad pochłanianiem. Występuje to, gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym. Jest tutaj wykorzystywane zjawisko widm emisyjnych poszczególnych atomów. Elektrony przechodząc na konkretną orbitę i później powracając z niej powodują wytworzenie fotonu który jest źródłem światła o określonej częstotliwości (a co za tym idzie kolorze). Atomy w przejściach bezpromienistych przechodzą do stanu metatrwałego. W układzie tym występują trzy poziomy energii w atomie dlatego jest on zwany trójpoziomowym. Układ trójpoziomowy jest najprostszym w którym można uzyskać inwersję obsadzeń, spotyka się też układy czteropoziomowe. Akcja laserowa rozpoczyna się od emisji spontanicznej lub wprowadzenia fotonu inicjującego z zewnątrz. Ten pierwszy foton wywołuje emisję wymuszoną, lub może być pochłonięty. W układzie bez inwersji obsadzeń przeważa pochłanianie, a w układzie z inwersją obsadzeń emisja wymuszona.

2. Układ pompujący - zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny tak by doszło do inwersji obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flesza), błysk innego lasera, przepływ prądu (wyładowanie) w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji.

3. okład optyczny – element lasera mający za zadanie przepuszczenie na zewnątrz wiązki światła o tylko jednej ściśle określonej częstotliwości.

• Najprościej opisując zasadę działania lasera można powiedzieć że ośrodek czynny wytwarza Fotony które mają być wyrzucone poza laser tworząc w ostatecznej formie wiązkę światła. Utworzone w ośrodku czynnym fotony są przenoszone przez układ pompujący w kierunku zewnętrznym. Tak przygotowane fotony są filtrowane przez układ optyczny i na zewnątrz lasera zostaje wypuszczona wiązka światła o ściśle określonej częstotliwości i długości fali a co za tym idzie o określonym kolorze.

• Jakie są rodzaje laserów?

  • Laser rubinowy – w tym rodzaju lasera ośrodek czynny to kryształ tlenku glinu czyli rubin. Rubin umieszczony jest w lampie błyskowej dostarczającej energii do wywołania kwantu energii – fotonu światła. Światło wysyłane przez laser rubinowy ma kolor czerwony. Laser rubinowy pracuje impulsowo co znaczy że emisja światła nie jest ciągła a dzieje się tak dlatego że fotony muszą być pobudzone za pomocą lampy błyskowej która pracuje z określoną częstotliwością.

  • Laser gazowy – wewnątrz rurki znajduje się mieszanka 2 gazów: neonu i helu w proporcji 1:10. Gazy pobudzone przez przyłożone do końcówek rurki napięcie zaczynają świecić.

  • Laser półprzewodnikowy – Dioda laserowa. Źródłem światła jest złącze p-n. Światło powstaje w wyniku tego, że elektrony w paśmie przewodnictwa są pobudzane do rekombinacji z dziurami w paśmie walencyjnym.

  • Laser krzemowy – Laser wybudowany na bazie krzemu. Obecnie trwają badania nad wypracowaniem lasera o świetle ciągłym. Laser niesie ze sobą duże możliwości w technologii elektronicznej i informatycznej.

  • Laser barwnikowy – ośrodkiem czynnym sa arwniki rozpuszczone w nieaktywnym osrodku przezroczystym. Ośrodkiem czynnym w takim laserze jest przepływająca struga roztworu zawierającego barwnik organiczny.

Budowa i zasada działania reaktora jądrowego.

• Czym właściwie jest reaktor?

  • Reaktor jest urządzeniem w którym przeprowadzane są kontrolowane rozszczepienia jąder atomowych. Przebieg rozszczepienia jąder ma charakter łańcuchowy. Jedno rozszczepienie powoduje następne co utrudnia kontrolowanie szybkości procesu. W celu kontrolowania procesu do reaktora wprowadza się substancje pochłaniające neutrony.

• Jak przebiega rozszczepianie jąder atomów?

  • Otóż, jeżeli wziąć ośrodek wypełniony jądrami, to po zajściu pierwszego rozszczepienia powstałe neutrony mają szanse wywołać średnio dwa kolejne akty, każdy z powstałych znowu dwa, powstała w ten sposób lawina nosi nazwę reakcji łańcuchowej.

• Co daje rozszczepianie się atmów?

  • Rozszczepiające się atomy uwalniają dużo energii. W procesie wytwarza się olbrzymia temperatura która podgrzewa wodę. Wrząca woda wytwarza parę wodną która napędza turbinę prądnicy co daje prąd elektryczny.

  • Rozszczepienie atomów ma na tyle dużą moc że w przypadku awarii reaktora energia i promieniowanie uwolnione w środowisko wyrządziłyby olbrzymie spustoszenie.

  • Zjawisko rozszczepienia jest wykorzystane w bombie atomowej która jest najgroźniejszą bronią w walce militarnej. Jej użycie powoduje zniszczenie terytorium średniej wielkości państwa wraz ze wszelkimi istotami żywymi.

• Jaki pierwiastek stosuje się w reaktorze jądrowym?

  • W większości reaktorów paliwo jądrowe stanowi wzbogacony uran. Wzbogacenie polega na zwiększeniu zawartości rozszczepialnego U-235 do około 3-5% (z około 0,7%), ale reaktory ciężkowodne pracują przy naturalnym udziale izotopów. Reaktory prędkie wymagają jako paliwa bardziej wzbogaconego uranu (do 20%), bądź plutonu. Produkują za to, w procesie wychwytu neutronu i następujących rozpadów beta, pluton-39 z uranu U-238. Pluton może być następnie, po wydzieleniu używany jako paliwo. Przy odpowiedniej konstrukcji reaktor jest w stanie produkować w ten sposób więcej paliwa, niż go zużywa (reaktor powielający).

  • W przyszłości planuje się wykorzystywać jako paliwo jądrowe wzbogacony tor. W wyniku rozszczepienia toru powstają jądra atomowe o mniejszej masie niż przy rozszczepieniu uranu lub plutonu i jest wśród nich więcej jąder trwałych. Rozszczepienie toru wytwarza zbyt mało neutronów by uzyskać masę krytyczną, w związku z tym do reaktora takiego trzeba by wstrzeliwać neutrony pochodzące z zewnątrz. W celu uzyskania dużej ilości neutronów naukowcy pracują nad zastosowaniem zjawiska spalacji (kruszenie jądra atomowego to proces w którym ciężkie jądro atomowe emituje kilka nukleonów w wyniku zderzenia (bombardowania) protonami o bardzo dużej energii (większej od setek keV), Obecnie Indie opracowują reaktor typu AHWR (Advanced Heavy Water Reactor) przystosowany do "spalania" toru.

• Jak jest zbudowany reaktor?

1. Reaktor - Wewnątrz reaktora rozszczepiane są atomy uranu, co prowadzi do powstania ciepła. Ciepło powstałe w wyniku rozszczepienia powoduje zagotowanie wody i powstanie pary.

2. Turbina - Para wprowadzana jest do turbiny, gdzie wprawia jej łopaty w ruch z prędkością sięgającą nawet 3 000 obrotów na minutę.

3. Generator - Turbina zasila generator, który wytwarza energię elektryczną.

4. Transformator - Transformator przetwarza energię elektryczną o niskim napięciu na energię o wysokim napięciu, która następnie jest przesyłana do sieci energetycznej.

5. Woda morska - Chcąc schłodzić parę, aby osiągnęła ona ponownie stan wody, przepompowuje się ogromne ilości morskiej wody do skraplacza. Gdy woda wraca ponownie do morza, jej temperatura jest około dziesięciu stopni wyższa niż w chwili wprowadzenia do skraplacza. Woda morska cyrkuluje w zamkniętym obiegu i nigdy nie styka się z wodą reaktora.

6. Skraplacz - W skraplaczu zimna woda płynąca rurami schładza parę do stanu wody. Uzyskana z pary woda jest pompowana z powrotem do reaktora.