Шива лазер
 | Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( январь 2018 г. ) |
Лазер Шива представлял собой мощный 20-лучевой инфракрасный на неодимовом стекле (силикатном стекле), лазер созданный в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в 1977 году для изучения термоядерного синтеза с инерционным удержанием (ICF) и взаимодействия лазера и плазмы на больших расстояниях. Предположительно, устройство было названо в честь многорукой формы индуистского бога Шивы из-за многолучевой структуры лазера. Шива сыграл важную роль в демонстрации конкретной проблемы сжатия целей с помощью лазеров, что привело к созданию нового крупного устройства для решения этих проблем - лазера Нова .
Предыстория [ править ]
Основная идея любого устройства ICF заключается в быстром нагреве внешних слоев «мишени», обычно небольшой пластиковой сферы, содержащей несколько миллиграммов термоядерного топлива, обычно смеси дейтерия и трития . Под воздействием тепла пластик превращается в плазму , которая взрывается от поверхности. Согласно третьему закону Ньютона , оставшаяся часть цели выталкивается внутрь и в конечном итоге схлопывается в небольшую точку очень высокой плотности. Быстрый выброс также создает ударную волну , которая движется к центру сжатого топлива. Когда она встречается в центре топлива, энергия ударной волны еще больше нагревает и сжимает крошечный объем вокруг нее. Если температура и плотность этого маленького пятна повысятся достаточно высоко, начнутся реакции синтеза.
Реакции термоядерного синтеза высвобождают частицы высокой энергии, которые сталкиваются с топливом высокой плотности вокруг себя и замедляются. Это еще больше нагревает топливо и потенциально может привести к его плавлению. При правильных общих условиях сжатого топлива — достаточно высокой плотности и температуры — этот процесс нагрева может привести к цепной реакции , выгорающей наружу от центра, где ударная волна начала реакцию. Это состояние, известное как «воспламенение», которое может привести к термоядерному синтезу значительной части топлива в мишени и выделению значительного количества энергии.
На сегодняшний день в большинстве экспериментов ICF для нагрева мишеней используются лазеры. Расчеты показывают, что энергия должна подаваться быстро, чтобы сжать ядро до его разборки, а также создать подходящую ударную волну. Лазерные лучи также должны быть равномерно сфокусированы по внешней поверхности цели, чтобы сжать топливо в симметричное ядро. Хотя предлагались и другие «драйверы», лазеры в настоящее время являются единственными устройствами с правильным сочетанием функций.
Описание [ править ]
Шива вобрал в себя многие достижения, достигнутые в более ранних «Циклоп» и лазерах «Аргус» , в частности, использование усилителей из пластин неодимового стекла, установленных под углом Брюстера , и использование длинных вакуумных пространственных фильтров для «очистки» получаемых лазерных лучей. С тех пор эти функции остались частью каждого лазера ICF, что приводит к длинным «линиям луча». В случае с Шивой длина лучей составляла около 30 метров.
Перед выстрелом лазерное стекло Шивы «накачивалось» светом от серии ксеноновых ламп-вспышек, питавшихся от большой конденсаторной батареи. Часть этого света поглощается атомами неодима в стекле, переводя их в возбужденное состояние и приводя к инверсии населенности , которая подготавливает лазерную среду к усилению лазерного луча. Небольшое количество лазерного света, генерируемого снаружи, затем подавалось в лучи, проходя через стекло и усиливаясь в процессе стимулированного излучения . Это не особенно эффективный процесс; в общей сложности около 1% электроэнергии, используемой для питания ламп, в конечном итоге усиливает луч большинства лазеров на неодимовом стекле.
После каждого модуля усилителя находился пространственный фильтр , который использовался для сглаживания луча путем удаления любой неравномерности или анизотропии мощности, накопившейся из-за нелинейных фокусирующих эффектов при прохождении интенсивного света через воздух и стекло. Пространственный фильтр находится под вакуумом, чтобы исключить образование плазмы в фокусе (обскуре). [1]
После того как свет прошел через оконечный усилитель и пространственный фильтр, его использовали для экспериментов в мишенной камере , расположенной на одном конце аппарата. Каждый из 20 лучей Шивы доставлял около 500 Джоулей энергии, что вместе обеспечивало импульс инфракрасного света мощностью от 0,5 до 1 наносекунды мощностью 10,2 кДж на длине волны 1062 нм или меньшую пиковую мощность в течение более длительного времени (3 кДж в течение 3 нс).
Все устройство, включая испытательное оборудование и здания, на момент завершения его строительства в 1977 году стоило около 25 миллионов долларов (126 миллионов долларов сегодня).
Шива и ICF [ править ]
Никогда не ожидалось, что Шива достигнет условий возгорания, и в первую очередь она задумывалась как система проверки концепции для более крупного устройства, которое могло бы это сделать. Еще до того, как Шива была завершена, конструкция этого преемника, известного тогда как Шива/Нова, была уже хорошо развита. Шива/Нова появилась как Нова в 1984 году. Шива была оснащена множеством инструментов, а в ее целевой камере использовались высокоскоростные оптические и рентгеновские инструменты с высоким разрешением для определения характеристик плазмы, созданной во время имплозии.
Когда эксперименты с мишенями начались в Шиве в 1978 году, сжатие было увеличено примерно до 50–100 раз по сравнению с исходной плотностью жидкого водорода, или примерно от 3,5 до 7 г/мл. Для сравнения, плотность свинца составляет около 11 г/мл. Хотя этот уровень сжатия впечатляет, он слишком низок, чтобы его можно было использовать в попытке достичь воспламенения, и намного ниже, чем предполагалось при моделировании системы.
Исследования причин более низкого, чем ожидалось, сжатия привели к пониманию того, что лазер сильно взаимодействует с горячими электронами (~ 50 кэВ) в плазме, которая образуется при нагреве внешних слоев мишени, посредством вынужденного комбинационного рассеяния света . Джон Хольцрихтер, в то время директор программы ICF, сказал:
Лазерный луч генерирует плотную плазму там, где он воздействует на материал мишени. Лазерный свет отдает свою энергию электронам плазмы, которые поглощают свет. Скорость, с которой это происходит, зависит от длины волны и интенсивности. На Шиве мы нагревали электроны до невероятных энергий, но мишени работали не очень хорошо. Мы пробовали много способов убедить электроны передать больше своей энергии мишени, но безуспешно.
Ранее было понятно, что поглощение лазерной энергии на поверхности благоприятно масштабируется с уменьшением длины волны, но в то время считалось, что ИК-излучение, генерируемое в лазере Шива на неодимовом стекле, будет достаточным для адекватного выполнения имплозии мишени. Шива доказал ошибочность этого предположения, показав, что облучение капсул инфракрасным светом, скорее всего, никогда не приведет к воспламенению или усилению. Таким образом, величайшим достижением Шивы была его неудача, пример нулевого результата .
Исследования ICF обратились к использованию « оптического умножителя частоты » для преобразования входящего ИК-излучения в ультрафиолетовое с длиной волны около 351 нм — метода, который был хорошо известен в то время, но не был достаточно эффективным, чтобы его можно было использовать. Исследования лазера GDL в Лаборатории лазерной энергетики в 1980 году впервые позволили достичь эффективных методов утроения частоты, которые затем были использованы (впервые в LLNL) на преемнике Шивы, лазере Novette . Каждая лазерная система ICF после Шивы использовала эту технику.
24 января 1980 года землетрясение силой 5,8 МВт ( первое из двух ) потрясло Ливермор и объект настолько, что с Шивы слетели болты размером с кулак; был произведен ремонт, и через месяц лазер снова включили в работу. Многие эксперименты, включая тестирование « непрямого режима » сжатия с использованием хольраумов, продолжались в Шиве до ее демонтажа в 1981 году. Целевая камера Шивы будет повторно использована в лазере Novette . Максимальный выход термоядерного синтеза на Шиве составлял около 10 10 до 10 11 нейтронов за выстрел.
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
Термоядерная энергия , процессы и устройства |
|---|
