Шива лазер - Shiva laser

Цепи усилителей Shiva с изображением трубок пространственных фильтров (белые) и структуры усилителя из неодимового стекла (короткие синие трубки, расположенные ближе всего к камере). Отрывки из фильма Диснея 1982 года Трон были сняты на месте.
Целевая камера Шивы во время обслуживания.
Вид изнутри мишени Шивы, 1978 год. Иглоподобный объект в центре изображения является держателем мишени, на его кончике наведены различные инструменты, чтобы отобразить взрывы.

В Шива лазер был мощный 20-лучевой инфракрасный неодим стекло (кварцевое стекло) лазер построен на Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора в 1977 г. для изучения термоядерный синтез с инерционным удержанием (ICF) и крупномасштабные лазерно-плазменные взаимодействия. Предположительно устройство было названо в честь многорукой формы Индуистский Бог Шива, благодаря многолучевой структуре лазера. Шива сыграл важную роль в демонстрации конкретной проблемы при сжатии мишеней с помощью лазеров, что привело к созданию нового крупного устройства для решения этих проблем, Нова лазер.

Фон

Основная статья: Механизм ICF

Основная идея любого устройства ICF состоит в том, чтобы быстро нагреть внешние слои «мишени», обычно небольшой пластиковой сферы, содержащей несколько миллиграммов термоядерного топлива, обычно смеси дейтерий и тритий. Тепло превращает пластик в плазма, который взрывается от поверхности. Из-за Третий закон Ньютона, оставшаяся часть мишени движется внутрь, в конечном итоге обрушиваясь на небольшую точку очень высокой плотности. Быстрый сдув также создает ударная волна который движется к центру сжатого топлива. Когда он встречается в центре топлива, энергия ударной волны нагревается и сжимает крошечный объем вокруг себя. Если температура и плотность этого небольшого пятна будут достаточно высокими, начнутся реакции плавления.

В реакциях синтеза высвобождаются частицы высокой энергии, которые сталкиваются с плотным топливом вокруг него и замедляются. Это еще больше нагревает топливо и потенциально может вызвать плавление этого топлива. При правильных общих условиях сжатого топлива - достаточно высокой плотности и температуре - этот процесс нагрева может привести к цепная реакция, горящая наружу от центра, где ударная волна начала реакцию. Это состояние, известное как «воспламенение», которое может привести к тому, что значительная часть топлива в мишени подвергнется плавлению, и выделению значительного количества энергии.

На сегодняшний день в большинстве экспериментов ICF для нагрева мишеней использовались лазеры. Расчеты показывают, что энергия должна быть доставлена ​​быстро, чтобы сжать активную зону до ее разборки, а также создать подходящую ударную волну. Лазерные лучи также должны быть равномерно сфокусированы по внешней поверхности цели, чтобы топливо сжалось в симметричную сердцевину. Хотя предлагались и другие «драйверы», в настоящее время лазеры - единственные устройства с правильным сочетанием функций.

Описание

Шива воплотил в себе многие достижения, достигнутые на ранних этапах. Циклоп и Лазеры Argus, в частности, использование усилителей из неодимовых стеклянных пластин, установленных на Угол Брюстера и использование длительного вакуума пространственные фильтры «очистить» получившиеся лазерные лучи. Эти особенности остались частью каждого лазера ICF с тех пор, что приводит к длинным «линиям луча». В случае с Шивой длина лучей составляла около 30 м.

Перед стрельбой лазерное стекло Шивы было "накачанный" со светом из серии ксеноновые лампы-вспышки питается от большого конденсатор банк. Часть этого света поглощается атомами неодима в стекле, повышая их до возбужденное состояние и ведет к инверсия населения что подготавливает лазерную среду к усилению лазерного луча. Небольшое количество лазерного света, генерируемого извне, затем подавалось в лучи, проходя через стекло и усиливалось в процессе стимулированное излучение. Это не особенно эффективный процесс; в целом около 1% электричества, используемого для питания ламп, в конечном итоге усиливает луч большинства лазеров на неодимовом стекле.

После каждого модуля усилителя был пространственный фильтр, который использовался для сглаживания луча путем удаления любой неоднородности или анизотропии мощности, которые накопились из-за нелинейных фокусирующих эффектов интенсивного прохождения света через воздух и стекло. Пространственный фильтр находится под вакуумом, чтобы исключить образование плазмы в фокусе (точечное отверстие).[1]

После того, как свет прошел через оконечный усилитель и пространственный фильтр, его использовали для экспериментов в целевая камера, лежащий на одном конце аппарата. 20 лучей Шивы доставили около 500Джоули энергии, которые вместе доставляли от ~ 0,5 до 1 наносекундного импульса инфракрасного света 10,2 кДж на длине волны 1062 нм или меньшей пиковой мощности в течение более длительного времени (3 кДж за 3 нс).

Все устройство, включая испытательное оборудование и здания, стоило около 25 миллионов долларов, когда оно было завершено в 1977 году (105 миллионов долларов сегодня).

Шива и ICF

Никогда не ожидалось, что Шива достигнет условий воспламенения, и в первую очередь он задумывался как испытательная система для более крупного устройства, которое могло бы это сделать. Еще до того, как Шива был завершен, дизайн этого преемника, тогда известного как Шива / Нова, был хорошо развит. «Шива / Нова» появится как «Нова» в 1984 году. «Шива» была оснащена мощными инструментами, а в ее целевой камере использовались высокоскоростные оптические и рентгеновские инструменты с высоким разрешением для определения характеристик плазмы, создаваемой во время взрыва.

Когда в 1978 году в Шиве начались эксперименты с мишенями, 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: свинец имеет плотность около 11 г / мл. Хотя этот уровень сжатия впечатляет, он слишком низок, чтобы его можно было использовать при попытке достичь воспламенения, и намного ниже, чем предполагалось для системы при моделировании.

Исследования причин более низкого, чем ожидалось, сжатия привели к пониманию того, что лазер сильно взаимодействует с горячим электроны (~ 50 кэВ) в плазме, образовавшейся при нагревании внешних слоев мишени, через вынужденное рассеяние рамана. Джон Хольцрихтер, в то время директор программы ICF, сказал:

Лазерный луч создает плотную плазму, где он падает на целевой материал. Лазерный свет отдает свою энергию электронам в плазме, которые поглощают свет. Скорость, с которой это происходит, зависит от длины волны и интенсивности. На Шиве мы нагревали электроны до невероятных энергий, но цели не работали. Мы пробовали множество способов уговорить электроны передать больше своей энергии цели, но безуспешно.

Ранее было понято, что поглощение лазерной энергии на поверхности выгодно масштабируется за счет уменьшения длины волны, но в то время считалось, что ИК-излучения, генерируемого лазером на неодимовом стекле Shiva, будет достаточно для адекватного выполнения взрыва мишени. Шива доказал ошибочность этого предположения, показав, что облучение капсул инфракрасным светом, вероятно, никогда не приведет к воспламенению или усилению. Таким образом, величайшим достижением Шивы была его неудача, пример нулевой результат.

Исследование ICF обратилось к использованию "оптический умножитель частоты "для преобразования входящего ИК-света в ультрафиолетовый на длине волны около 351 нм, метод, который был хорошо известен в то время, но не был достаточно эффективным, чтобы быть стоящим. Исследования лазера GDL в Лаборатория лазерной энергетики в 1980 году впервые были достигнуты эффективные методы утроения частоты, которые затем были использованы (впервые в LLNL) на преемнике Шивы, Лазер Novette. Каждая лазерная система ICF после Шивы использовала эту технику.

24 января 1980 г.ш землетрясение ( первый в дублете ) встряхнул Ливермор и объект настолько, что срезал с Шивы болты размером с кулак; был произведен ремонт, и через месяц лазер был снова включен. Множество экспериментов, включая тестирование "косвенный режим"сжатия с использованием Hohlraums продолжался в Шиве до его демонтажа в 1981 году. Целевая камера Шивы будет повторно использована на Лазер Novette. Максимальный выход термоядерного синтеза на Шиве был около 1010 до 1011 нейтроны за выстрел.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Шива: стеклянный лазер мощностью 30 тераватт для исследования термоядерного синтеза