Нова (лазер)

редактировать
Осмотрите лазерный отсек Новы между двумя пучками лучей. В синих прямоугольниках показаны усилители и их «накачки» с лампами-вспышками, лампы между блоками усилителей - это пространственные фильтры.

Nova была мощным лазером, построенным на Ливерморская национальная лаборатория (LLNL) в Калифорния, США в 1984 году, в которой проводились усовершенствованные эксперименты по термоядерному синтезу с инерционным удержанием (ICF) до его демонтажа в 1999. Nova была первым экспериментом ICF, созданным с целью достижения «зажигания», цепной реакции ядерного синтеза, которая высвобождает большое количество энергии. Хотя Nova не удалось достичь этой цели, полученные данные четко определили, что проблема в основном является результатом нестабильности Рэлея-Тейлора, что привело к разработке National Ignition Facility, преемника Nova.. Nova также собрала значительные объемы данных по физике материи высокой плотности, несмотря на отсутствие воспламенения, что полезно как для исследований термоядерной энергии, так и ядерного оружия.

Содержание

  • 1 Предпосылки
  • 2 История
  • 3 Дизайн
  • 4 Fusion in Nova
  • 5 Модификации
    • 5.1 Два луча
    • 5.2 Обновление LMF и Nova
    • 5,3 Петаватт
  • 6 «Смерть» Nova
  • 7 Ссылки
  • 8 Библиография

Предпосылки

В устройствах с инерционным удержанием (ICF) используются драйверы для быстрого нагрева внешних слоев цели, чтобы сжать его. Мишень представляет собой небольшую сферическую таблетку, содержащую несколько миллиграммов термоядерного топлива, обычно смеси дейтерия и трития. Тепло лазера превращает поверхность гранулы в плазму , которая взрывается от поверхности. Оставшаяся часть мишени движется внутрь в соответствии с третьим законом Ньютона, в конечном итоге схлопываясь в небольшую точку с очень высокой плотностью.

Быстрый сдвиг также создает ударную волну, который движется к центру сжатого топлива. Когда он достигает центра горючего и встречает удар с другой стороны цели, энергия ударной волны нагревается и сжимает крошечный объем вокруг себя. Если температуру и плотность этого небольшого пятна можно поднять достаточно высоко, будут происходить реакции синтеза.

В результате реакций синтеза высвобождаются частицы высокой энергии, некоторые из которых (в основном альфа-частицы ) сталкиваются с плотным топливом вокруг него и замедлиться. Это 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 цепной реакции, горящей наружу от центра, где ударная волна начала реакцию. Это состояние, известное как воспламенение, которое может привести к термоядерному соединению значительной части топлива в мишени и выделению значительного количества энергии.

На сегодняшний день в большинстве экспериментов ICF для нагрева использовались лазеры цели. Расчеты показывают, что энергия должна быть доставлена ​​быстро, чтобы сжать активную зону перед ее разборкой, а также создать подходящую ударную волну. Энергия также должна быть чрезвычайно равномерно сфокусирована по внешней поверхности цели, чтобы топливо сжалось в симметричную сердцевину. Хотя предлагались и другие «драйверы», особенно тяжелые ионы, приводимые в ускорители частиц, в настоящее время лазеры являются единственными устройствами с правильной комбинацией функций.

История

LLNL История программы ICF начинается с физика Джона Наколлса, который в 1972 году предсказал, что зажигание может быть достигнуто с энергией лазера около 1 кДж, в то время как «высокий коэффициент усиления» потребует энергии около 1 МДж. Хотя это звучит очень маломощно по сравнению с современными машинами, в то время это было далеко за пределами уровня техники и привело к появлению ряда программ по производству лазеров в этом диапазоне мощности.

До строительства Nova, LLNL разработала и построила серию все более крупных лазеров, которые исследовали проблемы базовой конструкции ICF. LLNL в первую очередь интересовался лазером на неодимовом стекле , который в то время был одним из очень немногих известных высокоэнергетических лазеров. Вначале LLNL решила сосредоточиться на стеклянных лазерах, в то время как другие учреждения изучали газовые лазеры с использованием углекислого газа (например, Национальная лаборатория Лос-Аламоса ) или KrF (например, Nike laser, Морская исследовательская лаборатория ). Создание больших лазеров на неодимовом стекле раньше не предпринималось, и ранние исследования LLNL были сосредоточены в первую очередь на том, как создавать эти устройства.

Одной из проблем была однородность пучков. Даже незначительные изменения интенсивности лучей могут привести к "самофокусировке" в воздушной и стеклянной оптике в процессе, известном как линзирование Керра. Полученный луч включал в себя небольшие «нити» чрезвычайно высокой интенсивности света, настолько высокой, что это могло бы повредить стеклянную оптику устройства. Эта проблема была решена в лазере Cyclops с введением технологии пространственной фильтрации. За циклопом последовал лазер Argus большей мощности, который исследовал проблемы управления более чем одним лучом и более равномерного освещения цели. Кульминацией всей этой работы стал лазер Шива, экспериментальный проект мощной системы, включающий 20 отдельных «лазерных усилителей», которые были направлены вокруг цели для ее освещения.

Именно во время экспериментов с Шивой возникла еще одна серьезная неожиданная проблема. Было обнаружено, что инфракрасный свет, генерируемый лазерами на неодимовом стекле, очень сильно взаимодействует с электронами в плазме, созданной во время начального нагрева в процессе вынужденного рамановского рассеяния. Этот процесс, называемый «предварительным нагревом горячих электронов», уносил большое количество энергии лазера, а также заставлял ядро ​​мишени нагреваться до того, как оно достигло максимального сжатия. Это означало, что в центре коллапса было вложено гораздо меньше энергии, как из-за уменьшения энергии имплозии, так и из-за внешней силы нагретого ядра. Хотя было известно, что более короткие волны уменьшат эту проблему, ранее ожидалось, что ИК-частоты, используемые в Шиве, будут «достаточно короткими». Это оказалось не так.

Решение этой проблемы было исследовано в виде эффективных умножителей частоты, оптических устройств, которые объединяют несколько фотонов в один из более высокая энергия и, следовательно, частота. Эти устройства были быстро внедрены и испытаны экспериментально на лазере OMEGA и других, доказав свою эффективность. Хотя этот процесс эффективен только примерно на 50%, а половина исходной мощности лазера теряется, результирующий ультрафиолетовый свет гораздо более эффективно соединяется с целевой плазмой и намного эффективнее сжимает цель до высокой плотности.

Располагая этими решениями, LLNL решила создать устройство с мощностью, необходимой для создания условий воспламенения. Проектирование началось в конце 1970-х годов, а вскоре после этого началось строительство испытательного стенда Novette laser для проверки базовой конструкции луча и умножителя частоты. Это было время повторяющихся энергетических кризисов в США, и найти финансирование было несложно, учитывая большие суммы денег, доступные для альтернативной энергетики и исследований ядерного оружия.

Дизайн

Техническое обслуживание целевой камеры Новы. Все устройства направлены к центру камеры, куда ставятся мишени во время экспериментов. Мишени удерживаются на месте на конце белой «иглы» на конце рукоятки, идущей вертикально вниз в камеру. Камера лазерной мишени Nova во время юстировки и начальной установки (примерно в начале 1980-х). Некоторые из отверстий большего диаметра содержат различные измерительные устройства, которые имеют стандартный размер и подходят для этих отверстий, в то время как другие используются в качестве отверстий для луча.

На начальном этапе строительства Наколлс обнаружил ошибку в своих расчетах, и Обзор журнала TRW, проведенный в октябре 1979 года под председательством Джона Фостера-младшего, подтвердил, что Nova никак не могла достичь воспламенения. Затем конструкция Nova была преобразована в меньшую конструкцию, которая добавляла преобразование частоты для света 351 нм, что увеличивало эффективность связи. «Новая Нова» возникла как система с десятью лазерными усилителями или лучевыми линиями. Каждый канал луча состоял из серии усилителей из неодимового стекла, разделенных пространственными фильтрами и другой оптикой для очистки полученных лучей. Хотя методы складывания лучей были известны еще во времена Шивы, в то время они не были хорошо развиты. В итоге Nova получила единственную складку в своей компоновке, а длина лазерного отсека, содержащего лучи, составляла 91 м (300 футов). Стороннему наблюдателю кажется, что он содержит двадцать лучей длиной 300 футов (91 м), но из-за изгиба каждый из десяти фактически имеет длину почти 600 футов (180 м) с точки зрения длины оптического пути.

Перед запуском усилители из неодимового стекла сначала накачиваются с помощью серии ксеноновых ламп, окружающих их. Часть света, излучаемого лампами, улавливается стеклом, что приводит к инверсии населенности, которая позволяет усиление посредством стимулированного излучения. Этот процесс довольно неэффективен, и только от 1 до 1,5% мощности, подаваемой в лампы, фактически превращается в энергию лазера. Для выработки лазерной мощности, необходимой для Nova, лампы должны были быть очень большими, питаться от большой батареи конденсаторов, расположенных под лазерным отсеком. Вспышка также выделяет большое количество тепла, которое деформирует стекло, требуя времени, чтобы лампы и стекло остыли, прежде чем их можно будет снова запустить. Это ограничивает Nova максимум шестью срабатываниями в день.

После накачки и готовности к стрельбе небольшой импульс лазерного света подается в лучи. Каждый диск из неодимового стекла передает дополнительную мощность лучу, проходящему через них. После прохождения через несколько усилителей световой импульс «очищается» в пространственном фильтре перед подачей в другую серию усилителей. На каждом этапе использовалась дополнительная оптика для увеличения диаметра луча и позволяла использовать все большие и большие диски усилителя. В общей сложности Nova содержала пятнадцать усилителей и пять фильтров увеличивающегося размера в каналах луча с возможностью добавления дополнительного усилителя на последнем этапе, хотя неясно, использовались ли они на практике.

Оттуда все десять лучей проходят в экспериментальную зону на одном конце лазерного отсека. Здесь серия зеркал отражает лучи, попадая в центр залива со всех сторон. Оптические устройства на некоторых путях замедляют лучи, так что все они достигают центра одновременно (в течение примерно пикосекунды), поскольку некоторые лучи имеют более длинный путь к центру, чем другие. Умножители частоты преобразуют свет в зеленый и синий (УФ) прямо перед входом в «целевую камеру». Nova устроена так, что любой оставшийся инфракрасный или зеленый свет фокусируется ближе к центру камеры.

Лазер Nova в целом был способен излучать около 100 килоджоулей инфракрасного света на длине волны 1054 нм, или 40-45 Килоджоули частоты утроили свет на 351 нм (третья гармоника основной линии Nd: Glass на 1054 нм) при длительности импульса примерно от 2 до 4 наносекунд и, таким образом, был способен генерирует ультрафиолетовый импульс в диапазоне 16 триллионов ватт.

Fusion in Nova

Исследования Nova были сосредоточены на подходе с непрямым приводом, когда лазерный луч освещает внутреннюю поверхность тонкого металла фольга, обычно сделанная из золота, свинца или другого металла с высоким z. При нагревании лазером металл повторно излучает эту энергию в виде диффузных рентгеновских лучей, которые более эффективны, чем УФ при сжатии топливной таблетки. Чтобы испускать рентгеновские лучи, металл должен быть нагрет до очень высоких температур, на что расходуется значительное количество энергии лазера. Таким образом, хотя сжатие более эффективно, общая энергия, передаваемая цели, тем не менее, намного меньше. Причина преобразования рентгеновского излучения не в том, чтобы улучшить подачу энергии, а в том, чтобы «сгладить» энергетический профиль; поскольку металлическая фольга несколько рассеивает тепло, анизотропия в исходном лазере значительно снижается.

Оболочки из фольги, или hohlraums, обычно имеют форму маленьких цилиндров с открытым концом и лазер расположен так, чтобы светить в открытые концы под косым углом, чтобы воздействовать на внутреннюю поверхность. Чтобы поддержать исследования непрямого привода в Nova, вторая экспериментальная площадка была построена «за» основным, напротив лазерного отсека. Система была устроена так, чтобы фокусировать все десять лучей в два набора по пять в каждом, которые проходили во вторую область, а затем в любой конец целевой камеры, а оттуда - в холмы.

Как ни странно, непрямое воздействие Этот подход не был широко известен до 1993 года. Документы эпохи Новы, опубликованные в научных журналах и в аналогичных материалах, либо замалчивают проблему, либо подразумевают, что Нова использовала метод прямого привода, без хохлера.

Взрыв термоядерной мишени на Новая звезда. Зеленый цвет держателя мишени обусловлен остаточным лазерным светом, который был преобразован с повышением частоты только «наполовину» в УФ, остановившись на зеленом. Оптика устроена так, чтобы фокусировать этот свет «недалеко» от цели, и здесь он попадает в держатель. Осталось небольшое количество инфракрасного света, но его нельзя увидеть на этой фотографии в видимом свете. Оценить размер имплозии можно, сравнив размер держателя мишени здесь с изображением выше.

Как это случилось с более ранним Шивой, Нова не оправдала ожиданий с точки зрения выхода термоядерного синтеза. Максимальный выход термоядерного синтеза на NOVA составлял около 10 нейтронов на выстрел. В этом случае проблема была связана с нестабильностями, которые вызывали турбулентное перемешивание топлива во время схлопывания и нарушали формирование и прохождение ударной волны. Проблема была вызвана неспособностью Nova точно соответствовать выходной энергии каждого из лучей, что означало, что разные области гранулы получали разное количество тепла по всей ее поверхности. Это привело к появлению горячих точек на грануле, которые были отпечатаны в схлопывающейся плазме, вызывая нестабильность Рэлея-Тейлора и тем самым перемешивая плазму, так что центр не схлопывался равномерно.

Тем не менее, Нова осталась полезный инструмент даже в его первоначальной форме, а основная камера цели и лучи использовались в течение многих лет даже после того, как он был модифицирован, как описано ниже. В течение всего срока службы использовалось несколько различных методов сглаживания лучей, как для улучшения Nova, так и для лучшего понимания NIF. Эти эксперименты значительно улучшили не только понимание ICF, но и физику высоких плотностей в целом, и даже эволюцию галактик и сверхновых.

Модификации

Двухлучевые

Вскоре после завершения Nova были внесены изменения, чтобы улучшить ее как экспериментальное устройство.

Одна проблема заключалась в том, что экспериментальная камера требовала много времени, чтобы переоборудовать для следующего выстрела, больше, чем время, необходимое для охлаждения лазеров. Чтобы улучшить использование лазера, позади оригинала была построена вторая экспериментальная камера с оптикой, которая объединила десять лучей в два. «Нова» была построена напротив старых зданий Шивы, с двумя экспериментальными камерами, расположенными вплотную друг к другу, а лучи выходили наружу из центральных целевых областей. Система Two Beam была установлена ​​путем пропуска световодов и соответствующей оптики через ныне неиспользуемую экспериментальную зону Шивы и размещения экспериментальной камеры меньшего размера в отсеке луча Шивы.

LMF и Nova Upgrade

Частичный успех Nova в сочетании с другими экспериментальными данными побудил Министерство энергетики запросить специальный военный объект ICF, который они назвали «Лабораторным центром микроплавления» (LMF), который может достичь выхода термоядерного синтеза от 100 до 1000 MJ. На основе компьютерных моделей LASNEX было подсчитано, что для LMF потребуется драйвер мощностью около 10 МДж, несмотря на ядерные испытания, которые предполагали более высокую мощность. Создание такого устройства было в порядке вещей, но было бы дорогостоящим - порядка 1 миллиарда долларов. LLNL вернула проект с драйверным лазером 5 МДж, 350 нм (УФ), который мог бы достичь выхода около 200 МДж, чего было достаточно для достижения большинства целей LMF. Стоимость программы оценивалась примерно в 600 миллионов долларов в 1989 финансовом году и еще 250 миллионов долларов на ее модернизацию до полной 1000 МДж, если это необходимо, и вырастет до более чем 1 миллиарда долларов, если LMF будет соответствовать всем целям Министерства энергетики.. Другие лаборатории также предложили свои собственные конструкции LMF с использованием других технологий.

Столкнувшись с этим грандиозным проектом, в 1989/90 г. Национальная академия наук провела второй обзор усилий ICF США от имени Конгресса США. В отчете сделан вывод, что «с учетом экстраполяций, требуемых в отношении физики мишени и характеристик драйвера, а также вероятных затрат в 1 миллиард долларов, комитет считает, что LMF [то есть установка лазерной микроплавки с мощностью до одного гигаджоуля] - слишком большой шаг, чтобы делать прямо из настоящей программы ". В их отчете говорилось, что основной целью программы в краткосрочной перспективе должно быть решение различных проблем, связанных с возгоранием, и что не следует предпринимать полномасштабные LMF, пока эти проблемы не будут решены. В отчете также содержалась критика экспериментов с газовым лазером, проводимых в LANL, и предлагалось отказаться от них и аналогичных проектов в других лабораториях. В отчете приняты числа LASNEX и продолжено одобрение подхода с лазерной энергией около 10 МДж. Тем не менее, авторы знали о потенциале более высоких требований к энергии и отметили: «Действительно, если бы действительно выяснилось, что для зажигания и усиления требовался драйвер мощностью 100 МДж, пришлось бы переосмыслить весь подход и обоснование для, ICF. "

В июле 1992 года LLNL ответила на эти предложения обновлением Nova, в котором будет повторно использоваться большая часть существующего объекта Nova вместе с соседним объектом Shiva. Полученная система будет иметь гораздо более низкую мощность, чем концепция LMF, с драйвером примерно от 1 до 2 МДж. Новый дизайн включал в себя ряд функций, которые продвинули уровень техники в секции драйверов, включая многопроходную конструкцию в основных усилителях и 18 каналов луча (вместо 10), которые были разделены на 288 "бимлетов" при входе целевой области с целью улучшения равномерности освещения. Планы предусматривали установку двух основных рядов линий лазерного луча, один в существующей комнате для линий луча Новы, а другой в старом здании Шивы по соседству, простирающихся через его лазерный отсек и целевую зону в улучшенную целевую зону Новы. Лазеры доставляют около 500 ТВт за импульс длительностью 4 нс. Ожидается, что модернизация позволит новой Nova производить термоядерный синтез от 2 до 20 МДж. По первоначальным оценкам 1992 года стоимость строительства оценивалась примерно в 400 миллионов долларов, причем строительство будет вестись с 1995 по 1999 год.

По причинам, которые не являются хорошо зарегистрировано в исторических записях, позже в 1992 году LLNL обновила свое предложение по модернизации Nova и заявила, что существующие здания Nova / Shiva больше не смогут содержать новую систему и что потребуется новое здание примерно в три раза больше. С тех пор планы превратились в нынешнюю National Ignition Facility.

Petawatt

Начиная с конца 1980-х годов был разработан новый метод создания очень коротких, но очень мощных лазерных импульсов, известный как усиление чирпированных импульсов, или CPA. Начиная с 1992 года, сотрудники LLNL модернизировали одно из существующих рукавов Nova, чтобы создать экспериментальный лазер CPA, который производил до 1,25 ПВт. Известный просто как Петаватт, он работал до 1999 года, когда Nova была разобрана, чтобы освободить место для NIF.

Открытый усилитель A315 системы NOVA, предоставленный в 2003 году лазерной установке PHELIX в GSI. институт в Германии ; обратите внимание на восьмиугольные лазерные диски посередине, сзади - одна из двух панелей импульсных ламп, используемых для превышения инверсии населенностей

. Основная система усиления, используемая в Nova и других мощных лазерах того времени, была ограничена с точки зрения плотность мощности и длительность импульса. Одна из проблем заключалась в том, что стекло усилителя реагировало в течение определенного периода времени, а не мгновенно, и очень короткие импульсы не могли сильно усиливаться. Другая проблема заключалась в том, что высокая плотность мощности приводила к тем же видам проблем самофокусировки, которые вызывали проблемы в более ранних проектах, но в такой степени, что даже таких мер, как пространственная фильтрация, было бы недостаточно, на самом деле плотности мощности были достаточно высокими. вызвать образование волокон на воздухе.

CPA позволяет избежать обеих этих проблем, распределяя лазерный импульс во времени. Это достигается за счет отражения относительно многохроматического (по сравнению с большинством лазеров) импульса от серии из двух дифракционных решеток , которые пространственно разделяют их на разные частоты, по сути то же самое, что и простая призма . работает с видимым светом. Эти отдельные частоты должны проходить разные расстояния при отражении обратно в луч, в результате чего импульс "растягивается" во времени. Этот более длинный импульс в обычном режиме подается на усилители, которые теперь успевают нормально отреагировать. После усиления лучи направляются во вторую пару решеток «в обратном направлении», чтобы рекомбинировать их в один короткий импульс большой мощности. Чтобы избежать филаментации или повреждения оптических элементов, весь конец пучка помещается в большую вакуумную камеру.

, хотя Петаватт сыграл важную роль в продвижении практической основы концепции термоядерного синтеза с быстрым зажиганием. когда он начал работать в качестве экспериментального устройства, решение о переходе к NIF уже было принято. Дальнейшая работа над подходом к быстрому воспламенению продолжается и потенциально достигнет уровня развития, намного опережающего NIF в HiPER, экспериментальной системе, разрабатываемой в Европейском Союзе.

«Смерть» Новы

Когда Нова разбиралась, чтобы освободить место для NIF, камера-мишень была предоставлена ​​во временное пользование Франции во время разработки Laser Megajoule, система, во многом похожая на NIF. Этот заем был спорным, поскольку единственный другой действующий лазер в LLNL в то время, Beamlet (единственный экспериментальный луч для NIF), был недавно отправлен в Sandia National Laboratory в Нью-Мексико. В результате у LLNL не было большой лазерной установки до тех пор, пока NIF не начал работу, что, по оценкам, было как минимум в 2003 году. Официально работа над NIF не была объявлена ​​завершенной до 31 марта 2009 г.

Ссылки

Библиография

На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с Nova (лазер).
Последняя правка сделана 2021-06-01 14:56:09
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте