Laser Shivy

Łańcuchy wzmacniaczy Shiva przedstawiające przestrzenne lampy filtrujące (białe) i konstrukcje wzmacniaczy Nd:szkło (krótkie niebieskie rurki najbliżej kamery). Na miejscu kręcono fragmenty filmu Disneya Tron z 1982 roku.
Komora docelowa Shiva podczas konserwacji.
Widok wnętrza komory docelowej Shiva, 1978. Igłopodobny obiekt pośrodku obrazu to uchwyt tarczy, różne instrumenty są wycelowane w celu zobrazowania eksplozji na jej czubku.

Laser Shiva był potężnym 20-wiązkowym laserem neodymowym na podczerwień (szkło krzemionkowe), zbudowanym w Lawrence Livermore National Laboratory w 1977 r . Przypuszczalnie urządzenie zostało nazwane na cześć wielorękiej postaci hinduskiego boga Śiwy , ze względu na wielowiązkową strukturę lasera. Shiva odegrał kluczową rolę w zademonstrowaniu konkretnego problemu z kompresją celów za pomocą laserów, co doprowadziło do skonstruowania nowego, ważnego urządzenia, które ma rozwiązać te problemy, lasera Nova .

Tło

Główny artykuł: mechanizm ICF

Podstawową ideą każdego urządzenia ICF jest szybkie podgrzanie zewnętrznych warstw „celu”, zwykle małej plastikowej kulki zawierającej kilka miligramów paliwa fuzyjnego, zazwyczaj mieszanki deuteru i trytu . Ciepło spala plastik w plazmę , która eksploduje z powierzchni. Ze względu na trzecie prawo Newtona pozostała część celu jest kierowana do wewnątrz, ostatecznie zapadając się w mały punkt o bardzo dużej gęstości. Gwałtowny wydmuch również tworzy falę uderzeniową który przemieszcza się w kierunku środka sprężonego paliwa. Kiedy spotyka się w środku paliwa, energia fali uderzeniowej dodatkowo ogrzewa i kompresuje niewielką objętość wokół niej. Jeśli temperatura i gęstość tej małej plamki podniesie się wystarczająco wysoko, zajdą reakcje termojądrowe.

Reakcje syntezy jądrowej uwalniają wysokoenergetyczne cząstki, które zderzają się z otaczającym je paliwem o dużej gęstości i spowalniają. To dodatkowo podgrzewa paliwo i może potencjalnie spowodować, że paliwo również ulegnie stopieniu. Przy odpowiednich ogólnych warunkach sprężonego paliwa – odpowiednio wysokiej gęstości i temperaturze – ten proces ogrzewania może spowodować reakcję łańcuchową , spalanie na zewnątrz od środka, w którym fala uderzeniowa zapoczątkowała reakcję. Jest to stan znany jako „zapłon”, który może prowadzić do fuzji znacznej części paliwa w celu i uwolnienia znacznych ilości energii.

Do tej pory większość eksperymentów ICF wykorzystywała lasery do ogrzewania celów. Z obliczeń wynika, że ​​energia musi być dostarczona szybko, aby skompresować rdzeń, zanim się rozłoży, a także wytworzyć odpowiednią falę uderzeniową. Wiązki laserowe muszą być również skupione równomiernie na zewnętrznej powierzchni celu, aby zapaść paliwo w symetryczny rdzeń. Chociaż sugerowano inne „sterowniki”, lasery są obecnie jedynymi urządzeniami z odpowiednią kombinacją funkcji.

Opis

Shiva włączył wiele ulepszeń osiągniętych we wcześniejszych laserach Cyclops i Argus , w szczególności użycie wzmacniaczy wykonanych z płyt szklanych Nd: ustawionych pod kątem Brewstera oraz zastosowanie przestrzennych filtrów o dużej próżni do „oczyszczenia” powstałych wiązek laserowych. Od tamtej pory te cechy są częścią każdego lasera ICF, co prowadzi do długich „linii wiązki”. W przypadku Shivy linie świetlne miały około 30 m długości.

Przed odpaleniem szkło laserowe Shivy zostało „pompowane” światłem z szeregu ksenonowych lamp błyskowych zasilanych z dużej baterii kondensatorów . Część tego światła jest absorbowana przez atomy neodymu w szkle, podnosząc je do stanu wzbudzonego i prowadząc do inwersji obsadzeń , która przygotowuje ośrodek laserowy do wzmocnienia wiązki laserowej. Niewielka ilość światła laserowego, generowanego z zewnątrz, była następnie wprowadzana do linii wiązki, przechodziła przez szkło i była wzmacniana w procesie wymuszonej emisji . Nie jest to szczególnie wydajny proces; w sumie około ~ 1% energii elektrycznej wykorzystywanej do zasilania lamp wzmacnia wiązkę większości laserów ze szkła Nd:.

Po każdym module wzmacniacza znajdował się filtr przestrzenny , który służył do wygładzania wiązki poprzez usuwanie wszelkich niejednorodności lub anizotropii mocy, które nagromadziły się w wyniku nieliniowego ogniskowania intensywnego światła przechodzącego przez powietrze i szkło. Filtr przestrzenny jest utrzymywany pod próżnią w celu wyeliminowania tworzenia się plazmy w ognisku (otworku).

Po przejściu przez końcowy wzmacniacz i filtr przestrzenny światło było następnie wykorzystywane do eksperymentów w komorze docelowej , leżącej na jednym końcu aparatury. Każda z 20 linii badawczych Shivy dostarczyła około 500 dżuli energii , które razem dostarczyły impuls od ~,5 do 1 nanosekundy o mocy 10,2 kJ światła podczerwonego przy długości fali 1062 nm lub mniejsze moce szczytowe w dłuższym czasie (3 kJ przez 3 ns).

Całe urządzenie, w tym sprzęt testowy i budynki, kosztowało około 25 milionów dolarów, kiedy zostało ukończone w 1977 roku (obecnie 112 milionów dolarów).

Shiva i ICF

Nigdy nie spodziewano się, że Shiva osiągnie warunki zapłonu i był pomyślany przede wszystkim jako system sprawdzający koncepcję dla większego urządzenia, które by to zrobiło. Jeszcze zanim Shiva została ukończona, projekt tego następcy, znanego wówczas jako Shiva/Nova, był bardzo zaawansowany. Shiva/Nova wyłoniła się jako Nova w 1984 roku. Shiva była mocno oprzyrządowana, a jej komora docelowa wykorzystywała wysokiej rozdzielczości, szybkie instrumenty optyczne i rentgenowskie do charakteryzowania plazmy utworzonej podczas implozji.

Kiedy eksperymenty z celami rozpoczęto w Shivie w 1978 r., Kompresję zwiększono do około 50 do 100 razy większej niż pierwotna gęstość ciekłego wodoru, czyli około 3,5 do 7 g/ml. Dla porównania ołów ma gęstość około 11 g/ml. Ten poziom kompresji, choć imponujący, jest o wiele za niski, aby był użyteczny przy próbie osiągnięcia zapłonu, i znacznie niższy niż szacowano symulacje dla systemu.

Badania przyczyn niższej niż oczekiwano kompresji doprowadziły do ​​wniosku, że laser silnie sprzęgał się z gorącymi elektronami (~50 keV) w plazmie, która tworzyła się, gdy zewnętrzne warstwy celu były ogrzewane, poprzez stymulowane rozpraszanie ramanowskie . John Holzrichter, ówczesny dyrektor programu ICF, powiedział:

Wiązka laserowa generuje gęstą plazmę w miejscu, w którym uderza w materiał docelowy. Światło lasera oddaje swoją energię elektronom w plazmie, które pochłaniają światło. Szybkość, z jaką to się dzieje, zależy od długości fali i intensywności. Na Shivie rozgrzewaliśmy elektrony do niewiarygodnych energii, ale cele nie radziły sobie dobrze. Próbowaliśmy wielu rzeczy, aby nakłonić elektrony do przeniesienia większej ilości energii do celu, ale bez powodzenia.

Wcześniej zdano sobie sprawę, że absorpcja energii lasera na powierzchni skalowała się korzystnie przy zmniejszonej długości fali, ale wówczas uważano, że podczerwień generowana w laserze Shiva Nd: glass będzie wystarczająca do odpowiedniego wykonania implozji celu. Shiva udowodnił, że to założenie jest błędne, pokazując, że napromienianie kapsuł światłem podczerwonym prawdopodobnie nigdy nie spowoduje zapłonu ani wzmocnienia. Tak więc największym postępem Shivy była jego porażka, przykład zerowego wyniku .

Badania ICF zwróciły się ku wykorzystaniu „ optycznego mnożnika częstotliwości ” do konwersji przychodzącego światła podczerwonego na ultrafiolet przy długości fali około 351 nm. Technika ta była wówczas dobrze znana, ale nie była wystarczająco wydajna, aby była opłacalna. Badania nad laserem GDL w Laboratorium Energetyki Laserowej w 1980 roku dały początek wydajnym technikom potrojenia częstotliwości, które następnie (po raz pierwszy w LLNL) zastosowano w następcy Shivy, laserze Novette . Każdy laserowy system ICF po Shivie używał tej techniki.

24 stycznia 1980 r. trzęsienie ziemi o sile 5,8 Mw ( pierwsze w dublecie ) wstrząsnęło Livermore i obiektem na tyle, by ściąć Shivę śruby wielkości pięści; dokonano napraw, a miesiąc później laser ponownie uruchomiono. Wiele eksperymentów, w tym testowanie „ pośredniego trybu ” kompresji przy użyciu hohlraumów , kontynuowano w Shivie aż do jego demontażu w 1981 roku. Komora docelowa Shivy miała zostać ponownie wykorzystana w laserze Novette . Maksymalna wydajność syntezy jądrowej na Shivie wynosiła około 10 10 do 10 11 neutronów na strzał.

Zobacz też

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Shiva_laser&oldid=1128147675 ”