Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Шива лазері – 1977 жылы Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасында инерциялық тұтқындаудағы синтезді (ICF) және ұзақ масштабты лазерлік плазмалық өзара әрекеттесуді зерттеу үшін салынған қуатты 20 сәулелі инфрақызыл неодимді шыны (кремний шыны) лазері. Бұл құрылғы лазердің көп сәулелі құрылымына байланысты индуист құдайы Шиваның көп қолды бейнесімен аталған болуы мүмкін. Шива лазерлермен нысаналарды қысудағы нақты бір мәселені көрсетуге көмектесті, нәтижесінде осы мәселені шешу үшін жаңа құрылғы – Nova лазері салынды.
The Shiva laser was a powerful 20 beam infrared neodymium glass (silica glass) laser built at Lawrence Livermore National Laboratory in 1977 for the study of inertial confinement fusion (ICF) and long scale length laser plasma interactions. Presumably, the device was named after the multi armed form of the Hindu god Shiva, due to the laser's multi beamed structure. Shiva was instrumental in demonstrating a particular problem in compressing targets with lasers, leading to a major new device being constructed to address these problems, the Nova laser.
Өмірбаян
Кез келген ICF құрылғысының негізгі идеясы – "мақсаттың" сыртқы қабаттарын жылдам қыздыру, әдетте, бірнеше миллиграмм мөлшеріндегі синтез отыны бар шағын пластикалық шар, көбінесе дейтерий және тритий қоспасы. Жылу пластикті плазмаға айналдырады, ол беттен жарылыс сияқты таралады. Ньютонның үшінші заңына сәйкес, мақсаттың қалған бөлігі ішке қарай итемеленеді, соңында өте жоғары тығыздыққа ие кішкентай нүктеге дейін ығысады. Жылдам жарылыс сонымен қатар, қысылған отынның ортасына қарай қозғалатын соққы толқынын тудырады. Отынның ортасында кездескенде, соққы толқынындағы энергия оны одан әрі қыздырып, айналасындағы шағын көлемді қысады. Егер температура мен тығыздық жеткілікті деңгейге көтерілсе, синтез реакциясы басталады. Синтез реакциясы жоғары энергиялы бөлшектерді босатады, олар тығыз отынмен соқтығысып, жылдамдығын жоғалтады. Бұл отынды одан әрі қыздырады және оның да синтезденуіне мүмкіндік береді. Қысылған отынның тиісті жағдайлары болғанда – жеткілікті тығыздық және температура – бұл қыздыру процесі тізбекті реакцияға алып келуі мүмкін, ол соққы толқыны реакцияны бастаған орталықтан сыртқа қарай таралады. Бұл жағдай "жану" деп аталады, ол мақсаттағы отынның маңызды бөлігінің синтезденуіне және үлкен мөлшерде энергияның босауына әкелуі мүмкін. Бүгінгі күнге дейін көптеген ICF эксперименттері мақсаттарды қыздыру үшін лазерлерді пайдаланған. Есептеулер көрсеткендей, энергия ядроның ыдырауына дейін оны қысу және тиісті соққы толқынын жасау үшін жылдам жеткізілуі керек. Лазер сәулелері отынды симметриялық ядроға ығыстыру үшін мақсаттың сыртқы бетіне біркелкі бағытталуы керек. Басқа "қозғалтқыштар" ұсынылғанмен, лазерлер қазіргі уақытта қажетті мүмкіндіктердің толық жиынтығына ие жалғыз құрылғылар болып табылады.
The basic idea of any ICF device is to rapidly heat the outer layers of a "target", normally a small plastic sphere containing a few milligrams of fusion fuel, typically a mix of deuterium and tritium. The heat burns the plastic into a plasma, which explodes off the surface. Due to Newton's Third Law, the remaining portion of the target is driven inwards, eventually collapsing into a small point of very high density. The rapid blowoff also creates a shock wave that travels towards the center of the compressed fuel. When it meets itself in the center of the fuel, the energy in the shock wave further heats and compresses the tiny volume around it. If the temperature and density of that small spot is raised high enough, fusion reactions will occur. The fusion reactions release high energy particles, which collide with the high density fuel around it and slow down. This heats the fuel further, and can potentially cause that fuel to undergo fusion as well. Given the right overall conditions of the compressed fuel – high enough density and temperature – this heating process can result in a chain reaction, burning outward from the center where the shock wave started the reaction. This is a condition known as "ignition", which can lead to a significant portion of the fuel in the target undergoing fusion, and the release of significant amounts of energy. To date most ICF experiments have used lasers to heat the targets. Calculations show that the energy must be delivered quickly in order to compress the core before it disassembles, as well as creating a suitable shock wave. The laser beams must also be focussed evenly across the target's outer surface in order to collapse the fuel into a symmetric core. Although other "drivers" have been suggested, lasers are currently the only devices with the right combination of features.
Сипаттама
Шива бұрынғы Циклоп және Аргус лазерлерінде қол жеткізілген көптеген жетістіктерді, атап айтқанда, Брюстер бұрышында орналасқан Nd: шыны тақталардан жасалған күшейткіштерді және нәтижедегі лазер сәулелерін "тазалау" үшін ұзақ вакуумдық кеңістіктік сүзгілерді пайдаланды. Бұл мүмкіндіктер содан бері барлық ICF лазерлерінің құрамында сақталды, бұл ұзақ "сәуле желілеріне" алып келді. Шива жағдайында сәуле желілерінің ұзындығы шамамен 30 метрді құрады. Оқ ату алдында Шива лазерлік шынысы үлкен конденсаторлық батареядан қуат алатын ксенон шамдарының жарығымен "қоздырылды". Бұл жарықтың бір бөлігі шыныдағы неодим атомдарымен сіңіріліп, оларды қозу күйіне жеткізіп, лазерлік сәулені күшейтуге дайындық жасайтын популяциялық инверсияны тудырды. Сырттан жасалған лазерлік жарықтың шағын мөлшері сәуле желілеріне жіберіліп, шыны арқылы өтіп, стимуляцияланған эмиссия процесі арқылы күшейтілді. Бұл өте тиімді процесс емес; көбінесе Nd: шыны лазерлерінде лампаларды қуаттандыруға жұмсалатын электр энергиясының шамамен 1% ғана сәулені күшейтеді. Әрбір күшейткіш модульден кейін кеңістіктік сүзгі орналастырылған, ол сәулені тегістеу үшін қолданылды, интенсивті жарықтың әсерінен туындаған бейбіртектіліктерді немесе қуаттың анизотропиясын жоятын. Кеңістіктік сүзгі фокуста (тесікте) плазманың пайда болуын болдырмау үшін вакуумда сақталады. Жарық соңғы күшейткіш пен кеңістіктік сүзгіден өткеннен кейін, аппараттың бір шетінде орналасқан нысаналық камерада эксперименттер жүргізу үшін пайдаланылды. Шиваның 20 сәуле желісінің әрқайсысы шамамен 500 джоуль энергияны жеткізді, олар бірге 1062 нм толқын ұзындығында 10,2 кДж инфрақызыл жарықтан тұратын ~0,5-тен 1 наносекундтық импульс жасады, немесе ұзақ уақыт аралығында кішірек шыңдық қуаттарды (3 нс үшін 3 кДж) қамтамасыз етті. 1977 жылы құрылысы аяқталған кезде, құрылғының өзі, сынақ жабдықтары мен ғимараттарының құны шамамен 25 миллион долларды құрады (1977 жылғы 25,0 доллар бүгінгі күні шамамен миллион долларға тең).
Shiva incorporated many of the advancements achieved on the earlier Cyclops and Argus lasers, notably the use of amplifiers made of Nd:glass slabs set at the Brewster's angle and the use of long vacuum spatial filters to "clean" the resulting laser beams. These features have remained a part of every ICF laser since, which leads to long "beamlines". In the case of Shiva, the beamlines were about 30 m long. Prior to firing, the laser glass of the Shiva was "pumped" with light from a series of xenon flash lamps fed power from a large capacitor bank. Some of this light is absorbed by the neodymium atoms in the glass, raising them to an excited state and leading to a population inversion which readies the lasing medium for amplification of a laser beam. A small amount of laser light, generated externally, was then fed into the beamlines, passing through the glass and becoming amplified through the process of stimulated emission. This is not a particularly efficient process; in total, around ~1% of the electricity used to feed the lamps ends up amplifying the beam on most Nd:glass lasers. After each amplifier module there was a spatial filter, which was used to smooth the beam by removing any nonuniformity or power anisotropy which had accumulated due to nonlinear focusing effects of intense light passage through air and glass. The spatial filter is held under vacuum in order to eliminate the creation of plasma at the focus (pinhole). After the light had passed through the final amplifier and spatial filter it was then used for experiments in the target chamber, lying at one end of the apparatus. Shiva's 20 beamlines each delivered about 500 Joules of energy, which together delivered a ~.5 to 1 nanosecond pulse of 10.2 kJ of infrared light at 1062 nm wavelength, or smaller peak powers over longer times (3 kJ for 3 ns). The entire device, including test equipment and buildings, cost about $25 million when it was completed in 1977 ($25.0 in 1977 is equivalent to about <calculated amount> in recent years million today).
Шива мен ICF
Shiva ешқашан тұтану шарттарына жетеді деп күтілмеген, және негізінен үлкен қондырғы үшін тұжырымдаманы дәлелдеу жүйесі ретінде жоспарланған. Shiva аяқталғанға дейін, оның мұрагері – Shiva/Nova деп аталған құрылғының жобасы дамып жатты. 1984 жылы Shiva/Nova Nova болып өзгерді. Shiva мұқият құралдандырылған, ал нысаналық камерасы имплозия кезінде пайда болатын плазманы сипаттау үшін жоғары ажыратымдылықтағы, жоғары жылдамдықты оптикалық және рентгендік құралдарды пайдаланды. 1978 жылы Shiva-да нысаналармен тәжірибелер басталғанда, қысым сұйық сутегінің бастапқы тығыздығынан 50-100 есе артық, шамамен 3,5-7 г/мл дейін көтерілді. Салыстыру үшін, қорғасынның тығыздығы шамамен 11 г/мл құрайды. Бұл көрсеткіш әсерлі болғанымен, тұтануға қол жеткізуге тым төмен, және жүйе үшін болжамдардан да әлдеқайда төмен еді. Күтілгеннен төмен қысымның себептерін зерттеу нәтижесінде лазердің плазмадағы ыстық электрондармен (~50 кэВ) күшті байланысқа түсетіні анықталды, бұл байланыс нысананың сыртқы қабаттары қыздырылғанда стимулданған Раман шашырауы арқылы пайда болды. Сол кездегі ICF бағдарламасының директоры Джон Холзрихтер былай деді:
Shiva was never expected to reach ignition conditions, and was primarily intended as a proof of concept system for a larger device that would. Even before Shiva was completed, the design of this successor, then known as Shiva/Nova, was well advanced. Shiva/Nova would emerge as Nova in 1984. Shiva was heavily instrumented, and its target chamber utilized high resolution, high speed optical and X ray instruments for the characterization of the plasmas created during implosion. When experiments with targets started in Shiva in 1978, compression was ramped upward to about 50 to 100 times the original density of the liquid hydrogen, or about 3.5 to 7 g/mL. For comparison, lead has a density of about 11 g/mL. While impressive, this level of compression is far too low to be useful in an attempt to reach ignition, and far lower than simulations had estimated for the system. Studies of the causes of the lower than expected compression led to the realization that the laser was coupling strongly with the hot electrons (~50 keV) in the plasma which formed when the outer layers of the target were heated, via stimulated raman scattering. John Holzrichter, director of the ICF program at the time, said:
«Лазерлік сәуле нысаналық материалға тиген жерде тығыз плазма жасайды. Лазерлік жарық энергиясын плазмадағы электрондарға береді, олар жарықты сіңіреді. Бұл процестің жылдамдығы толқын ұзындығы мен қарқындылығына байланысты. Shiva-да біз электрондарды өте жоғары энергияға дейін қыздырдық, бірақ нысаналар тиісті нәтиже бермеді. Электрондардың энергиясын нысанаға тиімдірек беру үшін көптеген әрекеттер жасалды, бірақ ешқандай сәттілік болмады. Бұрын лазерлік энергияның сіңуі толқын ұзындығының қысқаруымен пропорционалды екені анықталған, бірақ сол кезде Shiva Nd: шыны лазерінде туындаған ИК сәулесі нысананы имплозиялау үшін жеткілікті болады деп есептелді. Shiva бұл болжамды жоңқаға айналдырды, инфрақызыл жарықпен сәулеленген капсулалар тұтануға немесе пайдаға қол жеткізе алмайтынын көрсетті. Осылайша, Shiva-ның ең маңызды жетістігі оның сәтсіздігінде болды, бұл теріс нәтижеге мысал. ICF зерттеулері "оптикалық жиілік көбейткіші" арқылы кіретін ИК сәулесін шамамен 351 нм толқын ұзындығындағы ультракөк сәулеге айналдыруға көшті, бұл техника сол кезде белгілі болған, бірақ тиімділігі жеткіліксіз болды. 1980 жылы Лазерлік Энергетика зертханасындағы GDL лазері бойынша жүргізілген зерттеулер алғаш рет жиілікті үш еселеудің тиімді әдістерін көрсетті, содан кейін бұл әдіс Shiva-ның мұрагері Novette лазерінде (LLNL-де алғаш рет) қолданылды. Shiva-дан кейінгі барлық лазерлік ICF жүйелері осы техниканы пайдаланды. 1980 жылдың 24 қаңтарында 5,8 балдық жер сілкінісі (екі жер сілкінісінің біріншісі) Ливерморді және ғимаратты соншалықты шайқады, Shiva-ның жұдырық көлеміндегі бұрандаларын қисайтып жіберді; жөндеу жұмыстары жүргізілді және лазер бір айдан кейін қайта іске қосылды. Shiva-да тесіктерді пайдалану арқылы "тұйық режимді" сынақтан өткізуді қоса алғанда, көптеген тәжірибелер жалғасты, одан кейін 1981 жылы құрылс демонтаждалды. Shiva-ның нысаналық камерасы Novette лазерінде қайта пайдаланылды. Shiva-дағы ең жоғары синтездік өнімділік бір оқ атудан 1010-1011 нейтронға дейін болды.
The laser beam generates a dense plasma where it impinges on the target material. The laser light gives up its energy to the electrons in the plasma, which absorb the light. The rate at which that happens depends on the wavelength and the intensity. On Shiva, we were heating up electrons to incredible energies, but the targets were not performing well. We tried a lot of stuff to coax the electrons to transfer more of their energy to the target, with no success. It was earlier realized that laser energy absorption on a surface scaled favorably with reduced wavelength, but it was believed at that time that the IR generated in the Shiva Nd:glass laser would be sufficient for adequately performing target implosions. Shiva proved this assumption wrong, showing that irradiating capsules with infrared light would likely never achieve ignition or gain. Thus Shiva's greatest advance was in its failure, an example of a null result. ICF research turned to using an "optical frequency multiplier" to convert the incoming IR light into the ultraviolet at about 351 nm, a technique that was well known at the time but was not efficient enough to be worthwhile. Research on the GDL laser at the Laboratory for Laser Energetics in 1980 first achieved efficient frequency tripling techniques which were then used next (for the first time at LLNL) on Shiva's successor, the Novette laser. Every laser driven ICF system after Shiva has used this technique. On January 24, 1980, a 5.8 earthquake (the first in a doublet) shook Livermore and the facility enough to shear fist sized bolts off Shiva; repairs were made and the laser was subsequently put back online a month later. Many experiments including testing the "indirect mode" of compression using hohlraums continued at Shiva until its dismantling in 1981. Shiva's target chamber would be reused on the Novette laser. Maximum fusion yield on Shiva was around 1010 to 1011 neutrons per shot.