Ядролық соққымен жұмыс істейтін лазерлер

Кіріспе

Бөліну фрагменттерінің энергиясымен қоздырылатын лазер

Ядролық қоздырылатын лазер – бұл бөліну фрагменттерінің энергиясымен қоздырылатын лазер. Лазерлік орта уран-235-пен қапталған түтікшеге орналастырылады және ядролық реактордың активтік аймағында жоғары нейтрондық ағынға ұшыратылады. Уранның бөлінуі энергия деңгейлерінің инверсиялық популяциясымен қоздырылған плазманы жасайды, содан кейін лазерлік сәулелену пайда болады. Басқа әдістер, мысалы, He-Ar лазері, энергия көзі ретінде He(n,p)H реакциясын, нейтрондық ағында гелий-3-тің трансмотациясын немесе альфа бөлшектерінің энергиясын қолдануы мүмкін. Бұл технология лазердің кішкентай көлемдерінде жоғары қоздыру жылдамдықтарына қол жеткізуге мүмкіндік береді. Лазерлік ортаның мысалдары:

көмірқышқыл газы
гелий-аргон
гелий-криптон
гелий-ксенон

Даму

Ядролық сорғы лазерлерін зерттеу 1970-ші жылдардың басында басталды, кезде зерттеушілер 110 нм-ден қысқа толқын ұзындығы бар лазер жасауға қол жеткізе алмады, соңғы мақсаты – рентген лазерін құру болатын. Лазер толқын ұзындығы осы деңгейге жеткенде, лазерге өте көп энергия қажет болады, және оны өте қысқа мерзім ішінде жеткізу керек. 1975 жылы Джордж Чаплин мен Лоуэлл Вуд (Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасы) 10 кэВ (0,12 нм) лазерді сорғылау үшін шамамен бір ватт энергия атомға қажет екенін, ал импульс ұзақтығы «10−15 секунд x толқын ұзындығының квадраты (ангстремдермен)» тең болатынын есептеді. Бұл мәселені қолдағы материалдармен шешу мүмкін болмады, сондай-ақ лазер осцилляторы да жұмыс істемеді, сондықтан зерттеулер қозған плазманы пайдаланатын сорғыларды жасауға бағытталды. Алғашқы әрекеттерде плазманы қоздыру үшін жоғары қуатты лазерлер қолданылды, нәтижесінде одан да қуатты лазер жасауға тырысты. Алайда, бұл әдіс қанағаттандырмайтын нәтижелер берді және мақсатқа жетілмеді. Ливермор ғалымдары алғаш рет 1975 жылы энергия көзі ретінде ядролық реакцияны пайдалануды ұсынды. 1980 жылға қарай Ливермор рентген лазері үшін энергия көзі ретінде ядролық бомбалар мен ядролық реакторларды қарастырды. 1980 жылдың 14 қарашасында бомбамен қуаттандырылатын рентген лазерінің алғашқы сынағы сәтті аяқталды. Бастапқыда бомбаны пайдалану, реактормен қуаттандырылатын лазерге қарағанда, күштірек сәуле беруіне байланысты қолдау тапты. Ливермордың зерттеулері негізінен рентген лазерлерін пайдалана отырып, зымыранға қарсы қорғаныс жүйесін құруға бағытталған. Пландастырылған жүйе бойынша, ғарышқа ядролық бомбалар орналастырылып, әр бомба шамамен 50 лазерді қуаттандыруы тиіс болды. Жарылыс кезінде лазерлер бірнеше ондаған келіп жатқан ядролық зымыранды бірден жоюға теориялық мүмкіндік беретін еді. Бұл жоспардың қарсыластары осындай тәсілде көптеген кемшіліктерді тапты және оның қуаты, қашықтығы, дәлдігі, саяси астары және құны сияқты аспектілеріне күмән келтірді. 1985 жылы «Goldstone» деп аталған сынақ кезінде берілген қуаттың күтілгеннен төмен екені анықталды. Лазерді бағыттау әрекеттері де сәтсіз аяқталды. Фьюзиялық лазерлер (реактормен қуаттандырылатын лазерлер) бомбамен қуаттандырылатын лазерлердің сәтті сынақтарынан кейін сынақтарды бастады. Бұл сынақтардың өте қымбат екеніне қарамастан (бір сынаққа шамамен 30 000 доллар), зерттеулер оңайлатылды, өйткені сынақтар күніне бірнеше рет жүргізілуі мүмкін еді және жабдықты қайта пайдалануға болады. 1984 жылы өткізілген сынақта 21 нм-ден төмен толқын ұзындығына қол жеткізілді, бұл ресми рентген лазеріне ең жақын нәтиже болды. (Рентген лазерінің әртүрлі анықтамалары бар, олардың кейбіреулері 10 нм-ден аз толқын ұзындығын талап етеді). Ливермор әдісі ауыр атомдардың сыртқы электрондарын алып тастау арқылы «неонға ұқсас» затты жасауға негізделген. Американдық физикалық қоғамның мәжілісінде жарияланған сынақтың табысы Принстон университетінің экспериментімен бөлісті, ол Ливермордың сынағынан өлшемдері, құны, өлшенген толқын ұзындығы және күшейткіштік жағынан жақсырақ болды. Ядролық сорғы лазерлері саласындағы зерттеулер жалғасып келеді және ол осы саланың алдыңғы шебінде қалып отыр.

Research in nuclear pumped lasers started in the early 1970s when researchers were unable to produce a laser with a wavelength shorter than 110 nm with the end goal of creating an x ray laser. When laser wavelengths become that short the laser requires a huge amount of energy which must also be delivered in an extremely short period of time. In 1975 it was estimated, by George Chapline and Lowell Wood from the Lawrence Livermore National Laboratory, that “pumping a 10 keV (0.12 nm) laser would require around a watt per atom” in a pulse that was “10−15 seconds x the square of the wavelength in angstroms.” As this problem was unsolvable with the materials at hand and a laser oscillator was not working, research moved to creating pumps that used excited plasma. Early attempts used high powered lasers to excite the plasma to create an even more highly powered laser. Results using this method were unsatisfying, and fell short of the goal. Livermore scientists first suggested using a nuclear reaction as a power source in 1975. By 1980 Livermore considered both nuclear bombs and nuclear reactors as viable energy sources for an x ray laser. On November 14, 1980, the first successful test of the bomb powered x ray laser was conducted. The use of a bomb was initially supported over that of the reactor driven laser because it delivered a more intense beam. Livermore's research was almost entirely devoted to missile defense using x ray lasers. The idea was to mount a system of nuclear bombs in space where these bombs would each power approximately 50 lasers. Upon detonation these lasers would fire and theoretically destroy several dozen incoming nuclear missiles at once. Opponents of this plan found many faults in such an approach and questioned aspects such as the power, range, accuracy, politics, and cost of such deployments. In 1985 a test titled ‘Goldstone’ revealed the delivered power to be less than believed. Efforts to focus the laser also failed. Fusion lasers (reactor driven lasers) started testing after the bomb driven lasers proved successful. While prohibitively expensive (estimated at 30,000 dollars per test), research was easier in that tests could be performed several times a day and the equipment could be reused. In 1984, a test achieved wavelengths of less than 21 nm, the closest to an official x ray laser yet. (There are many definitions for an x ray laser, some of which require a wavelength of less than 10 nm). The Livermore method was to remove the outer electrons in heavy atoms to create a “neon like” substance. When presented at an American Physical Society meeting, the success of the test was shared by an experiment from Princeton University which was better in size, cost, measured wavelength, and amplification than Livermore's test. Research has continued in the field of nuclear pumped lasers and it remains on the cutting edge of the field.

Қолданылуы

Бомбамен сорғыланған лазерлердің кем дегенде үш қолданылуы ұсынылған.

Қозғалтқыш

Лазерлік итеру – бұл заттарды орбитаға шығаруға арналған баламалы әдіс, себебі бұл әдіс аз отынды қажет етеді, демек, аз массаны ғарышқа атқару қажет. Ядролық сорғымен жұмыс істейтін лазер осы операция үшін өте қолайлы. Лазерлік итеруді пайдалану үшін жоғары қарқындылық, қысқа импульстар, жақсы сапа және жоғары қуат шығысы қажет. Ядролық сорғымен жұмыс істейтін лазер теориялық тұрғыдан осы талаптарды қанағаттандыра алады.

Өңдеу

Ядролық сорғы лазерінің қасиеттері оны терең кесумен дәнекерлеуге, қалың материалдарды кесуге, металдарды жылулық түрлендіруге, керамиканы булану арқылы жабуға және микроннан кіші өлшемді бөлшектерді өндіруге өте ыңғайлы етеді.

Қару

"Экскалибур" жобасы деп аталатын бұл бағдарлама президент Рейганның стратегиялық қорғаныс жобасының бір бөлігі болды. Ливермор зертханасы бастапқы идеяны ұсынды, ал Эдвард Теллер оны дамытып, президентке таныстырды. Жобаны іске асыруға рұқсат берілді, бірақ Рейган ядролық қаруларды елдің ядролық қаруға қарсы жоспарына енгізуге құлшынбағанын хабарлады. Алғашқы сынақтар үміт бергенмен, нәтижелер қанағаттанарлық деңгейге жетпеді. Кейін жетекші ғалымдар есептерді бұрмалаған деп айыпталды. "Экскалибур" жобасы бірнеше жылдан кейін тоқтатылды.