Лазеры, накачиваемые энергией деления ядер.

Введение

Лазер, накачиваемый энергией осколков деления

Ядерно-накачиваемый лазер – это лазер, накачиваемый энергией осколков деления. Лазерная среда помещена в трубку, облицованную ураном-235, и подвергается воздействию высокого нейтронного потока в активной зоне ядерного реактора. Осколки деления урана создают возбужденную плазму с инверсной населенностью энергетических уровней, которая затем генерирует лазерное излучение. Другие методы, например, He-Ar лазер, могут использовать реакцию He(n,p)H, трансмутацию гелия-3 в нейтронном потоке, в качестве источника энергии, или использовать энергию альфа-частиц. Эта технология позволяет достигать высоких скоростей возбуждения при малых объемах лазера. Некоторые примеры лазерных сред:

диоксид углерода
гелий-аргон
гелий-криптон
гелий-ксенон

Разработка

Исследования в области ядерных лазеров начались в начале 1970-х годов, когда исследователи не смогли создать лазер с длиной волны менее 110 нм с конечной целью разработки рентгеновского лазера. При достижении таких коротких длин волн лазеру требуется огромное количество энергии, которое также необходимо подавать за крайне короткий промежуток времени. В 1975 году Джордж Чаплин и Лоуэлл Вуд из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора оценили, что для накачки лазера мощностью 10 кэВ (0,12 нм) потребуется около одного ватта на атом в импульсе длительностью 10−15 секунд, умноженной на квадрат длины волны в ангстремах. Поскольку эта проблема оказалась неразрешимой с использованием имеющихся материалов, а лазерный генератор не работал, исследования переключились на создание накачек, использующих возбужденную плазму. Первые попытки использовали мощные лазеры для возбуждения плазмы с целью создания еще более мощного лазера. Результаты, полученные этим методом, оказались неудовлетворительными и не достигли поставленной цели. Ученые из Ливермора впервые предложили использовать ядерную реакцию в качестве источника энергии в 1975 году. К 1980 году Ливермор рассматривал как ядерные бомбы, так и ядерные реакторы как потенциальные источники энергии для рентгеновского лазера. 14 ноября 1980 года был проведен первый успешный тест рентгеновского лазера, работающего на ядерном взрыве. Использование бомбы первоначально предпочли лазеру на реакторе из-за более интенсивного излучения. Исследования Ливермора были почти полностью посвящены противоракетной обороне с использованием рентгеновских лазеров. Идея заключалась в размещении в космосе системы ядерных бомб, каждая из которых должна была питать около 50 лазеров. При взрыве эти лазеры должны были выстрелить и теоретически одновременно уничтожить несколько десятков приближающихся ядерных ракет. Противники этого плана обнаружили множество недостатков в таком подходе и ставили под сомнение такие аспекты, как мощность, дальность, точность, политические последствия и стоимость подобных развертываний. В 1985 году тест под названием «Goldstone» показал, что достигнутая мощность была ниже ожидаемой. Попытки сфокусировать лазер также не увенчались успехом. Испытания лазеров с реакторным приводом начались после того, как лазеры на ядерном взрыве показали свою работоспособность. Хотя эти исследования были чрезвычайно дорогими (по оценкам, 30 000 долларов за тест), они были проще в том смысле, что тесты можно было проводить несколько раз в день, а оборудование можно было использовать повторно. В 1984 году в ходе одного из тестов была достигнута длина волны менее 21 нм, что стало самым близким результатом к созданию полноценного рентгеновского лазера. (Существует множество определений рентгеновского лазера, некоторые из которых требуют длины волны менее 10 нм). Метод Ливермора заключался в удалении внешних электронов из тяжелых атомов для создания вещества, подобного неону. На конференции Американского физического общества успех этого теста был представлен вместе с результатами эксперимента, проведенного в Принстонском университете, который превосходил тест Ливермора по размеру, стоимости, измеренной длине волны и усилению. Исследования в области ядерных лазеров продолжаются и остаются на передовом рубеже науки.

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.

Применение

Предложено как минимум три варианта применения лазеров с накачкой взрывчатыми веществами.

Двигатель

Лазерный привод – альтернативный метод двигательной установки, идеально подходящий для вывода объектов на орбиту, поскольку он требует меньшего количества топлива, что означает необходимость запуска меньшей массы. Для этой задачи идеально подходит лазер с ядерной накачкой. Запуск с использованием лазерного привода требует высокой интенсивности, коротких импульсов, хорошего качества и большой выходной мощности. Лазер с ядерной накачкой теоретически способен соответствовать этим требованиям.

Производство

Характеристики ядерно-накачного лазера делают его идеальным для применения в глубокой резке при сварке, резке толстых материалов, термообработке металлов, вакуумном напылении керамики и производстве частиц субмикронного размера.

Оружие

Программа под названием «Проект Экскалибур» являлась частью Стратегической оборонной инициативы президента Рейгана. Изначальная идея была разработана в Ливерморской лаборатории, а Эдвард Теллер доработал её и представил президенту. Получено разрешение на реализацию проекта, хотя сообщалось, что Рейган испытывал нежелание включать ядерные устройства в национальный план противодействия ядерному оружию. Несмотря на то, что первоначальные испытания были обнадеживающими, результаты так и не достигли удовлетворительного уровня. Впоследствии ведущих ученых обвинили в фальсификации отчетов. Через несколько лет «Проект Экскалибур» был закрыт.