Лазер с ядерной накачкой

Лазер с ядерной накачкой — это лазерное устройство, возбуждение активной среды которого происходит за счет ядерного излучения (гамма-кванты, ядерные частицы, продукты ядерных реакций). Длина волны излучения такого устройства может быть от дальнего ИК-диапазона до рентгеновского. Одним из таких лазеров является рентгеновский лазер с ядерной накачкой, основная энергия лазерного излучения которого генерируется в рентгеновском диапазоне электромагнитного излучения. Существующие рентгеновские лазеры приводятся в действие различными способами, основными из которых являются ядерный либо термоядерный взрыв, инверсное излучение возбуждённых плазменных сред, излучение возбуждённых твердотельных сред либо синхротронное излучение пучка электронов при пролёте через область переменного магнитного поля (FEL-лазер).

Типы рентгеновских лазеров

• Рентгеновские лазеры с накачкой от ядерного реактора.
• Рентгеновский лазер с «накачкой» ядерным взрывом

Рентгеновский лазер с возбуждением активной среды с помощью энергии ядерного взрыва является на сегодняшний день одним из наиболее мощных лазерных устройств. (Любой такой современный «взрывной» ядерный лазер — устройство одноразового применения, поскольку при взрыве ядерного заряда оно испаряется. Возможным ключом к решению проблемы создания многоразовых ядерных «взрывных» лазеров могло бы стать использование технологии термоядерных микровзрывов, используемой в настоящее время в современных эксперементальных микровзрывных темоядерных реакторах.)

Области применения

• Космические вооружения (в том числе оружие боевых космических судов и оружие ВКО),
• Противоракетная оборона
• Микроскопия
• Рентгеновская лазерная микроскопия
• Лазерный X-микроскоп

Теория

При создании коротковолновых лазеров необходимо преодолеть принципиальные трудности. Чтобы осуществлялся эффект усиления электромагнитного излучения при его прохождении через активную среду, необходимо, во-первых, большое количество возбужденных атомов, готовых испустить кванты вынужденного излучения, а во-вторых, большая вероятность взаимодействия между квантами и этими атомами, обеспечивающая это вынужденное излучение. Коэффициент усиления излучения составляет: K = s (Nвоз — Nocн), где s — сечение взаимодействия квантов с атомами, Nвоз и Nocн — число атомов в возбужденном и основном состояниях. В условиях термодинамического равновесия Nвоз < Nocн, поэтому поглощение преобладает над вынужденным излучением.

Для получения лазерного эффекта необходимо создать среду с инверсной заселенностью атомов по энергетическим состояниям: Nвоз > Nocн. Кроме этого, из фундаментальных законов квантовой физики следует, что s µ l2. Значит, чем короче длина волны излучения, тем труднее осуществить его квантовое усиление. Поэтому первые такие усилители были созданы в радиодиапазоне (мазеры) в конце 50-х годов. В 60-е годы был построен первый оптический генератор непрерывного действия (гелий-неоновый лазер). Методы нелинейной оптики позволили к середине 70-х годов создать лазеры, работающие в области вакуумного ультрафиолета (возбужденные неоноподобные атомы) около 1000 Ангстрем (СССР). А к концу 70-х стало ясно, что практически осуществима схема лазера с длиной волны около 10-20 Ангстрем, на многозарядных ионах(например ионы селена-74) с возбуждением с помощью мощного лазера оптического диапазона (неодимовый лазер). А для рентгеновского диапазона с длиной волны менее 10 Ангстрем должны быть использованы ядерные переходы, а также эффект Мёссбауэра (излучение квантов в кристаллах без «отдачи» атома, а значит, без смещения частоты излучения вследствие доплер-эффекта).

Для поддержки инверсной заселенности верхних уровней мощность возбуждения должна быть намного больше той, которая рассеивается в виде спонтанного излучения в среде (тепловые потери и др). Как известно, энергия кванта пропорциональна частоте излучения и к, тому же вероятность спонтанного излучения, бесполезно уносящего энергию внешнего источника возбуждения, пропорциональна третьей степени от частоты излучения. Учитывая это, получим, что мощность, необходимая для поддержания инверсной заселенности, W µ n4 µ l-4.Так например для лазеров видимого диапазона с длиной волны около 500 нм, достаточно обеспечить мощность, вводимую в см³ среды около 100-10000 Вт/см³ (лампы-вспышки, хим-е реакции), то для лазера рентгеновского диапазона с длиной волны около 0,5 нм, плотность энергии «накачки» должна быть около 10¹⁰- 10¹⁵Вт/см2 (!). Такой высокий уровень энергий при «накачке» может быть обеспечен только с помощью ядерного взрыва, либо в фокальном пятне мощного импульсного лазера.

История разработки

В 1984 году в США была осуществлена генерация лазерного рентгеновского излучения в газовой среде с использованием в качестве источника накачки мощного двухлучевого оптического лазера «NOVETTA» И «NOVA» (Ливермор,Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса), каждый луч которого имел плотность мощности 5 ґ 10¹³Вт/см²в импульсе длительностью 450 пикосекунд на волне 5320 Ангстрем. В фокусе лазера помещалась мишень — тончайшая пленка размером 0,1 ґ 1,1 см из селена-74 или иттрия.Луч испарял мишень, создавая плазму из неоноподобных ионов этих металлов. Столкновения с электронами в плазме вызывали возбуждение ионов, которое заканчивалось вынужденным излучением на волне 206,3 Ангстрема и 209,6 Ангстрема для селена и 155 A — для ионов иттрия. Достигнутый коффиэциент усиления превысил 100 млрд раз.

В том же году в лаборатории физики плазмы (Принстон, США) с помощью мощного ИК-лазера на молекулах углекислого газа удалось получить лазерный эффект в углеродной плазме на волне 182 Ангстрем. Их лазер накачки имел импульсную мощность около 20 ГВт. Пучок лазера был сфокусирован на площади диаметром около 0,2 мм, что и позволило достичь плотности энергии около 10¹³Вт/см².В этих экспериментах впервые использовалось для увеличения коэффициента лазерного усиления рентгеновское сферическое зеркало, состоящее из чередующихся слоев молибдена толщиной 35 A и кремния толщиной 60 A. Каждый молибденовый слой слабо отражает рентгеновские лучи, но отраженные от последовательных слоев лучи складываются, и вследствие интерференции усиливаются, таким образом коэффициент отражения зеркала нарастает и достигает 62-75 %.

В 1986, полностью ионизовав в фокусе мощного лазера атомы фтора, исследователи получили лазерное излучение с длиной волны 80 Ангстрем. Дальнейшее уменьшение длины волны необходимо для уменьшения угловой расходимости лазерного пучка, и потребует огромных плотностей энергии «накачки», которые можно получить только при ядерном взрыве. Разработки в данном направлении, с целью создания боевого лазера работающего в рентгеновской части спектра велись в США (Ливермор, Э.Теллер). Во время подземных ядерных взрывовв 1983 году (полигон Невада) были проведены оценочные испытания первых рентгеновских лазеров).

В 1983 году было опубликовано первое сообщение об измеренных во время эксперимента параметрах лазерного излучения: длина волны около 14 Ангстрем, длительность импульса Ј 10-9 с, мощность излучения полученная от рентгеновского лазера при атомном взрыве превысила 400 Тераватт (!). Конструкция лазера не была подробно описана, но стало известно, что его рабочим телом были тонкие металлические стержни.

После взрыва ядерного заряда вещество рабочих стержней превращается в полностью ионизованную плазму. Когда температура электронов несколько снижается, и начинается рекомбинация в основном на нижние уровни, происходит излучение в рентгеновской части спектра. Поскольку время высвечивания плазмы измеряется пикосекундами, и облако раскаленной до миллионов градусов плазмы не успевает существенно изменить свою геометрию, то оно сохраняет форму и направление рабочего стержня. Так как зеркал для работы с рентгеновским излучением с длиной волны около 10 A пока еще не существует (см.рентгеновское зеркало), то рентгеновский лазер, вероятно, должен работать без резонатора^{[источник не указан 744 дня]}. Поэтому расходимость пучка будет определяться двумя факторами: дифракцией и геометрией стержня. Точнее говоря, наибольшим значением из них. Принимая малое значение расходимости, получим оптимальную величину диаметра: D = (lL)1/2. Для длин волн около 10-14 Ангстрем и L = 7 м это дает D = 0,1 мм. Даже если в процессе ионизации и рекомбинации вещества его геометрия изменится незначительно, расходимость луча достигает ~ 10⁻⁵рад. Однако более детальный расчет показывает, что к моменту рекомбинации сгусток плазмы может расшириться до 0,8-1 мм, и в этом случае расходимость лазерного луча будет порядка от 10⁻⁴ до 10⁻⁵.

Для поражения межконтинентальной ракеты, то есть для достижения плотностей энергии около 10-20 кДж/см²на расстоянии до 1000 километров при расходимости луча 10-5, в импульсе такого лазера должна быть энергия ~ 10¹⁰Джоулей. При КПД лазера около 8-10 % и при расстоянии стержня от ядерного заряда ~ 1 м мощность заряда должна быть около 10¹⁵Джоулей, или порядка двухсот килотонн тротилового эквивалента. При этом предположительно львиная доля энергии ядерного взрыва пойдет на испарение рабочих стержней (стержня), и сама струна ориентирована к заряду не торцом, а боковой поверхностью. Однако в литературе на эту тему упоминаются заряды значительно меньшей мощности. Возможно использовать не одну, а несколько десятков (около 50-100) параллельно ориентированных стержней наводимых на цель. Возможно также что инженеры попытаются создать концентратор энергии взрыва на одной струне, используя эффект отражения рентгеновских лучей от кристаллов или многослойные рентгеновские зеркала (с высокими характеристиками отражения), и в этой области предвидится значительный успех.

Современные технологии позволяют создавать достаточно компактные рентгеновские лазеры (массой около 1-2 тонны), удобные для вывода на орбиту с помощью баллистических ракет. Компьютерное управление отдельными стержнями позволит поражать одновременно до нескольких десятков целей, или гарантированно поражать одну. Таким образом, из целого ряда публикаций можно заключить, что рентгеновский лазер при соответствующем развитии технологий способен стать одним из основных инструментов в космических вооружениях и системах противоракетной обороны.

В 1995 году в СМИ появилась информация о создании в Обнинске мощной энергетической установки ОКУЯН. Энергетический макет импульсной реакторно-лазерной системы — оптического квантового усилителя с ядерной накачкой (ОКУЯН) — разработан специалистами ГНЦ РФ ФЭИ для экспериментальной демонстрации уникальных мощностных и энергетических качеств Лазеров с ядерной накачкой.

В 2012 году в источнике [1] сообщили о том, что в РФЯЦ-ВНИИТФ (Снежинск) создан газовый лазер с накачкой от ядерного реактора, работающий на атомарном переходе ксенона, с длиной волны 2,03 мкм. Выходная энергия импульса лазерного излучения составила 500 Дж при пиковой мощности 1,3 МВт. Данное устройство самое компактное в пересчете на используемый объем активной газовой среды (удельная энергия лазерного излучения составила 32 Дж/дм3).

Проверить информацию. Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. На странице обсуждения должны быть пояснения.

Литература

• А. М. Василевский, М. А. Кропоткин, В. В. Тихонов. Оптическая электроника. Ленинград,Энергоатомиздат.1990.г. глава 3, стр 77.
• Бушуев В. А., Кузьмин Р. Н. Лазеры рентгеновского диапазона длин волн. — Успехи физических наук, т. 144, вып. 4. 1974
• Рентгеновский лазер. — В мире науки, 1985, № 3
• Н. Г. Басов, И. Г. Лебо, В. Б. Розанов. Физика лазерного термоядерного синтеза. «ЗНАНИЕ»,Москва.1988.г
• А. В. Загидулин, А. В. Бочков, В. В. Мироненко, Г. С. Софиенко 500-джоульный лазер с ядерной накачкой — Письма в ЖТФ, 2012, том 38, вып. 23, с.31-39