Nova (laser) - Nova (laser)

Se nedover Novas laserbukt mellom to bredder av bjelkelinjer. De blå boksene inneholder forsterkere og flashtube "pumper", rørene mellom bredden av forsterkere er de romlige filtre.

Nova var en laser med høy kraft som ble bygget ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i 1984 som gjennomførte avanserte inertial inneslutningsfusjonsforsøk (ICF) til det ble demontert i 1999. Nova var det første ICF-eksperimentet bygget med den hensikt å nå "tenning" , en kjedereaksjon av atomfusjon som frigjør en stor mengde energi. Selv om Nova mislyktes i dette målet, definerte dataene den genererte klart problemet som hovedsakelig et resultat av Rayleigh – Taylor ustabilitet , noe som førte til utformingen av National Ignition Facility , Novas etterfølger. Nova genererte også betydelige mengder data om stofffysikk med høy tetthet, uavhengig av mangel på antennelse, noe som er nyttig både i fusjonsmakt og atomvåpenforskning .

Bakgrunn

Inertial confinement fusion (ICF) enheter bruker drivere for raskt å varme de ytre lagene til et mål for å komprimere det. Målet er en liten sfærisk pellet som inneholder noen få milligram fusjonsdrivstoff, typisk en blanding av deuterium og tritium . Laserens varme brenner overflaten av pelleten til et plasma , som eksploderer av overflaten. Den gjenværende delen av målet blir kjørt innover på grunn av Newtons tredje lov , og til slutt kollapser til et lite punkt med meget høy tetthet.


Den raske avblåsingen skaper også en sjokkbølge som beveger seg mot midten av det komprimerte drivstoffet. Når den når midten av drivstoffet og møter støtet fra den andre siden av målet, varmes energien i sjokkbølgen ytterligere og komprimerer det lille volumet rundt det. Hvis temperaturen og tettheten til det lille stedet kan heves høyt nok, vil fusjonsreaksjoner oppstå.

Fusjonsreaksjonene frigjør partikler med høy energi, hvorav noen (hovedsakelig alfa-partikler ) kolliderer med drivstoffet med høy tetthet rundt seg og bremser. Dette varmer opp drivstoffet, og kan potensielt føre til at drivstoffet også gjennomgår fusjon. Gitt de riktige generelle forholdene for det komprimerte drivstoffet - høy nok tetthet og temperatur - kan denne oppvarmingsprosessen føre til en kjedereaksjon , og brenne utover fra sentrum der sjokkbølgen startet reaksjonen. Dette er en tilstand som kalles tenning , som kan føre til at en betydelig del av drivstoffet i målet undergår fusjon, og frigjøring av betydelige mengder energi.

Til dags dato har de fleste ICF-eksperimenter brukt lasere for å varme opp målene. Beregninger viser at energien må leveres raskt for å komprimere kjernen før den demonteres, samt skape en passende sjokkbølge. Energien må også fokuseres ekstremt jevnt over målets ytre overflate for å brenne drivstoffet ned i en symmetrisk kjerne. Selv om andre "drivere" er blitt foreslått, spesielt tunge ioner som kjøres i partikkelakseleratorer , er lasere for tiden de eneste enhetene med riktig kombinasjon av funksjoner.

Historie

LLNLs historie med ICF-programmet starter med fysiker John Nuckolls, som spådde i 1972 at tenning kunne oppnås med laserenergier på omtrent 1 kJ, mens "høy forsterkning" ville kreve energier rundt 1 MJ. Selv om dette høres veldig lite strøm ut sammenlignet med moderne maskiner, var det på det tidspunktet bare utenfor den moderne teknikken , og førte til en rekke programmer for å produsere lasere i dette kraftsortimentet.

Før byggingen av Nova hadde LLNL designet og bygd en serie stadig større lasere som utforsket problemene med grunnleggende ICF-design. LLNL var først og fremst interessert i Nd: glasslaser, som på det tidspunktet var en av de svært få høyeenergilaserdesignene som var kjent. LLNL hadde tidlig bestemt seg for å konsentrere seg om glasslasere, mens andre fasiliteter studerte gasslasere ved bruk av karbondioksid (f.eks. Antares laser , Los Alamos National Laboratory ) eller KrF (f.eks. Nike laser , Naval Research Laboratory ). Å bygge store Nd: glasslasere hadde ikke blitt forsøkt før, og LLNLs tidlige forskning fokuserte først og fremst på hvordan man lager disse enhetene.

Et problem var bjelkenes homogenitet. Selv små variasjoner i intensiteten til bjelkene ville resultere i "selvfokusering" i luft- og glassoptikken i en prosess kjent som Kerr-linsing . Den resulterende strålen inkluderte små "filamenter" med ekstremt høy lysintensitet, så høy at det ville skade glassets optikk på enheten. Dette problemet ble løst i Cyclops-laseren med introduksjonen av den romlige filtreringsteknikken . Cyclops ble fulgt av Argus-laser med større kraft, som utforsket problemene med å kontrollere mer enn en stråle og belyse et mål jevnere. Alt dette arbeidet kulminerte med Shiva-laseren , et bevis-for-konsept-design for et høykraftsystem som inkluderte 20 separate "laserforsterkere" som ble rettet rundt målet for å belyse det.

Det var under eksperimenter med Shiva at et annet alvorlig uventet problem dukket opp. Det infrarøde lyset som ble generert av Nd: -glasslaserne, ble funnet å samvirke veldig sterkt med elektronene i plasmaet som ble opprettet under den første oppvarmingen gjennom prosessen med stimulert Ramanspredning . Denne prosessen, referert til som "varmelektronforvarming", førte bort en stor mengde laserens energi, og fikk også kjernen til målet til å varme før den nådde maksimal kompresjon. Dette betydde at det ble avsatt mye mindre energi i sentrum av sammenbruddet, både på grunn av reduksjonen i implosjonsenergi, så vel som den ytre kraften til den oppvarmede kjernen. Selv om det var kjent at kortere bølgelengder ville redusere dette problemet, hadde det tidligere vært forventet at IR-frekvensene som ble brukt i Shiva, ville være "korte nok". Dette viste seg ikke å være tilfelle.

En løsning på dette problemet ble utforsket i form av effektive frekvensmultiplikatorer , optiske enheter som kombinerer flere fotoner til en av høyere energi, og dermed frekvens. Disse enhetene ble raskt introdusert og testet eksperimentelt på OMEGA-laser og andre, noe som viste seg å være effektive. Selv om prosessen bare er omtrent 50% effektiv, og halvparten av den opprinnelige laserkraften går tapt, kobles det resulterende ultrafiolette lyset mye mer effektivt til målplasmaet og er mye mer effektivt i å kollapse målet til høy tetthet.

Med disse løsningene i hånden bestemte LLNL seg for å bygge en enhet med kraften som trengs for å produsere tenningsforhold. Design startet på slutten av 1970-tallet, og konstruksjonen fulgte kort tid med testbed Novette-laser for å validere den grunnleggende strålelinjen og frekvensmultiplikatoren. Dette var en tid med gjentatte energikriser i USA, og finansiering var ikke vanskelig å finne gitt de store mengder penger som var tilgjengelige for alternativ energi og atomvåpenforskning.

Design

Vedlikehold på Nova målkammer. De forskjellige enhetene peker mot sentrum av kammeret der målene er plassert under eksperimentelle løpeturer. Målene holdes på plass på enden av den hvitfargede "nålen" i enden av armen løper loddrett ned i kammeret.
Nova laser målkammer under justering og første installasjon (ca. begynnelsen av 1980-tallet). Noen av hullene med større diameter har forskjellige måleapparater, som er designet til en standardstørrelse for å passe inn i disse portene, mens andre brukes som bjelkeporter.

I den innledende byggefasen fant Nuckolls en feil i beregningene sine, og en anmeldelse fra oktober 1979 ledet av John Foster jr. For TRW bekreftet at det ikke var noen måte Nova ville oppnå tenning på. Nova-designet ble deretter modifisert til et mindre design som la frekvensomforming til 351 nm lys, noe som ville øke koblingseffektiviteten. Den "nye Nova" dukket opp som et system med ti laserforsterkere, eller strålelinjer . Hver strålelinje besto av en serie Nd: glassforsterkere atskilt med romlige filtre og annen optikk for å rense opp de resulterende bjelkene. Selv om teknikker for å brette bjelkelinjene var kjent så tidlig som Shiva, var de ikke godt utviklet på dette tidspunktet. Nova endte opp med en enkelt brett i oppsettet, og laserbukta som inneholdt strålelinjene var 300 fot (91 m) lang. For den tilfeldige observatøren ser det ut til å inneholde tyve 300 fots (91 m) lange bjelkelinjer, men på grunn av brettet er hver av de ti faktisk nesten 600 fot (180 m) lang med tanke på optisk sti-lengde.

Før avfyringen pumpes først Nd: glassforsterkerne med en serie Xenon-blitzlamper som omgir dem. Noe av lyset som produseres av lampene blir fanget opp i glasset, noe som fører til en populasjonsinversjon som muliggjør forsterkning via stimulert utslipp . Denne prosessen er ganske ineffektiv, og bare rundt 1 til 1,5% av kraften som mates inn i lampene blir faktisk omgjort til laserenergi. For å produsere den typen laserkraft som kreves for Nova, måtte lampene være veldig store, matet strøm fra en stor bank av kondensatorer plassert under laserbrønnen. Blitsen genererer også en stor mengde varme som forvrenger glasset, og det krever tid for lampene og glasset å avkjøles før de kan fyres igjen. Dette begrenser Nova til maksimalt seks skytinger om dagen.

Når den er pumpet og klar for avfyring, mates en liten puls med laserlys inn i strålelinjene. Nd: glasset disker hver ekstra strøm inn i bjelken når den passerer gjennom dem. Etter å ha passert et antall forsterkere, blir "lyspulsen" ryddet opp i et romlig filter før det føres inn i en annen serie forsterkere. På hvert trinn ble ytterligere optikk brukt for å øke diameteren på bjelken og tillate bruk av større og større forsterkerplater. Totalt inneholdt Nova femten forsterkere og fem filtre med økende størrelse i bjelkelinjene, med mulighet for å legge til en ekstra forsterker på det siste trinnet, selv om det ikke er klart om disse ble brukt i praksis.

Derfra passerer alle ti bjelker inn i eksperimentområdet i den ene enden av laserbukta. Her gjenspeiler en serie speil bjelkene til å trenge ned i sentrum av bukta fra alle vinkler. Optiske enheter i noen av stiene bremser bjelkene slik at de alle når sentrum samtidig (i løpet av et picosekund), da noen av bjelkene har lengre stier til sentrum enn andre. Frekvensmultiplikatorer konverterer lyset til grønt og blått (UV) rett før du går inn i "målkammeret". Nova er ordnet slik at eventuelt gjenværende IR eller grønt lys fokuseres kort fra midten av kammeret.

Nova-laseren som helhet var i stand til å levere omtrent 100 kilojouler infrarødt lys ved 1054 nm, eller 40-45 kilojouler med frekvens tredoblet lys ved 351 nm (den tredje harmonikken i Nd: Glass-grunnlinjen ved 1054 nm) i en puls varighet på omtrent 2 til 4 nanosekunder og var således i stand til å produsere en UV-puls i området 16 billion watt.

Fusion i Nova

Forskning på Nova var fokusert på den indirekte stasjonen , der laseren skinner på innsiden av overflaten til en tynn metallfolie, vanligvis laget av gull, bly eller et annet høyt z- metall. Når det varmes opp med laseren, utstråler metallet denne energien som diffuse røntgenstråler , som er mer effektive enn UV ved komprimering av drivstoffpelleten. For å avgi røntgenstråler, må metallet varmes opp til veldig høye temperaturer, noe som bruker en betydelig mengde laserenergi. Så mens kompresjonen er mer effektiv, er den samlede energien som leveres til målet likevel mye mindre. Årsaken til røntgenkonverteringen er ikke å forbedre energiforsyningen, men å "jevne" energiprofilen; siden metallfolien sprer varmen noe, reduseres anisotropiene i den originale laseren kraftig.

Folieskallene , eller hohlraums , er vanligvis dannet som små sylindere med åpen ende, med laseren anordnet til å skinne i de åpne ender i skrå vinkel for å treffe den indre overflaten. For å støtte den indirekte stasjonsforskningen på Nova ble et annet eksperimentelt område bygget "forbi" det viktigste, overfor laserbukta. Systemet ble arrangert for å fokusere alle ti bjelker i to sett med fem hver, som passerte inn i dette andre området og deretter inn i hver ende av målkammeret, og derfra inn i hohlraums.

Forvirrende var den indirekte stasjonstilnærmingen ikke offentlig utbredt før i 1993. Dokumenter fra Nova-tiden publisert i generelle vitenskapsblader og lignende materialer glanset enten over saken, eller antyder at Nova brukte direkte tilnærmingsmetoden, manglet hohlraum.

Fusjon målimplosjon på Nova. Den grønne fargen på målholderen skyldes det resterende laserlyset som bare ble omvendt "halvveis" til UV og stoppet ved grønt. Optikken er arrangert for å fokusere denne lette "korte" målet, og her slår det holderen. En liten mengde IR-lys er også igjen, men dette kan ikke sees i dette fotografiet med synlig lys. Et estimat av implosjonens størrelse kan gjøres ved å sammenligne målholderens størrelse her med bildet over.

Som det hadde skjedd med den tidligere Shiva, klarte ikke Nova å oppfylle forventningene når det gjelder fusjonsproduksjon. Den maksimale fusjon utbytte på NOVA var omtrent 10 13 nøytroner pr skudd. I dette tilfellet ble problemet sporet til ustabiliteter som forårsaket turbulent blanding av drivstoffet under kollaps og forstyrret dannelsen og overføringen av sjokkbølgen. Problemet ble forårsaket av at Nova ikke var i stand til å samsvare med utgangenergien til hver av bjelkelinjene, noe som medførte at forskjellige områder av pelleten fikk forskjellige mengder oppvarming over overflaten. Dette førte til varme flekker på pelleten som ble innprentet i det imploserende plasmaet, så på Rayleigh – Taylor ustabilitet og derved blande plasmaet slik at senteret ikke falt sammen jevnt.

Likevel forble Nova et nyttig instrument selv i sin opprinnelige form, og hovedmålkammeret og bjelkelinjene ble brukt i mange år, selv etter at det ble modifisert som beskrevet nedenfor. En rekke forskjellige teknikker for glatting av bjelkene ble forsøkt i løpet av dens levetid, både for å forbedre Nova så vel som å forstå NIF bedre. Disse eksperimentene bidro betydelig ikke bare til forståelsen av ICF, men også til fysikken med høy tetthet generelt, og til og med utviklingen av galaksen og supernovene .

modifikasjoner

To bjelke

Rett etter ferdigstillelse av Nova ble modifikasjoner gjort for å forbedre den som et eksperimentelt apparat.

Et problem var at forsøkskammeret tok lang tid å gjenopprette for et nytt skudd , lengre enn tiden det trengte å kjøle ned laserne. For å forbedre bruken av laseren ble det bygget et annet eksperimentelt kammer bak originalen, med optikk som kombinerte de ti strålelinjene i to. Nova hadde blitt bygd opp mot de eldre Shiva-bygningene, med de to eksperimentalkamrene rygg mot rygg og bjelkelinjene som strekker seg utover fra sentermålområdene. De to bjelke systemet ble installert ved å føre beamguides og tilhørende optikk gjennom den nå ubrukte Shiva eksperimentelle område og å plassere de mindre forsøks-kammer Shiva strålen bukt.

LMF og Nova Upgrade

Novas delvise suksess kombinert med andre eksperimentelle tall, bedt Department of Energy om å be om et tilpasset militært ICF-anlegg de kalte "Laboratory Microfusion Facility" (LMF) som kunne oppnå fusjonsutbytte mellom 100 og 1000 MJ. Basert på LASNEX datamaskinmodeller ble det estimert at LMF ville kreve en driver på rundt 10 MJ, til tross for kjernefysiske tester som antydet en høyere effekt. Å bygge en slik enhet var innen den moderne teknikken, men det vil være dyrt i størrelsesorden 1 milliard dollar. LLNL returnerte et design med en 5 MJ 350 nm (UV) førerslaser som ville være i stand til å nå omtrent 200 MJ utbytte, noe som var nok til å få tilgang til flertallet av LMF-målene. Programmet ble estimert til å koste rundt $ 600 millioner FY 1989-dollar, og ytterligere $ 250 millioner for å oppgradere det til hele 1000 MJ om nødvendig, og ville vokse til godt over 1 milliard dollar hvis LMF skulle oppfylle alle målene DOE ba om . Andre laboratorier foreslo også egne LMF-design ved bruk av andre teknologier.

Overfor dette enorme prosjektet gjennomførte National Academy of Sciences i 1989/90 en andre gjennomgang av den amerikanske ICF-innsatsen på vegne av den amerikanske kongressen . Rapporten konkluderte med at "vurderer ekstrapoleringene som kreves i målfysikk og førerytelse, samt de sannsynlige kostnadene på 1 milliard dollar, mener komiteen at en LMF [dvs. et lasermikrofusjonsanlegg med utbytte til en gigajoule] er for stort skritt å ta direkte fra det nåværende programmet. " Rapporten deres antydet at det primære målet med programmet på kort sikt skulle være å løse de forskjellige problemene relatert til tenning, og at en fullskala LMF ikke bør forsøkes før disse problemene ble løst. Rapporten var også kritisk til gasslaser-eksperimentene som ble utført på LANL, og foreslo at de, og lignende prosjekter på andre laboratorier, ble henlagt. Rapporten godtok LASNEX-tallene og fortsatte å godkjenne en tilnærming med laserenergi rundt 10 MJ. Likevel var forfatterne klar over potensialet for høyere energikrav, og bemerket "Hvis det viste seg at en 100-MJ-driver var nødvendig for tenning og forsterkning, måtte man revurdere hele tilnærmingen til og begrunnelse for , ICF. "

I juli 1992 svarte LLNL på disse forslagene med Nova Upgrade , som ville gjenbruke størstedelen av det eksisterende Nova-anlegget, sammen med det tilstøtende Shiva-anlegget. Det resulterende systemet ville ha mye lavere effekt enn LMF-konseptet, med en driver på omtrent 1 til 2 MJ. Den nye designen inkluderte en rekke funksjoner som avanserte toppmoderne teknologier i sjåførdelen, inkludert flerpassdesign i hovedforsterkere, og 18 strålelinjer (opp fra 10) som ble delt inn i 288 "bjelker" når de kom inn målområdet for å forbedre enhetens lyshet. Planene ba om installasjon av to hovedbanker med laserstråle-linjer, den ene i det eksisterende Nova-bjelkelinjerommet, og den andre i den eldre Shiva-bygningen ved siden av, og strekker seg gjennom laserbukta og målområdet til et oppgradert Nova-målområde. Laserne ville levere omtrent 500 TW i en 4 ns-puls. Oppgraderingene var forventet å tillate den nye Nova å produsere fusjonsutbytte mellom 2 og 20 MJ. De første estimatene fra 1992 estimerte byggekostnadene rundt $ 400 millioner, og byggingen fant sted fra 1995 til 1999.

Av grunner som ikke er godt registrert i den historiske posten, oppdaterte LLNL senere i 1992 sitt Nova Upgrade-forslag og uttalte at de eksisterende Nova / Shiva-bygningene ikke lenger ville være i stand til å inneholde det nye systemet, og at et nytt bygg omtrent tre ganger så store ville være nødvendig. Fra da av utviklet planene seg til den nåværende nasjonale tenningsfasiliteten .

petawatt

Fra slutten av 1980-tallet ble det utviklet en ny metode for å lage veldig korte, men veldig kraftige laserpulser, kjent som kvitret pulsforsterkning , eller CPA. Fra 1992 modifiserte LLNL-ansatte en av Novas eksisterende armer for å bygge en eksperimentell CPA-laser som produserte opp til 1,25 PW. Det ble kjent som Petawatt , og fungerte til 1999 da Nova ble demontert for å gjøre plass for NIF.

En åpnet A315-forsterker av NOVA-systemet, utlånt 2003 til PHELIX laseranlegg ved GSI-instituttet i Tyskland ; Legg merke til de åttekantede formede laserskiver i midten, bak er et av de to lommelyktene som brukes til å overskride inversjonen av befolkningen

Det grunnleggende forsterkningssystemet som ble brukt i Nova og andre høykraftslasere i sin tid var begrenset med tanke på effekttetthet og pulslengde. Et problem var at forsterkerglasset reagerte over en periode, ikke øyeblikkelig, og veldig korte pulser ville ikke forsterkes sterkt. Et annet problem var at høye effekttettheter førte til samme slags selvfokuserende problemer som hadde forårsaket problemer i tidligere design, men i en slik størrelse at til og med tiltak som romlig filtrering ikke ville være nok, faktisk var tettheten høy nok for å føre til at filament dannes i luften.

CPA unngår begge disse problemene ved å spre laserpulsen i tide. Det gjør dette ved å reflektere en relativt multikromatisk (sammenlignet med de fleste lasere) puls av en serie med to diffraksjonsgitter , som deler dem romlig i forskjellige frekvenser, egentlig det samme som et enkelt prisme gjør med synlig lys. Disse individuelle frekvensene må reise forskjellige avstander når de reflekteres tilbake i strålen, noe som resulterer i at pulsen blir "strukket ut" i tid. Denne lengre puls mates inn i forsterkerne som normalt, som nå har tid til å reagere normalt. Etter forsterkning blir bjelkene sendt inn i et andre par gitter "i revers" for å rekombinere dem til en enkelt kort puls med høy effekt. For å unngå glødetråd eller skade på de optiske elementene plasseres hele enden av strålelinjen i et stort vakuumkammer .

Selv om Petawatt var medvirkende til å fremme det praktiske grunnlaget for konseptet med rask tenningssmelting , var den beslutningen om å gå videre med NIF allerede tatt når den var operativ som et bevis-for-konsept-apparat. Videre arbeid med den raske tenningstilnærmingen fortsetter, og vil potensielt nå et utviklingsnivå langt i forkant av NIF ved HiPER , et eksperimentelt system under utvikling i EU.

"Døden" av Nova

Da Nova ble demontert for å gjøre plass for NIF, ble målkammeret lånt ut til Frankrike for midlertidig bruk under utviklingen av Laser Megajoule , et system som ligner på NIF på mange måter. Dette lånet var kontroversielt, ettersom den eneste andre operative laseren på LLNL den gang, Beamlet (en enkelt eksperimentell strålelinje for NIF), nylig var blitt sendt til Sandia National Laboratory i New Mexico. Dette etterlot LLNL uten stort laseranlegg før NIF startet driften, som da ble estimert til å være 2003 tidligst. Arbeidet med NIF ble ikke erklært formelt avsluttet før 31. mars 2009.

referanser

Bibliografi