Láser de Shiva - Shiva laser
El láser Shiva era un potente 20 de haz de infrarrojos de neodimio de vidrio (vidrio de sílice) láser construida en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en 1977 para el estudio de la fusión inercial confinamiento (ICF) y de larga escala de longitud interacciones láser-plasma. Presumiblemente, el dispositivo recibió su nombre de la forma de brazos múltiples del dios hindú Shiva , debido a la estructura de rayos múltiples del láser. Shiva jugó un papel decisivo en la demostración de un problema particular al comprimir objetivos con láseres, lo que llevó a la construcción de un nuevo dispositivo importante para abordar estos problemas, el láser Nova .
Antecedentes
La idea básica de cualquier dispositivo ICF es calentar rápidamente las capas externas de un "objetivo", normalmente una pequeña esfera de plástico que contiene algunos miligramos de combustible de fusión, típicamente una mezcla de deuterio y tritio . El calor quema el plástico en un plasma , que explota en la superficie. Debido a la Tercera Ley de Newton , la porción restante del objetivo es empujada hacia adentro, colapsando eventualmente en un pequeño punto de muy alta densidad. La rápida descarga también crea una onda de choque que viaja hacia el centro del combustible comprimido. Cuando se encuentra en el centro del combustible, la energía de la onda de choque calienta y comprime aún más el diminuto volumen que la rodea. Si la temperatura y la densidad de ese pequeño punto se elevan lo suficiente, se producirán reacciones de fusión.
Las reacciones de fusión liberan partículas de alta energía, que chocan con el combustible de alta densidad a su alrededor y se ralentizan. Esto calienta aún más el combustible y potencialmente puede causar que ese combustible también se fusione. Dadas las condiciones generales adecuadas del combustible comprimido (densidad y temperatura lo suficientemente altas), este proceso de calentamiento puede resultar en una reacción en cadena , quemando hacia afuera desde el centro donde la onda de choque inició la reacción. Esta es una condición conocida como "ignición", que puede llevar a que una parte significativa del combustible en el objetivo se someta a fusión y a la liberación de cantidades significativas de energía.
Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos de ICF han utilizado láseres para calentar los objetivos. Los cálculos muestran que la energía debe entregarse rápidamente para comprimir el núcleo antes de que se desmonte, así como para crear una onda de choque adecuada. Los rayos láser también deben enfocarse uniformemente a través de la superficie exterior del objetivo para colapsar el combustible en un núcleo simétrico. Aunque se han sugerido otros "controladores", los láseres son actualmente los únicos dispositivos con la combinación correcta de funciones.
Descripción
Shiva incorporó muchos de los avances logrados en los láseres Cyclops y Argus anteriores , en particular el uso de amplificadores hechos de placas de vidrio Nd: colocadas en el ángulo de Brewster y el uso de filtros espaciales de vacío largo para "limpiar" los rayos láser resultantes. Estas características han permanecido como parte de todos los láser ICF desde entonces, lo que conduce a largas "líneas de luz". En el caso de Shiva, las líneas de luz tenían unos 30 m de largo.
Antes de disparar, el cristal láser del Shiva fue "bombeado" con luz de una serie de lámparas de destellos de xenón alimentadas con energía de un gran banco de condensadores . Parte de esta luz es absorbida por los átomos de neodimio en el vidrio, elevándolos a un estado excitado y conduciendo a una inversión de población que prepara el medio láser para la amplificación de un rayo láser. Luego, una pequeña cantidad de luz láser, generada externamente, se introdujo en las líneas de luz, atravesó el vidrio y se amplificó a través del proceso de emisión estimulada . Este no es un proceso particularmente eficiente; en total, alrededor de ~ 1% de la electricidad utilizada para alimentar las lámparas termina amplificando el haz en la mayoría de los láseres de vidrio Nd :.
Después de cada módulo amplificador había un filtro espacial , que se usaba para suavizar el haz eliminando cualquier falta de uniformidad o anisotropía de potencia que se hubiera acumulado debido a los efectos de enfoque no lineal del paso de luz intensa a través del aire y el vidrio. El filtro espacial se mantiene al vacío para eliminar la creación de plasma en el foco (agujero de alfiler).
Una vez que la luz pasó a través del amplificador final y el filtro espacial, se usó para experimentos en la cámara objetivo , que se encontraba en un extremo del aparato. Las 20 líneas de luz de Shiva entregaron cada una aproximadamente 500 julios de energía, que en conjunto entregaron un pulso de ~ .5 a 1 nanosegundo de 10.2 kJ de luz infrarroja a una longitud de onda de 1062 nm, o potencias máximas más pequeñas durante tiempos más largos (3 kJ por 3 ns).
El dispositivo completo, incluidos los equipos de prueba y los edificios, costó alrededor de $ 25 millones cuando se completó en 1977 ($ 105 millones en la actualidad).
Shiva y ICF
Nunca se esperó que Shiva alcanzara las condiciones de ignición, y se pensó principalmente como un sistema de prueba de concepto para un dispositivo más grande que lo haría. Incluso antes de que se completara Shiva, el diseño de este sucesor, entonces conocido como Shiva / Nova, estaba muy avanzado. Shiva / Nova emergería como Nova en 1984. Shiva estaba fuertemente instrumentado, y su cámara objetivo utilizaba instrumentos ópticos y de rayos X de alta resolución y alta velocidad para la caracterización de los plasmas creados durante la implosión.
Cuando los experimentos con objetivos comenzaron en Shiva en 1978, la compresión se incrementó hasta aproximadamente 50 a 100 veces la densidad original del hidrógeno líquido, o aproximadamente 3,5 a 7 g / ml. A modo de comparación, el plomo tiene una densidad de aproximadamente 11 g / mL. Si bien es impresionante, este nivel de compresión es demasiado bajo para ser útil en un intento de alcanzar la ignición, y mucho más bajo de lo que las simulaciones habían estimado para el sistema.
Los estudios de las causas de la compresión más baja de la esperada llevaron a la comprensión de que el láser se acoplaba fuertemente con los electrones calientes (~ 50 keV) en el plasma que se formaba cuando las capas externas del objetivo se calentaban, a través de la dispersión raman estimulada . John Holzrichter, director del programa ICF en ese momento, dijo:
El rayo láser genera un plasma denso donde incide en el material objetivo. La luz láser cede su energía a los electrones del plasma, que absorben la luz. La velocidad a la que sucede eso depende de la longitud de onda y la intensidad. En Shiva, estábamos calentando electrones a energías increíbles, pero los objetivos no estaban funcionando bien. Intentamos muchas cosas para convencer a los electrones de que transfirieran más energía al objetivo, sin éxito.
Anteriormente se descubrió que la absorción de energía láser en una superficie se escalaba favorablemente con una longitud de onda reducida, pero en ese momento se creía que el IR generado en el láser Shiva Nd: vidrio sería suficiente para realizar implosiones objetivo de manera adecuada. Shiva demostró que esta suposición era incorrecta, mostrando que irradiar cápsulas con luz infrarroja probablemente nunca lograría la ignición o la ganancia. Así, el mayor avance de Shiva fue su fracaso, un ejemplo de resultado nulo .
La investigación de ICF se centró en el uso de un " multiplicador de frecuencia óptica " para convertir la luz IR entrante en ultravioleta a unos 351 nm, una técnica que era bien conocida en ese momento pero que no era lo suficientemente eficiente como para que valiera la pena. La investigación sobre el láser GDL en el Laboratorio de Energía Láser en 1980 logró por primera vez técnicas eficientes de triplicación de frecuencia que luego se utilizaron a continuación (por primera vez en LLNL) en el sucesor de Shiva, el láser Novette . Todos los sistemas ICF impulsados por láser posteriores a Shiva han utilizado esta técnica.
El 24 de enero de 1980, un terremoto de 5,8 Mw (el primero en un doblete ) sacudió Livermore y la instalación lo suficiente como para cortar pernos del tamaño de un puño de Shiva; se hicieron reparaciones y el láser se volvió a poner en funcionamiento un mes después. Muchos experimentos, incluida la prueba del " modo indirecto " de compresión usando hohlraums, continuaron en Shiva hasta su desmantelamiento en 1981. La cámara objetivo de Shiva se reutilizaría en el láser Novette . El rendimiento máximo de fusión en Shiva fue de alrededor de 10 10 a 10 11 neutrones por disparo.