1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Вестник РАН
  4. T. 91, № 5, 2021

Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 435-445

МОЩНЫЕ ЛАЗЕРЫ ДЛЯ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ПЛОТНОСТЕЙ ЭНЕРГИИ

С. Г. Гаранин a, *, С. В. Гарнов b, **, А. М. Сергеев c, ***, Е. А. Хазанов c, ****

a Институт лазерно-физических исследований Российского федерального ядерного центра “Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики”
Саров, Россия

b Федеральный исследовательский центр “Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН”
Москва, Россия

c Федеральный исследовательский центр “Институт прикладной физики РАН”
Нижний Новгород, Россия

* E-mail: garanin@vniief.ru
** E-mail: garnov@kapella.gpi.ru
*** E-mail: ams@ufp.appl.sci-nnov.ru
**** E-mail: khazanov@appl.sci-nnov.ru

Поступила в редакцию 13.02.2021
После доработки 18.02.2021
Принята к публикации 03.03.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

В статье рассматриваются основные результаты исследований по лазерной физике и физике высоких плотностей энергии, проведённых учёными академических институтов и предприятий атомной отрасли. Представлены проекты создания перспективной экспериментальной лазерной базы, перечислены направления предстоящих работ.

Ключевые слова: лазерный термоядерный синтез, физика высоких плотностей энергии.

Лазер является уникальным устройством, энергию излучения которого можно сконцентрировать в малом объёме. В результате открывается возможность проведения физических экспериментов в области высоких плотностей энергии. За последние шесть десятилетий, прошедших со времени изобретения лазера [1], выполнен большой объём исследований механизмов взаимодействия лазерного излучения с веществом, изучены свойства высокотемпературной плотной плазмы, обоснованы подходы к использованию лазера для зажигания термоядерного горючего в условиях лаборатории и решения на этой основе проблемы управляемого термоядерного синтеза. Предложены подходы к перспективным экспериментам в области лабораторной астрофизики, физики вакуума, а также в целях изучения поведения веществ в экстремальных состояниях, создания компактных ускорителей.

Для решения этих задач физики-лазерщики создали мощные источники излучения, обеспечивающие его генерацию в диапазоне от рентгеновской до дальней инфракрасной области спектра. Для генерации используются активные среды во всех их агрегатных состояниях, а для накачки применяются различные источники энергии – от диодов до взрыва. Разработаны способы получения лазерного излучения произвольной временно́й формы – от импульсного фемтосекундной длительности до непрерывной генерации.

Существенный вклад в развитие как собственно физики лазеров, так и в проведение с их помощью исследований в области физики высоких плотностей энергии внесли учёные академических институтов и предприятий атомной отрасли нашей страны. При этом значительная часть уникальных результатов получена в ходе их совместных расчётных и экспериментальных исследований.

В 1965 г. по инициативе академиков Ю.Б. Харитона и Н.Г. Басова во ВНИИЭФе начались работы по созданию лазеров с максимально достижимой энергией на базе взрывных фотодиссоционных йодных лазеров (ВФДЛ), в которых для получения инверсии используется излучение фронта ударной волны, генерируемой в инертном газе взрывом взрывчатого вещества. Эксперименты выполнялись большим коллективом исследователей под руководством члена-корреспондента АН СССР С.Б. Кормера. На основе указанного принципа во ВНИИЭФе, в кооперации с Физическим институтом им. П.Н. Лебедева АН СССР и Государственным оптическим институтом им. С.И. Вавилова был реализован лазер мегаджоульного уровня энергии [2]. Параметры его излучения оставались рекордными несколько десятков лет вплоть до запуска в 2009 г. в США установки NIF (National Ignition Facility) с энергией импульса 1.8 МДж [3]. Дальнейшее развитие работ по ВФДЛ, в том числе оптимизация лазерной среды и применение устройства обращения волнового фронта для компенсации оптических неоднородностей, позволило получить практически дифракционную расходимость излучения и сконструировать лазеры с рекордной силой излучения 1014 Дж/ср (1019 Вт/ср) [4].

В начале 1970-х годов под руководством академиков Н.Г. Басова и Ю.Б. Харитона, членов-корреспондентов АН СССР В.Л. Тальрозе и С.Б. Кормера в Советском Союзе началась разработка мощных химических фтор-водородных лазеров. Результатом стало получение излучения с рекордным значением удельной энергии, приходящейся на единицу объёма активной среды, – 240 Дж/л [5], а также создание во ВНИИЭФе совместно c Государственным институтом прикладной химии (ныне Российский научный центр “Прикладная химия”) самого мощного в мире химического лазера с энергией импульса 40 кДж [6].

Важным этапом совместных работ АН СССР и Министерства среднего машиностроения СССР явились исследования по физике мощных химических кислородно-йодных лазеров, стартовавшие во ВНИИЭФе в 1981 г. по инициативе С.Б. Кормера. Совместно с Самарским филиалом ФИАНа в итоге удалось построить стенд непрерывного мультикиловаттного уровня мощности с рекордным уровнем химической эффективности 34% [7].

Ключевое направление физики высоких плотностей энергии – поиск возможностей реализации управляемого термоядерного синтеза (УТС). В его рамках проводятся широкомасштабные расчётные и экспериментальные исследования процессов лазерно-плазменного взаимодействия и поведения вещества в экстремальных состояниях. Специалисты РАН и ГК “Росатом” вносят существенный вклад в эти работы, о чём подробнее будет сказано ниже. Отметим, что для развития исследований в области УТС в России предусмотрена реализация четырёх крупных проектов. Будут построены:

• в РФЯЦ–ВНИИЭФ – мощная лазерная установка мегаджоульного уровня энергии для осуществления зажигания термоядерного горючего в лабораторных условиях (рис. 1а);

Рис. 1.

Создаваемые в России перспективные лазерные системы:

а – установка мегаджоульного уровня энергии, б – экзаваттный комплекс XCEL, в – принципиальная схема канала частотного лазера, г – установка “Эльф”

• в ИПФ РАН – лазерный комплекс XCEL экзаваттного уровня мощности с фемтосекундной длительностью лазерного импульса для исследования поведения вещества при сверхвысоких давлениях и сверхсильных магнитных полях, физики вакуума и создания компактных ускорителей заряженных частиц (рис. 1б);

• в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) ГК “Росатом” – лазерная система “Частота”, которая позволит получать наносекундные лазерные импульсы с частотой следования 10 Гц и энергией порядка 1 кДж, для отработки технологии создания драйвера лазерной термоядерной электростанции (рис. 1в);

• в НИЯУ МИФИ – установка “Эльф” для исследований высоких плотностей энергии и подготовки кадров в области лазерной физики и лазерного термоядерного синтеза (рис. 1г).

Исследования физики термоядерной плазмы. В земных условиях эффективное горение термоядерного горючего впервые было продемонстрировано в начале 1950-х годов при испытании термоядерного оружия. Ещё раньше, в 1950 г., А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм выдвинули идею удержания и термоизоляции плазмы с помощью магнитного поля, после чего стали интенсивно развиваться исследования по управляемому термоядерному синтезу на основе схем с магнитным удержанием плазмы.

Изобретение лазера в начале 1960-х годов инициировало предложения по его использованию для зажигания термоядерного горючего в лабораторных условиях. В СССР такие предложения практически одновременно независимо одно от другого были сформулированы в ФИАНе и ВНИИЭФе. По воспоминаниям коллег академика А.Д. Сахарова [8], на семинаре во ВНИИЭФе он предложил эллиптическую схему лазерного облучения маленькой оболочки, содержащей термоядерное топливо. Это предложение не было опубликовано, а первой опубликованной работой по использованию лазера для нагрева термоядерной смеси стала статья академиков Н.Г. Басова и О.Н. Крохина [9]. Несколько позже была опубликована статья их американских коллег [10].

Эти идеи дали старт созданию в нашей стране и за рубежом семейства лазерных установок для исследования физики термоядерной плазмы и возможности зажигания с помощью лазера термоядерного горючего. В нашей стране эти эксперименты проводились на установках “Дельфин” [11], “Кальмар” [12] (обе – ФИАН), “УМИ-35” [13] (ИОФАН), “Искра-4” [14] и “Искра-5” [15] (ВНИИЭФ), “Прогресс” [16] (ГОИ), “Сокол” [17] (ВНИИТФ). Работами руководили выдающие советские учёные Н.Г. Басов, Ю.Б. Харитон, С.Б. Кормер, О.Н. Крохин, Г.А. Кириллов, А.А. Мак.

К концу 1990-х годов ведущими мировыми лабораториями были получены принципиальные результаты, демонстрирующие возможность достижения отдельных параметров, необходимых для зажигания лазерной микромишени: получено ≥ 1014 DT-нейтронов за импульс [18]; осуществлено близкое к сферически-симметричному объёмное сжатие дейтерий-тритиевого газа в 103– 104 раз [19–21]; при объёмных сжатиях ≤103 реализован нагрев дейтерий-тритиевой плазмы до температур 5–7 кэВ [18–21]. Также были выполнены расчётные и экспериментальные исследования по обоснованию облика самого лазера-драйвера.

Вопрос об эффективности поглощения лазерного излучения – один из основных в использовании лазеров для сжатия лазерных мишеней. При высоких интенсивностях (I ≥ 1014–1015 Вт/см2), необходимых для получения требуемого давления, разгоняющего сферическую оболочку, взаимодействие лазерного излучения с плазмой носит нелинейный характер. Возрастает роль плазменных неустойчивостей, приводящих, с одной стороны, к снижению энерговклада лазерной энергии в мишень, а с другой – к генерации быстрых заряженных частиц, которые, имея большой пробег, прогревают дейтерий-тритиевую плазму и снижают эффективность сжатия.

Эти явления исследовались на многих установках в нашей стране и за рубежом, в результате были созданы физические модели, убедительно описывающие совокупность экспериментальных данных. Отметим, что такие модели опираются на теоретические исследования специалистов академических институтов, в первую очередь ФИАНа [22].

На установке “Искра-4” при облучении сферических микромишеней экспериментально изучены коэффициент поглощения и доля энергии лазерного излучения на поверхности мишени, переданная быстрым ионам. Полученные данные подтвердили, что при Iλ2 ≈ (5 × × 1014—5 × 1015) Вт/см2мкм2 наблюдается снижение коэффициента поглощения лазерного излучения мишенью и до 40% энергии передаётся быстрым ионам.

Ещё одна важная задача, требующая решения для осуществления лазерного термоядерного синтеза (ЛТС), – обеспечение режима высокооднородного сферически симметричного обжатия лазерной мишени. Эксперименты по исследованию влияния асимметрии на динамику сжатия были выполнены во ВНИИЭФе на 12-канальной установке “Искра-5” мощностью 120 ТВт на базе фотодиссоционного йодного лазера. В момент запуска в 1989 г. она уступала по мощности только установке Nova (США) [23].

На первом этапе проведены экспериментальные и расчётные исследования конструкции бокса-конвертера излучения, обеспечивающего наибольшую однородность облучения центральной капсулы [24]. Использовались мишени непрямого облучения, состоящие из медного бокса диаметром от 2 до 4 мм, в центре которого помещалась стеклянная капсула диаметром от 270 до 900 мкм. Показано, что при соотношении радиусов бокса и капсулы в диапазоне 5–10 раз достигалась неоднородность рентгеновского потока на поверхности капсулы <3%. При этом эффективная температура рентгеновского излучения (РИ) в боксе доходила до 170 эВ, а нейтронный выход из мишеней в DD-нейтронах – до 1010 за импульс, не обнаруживая существенных отклонений от одномерного поведения вплоть до объёмных сжатий ≈2 × 103 [25]. При бо́льших степенях сжатия снижение нейтронного выхода по отношению к сферически-симметричному случаю было объяснено влиянием турбулентного перемешивания. Исследование влияния крупномасштабной асимметрии на сжатие и генерацию нейтронного выхода [26] показало хорошее соответствие экспериментальных результатов с двумерными газодинамическими расчётами на основе методики МИМОЗА-НД [27].

Таким образом, комплекс экспериментальных и расчётных работ, проведённых к началу XXI в., позволил уточнить формулировки требований к облику установки для реализации зажигания термоядерного топлива [3, 28, 29]. Одновременно была продемонстрирована готовность всех необходимых технологий для осуществления таких проектов. Теперь в повестке дня стояла задача создания многоканальных (до ∼200 каналов) лазерных систем на неодимовом фосфатном стекле с энергией в несколько мегаджоулей, преобразованием излучения во вторую или третью гармонику, профилированной формой импульса и неоднородностью облучения дейтерий-тритиевой мишени менее 1–2%.

В России для отработки основных технических решений такого проекта в 2001 г. была введена в эксплуатацию четырёхканальная установка на неодимовом стекле “Луч” [30], на которой в уменьшенной световой апертуре пучка (18.5 × × 18.5 см) получена энергия 3.3 кДж с канала, управляемая временна́я форма лазерного импульса и обеспечена повторяемость энергетических и временны́х параметров излучения на выходе усилительного канала на уровне менее 5%. При этом пространственная неоднородность пучка по интенсивности составила <20% при расходимости излучения ≈4.5 × 10–5 радиан и при числе Штреля ~0.4 (рис. 2). Для обеспечения высокой однородности излучения разработаны и введены в строй стационарные устройства гомогенизации пучка (фазовые пластины и линзовые растры). На мишенях достигнута неоднородность огибающей распределения интенсивности пучка менее 5%. Для устранения высокочастотной пространственной модуляции в пятне фокусировки применён задающий генератор с шириной спектра излучения 1 ТГц и оптоволоконным сглаживанием, позволивший уменьшить среднеквадратичное отклонение распределения интенсивности до 1–2% с учётом пространственных масштабов <30 мкм.

Рис. 2.

Установка “Луч”

Другим направлением исследований, проводимых на установке, стало совершенствование комплексов диагностики параметров лазерного, рентгеновского и корпускулярного излучений. Общая стратегия сводилась к развитию методов регистрации быстропротекающих процессов, в том числе с учётом влияния многочисленных помех.

Не менее важная цель экспериментов – моделирование физических явлений в высокотемпературной плотной лазерной плазме и экспериментальная отработка перспективных конструкций мишеней. На установке “Луч” мишени облучались с целью исследования экстремальных состояний вещества; тестирования программ радиационной газовой динамики; пополнения баз данных в части уравнения состояния материалов; исследования явлений откола и физики прочности, в том числе имея в виду такую важную для землян проблему, как предотвращение астероидной опасности.

Ещё одно направление работ на установке “Луч” – исследование сжимаемости материалов (таких экспериментов проводится более 100 в год). Оценивается ударная и безударная сжимаемость и разгрузка широкого спектра материалов (конденсированные, пористые, оптически прозрачные) [31]. Разработаны новые конструкции мишеней, которые позволяют исследователям продвинуться в мультимегабарный (до 100 Мбар) диапазон давлений. В этих целях используются материалы, полученные средствами магнетронного напыления и из механически изготовленных, но сохраняющих свою внутреннюю структуру образцов фольги. В экспериментах 2020 г. продемонстрирован существенный потенциал применения малоплотной пены для повышения давления за фронтом ударной волны. При умеренной интенсивности излучения I ≤ 1.5 × 1013 Вт/см2 достигнута скорость ударной волны в алюминии более 40 км/с (рис. 3).

Рис. 3.

Постановка экспериментов по гидродинамическому увеличению давления в мишенной конструкции:

а – на основе малоплотного аблятора, б – результаты диагностики предварительного разогрева конструкции, в – результаты диагностики регистрируемой скорости ударной волны, времени выхода и светимости материалов мишени

В последние годы проведён обширный цикл работ по моделированию (на основе принципа подобия) процессов взрывного разрушения крупных космических объектов – астероидов [32]. Предложен вариант воспроизведения разрушительного воздействия ядерного взрыва с помощью фокусировки мощного импульсного лазерного излучения на мини-макеты, имитирующие реальные небесные тела. С целью определения удельной энергии воздействия на космическое тело выполнены детальные расчёты, учитывающие широкий спектр процессов. При варьировании энергий воздействия порядка нескольких мегатонн для ядерного взрыва и нескольких сотен джоулей для лазерного импульса удалось достигнуть одинаковых по амплитуде и подобных по времени профилей давления в ударно-волновой фазе разрушения астероида и его макета. При разнице в 12–14 порядков по объёму и массе поправочный коэффициент в критерии энергетического подобия составил k = 1/2 (удельная энергия ядерного взрыва в 2 раза меньше, чем при применении лазера). В макетах обеспечено их подобие составу, микро- и макроструктуре, прочностным характеристикам реальных объектов. Для натурных испытаний использовались и образцы метеоритов. В экспериментах применялись хондритные каменные, железные и ледяные образцы. В широком спектре размеров и форм получены данные по необходимой удельной энергии, которая должна быть доставлена к космическому объекту.

Российский проект установки мегаджоульного уровня энергии. Фактически установка “Луч” стала полигоном для отработки основных узлов будущей установки нового поколения и позволила уточнить её параметры. Эти работы начались в 2012 г., и с учётом их масштабности и сложности удалось сформировать широкую кооперацию с участием ведущих организаций ГК “Росатом”, РАН, оптической и электронной промышленности. После доработки проекта была увеличена до ≈40 см световая апертура лазерного канала, а их количество доведено до 192. Изменена геометрия облучения мишени. Эти усовершенствования позволили существенно увеличить энергию лазерного излучения на выходе установки и в камере взаимодействия, повысить однородность облучения капсулы с дейтерий-тритиевым топливом.

Существенное отличие проектируемой установки от её аналогов в США и Франции – наличие двух камер взаимодействия: основной сферической диаметром 10 м, которая будет работать со всеми пучками, и вспомогательной камеры многофункционального исследовательского комплекса (МИК), работающей с 16 лазерными каналами при энергии излучения около 200 кДж. Камера оснащена генераторами магнитного поля. Для проведения входного контроля оптических элементов, систем высоковольтной электроники, систем автоматического управления в 2014 г. введён в эксплуатацию современный испытательный комплекс, обеспечивающий сквозной контроль и аттестацию всех составных частей установки. Запущено прецизионное производство мишеней, в том числе термоядерных (рис. 4, 5).

Рис. 4.

Широкоапертурный интерферометр фазового сдвига, класс точности – λ/1000.

Совместная разработка ИПФ РАН и РФЯЦ–ВНИИЭФ

Рис. 5.

Мишень непрямого облучения криогенного типа:

а – общий вид, б – вид центральной капсулы с дейтерий-тритиевым топливом внутри бокса-конвертора

Разработка высокоточных инструментов диагностики также в числе важных направлений исследований. В частности, теневая фазовая интерферометрия плазменных объектов, обладающая высоким временны́м (несколько фс) и пространственным (несколько мкм) разрешением, позволяет диагностировать динамику сложных 3D плазменных объектов в режиме многокадровой съёмки. Одновременно активно применяются интерферометрические методика ВИЗАР [33] и оптогетеродинная многоканальная методика PDV [34], обеспечившие регистрацию динамических процессов в лазерных мишенях с погрешностью измерений скорости менее 1%. Разработаны комплексы для измерения энергетических, спектральных и временны́х параметров рентгеновского поля, а также параметров разлёта частиц, получаемых в термоядерных реакциях.

В конце 2020 г. здание для размещения установки введено в эксплуатацию. Осуществлён монтаж стапеля, на котором монтируются лазерные модули. Вакуумные камеры взаимодействия установлены на место эксплуатации. Введён в опытную эксплуатацию первый восьмиканальный модуль, на котором начаты эксперименты (рис. 6).

Рис. 6.

Монтаж сферической вакуумной камеры диаметром 10 м (а), многофункциональная камера МИК (б)

Установки с ультракороткой длительностью излучения. В последние годы наблюдается стремительный прогресс в создании твёрдотельных лазерных систем с импульсами фемтосекундной длительности. В ведущих лазерных лабораториях созданы установки субпетаваттного и петаваттного уровней мощности [35]. При таких уровнях мощности в сфокусированном пучке достигается интенсивность до 1022 Вт/см2, что на четыре порядка больше релятивистской интенсивности – интенсивности при которой энергия колебания электронов в поле световой волны оказывается близкой к энергии покоя. Такие релятивистские условия невозможно реализовать в лабораториях другими способами.

Появление нового инструмента способствовало развитию ряда исследовательских направлений. В их числе генерация быстрых электронов и ионов, включая генерацию протонных пучков; генерация жёсткого рентгеновского излучения, инициирование ядерных реакций и др. Различные научные группы проводят теоретические и экспериментальные исследования с целью определения возможности “быстрого” зажигания термоядерной мишени при одновременном воздействии лазерного излучения наносекундной и фемтосекундной длительности.

Основу короткоимпульсных систем составляет задающий генератор. Он создаёт лазерный импульс фемтосекундной длительности, энергия которого не превышает нескольких наноджоулей. Усилительная схема строится на основе растяжения импульса с использованием дифракционных решёток до наносекундной длительности, усиления и последующей компрессии к исходной форме (при условии сохранения спектральной формы излучения при усилении) [36]. В ИПФ РАН в целях усиления излучения предложен способ параметрического преобразования света для создания комплексов такой импульсной мощности [37]. Импульс излучения усиливается в нелинейном анизотропном кристалле за счёт перекачки энергии из волны накачки – в результате генерируется также холостая волна. Перекачка происходит в соответствии с условиями синхронизма в трёхволновом взаимодействии.

Создано два комплекса петаваттного уровня мощности: “Фемта” (Саров) и “Pearl” (Нижний Новгород) [38] (рис. 7). К настоящему времени на этих установках выполнен большой объём работ. В частности, в Институте прикладной физики РАН получены результаты по сверхкомпрессии лазерного импульса ультракороткой длительности. Для этого могут применяться методы обогащения спектра, в том числе и на финальной стадии, после компрессии излучения [39]. В ИПФ РАН для этого впервые применена тонкая кварцевая пластина (3 мм), нагружаемая лазерным полем мощностью 250 ТВт. Из-за фазовой самомодуляции в стекле и последующего отражения от дисперсионных зеркал получено 5-кратное укорочение импульса (с 70 до 14 пс) при минимальных потерях энергии (несколько процентов) [40].

Рис. 7.

Установка Pearl

Примером последних работ на установке “Pearl” служат исследования плазменных течений в сильном магнитном поле с целью моделирования ряда астрофизических процессов [41]. Для формирования плазмы использовалось сфокусированное на мишени излучение наносекундной длительности. Импульсное (несколько миллисекунд) магнитное поле амплитудой в десятки тесла формировалось токопроводящими катушками Гельмгольца. Динамика движения плазмы регистрировалась интерферометрическим способом с использованием импульсного излучения фемтосекундной длительности, что позволяло осуществлять диагностическую съёмку с минимальной временно́й экспозицией и высоким пространственным разрешением. Проведено исследование разных этапов взаимодействия с полем: первого, когда газодинамическое давление превышает магнитное, второго, когда давления примерно равны – это время развития неустойчивостей на границе области плазмы, и третьего, когда плазма вытесняется магнитным полем и формируется плоская геометрия течения плазмы, ориентированного продольно линиям поля (рис. 8).

Рис. 8.

Геометрия эксперимента (а), структура магнитно-ориентированного плазменного течения (б)

Результаты работ по созданию петаваттных лазерных комплексов в Сарове и Нижнем Новгороде были положены в основу проекта самого мощного в мире субэкзаваттного лазера XCELS, который включён Правительством РФ в число проектов класса мегасайенс, планируемых к реализации в текущем десятилетии. Установка будет иметь интенсивность облучения >1025 Вт/см2. Научная программа предстоящих работ весьма амбициозна, её перспективная повестка включает:

• создание сверхъярких источников в рентгеновском и гамма-диапазонах;

• создание компактных ускорителей электронов (до 100 ГэВ) и ионов (10 ГэВ);

• исследования экстремальных состояний вещества в ультрарелятивистских полях;

• моделирование астрофизических и ранних космологических явлений;

• создание электромагнитных источников аттосекундной и субаттосекундной длительности;

• получение источника излучения с пиковой мощностью более 1 ЭВт;

• исследование пространственно-временно́й структуры вакуума;

• создание вещества и антивещества;

• возбуждение и диагностика внутриядерных процессов.

Перспективы работ. Локомотивом развития лазерных технологий с момента изобретения служила идея постройки на их основе лазерной термоядерной или гибридной электростанции. Важный шаг в этом направлении – создание установки, обеспечивающей одновременно высокую энергию излучения и частоту повторения импульсов. В настоящее время в мире разрабатываются проекты твердотельных лазерных систем с энергией импульса от 1 до 10 кДж в канале и частотой 10–20 Гц [42], однако экспериментально достигнутые уровни энергии существенно ниже [43], а существующие установки с требуемыми энергиями импульсов не могут функционировать в частотном режиме.

Развитие технологий диодной накачки, криогенного охлаждения усилителей и адаптивного управления формой волнового фронта позволяет на основе новых физических принципов и конструкторских решений создать уже сегодня импульсно-периодический лазер требуемого класса. С этой целью “Росатом” в 2019 г. приступил к разработке установки для решения перспективных задач термоядерной/гибридной энергетики. Программа работ предполагает развитие ключевых технологий частотного канала, отработки концепции его построения и создание инфраструктуры. Проект реализуется на базе российских технологий и стимулирует развитие ряда сопряжённых программ. Разрабатываются системы, способные функционировать в частотном режиме с высокой средней мощностью лазерного излучения, в их числе широкоапертурная ячейка Поккельса, вакуумный пространственный фильтр, адаптивная система, устройства фазировки излучения каналов. Проводятся исследования в интересах технологий создания источников диодной накачки с повышенной мощностью, керамических активных элементов Yb:YAG высокого оптического качества и большого размера, систем криогенного охлаждения активных элементов. В настоящее время проходит этап макетирования дискового усилителя – конструктивно главного и наиболее технически сложного элемента канала частотной установки. Проведены испытания системы диодной накачки и образцов активных сред из Yb:YAG-керамики.

Нельзя не упомянуть, что в перечень важнейших направлений работ входит подготовка квалифицированных кадров в области лазерно-физических исследований. Для решения этой задачи на базе НИЯУ–МИФИ с участием РФЯЦ–ВНИИЭФ, ИОФ РАН и ИПФ РАН активно реализуется новый проект по созданию лазерного центра “Эльф” [44]. В его установке используется оригинальная концепция последовательного усиления в режиме сильного насыщения, которая обещает существенное увеличение эффективности генерации энергии – на выходе двухканальной усилительной установки энергия составит 7 кДж/канал при апертуре пучка 22 см и длительности импульса излучения в единицы наносекунд. Одновременно, как показывают расчётные исследования, ожидается более чем двукратное улучшение (относительно систем с аналогичной плотностью энергии) качества излучения в ближней и дальней зонах. На установке впервые в современной практике будет реализована концепция нано-, пико- и фемтосекундных опций по длительности импульсного излучения одновременно.

* * *

Созданная в России лазерная стендовая база уникальна. ГК “Росатом” и РАН проводят масштабные работы по созданию современных лазерных установок. Координация усилий для решения перспективных задач обеспечила реализацию амбициозных проектов совместных фундаментальных и прикладных исследований. На их основе проводится подготовка высококвалифицированных специалистов в области лазерных технологий, физике плазмы и экстремального состояния вещества. Интенсивно развивается научно-исследовательская база вузов.

Ввод российских установок класса мегасайенс в эксплуатацию потенциально обеспечит возможность моделирования всех актуальных задач физики и термоядерной энергетики. Сопоставление полученной экспериментально информации с результатами расчётов по существующим и модернизированным программам позволит оценить полноту физических моделей, на которых базируются расчётные методики, и точность математических алгоритмов и программ, их реализующих.

Список литературы

  1. Townes Ch.H. A Century of Nature: Twenty-One Discoveries that Changed Science and the World. Chicago: University of Chicago Press, 2003.

  2. Зуев В.С. Фотодиссоционный лазер с накачкой ударной и тепловой волнами. М.: ФИАН, 1990.

  3. Moses E.I., Wuest C.R. The National Ignition Facility: Laser Performance and First Experiments // Fusion Science and Technology. 2005. V. 47(3). P. 314–322.

  4. Кормер С.Б., Кочемасов Г.Г., Куликов С.М. и др. Применение нелинейных процессов для формирования субнаносекундных высококонтрастных лазерных импульсов // ЖЭТФ. 1982. Т. 82. № 4. С. 1079–1091.

  5. Борисов В.П., Бурцев В.В., Великанов С.Д. и др. Импульсный химический лазер с инициированием реакции мощными световыми источниками // Квантовая электроника. 1996. Т. 23. № 4. С. 323–325.

  6. Кириллов Г.А. Пособие по физике лазеров. Саров: Изд-во РФЯЦ–ВНИИЭФ, 2016.

  7. Адаменков А.А., Бакшин В.В., Богачёв А.В. и др. Стенд для изучения перспектив промышленного применения кислородно-йодного лазера // Квантовая электроника. 2007. Т. 37. № 7. С. 601–602.

  8. Попов Н.А. АДС и ЛТС // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Математическое моделирование физических процессов. 1992. Вып. 4. С. 53–54.

  9. Басов Н.Г., Крохин О.Н. Условия разогрева плазмы излучением оптического генератора // ЖЭТФ. 1964. Т. 46. № 1. С. 171–175.

  10. Nuckols J., Wood L., Thiessen A., Zimmerman G. Laser Compression of Matter to Super-High Densities: Thermonuclear (CTR) Applications // Nature. 1972. V. 239. P. 139–142.

  11. Басов Н.Г., Данилов А.Е., Круглов Б.В. и др. Запуск лазерной термоядерной установки “Дельфин-1” // Квантовая электроника. 1982. Т. 9. № 2. С. 395–398.

  12. Басов Н.Г., Крохин О.Н., Склизков Г.В. Мощная лазерная установка и исследование эффективности высокотемпературного нагрева плазмы // ЖЭТФ. 1972. Т. 62. № 1. С. 203–212.

  13. Aver'yanov K.P., Avilov Yu.S., Aleksandrov V.V. et al. UMI-35 laser device for the researches in the controlled thermonuclear fusion // Proceedings of the XII ECLIM, 20, 1978.

  14. Кормер С.Б. Фотодиссоционные лазеры для управляемого термоядерного синтеза // Изв. АН СССР: сер. физ. 1980. № 10. С. 2002–2017.

  15. Анненков В.И., Багрецов В.А., Безуглов В.Г. и др. Импульсный лазер мощностью 120 ТВт “Искра-5” // Квантовая электроника. 1991. Т. 18. № 5. С. 536–537.

  16. Андреев А.А., Анучин M.Г., Бородин В.Г. и др. Результаты ЛТС-экспериментов на установке “Прогресс” и их интерпретация // ЖЭТФ. 1989. Т. 95. № 2. С. 528–535.

  17. Воленко В.В., Зуев А.И., Иванов А.Ф. и др. Рентгеновские изображения стеклянных газонаполненных микросфер, облучаемых на лазерной установке “Сокол” // Квантовая электроника. 1983. Т. 10. № 11. С. 2350–2352.

  18. Initial Target Experiments on the Upgraded OMEGA Laser System // LLE Review, Quarterly Report. 1996. V. 64. P. 145–154.

  19. Marshall F.J., Delettrez J.A., Epstein R. et al. Direct-drive high-convergence-ratio implosion studies on the OMEGA laser system // Physics of Plasmas. 2000. V. 7(5). P. 2108–2113.

  20. Cable M.D., Hatchett S.P., Caird J.A. et al. Indirectly Driven, High Convergence Inertial Confinement Fusion Implosions // Physical Review Letters. 1994. V. 43. P. 2316–2319.

  21. Kochemasov G.G. Laser Interaction with Matter // Proceedings of the XXIII ECLIM, 17, 1994.

  22. Силин В.П. Поглощение излучения турбулентной лазерной плазмой // УФН. 1995. Т. 145. С. 225–253.

  23. Campbell E.M., Hant J.T., Bliss E.S. et al. Nova experimental facility // Review of Scientific Instruments. 1986. V. 57. P. 2101–2106.

  24. Абзаев Ф.М., Бельков С.А., Бессараб А.В. и др. Сжатие и нагрев сферических термоядерных мишеней при непрямом (рентгеновском) облучении на установке “Искра-5” // ЖЭТФ. 1998. Т. 114. № 1(7). С. 155–170.

  25. Il’kaev R.I., Fortov V.E. The Application of Lasers to Study Extreme States of Matter // Herald of the RAS. 2011. № 3. Р. 218–222; Илькаев Р.И., Фортов В.Е. Применение лазеров для изучения экстремальных состояний вещества // Вестник РАН. 2011. № 6. С. 509–513.

  26. Bel'kov S.A., Bessarab A.V., Gaigash V.A. et al. Study of the shell’s large-scale asymmetry influence on the target dynamics using the ISKRA-5 facility // Laser and Particle Beams. 1999. V. 17(3). P. 385–390.

  27. Софронов И.Д., Бельков С.А., Винокуров О.А. и др. Методика расчёта спектрального переноса излучения в двумерном комплексе МИМОЗА-НД // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Математическое моделирование физических процессов. 2000. Вып. 1. С. 8–15.

  28. Ebrardt J., Chaput J.M. LMJ project status // Journal of Physics: Conference Series. 2008. V. 112 (3). P. 032005–4.

  29. Galakhov I.V., Garanin S.G., Eroshenko V.A. et al. Concept of the Iskra-6 Nd-laser facility // Fusion Engineering and Design. 1999. V. 44. P. 51–56.

  30. Гаранин С.Г., Зарецкий А.И., Илькаев Р.И. и др. Канал мощной установки “Луч” для ЛТС с энергией импульса 3.3 кДж и длительностью 4 нс // Квантовая электроника. 2005. Т. 35. № 4. Р. 299–301.

  31. Bel’kov S.A., Derkach V.N., Garanin S.G. et al. Isentropic expansion of copper plasma in Mbar pressure range at “Luch” laser facility // Journal of Applied Physics. 2014. V. 115(3). P. 033506–7.

  32. Аристова Е.Ю., Аушев А.А., Баранов В.К. и др. Лазерное моделирование разрушительного воздействия ядерных взрывов на опасные астероиды // ЖЭТФ. 2018. Т. 153. № 1. Р. 157–172.

  33. Celliers P.M., Bradley D.K., Collins G.W., Hicks D.G. Line-imaging velocimeter for shock diagnostics at the OMEGA laser facility // Review of Scientific Instruments. 2004. V/ 75 (11). P. 4916–4929.

  34. Strand O., Goosman D., Martinez C. et al. Compact system for high-speed velocimetry using heterodyne techniques // Review of Scientific Instruments. 2006. V. 77 (8). P. 083108–8.

  35. Danson C., Hiller D., Hopps N., Neely D. Petawatt class lasers worldwide // High Power Laser Science and Engineering. 2015. V.3(3). P. 1–14.

  36. Strickland D., Mourou G. Compression of amplified chirped optical pulses // Optics Communications. 1985. V. 56(3). P. 219–221.

  37. Зуев А.С., Гинзбург В.Н., Кочетков А.А. и др. Стретчер Оффнера для лазерного комплекса PEARL // Квантовая электроника. 2017. Т. 47. № 8. Р. 705–710.

  38. Lozhkarev V.V., Freidman G.I., Ginzburg V.N. et al. Compact 0.56 Petawatt laser system based on optical parametric chirped pulse amplification in KD*P crystals // Laser Physics Letters. 2007. V. 4(6). P. 421–427.

  39. Хазанов Е.А., Миронов С.Ю., Муру Ж. Нелинейное сжатие сверхмощных лазерных импульсов: компрессия после компрессора // УФН. 2019. Т. 189. С. 1173–1200.

  40. Гинзбург В.Н., Яковлев И.В., Зуев А.С. и др. Двухкаскадное нелинейное укорочение мощных фемтосекундных лазерных импульсов // Квантовая электроника. 2020. Т. 50. № 4. С. 331–334.

  41. Khiar B., Revet G., Ciardi A. et al. Laser-produced magnetic-Rayleigh-Taylor unstable plasma slabs in a 20 T magnetic field // Physical Review Letters. 2019. V. 123. P. 205001–6.

  42. Moses E., Rubia D., Latkowski J.F. et al. A sustainable nuclear fuel cycle based on Laser Inertial Fusion Energy (LIFE) // Fusion Science and Technology. 2009. V. 56(2). P. 566–572.

  43. Banerjee S., Mason P.D., Ertel K. et al. 100 J-level nanosecond pulsed diode pumped solid state laser // Optics Letters. 2016. V. 41(9). P. 2089–2092.

  44. Бельков С.А., Воронич И.Н., Гаранин С.Г. и др. Лазерная установка на Nd-стекле с предельными характеристиками по концентрации излучения для проведения исследований экстремальных состояний вещества и в интересах ЛТС // Международная конференция “XIII Забабахинские научные чтения” (тезисы). 2017.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Вестник РАН

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал