Лазеры для термоядерного розжига

Для изучения взаимодействия мощного излучения с веществом, включая быстрый розжиг, во всем мире разрабатывается новое поколение высокоэнергетических петаваттных лазеров. Быстрый розжиг – основанная на лазерах техника для нагрева и розжига дейтерия и трития до температуры синтеза в два этапа. На первом лазерный пучок испаряет таблетку топлива и сжимает его, а на втором – электроны, ускоренные лазерным импульсом, отдают свою энергию топливу, вызывая быстрый нагрев.

Лазер OMEGA EP (Extended Performance) в Лаборатории лазерной энергетики при Рочестерском университете является первым в новом поколении петаваттных устройств. Он генерирует энергию в несколько килоджоулей в пикосекундном импульсе.

В работе, которая проливает новый свет на методы создания источника электронов высокой энергии, требуемых для быстрого розжига, исследователи из Лаборатории использовали лазер OMEGA EP для получения мощного импульса тока, длящегося всего несколько триллионных долей секунды. В серии беспрецедентных экспериментов импульс лазера с энергией вплоть до 2,1 кДж направлялся на твердые мишени. Это в четыре раза выше, чем в предыдущих экспериментах.

Команда использовала электростатическую технику с мишенями из тонкой фольги в качестве источника горячих электронов. В этой технике используется медная фольга не толще человеческого волоса. Под действием излучения лазера фольга быстро заряжается, наподобие обкладки конденсатора. В течение пикосекунд большая часть ускоренных лазером электронов передает свою энергию материалу мишени. Взаимодействуя с материалом мишени, электроны порождают рентгеновские лучи высокой энергии. По энергии рентгеновских лучей определяется коэффициент конверсии энергии лазера в энергию электронов.

При использовании лазера OMEGA EP был продемонстрирован коэффициент конверсии 20% и выше. Эти измерения показали, какая минимальная часть энергии импульса расходуется на нагревание мишени – критического параметра для полномасштабного быстрого розжига.

Средняя энергия электронов определяется интенсивностью лазера. При слишком коротком импульсе электроны будут проходить через мишень, слабо взаимодействуя с ней, при слишком длинном – плотность мишени уменьшится, прежде чем произойдет розжиг. Эксперименты показали, что использование импульса длительностью 15 пс и энергии несколько килоджоулей позволяют сформулировать требования к лазерам для полномасштабного быстрого розжига реакции ядерного синтеза.