“ДЕЛЬФИН” НАБИРАЕТ СИЛУ
В Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР, в лаборатории квантовой радиофизики, много лет ведутся исследования в области управляемого термоядерного синтеза. Сейчас в лаборатории завершается пуск крупной установки “Дельфин”, некоторые элементы и узлы которой показаны на снимках. Упрощенная схема “Дельфина” приводится на 2—3 стр. цветной вкладки.
Основную идею, определившую всю схему установки, можно изложить так: формируется большое число лазерных лучей, которые затем складываются в несколько мощных составных пучков. Эти мощные лазерные пучки через прозрачные окна вводятся во взрывную камеру и со всех сторон облучают мишень. Это “со всех сторон” официально называется так: “сферическое сжатие и нагрев мишени”.
Необходимость подобной схемы, в частности необходимость формирования мощных лазерных пучков из многих отдельных лучей, связана вот с чем. Существует некоторый предел энергии, которую может выдать в импульсе единичный лазер. Предел этот главным образом
определяется свойствами самого вещества, где рождается лазерное излучение: если превысить допустимый предел энергии, то слишком велики будут ее потери в излучающем веществе, и оно может даже разрушиться.Во взрывную камеру “Дельфина” с разных сторон входит 12 мощных лазерных пучков, каждый такой пучок собран из 18 отдельных лучей. То есть всего в создании импульса, попадающего в мишень, участвует 216 лучей, полученных от 216 отдельных лазеров-усилителей. Что же касается энергии в импульсе, то арифметика здесь такая — каждый из 216 лучей несет примерно 50 джоулей в импульсе, а все они вместе — примерно 10 килоджоулей.
Начало лучам, которые в итоге соберутся во взрывной камере, дает один лазер — его называют задающим генератором. Не очень мощное излучение задающего генератора в дальнейшем разветвится на 4
луча, затем каждый из них еще раз разветвится, на 3 луча и, наконец, каждый из этих трех еще раз разветвится на 6 лучей. Так получается 12 групп по 18 лучей, то есть в итоге 216 лучей. Уже перед вводом излучения во взрывную камеру оптическая система объединит каждую из этих 18-лучевых групп в один мощный пучок, и получившиеся таким образом 12 мощных пучков встретятся на мишени.Подобная система — единый луч задающего генератора и последующее его разветвление — понадобилась, в частности, потому, что все лазеры должны выстрелить в мишень абсолютно синхронно, единым залпом. А проще всего это сделать, управляя только одним прибором,— задающим генератором. Все остальные лазеры установки работают в усилительном режиме, они просто в точности повторят импульс задающего генератора, усиливая его по мощности, как всегда за счет энергии накачки. Именно импульс задающего генератора, многократно размноженный и усиленный, в итоге ударит по мишени.
Задающий генератор — сравнительно скромный прибор (фото 1), но он окружен множеством очень точных оптических и электронных приборов, задача которых— сформировать световой импульс с желаемыми характеристиками. В частности, повысить его контраст (это показатель, если можно
так сказать, резкости нарастания импульса) и сделать импульс как можно более коротким.Сам задающий генератор выдает импульс длительностью в 30—35 наносекунд (наносекунда — одна миллиардная доля секунды), а после обработки получается импульс, который длится всего одну наносекунду и даже несколько меньше. А чем короче импульс, тем меньше “размазаны” во времени все килоджоули, попадающие на мишень, тем выше мощность (энергия, отнесенная к единице времени), тем эффективнее лазерный удар. Кстати, энергия,
которую даст “Дельфин” при длительности импульса в одну наносекунду и при диаметре мишени 0,1 миллиметра, создаст на ее поверхности световую мощность плотностью более 1000 000 000 000 000 Ватт на квадратный сантиметр. Подобная концентрация мощности на мишени пока доступна только лазерным системам.Для разделения луча на несколько отдельных составляющих используются оптические системы, куда входят призмы, установленные так, что они поворачивают попавшую на них часть излучения на разные углы. Каждая пара призм вводит свою часть разделенного исходного луча в свой лазер-усилитель (см. цветную вкладку). Установки ЛТС и, в частности, “Дельфин” работают, в инфракрасном диапазоне, и поэтому на снимках нельзя увидеть реальный ход лазерных лучей.
Выходные каскады усиления собраны в блоки, по 18 усилителей в каждом (фото 2, 3, 4). На одном из снимков (2) показан такой блок со снятой боковой крышкой и частично виден, вертикальный ряд из шести усилителей. Стоящий рядом сотрудник лаборатории по нашей просьбе демонстрирует основные элементы усилителя — стержень из неодимового стекла диаметром 45 миллиметров и сравнительно тонкую газоразрядную лампу (трубку) накачки. К каждому стержню прилегают 4 такие лампы, они включаются чуть раньше, чем будет подан сам рабочий импульс (“выстрел по мишени”), и успевают вложить в неодимовый стержень энергию накачки в несколько десятков килоджоулей, А сам стержень, используя эту энергию, выдаст лазерный импульс с энергией до 50 джоулей; отсюда и кпд неодимовых лазеров в несколько десятых долей процента.
На другом снимке {3) блок усилителей показан с той стороны, откуда в неодимо-вые стержни вводятся световые импульсы; на переднем плане группы призм, каждая из них вводит луч в свой усилитель. На снимке 4 три стоящих рядом блока видны с той стороны, откуда выходит уже усиленное излучение. Снимок сделан во время наладки аппаратуры, выходные окна усилителей закрыты.
Вышедшие из каждого блока 18 окончательно усиленных лучей собирает в один пучок оптический элемент из 18 призм (многопризменное зеркало; фото 5). Рядом с ним видна большая линза — это первая часть фокусирующей системы, которая в итоге сожмет лазерный пучок, создав на мишени пятно диаметром в десятые доли миллиметра. Вторая часть фокусирующей системы установлена снаружи взрывной. Напомним: всего в установке “Дельфин” 12 таких фокусирующих систем, по числу мощных лазерных пучков, направленных на мишень.
Здесь уместно сказать несколько слов об автоматике — ее роль огромна в столь сложных установках, как “Дельфин”. Автоматы, смещая с помощью исполнительных механизмов линзы оптических систем, участвуют в точной фокусировке и юстировке лазерных лучей. Автоматам отводится важная роль в организации встречи лазерного импульса с движущейся мишенью — эта задача станет чрезвычайно важной, когда исследователи перейдут от редких одиночных выстрелов к “стрельбе” последовательностями импульсов по мишеням, которые одна за другой вводятся в камеру с очень короткими интервалами
. Наконец автоматика участвует в сборе и обработке информации о режиме каждого экспериментального выстрела, о его взаимодействии с мишенью.Исключительно важная роль на “Дельфине” отводится контролю, измерениям, диагностике всех процессов — от формирования лазерного импульса в задающем генераторе до термоядерных реакций в мишени. Один из распространенных контрольных приборов — измеритель энергии, которую несет световой луч (фото 6, 7). На одном снимке (6) измеритель для
Сложна и совершенна система диагностики процессов, которые происходят во взрывной камере. В числе других тонких методов здесь используется фотографированне мишени в рентгеновских лучах. Две такие фотографии — мишень до взрыва и в начале лазерного облучения — приведены на 2—3 стр. цветной вкладки. Разными цветами здесь отображены области с различной интенсивностью рентгеновского излучения.
Постройка такой установки, как “Дельфин”,— это прежде всего разработка определенной стратегии исследований, и этому сложному, ответственному делу предшествовали серьезные подготовительные работы. В них наряду с инженерами, наряду с физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами участвовали еще и математики [см. статью “Что такое математический эксперимент”, “Наука и жизнь” № 2, 1979 г.)
. И, конечно же, важные исходные данные для разработки и постройки “Дельфина” были получены из многолетних успешных экспериментов, которые лаборатория проводила на “Кальмаре” (фото 8) —установке с энергией 600 джоулей (0,6 килоджоуля) в импульсе. Здесь к взрывной камере подводятся лучи от 9 мощных лазеров-усилителей (фото 8) с энергией 65 джоулей в импульсе у каждого лазера. На “Кальмаре” не только отрабатывалась методика экспериментов в области лазерного термоядерного синтеза, но и были получены важные научные результаты. В свое время “Кальмар” называли лазерным гигантом, но, конечно, он ив сравнение не идёт с “Дельфином”. Некоторое представление о масштабах этой установки может дать снимок на стр. 2 и рисунок на цветной вкладке, запечатлевшие часть зала, где разместился “Дельфин”. На снимке видна взрывная камера, три (из 12) блока мощных лазеров-усилителей, пульт вакуумной установки, многопризменные зеркала, закрепленные на металлических фермах, внешне напоминающих гриб, входные линзы фокусирующих систем, отсек задающего генератора и формирования импульса.Все снимки этого фотоочерка были сделаны в то время, когда на “Дельфине” велись наладочные работы и шла подготовка к экспериментам на всей этой уникальной установке целиком, с использованием всей проектной мощности лазерного излучения. Первые же эксперименты на “Дельфине” начались в середине прошлого года, в них сначала использовался один из 12 блоков (один мощный лазерный пучок, собранный из 18 лучей), а затем постепенно было отлажено и введено в действие еще несколько блоков.