美“国家点火装置”开始实验 揭秘世界最强激光
时间:2017-12-07

  科学网 - 美国“国家点火装置”实验开始揭示世界上最强的激光产生过程

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  2009年4月,耗资35亿美元的美国国家点火装置(NIF)正式开始试验,计划在2010年最终实现融合。届时,192个激光器将同时达到微小目标,使其迄今为止世界上最强大的激光设备。英国“新科学家”杂志网站4月13日文章披露了世界上最强的激光产生过程,以下为全文:

  国家点火是美国国家核安全局(NNSA)库存管理计划的一个重要方面。在受控的实验室条件下,国家点火装置将进行聚变点火和热核燃烧实验,实验结果将为国家核安全局提供相关武器生产的实验手段。这些条件对国家核安全局核查核武库而不进行地下核试验至关重要。国家点火实验将研究武器效应,辐射运输,二次内爆和点火的物理学,并将支持库存管理方案的持续成功。国家点火设备是迄今为止世界上最大和最复杂的激光光学系统,用于人类历史上第一次在实验室条件下的聚变点火,一个192光束的矩形激光束将聚集在一个30英尺的包含氢同位素直径0.44厘米的靶,发生熔融反应,温度可达1亿度,压力超过1000亿大气压。

  以下是国家点火产生最强激光的几个主要步骤:

  1,安装球壳

  为了产生融合所需的高温和高压,国家点火将把所有的192个激光束同时聚焦到氢燃料靶上。国家点火是球形的(如图所示),直径约10米,重约130吨。该装置具有目标熔合室,点火实验发生在目标熔合室中。整个球体由18个铝壳拼接而成,每个壳厚约10厘米。球壳上的方形窗口是激光束的入口,而圆形窗口则用于安装和调整总共近100片的诊断装置。

  2,用调节器调节目标

  这是目标机舱内部的照片。激光束通过外壳的入口进入目标隔间,瞄准定位器尖端的近500兆瓦的能量。图中右侧的长而尖的尖端物体是位置调节器,每个实验目标氢燃料球放置在尖端的顶部。当所有激光束全部投入时,国家点火将能够将约200万焦耳的紫外激光能量聚焦到小目标氢燃料球上,这是以前激光系统的60倍以上。当激光束的热量和压力足够高以熔化小圆柱靶中的氢原子时,释放的能量大于激光器自身产生的能量。这种类型的反应发生在氢弹爆炸和太阳的核心,科学家们相信有一天,核聚变而不是核裂变将会产生一个清洁和安全的能源。

  3,燃油进入油箱(气缸)

  进入国家点火的所有192个激光束将被引导到这个小刀大小的圆柱体。气瓶将包含在融合实验中使用的目标燃料,目标燃料将是球形,豌豆大小,冷冻的氢燃料。在实验过程中,激光束将通过自身的窗口进入靶室,将氢燃料芯块四面压缩加热,希望产生自持能量的聚变反应。有很多科学家认为受控的核聚变反应是不可能实现的。近年来,科学家们发现了一些引发聚变反应的方法。美国研究人员发现的方式是使用高能激光器。尽管科学家们也尝试过其他的核聚变技术,但是根据实验结果,激光技术是目前最有效的方法。除激光外,采用超高温微波加热的方法,还可以达到点火熔化温度。

  4,压缩和加热燃料

  当所有的激光束进入这个金属胶囊的内部时,它们将产生强烈的X射线。这些X射线不仅可以将豌豆大小的氢燃料球压缩成仅仅是人发截面直径的单个点,还可以将其加热到大约300万摄氏度。尽管激光的爆炸持续时间只有十亿分之一秒,物理学家仍然希望这种强烈的脉冲将迫使氢原子相互结合形成氦,释放出足够的能量激活周围地区其他氢原子的融合。燃料耗尽。在激光点火装置中,红外激光束被许多小面镜和凹面镜折射和反射后变成强大的激光束。研究人员然后将激光束转换成192个独立的紫外激光束到靶室中的聚变室的中心。当激光束照射到腔室内部时,瞬间产生高能X射线,压缩燃料芯块,直到其外壳爆炸,直到它引起燃料内核的核聚变,产生巨大的能量。

  5,用磷酸二氢钾晶体激光束转换

  在进入靶室之前,必须首先将激光束从红外线转换成紫外线,因为紫外线对加热目标燃料更为有效。激光转换过程必须使用磷酸二氢钾晶体。这块磷酸二氢钾晶体的重量约为360公斤。首先将一粒种子放入溶液桶中高约2米左右,经过两个月的栽培就能形成如此巨大的水晶。然后将晶体切成约40平方厘米横截面的小块。国家点火总共需要约600个这样的晶粒。国家点火将用于天体物理学的一系列实验,但其主要目的是帮助政府科学家确保美国旧式核武器的可靠性。国家点火工程建设计划于90年代初,1997年开工建设。

  英国“新科学家”杂志网站报道原创(英文)