El láser Shiva era un potente láser infrarrojo de vidrio de neodimio (vidrio de sílice) de 20 haces construido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en 1977 para el estudio de la fusión por confinamiento inercial (ICF) y las interacciones láser-plasma de gran escala. Es de suponer que el dispositivo recibió su nombre de la forma de múltiples brazos del dios hindú Shiva , debido a la estructura de múltiples haces del láser. Shiva fue fundamental para demostrar un problema particular en la compresión de objetivos con láseres, lo que llevó a la construcción de un nuevo e importante dispositivo para abordar estos problemas, el láser Nova .
La idea básica de cualquier dispositivo ICF es calentar rápidamente las capas externas de un "objetivo", normalmente una pequeña esfera de plástico que contiene unos pocos miligramos de combustible de fusión, típicamente una mezcla de deuterio y tritio . El calor quema el plástico y lo convierte en plasma , que explota en la superficie. Debido a la Tercera Ley de Newton , la parte restante del objetivo es impulsada hacia adentro, colapsando finalmente en un pequeño punto de densidad muy alta. La rápida explosión 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 pequeño volumen que lo 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 alfa de alta energía , que chocan con el combustible de alta densidad que las rodea y se ralentizan. Esto calienta aún más el combustible y puede provocar que también se fusione. Si se dan las condiciones generales adecuadas del combustible comprimido (densidad y temperatura lo suficientemente altas), este proceso de calentamiento puede provocar 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 provocar que una parte significativa del combustible en el objetivo se fusione y libere cantidades significativas de energía.
Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos con ICF han utilizado láseres para calentar los objetivos. Los cálculos muestran que la energía debe suministrarse rápidamente para comprimir el núcleo antes de que se desarme, además de crear una onda de choque adecuada. Los rayos láser también deben enfocarse de manera uniforme a lo largo de la superficie exterior del objetivo para colapsar el combustible en un núcleo simétrico. Aunque se han sugerido otros "impulsores", los láseres son actualmente los únicos dispositivos con la combinación adecuada de características.
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 dispuestas en el ángulo de Brewster y el uso de filtros espaciales de vacío largos para "limpiar" los rayos láser resultantes. Estas características han permanecido como parte de cada láser ICF desde entonces, lo que da lugar a "líneas de luz" largas. En el caso de Shiva, las líneas de luz tenían unos 30 m de longitud.
Antes de disparar, el vidrio láser del Shiva fue "bombeado" con luz de una serie de lámparas de destello 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 dando lugar a una inversión de población que prepara el medio láser para la amplificación de un haz láser. Una pequeña cantidad de luz láser, generada externamente, se alimentó luego a las líneas de haz, pasando a través del vidrio y amplificándose a través del proceso de emisión estimulada . Este no es un proceso particularmente eficiente; en total, alrededor del ~1% de la electricidad utilizada para alimentar las lámparas termina amplificando el haz en la mayoría de los láseres de Nd: vidrio.
Después de cada módulo amplificador había un filtro espacial , que se utilizaba 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 intenso paso de la luz 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). [1]
Una vez que la luz pasó por el amplificador final y el filtro espacial, se utilizó para experimentos en la cámara de destino , situada en un extremo del aparato. Cada una de las 20 líneas de luz de Shiva emitía unos 500 julios de energía, que en conjunto generaban un pulso de 10,2 kJ de luz infrarroja de entre 0,5 y 1 nanosegundo a una longitud de onda de 1062 nm, o potencias pico más pequeñas durante tiempos más prolongados (3 kJ para 3 ns).
El dispositivo completo, incluidos los equipos de prueba y los edificios, costó alrededor de 25 millones de dólares cuando se completó en 1977 (126 millones de dólares hoy).
Nunca se esperó que Shiva alcanzara las condiciones de ignición y su objetivo principal era que fuera un sistema de prueba de concepto para un dispositivo más grande que sí lo lograría. Incluso antes de que Shiva se completara, el diseño de este sucesor, entonces conocido como Shiva/Nova, estaba muy avanzado. Shiva/Nova surgiría como Nova en 1984. Shiva estaba muy bien equipado 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 comenzaron los experimentos con dianas 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 que lo que las simulaciones habían estimado para el sistema.
Los estudios de las causas de la compresión menor de lo esperado llevaron a la conclusión de que el láser se estaba acoplando fuertemente con los electrones calientes (~50 keV) en el plasma que se formaba cuando se calentaban las capas externas del objetivo, a través de la dispersión Raman estimulada . John Holzrichter, director del programa ICF en ese momento, dijo:
El rayo láser genera un plasma denso cuando incide sobre el material objetivo. La luz láser cede su energía a los electrones del plasma, que absorben la luz. La velocidad a la que esto sucede depende de la longitud de onda y la intensidad. En Shiva, estábamos calentando electrones a energías increíbles, pero los objetivos no funcionaban bien. Probamos muchas cosas para convencer a los electrones de que transfirieran más energía al objetivo, sin éxito.
Anteriormente se había descubierto 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 de vidrio Nd de Shiva sería suficiente para realizar adecuadamente las implosiones del objetivo. Shiva demostró que esta suposición era errónea, mostrando que la irradiación de cápsulas con luz infrarroja probablemente nunca lograría la ignición o la ganancia. Por lo tanto, el mayor avance de Shiva fue su fracaso, un ejemplo de un resultado nulo .
La investigación del ICF se centró en el uso de un " multiplicador de frecuencia óptica " para convertir la luz infrarroja 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 Energética Láser en 1980 logró por primera vez técnicas eficientes de triplicación de frecuencia que luego se utilizaron (por primera vez en el 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 de un doblete ) sacudió Livermore y las instalaciones lo suficiente como para arrancar pernos del tamaño de un puño de Shiva; se hicieron reparaciones y el láser volvió a funcionar un mes después. Muchos experimentos, incluida la prueba del " modo indirecto " de compresión mediante hohlraums, continuaron en Shiva hasta su desmantelamiento en 1981. La cámara de destino de Shiva se reutilizaría en el láser Novette . El rendimiento máximo de fusión en Shiva era de alrededor de 10 10 a 10 11 neutrones por disparo.