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láser shiva

Cadenas de amplificadores Shiva que muestran tubos de filtro espacial (blancos) y estructuras de amplificadores de Nd:vidrio (tubos azules cortos más cercanos a la cámara). En el lugar se filmaron partes de la película Tron de Disney de 1982.
Cámara de objetivos de Shiva durante el mantenimiento.
Vista del interior de la cámara de objetivos de Shiva, 1978. El objeto con forma de aguja en el centro de la imagen es el portaobjetos, varios instrumentos apuntan para visualizar las explosiones en su punta.

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. Presumiblemente, el dispositivo recibió su nombre de la forma de múltiples brazos del dios hindú Shiva , debido a la estructura de múltiples rayos del láser. Shiva jugó un papel decisivo en la demostración de un problema particular al comprimir objetivos con láseres, lo que llevó a la construcción de un nuevo dispositivo importante para abordar estos problemas, el láser Nova .

Fondo

La idea básica de cualquier dispositivo ICF es calentar rápidamente las capas exteriores de un "objetivo", normalmente una pequeña esfera de plástico que contiene unos pocos miligramos de combustible de fusión, normalmente una mezcla de deuterio y tritio . El calor quema el plástico hasta convertirlo en plasma , que explota en la superficie. Debido a la Tercera Ley de Newton , la porción restante del objetivo es empujada hacia adentro, colapsando finalmente en un pequeño punto de muy alta densidad. La rápida descarga 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 de alta energía, que chocan con el combustible de alta densidad que las rodea y disminuyen su velocidad. Esto calienta aún más el combustible y puede provocar que ese combustible también se fusione. Dadas las condiciones generales adecuadas del combustible comprimido (densidad y temperatura suficientemente altas), este proceso de calentamiento puede resultar en 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 porción significativa del combustible en el objetivo se fusione y la liberación de cantidades significativas de energía.

Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos del ICF han utilizado láseres para calentar los objetivos. Los cálculos muestran que la energía debe entregarse rápidamente para comprimir el núcleo antes de que se desmonte, además de crear una onda de choque adecuada. Los rayos láser también deben enfocarse uniformemente a lo largo de la superficie exterior del objetivo para colapsar el combustible en un núcleo simétrico. Aunque se han sugerido otros "controladores", los láseres son actualmente los únicos dispositivos con la combinación adecuada de funciones.

Descripción

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 colocadas en el ángulo de Brewster y el uso de largos filtros espaciales de vacío para "limpiar" los rayos láser resultantes. Estas características han seguido siendo parte de todos los láseres ICF desde entonces, lo que genera largas "líneas de haz". En el caso de Shiva, las líneas de luz tenían unos 30 m de longitud.

Antes del disparo, el cristal láser del Shiva fue "bombeado" con luz de una serie de lámparas de xenón alimentadas con energía desde un gran banco de condensadores . Parte de esta luz es absorbida por los átomos de neodimio del vidrio, elevándolos a un estado excitado y provocando una inversión de población que prepara el medio láser para la amplificación de un rayo láser. Luego, una pequeña cantidad de luz láser, generada externamente, se introdujo en las líneas de luz, pasó a través del vidrio y se amplificó mediante el 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 usaba para suavizar el haz eliminando cualquier falta de uniformidad o anisotropía de potencia que se hubiera acumulado debido a los efectos de enfoque no lineales del paso de luz intensa a través del aire y el vidrio. El filtro espacial se mantiene al vacío para eliminar la creación de plasma en el foco (pinhole). [1]

Una vez que la luz pasó a través del amplificador final y el filtro espacial, se utilizó para experimentos en la cámara objetivo , situada en un extremo del aparato. Cada una de las 20 líneas de luz de Shiva entregó alrededor de 500  julios de energía, que en conjunto entregaron un pulso de ~0,5 a 1 nanosegundo de 10,2 kJ de luz infrarroja a una longitud de onda de 1062 nm, o potencias máximas más pequeñas durante tiempos más largos (3 kJ durante 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 en la actualidad).

Shiva y la CIF

Nunca se esperó que Shiva alcanzara las condiciones de ignición y estaba pensado principalmente como un sistema de prueba de concepto para un dispositivo más grande que lo hiciera. Incluso antes de que se completara Shiva, el diseño de este sucesor, entonces conocido como Shiva/Nova, estaba muy avanzado. Shiva/Nova surgiría como Nova en 1984. Shiva estaba fuertemente instrumentado 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 objetivos en Shiva en 1978, la compresión aumentó hasta aproximadamente 50 a 100 veces la densidad original del hidrógeno líquido, o aproximadamente 3,5 a 7 g/ml. En 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 de lo que las simulaciones habían estimado para el sistema.

Los estudios de las causas de la compresión inferior a la esperada llevaron a la conclusión de que el láser se estaba acoplando fuertemente con los electrones calientes (~50 keV) en el plasma que se formaban cuando se calentaban las capas externas del objetivo, mediante 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. Intentamos 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 del láser en una superficie aumentaba favorablemente con una longitud de onda reducida, pero en ese momento se creía que el IR generado en el láser Shiva Nd:glass sería suficiente para realizar adecuadamente las implosiones del objetivo. Shiva demostró que esta suposición era errónea y demostró que irradiar cápsulas con luz infrarroja probablemente nunca lograría la ignición o la ganancia. Así, el mayor avance de Shiva estuvo en su fracaso, ejemplo de resultado nulo .

La investigación del ICF recurrió al uso de un " multiplicador de frecuencia óptica " para convertir la luz infrarroja entrante en ultravioleta a aproximadamente 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 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 se volvió a poner en funcionamiento un mes después. Muchos experimentos, incluida la prueba del " modo indirecto " de compresión utilizando hohlraums, continuaron en Shiva hasta su desmantelamiento en 1981. La cámara objetivo de Shiva se reutilizaría en el láser Novette . El rendimiento máximo de fusión en Shiva fue de alrededor de 10 10 a 10 11 neutrones por disparo.

Ver también

Referencias

  1. ^ Shiva: un láser de vidrio de 30 teravatios para la investigación de la fusión