История физики ХХ века

На самом деле в отношении фемтосекундных лазеров, используемых при генерации этих импульсов, имеется еще один интересный момент. Лазер может генерировать колебания на многих модах своего резонатора, определяемых условием воспроизведения фазы после полного обхода резонатора. Все вовлеченные моды имеют свое продольное квантовое число, означающее, сколько полных оптических периодов содержится в замкнутой петле. Ясно, что это условие содержит фазовую скорость, которая зависит от длины волны, и предполагает усреднение по многим оптическим элементам, через которые проходит свет. Другое практически важное обстоятельство связано с тем, что лазер работает в самоподдерживающемся режиме повторяющихся импульсов. Фактически это означает, что оптические потери резонатора могут быть сделаны достаточно большими, чтобы подавлять генерацию до тех пор, пока фазы мод резонатора не подберутся таким образом, что сформируется пространственная дельта-функция. Особенно важно, чтобы импульс был коротким при прохождении кристалла титаната сапфира, поскольку короткому импульсу соответствует очень высокая пиковая мощность, которая взаимодействует с материалом лазерного стержня по квадратичному закону (оптический эффект Керра), образуя положительную линзу с максимумом показателя преломления на оси, где интенсивность максимальна. Таким образом, стабильная самоорганизующаяся генерация импульсов происходит в лазере с избыточно большими дифракционными потерями (не хватает положительной оптической силы линзы), но эта ситуация периодически исправляется световой пулей, которая, используя свое воздействие на кристалл, увеличивает показатель преломления и в необходимой мере уменьшает потери.

Огибающая импульса, которая описывает эту световую пулю, является результатом суперпозиции многих лазерных мод, и если временные задержки зависят от длины волны, форма огибающей будет эволюционировать. Мы обсуждаем сейчас понятие групповой скорости, согласно которому форма возмущения не меняется во времени, только если все частоты распространяются с одинаковой скоростью. В любом реальном лазере необходимо использовать некоторые оптические элементы, которые должны компенсировать задержку голубого света относительно красного. Чтобы получить как можно более короткий импульс, необходимо, чтобы времена обхода резонатора были строго одинаковыми, хотя, как нетрудно понять, задача усложняется, если учесть, что лазерный импульс сам влияет на времена задержки. В любом случае свет, излучаемый из выходного зеркала лазера, представляет собой регулярную последовательность коротких импульсов, которые при спектральном анализе имеют структуру гребенки. Однако каждый раз, когда импульс приходит на поверхность зеркала, быстрые оптические колебания световой волны (формирующей этот импульс) имеют, вообще говоря, разные фазы. От импульса к импульсу фаза смещается то вперед, то назад, так что гребенка оптических частот может быть немного смещена относительно идеальных фурье-гармоник, которые мы перед этим рассматривали. В обычном случае имеется постоянный сдвиг фазы в каждом импульсе, при котором сдвиг фазы относительно гармоники на частоте следования импульсов происходит с постоянной скоростью. Была разработана электронно-оптическая схема, названная схемой «самопривязки», которая позволяет стабилизировать эту добавочную частоту - частоту расстройки между несущей и огибающей - так чтобы ее отношение к частоте следования было равно определенному задаваемому числу. Например, если его выбрать равным нулю, мы получим чисто гармоническую гребенку. Если выбрать это отношение равным 1/2, сдвиг гребенки будет составлять 1/2 от базовой частоты повторения, которая сама, конечно, равна промежутку между линиями гребенки.

Экспериментально используется, как правило, фемтосекундный титан-сапфировый лазер с синхронизацией мод и регенеративным усилителем. Лазерный пучок от него, сфокусированный в стеклянную пластинку, вызывает генерацию белого света - континуума, который с помощью призмы раскладывается на все цвета радуги. Подобные импульсы белого света получаются в результате совместного действия самофокусировки, фазовой самомодуляции и других нелинейно-оптических процессов. Уже в течение долгого времени такие импульсы использовались для исследования быстропротекающих процессов по схеме возбуждение-зондирование. Поразительную картину представляла собой почти лазерная спекл-структура радуги цветов, свидетельствовавшая о высокой степени пространственной когерентности излучения.

При условии достаточно высокой степени корреляции между соседними импульсами подобная система может быть использована для получения частотной гребенки протяженностью в октаву. Частотную гребенку такой ширины можно использовать в качестве линейки для измерения большого интервала между лазерной частотой и ее второй гармоникой, равного самой лазерной частоте. Удается получить белый свет с помощью импульсов из лазерного генератора без использования регенеративного усилителя, использование которого значительно снижает частоту повторения импульсов - этого можно достичь с помощью маленького волновода, изготовленного из материала с высокой оптической нелинейностью, который позволил бы получать белый свет ниже пороговой мощности самофокусировки. Будут ли интерферировать эти два импульса белого света?

Используя интерферометр Майкельсона, который помещался в лазерный луч и был слегка разъюстирован, так, чтобы два луча выходили из интерферометра в двух немного различных направлениях. Регулируя длину одного плеча интерферометра, добивались, чтобы два сфокусированных импульса попадали на пластину CaF2 строго одновременно, на которой наблюдаются стабильные высококонтрастные интерференционные полосы для всех цветов. Импульсы белого света оказываются синхронизованы по фазе с лазерным полем диодной накачки! Если бы такие импульсы были разделены во времени, а не в пространстве, они бы интерферировали в спектральном представлении, приводя к возникновению очень широкой частотной гребенки.

Лазерный термоядерный синтез. Темп развития цивилизации, а с нынешнего тысячелетия и само ее существование, определяется имеющимися в ее распоряжении энергетическими источниками. При всех достоинствах солнечной, ветровой, геотермальной и других альтернатив традиционным невозобновляемым энергетическим источникам (нефти, газу, урану, углю) единственной реальной является термоядерный синтез.

Рассмотрим физические принципы лазерного термоядерного синтеза - быстро развивающегося научного направления, в основу которого легли два выдающихся открытия XX столетия: термоядерные реакции и лазеры. Термоядерные реакции протекают при слиянии (синтезе) ядер легких элементов. При этом наряду с образованием более тяжелых элементов выделяется избыточная энергия в виде кинетической энергии конечных продуктов реакции и гамма-излучения. Большое энерговыделение при протекании термоядерных реакций и привлекает внимание ученых из-за возможности их практического применения в земных условиях. Так, термоядерные реакции в крупных масштабах осуществлены в водородной (или термоядерной) бомбе. Чрезвычайно привлекательной представляется возможность утилизации энергии, выделившейся при термоядерных реакциях для решения энергетической проблемы. Дело в том, что топливом при таком способе получения энергии является изотоп водорода дейтерий (D), запасы которого в Мировом океане практически неисчерпаемы.

Термоядерная реакция - это процесс слияния (или синтеза) легких ядер в более тяжелые. Так как при этом происходит образование сильно связанных ядер из более рыхлых, процесс сопровождается выделением энергии. Легче всего происходит слияние изотопов водорода - дейтерия D и трития T. Ядро дейтерия - дейтрон содержит один протон и один нейтрон. Дейтерий содержится в воде в соотношении одна часть на 6500 частей водорода. Ядро трития - тритон состоит из протона и двух нейтронов. Тритий нестабилен (период полураспада 12,4 года), однако может быть получен в результате ядерных реакций. При синтезе ядер дейтерия и трития образуются гелий He с атомной массой, равной четырем, и нейтрон n. В результате реакции выделяется энергия 17,6 МэВ. Слияние ядер дейтерия происходит по двум каналам примерно с одинаковой вероятностью: в первом образуются тритий и протон p и выделяется энергия, равная 4 МэВ; во втором канале - гелий с атомной массой 3 и нейтрон, а выделившаяся энергия 3,25 МэВ: Для процесса слияния ядра дейтерия и трития должны обладать энергией порядка 10 кэВ; энергия продуктов реакции достигает величины порядка единиц и десятков мега электрон-вольт. Следует также отметить, что сечение реакции D + T и скорость ее протекания значительно выше (в сотни раз), чем для реакции D + D. Следовательно, для реакции D + T значительно легче достичь условий, когда выделившаяся термоядерная энергия превзойдет затраты на обеспечение процессов слияния.

Возможны и реакции синтеза с участием других ядер элементов (например, лития, бора и т.д.). Однако сечения реакций и скорости их протекания для этих элементов существенно меньше, чем для изотопов водорода, и достигают заметных значений лишь для температур порядка 100 кэВ. Достижение таких температур в термоядерных установках в настоящее время предоставляется совершенно нереальным, поэтому лишь реакции слияния изотопов водорода могут иметь практическое применение в ближайшем будущем.

Проблема практической реализации управляемого термоядерного синтеза заключается в том, что слиянию ядер препятствуют электрические силы отталкивания. Поэтому для синтеза ядер, образования новых элементов и выделения избыточной энергии необходимо преодолеть кулоновский барьер 0,1- 0,5 МэВ, то есть совершить работу против сил отталкивания, сообщая ядрам необходимую энергию. Однако не обязательно сводить ядра вплотную, уже на расстояниях порядка 10-13 м, весьма вероятным становится объединение ядер вследствие туннельного эффекта, так называемый подъбарьерный или туннельный синтез. Кулоновская энергия при этом составляет лишь 0,01 МэВ.

Критерий зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции, т.е. условие поддержания плазмы при температуре горения термоядерных реакций (Т=8ч10 кэВ или ?108 К) за счёт энергии остающихся в плазме продуктов термоядерных реакций. В DT-реакции на поддержание температуры плазмы расходуется энергия ядер 4Не (a-частиц, Ea =3,52 МэВ) при их кулоновском торможении в плазме. В дейтериевой плазме на поддержание реакции расходуется энергия тритонов, протонов и ядер 3Не, которая в среднем на каждую реакцию составляет ~2,42 МэВ. В стационарном режиме горения DT-реакции все потери из плазмы с избытком компенсируются мощностью, выделяющейся в термоядерных реакциях в виде б-частиц, которые удерживаются в плазме и передают ей свою энергию. Для равнокомпонентной DT-плазмы с максвелловским распределением частиц по скоростям критерий зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции можно записать в виде:

где пе - плотность электронов (в см-3), Т - температура плазмы (в кэВ), - время удержания энергии в плазме без учёта потерь на тормозное излучение (в секундах); <sv>я - усреднённая по максвелловскому распределению скорость термоядерной реакции (в см3·с-1). Второй член в знаменателе характеризует потери энергии DT-плазмы на тормозное излучение. Величина наз. параметром удержания энергии в плазме и принимает мин. значение 1,6 .1014 см-3·с при T~25 кэВ. Термоядерный реактор с горением самоподдерживающейся реакции является частным случаем реактора, работающего в режиме усилителя мощности (с коэффициентом усиления Q), для которого определяется критерием Лоусона. В предельном случае Q'': при выполнении критерия зажигания реактор, работающий в режиме усилителя мощности, превращается в генератор, т. е. в реактор с зажиганием самоподдерживающейся термоядерной реакции.

Существуют две возможности реализации этого условия. Одна из них заключается в столкновении двух ускоренных навстречу друг другу пучков легких атомов. Однако, что этот путь неэффективен. Дело в том, что вероятность слияния ядер в ускоренных пучках чрезвычайно мала из-за низкой плотности ядер и ничтожно малого времени их взаимодействия, хотя создание пучков необходимой энергии в существующих ускорителях проблемы не составляет. Другой путь, который используется в настоящее время, - нагрев вещества до высоких температур (порядка 108 К). Чем выше температура, тем выше средняя кинетическая энергия частиц и тем большее их количество может преодолеть кулоновский барьер.

Для того чтобы энергия, выделившаяся в результате реакции, сравнялась с энергетическими затратами на нагрев плазмы до температур порядка 10 кэВ, необходимо выполнение так называемого критерия Лоусона

nф ? 1014 с/см3 для D-T реакции; nф ? 1014 с/ см3 для D-D реакции; где n - плотность дейтериево-тритиевой смеси, ф - время удержания.

(эти соотношения были получены также И.Е.Таммом и А.Д.Сахаровым, однако по режимным соображениям не были опубликованы).

К настоящему времени сформировались два в значительной мере независимых подхода к решению проблемы управляемого термоядерного синтеза. Первый из них основан на возможности удержания и термоизоляции высокотемпературной плазмы относительно низкой плотности (n? 1014 - 1015 см-3) магнитным полем специальной конфигурации в течение сравнительно длительного времени (ф ? 1ч10 с). К таким системам относится «Токамак (аббревиатура от «тороидальная камера с магнитными катушками»), предложенный в 50-х годах в СССР. (И.Н..Головин рассказывал, что первоначальное название было «Токамаг», от конечного «магнит», но «магия» не понравилась кому-то наверху и название стало «индейским».)

Существует два способа создания и удержания плазмы из смеси T + D: магнитный (токамаки и стеллараторы) и инерционный (сжатие сферических мишеней светом лазеров или пучками быстрых частиц - ионов, электронов). В магнитных ловушках плотность плазмы берется малой, чтобы снизить давление плазмы. Например, при плотности з = 2·1025 м-3 (как у воздуха в нормальных условиях) должно быть время удержания ф> 10-5 с и давление плазмы несколько сот килобар, - реактор такого давления не выдержит. Если понизить плотность до 2·1020 м-3, то давление плазмы будет 1 атм, но зато время удержания возрастает до 1 с. В инерционном способе реализуется другой путь достижения требуемой величины зф : максимальная плотность и минимальное время удержания (см. рис.). Например, если просто заморозить смесь T + D, то получим з = 4x1028 м-3 и ф=2,5·10-9 с =2,5 нс. Это время удержания должно быть равно времени разлета нагретого до 108 К шарика со скоростью ~106 м/с. Отсюда радиус шарика должен быть 2,5 мм, а на его нагрев до 108 К нужно ~107 Дж энергии, что практически нереально.

Рис. Два способа реализации критерия Лоусона

А вот если сжать смесь Ф + D в 10 раз до плотности 1 кг/см3, то на нагрев нужно всего 200 кДж, и диаметр шарика можно уменьшить до 0,2--0,4 мм, а время удержания - до 0,1 нс. Это уже реальные размеры. Опыты с такими шариками в начале 1980-х годов дали выход нейтронов 1010 и з ф= 1018 с/м3. Для реализации лазерного термоядерного синтеза нужны очень мощные, сложные и точные лазерные системы, фокусирующие световой синхронный импульс многих лазеров на очень маленький шарик--мишень. Для исследования лазерного синтеза в Ливерморской лаборатории (США) построена уникальная лазерная система Shiva (24 лазера мощностью 2,5 кДж каждый и длительностью импульса 100 пс), на которой получено З 1010 нейтронов за импульс. О необходимости сверхточности фокусировки говорит тот факт, что на второй в мире по мощности лазерной установке «Искра-5» (12 лазеров, РФЯЦ--ВНИИЭФ, г. Саров) работают только ночью, когда нет движения транспорта на дорогах и можно добиться требуемой настройки оптической системы лазеров. В начале 1990-х годов на этой установке плазму удалось нагреть до 108 К, а вот с плотностью дела обстоят похуже -пока получается лишь 1 г/см3 вместо требуемых 100 г/см3.

Для увеличения плотности, кроме высочайшего уровня прецизионирования установки и мишени, необходимо повысить степень безударности сжатия мишени одновременно двумя способами.

1. Тщательно профилировать световое давление на мишень, которое должно плавно нарастать по заранее рассчитанной кривой и обеспечивать безударное сжатие мишени (см. рис.). На последнюю 0,1 нс должно приходиться половина мощности импульса. При этом первая половина энергии тратится в основном на сжатие мишени, а вторая - на нагрев до зажигания термоядерной реакции. После зажигания температура поддерживается за счет энергии реакции, т.к. образующиеся нейтроны и ядра гелия не вылетают из мишени, а отдают свою энергию другим частицам.

Рис. Форма лазерного импульса для безударного сжатия мишени.

2. Правильно выбрать конструкцию мишени. Чем сложнее мишень, тем проще лазер. Просто стеклянный шарик с смесью D + Ф не может обеспечить высокое сжатие. По мере проведения исследований мишень все более усложнялась, ее стенки сделались многослойными, причем каждый слой имеет свою определенную функцию.

Схема трех конструкций мишени показаны на рис..

Рис. Схемы многослойных мишеней для лазерного термоядерного синтеза.

Внешняя толстая и легкая оболочка (бериллий, LiH, фторопласт) испаряется, за счет чего создается реактивная сила, которая будет сжимать внутреннюю тяжелую оболочку из тантала. Тяжелая оболочка сохраняется неиспаренной, защищает D + Ф от воздействия быстрых электронов и рентгеновских лучей, а главное - служит «холодным поршнем», обеспечивающим безударное сжатие смеси D+T. Кроме того, бериллиевая оболочка отражает образующиеся быстрые нейтроны (с энергией 14,1 Мэв) назад в D-Tсмесь, что увеличивает скорость реакции. А танталовая оболочка увеличивает отбор энергии плазмы легкой оболочки, идущей на сжатие топлива.

В более сложной конструкции на рис. слой пористого пенопласта защищает D + Ф от быстрых нейтронов, а внутренняя оболочка из золота - от рентгеновских лучей. Топливо D + Ф разделено на две части: намороженный слой дает максимальное сжатие, а центральная часть внутри золотой оболочки --максимальную температуру для зажигания реакции. Точность изготовления мишени по современной технологии очень высокая: отличие от идеальной сферы не превышает 0,3 мкм. Технология изготовления таких точных стеклянных шариков несложная. Компоненты стекла растворяют в воде. Капли раствора падают внутри вертикальной печи и при Т=1000 К; из раствора образуется стекло, а вода, испаряясь, выдувает из стекла полые шарики диаметром от 20 до 800 мкм с толщиной стенки в несколько микрометров. Затем путем отсева отбирают шарики нужного диаметра. Основная трудность получения симметричного сферического сжатия мишени заключается в подавлении развития неустойчивости, которая может быть следующих двух видов:

Интенсивность лазерного света на поверхности мишени достигает 1020 Вт/см2. При этом давление света составляет 300 ГПа. Внешняя оболочка мишени испаряется, образуя плазму. На расстоянии ~З мкм от мишени давление плазмы резко падает и примерно сравнивается с давлением света. Вот в этой области и развивается турбулентность плазмы, рождаются сильные поля и быстрые электроны, которые могут нагреть топливо до его сжатия. Турбулентность связана также с неоднородностью давления на поверхности мишени в связи с небольшим количеством используемых лазеров (12--24 штук).

2. Очень большие ускорения границ между веществами с большим различием в плотности обусловливают быстрое развитие гравитационных возмущений на границах. Уменьшить эти неустойчивости и повысить тем самым симметрию и степень сжатия можно следующими путями:

а. Увеличить толщину внешнего легкого слоя. Это позволит увеличить длительность импульса, следовательно, уменьшить интенсивность света, что, в свою очередь, снизит турбулентность плазмы.

Возможно применение вместо бериллия (или вместе с ним в нанокомпозите) наноалмаза, который является наилучшим отражателем нейтронов и при испарении создает более плотную и более энергичную плазму.

б. Увеличить равномерность освещения поверхности мишени за счет увеличения количества лазеров.

в. Ввести в конструкцию мишени слои с плавным или ступенчатым изменением плотности, что уменьшит скорость развития гравитационной неустойчивости.

г. Использовать взамен лазеров и света ускорители и пучки тяжелых ионов. Пробег таких ионов в веществе маленький, поэтому с ними можно получить большую степень сжатия мишени, значит, уменьшить энергию поджигания реакции.

Обсудим кратко основные физические принципы, заложенные в концепцию достижения высоких степеней сжатия веществ и получения больших коэффициентов усиления по энергии с помощью лазерных микровзрывов. Рассмотрение построим на примере так называемого режима прямого сжатия. В этом режиме микросфера, наполненная термоядерным топливом, со всех сторон "равномерно" облучается многоканальным лазером. В результате взаимодействия греющего излучения с поверхностью мишени образуется горячая плазма с температурой в несколько кэВ (так называемая плазменная корона), разлетающаяся навстречу лучу лазера с характерными скоростями 107 - 108 см/с. Греющее излучение распространяется в глубь мишени лишь до области с плотностью электронов, называемой критической, где частота лазерного излучения сравнивается с плазменной. Значение критической плотности n связано с частотой лазера, например, для неодимового лазера с длиной волны л = 1,06 мкм составляет n = 1021 см -3. В окрестности этой области излучение начинает поглощаться, а непоглощенная часть отражается, также далее поглощаясь плазмой. Основной механизм поглощения здесь так называемое обратное тормозное поглощение света электронами (электрон поглощает излучение, рассеиваясь в поле иона). Вблизи критической плотности наряду с классическим обратным тормозным механизмом поглощения важную роль играют резонансный и, так называемые, аномальные механизмы, связанные с развитием в плазме параметрических неустойчивостей. Часть из параметрических неустойчивостей ведет к увеличению доли поглощенной энергии, а такие, как вынужденное рассеяние Мандельштамма-Бриллюэна и вынужденное комбинационное рассеяние, - к паразитному рассеянию излучения на плазменной короне. Другое явление - рефракция греющего излучения в плазменной короне также может вести к уменьшению поглощения. Дело в том, что показатель преломления увеличивается от нуля в области с критической плотностью до единицы на краю плазмы. В этом случае плазменная корона действует как отрицательная линза для всех лучей, параллельных градиенту плотности, выталкивая их из плотных областей плазмы. К счастью, эффекты вынужденного рассеяния оказались не столь существенны.

Не имея возможности более детально остановиться на процессах поглощения в плазменной короне, отметим, что в современных модельных экспериментах на уровне энергий лазерного излучения 10-100 кДж для мишеней, сравнимых по размерам с мишенями для больших коэффициентов усиления, удается достичь высоких (? 90%) коэффициентов поглощения греющего излучения. Световое излучение не может проникнуть в плотные слои мишени, так как плотность твердого тела составляет ? 1023 см-3. За счет теплопроводности энергия, поглощенная в плазме с электронной плотностью, меньшей критической, передается в более плотные слои, где происходит абляция вещества мишени. Оставшиеся неиспаренными слои мишени под действием теплового и реактивного давления ускоряются к центру, сжимая и нагревая находящееся в ней топливо. В итоге энергия лазерного излучения превращается на рассматриваемой стадии в кинетическую энергию вещества, летящего к центру, и в энергию разлетающейся короны. Очевидно, что полезная энергия сосредоточена в движении к центру. Эффективность вклада световой энергии в мишень характеризуется отношением указанной энергии к полной энергии излучения - так называемым гидродинамическим коэффициентом полезного действия (КПД). Достижение достаточно высокого гидродинамического КПД (10-20%) является одной из важных проблем ЛТС.

Какие же процессы могут препятствовать достижению высоких степеней сжатия? Один из них заключается в том, что при термоядерных плотностях излучения Q > 1014 Вт/см2 заметная доля поглощенной энергии трансформируется не в классическую волну электронной теплопроводности, а в потоки быстрых электронов, энергия которых много больше температуры плазменной короны (так называемые надтепловые электроны). Это может происходить как за счет резонансного поглощения, так и вследствие параметрических эффектов в плазменной короне. При этом длина пробега надтепловых электронов может оказаться сравнимой с размерами мишени, что приведет к предварительному прогреву сжимаемого топлива и невозможности получения предельных сжатий. Большой проникающей способностью обладают и рентгеновские кванты большой энергии (жесткое рентгеновское излучение), сопутствующие надтепловым электронам. Тенденцией экспериментальных исследований последних лет является переход к использованию коротковолнового лазерного излучения (л < 0,5 мкм) при умеренных плотностях потока (Q < 1015 Вт/см2). Практическая возможность перехода к нагреву плазмы коротковолновым излучением связана с тем, что коэффициенты конверсии излучения твердотельного неодимого лазера (основного кандидата в драйверы для ЛТС) с длиной волны л = 1,06 мкм в излучения второй, третьей и четвертой гармоник с помощью нелинейных кристаллов достигает 70-80%. В настоящее время фактически все крупные лазерные установки на неодимовом стекле снабжены системами умножения частоты. Физической причиной преимущества использования коротковолнового излучения для нагрева и сжатия микросфер является то, что с уменьшением длины волны увеличивается поглощение в плазменной короне и возрастают абляционное давление и гидродинамический коэффициент передачи. На несколько порядков уменьшается доля надтепловых электронов, генерируемых в плазменной короне, что является чрезвычайно выгодным для режимов как прямого, так и непрямого сжатия. Для непрямого сжатия принципиально и то, что с уменьшением длины волны увеличивается конверсия поглощенной плазмой энергии в мягкое рентгеновское излучение.

Остановимся теперь на режиме непрямого сжатия. Анализ показывает, что осуществление режима сжатия до высоких плотностей топлива оптимально для простых и сложных оболочечных мишеней с аспектным отношением R / D в несколько десятков. Здесь R - радиус оболочки, D - ее толщина. Однако сильное сжатие может быть ограничено развитием гидродинамических неустойчивостей, которые проявляются в отклонении движения оболочки на стадиях ее ускорения и торможения в центре от сферической симметрии и зависят от отклонений начальной формы мишени от идеально сферической и неоднородного распределения падающих лазерных лучей по ее поверхности. Развитие неустойчивости при движении оболочки к центру приводит сначала к отклонению движения от сферически-симметричного, затем к турбулизации течения и, в конце концов, к перемешиванию слоев мишени и дейтериево-тритиевого горючего. В результате в конечном состоянии может возникнуть образование, форма которого резко отличается от сферического ядра, а средние плотность и температура значительно ниже величин, соответствующих одномерному сжатию. При этом начальная структура мишени (например, определенный набор слоев) может быть полностью нарушена. Физическая природа такого типа неустойчивости эквивалентна неустойчивости слоя ртути, находящегося на поверхности воды в поле тяжести. При этом, как известно, происходит полное перемешивание ртути и воды, то есть в конечном состоянии ртуть окажется внизу. Аналогичная ситуация и может происходить при ускоренном движении к центру вещества мишени, имеющей сложную структуру, или в общем случае при наличии градиентов плотности и давления.

Требования к качеству мишеней достаточно жесткие. Так, неоднородность толщины стенки микросферы не должна превышать 1%, однородность распределения поглощения энергии по поверхности мишени 0,5%. Предложение использовать схему непрямого сжатия как раз и связано с возможностью решить проблему устойчивости сжатия мишени. Принципиальная схема эксперимента непрямого сжатия следующая. Излучение лазера заводится в полость, фокусируясь на внутренней поверхности внешней оболочки, состоящей из вещества с большим атомным номером, например золота. Как уже отмечалось, до 80% поглощенной энергии трансформируется в мягкое рентгеновское излучение, которое нагревает и сжимает внутреннюю оболочку. К преимуществам такой схемы относятся возможность достижения более высокой однородности распределения поглощенной энергии по поверхности мишени, упрощение схемы лазера и условий фокусировки и т.д. Однако имеются и недостатки, связанные с потерей энергии на конверсию в рентгеновское излучение и сложностью ввода излучения в полость.

Эксперименты по достижению высоких плотностей сжимаемого топлива в режиме прямого сжатия начались в середине 70-х годов в Физическом институте им. П.Н. Лебедева, где на установке «Кальмар» с энергией E = 200 Дж была достигнута плотность сжимаемого дейтерия n? 10 г/см3. В дальнейшем программы работ по ЛТС активно развивались в США (установки «Шива», «Нова» в Ливерморской национальной лаборатории, «Омега» в Рочестерском университете), Японии («Гекко-12»), России («Дельфин» в ФИАНе, «Искра-4», «Искра-5» в ВНИИЭФ) на уровне энергии лазеров 1-100 кДж. Детально исследовались все аспекты нагрева и сжатия мишеней различной конфигурации в режимах прямого и непрямого сжатий. Достигаются абляционное давление ~ 100 Мбар и скорости схлопывания микросфер V > 200 км/с при значениях гидродинамического кпд порядка 10%. Прогресс в развитии лазерных систем и конструкций мишеней позволил обеспечить степень однородности облучения сжимаемой оболочки 1-2% как при прямом, так и при непрямом сжатии. В обоих режимах были достигнуты плотности сжатого газа 20-40 г/см3, а на установке «Гекко-12» была зарегистрирована плотность сжатой оболочки 600 г/см3. Максимальный нейтронный выход составил N = 1014 нейтронов за вспышку.

Таким образом, вся совокупность полученных экспериментальных результатов и их анализ указывают на практическую реализуемость следующего этапа в развитии лазерного термоядерного синтеза - достижение плотностей дейтериево-тритиевого газа 200-300 г/см3, осуществление сжатия мишени и достижение заметных коэффициентов усиления k на уровне энергии E = 1 МДж. В настоящее время за рубежом интенсивно разрабатывается элементная база и создаются проекты лазерных установок мегаджоульного уровня. В Ливерморской лаборатории начато создание установки на неодимовом стекле с энергией Е = 1,8 МДж. Стоимость проекта составляет 2 млрд долларов. Создание установки аналогичного уровня запланировано и во Франции. На этой установке планируется достижение коэффициента усиления по энергии ~ 100. Нужно сказать, что запуск установок такого масштаба не только приблизит возможность создания термоядерного реактора на основе лазерного термоядерного синтеза, но и предоставит в распоряжение исследователей уникальный физический объект - микровзрыв с энерговыделением 1077-109 Дж, мощный источник нейтронного, нейтринного, рентгеновского и г-излучений. Это будет иметь не только большое физическое значение (возможность исследовать вещества в экстремальных состояниях, физики горения, уравнения состояния, лазерных эффектов и т.д.), но и позволит решить специальные задачи прикладного, в том числе военного, характера.

Для реактора на основе лазерного термоядерного синтеза необходимо, однако, создание лазера мегаджоульного уровня, работающего с частотой повторения в несколько герц. В ряде лабораторий исследуются возможности создания таких систем на основе новых кристаллов. Запуск опытного реактора по американской программе планируется на 2025 год.

Впервые идея использования мощного лазерного излучения для нагрева плотной плазмы до термоядерных температур была высказана Н.Г. Басовым и О.Н. Крохиным в начале 60-х годов. В последствии из нее сформировалось самостоятельное направление термоядерных исследований - лазерный термоядерный синтез (ЛТС). С 1988 года и до конца жизни отделом лазерного термоядерного синтеза Отделения квантовой радиофизики Физического института им П.Н. Лебедева заведовал академик Лев Петрович Феоктистов (1928-2002), выдающийся ученый, один из создателей термоядерного оружия, Герой Социалистического труда, лауреат Ленинской и Государственной премий. Здесь Лев Петрович совместно с Н.Г. Басовым продолжил исследования различных вариантов ядерных и термоядерных реакторов, начатые им ещё во время работы во ВНИИТФ. Благодаря этим исследованиям появилась концепция гибридного реактора, в котором подкритический реактор подсвечивается термоядерными нейтронами, получаемыми в результате лазерного синтеза. В частности, Л.П. Феоктистовым был предложен двухкаскадный вариант реактора, сочетающий в себе быстрый маломощный реактор-усилитель с энергетическим тепловым, в котором можно ожидать коэффициента усиления термоядерной энергии до 5000 раз! (Способ мышления Льва Петровича был очень интересный -- самый сложный процесс он умел объяснить просто. Лев Петрович говорил, что этому подходу он научился у Якова Борисовича Зельдовича и Давида Альбертовича Франк-Каменецкого. Мыслить интересно и излагать просто. Он выделял главное в процессе и те параметры, с помощью которых можно это главное объяснить. Ему тоже было нужно любую проблему объяснить так, чтобы он понял. Часто он останавливал собеседника и говорил: «Что-то не так, это непонятно». Но это всегда говорилось интеллигентно -- он просто предлагал подумать ещё. Саму идею он, конечно, ухватывал мгновенно. Когда он выступал с докладом, это был целый спектакль. Он говорил очень красиво, был исключительно обаятельным. От него трудно было услышать резкое слово даже в полемике.)

Военное применение лазеров. Широко (к сожалению) лазеры используются в военном деле. По словам директора военных исследовательских программ фирмы «Боинг»: «высокоэнергетические лазеры являются оружием будущего и всегда останутся таковыми…Но для тактических лазеров оно уже наступило.» В США через 8-10 лет ожидается постановка на вооружение лазерных пушек, прототипом которых является FEL - лазер на свободных электронах; созданный в лаборатории имени Т.Джефферсона (Вирджиния) образец имеет мощность 100 кВт и к 2012 году ожидается повышение мощности до нескольких МВт. ИК передовой химический лазер MIRACL устанавливается на «Боинг 747-400». Его модификация MTHEL, установленная на автомобильном трейлере, на полигоне позволила уничтожить в полете сразу несколько снарядов. В сентябре 1985 года водород-фторный лазер MIRACL мощностью 2,2 МВт за 12 секунд прожег отверстие в корпусе бака ракеты «Титан-1». На полигоне Белые пески (Нью-Мексико) испытан армейский лазер «Зевс», смонтированный на вездеходе «Хаммер», мощностью 100 кВт и дальностью действия до 8 км (полупроводниковый лазер разработан в Ливерморской лаборатории имени Лоуренса).

Основной проблемой мощного лазерного оружия является его высокое энергопотребление. Так для одного выстрела по ракете водород-фторному лазеру требуется до 500 кг химического топлива. Разрабатываемые в программе СОИ эксимерные лазеры наземного базирования с наведением на цель с помощью орбитальных зеркал диаметром 5 метров требуют для своей накачки до 300 ГВт в течение нескольких минут, что составляет примерно 60% мощности от всей энергосистемы США. Поэтому стоимость лазерной части СОИ оценивается примерно в 100 миллиардов долларов. Определенные перспективы в этом плане связывают с разработкой лазеров на свободных электронах, использующих синхротронный эффект при прохождении пучка электронов через вигглер (магнитную гребенку), кпд которых может достигнуть 20 % при длине волны излучения 0,5 - 0,6 мкм. С декабря 2000 года идет комплексная проверка системы НПРО на базе водород-фторного лазера «Альфа-ХЕЛ», которые являются частью программы SBL-IFX (Space Based Lasers Integrated Flight Experiments) с началом эксплуатации в 2020 году.

Что касается отечественных разработок в этой области, то можно упомянуть проект «Терра» (1983-87 годы) по установке газодинамического лазера массой около 60 тонн на самолет Ил-76 МД («А-60»); создание в 1985 году корабельной лазерной системы ПВО «Айдар», способной прожечь обшивку самолета на высоте 400 метров; и, наконец, лазерное русское чудо - газодинамический СО2-лазер мощностью 1 МВт, разработанный в ТРИНИТИ, НПО «Алмаз» и НИИ электрофизической аппаратуры имени Д.В.Ефремова; на основе этой разработки создан мобильный (на двух прицепах) комплекс МЛТК-50 мощностью 2 кВт.

Определенный интерес представляет история создания мощных лазеров для программ противоракетной обороны. В начале 60-х годов прошлого века, когда идея лазера - генератора мощного когерентного остронаправленного светового луча - стала обрастать в физических лабораториях «железом» технических решений, появились реальные возможности создания оптических квантовых генераторов с большой мощностью и энергией излучения (в те годы в у нас еще не был принят заимствованный из английского языка термин «лазер»). Основополагающие труды по квантовой электронике и мазерам Чарльза Таунса, Александра Прохорова и Николая Басова были удостоены Нобелевской премии в 1964 году. С начала 60-х годов на специалистов обрушилась лавина сообщений по лазерной тематике: в каждом номере ведущих физических и инженерных журналов публиковались новые идеи, схемы и конструкции лазеров, предложения, расчеты, результаты экспериментов. Главным научным центром нашей страны, где выполнялись пионерские работы по квантовым генераторам и, в частности, по лазерам стал Физический институт имени П.Н. Лебедева АН СССР (ФИАН). Ученые ФИАНа, в первую очередь группы, которыми руководили А.М. Прохоров и Н.Г.Басов, в начале 60-х годов сосредоточили свои усилия на увеличении энергии и мощности лазерного излучения, а также на поиске новых типов лазеров. В институте царила атмосфера оптимизма и уверенности в возможности достижения высоких энергетических характеристик лазеров. Достаточно быстро (в течение всего нескольких! лет) исследователями были получены выдающиеся результаты по совершенствованию лазеров и повышению мощности их излучения, открывшие перспективы создания оружия на их основе, названного вскоре «лазерным оружием». В ряде развитых стран мира, в первую очередь в США и СССР, началась гонка, финиш которой, как надеялись, принесет победителю обладание оружием большой силы и дальности действия, позволяющим почти мгновенно поражать удаленную цель.

Проблемой особой важности в США и в СССР была (впрочем, и сейчас остается) противоракетная оборона (ПРО). Атмосфера, в которой зарождался проект использования лазеров в системе ПРО, определялась тем, что в 60-е годы и в СССР и в США создание систем ПРО рассматривалось как национальная стратегическая задача. В 1963 году заместитель министра обороны СССР (впоследствии министр обороны) А.А.Гречко обратился к президенту АН СССР М.В.Келдышу с просьбой оценить возможность военных применений лазеров. Тот, в свою очередь, запросил мнения ведущих физиков-лазерщиков из ФИАНа, в том числе Н.Г.Басова. В ответе АН СССР подчеркивался большой потенциал лазеров как для научных, так и для оборонных применений и предлагались новые направления работ по увеличению энергетики существовавших в то время лазеров и созданию лазеров новых типов.

Специалисты в области ПРО из ОКБ «Вымпел», главным конструктором и идейным руководителем которого в те годы был Г.В.Кисунько, уже осознали и оценили необходимость решения ряда коренных научно-технических проблем, связанных с возможностью создания и характеристиками систем ПРО. Среди этих проблем первостепенное значение имело точное определение координат головных частей баллистических ракет для наведения на них с минимальным промахом противоракет, в которых вместо ядерных зарядов используются осколочные средства поражения. Отказ от ядерных зарядов в противоракетах облегчал условия работы системы ПРО, т. к. устранялись трудности, связанные с последствиями ядерного взрыва боевой части противоракеты для собственных радиолокаторов, не говоря уже о возможном воздействии таких взрывов над собственной территорией на наземные объекты и население. Фактором, вызвавшим интерес специалистов по ПРО к высокоэнергетическим лазерам, была скорость доставки лазерной энергии к цели, примерно в сто тысяч раз превышавшая скорость полета противоракеты. Это позволяло сэкономить драгоценные секунды, которых так не хватало разработчикам систем на этапе «ближнего» перехвата, когда, с одной стороны, в атмосфере уже сгорают ложные цели и головную часть баллистической ракеты легче обнаружить, а с другой -остаются считанные секунды до ее «прибытия».

Еще в 1962 году специалистами ОКБ «Вымпел», головной организации СССР по созданию системы ПРО, при непосредственном участии Н. Г. Басова и его ближайшего сотрудника О.Н.Крохина, начала изучаться возможность поражения головной части баллистической ракеты лазерным лучом. Оценки показывали, что для этого потребуется создать лазеры с предельно высокой энергией излучения (на много порядков больше, чем в лазерном локаторе), поскольку головная часть баллистической ракеты - прочное устройство, рассчитанное на большие механические и тепловые нагрузки. Для решения задач в интересах ПРО были нужны лазеры с энергией в импульсе, превышающей достигнутую в 1962 - 1964 годах энергию для лазерной локации в сотни раз, а для поражения головной части баллистической ракеты - в десятки миллионов раз. Какая же именно энергия лазерного луча необходима для поражения головной части баллистической ракеты, было неясно. С самого начала в коллективе Н.Г.Басова понимали, что шансов на поражение головной части баллистической ракеты тепловыми эффектами, вызываемыми нагревом лазерным излучением, мало. О.Н.Крохин предложил использовать для этой цели механический импульс отдачи, возникающий при быстром испарении внешнего слоя теплозащитной оболочки головной части баллистической ракеты под воздействием лазерного излучения высокой интенсивности. Этот механизм требовал тщательного теоретического и экспериментального изучения, однако сама принципиальная возможность такого способа поражения в те годы не вызывала сомнений. В 1964-1965 годах удалось убедить военно-промышленное руководство страны, в первую очередь Д.Ф.Устинова, а также ряд других государственных и военных руководителей в том, что эту проблему, в принципе, можно решить. Надо сказать, что Д.Ф.Устинов, будучи по образованию инженером, глубоко понимал решающую роль науки в развитии военной техники, был доступен для крупных ученых и конструкторов и с интересом поддерживал новые проекты, обещавшие прогресс в военной технике. Авторитет его в вопросах оборонной техники, науки и промышленности был колоссальным, а мнение - почти всегда решающим.

В 1962 году в СССР была утверждена первая государственная программа исследований по известным в то время направлениям лазерной науки и техники. Она не была непосредственно привязана к возможным военным применениям лазеров и предусматривала создание лазеров различных типов (на кристаллах, стеклах, газах, полупроводниках). Предусматривались и работы по таким лазерам, которые при внимательном рассмотрении оказались впоследствии несостоятельными, например по лазерам на водороде (имелось в виду создание лазера на переходах орто- и параводорода). Наряду с ведущим институтом АН СССР ФИАНом, возглавлявшимся в те годы Д.В.Скобельцыным, где лазерной тематикой руководили А.М.Прохоров и Н.Г.Басов, к выполнению работ по лазерам подключились коллективы многих других научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро и высших учебных заведений. В первую очередь надо назвать Государственный оптический институт (ГОИ) им. С.И.Вавилова в Ленинграде (отделы М.П.Ванюкова, А.М.Бонч-Бруевича), оборонный Научно-исследовательский институт прикладной физики (научный руководитель Л.Н.Курбатов) в Москве, Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова (МГУ, физический факультет, Р.В.Хохлов и С.А.Ахманов), научно-исследовательские институты атомной и электронной промышленности. Число научных и промышленных организаций, а также высших учебных заведений, занявшихся исследованиями и созданием лазеров, нарастало лавинообразно и уже к середине 60-х годов, вероятно, достигало в СССР сотни. Как и в других областях новой техники и технологии, военные проявляли значительный интерес к оборонным применениям лазеров, поддерживая и финансируя значительную часть работ ученых за счет оборонных статей бюджета.

Одним из первых вариантов такого применения явилось создание лазерного локатора ЛЭ-1. Для лазерной локации особый интерес представлял новый в те годы режим гигантского импульса (позже названный режимом модуляции добротности) для генерации коротких и очень мощных импульсов лазерного излучения, впервые предложенный в США и во Франции. Создание лазеров с модулированной добротностью, излучавших импульсы наносекундной длительности, позволило приступить к оценке возможности их использования в импульсных высокоточных лазерных локаторах для ПРО. Группа молодых инженеров ОКБ «Вымпел» (В.Ф.Морсков, Н.И.Ломакин, Н.П.Куксенко, Ю.П.Шилохвост и др.), впоследствии ставших ядром разработчиков лазерных систем для ПРО, в лазерной лабораторией отдела под руководством Н.Д.Устинова (сын фактического руководителя военно-промышленного комплекса СССР Д.Ф.Устинова) выполняла начальные эксперименты. Он сам не был крупным специалистом, а являлся, скорее, влиятельной фигурой, участие которой объективно способствовало развитию лазерного направления в ОКБ «Вымпел». Основной движущей силой были научные достижения ФИАНа, в частности группы Н.Г.Басова. В результате проведенных в ОКБ «Вымпел» исследований, опиравшихся в отношении самих лазеров на работы и прогнозы группы Н.Г.Басова, в начале 1963 года в Военно-промышленную комиссию (ВПК, орган государственного управления военно-промышленным комплексом СССР) был представлен проект создания экспериментального лазерного локатора для ПРО, получившем о условное название ЛЭ-1. Первоначально предполагалось построить локатор на основе рубинового лазера со средней мощностью излучения порядка 1 кВт при импульсной мощности десятки мегаватт в режиме гигантского импульса.

Решение о создании на Балхашском противоракетном полигоне высокоточного экспериментального локатора ЛЭ-1 для определения координат головных частей баллистических ракет на дальностях до 400 км было утверждено в сентябре 1963 года. Предполагалось достичь высокого пространственного и углового разрешения локатора - единицы метров и угловых секунд для того, чтобы «разглядеть» отдельные элементы сложной цели, например боеголовки, окруженной фрагментами ракеты и ложными целями, что должно было, по замыслу разработчиков, в известной мере решить проблему селекции настоящей боеголовки на фоне ложных целей.

В 1964-1965 годах проект ЛЭ-1 разрабатывался и конкретизировался специалистами ОКБ «Вымпел» (лаборатория Г.Е.Тихомирова в подразделении, возглавлявшемся О.А.Ушаковым). Работы по оптическим системам локатора велись в ГОИ в лаборатории П.П.Захарова, где совместно с инженерами ОКБ «Вымпел» создавалась оптическая схема локатора. Локатор должен был осуществлять за короткое время поиск целей в «поле ошибок» радиолокаторов, обеспечивавших целеуказание лазерному локатору, что требовало весьма высоких по тем временам средних мощностей лазерного излучателя. Потребовалось создать высокоточные быстродействующие оптические устройства для формирования, переключения и наведения 192 лазерных лучей, определявших поле поиска в пространстве цели. Локатор был построен и начал функционировать только в середине 70-х годов.

С организацией ЦКБ «Луч» и переводом лазерной тематики в Министерство оборонной промышленности работы по локатору ЛЭ-1 ускорились и стали на реальную основу. К его созданию были привлечены дополнительные силы ряда предприятий оптической отрасли. В 1970-1971 годах разработка локатора была завершена. Силами ЛОМО и ленинградского завода «Большевик» (где директором в предвоенные годы недолго был Д.Ф.Устинов) создавался уникальный по комплексу параметров телескоп ТГ-1 для ЛЭ-1. Этот телескоп с диаметром главного зеркала 1.3 м обеспечивал высокое оптическое качество лазерного луча при работе со скоростями и ускорениями в сотни раз более высокими, чем у классических астрономических телескопов. Были созданы многие новые узлы локатора: быстродействующие точные сканирующие и переключающие системы для управления лазерным лучом, фотоприемники, электронные блоки обработки сигналов и синхронизации и другие устройства. Разработанный ЦКБ «Геофизика» лазерный передатчик, включал 192 весьма совершенных по тому времени лазеров, систему их охлаждения и электропитания. Для ЛЭ-1 было организовано производство высококачетвенных лазерных кристаллов рубина, нелинейных кристаллов КБР и многих других элементов.

В 1974 году наладочные работы на локаторе были завершены и начались его поэтапные испытания при участии военных специалистов полигона и инженеров всех предприятий-разработчиков. Испытания позволили получить надежные экспериментальные данные по всем важнейшим параметрам ЛЭ-1 и в целом подтвердили работоспособность и достижение большинства заданных характеристик. В 1980 году постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР локатор ЛЭ-1 по результатам испытаний был принят как средство для точных траекторных измерений на Балхашском полигоне. С помощью ЛЭ-1 впоследствии велись локационные траекторные измерения орбит ряда советских и зарубежных спутников и космических кораблей. При этом предпринимались меры предосторожности, чтобы сигналы (хотя и относительно небольшой мощности) лазерного локатора не нанесли какого-либо ущерба функционированию чувствительной аппаратуры, размещенной на космических аппаратах. Вопреки утверждениям, встречавшимся в иностранной печати, работы локатора по пилотируемым космическим аппаратам и станциям, как по советским; так и по американским, были весьма ограничены и фактически запрещены.

Сейчас ЛЭ-1, к сожалению, «ржавеет» в казахстанской каменистой степи, многие его части разломаны и разбиты, устарели физически и морально. Предпринимались попытки совместно с казахстанскими учеными «оживить» локатор, но эта весьма дорогостоящая работа не получила развития, ведь ЛЭ-1 теперь находится в другом государстве - суверенном Казахстане.

Поскольку основной задачей ОКБ «Вымпел» было создание комплексов и систем оружия ПРО, то особый интерес вызвало высказанное в конце 1964 г. весьма оптимистичное предложение Н.Г.Басова и О.Н.Крохина, поддержанное затем и рядом других ученых, о принципиальной возможности прямого поражения (разрушения или повреждения оболочки) головной части баллистической ракеты мощным лазерным излучением. У О.Н.Крохина родилась идея использования для накачки лазеров самого мощного источника света: излучения, возникающего при взрыве атомного заряда в воздухе. Такой экзотический источник по мощности и энергии излучения превосходил другие источники на много порядков. В 1964 года американские ученые опубликовали сообщение о получении на лабораторном фотодисоционном лазере излучения с небольшими мощностью и энергией. Несколько позже, в 1966 году, в США импульсная энергия излучения такого лазера была доведена до 100 Дж. Н.Г.Басов и О.Н. Крохин предложили применить именно этот тип лазера для достижения предельно высоких энергетических характеристик при его оптической накачке излучением высокотемпературных взрывных источников (американцы не использовали такие источники). Создание очень мощных неламповых источников света с требуемым спектром для накачки (фотодиссоциации) молекул рабочего вещества лазера было одной из основных проблем разработки фотодиссоционных лазеров.