В радиационной термодинамике hohlraum ( нем. [ˈhoːlˌʁaʊ̯m] ) ; неспецифическоенемецкое слово для «пустого пространства», «пустой комнаты» или «полости») — полость, стенки которой находятся влучистом равновесиислучистой энергиейвнутри полости. Впервые предложеннаяГуставом Кирхгофомв 1860 году и использованная при изученииизлучения черного тела(hohlraumstrahlung),[1]эта идеализированная полость может быть аппроксимирована на практике полым контейнером из любогонепрозрачногоматериала. Излучение, выходящее через небольшое отверстие в стенке такого контейнера, будет хорошим приближением излучения черного тела при температуре внутри контейнера.[2]Действительно, hohlraum можно даже построить из картона, как показано в «Черном ящике для тела» Перселла, демонстраторе hohlraum.[3]
В спектроскопии эффект Хольраума возникает, когда объект достигает термодинамического равновесия с окружающим его хольраумом. Вследствие закона Кирхгофа все оптически смешивается, и контраст между стенками и объектом фактически исчезает. [4]
Хольраумы используются в экспериментах по физике высокой плотности энергии (HEDP) и инерциальному термоядерному синтезу (ICF) для преобразования лазерной энергии в тепловые рентгеновские лучи для взрывающихся капсул, нагрева мишеней и генерации волн теплового излучения. [5] Они также могут использоваться в конструкциях ядерного оружия.
Подход с косвенным приводом к инерционному удержанию термоядерного синтеза заключается в следующем: капсула с термоядерным топливом удерживается внутри цилиндрического хольраума. Корпус хольраума изготавливается с использованием элемента с высоким атомным числом (Z), обычно золота или урана. Внутри хольраума находится топливная капсула, содержащая дейтериевое и тритиевое (DT) топливо. Замороженный слой DT-льда прилипает внутри топливной капсулы. Стенка топливной капсулы синтезируется с использованием легких элементов, таких как пластик, бериллий или углерод высокой плотности, т. е. алмаз. Внешняя часть топливной капсулы взрывается наружу при абляции рентгеновскими лучами, создаваемыми стенкой хольраума при облучении лазерами. Из-за третьего закона Ньютона внутренняя часть топливной капсулы взрывается, в результате чего DT-топливо становится сверхсжатым, активируя реакцию термоядерного синтеза.
Источник излучения (например, лазер ) направлен на внутреннюю часть хольраума, а не на саму топливную капсулу. Хольраум поглощает и повторно излучает энергию в виде рентгеновских лучей , этот процесс известен как непрямой привод. Преимущество этого подхода по сравнению с прямым приводом заключается в том, что структуры высоких мод из пятна лазера сглаживаются, когда энергия повторно излучается стенками хольраума. Недостатком этого подхода является то, что асимметрию низких мод сложнее контролировать. Важно иметь возможность контролировать как асимметрию высоких мод, так и асимметрию низких мод для достижения равномерной имплозии .
Стенки хольраума должны иметь шероховатость поверхности менее 1 микрона, и, следовательно, требуется точная обработка во время изготовления. Любое несовершенство стенки хольраума во время изготовления приведет к неравномерному и несимметричному сжатию топливной капсулы внутри хольраума во время инерционного удержания термоядерного синтеза. Следовательно, несовершенство должно быть тщательно предотвращено, поэтому отделка поверхности чрезвычайно важна, так как во время лазерных выстрелов ICF из-за высокого давления и температуры результаты сильно подвержены шероховатости текстуры хольраума. Топливная капсула должна быть точно сферической, с шероховатостью текстуры менее одного нанометра, чтобы началось зажигание термоядерного синтеза. В противном случае нестабильность приведет к срыву термоядерного синтеза. Топливная капсула содержит небольшое заливочное отверстие диаметром менее 5 микрон для впрыскивания в капсулу DT-газа.
Интенсивность рентгеновского излучения вокруг капсулы должна быть очень симметричной, чтобы избежать гидродинамической нестабильности во время сжатия. Более ранние конструкции имели радиаторы на концах хольраума, но оказалось сложно поддерживать адекватную рентгеновскую симметрию с такой геометрией. К концу 1990-х годов физики-мишени разработали новое семейство конструкций, в которых ионные пучки поглощаются стенками хольраума, так что рентгеновские лучи излучаются из большой доли телесного угла, окружающего капсулу. При разумном выборе поглощающих материалов эта конструкция, называемая мишенью с «распределенным излучателем», дает лучшую рентгеновскую симметрию и усиление мишени в моделировании, чем более ранние конструкции. [6]
Термин hohlraum также используется для описания оболочки термоядерной бомбы , следующей за конструкцией Теллера-Улама . Цель оболочки — удерживать и фокусировать энергию первичной ( делительной ) стадии для того, чтобы взорвать вторичную ( синтезную ) стадию.