Лазер Shiva был мощным 20-лучевым инфракрасным неодимовым стеклянным (силикатным) лазером, построенным в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в 1977 году для изучения инерциального удержания термоядерного синтеза (ICF) и лазерно-плазменных взаимодействий большой длины. Предположительно, устройство было названо в честь многорукой формы индуистского бога Шивы из -за многолучевой структуры лазера. Шива сыграл важную роль в демонстрации особой проблемы сжатия целей с помощью лазеров, что привело к созданию нового крупного устройства для решения этих проблем — лазера Nova .
Основная идея любого устройства ICF заключается в быстром нагреве внешних слоев «мишени», обычно небольшой пластиковой сферы, содержащей несколько миллиграммов термоядерного топлива, как правило, смеси дейтерия и трития . Тепло сжигает пластик в плазму , которая взрывается на поверхности. Из-за третьего закона Ньютона оставшаяся часть мишени движется внутрь, в конечном итоге схлопываясь в небольшую точку очень высокой плотности. Быстрый выброс также создает ударную волну , которая движется к центру сжатого топлива. Когда она встречается с собой в центре топлива, энергия в ударной волне еще больше нагревает и сжимает крошечный объем вокруг нее. Если температура и плотность этого небольшого пятна достаточно высоки, произойдут реакции термоядерного синтеза.
Реакции синтеза высвобождают высокоэнергетические альфа-частицы , которые сталкиваются с топливом высокой плотности вокруг него и замедляются. Это еще больше нагревает топливо и может потенциально привести к тому, что это топливо также подвергнется синтезу. При правильных общих условиях сжатого топлива – достаточно высокой плотности и температуры – этот процесс нагрева может привести к цепной реакции , горящей наружу от центра, где ударная волна начала реакцию. Это состояние известно как «воспламенение», которое может привести к тому, что значительная часть топлива в мишени подвергнется синтезу, и высвободится значительное количество энергии.
На сегодняшний день большинство экспериментов ICF использовали лазеры для нагрева мишеней. Расчеты показывают, что энергия должна быть доставлена быстро, чтобы сжать ядро до его распада, а также создать подходящую ударную волну. Лазерные лучи также должны быть равномерно сфокусированы по внешней поверхности мишени, чтобы схлопнуть топливо в симметричное ядро. Хотя были предложены и другие «драйверы», лазеры в настоящее время являются единственными устройствами с правильным сочетанием характеристик.
Shiva вобрал в себя многие достижения, достигнутые в более ранних лазерах Cyclops и Argus , в частности, использование усилителей, изготовленных из пластин Nd:glass, установленных под углом Брюстера , и использование длинных вакуумных пространственных фильтров для «очистки» полученных лазерных лучей. Эти особенности с тех пор остались частью каждого лазера ICF, что приводит к длинным «лучам». В случае Shiva, лучи были длиной около 30 м.
Перед обжигом лазерное стекло Shiva «накачивалось» светом от ряда ксеноновых ламп-вспышек, питаемых от большой конденсаторной батареи. Часть этого света поглощается атомами неодима в стекле, переводя их в возбужденное состояние и приводя к инверсии населенности , которая подготавливает лазерную среду к усилению лазерного луча. Небольшое количество лазерного света, генерируемого извне, затем подавалось в лучевые каналы, проходя через стекло и усиливаясь в процессе вынужденного излучения . Это не особенно эффективный процесс; в общей сложности около ~1% электроэнергии, используемой для питания ламп, в конечном итоге усиливает луч в большинстве лазеров на неодимовом стекле.
После каждого модуля усилителя располагался пространственный фильтр , который использовался для сглаживания луча путем удаления любой неоднородности или анизотропии мощности, которые накапливались из-за нелинейных фокусирующих эффектов интенсивного прохождения света через воздух и стекло. Пространственный фильтр находится под вакуумом, чтобы исключить создание плазмы в фокусе (отверстии). [1]
После того, как свет прошел через конечный усилитель и пространственный фильтр, он затем использовался для экспериментов в целевой камере , лежащей на одном конце аппарата. 20 линий пучка Шивы каждый доставляли около 500 джоулей энергии, что вместе давало импульс длительностью ~0,5–1 наносекунды в 10,2 кДж инфракрасного света на длине волны 1062 нм или меньшие пиковые мощности в течение более длительного времени (3 кДж в течение 3 нс).
На момент завершения строительства в 1977 году все устройство, включая испытательное оборудование и здания, обошлось примерно в 25 миллионов долларов (сегодня это 126 миллионов долларов).
Shiva никогда не ожидала, что достигнет условий зажигания, и в первую очередь была задумана как система проверки концепции для более крупного устройства, которое должно было. Еще до того, как Shiva была завершена, конструкция этого преемника, тогда известного как Shiva/Nova, была хорошо продвинута. Shiva/Nova появится как Nova в 1984 году. Shiva была оснащена обширной аппаратурой, а ее целевая камера использовала высокоразрешающие, высокоскоростные оптические и рентгеновские приборы для характеристики плазмы, созданной во время имплозии.
Когда в 1978 году в Шиве начались эксперименты с мишенями, сжатие было увеличено примерно до 50–100 раз относительно первоначальной плотности жидкого водорода, или примерно до 3,5–7 г/мл. Для сравнения, плотность свинца составляет около 11 г/мл. Хотя это и впечатляет, этот уровень сжатия слишком низок, чтобы быть полезным в попытке достичь воспламенения, и намного ниже, чем предполагалось в ходе моделирования для этой системы.
Исследования причин более низкого, чем ожидалось, сжатия привели к пониманию того, что лазер был сильно связан с горячими электронами (~50 кэВ) в плазме, которая образовалась при нагревании внешних слоев мишени, посредством вынужденного комбинационного рассеяния . Джон Хольцрихтер, директор программы ICF в то время, сказал:
Лазерный луч создает плотную плазму, когда он сталкивается с материалом мишени. Лазерный свет отдает свою энергию электронам в плазме, которые поглощают свет. Скорость, с которой это происходит, зависит от длины волны и интенсивности. На Шиве мы нагревали электроны до невероятных энергий, но мишени не работали хорошо. Мы перепробовали много всего, чтобы уговорить электроны передать больше своей энергии мишени, но безуспешно.
Ранее было установлено, что поглощение лазерной энергии на поверхности благоприятно масштабируется с уменьшением длины волны, но в то время считалось, что ИК-излучение, генерируемое в лазере Shiva Nd:glass, будет достаточным для адекватного выполнения имплозии целей. Shiva доказал, что это предположение неверно, показав, что облучение капсул инфракрасным светом, скорее всего, никогда не достигнет зажигания или усиления. Таким образом, величайшим достижением Shiva стала его неудача, пример нулевого результата .
Исследования ICF обратились к использованию « оптического умножителя частоты » для преобразования входящего ИК-света в ультрафиолетовый с длиной волны около 351 нм, метод, который был хорошо известен в то время, но не был достаточно эффективным, чтобы быть стоящим. Исследования лазера GDL в Лаборатории лазерной энергетики в 1980 году впервые достигли эффективных методов утроения частоты, которые затем были использованы (впервые в LLNL) на преемнике Shiva, лазере Novette . Каждая система ICF с лазерным приводом после Shiva использовала этот метод.
24 января 1980 года землетрясение магнитудой 5,8 М ( первое в серии ) потрясло Ливермор и установку настолько, что срезало болты размером с кулак с Шивы; были проведены ремонтные работы, и лазер был вновь запущен в эксплуатацию месяц спустя. Многие эксперименты, включая тестирование « непрямого режима » сжатия с использованием хольраумов, продолжались на Шиве до его демонтажа в 1981 году. Целевая камера Шивы будет повторно использована на лазере Novette . Максимальный выход термоядерного синтеза на Шиве составил около 10 10 - 10 11 нейтронов за выстрел.