Главная страница  Принципиальная схема лазера 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [ 33 ] [34] [35]

чения. Поток энергии на цели вычисляется по формуле (см. выражение (4.4)):

gW,,„im\ (7.2)

где т -время действия, Z, - расстояние до цели, 9 -угол расходимости лазерного излучения.

Параметр й = изл-т/9 - энергетическая яркость излучения - определяет количество энергии, выделяемое источником в единицу телесного угла. Используя его и зная энергетический порог поражения цели [q] (уровень энергии на поверхности, при которой начинается разрушение), можно представить выражение (7.2) в виде 1 = уВ/[д]. Ориентировочные значения [q] двигательных установок баллистических ракет находятся в пределах 2 • 10... 2 • 10 кДж/м. Если зеркало телескопа системы формирования излучения имеет размер - 10 м, то дифракционная расходимость для Х - З-Ю- м составляет ~5-10- рад. Тогда время поражения цели на расстоянии 1000 км лазером мощностью 5 МВт будет около 5 с, т. е. с помощью системы с полным временем,работы 1000 с можно поразить до 200 целей. Несмотря на реальные возможности создания лазеров такой мощности, до практической реализации космических систем предстоит решить еще огромный круг задач, связанных с управлением комплексом, обнаружением, идентификацией целей, наконец, выводом его в космос и функционированием на орбите.

7.3. Лазерный термоядерный синтез

Синтез ядер легких элементов является одной из наиболее энергетически эффективных реакций. Лишь процесс анниги-i ляции вещества с антивеществом, где в энергию может превращаться до 100% массы покоя реагирующих частиц - еще более эффективный источник энергии. До сих пор термоядерная реакция синтеза в земных условиях осуществлена лишь в неуправляемом виде -взрыве водородной бомбы. Слияние легких ядер при этом происходит в небольшом объеме вещества вследствие огромной энергии взрыва атомной бомбы.

В естественных условиях процесс слияния ядер атомов водорода осуществляется на Солнце и других звездах. Основная трудность осуществления реакции синтеза на Земле связана с необходимостью преодоления действия кулоновских сил отталкивания одноименно заряженных ядер при их сближении до расстояния менее 10"* м, на котором вступают в действие

ядерные силы. Наиболее естественным способом обеспечения условий для начала реакции синтеза является повышение кинетической энергии движения частиц относительно друг друга до величины, превышающей кулоновский барьер, составляющий для ядер водорода -1,6-Ю-" Дж. Средняя кинетическая энергия £кин теплового движения частиц пропорциональна абсолютной температуре среды:

Отсюда получается, что для преодоления электрических сил огталкивания необходима высокая температура среды:

3 k

Из-за естественного распределения частиц по скоростям критическая температура может быть снижена на порядок, поэтому реальная температура, при которой обеспечиваются условия инициирования термоядерной реакции, составляет сто миллионов градусов (10 К). Именно такая температура возникает при взрыве ядерной бомбы. Однако при этом средняя скорость ядер превышает 10* м/с. Именно из-за высоких скоростей разлета плазмы этот процесс носит взрывной характер. Особенность солнечного термоядерного реактора заключается в огромных гравитационных силах, действующих на Солнце, которые способствуют удержанию плазмы. В отличие от Солнца, в условиях Земли слабые гравитационные силы не могут оказать никакого влияния на условия протекания реакций синтеза легких ядер. Для осуществления на Земле эффективного в энергетическом отношении, но еще не носящего характер разрушительного взрыва необходимо вместе с нагревом дейтерий-тритиевой плазмы (такая смесь имеет наименьшую из всех возможных температуру инициирования реакции синтеза) до температуры TW К удерживать эту плазму в течение определенного времени Дт от соприкосновения со стенками реактора для того, чтобы при заданной концентрации плазмы п большая ее часть успела вступить в реакцию с выделением энергии, превышающей энергию, за-граченную на ее нагрев. Это условие носит название критерия Лоусона и составляет /г-Дт>102° м" с. Например, при давлении газа порядка 1 Па время Дт должно превышать 1 с. Наиболее известным способом реализации этих условий является удержание плазмы с помощью мощных магнитных по-



лей. На основе этой идеи были созданы многочисленные экспериментальные установки, самыми известными из которых являются замкнутые тороидальные системы «Токомак». Установки «Токомак» и подобные им предназначены для работы в непрерывном (точнее в квазинепрерывном) режиме. Работа по их совершенствованию продолжается, однако она еще не завершена.

Уникальной особенностью лазера является возможность концентрации энергии излучения до значений, сравнимых с энергией ядерного взрыва. Поэтому сразу же после создания первых мощных импульсных лазеров Н. Г. Басов и О. И. Крохин предложили идею лазерного термоядерного синтеза (ЛТС). Для ее реализации необходимы импульсные лазеры, способные излучать за короткое время ~10~... ... 10-" с до 10 кДж энергии.

Наиболее перспективными считаются импульсные СОг-ла-зеры высокого давления, твердотельные лазеры на стекле с неодимом, фотодиссоционные и эксимерные лазеры. Самой крупной в мире на сегодняшний день является установка NOVA, запущенная в 1985 г. в Ливерморе (США) и представляющая собой каскад лазерного генератора и усилителей на неодимовом стекле (Л=1,06 мкм) с энергией более 100 кДж при длительности импульса 10- с. В системе предусмотрена возможность с помощью нелинейных кристаллов преобразовывать излучение на вторую (Л=а0,53 мкм) и третью (Л~0,35 мкм) гармоники с КПД соответственно 70 % и 50 %. В СССР создаются крупные лазерные установки для ЛТС на основе газовых лазеров. В качестве мишеней используются следующие вещества: дейтерид лития, дейтерирован-ный полиэтилен (CD12), твердый (замороженный) дейтерий, а также газообразная смесь дейтерия и трития высокого давления, заключенная в стеклянную оболочку. На рис. 98 показана схема экспериментальной установки для изучения проблем ЛТС на основе твердотельных лазеров на стекле с неодимом. Задающий генератор и первый каскад усиления имеют активные среды в виде стержней, а в последнем каскаде усилителя используются стеклянные диски. Последний каскад усиления в мощных установках выполняется по многоканальной схеме с целью равномерного сжатия мишени. Мишень расположена в сферической вакуумной камере, на стенках которой устанавливаются датчики нейтронов для контроля хода термоядерной реакции. Согласно критерию Лоу-

сона при твердотельной плотности (п»5-Юм-) достаточно лишь инерциального удержания плазмы в течение Дт» =»2•10- с. Это сравнимо с длительностью лазерного импульса. Радиус мишени из твердой смеси дейтерий-тритий г определяется из условия г = Узв-Дт, где у.,в = У2Г/ря - скорость распространения звуковых волн в среде; ря -средняя масса ядер. При температуре «зажигания» термоядерной реакции в смеси -2,5-108 2-10-3 м. Чтобы нагреть такую частичку лазерным лучом, необходима энергия около 10 Дж, что существенно превышает современные возможности лазеров. Решением этой проблемы послужила идея об импло-

/ 2

гЬЬп ;-„-гг-,л Г5--П----.п



Рис. 98. Схема экспериментальной лазерной установки для исследования ЛТС: i-лазерный генератор, II -блок формирования световых импульсов, III, V -лазерные усилители, V - оптическая фокусирующая система, VI - вакуумная камера; / - стержни активного тела (стекле с неодимом), 2 -лампы оптической накачки, 5 -диски активного тела (стекло с неодимом), 4 - мин1снь из легкого элемента, 5 -датчики нейтронов

зии (сферической комуляцни)-направленном внутрь мишени сферически симметричном взрыве.

Оценки, проведенные учеными из Лос-Аламосской лаборатории (США), показали, что, если использовать лазерный импульс специальной формы, то за счет быстрого испарения поверхностного слоя мишени можно осуществить ее сжатие до плотностей, в 10* раз превышающих нормальную плотность \ твердого водорода. При этом оказывается возможным получить в центре мишени температуры порядка 10» К при существенно меньших энергиях лазерного импульса (10... ... 10 Дж), что является вполне реальным.

Для промышленного использования ЛТС требуется создание термоядерных реакторов с энергией лазерного импульса в 3...5 МДж и частотой их повторения от 1 до 10 Гц. Один



из возмол<ных вариантов лазерного термоядерного реактор представлен на рис. 99.

Корпус реактора 3 представляет собой вакуумную камеру диаметром до 2 м с двойными стенками, между которыми прокачивается жидкий литий, который и поглощает выделяющуюся энергию синтеза. Нагретый литий поступает в тсп-лооб.меиник 6, где передает запас тепловой энергии воде, превращая ее в пар, приводящий в движение турбину. Тритий,


1., J -1

1 Воде т \

Нагретый литии

Рис. 99 Схема лазерного реактора; / - лазеры; 2-. дейтерий-тритиевые шарики; Л - охлаждаемый кор--пус реактора; 4 - холодильное устройство; 5 - дозатор подачи горючего; 6 - теплообменник; 7 - разделительное устройство; S - топливный резервуар

возникаюашй в литии под действием нейтронов, отделяется в специальном разделительном устройстве 7 и поступает в топливный резервуар 8. Таблетки ядерного горючего в виде сферических ледяных щариков из смеси дейтерия и трития 2 инжектируются в камеру реактора из холодильного устройства 4 - частотой 1 Гц. Лазерные лучи с оконечных каскадов усилителей / симметрично фокусируются в центре вакуумной камеры. При одном импульсе выделяется энергия околО

200 МДж. Имеются предложения использовать «зажигание» твердого термоядерного горючего лазерным лучом для создания двигателей космических аппаратов (см. п. 7.2.2). Реактивная сила возникает в них при истечении продуктов, обра-чующихся при последовательных небольших термоядерных взрывах.

7.4. Лазеры в медицине

Медицинские лазеры - одно из самых молодых и быстро развивающихся направлений лазерной техники. В настоящее время большинство высокоразвитых стран мира разрабатывает и производит медицинское лазерное оборудование.

Несмотря на огромное разнообразие областей применения и реализуемых технических решений все медицинские лазерные установки могут быть поделены на три основные группы: для оказания лечебных воздействий, для диагностических и вспомогательных целей.

Наиболее развито направление, связанное с непосредственным использованием лазеров в лечебном процессе. Первые лазерные лечебные установки - рубиновые коагуляторы для офтальмологии - были созданы в 1961 г, практически вместе с разработкой первых лазеров. В настоящее время для лечебных целей применяют практически все известные типы лазеров, при этом круг решаемых задач очень широк. ,

Использование лазеров для диагностики - новое направление их применения в медицине, имеющее большие перспективы. Эту группу составляют приборы для спектрального анализа, лазерные интерферометры, лазерные тахометры, различного рода измерители. Значительная часть из них пока остается лабораторными приборами.

К третьей группе можно отнести различные установки и устройства, например, для искусственного фотосинтеза, ферментной стимуляции роста клеток, системы передачи изображений, в том числе голографические и т. п. С чисто технической точки зрения вся совокупность выпускаемых в настоящее время лазерных лечебных установок может быть, в свою очередь, поделена иа две группы: высоко- и низкоинтенсивные.

Высокоинтенсивные установки позволяют оказывать непосредственно физическое (тепловое и силовое) воздействие за счет передачи энергии. Они применяются в хирургии, офтальмологии для проведения различных коагуляций, в том




[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [ 33 ] [34] [35]

0.0131