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带你了解世界上最大的激光器

2015-11-09 14:26
Hsiao Chen
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  2009年,位于加利福尼亚州利弗莫尔劳伦斯国家实验室的“国家点火装置”(National Ignition Facility)正式建成。国家点火装置(NIF)是美国建造的,目前世界上最大和最复杂的惯性约束聚变研究装置,用于在实验室条件下实现聚变点火。

  国家点火装置的主要任务有三个:

  1.支持核武器库存管理计划;

  2.进行聚变能研究;

  3.进行基础科学研究。

  国家点火装置布局示意图

  通过建造国家点火装置以及未来在其上开展的研究,美国将实现如下四个主要目标:

  1.对核爆模拟的建模和模拟程序进行验证,并进行核武库的评估和认证,确保在禁试条件下核武器的安全性和可靠性;

  2.保持核武器科学家的技能,并吸引和培养核武器科学人才;

  3.解决聚变能物理的问题,为未来的能源决策提供依据;

  4.扩展基础科学研究领域。国家点火装置的建成将给美国的核武器研究和国防工业带来深远的影响。

  NIF于1997年开始建设,建成时已投资约35亿美元。这是一座大型装置,占地约一个足球场大小。长约200米,宽约85米,整个球体由18块铝材外壳拼接而成,每块外壳均约10厘米厚。球体外壳上正方形窗口就是激光束的入口,而圆形窗口则是用来安装和调节诊断装置,诊断装置共有近100个分片。运行时必须启动近六万个高科技装置。

  国家点火装置照片

  它主要由两部分构成。一部分是高能量紫外激光器系统,将来自主振荡器的低功率激光脉冲修正、充分放大后,准确地射在微型靶丸上。主要激光元件包括光脉冲发生器、放大器、驱动放大器的脉冲驱动系统、光学开关、光学聚能器以及激光束控制系统。激光器系统的能量和功率分别为现有的NOVA激光器的40倍和10倍,可提供波长为0.35微米、总能量为1.8兆焦耳的192束矩形激光,每束光边长约40厘米,排成48束线,每束线4束光。总输出脉宽为4PS,功率为500亿瓦。另一部分是一个可容纳近百个诊断装置的直径为10米、重量为450吨的靶室,靶室内安置了一个放置靶丸的中空圆柱体(黑腔),圆柱体内外为金衬。

  在实验过程中,192束激光束将在十亿分之一秒的时间内同时(误差不超过30皮秒)发射,聚集在靶室内直径约为0.44厘米的氘氚靶丸上,使其发生聚变反应,此时温度可达到一亿度,压力超过一千亿个大气压。这一过程将持续足够长的时间,使研究者可以精确地测量核反应的温度、压力机其他特性。

  目前,美国在许多研究装置上进行着各种实验,主要目的是验证靶设计,并开发先进的实验方法。美国已于2010年开始进行NIF点火实验。在此之前需要进行包括一系列优化和测试试验在内的调试工作,以获得必要的关键激光和靶丸参数。点火试验对靶丸工作性能的要求主要有力学性能、对称性、激波时序以及流体动力学,美国通用原子公司、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室正在开展合作,以设计和制造靶丸。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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