Jaderně čerpaný laser je laserové zařízení, jehož aktivní médium je excitováno ionizujícím zářením z jaderných reakcí (gama kvanta, elementární částice a vysokoenergetické atomové štěpné fragmenty ). Vlnová délka záření takového zařízení může být od vzdáleného infračerveného rozsahu až po rentgenové záření. Jedním z těchto laserů je jaderně čerpaný rentgenový laser, jehož hlavní energie laserového záření je generována v rentgenové oblasti elektromagnetického záření . Stávající rentgenové lasery jsou ovládány různými způsoby, mezi ty hlavní patří jaderný nebo termonukleární výbuch , inverzní záření excitovaného plazmového prostředí, záření excitovaného pevného prostředí nebo synchrotronové záření elektronového paprsku při průletu oblastí střídavě magnetického pole. pole ( laser FEL ).
Rentgenový laser s buzením aktivního prostředí pomocí energie jaderného výbuchu je jedním z nejvýkonnějších laserových zařízení současnosti. Každý takový moderní "výbušný" jaderný laser je zařízení na jedno použití, protože se vypaří, když exploduje jaderná nálož. Možným klíčem k řešení problému vytváření opakovaně použitelných jaderných „výbušných“ laserů by mohlo být využití technologie termonukleárních mikroexplozí, která se v současnosti používá v moderních experimentálních mikrovýbušných termonukleárních reaktorech .)
Při vytváření krátkovlnných laserů je třeba překonat zásadní obtíže. Aby se efekt zesílení elektromagnetického záření při průchodu aktivním prostředím projevil, je zapotřebí za prvé velký počet excitovaných atomů připravených emitovat stimulovaná emisní kvanta a za druhé vysoká pravděpodobnost interakce mezi kvanta a tyto atomy poskytující tuto stimulovanou emisi. Faktor zesílení záření je: K = s (N voz - Nosn ), kde s je průřez pro interakci kvant s atomy, Nos a Nosn jsou počty atomů v excitovaném a základním stavu. Za podmínek termodynamické rovnováhy je N woz < N main , takže absorpce převažuje nad stimulovanou emisí.
Pro získání laserového efektu je nutné vytvořit prostředí s inverzní populací atomů z hlediska energetických stavů: N voz > N main . Navíc ze základních zákonů kvantové fyziky vyplývá, že s µ l2. To znamená, že čím kratší je vlnová délka záření, tím obtížnější je realizovat jeho kvantové zesílení. Proto koncem 50. let vznikly první takové zesilovače v rádiové oblasti ( masery ) . V 60. letech 20. století byl sestrojen první optický generátor se spojitou vlnou ( helium-neonový laser ). V polovině 70. let umožnily metody nelineární optiky vytvořit lasery pracující v oblasti vakuového ultrafialového záření (excitované neonové atomy ) o síle asi 1000 A ( SSSR ). Na konci 70. let se ukázalo, že laserové schéma s vlnovou délkou asi 10-20 A, založené na vícenásobně nabitých iontech (například ionty selenu-74) s buzením pomocí vysokovýkonného laseru v optickém rozsahu (neodymový laser), byl prakticky proveditelný. Pro oblast rentgenového záření s vlnovou délkou menší než 10 A by měly být použity jaderné přechody a také Mössbauerův jev (záření kvant v krystalech bez „zpětného rázu“ atomu, a tedy bez posunu radiační frekvence v důsledku na Dopplerův jev ).
Pro podporu inverzní populace horních úrovní musí být excitační výkon mnohem větší než ten, který je rozptýlen ve formě samovolného záření v médiu (tepelné ztráty atd.). Jak známo, energie kvanta je úměrná frekvenci záření a navíc pravděpodobnost spontánního záření, zbytečně odnášejícího energii vnějšího zdroje buzení, je úměrná třetí mocnině frekvence záření. záření. Když to vezmeme v úvahu, získáme, že výkon potřebný k udržení inverzní populace je W µ n4 µ l-4. cm³ (zábleskové lampy, chemické reakce), pak pro rentgenový laser s vlnovou délkou asi 0,5 nm hustota energie „čerpadla“ by měla být přibližně 10 10 - 10 15 W / cm² (!). Tak vysoké energetické hladiny při „pumpování“ lze dosáhnout pouze pomocí jaderného výbuchu, případně v ohnisku výkonného pulzního laseru.
V roce 1984 byly laserové rentgenové paprsky generovány v plynném médiu ve Spojených státech pomocí vysoce výkonného dvoupaprskového optického laseru „NOVETTA“ a „NOVA“ ( Livermore , Lawrence Livermore National Laboratory ) jako zdroje čerpadla, přičemž každý paprsek který měl hustotu výkonu 5 × 10 13 W / cm² v pulzu o délce 450 pikosekund při vlnové délce 5320 A. V ohnisku laseru byl umístěn terč - nejtenčí film o rozměrech 0,1 × 1,1 cm ze selenu -74 nebo yttrium . Paprsek odpařil cíl a vytvořil plazmu z neonových iontů těchto kovů. Srážky s elektrony v plazmatu způsobily excitaci iontů, která skončila stimulovanou emisí o vlnové délce 206,3 A a 209,6 A pro selen a 155 A pro ionty yttria. Dosažený zisk přesáhl 100 miliardkrát.
Ve stejném roce bylo v Laboratory of Plasma Physics ( Princeton , USA ) pomocí výkonného IR laseru na molekulách oxidu uhličitého možné získat laserový efekt v uhlíkovém plazmatu o vlnové délce 182 A. Jejich pumpový laser měl pulzní výkon cca 20 GW. Laserový paprsek byl zaměřen na oblast o průměru asi 0,2 mm, což umožnilo dosáhnout hustoty energie asi 10 13 W / cm².V těchto experimentech bylo poprvé použito rentgenové sférické zrcadlo s pro zvýšení zisku laseru bylo použito střídání vrstev molybdenu o síle 35 A a křemíku. tloušťka 60 A. Každá vrstva molybdenu slabě odráží rentgenové záření, ale paprsky odražené od po sobě jdoucích vrstev se sčítají a vlivem interference jsou zesíleny, takže koeficient odrazu zrcadla se zvyšuje a dosahuje 62-75%.
V roce 1986, s kompletně ionizovanými atomy fluoru v ohnisku silného laseru, výzkumníci získali laserové záření o vlnové délce 80 A. exploze. Vývoj v tomto směru, s cílem vytvořit bojový laser pracující v rentgenové části spektra, probíhal v USA ( E. Teller , Livermore National Laboratory ). Během podzemních jaderných výbuchů v roce 1983 ( test site Nevada ) byly provedeny hodnotící testy prvních rentgenových laserů.
V roce 1983 byla publikována první zpráva o parametrech laserového záření naměřených během experimentu: vlnová délka byla asi 14 A, doba trvání pulzu Ј 10 −9 s, výkon záření z rentgenového laseru při atomové explozi přesáhl 400 terawattů (!). Konstrukce laseru nebyla podrobně popsána, ale vešlo ve známost, že jeho pracovním prostředím jsou tenké kovové tyče.
Po výbuchu jaderné nálože se látka pracovních tyčí promění v plně ionizované plazma. Když se teplota elektronů poněkud sníží a rekombinace začne převážně na nižší úrovně, dochází k záření v rentgenové části spektra. Vzhledem k tomu, že doba emise plazmatu se měří v pikosekundách a oblak plazmatu zahřátý na miliony stupňů nemá čas výrazně změnit svou geometrii, zachovává si tvar a směr pracovní tyče. Protože zrcadla pro práci s rentgenovým zářením o vlnové délce cca 10 A ještě neexistují (viz RTG zrcadlo ), měl by rentgenový laser pravděpodobně fungovat bez rezonátoru . Proto bude divergence paprsku určena dvěma faktory: difrakcí a geometrií tyče. Přesněji řečeno, největší hodnota z nich. Vezmeme-li malou hodnotu divergence, dostaneme optimální hodnotu průměru: D = (lL) 1/2 . Pro vlnové délky kolem 10-14 A a L = 7 m to dává D = 0,1 mm. I když se geometrie látky během ionizace a rekombinace nevýznamně změní, divergence paprsku dosáhne ~10 −5 rad. Podrobnější výpočet však ukazuje, že v době rekombinace se může svazek plazmatu rozšířit až na 0,8–1 mm, v tomto případě bude divergence laserového paprsku řádově 10 −4 až 10 −5 .
Ke zničení mezikontinentální střely, tedy k dosažení hustoty energie asi 10–20 kJ/cm² na vzdálenost až 1000 kilometrů s divergenci paprsku 10 ve vzdálenosti tyče od jaderné nálože ~ 1 m, nabíjecí výkon by měl být asi 10 15 J, nebo asi dvě stě kilotun ekvivalentu TNT . V tomto případě pravděpodobně připadne lví podíl energie jaderného výbuchu na odpaření pracovních tyčí (tyč) a samotná struna není orientována k náboji koncem, ale bočním povrchem. V literatuře na toto téma se však zmiňují náboje s mnohem nižším výkonem. Je možné použít ne jednu, ale několik desítek (asi 50-100) paralelně orientovaných tyčí zaměřených na cíl. Je také možné, že se inženýři pokusí vytvořit koncentrátor energie výbuchu na jedné struně s využitím efektu odrazu rentgenového záření od krystalů nebo vícevrstvých rentgenových zrcadel (s vysokou odrazovou charakteristikou) a v této oblasti se očekává výrazný úspěch.
Moderní technologie umožňují vytvořit dostatečně kompaktní rentgenové lasery (o hmotnosti cca 1-2 tuny), které jsou vhodné pro vypouštění na oběžnou dráhu pomocí balistických raket . Počítačové ovládání jednotlivých tyčí umožní zasáhnout až několik desítek cílů současně nebo zaručeně zasáhnout jeden. Z řady publikací lze tedy usoudit, že rentgenový laser se při odpovídajícím rozvoji technologií může stát jedním z hlavních nástrojů vesmírných zbraní a systémů protiraketové obrany .
V roce 1995 se v médiích objevily informace o vytvoření výkonné elektrárny OKUYAN v Obninsku. Energetický model systému pulzní reaktor-laser — jaderně čerpaný optický kvantový zesilovač (OKUYAN) — byl vyvinut specialisty z SSC RF IPPE pro experimentální demonstraci jedinečného výkonu a energetických kvalit jaderně čerpaných laserů.
V roce 2012 zdroj [1] uvedl, že RFNC-VNIITF (Snezhinsk) vytvořil plynový laser čerpaný z jaderného reaktoru, pracující na xenonovém atomovém přechodu, s vlnovou délkou 2,03 μm. Výstupní energie laserového pulsu byla 500 J při špičkovém výkonu 1,3 MW. Toto zařízení je nejkompaktnější z hlediska použitého objemu aktivního plynného média (měrná energie laserového záření byla 32 J/dm³).