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美“國家點火裝置”開始實驗 揭秘世界最強雷射產生過程
引自科學網
2009年4月，耗資達35億美元的美國“國家點火裝置”(NIF, National Ignition Facilty)正式開始進行相關實驗，並計畫於2010年最終實現聚變反應。屆時會將192束雷射同時照射在一個微小的目標上，是迄今世界上性能最強大的雷射裝置。英國《新科學家New Scientist》雜誌網站4月13日撰文揭秘世界最強雷射產生過程。以下為全文：
“國家點火裝置”是美國國家核安全管理局(NNSA)的庫存管理計畫的關鍵環節。在受控實驗室條件下，“國家點火裝置”將進行聚變點火和熱核燃燒實驗，實驗結果將為NNSA提供相關武器生產條件的實驗手段。這些條件對NNSA在不開展地下核子試驗的條件下評估並驗證核武庫的工作至關重要。“國家點火裝置”實驗將研究武器效應、輻射輸運、二次內爆和點火相關的物理學機理，並支援函式庫存管理計畫繼續取得成功。“國家點火裝置”是目前世界上最大和最複雜的雷射光學系統，用於在實驗室條件下實現人類歷史上的第一次聚變點火。192束矩形雷射光束將在30英尺的靶室中實現會聚，其中靶室內含有直徑為0.44釐米的氫同位素靶丸。發生聚變反應時，溫度可達到1億度，壓力超過1000億個大氣壓。
以下是“國家點火裝置”產生最強雷射的幾大步驟：
1、安裝球形外殼
為了產生聚變所必須的高溫和高壓，“國家點火裝置”將彙聚其所有192束雷射光束同時射向一個氫燃料目標之上。“國家點火裝置”呈球形(如圖所示)，直徑約為10米，重約130噸。裝置內有一個目標聚變艙，點火實驗就發生於目標聚變艙內。整個球體由18塊鋁材外殼拼接而成，每塊外殼均約10釐米厚。球體外殼上正方形視窗就是雷射光束的入口，而圓形視窗則是用來安裝和調節診斷裝置，診斷裝置共有近 100個分片。
2、用調節器調整靶位
這是目標聚變艙內部的照片。雷射光束通過外殼上的入口進入目標艙，把將近500萬億瓦特的能量瞄準於位置調節器的尖端。圖中右側的長形帶有尖端的物體就是位置調節器，每次實驗的目標氫燃料球就置放於尖端之上。當所有雷射光束全部投入時，“國家點火裝置”將能夠把大約200萬焦耳的紫外線雷射能量聚焦到小小的目標氫燃料球之上，它比此前任何雷射系統所攜帶能量的60倍還要多。當雷射光束的熱和壓力達到足以熔化小圓柱目標中氫原子的時候，所釋能量要比雷射本身產生的能量更多。氫彈爆炸和太陽核心會發生這類反應。科學家相信，總有一天通過核聚變而不是核裂變會產生一種清潔安全的能源。
3、將燃料放入燃料艙(圓柱體)
進入“國家點火裝置”的所有192束雷射光束都將被引向圖中這個鉸筆刀大小的圓柱體。該圓柱體中將裝有聚變實驗所使用的目標燃料，目標燃料就是約為豌豆大小的球狀冰凍氫燃料。實驗時，雷射光束將通過各自視窗進入目標艙內，從各個方向壓縮和加熱氫燃料球，希望能夠產生自給能量的聚變反應。曾經有不少科學家認為可控核聚變反應是不可能實現的。近年來，科學家找到了一些點燃熱聚變反應的方法，美國研究人員找到的方法是利用高能雷射。雖然科學家們也嘗試了其他種核聚變發生技術，但從已完成的實驗效果看，雷射技術是目前最有效的手段。除雷射外，利用超高溫微波加熱法，也可達到點燃核聚變的溫度。
4、壓縮並加熱燃料
所有雷射光束進入這個金屬艙內部時，他們將產生強烈的X光線。這些X光線不僅僅可以把豌豆大小的氫燃料球壓縮成一個直徑只有人類頭髮絲截面直徑大小的小點，它還能夠將其加熱到大約300萬攝氏度的高溫。儘管雷射的爆發只能持續大約十億分之一秒，但物理學家們仍然希望這種強烈的脈衝可以迫使氫原子相互結合形成氦，同時釋放出足夠的能量以啟動周圍其他氫原子的聚變，直到燃料用盡為止。在雷射點火裝置內，一束紅外線雷射經過許多面透鏡和凹面鏡的折射和反射之後，將變成一束功率巨大的雷射光束。然後，研究人員再將該雷射光束轉變為192束單獨的紫外線雷射光束，照向目標反應室的聚變艙中心。當雷射光束照射到聚變艙內部時，瞬間產生高能X射線，壓縮燃料球芯塊直至其外殼發生爆裂，直到引起燃料內部的核聚變，從而產生巨大能量。
5、用磷酸二氫鉀晶體轉換雷射光束
雷射光束在進入目標艙內之前，必須要先由紅外線轉換成紫外線，因為紫外線對加熱目標燃料更為有效。雷射轉換過程必須要使用磷酸二氫鉀晶體(KDP, potassium dihydrogen phosphate)。圖中的這塊磷酸二氫鉀晶體重約360公斤。首先將一粒籽晶放入一個高約2米的溶液桶中，經過兩個月的培養才可形成如此巨型的晶體。然後將晶體切割成一個個截面積約為40平方釐米的小塊。“國家點火裝置”共需要大約600多塊這樣的晶體小塊。“國家點火裝置” 將被用於一系列天文物理實驗，但是，它的首要目的是幫助政府科學家確保美國“老年”核武器的可靠性。“國家點火裝置”專案的建造計畫於上世紀90年代早期提出，1997年正式開始建設。
New Scientist原文報導
World's highest-energy laser begins operating
* 18:50 13 April 2009 by Rachel Courtland
* For similar stories, visit the Galleries and Energy and Fuels Topic Guides
National Ignition Facilty官方網站
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引自科學網
2009年4月，耗資達35億美元的美國“國家點火裝置”(NIF, National Ignition Facilty)正式開始進行相關實驗，並計畫於2010年最終實現聚變反應。屆時會將192束雷射同時照射在一個微小的目標上，是迄今世界上性能最強大的雷射裝置。英國《新科學家New Scientist》雜誌網站4月13日撰文揭秘世界最強雷射產生過程。以下為全文：
“國家點火裝置”是美國國家核安全管理局(NNSA)的庫存管理計畫的關鍵環節。在受控實驗室條件下，“國家點火裝置”將進行聚變點火和熱核燃燒實驗，實驗結果將為NNSA提供相關武器生產條件的實驗手段。這些條件對NNSA在不開展地下核子試驗的條件下評估並驗證核武庫的工作至關重要。“國家點火裝置”實驗將研究武器效應、輻射輸運、二次內爆和點火相關的物理學機理，並支援函式庫存管理計畫繼續取得成功。“國家點火裝置”是目前世界上最大和最複雜的雷射光學系統，用於在實驗室條件下實現人類歷史上的第一次聚變點火。192束矩形雷射光束將在30英尺的靶室中實現會聚，其中靶室內含有直徑為0.44釐米的氫同位素靶丸。發生聚變反應時，溫度可達到1億度，壓力超過1000億個大氣壓。
以下是“國家點火裝置”產生最強雷射的幾大步驟：
1、安裝球形外殼
為了產生聚變所必須的高溫和高壓，“國家點火裝置”將彙聚其所有192束雷射光束同時射向一個氫燃料目標之上。“國家點火裝置”呈球形(如圖所示)，直徑約為10米，重約130噸。裝置內有一個目標聚變艙，點火實驗就發生於目標聚變艙內。整個球體由18塊鋁材外殼拼接而成，每塊外殼均約10釐米厚。球體外殼上正方形視窗就是雷射光束的入口，而圓形視窗則是用來安裝和調節診斷裝置，診斷裝置共有近 100個分片。
2、用調節器調整靶位
這是目標聚變艙內部的照片。雷射光束通過外殼上的入口進入目標艙，把將近500萬億瓦特的能量瞄準於位置調節器的尖端。圖中右側的長形帶有尖端的物體就是位置調節器，每次實驗的目標氫燃料球就置放於尖端之上。當所有雷射光束全部投入時，“國家點火裝置”將能夠把大約200萬焦耳的紫外線雷射能量聚焦到小小的目標氫燃料球之上，它比此前任何雷射系統所攜帶能量的60倍還要多。當雷射光束的熱和壓力達到足以熔化小圓柱目標中氫原子的時候，所釋能量要比雷射本身產生的能量更多。氫彈爆炸和太陽核心會發生這類反應。科學家相信，總有一天通過核聚變而不是核裂變會產生一種清潔安全的能源。
3、將燃料放入燃料艙(圓柱體)
進入“國家點火裝置”的所有192束雷射光束都將被引向圖中這個鉸筆刀大小的圓柱體。該圓柱體中將裝有聚變實驗所使用的目標燃料，目標燃料就是約為豌豆大小的球狀冰凍氫燃料。實驗時，雷射光束將通過各自視窗進入目標艙內，從各個方向壓縮和加熱氫燃料球，希望能夠產生自給能量的聚變反應。曾經有不少科學家認為可控核聚變反應是不可能實現的。近年來，科學家找到了一些點燃熱聚變反應的方法，美國研究人員找到的方法是利用高能雷射。雖然科學家們也嘗試了其他種核聚變發生技術，但從已完成的實驗效果看，雷射技術是目前最有效的手段。除雷射外，利用超高溫微波加熱法，也可達到點燃核聚變的溫度。
4、壓縮並加熱燃料
所有雷射光束進入這個金屬艙內部時，他們將產生強烈的X光線。這些X光線不僅僅可以把豌豆大小的氫燃料球壓縮成一個直徑只有人類頭髮絲截面直徑大小的小點，它還能夠將其加熱到大約300萬攝氏度的高溫。儘管雷射的爆發只能持續大約十億分之一秒，但物理學家們仍然希望這種強烈的脈衝可以迫使氫原子相互結合形成氦，同時釋放出足夠的能量以啟動周圍其他氫原子的聚變，直到燃料用盡為止。在雷射點火裝置內，一束紅外線雷射經過許多面透鏡和凹面鏡的折射和反射之後，將變成一束功率巨大的雷射光束。然後，研究人員再將該雷射光束轉變為192束單獨的紫外線雷射光束，照向目標反應室的聚變艙中心。當雷射光束照射到聚變艙內部時，瞬間產生高能X射線，壓縮燃料球芯塊直至其外殼發生爆裂，直到引起燃料內部的核聚變，從而產生巨大能量。
5、用磷酸二氫鉀晶體轉換雷射光束
雷射光束在進入目標艙內之前，必須要先由紅外線轉換成紫外線，因為紫外線對加熱目標燃料更為有效。雷射轉換過程必須要使用磷酸二氫鉀晶體(KDP, potassium dihydrogen phosphate)。圖中的這塊磷酸二氫鉀晶體重約360公斤。首先將一粒籽晶放入一個高約2米的溶液桶中，經過兩個月的培養才可形成如此巨型的晶體。然後將晶體切割成一個個截面積約為40平方釐米的小塊。“國家點火裝置”共需要大約600多塊這樣的晶體小塊。“國家點火裝置” 將被用於一系列天文物理實驗，但是，它的首要目的是幫助政府科學家確保美國“老年”核武器的可靠性。“國家點火裝置”專案的建造計畫於上世紀90年代早期提出，1997年正式開始建設。
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