世界最大激光器：192束激光點燃人造太陽

　　

經(jīng)過１０余年設計制造、３５億美元投資，美國建成世界最大激光器

　　新浪科技訊 北京時間5月7日消息，據(jù)美國《連線》雜志網(wǎng)站報道，在勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)國家點火設施(NIF)的科學家，希望利用192個激光器和一個由400英尺長的放大器及濾光器陣列構成的裝置，制造出一個像太陽或者爆炸的核彈一樣的自維持聚變反應堆(self-sustaining fusion reaction)。最后一批激光器安裝完畢后，《連線》網(wǎng)站記者參觀了這個點火設施。觀看看世界上最先進的科學設備。

　　1.美國“國家點火裝置”

　　這個大部頭看起來可能很像邁克爾·貝執(zhí)導的《變形金剛》中的人物，但是這個大型機器很快就會成為地球上的恒星誕生地。

　　美國“國家點火裝置” 位于加州，投資約合24億英鎊，占地約一個足球場大小。科學家希望該激光器能模仿太陽中心的熱和壓力。“國家點火裝置”由192個激光束組成，產(chǎn)生的激光能量將是世界第二大激光器、羅切斯特大學的激光器的60倍。2010年，192束激光將被匯聚于一個氫燃料小球上，創(chuàng)造核聚變反應，打造出微型“人造太陽”，產(chǎn)生億度高溫。
　　2.龐大的靶室

　　

龐大的靶室

　　在龐大的靶室里，192束激光束進入直徑是33英尺的藍色真空室，在那里跟一個胡椒瓶大小的目標物相撞。然后這些光束會以動力較低的紅外線的形式，從該儀器的不同部位出來，這個部位跟DVD播放器的內(nèi)部結構類似。接著激光經(jīng)過一系列復雜的放大器、過濾器和鏡子，以便變得足夠強大和精確，可以產(chǎn)生自維持聚變反應堆。
　　3.包含放射性氫同位素、氘和氚的鈹球

　　

包含放射性氫同位素、氘和氚的鈹球

　　這個鈹球包含放射性氫同位素、氘和氚。科學家將利用這個系統(tǒng)的192個激光器產(chǎn)生的X射線轟擊它。核子熔合的關鍵是有足夠的能量把兩個核子熔合在一起，在這項實驗中用的是氫核子。由于把兩個核子分開的斥力非常強，因此這項任務需要利用極其復雜的工程學和特別多的能量。
　　例如，在光束進入真空室(包含圖片上方的目標物)之前，激光必須通過巨大的合成水晶，轉(zhuǎn)變成紫外線。發(fā)射到真空室里的光束會進入一個被稱作黑體輻射空腔(hohlraum)的豆形軟糖大小的反射殼(reflective shell)里，光束的能量在這里產(chǎn)生高能X射線。從理論上來說，X射線的能量應該足以產(chǎn)生可以克服電磁力的熱和壓力，這樣核子就能熔合在一起了。電磁力促使同位素的核子分開。
　　4.靶室頂部的起重機和氣閘蓋

　　

靶室頂部的起重機和氣閘蓋

　　在第一張照片的靶室頂上，是用來把底部儀器放入真空室的起重機和氣閘蓋。如果這個儀器產(chǎn)生作用，它將成為未來發(fā)電廠的前身，將提高科學家對宇宙里的力的理解。當常規(guī)核試驗被禁止的時候，它還有助于我們了解核武器內(nèi)部的工作方式。
　　5.精密診斷系統(tǒng)

　　

精密診斷系統(tǒng)

　　激光束將被發(fā)射到精密診斷系統(tǒng)里，以在它進入靶室以前，確定它能正常工作。
　　6.激光間

　

　激光間

　　在激光間(laser bay)里眺望，會看到國家點火設施的激光間2號向遠處延伸超過400英尺，激光在從這里到達靶室的過程中，會被放大和過濾。過去35年間，科學家在勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室建設了另外3個激光熔合系統(tǒng)，然而它們都不能生成足夠達到核子熔合的能量。第一個激光熔合系統(tǒng)——Janus在1974年開始運行，它產(chǎn)生了10焦耳能量。第二項試驗在1977年實施，這個激光熔合系統(tǒng)被稱作Shiva，它產(chǎn)生了10000焦耳能量。
　　最后一項實驗在1984年實施，這個被稱作Nova的激光熔合項目產(chǎn)生了30000焦耳能量，這也是它的制造者第一次相信通過這種方法可以實現(xiàn)核子熔合。國家點火設施科研組制造的這個最新系統(tǒng)有望產(chǎn)生180萬焦耳紫外線能量，科學家認為這些能量已經(jīng)足以在勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室里產(chǎn)生一個小恒星。
　　7.磷酸鹽放大玻璃

　　

磷酸鹽放大玻璃

　　國家點火設施包含3000多塊混合著釹的磷酸鹽放大玻璃，這是在熔合試驗中用來增加激光束的能量的一種基本材料。這些放大玻璃板隱藏在密封的激光間周圍的圍墻里。
　　8.技術人員在激光間里安裝光束管

　　

技術人員在激光間里安裝光束管

　　技術人員在激光間里安裝光束管，激光通過這些管會進入調(diào)試間。激光在調(diào)試間里會被重新改變運行路線，并重新排列，然后被輸送到靶室里。
　　9.緊急停運盤

　　

緊急停運盤

　　在整個國家點火設施里，標明激光位置的緊急停運盤(emergency shutdown panels)，可在激光發(fā)射時，為那些在錯誤的時間站在錯誤的地方的科學家和技術人員提供安全保障。
　　10.光導纖維

　　

光導纖維

　　光導纖維(黃色電纜部分)把低能激光傳輸?shù)侥芰糠糯笃骼铩Ｈ缓笤谕ㄟ^混有釹的合成磷酸鹽的過程中，利用強大的頻閃放電管放大。
　　11.能量放大器

　　

能量放大器

　　能量放大器隱藏在天花板上的金屬覆蓋物下面，它含有可增大激光能量的玻璃板。在激光剛剛進入放大玻璃前，燈管把能量吸入玻璃里，接著激光束會獲得這些能量。
　　12.可變形的鏡子

　　

可變形的鏡子

　　可變形的鏡子隱藏在天花板上覆蓋的銀膜下面，這種鏡子是被用來塑造光束的波陣面，并彌補它在進入調(diào)試間前出現(xiàn)的任何缺陷。每個鏡子利用39個調(diào)節(jié)器改變鏡子表面的形狀，糾正出現(xiàn)錯誤的光束。你在照片中看到的電線是用來控制鏡子的調(diào)節(jié)器的。
　　13.激光放大器

　　

激光放大器

　　激光束在進入主放大器和能量放大器前，較低前置放大器會放大激光束，并給它們塑形，讓它們變得更加流暢。
　　14.便攜式潔凈室

　　

便攜式潔凈室

　　科學家利用一個獨立的便攜式潔凈室(CleanRoom)運輸和安置能量放大器和其他元件，這個潔凈室就像用來裝配微芯片的小室。
　　15.能量放大器

　

　能量放大器

　　每個能量放大器都被安裝在潔凈室附近，然后利用遙控運輸機把它們運輸?shù)搅壕€所在處。
　　16.技術人員校對能量放大器

　　

技術人員校對能量放大器

　　從照片中可以看到，能量放大器在被放入梁線以前，技術人員正在對它進行校對。
　　17.模仿NASA的主控室

　

　模仿NASA的主控室

　　照片中的主控室看起來跟美國宇航局的任務控制中心很相似，這是因為前者是模仿后者建造的。國家點火設施并不是利用這個主控室把火箭發(fā)射到外太空，而是設法通過激光，利用它把恒星的能量(核子熔合)帶回地球。
　　18.光束源控制中心

　　

光束源控制中心

　　光束源控制中心即已知的主控振蕩器室，看起來跟數(shù)據(jù)中心(Server Farm)很像，但是這個控制中心不是利用電腦，而是安裝了一排排架子。光束通過光纖前往能量放大器的過程中，看起來就像網(wǎng)絡供應商使用的網(wǎng)絡。
　　19.國家點火設施的激光源

　　

國家點火設施的激光源

　　國家點火設施的激光是從一個相對較小、能量較低，并且比較呆板的盒子里發(fā)射出來的。這個激光器呈固體狀態(tài)，跟傳統(tǒng)激光指示器沒有多大區(qū)別，不過它們發(fā)射的光波波長不一樣，前者是紅外線，后者是可見光。
　　20.高能燈管

　

　高能燈管

　　高能燈管(flashlamps)跟照相機里的燈管一樣，但是前者的體積超大，它可以用來激發(fā)激光。每束光束剛產(chǎn)生時，強度僅跟你的激光指示器發(fā)出的激光強度一樣，但是它們在二十億分之一秒內(nèi)，強度就能曾大到500太拉瓦，大約是美國能量輸出峰值時功率的500倍。
　　這一結果是能實現(xiàn)的，因為該實驗室里擁有巨大的電容器，里面儲存了大量能量。這個電容器非常危險，當它充電后，這個房間將被封閉，禁止任何人靠近，以免出現(xiàn)高壓放電現(xiàn)象，傷著來訪的人。
　　國家點火設施的外面看起來很像《半條命(Half-Life)》的拍攝現(xiàn)場，這種普通的外觀掩飾了在里面進行的歷史性科學研究。(孝文)

英刊揭秘世界最強激光產(chǎn)生過程(組圖)

　　導讀：2009年4月，耗資達35億美元的美國“國家點火裝置”(NIF)正式開始進行相關實驗，并計劃于2010年最終實現(xiàn)聚變反應。屆時會將192束激光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激光裝置。英國《新科學家》雜志網(wǎng)站13日撰文揭秘世界最強激光產(chǎn)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)的庫存管理計劃的關鍵環(huán)節(jié)。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(chǎn)條件的實驗手段。這些條件對NNSA在不開展地下核試驗的條件下評估并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(nèi)爆和點火相關的物理學機理，并支持庫存管理計劃繼續(xù)取得成功。“國家點火裝置”是目前世界上最大和最復雜的激光光學系統(tǒng)，用于在實驗室條件下實現(xiàn)人類歷史上的第一次聚變點火。192束矩形激光束將在30英尺的靶室中實現(xiàn)會聚，其中靶室內(nèi)含有直徑為0.44厘米的氫同位素靶丸。發(fā)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(chǎn)生最強激光的幾大步驟：
　　1、安裝球形外殼
　　

　　安裝球形外殼

　　為了產(chǎn)生聚變所必須的高溫和高壓，“國家點火裝置”將匯聚其所有192束激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(nèi)有一個目標聚變艙，點火實驗就發(fā)生于目標聚變艙內(nèi)。整個球體由18塊鋁材外殼拼接而成，每塊外殼均約10厘米厚。球體外殼上正方形窗口就是激光束的入口，而圓形窗口則是用來安裝和調(diào)節(jié)診斷裝置，診斷裝置共有近100個分片。
　　2、用調(diào)節(jié)器調(diào)整靶位
　　

　　用調(diào)節(jié)器調(diào)整靶位

　　這是目標聚變艙內(nèi)部的照片。激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于位置調(diào)節(jié)器的尖端。圖中右側(cè)的長形帶有尖端的物體就是位置調(diào)節(jié)器，每次實驗的目標氫燃料球就置放于尖端之上。當所有激光束全部投入時，“國家點火裝置”將能夠把大約200萬焦耳的紫外線激光能量聚焦到小小的目標氫燃料球之上，它比此前任何激光系統(tǒng)所攜帶能量的60倍還要多。當激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，所釋能量要比激光本身產(chǎn)生的能量更多。氫彈爆炸和太陽核心會發(fā)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(chǎn)生一種清潔安全的能源。
　　3、將燃料放入燃料艙(圓柱體)
　　

　　將燃料放入燃料艙(圓柱體)

　　進入“國家點火裝置”的所有192束激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，激光束將通過各自窗口進入目標艙內(nèi)，從各個方向壓縮和加熱氫燃料球，希望能夠產(chǎn)生自給能量的聚變反應。曾經(jīng)有不少科學家認為可控核聚變反應是不可能實現(xiàn)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激光。雖然科學家們也嘗試了其他種核聚變發(fā)生技術，但從已完成的實驗效果看，激光技術是目前最有效的手段。除激光外，利用超高溫微波加熱法，也可達到點燃核聚變的溫度。
　　4、壓縮并加熱燃料
　　

　　壓縮并加熱燃料

　　所有激光束進入這個金屬艙內(nèi)部時，他們將產(chǎn)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發(fā)絲截面直徑大小的小點，它還能夠?qū)⑵浼訜岬酱蠹s300萬攝氏度的高溫。盡管激光的爆發(fā)只能持續(xù)大約十億分之一秒，但物理學家們?nèi)匀幌Ｍ@種強烈的脈沖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激活周圍其他氫原子的聚變，直到燃料用盡為止。在激光點火裝置內(nèi)，一束紅外線激光經(jīng)過許多面透鏡和凹面鏡的折射和反射之后，將變成一束功率巨大的激光束。然后，研究人員再將該激光束轉(zhuǎn)變?yōu)?92束單獨的紫外線激光束，照向目標反應室的聚變艙中心。當激光束照射到聚變艙內(nèi)部時，瞬間產(chǎn)生高能X射線，壓縮燃料球芯塊直至其外殼發(fā)生爆裂，直到引起燃料內(nèi)部的核聚變，從而產(chǎn)生巨大能量。
　　5、用磷酸二氫鉀晶體轉(zhuǎn)換激光束
　　

　　用磷酸二氫鉀晶體轉(zhuǎn)換激光束

　　激光束在進入目標艙內(nèi)之前，必須要先由紅外線轉(zhuǎn)換成紫外線，因為紫外線對加熱目標燃料更為有效。激光轉(zhuǎn)換過程必須要使用磷酸二氫鉀晶體。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(jīng)過兩個月的培養(yǎng)才可形成如此巨型的晶體。然后將晶體切割成一個個截面積約為40平方厘米的小塊。“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”將被用于一系列天體物理實驗，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”項目的建造計劃于上世紀90年代早期提出，1997年正式開始建設。(劉妍)