Созданная в США для разработки водородной бомбы Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса в настоящее время проектирует установку для лазерного термоядерного синтеза. Не надо думать, что лаборатория - это помещение из нескольких комнат, Ливерморская лаборатория - небольшой городок, в котором работает около 14000 сотрудников. Проектируемая установка будет состоять из 192 линий, в каждой из которых пучок лазерного излучения диаметром около 40 см будет многократно усиливаться и все 192 пучка будут фокусироваться на одну небольшую мишень, в которой и должна начаться термоядерная реакция при температуре около 15 миллионов градусов. Общая энергия, поглощаемая мишенью в течение 3 - 4 наносекунд, должна составить 1,8 мегаджоуля, что соответствует выделяющейся мощности порядка 500 тераватт. Судить о размерах установки можно по приведенной на рис. 1 фотографии, где изображена уже построенная для проведения предварительных опытов одна из упомянутых линий, с уменьшенным до 30 см диаметром пучка. Естественно возникает вопрос: зачем нужно так много пучков? Ответ прост: оптические элементы, используемые для управления параметрами излучения (например, линзы), не могут выдержать столь большую плотность энергии: они имеют всего 1,5-2-кратный запас прочности.
 |
| Рис. 1. Фотография одной из 192 лазерных линий для управляемого термоядерного синтеза, построенной в Ливерморской национальной лаборатории для предварительных опытов с пучком сечением около 30x30 см2. Строительство начато в 1991 году, 8 сентября 1994 года получено излучение расчетной мощности [LLNL, 1994]. |
Эффективность выделения на мишени энергии обратно пропорциональна четвертой степени длины волны лазерного излучения. В то же время имеющиеся сейчас наиболее мощные и надежные лазеры из специального стекла с примесью ионов неодима генерируют инфракрасное излучение с длиной волны 1,054 мкм. Оказалось, что наиболее выгодный вариант, с точки зрения размеров и стоимости установки, состоит в уменьшении длины волны излучения в три раза (больше нельзя, так как сильно увеличится поглощение света оптическими деталями). Для преобразования частоты излучения в квантовой электронике используются так называемые нелинейно-оптические кристаллы, среди которых по совокупности свойств наиболее подходящими оказались кристаллы дигидрофосфата калия (техническое название: KDP). Для каждой линии требуется три таких кристалла сечением 37x37 см2 и толщиной в несколько сантиметров. Один из них будет служить оптическим затвором, необходимым для формирования импульсов света заданной длительности; во втором частота излучения будет удваиваться; в третьем произойдет сложение частот основного излучения и его второй гармоники, в результате чего и получится требуемая длина волны. Таким образом, для создания проектируемой установки необходимо иметь около 600 кристаллов KDP с линейными размерами около 40 см и очень хорошего оптического качества.
Заметим, что работы по управляемому лазерному термоядерному синтезу были начаты в СССР одновременно с США и разработка способа получения столь крупных кристаллов KDP ведется в нашей стране уже более 10 лет [Беспалов В.И., Кацман В.И., 1984, Рашкович Л.Н., 1984]. В последние годы аналогичные исследования ведутся во Франции, Китае и Японии.
Традиционные методы выращивания кристаллов в растворе ориентировались на малые скорости роста порядка 0,5-1 мм/сутки. Считалось, что чем медленнее растет кристалл, тем совершеннее его структура. Действительно, присоединение строительных единиц к кристаллической решетке осуществляется методом проб и ошибок: частица много раз пытается встроиться в кристалл, пока не найдет подходящего места и не повернется нужным образом. Чем медленнее растет кристалл, тем больше времени для того, чтобы все его частицы устроились в правильное положение и число дефектов было минимальным. Это разумные соображения, и они подтверждались практикой. Однако вырастить кристалл размером в 40 см со скоростью 1 мм/сутки очень сложно, так как для этого требуется больше года. Если учесть, что даже кратковременное нарушение режима выращивания, вызванное поломкой или неисправностью детали аппаратуры или отключением электричества, приводит к появлению в кристалле дефектов и весь труд идет насмарку, то ясно, что получение большого количества крупных кристаллов с такой скоростью практически невозможно. Скоростное выращивание стало реальностью благодаря существенному прогрессу в понимании физики кристаллизации, которой и посвящена эта статья, но нельзя не сказать о том, что уже давно были известны опыты, в которых большие кристаллы хорошего оптического качества были получены в экстремально короткое время. Упомяну здесь лишь одну такую работу, выполненную в блокадном Ленинграде, по получению кристаллов сегнетовой соли, которые использовались для преобразования звука в электрические сигналы и служили основными элементами в микрофонах и телефонах военного времени [Аншелес О.М. и др., 1945].
Все сказанное ниже посвящено кристаллам KDP, однако качественно также растет в растворах и большинство других кристаллов. Цель статьи - наглядно продемонстрировать основные черты механизма роста кристаллов в растворе.
Назад | Вперед
|
