Пражский Астерикс

В Чехии строят йодный лазер петаваттной мощности

Двойная камера установки PALS — совершенно уникальное устройство. Оно было разработано в сотрудничестве с французскими физиками из университета Париж-Юг. Входящий в объектив луч расщепляется на два и попадает на две мишени. Так можно проводить независимые, но связанные друг с другом эксперименты. Фото: Prague Asterix Laser System

На северной окраине Праги в районе Кобылиси находится одна из мощнейших лазерных систем Европы, предназначенных для научных исследований, — «Астерикс». Возможности, которые обещает лазер, притягивают ученых со всего мира, ради работы здесь из-за рубежа возвращаются молодые физики. Чешские физики гордятся «Астериксом» по особенному — создание подобной системы, в нелегкие для национальной науки годы, обошлось недешево. Ради лазера Чешская академия наук вынуждена была объединить усилия двух своих крупнейших центров — Физического института и Института физики плазмы, образовав новое подразделение Prague Asterix Laser System, или сокращенно лабораторию PALS. Усилия не прошли даром — целое направление лазерной физики в Чехии вышло на принципиально новый уровень.

Согласно неформальному кодексу Евросоюза страны, входящие в европейское научное пространство, должны поддерживать интерес людей к науке, стараться популяризировать свою исследовательскую деятельность. И пражская система «Астерикс» — яркий тому пример. Несколько раз в году лаборатория открывает свои двери для школьников и студентов, а ее сотрудники на время становятся гидами, разъясняя принцип работы лазера и его практическое применение. Здесь можно познакомиться не только с уникальными инструментами и методами современного естествознания, но и увидеть, что представляет собой международный научный центр. Общение ученых PALS с журналистами происходит напрямую без посредства пресс-секретарей и специалистов по связям с общественностью. Планируя будущий визит, я просто написала исполнительному директору Иржи Ульшмиду (Jiri Ullschmied), который без промедления откликнулся на мою просьбу, организовал замечательную экскурсию по лаборатории и исчерпывающую презентацию. Как выяснилось позже, доктор Ульшмид много раз бывал в Советском Союзе, подолгу работал в институтах Москвы и Харькова и прекрасно говорит по-русски. Он сохранил хорошие воспоминания о времени, проведенном в нашей стране, и был искренне рад интересу, проявленному журналисткой из России к их лаборатории.

Принцип работы

Основу системы «Астерикс» составляет газовый лазер довольно редкого типа — с соединениями йода в качестве активной среды. Через находящийся в оптическом резонаторе газ пропускают мощный поток ультрафиолетового излучения (накачивают лазер), который освобождает атомы йода, причем большая их доля оказывается в возбужденном состоянии. Возбужденные атомы йода излучают избыток энергии, порождая мощный пучок света в инфракрасном диапазоне длин волн (1315 нм). Лазерный пучок направляется в канал, где его усиливают и получают на выходе луч диаметром 290 мм, обладающего огромной энергией (1 кДж).

В практических целях луч лазера расщепляется на два потока и направляется в камеры взаимодействия, где установлены различные мишени. Если луч сфокусировать до размера в несколько миллиметров на какую либо мишень, то температура в фокусе получится чудовищная — 10⁷ градусов по Цельсию, и любое попавшее под удар вещество мгновенно ионизируется, превращаясь в так называемую лазерную плазму.

Апрель 1998 года. Директор строящейся лаборатории Карел Юнгвирт (Karel Jungwirth) лично проверяет, чтобы бетонный фундамент под лазер был залит как надо. Фото: Prague Asterix Laser System

С точки зрения физики интерес представляет как сама плазма, будучи источником многозарядных ионов, так и поступающее от нее мягкое рентгеновское излучение, которое удобно для изучения живых структур. Большая мощность лазера — 3 тераватта, сверхкороткий импульс — 400 пикосекунд, и качественный пучок делают «Астерикс» уникальным инструментом для научных приложений, таких как имитация условий внутри планет и звезд, получение цинкового лазера и главное — лазерный термояд.

Вместе с обслуживающими системами PALS занимает огромное трехэтажное здание, построенное специально для лазера. Помимо залов для оптической части и камер взаимодействия там есть два машинных отделения — для очистки воздуха и поддержания постоянной температуры. Благодаря особой конструкции фундамента все здание будто плавает в грунте, что позволяет гасить возможные колебания от подземных толчков.

История йодных лазеров началась в середине 1960-х годов, когда первые их экземпляры заработали в институтах Германии и России. Помимо моделирования физических процессов лазер обещал прогресс в экспериментах по термоядерному синтезу. Суть их проста: капсулу со смесью дейтерия и трития облучают мощными лазерными импульсами в попытке получить управляемую термоядерную реакцию.

В случае успеха лазеры стали бы основой термоядерных реакторов, способных обеспечить человечество дешевой энергией. Но мощности у первых лазеров было недостаточно, как недостаточно ее и у нынешних — на выходе у них образуются килоджоули энергии, а чтобы зажечь термояд, нужны мегаджоули. Кстати, среди лидеров этого направления — установка «Искра-5», работающая во ВНИИЭФ в Сарове с 1989 года.

Как лазер попал в Прагу

В Чехословакию первый йодный лазер попал в начале 1980-х с легкой руки академика Николая Басова, в то время директора ФИАН. Это была 300-гигаваттная установка «Перун», с которой и началась чешская программа йодных лазеров. В то же время в соседней Германии, в Институте квантовой оптики имени Макса Планка, 60-гигаваттный лазер «Астерикс III» совершенствовали с помощью технологии усиления лазерных импульсов до тераваттной мощности, что позволило расширить круг его научных приложений.

В Гархинг-бай-Мюнхене (Graching bei Muenchen), где находится институт, устремились ученые со всей Европы: физики, материаловеды, биологи. Так было до 1997 года, когда направление решили закрыть: как поговаривают, из-за того, чтобы вернуть уехавшего в США физика Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle) — молодого гения, работавшего в начале своей карьеры в Гархинге. В 1995 году Кеттерле получил конденсат Бозе-Эйнштейна и был номинирован на Нобелевскую премию. Тогда-то его и стали приглашать обратно в Германию и готовить для него поле деятельности. «Астерикс» к тому моменту начал морально устаревать — лазеры тераваттной мощности перестали быть редкостью, а выйти на новый уровень не удавалось, и, как полагали в то время, не удастся никогда. Вот почему от лазера решено было избавиться.

Исследовательская группа Вольфганга Кеттерле (крайний справа) объединяет четыре лаборатории, в которых работают как сотрудники Массачусетского технологического института, так и Гарвардского университета. Фото: Andre Schirotzek (MIT)

Однако построенный на деньги Евросоюза инструмент нельзя просто разобрать и утилизировать — его надо кому-то передать. По этому вопросу создали международную комиссию, а из желающих приобрести лазер выстроилась очередь, несмотря на высокую стоимость владения им. Поскольку в Чехии уже был йодный лазер, правда, меньшей мощности, в целях дальнейшего развития научного направления комиссия решила передать «Астерикс» в эту страну за чисто символическую плату — одну немецкую марку. Чехи задумались: отказываться глупо, потому как прибор стоимостью десятки миллионов немецких марок отдают даром, а согласиться - значит, взять на себя повышенные обязательства. Одно только здание для лазера будет стоить около трех миллионов евро. Но финансирование удалось получить, и началась перевозка лазера.

Оборудование весом 120 тонн переправляли в Чехию почти год. Еще два года собирали чуть ли не вслепую. Так как лазер неоднократно переделывали, достраивали в процессе эксплуатации, то детальной документации на него не было, только чертежи. Только сами создатели знали, где что у него теперь находится. Но чешские инженеры справились, и в 2000 году «Астерикс» заработал на полной мощности. Когда бывший директор установки приехал из Гархинга и увидел работающий лазер, он даже прослезился от радости. Очень быстро PALS превратилась в международный центр, приносящий Чешской академии наук немалую прибыль. А Кеттерле так и не вернулся в Германию, в 2001 году он получил Нобелевскую премию — как сотрудник MIT.

Текущие задачи связаны с повышением мощности PALS. Теоретический порог, считавшийся некогда непреодолимым, вскоре самым чудесным образом удалось обойти. Еще в 1997 году группа Яна Росса (Ian Ross) из Резерфордовской лаборатории в Англии (Rutherford Appleton Laboratory) предложила новую технологию усиления лазерных импульсов — Optical Parametric Chirped Pulse Amplification. Комбинация оптических усилителей позволяет сократить длительность импульса до фемтосекунд, в результате чего общая мощность системы PALS возросла бы до нескольких петаватт.

Как члены консорциума LaserLab Europe специалисты PALS воспользовались новой технологией. Опытный образец усилителя уже испытывают на меньшей установке SOFIA, на том же самом, но совершенно перестроенном лазере «Перун», прибывшем из Москвы более 20 лет назад. Если эксперимент на «Перуне» пройдет успешно, сходным образом модифицируют и PALS, которая станет второй лазерной системой Европы после «Вулкана» в Англии, достигшей петаваттной мощности. Область применения инструмента, способного мгновенно выплеснуть огромную энергию, расшириться до самых основ мироздания: от новых подходов к лазерному термояду и нелинейной оптики до создания лазерных ускорителей частиц и лабораторной астрофизики, изучающей процессы внутри звезд.

Читайте также в журнале «Вокруг Света»:

Татьяна Пичугина, 27.11.2006