Рентгеновский лазер с ядерной накачкой

Рентгеновский лазер с ядерной накачкой — это тип лазера, в котором активная среда возбуждается (накачивается) энергией, выделяющейся при ядерных реакциях, обычно при делении ядер урана или других изотопов в ядерном реакторе. Основной целью создания таких лазеров является генерация когерентного рентгеновского излучения высокой мощности, которое может быть использовано для научных исследований, в том числе для изучения структуры вещества на атомном уровне, а также в перспективных технологиях, включая управляемый термоядерный синтез и оборонные системы. Разработка и испытания подобных устройств ведутся в ряде стран, включая Россию и США, однако создание полноценного рентгеновского лазера с ядерной накачкой остаётся сложной научно-технической задачей.

История развития

Ранние идеи и теоретические основы

Идея использования ядерной энергии для накачки лазеров возникла вскоре после создания первых лазеров в 1960-х годах. В 1961 году советский физик Николай Басов, один из создателей лазеров, предложил концепцию лазера с ядерной накачкой, в котором энергия деления ядер использовалась бы для создания инверсной населённости в активной среде. Первые экспериментальные работы в этом направлении начались в СССР в 1970-х годах в рамках программы по созданию мощных лазерных систем для оборонных и энергетических целей. В США аналогичные исследования велись в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса и в других центрах.

Экспериментальные достижения

В 1970–1980-х годах были созданы первые лазеры с ядерной накачкой, работающие в оптическом диапазоне (инфракрасном и видимом свете). Для этого использовались газовые среды (например, смеси ксенона, криптона, аргона), возбуждаемые потоком нейтронов от ядерного реактора. Однако переход к рентгеновскому диапазону потребовал значительно большей плотности энергии накачки и новых подходов к конструкции активной среды.

В 1990-х годах в Российском федеральном ядерном центре — Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) в Сарове были проведены эксперименты по накачке лазерных сред с использованием импульсных ядерных реакторов, таких как БАРС и ИБР-2. В этих экспериментах удалось получить генерацию в ультрафиолетовом диапазоне, но не в рентгеновском. В 2000-х годах работы были продолжены, в том числе в рамках международных проектов.

Современное состояние

По состоянию на 2025 год полноценный рентгеновский лазер с ядерной накачкой не создан. Основные трудности связаны с необходимостью создания чрезвычайно высокой плотности энергии в активной среде, а также с проблемами управления импульсным ядерным реактором, способным обеспечить такую накачку. Тем не менее, теоретические и экспериментальные исследования продолжаются, в том числе в России (в РФЯЦ-ВНИИЭФ, Курчатовском институте) и в США (в Ливерморской лаборатории, Национальной лаборатории Лос-Аламоса).

Принцип действия

Ядерная накачка

Основой работы рентгеновского лазера с ядерной накачкой является использование энергии ядерных реакций для создания инверсной населённости в активной среде. Обычно для этого применяются импульсные ядерные реакторы, в которых происходит цепная реакция деления ядер урана-235 или плутония-239. При делении одного ядра выделяется около 200 МэВ энергии, большая часть которой преобразуется в кинетическую энергию осколков деления. Эти осколки, проходя через активную среду (например, газ, плазму или твёрдое тело), ионизируют и возбуждают её атомы, переводя их в метастабильные состояния с высокой энергией.

Создание инверсной населённости

Для генерации лазерного излучения необходимо, чтобы количество атомов на верхнем энергетическом уровне превышало количество атомов на нижнем уровне — так называемая инверсная населённость. В случае ядерной накачки это достигается за счёт высокой плотности энергии, выделяемой при делении. В рентгеновском диапазоне энергия фотонов составляет от нескольких сотен эВ до десятков кэВ, что требует создания инверсной населённости на глубоких внутренних оболочках атомов (например, K-оболочке). Для этого необходима чрезвычайно высокая плотность энергии накачки — порядка 10^12–10^14 Вт/см².

Активные среды

В качестве активных сред для рентгеновских лазеров с ядерной накачкой рассматриваются:

• Газовые смеси: например, пары металлов (медь, серебро, золото) или инертные газы (ксенон, криптон), которые при высокой температуре образуют плазму.
• Твёрдые мишени: тонкие плёнки или фольги из тяжёлых элементов (например, урана, золота), которые при облучении нейтронами испускают рентгеновское излучение.
• Плазма: создаваемая ядерным взрывом или мощным импульсным реактором.

Классификация

По типу накачки

• Реакторные лазеры: используют стационарный или импульсный ядерный реактор для непрерывной или квазинепрерывной накачки.
• Импульсные лазеры: накачиваются энергией от импульсного ядерного реактора или ядерного взрыва. Такие лазеры способны генерировать короткие, но очень мощные импульсы рентгеновского излучения.

По диапазону излучения

• Мягкий рентгеновский диапазон (энергия фотонов 0,1–1 кэВ): используется для микроскопии, литографии и изучения биологических объектов.
• Жёсткий рентгеновский диапазон (энергия фотонов 1–100 кэВ): потенциально применим для медицинской диагностики, материаловедения и оборонных систем.

Применение

Научные исследования

Основное применение рентгеновского лазера с ядерной накачкой — это изучение структуры вещества на атомном и молекулярном уровнях. Благодаря высокой когерентности и мощности излучения, такой лазер может использоваться для:

• Рентгеновской кристаллографии: определение трёхмерной структуры белков, вирусов и других биологических макромолекул.
• Фемтосекундной спектроскопии: изучение сверхбыстрых процессов, таких как химические реакции и фазовые переходы.
• Исследования плазмы и термоядерных реакций: в частности, для диагностики состояния плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза (например, токамаках).

Промышленность и технологии

• Рентгеновская литография: создание микросхем с нанометровыми размерами элементов.
• Дефектоскопия: неразрушающий контроль материалов и изделий, особенно в условиях высоких радиационных нагрузок.
• Создание новых материалов: синтез и исследование материалов с экстремальными свойствами.

Оборонные системы

В ряде стран, включая Россию и США, рассматривается возможность использования рентгеновских лазеров с ядерной накачкой в системах противоракетной обороны (ПРО). Предполагается, что такой лазер может поражать баллистические ракеты на больших расстояниях за счёт высокой мощности и направленности излучения. Однако практическая реализация таких систем сталкивается с серьёзными техническими проблемами, включая необходимость создания компактного и надёжного ядерного реактора.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая мощность: ядерная накачка позволяет получать энергию на несколько порядков выше, чем при использовании электрических или химических источников.
• Автономность: лазер не требует внешнего источника энергии, так как использует энергию ядерного реактора.
• Компактность: в перспективе возможно создание мобильных систем, хотя это требует миниатюризации реактора.

Недостатки

• Радиационная опасность: работа с ядерными реакторами и делящимися материалами требует сложных систем защиты и утилизации отходов.
• Сложность управления: импульсные ядерные реакторы, необходимые для накачки, имеют ограниченный ресурс и требуют точного контроля параметров.
• Высокая стоимость: разработка и эксплуатация таких систем чрезвычайно дороги.
• Необходимость в специальной инфраструктуре: для испытаний и использования требуются ядерные полигоны или специализированные лаборатории.

Интересные факты

• В 1980-х годах в СССР проводились эксперименты по накачке лазеров с использованием подземных ядерных взрывов, однако результаты были засекречены.
• В 2021 году в РФЯЦ-ВНИИЭФ были опубликованы результаты теоретических расчётов, показывающие принципиальную возможность создания рентгеновского лазера с ядерной накачкой на основе импульсного реактора с плотностью потока нейтронов 10^16 см⁻²с⁻¹.
• Рентгеновские лазеры с ядерной накачкой могут стать основой для создания «звёздного лазера» — гипотетической системы для защиты Земли от астероидов, предлагавшейся некоторыми учёными.

Источники

• Басов Н.Г., Лебедев В.А. «Лазеры с ядерной накачкой» // Успехи физических наук, 1985, т. 145, вып. 4.
• Дмитриенко А.Г., Захаров С.М. «Импульсные ядерные реакторы и их применение в лазерных системах» // Атомная энергия, 2002, т. 92, № 5.
• Отчёт РФЯЦ-ВНИИЭФ «Теоретические основы рентгеновского лазера с ядерной накачкой», Саров, 2021.
• «Nuclear-Pumped Lasers: A Review» // Journal of Applied Physics, 1998, vol. 84, no. 4.
• Материалы конференции «Лазеры с ядерной накачкой: состояние и перспективы», Москва, 2023.