Новосибирские физики поймали свет в ловушку

Фото: Наталья Купина

Ученые Института ядерной физики СО РАН создали фотонную ловушку для нейтрализации частиц, способную работать с эффективностью 98%. Разработанную в Новосибирске ловушку предполагают использовать на исследовательском термоядерном реакторе, строительство которого идет во Франции. 

Международный исследовательский термоядерный реактор ИТЭР строится во Франции. Предполагается, что в реакторе будут использоваться пучки атомов с энергией в один мегаэлектронвольт, при этом энергии должно выделяться больше, чем тратится на нагрев плазмы. Для этого плазму необходимо нагреть до очень высокой температуры. Одним из основных способов нагрева плазмы является введение в нее пучка нейтральных атомов водорода или дейтерия большой мощности, а для получения таких атомов нужно ускорить их отрицательные ионы, а затем нейтрализовать – оторвать лишний электрон. Обычно для этого используются газовые мишени, однако они могут обеспечить не самую высокую степень нейтрализации – 60%. 

Ученым Института ядерной физики СО РАН удалось создать более эффективную установку для нейтрализации частиц – нерезонансную адиабатическую фотонную ловушку. С ее помощью можно достичь степени нейтрализации в 98%. Как рассказали в ИЯФ, установка состоит из обычного волоконного лазера и системы вогнутых зеркал, расположенных друг напротив друга. Оказываясь между этими зеркалами, фотоны отражаются от стенок и не могут выйти из ловушки, оставаясь в ней до тех пор, пока не поглотятся в зеркалах или не потеряются из ловушки. 

Модель установки собрали небольшую – 25 сантиметров в длину, пять сантиметров в ширину и три сантиметра в высоту. Зеркала для нее изготовили в Институте лазерной физики СО РАН с привлечением исследователей Института автоматики и электрометрии СО РАН и ИЯФ. Модель уже протестировали – пустили через ловушку пучок отрицательных ионов водорода с энергией десять килоэлектронвольт.

«В ходе экспериментов мы убедились, что принцип адиабатического удержания фотонов работает, измерили порог разрушения зеркал и время жизни фотона внутри ловушки. Фотон движется внутри ловушки со скоростью света. Если бы он проходил ее насквозь, то время его жизни там составило бы около 0,1 наносекунды. Но за счет хорошего удержания внутри системы фотоны находятся там почти в тысячу раз дольше – 100 наносекунд, – рассказал автор идеи фотонной ловушки Сергей Попов. – Это и есть показатель того, что принцип адиабатического удержания работает. Ученые ИЯФ СО РАН первые предложили эту идею и проверили ее в эксперименте. Хотя работа стимулирована задачами, связанными с термоядерной энергетикой, такие накопители имеют огромные перспективы для практического применения и в других областях, например, фотохимии, спектроскопии, лазерном разделении изотопов». 

Теперь ученым предстоит убедиться, что мишень не будет разрушаться при взаимодействии с мощным пучком ионов. Ее надежность и продолжительность работы протестируют на небольших установках, а затем можно будет предложить ее для термоядерного реактора во Франции. Ученые отметили, что стоимость фотонной мишени будет очень высокой, но она окупится в долгосрочной перспективе, поскольку существенно увеличит эффективность нагрева плазмы.