Текст книги "Изобретено в СССР"

О том, что эксперименты с высокотемпературной плазмой на существующем оборудовании проводить не получится, знали ещё в 1940-е годы, об этом писали многие исследователи, в том числе Энрико Ферми. Примерно тогда же родилась и концепция, позволяющая удерживать плазму. Поскольку последняя является облаком ионизированного газа, её можно контролировать, поместив в магнитное поле: электроны и ионы станут двигаться вокруг магнитных силовых линий, не выходя за пределы заданной области. В чистой теории такое магнитное поле можно было создать с помощью соленоида – цилиндрической проволочной обмотки, но на практике эта схема не работала, поскольку требовалась замкнутая тороидальная конструкция, в которой плазма могла бы циркулировать по кругу в течение неограниченного времени.

Ферми обозначил проблему такой системы. В тороидальной структуре возникала опасность «расслоения» плазмы: магнитное поле у внутренней стороны тора сильнее магнитного поля с внешней стороны, что приводит к неустойчивости и выбросу плазмы на внешнюю стенку тора. Это, естественно, стало бы катастрофой. Очевидного решения не было.

В 1947 году в Аргентину эмигрировал немецкий ядерный физик Рональд Рихтер. Руководствуясь отчасти знаниями, полученными во время работы в Германии, отчасти желанием заработать, Рихтер пообещал президенту Аргентины генералу Хуану Перону разработать и построить термоядерную электростанцию, которая позволит получать практически бесплатную энергию в неограниченных количествах. Перон, слепо веривший во все немецкие технологии, дал Рихтеру карт-бланш и пообещал любые необходимые средства. Проект получил название Proyecto Huemul[5]5
  Huemul – это южноандский олень.


[Закрыть], и в 1951-м Рихтер торжественно объявил, что добился управляемой термоядерной реакции в лабораторных условиях. Перону он лично продемонстрировал «реакцию», которая на самом деле была горением водорода на электрической дуге. Но 24 марта 1951-го Перон публично объявил об успехе, и новость о достижении аргентинской ядерной физики облетела все газеты мира.

В Аргентине всё закончилось печально: проект закрыли, Рихтера арестовали за мошенничество, после чего он был выслан из страны, а Перон в 1955 году лишился власти в ходе военного переворота. Но первоначальное заявление об аргентинском успехе взбудоражило многих учёных, и в частности американского астрофизика Лаймана Спитцера. Хотя Спитцер специализировался на теории, причём его больше интересовали звёзды, а не лабораторные эксперименты, идея его захватила. Он много писал о космической плазме и теперь задался идеей придумать систему её удержания в земных условиях. Блестящим образом он модифицировал раскритикованный Ферми тор, превратив его в стелларатор.

Если вы посмотрите на фотографии стелларатора, вы увидите, что больше всего он похож на бессистемно смятый бублик. Как будто тор попал в руки великана, который его погрыз, потёр, погнул – и выбросил. На самом деле в измятости стелларатора есть чёткая схема: магнитные силовые линии внутри него многократно перекручены и в первом приближении напоминают ленту Мёбиуса (хотя и не являются ею). Благодаря этому частицы плазмы на разных отрезках то удаляются от оси установки, то возвращаются к ней, и тем самым поддерживается устойчивость системы.

Соответственно, само магнитное поле в стеллараторе создаётся только внешними катушками сложной формы, что позволяет использовать его непрерывно в течение любого промежутка времени, в отличие от токамака – об этом мы ещё поговорим. Важный момент: существует немало конфигураций стеллараторов, потому что перекрутить траекторию движения плазмы, чтобы сделать её устойчивой, можно множеством способов. Впоследствии собственные стеллараторы, в частности торсатрон, были запатентованы и в СССР.

На момент изобретения стелларатора Спитцер работал в Принстонском университете. В 1951 году при университете была образована лаборатория физики плазмы, которую и возглавил Спитцер. Финансирование Принстон получил от военных, поскольку в это же время активно шла работа над термоядерным оружием, а программу, по которой работал Спитцер, назвали проектом «Маттерхорн» в честь альпийской вершины – Спитцер был, помимо прочего, известным альпинистом.

В 1952–1953 годах в лаборатории построили первый в мире стелларатор, известный как Model A. Это была небольшая опытная модель из 5-сантиметровых трубок из термостойкого боросиликатного стекла, и она подтвердила правильность концепции. Потом появились модели B-1 и B-2, а позже и другие конструкции.

Но у стеллараторов имелись и недостатки. В частности, из-за сложной траектории плазма теряла много энергии, и её было значительно сложнее довести до требуемого температурного режима, не говоря уже об очень коротком времени удержания при тех же энергозатратах в сравнении с токамаком.

Давайте теперь узнаем, что такое токамак.

Перекрученный тор не мог быть единственным решением проблемы Ферми. И если в США пошли по пути Спитцера, то в СССР предложили совершенно другой способ магнитного удержания плазмы – как показала практика, более перспективный.

У токамака был свой «Спитцер», и его звали Олег Лаврентьев. В 1948 году он служил солдатом-срочником на Сахалине и занимался самообразованием. Читал книги, учебники, подписался на журнал «Успехи физических наук». Особенно увлекла его ядерная физика, и в 1950-м он написал две свои первые статьи, отправленные секретной почтой в Комитет тяжёлого машиностроения ЦК. Там письма переправили эксперту – Андрею Сахарову, и тот понял, что наткнулся на золотой самородок. Во второй статье Лаврентьев излагал оригинальную систему магнитного удержания плазмы, то есть токамака; сам того не зная, он нашёл решение проблемы Ферми.

Отслужив, Лаврентьев вернулся в Москву, поступил на физфак МГУ, удостоился личной встречи с Берией и получил доступ в Лабораторию измерительных приборов АН СССР, то есть в будущий Курчатовский институт, где вели свои исследования Сахаров и Тамм. Олег Лаврентьев сделал достаточно типовую для советского учёного научную карьеру, но тему токамака дальше развивали другие специалисты.

Надо сказать, что письмо Лаврентьева пришлось кстати: к 1950 году Сахаров уже работал над системами магнитного удержания плазмы и столкнулся с проблемой Ферми. Пришедшая с Сахалина статья подтвердила правильность его собственных идей и послужила катализатором. Уже в январе 1951 года по запросу Сахарова было выделено финансирование под лабораторию, аналогичную проекту «Маттерхорн», а в 1954-м появился первый экспериментальный токамак.

В отличие от стелларатора, токамак не «мнётся», а остаётся совершенно правильным тором, отсюда и его название-аббревиатура – тороидальная камера с магнитными катушками. Этот тор надет на сердечник большого трансформатора, а плазменный шнур (то есть поток плазмы) внутри тора служит вторичной обмоткой. Именно ток, текущий в плазме, обеспечивает первичный её нагрев – примерно до 20 млн градусов; дальше она нагревается другими методами, например микроволновым излучением. Магнитное поле, удерживающее плазму, формируется в магнитных катушках, но их, как мы уже знаем, недостаточно для обеспечения устойчивости «плазменного шнура».

Вот тут-то и используется тот факт, что плазма в токамаке служит обмоткой. Ток, протекающий через неё, создаёт вокруг себя собственное магнитное поле, которое называют полоидальным. Для контроля этого поля в конструкции токамака предусмотрены полоидальные катушки, «надетые» на ось тороидальной камеры. Полоидальное поле слабее тороидального, но его достаточно, чтобы ограничивать траекторию плазмы, движущейся вдоль силовых линий, и не допускать её прикосновения к стенкам. То есть, по сути, в токамаке движение плазмы обеспечивается двумя магнитными полями: одно задает тороидальную траекторию плазменного шнура, второе стабилизирует её, не давая шнуру расплываться.

Как и стелларатор, токамак имеет свои преимущества и недостатки. Плюс в том, что плазма в нём теряет значительно меньше энергии и поддерживать нужные её характеристики проще. А основной недостаток токамака – в сложности конструкции и значительно более высокой стоимости, чем у конкурента. Кроме того, в отличие от стелларатора, который может работать непрерывно, токамак – «импульсное» устройство, потому что для появления тока во вторичной обмотке (плазменном жгуте) ток в первичной обмотке должен возрастать. А увеличивать его до бесконечности невозможно, так что процесс приходится прерывать и начинать заново.

В теории разработаны ещё несколько концепций устройств магнитного удержания плазмы. Например, пробкотрон, или магнитное зеркало, – незамкнутая система, свойств которой не хватает, к сожалению, для достижения плазмой должных температур. Так что реально работают только токамаки и стеллараторы.

Тут надо заметить, что, несмотря на появление устройств такого типа в начале 1950-х годов, реальную функциональность они обрели лишь к концу 1960-х. Первым по-настоящему рабочим токамаком, да и вообще установкой для магнитного удержания плазмы, считается Т-3, построенный в Курчатовском институте в 1968 году: на нём впервые в истории удалось достигнуть температуры в 10 миллионов кельвинов. Стеллараторам до такой температуры было далеко, притом что и её не хватало для управляемой термоядерной реакции. Это достижение на длительное время отодвинуло стеллараторы на второй план – вплоть до 2000-х годов абсолютное большинство магнитных ловушек для плазмы в мире были токамаками.

На сегодняшний день токамаки используются в лабораториях России, США, Японии, Китая, Великобритании, Франции – всего на май 2018 года существовало около 30 токамаков; самый старый работающий экземпляр был построен ещё в середине 1960-х в Курчатовском институте, после чего передан Чехословакии и многократно модифицирован. Сегодня он находится в Чешском техническом университете в Праге.

Конкуренция обострилась в 2000-х годах с появлением квазисимметричных стеллараторов. Первым таким устройством стал HSX (Helically Symmetric eXperiment), построенный в Висконсинском университете в Мадисоне по проекту профессора Дэвида Андерсона. На самом деле за хитрым названием прячется очередная конфигурация «бублика» – как я уже говорил, варьировать мятый тор стелларатора можно десятками разных способов, главное – найти оптимальную конфигурацию, которая позволит снизить потери энергии. Разработанные в последние годы конфигурации и особые режимы как раз к этому и привели – стеллараторы, избавившись от своего основного недостатка, постепенно начинают успешно конкурировать с токамаками. В 2015 году в немецком городке Грайфсвальд начал работу сверхсовременный стелларатор Wendelstein 7-X, и с его помощью уже добились температур плазмы в районе 80 млн градусов Цельсия.

Основная надежда мирового исследовательского сообщества сейчас связана с проектом ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор). Это примерно как МКС, только в области термоядерных реакций. Задуман он был ещё в середине 1980-х при участии СССР, США, Японии и ряда европейских государств, но ввиду множества политических и финансовых проблем практические работы начались лишь в 2005 году. Строят ITER неподалёку от Марселя (Франция) с 2007 года и сейчас, в 2019-м, его уже заканчивают. Сердце проекта – это токамак внешним диаметром 19 метров. Я не буду вдаваться в тонкости его конструкции – вы можете найти информацию самостоятельно. По графику работ первую плазму в токамаке ITER получат в 2025 году, а первую управляемую термоядерную реакцию с выделением энергии проведут лишь в 2035-м, когда эту книгу или благополучно забудут, или будут проходить в школах.

Но как приятно думать о том, что главным элементом такого крупного международного проекта – в нём задействовано 35 стран – стало советское изобретение!

Глава 17. Не путать с лазером

«А мазер – то же самое, что и лазер?» Такой вопрос я слышал не раз. Я бы сказал, что мазер и лазер связаны примерно так же, как чоппер и спортбайк. И то и другое – мотоциклы, два колеса, руль, цепной привод, но предназначены они для разных задач и, соответственно, имеют разные характеристики. А ещё мазер появился на шесть лет раньше своего более известного собрата.

И мазер, и лазер относятся к квантовым усилителям (они же квантовые генераторы), действие которых основано на принципе вынужденного, или индуцированного, излучения, сформулированного Альбертом Эйнштейном. Суть этого явления состоит в том, что если атом находится в возбуждённом состоянии, то под действием внешнего фотона строго определённой частоты, равной частоте перехода между возбуждённым и основным состоянием, он, в свою очередь, может излучать фотоны такой же частоты. Это касается не только атомов, но и молекул, ионов, электронов или ядер. Проще говоря, когда в возбуждённый атом попадает сторонний (индуцирующий) фотон, он стимулирует переход системы с более высокого на более низкий энергетический уровень и атом излучает новый фотон с характеристиками, идентичными индуцирующему фотону. Первый фотон при этом не поглощается, так что на выходе у нас уже два когерентных, то есть имеющих одинаковую частоту и фазу фотона!

Именно этот принцип лежит в основе квантовых усилителей – мазеров и лазеров. А раз принцип общий, проще будет сперва объяснить, как работает более известная нам система – лазер, а затем рассказывать об отличиях мазера.

Важнейший элемент лазера – рабочая, или активная, среда, то есть вещество, атомы которого, собственно, излучают фотоны при переходе из возбуждённого состояния в основное. При нормальных условиях количество атомов с низкой энергией (то есть в основном состоянии) в рабочей среде значительно превышает количество возбуждённых атомов. Для того чтобы перевести как можно большее число атомов в возбуждённое состояние, активную среду накачивают, то есть сообщают ей дополнительную энергию. Существует много вариантов накачки: с помощью газоразрядных ламп, электрического разряда, излучения других лазеров и т. д.

Когда число возбуждённых атомов превышает число атомов с низкой энергией, активная среда переходит в состояние, которое называется инверсией населённостей. При этом система уже не может находиться в термодинамическом равновесии, и некоторые возбуждённые атомы начинают спонтанно, без внешнего воздействия излучать фотоны. Эти фотоны соударяются с возбуждёнными атомами активной среды, вызывая индуцированное излучение. Для эффективного усиления света лазер имеет оптический резонатор – в простейшем случае это два зеркала, расположенных друг напротив друга. Резонатор отражает свет, заставляя фотоны проходить через активную среду снова и снова и вызывая эффект снежного кома. Собственно, это и есть лазерное излучение.

Длина испускаемых лазером волн напрямую зависит от рабочей среды и колеблется от 150 нанометров (у эксимерных лазеров, работающих на благородных газах) до 570 микрометров (у метаноловых лазеров). Чтобы вы представляли, о чём идёт речь: длины волн видимого спектра занимают участок с 380 до 780 нанометров, а привычный нам по кино красный луч – это длины примерно в 620–680 нанометров, то есть очень небольшой промежуток. Остальное пространство занимают другие цвета, а также ультрафиолетовые и инфракрасные лазеры.

Вот тут и кроется основное отличие мазера.

Вы не поверите, но – то же самое, что и лазер: активная среда, механизм накачки, резонатор. Просто он генерирует волны других длин – сантиметрового диапазона, так называемые микроволны. Длина такой волны может составлять от одного миллиметра (то есть в два раза больше, чем предельная длина волны у лазера) до целого метра! Естественно, необходимость генерировать другие волны подразумевает другие активные среды и механизмы накачки, но общий принцип сохраняется. Даже названия-аббревиатуры обоих приборов очень похожи. MASER – это microwave amplification by stimulated emission of radiation («усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»), а LASER – light amplification by stimulated emission of radiation («усиление света с помощью вынужденного излучения») – отличие всего в одно слово.

Впрочем, несмотря на единство принципа, мазер устроен несколько иначе, нежели лазер. Классический молекулярный мазер использует в качестве рабочей среды газ – водород или аммиак. Газ непрерывно подаётся в камеру низкого давления, где возбуждается с помощью СВЧ-излучения и формирует направленный атомный или молекулярный пучок. Пучок проходит через селектор (нечто вроде фильтра), отсеивающий атомы или молекулы в невозбуждённом состоянии с помощью неоднородного электрического поля. Затем пучок возбуждённых молекул попадает в резонатор, и дальнейший процесс соответствует описанному выше.

Конечно, мазеры, как и лазеры, бывают не только атомные (молекулярные), но и газовые, и твердотельные – есть несколько типов. Вот тут у многих возникает вопрос: зачем нужен мазер? В отличие от лазерного луча, его лучом нельзя ничего осветить, разрезать или соединить, поскольку мощность излучения мазера очень мала (порядка пиковатт).

Сегодня есть две основные области применения мазеров. В первую очередь они используются в качестве хранителей частоты в системах национального точного времени. Эталоном времени сейчас является секунда, равная 9 192 631 770 периодам излучения при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Такую секунду измеряют с помощью атомных цезиевых часов, генерирующих очень стабильную эталонную частоту. По принципу действия эти часы похожи на камертон: музыкант периодически ударяет по нему, слушает ноту и сравнивает её со звучанием струны – и так же атомные часы включаются периодически для настройки эталонного времени. А в интервалах между этими включениями точное время поддерживается хранителями частоты – водородными мазерами. Второе применение мазеров – в качестве микроволновых усилителей с низким уровнем шума в радиотелескопах.

Ну что ж, мы разобрались с теорией и теперь давайте перейдём к истории.

В 1950 году французский физик Альфред Кастлер предложил метод оптической накачки рабочей среды для создания в ней инверсной населённости. Он предположил, что электроны при воздействии на них света или других электромагнитных волн могут подниматься на более высокий энергетический уровень, – и не ошибся. На тот момент речи о квантовых усилителях ещё не шло и идея Кастлера была чисто теоретической, хотя в начале 1952-го он подтвердил правильность своего предположения с помощью лабораторного эксперимента и опубликовал работу, описывающую методику накачки.

Идея Кастлера подтолкнула других учёных к мысли о практическом применении накачки. В мае 1952 года на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии молодые физики Николай Басов и Александр Прохоров из Физического института АН СССР прочли совместный доклад на тему разработки оптического квантового генератора (слова «мазер» тогда ещё не существовало). В теории их доклад охватывал и мазер, и лазер, до изобретения которого оставалось ещё восемь лет. А несколькими неделями позже американский физик Джозеф Вебер из Мэрилендского университета в Колледж-Парке на Исследовательской конференции по электронным трубкам (Electron Tube Research Conference) в Оттаве прочёл публичную лекцию ровно на ту же тему.

Далее последовали публикации. Статья Вебера вышла в июне 1953 года в профессиональном ежегоднике, издаваемом для радиоинженеров, а статья Басова и Прохорова – в октябре 1954-го в «Журнале экспериментальной и теоретической физики»[6]6
  Статья поступила в редакцию в январе 1954 года и, надо сказать, попала в печать достаточно быстро. В советской системе, помимо профессионального научного рецензирования, статьи ещё до поступления в редакцию проходили «политическую» проверку у цепочки начальников (не всегда разбирающихся в теме) и «литовку», как тексты песен или литературные произведения. Это могло задержать публикацию материала на срок до нескольких лет.


[Закрыть]. При этом статья советских учёных была более детальной.

Тем временем в «гонку мазеров» вступил игрок более важный, чем Вебер. Его звали Чарльз Хард Таунс, и он работал в Колумбийском университете в Нью-Йорке. Ещё в 1951 году Таунс высказывал идею мазера, но не занимался практической стороной вопроса – именно тогда он предложил аббревиатуру, ставшую современным названием прибора. Услышав выступление Вебера, он попросил того прислать ему тезисы лекции и взялся за вопрос всерьёз. Меньше чем за год, в 1953–1954-м, вместе со своими студентами Джеймсом Гордоном и Гербертом Зейгером Таунс построил первый в истории аммиачный мазер. В англоязычной литературе устройство так и называется: мазер Таунса – Гордона – Зейгера.

Забавно, но практически все коллеги Таунса в один голос утверждали, что его конструкция работать не будет. А когда она заработала, бросились изобретать всевозможные вариации на тему мазеров, пробуя всякие активные среды и системы накачки. С критикой Таунса в начале 1950-х выступали такие гиганты, как Нильс Бор, Джон фон Нейман и Люэлин Томас – очень значительные в научном мире фигуры.

Басов и Прохоров построили свою модель мазера в Физическом институте полугодом позже. А в 1955-м они представили трёхуровневую схему создания инверсной населённости – то есть оптическую накачку, при которой используется не два, а три энергетических уровня атомов. В случае с аммиачным мазером эта схема не использовалась, а вот лазер без неё не создать.

Вообще говоря, история мазера и история лазера связаны очень тесно. Даже странно, что мазер появился раньше: по сложности конструкции они примерно одинаковы, а лазер можно изготовить в значительно большем количестве вариаций, с десятками и даже сотнями различных активных сред, да и практическое применение его намного шире. Тем не менее началось всё именно с мазера, и в 1964 году, как говорилось выше, Таунс, Басов и Прохоров разделили за разработки в этой области Нобелевскую премию. Кастлер, к слову, тоже её получил – чуть позже, в 1966-м, за смежные исследования.

После разработки мазера Таунс со своей группой вплотную занялся квантовыми генераторами, работающими в инфракрасном спектре, то есть будущими лазерами. В этом же направлении двигались Басов и Прохоров, и тут надо заметить, что для научного сообщества в тот период железный занавес приподнялся: началась оттепель, Хрущёв побывал в США, статьи советских учёных стали активно, почти как в 1920–1930-е годы, появляться в зарубежных научных журналах.

А первый рабочий лазер в 1960 году построил, опираясь на статьи и разработки Таунса и его коллеги Артура Шавлова, сотрудник Hughes Aircraft Company Теодор Майман. Но это уже совсем другая история.