Лауреат Нобелевской премии Николай Басов
Лауреат Нобелевской премии Николай Басов
Иван Шилов © ИА REGNUM

«Невозможно прямое попадание эксперимента в узко определенную теоретическую мишень».

— Имре Лакатос

В 2021 году исполняется 60 лет со дня рождения идеи лазерного термоядерного синтеза. Родилась она в голове будущего нобелевского лауреата Николая Геннадьевича Басова и была впервые публично им высказана на заседании Президиума АН СССР в 1961 году, а уже через три года теоретически им же обоснована (см. Басов Н. Г., Крохин О. Н. «Условия разогрева плазмы излучением оптического генератора». — ЖЭТФ. 1964. т. 46. с. 171−175). Потребовалось ещё четыре года напряженной работы, и 18 апреля 1968 года на уникальной установке, созданной в Физическом институте им. П. Н. Лебедева, были зафиксированы первые нейтроны. Сразу был опубликован препринт и статья в журнале «Письма ЖЭТФ»:

Басов Н. Г., Захаров С. Д., Крюков П. Г., Сенатский Ю. В., Чекалин С. В. Эксперименты по наблюдению нейтронов при фокусировке мощного лазерного излучения на поверхность дейтерида лития // Препринт ФИАН №63.1968; Письма в ЖЭТФ.1968. Т. 8. С. 26.

Первая научная публикация по зафиксированным в эксперименте реакциям лазерного ядерного синтеза
Первая научная публикация по зафиксированным в эксперименте реакциям лазерного ядерного синтеза

Была предпринята попытка официальной регистрации открытия, формула которого была такова:

«Установлено неизвестное ранее явление возбуждения реакции синтеза легких ядер при воздействии лазерного излучения на вещество, содержащее указанные ядра».

Однако авторы столкнулась с вполне ожидаемым сопротивлением. В результате открытие так и не было зарегистрировано, несмотря на поддержку со стороны отделения ядерной физики Академии наук. Об этой и других многочисленных проблемах, с которыми пришлось в процессе работы столкнуться участникам пионерного исследования, рассказывается в воспоминаниях соавторов Николая Басова — Станислава Захарова, Петра Крюкова, Юрия Сенатского и Сергея Чекалина — которые мы публикуем ниже.

Работа, ставшая классической, вызвала огромный резонанс в мире и послужила толчком для развития нескольких конкурирующих подходов к развитию лазерного ядерного синтеза. Сегодня в странах Евросоюза, США, Японии и России построены огромные установки с применением сверхмощных импульсных лазеров, на которые потрачены миллиарды долларов. Некоторые научные группы продолжают лобовой штурм лазерного термояда, для которого требуются температуры в миллионы градусов, другие ищут альтернативные пути. Недавно ИА REGNUM опубликовало большой цикл статей Джонатана Тенненбаума об исследованиях австралийского физика Генриха Хоры, развивающего «нетепловой» подход к лазерному ядерному синтезу. Это направление позволяет надеяться на освоение экологически чистой реакции ядерного синтеза «бор + протон», которая в термоядерной схеме требует температуры более миллиарда градусов Цельсия, и оно, по мнению Тенненбаума, ближе всего подошло сегодня к порогу энерговыгодности и промышленного внедрения среди всех направлений исследований ядерного синтеза. Существуют также работы по холодному лазерному ядерному синтезу, о которых, к сожалению, Тенненбаум не упоминает.

А ведь именно направление холодного ядерного синтеза первым преодолело порог энерговыгодности, когда энергетический реактор выдает энергии больше, чем тратится на его запуск и работу. Его официальное признание, как справедливо пишет Тенненбаум (см. «Cold fusion: A potential energy gamechanger»), произошло стремительно и без шумных заявлений после 22-й Международной конференции по ядерным исследованиям в конденсированных средах, состоявшейся в итальянском Ассизи в сентябре 2019 года, то есть через 30 лет после конференции Мартина Флейшмана и Стенли Понса. В Японии, США, Индии, Китае, Евросоюзе, Канаде, Южной Корее началось финансирование государственных программ и крупных проектов по холодному синтезу. Даже Российский фонд фундаментальных исследований объявил совместный с Италией грант на исследования в области холодного синтеза, правда, пока с крайне скудным финансированием. Несколько частных проектов по разработке небольших реакторов холодного синтеза близки к началу коммерческих продаж.

Но безусловным лидером этого направления остается… природа, которая спокойно реализует разнообразные реакции ядерного синтеза, включая реакцию «бор + протон» (см. «Stimulated (B11p) LENR and Emission of Nuclear Particles in Hydroborates in the Region of Phase Transfer Point»), при комнатной температуре в биологических и геологических системах, что в 25-летнем цикле исследований убедительно доказали российская физик-ядерщик Алла Корнилова и украинский физик-теоретик Владимир Высоцкий. Напомним, что ещё в 2019 году в Южной Корее успешно завершилась государственная экспертиза технологии Корниловой и Высоцкого по трансмутации радиоактивного цезия-137 в стабильный барий-138 с помощью синтрофных микробных ассоциаций (см. Kyu-Jin Yum et al. «An Experiment in Reducing the Radioactivity of Radionuclide (137Cs) with Multi-component Microorganisms of 10 Strains»). О новых работах Корниловой и Высоцкого, связанных с медициной и геологией мы расскажем в следующих публикациях.

Но вернемся к новаторской работе группы Николая Басова 1968 года. Алла Корнилова и Владимир Высоцкий, сотрудничавшие с лабораторией Николая Басова по разработке российского гамма-лазера, решили перепроверить результаты 1968 года. В итоге в октябрьском номере «Журнала экспериментальной и теоретической физики» — журнала Президиума Российской академии наук была опубликована статья

Высоцкий В. И., Корнилова А. А., Высоцкий М. В. «Особенности и механизмы генерации нейтронов и других частиц в первых экспериментах по лазерному синтезу» // ЖЭТФ, Том 158, Вып. 4, стр. 645−651),

в которой авторы приходят к неожиданному и сенсационному выводу:

«Анализ первых удачных экспериментов по созданию и исследованию термоядерной плазмы при облучении мишени LiD с помощью лазерных импульсов показывает, что наиболее вероятный механизм генерации нейтронов был связан не с прямой реализацией термоядерного синтеза, а с формированием когерентных коррелированных состояний в объеме мишени за счет действия ударной волны или при движении образовавшихся ионов в неразрушенной части решетки мишени.
Полученные результаты обосновывают возможность альтернативных реакций при лазерном моделировании термоядерного синтеза и показывают целесообразность более детального изучения и повторения этого и аналогичных экспериментов с целью поиска других возможных продуктов ядерного синтеза по той же методике [1, 2] с помощью воздействия однонаправленных одиночных или повторяющихся лазерных импульсов. Очень важно, что такие исследования могут проводиться в небольших лабораториях и они не требуют очень сложного, уникального и дорогостоящего оборудования, которое в настоящее время существует только в некоторых мировых центрах, занимающихся решением глобальных проблем инерционного термоядерного синтеза с обязательным всесторонним сжатием мишени за счет синхронизованного во времени воздействия лазерных импульсов, генерируемых многими десятками сверхмощных лазеров. Успешные эксперименты по реализации ядерного синтеза [22, 23], проведенные с использованием тепловых волн, формируемых в простой кавитационной установке на основе струи воды, подтверждают эффективность таких исследований.
Еще один вывод из проведенного выше анализа относится к необходимости определенной переоценки роли и эффективности ядерных реакций при низкой энергии для решения современных задач ядерной технологии. Очевидно, что для успешного решения таких задач также необходимо учитывать не только конкретное взаимодействие между парой рассматриваемых частиц, как это имеет место в ядерной физике высоких энергий, но и в полной мере анализировать влияние окружающей среды на эффективность этих процессов. В определенной степени эта ситуация аналогична хорошо известному эффекту Мессбауэра, в котором процесс генерации рекордных по параметрам резонансных линий гамма-излучения связан как с внутриядерными процессами, так и со свойствами окружающей среды».

Что это означает? Это означает, что 18 апреля 1968 года группой Николая Басова впервые в мире с помощью лазера была получена реакция холодного ядерного синтеза. Удивительно, что в формуле так и не зарегистрированного открытия не было сказано, каким образом получена ядерная реакция. Получается, сегодня формула открытия была бы откорректирована так:

«Установлено неизвестное ранее явление возбуждения реакции <холодного> синтеза легких ядер при воздействии лазерного излучения на вещество, содержащее указанные ядра».

* * *

Первые эксперименты по наблюдению нейтронов из лазерной плазмы

С. Д. Захаров, П. Г. Крюков, Ю. В. Сенатский, С. В. Чекалин

Опубликовано в сборнике воспоминаний создателей отечественной лазерной техники «Как это было…», часть 1.

Исследования по получению энергии термоядерного синтеза с помощью нагрева плазмы мощными лазерами (лазерный термоядерный синтез, ЛТС), активно ведущиеся в последние десятилетия в ряде развитых стран, были инициированы почти полвека назад в СССР, в стенах Физического института им. П. Н. Лебедева (ФИАН).

ФИАН в то время был самым крупным и наиболее известным за рубежом центром физических исследований в Советском Союзе, и его даже называли «Меккой физиков». Заниматься научными исследованиями в ФИАНе было очень престижно, попасть туда на работу было мечтой каждого выпускника физических специальностей вузов, но очень сложно, тем более в условиях обязательного государственного распределения. Особенно сильным там было лазерное сообщество, возглавляемое отцами квантовой электроники — нобелевскими лауреатами Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым, тогда уже разделившимся на две конкурирующие лаборатории. Лабораторию колебаний, располагавшуюся в правом крыле главного здания, возглавлял А. М. Прохоров, а лабораторию квантовой радиофизики (КРФ), занимавшую, кроме нового, ещё не совсем достроенного корпуса, специально построенный лазерный павильон, — Н. Г.Басов. Все лазерные know how шли тогда из ФИАНа (а лазерные установки тогда создавались почти целиком своими руками). Даже сотрудники С. А. Ахманова и Р. В. Хохлова на физфаке МГУ, известные как одни из первопроходцев в нелинейной оптике, воспринимали ФИАН как некую высшую инстанцию. Слово «ФИАН» произносилось с благоговением, а фиановские разработки принимались тогда за непререкаемые образцы.

Впервые идея ЛТС была опубликована в известной работе Н. Г. Басова и О. Н. Крохина 1964 года [1]. Расчеты показывали, что при фокусировке наносекундных лазерных импульсов с мощностью порядка 109 Вт на поверхность твердой мишени, содержащей дейтерий, можно ожидать нагрева вещества до термоядерных температур. В высокоплотной горячей плазме d-d реакции успеют произойти раньше, чем она разлетится, благодаря высокой частоте столкновений между дейтронами. Предложенный способ решения проблемы термоядерного синтеза не требовал специальных мер для удержания плазмы (так называемое инерциальное удержание) и представлял собой заманчивую альтернативу методу магнитного удержания, к тому времени столкнувшемуся с серьезными трудностями. Л. А. Арцимович, признанный глава термоядерных исследований в СССР, решительно поддержал новое направление и командировал в ФИАН Р. В. Лазаренко, квалифицированного сотрудника Института атомной энергии (ИАЭ) им. И. В. Курчатова. С огромным интересом идея ЛТС была воспринята специалистами — атомщиками и лазерщиками в другой сверхдержаве, США, а также во Франции, Японии. В лазерных центрах этих стран были разработаны исследовательские проекты, нацеленные на экспериментальную проверку идеи. Было общепризнано, что на первом этапе необходимо получить плазму с достаточно высокой температурой ионов (дейтронов), бесспорным подтверждением чего стала бы эмиссия продуктов d-d реакций — быстрых нейтронов.

Николай Басов в лаборатории
Николай Басов в лаборатории

Фактически работы по тематике ЛТС были начаты в ФИАН ранее 1964 года, так как идея ЛТС впервые прозвучала в 1961 году в докладе Н. Г. Басова на заседании Президиума АН СССР. Для демонстрации жизнеспособности этой идеи прежде всего требовался мощный лазер с параметрами, намного превышающими параметры известных в то время лабораторных лазерных установок. Дополнительные осложнения возникали из-за того, что требуемые энергия и длительность лазерного импульса были известны в лучшем случае с точностью до порядка. Согласно самым грубым оценкам, появления нейтронов можно было ожидать при фокусировке на мишень наносекундных лазерных импульсов в видимом или ближнем ИК диапазоне с мощностью свыше 109 Вт. Лазерное излучение нагревает электронную компоненту плазмы, а ионы получают сопоставимую энергию только после многократных столкновений с электронами (более тысячи раз, то есть порядка отношения соответствующих масс). При этом температура ионов в течение короткого времени должна была достигать значений порядка 107 К (1 кэВ).

Было ясно, что импульсные твердотельные лазеры с оптической накачкой, построенные по схеме «генератор — многокаскадный усилитель», могут явиться основой ЛТС. Для создания таких лазерных установок на рубине и неодимовом стекле и проведения необходимых экспериментов Н. Г. Басов принял решение выстроить на территории ФИАН отдельный двухэтажный корпус на виброгасящей подушке, удовлетворяющий всем требованиям прецизионных оптических исследований. Почти четверть объема этого лазерного павильона занимала батарея высоковольтных конденсаторов, которые могли одновременно разряжаться на газоразрядные лампы-вспышки, используемые для накачки лазеров. В первоначальных работах активное участие принимал В. С. Зуев. Именно здесь, в группе П. Г. Крюкова, в апреле 1968 года были зарегистрированы первые термоядерные нейтроны, возникшие при облучении мощным лазером мишени из дейтерида лития. Но путь к этому успешному эксперименту был весьма непростым и потребовал нескольких лет интенсивной поисковой научной работы целой группы исследователей, а также плодотворной кооперации с целым рядом открытых и закрытых предприятий СССР.

Группа Петра Крюкова, сформированная в 1966 году, размещалась в главной части павильона на первом этаже, где находилась оптическая скамья из трех линеек, занимавшая практически всю длину павильона — около 25 метров. Одна из стен этого помещения имела два выхода в коридор, тянущийся вдоль павильона и соединяющий три почти квадратных комнаты, в которых работали сотрудники и аспиранты из соседних подразделений: Юра Стойлов, Игорь Черемискин, Миша Губин, Миша Данилейко и другие, менявшиеся со временем. В этот коридор вела дверь прямо со двора ФИАНа, никем не охранявшаяся, в отличие от всех остальных лабораторий, для входа в которые помимо общего пропуска требовалась еще дополнительная отметка. В 20 метрах от входной двери павильона за забором во всю пели петухи — там находился институт НИУИФ (который, по словам знающих людей, раньше назывался НИИХУЯ — химических удобрений и ядохимикатов). В павильоне сразу при входе был крошечный предбанничек, справа от которого располагался еще более крошечный кабинет П. Г. Крюкова, соседствующий с фотокомнатой и сортиром. П. Г. Крюков курировал две самые мощные лазерные установки, располагавшиеся на оптических скамьях: многокаскадный рубиновый лазер, к которому имел большее пристрастие, так как работал на нем сам вместе с Юрой Матвейцом, и многокаскадный лазер на неодимовом стекле, смонтированный и непрерывно совершенствуемый Юрой Сенатским и Сергеем Чекалиным. Кроме того, в середине оптической скамьи стояло еще несколько больших лазерных модулей, работавших в режиме свободной генерации и принадлежавших Глебу Склизкову, руководителю другой группы, занимавшей верхний этаж павильона (там работали Володя Бойко и Володя Грибков). На этих головках работал Боря Дуванов, адъюнкт военной академии им. Жуковского, спокойный и доброжелательный человек, стрелявший в какие-то болванки, подвешенные на нитях, и следивший за их отклонением после лазерного воздействия. Питание всех лазерных модулей находилось в специальном помещении за другой боковой стеной павильона, из которой внутрь торчало около сотни мощных рычагов-рубильников, служащих для подключения или отключения заряда конденсаторов питания (см. рис.1). Сам заряд производился со специального пульта, расположенного в задней части павильона. Процесс заряда заключался в объявлении оператором пульта (этой техникой владели все сотрудники) по громкоговорящей связи: «Заряжаю!». В это время еще один человек (чаще всего это был С. В. Чекалин) стоял у рычагов и отключал, либо подключал соответствующие каналы в процессе зарядки (все рычаги были перенумерованы) — довольно атлетическое занятие! По окончании заряда оператор объявлял: «Готово!». Далее шла команда: «Пуск!», даваемая либо оператором, либо управляющим кнопкой в зале, после чего все на время закрывали глаза, и происходил выстрел (либо осечка — лампы накачки по какой-то причине не срабатывали). Это был самый ответственный момент, так как довольно часто со звоном взрывались лампы, иногда со страшным громом куда-то пробивало высокое напряжение, и надо было опасаться летящих осколков. В общем, работа была довольно веселой, но ситуация сильно скрашивалась тем, что паузы между «выстрелами» должны были быть не менее 15 минут. А если что-то «вылетало», то перерыв между стрельбами мог растянуться и надолго.

Рис. 1. Выходные каскады лазерного канала на неодимовом стекле на оптической скамье в павильоне лаборатории КРФ (1967 г.)
Рис. 1. Выходные каскады лазерного канала на неодимовом стекле на оптической скамье в павильоне лаборатории КРФ (1967 г.)

Методы генерации и усиления мощных импульсов наносекундной и пикосекундной длительности сначала в лазерах на рубине, затем в лазерах на неодимовом стекле были в основном разработаны в течение 1962−1967 годов [2−6]. В первых экспериментах по нагреву плазмы (1966 г.) использовался рубиновый лазер (длина волны 6943 нм), состоявший из задающего генератора с модулированной добротностью и усилителя. Лазер обладал рекордными для того времени параметрами: энергия до 5Дж в импульсе длительностью τ = 2−3 нс. Излучение фокусировалось на поверхность дейтерида лития, помещенного в вакуумную камеру. Диагностическая аппаратура ограничивалась одним только нейтронным счетчиком разработки ИАЭ, так как была надежда, что нейтроны появятся сразу. Результаты оказались отрицательными — счетчик «молчал». Неудача усилила ранее начавшуюся в ФИАНе принципиальную дискуссию между сторонниками двух альтернативных подходов к решению проблемы. А. М. Прохоров и сотрудники (П. П. Пашинин) считали более эффективным фокусировать лазерный луч в плотный газ: электронная температура в «лазерной искре», сообщенная ими, по данным рентгеновской диагностики, достигала 3·106 К. Однако о температуре ионов можно было сказать лишь, что она намного ниже. Н. Г. Басов и О. Н. Крохин, напротив, указывали, что фокусировка внутрь газа имеет коренной порок: по мере увеличения мощности зона лазерного пробоя (объем искры) будет расти, а ионная температура повышаться не будет. Нагрев твердой мишени в вакууме, подчеркивали они, лишен этого недостатка [7]. Рассудить, кто прав, мог лишь эксперимент.

В процессе исследований был сделан вывод, что хотя энергия в лазерном импульсе, направлявшемся на мишень, была довольно велика (до 10 Дж), но для достижения необходимой ионной температуры недостает мощности. Передний фронт импульса нагревает плазму, и она успевает заметно расшириться к приходу основной части импульса. Было установлено, что, помимо основных лазерных параметров: энергии (~10 Дж), длительности (τ ~10-9 сек), направленности излучения (10-3-10-4 рад), для обеспечения высокой скорости энерговыделения в малом объеме плотной плазмы также необходим высокий контраст рабочего импульса, т. е. отсутствие (на уровне <10-4 от энергии импульса) фонового излучения лазерной установки. При низком контрасте фоновое излучение испаряет вещество мишени до прихода основного импульса, уменьшая концентрацию плазмы и увеличивая нагреваемый объем [7−9]. Таким образом, нужно было сократить лазерный импульс и увеличить его контраст.

Попытка реализовать один из возможных вариантов сокращения длительности лазерного импульса при его усилении была предпринята в 1965 году на «рубиновой» установке при участии Р. В. Амбарцумяна и В. С. Зуева [2]. Экспериментально исследовался режим так называемого нелинейного усиления, при котором усилители «загонялись» в режим глубокого насыщения. Неожиданно обнаружилось, что при распространении импульса в усиливающей среде он движется в ней со скоростью, существенно превышающей скорость света в вакууме! Разгадкой этого явления занимался В. С. Летохов. Проблема имела две ипостаси: во-первых, неясно было, почему не наблюдается сокращение импульса в режиме нелинейного усиления — и это входило в круг основных задач группы. Во-вторых, и это было более интересно, хотя лежало в стороне от генеральной линии, очень хотелось объяснить наблюдаемую в эксперименте «сверхсветовую» скорость импульса. Владик Летохов показал, что оба эффекта имеют одну и ту же природу — связаны с формой усиливаемого импульса, точнее с достаточно длинным экспоненциальным передним фронтом. В режиме нелинейного усиления запасенная инверсная населенность «снимается» этим фронтом. При этом максимум усиливаемого импульса естественно перемещается к его переднему фронту, что и создает видимость «сверхсветового» распространения. Это явление впоследствии было названо «оптическим тахионом» [10]. Расчеты Летохова показали, что из-за этого же длинного экспоненциального фронта не происходит сокращения длительности импульса при нелинейном усилении, и что для реализации нужного режима необходимо сильно «подрезать» передний фронт импульса. Эта идея была тут же экспериментально реализована с помощью оптических затворов, и в результате достигнуто существенное сокращение длительности импульса при усилении. Сначала это было проделано на рубиновом лазере, после чего была сразу же предпринята очередная неудачная попытка поджечь термоядерную реакцию на мишени из дейтерида лития. Эксперименты по попыткам наблюдения термоядерных нейтронов проводились всякий раз, когда удавалось увеличить мощность лазерного импульса. На случай удачного эксперимента у П. Г. Крюкова в сейфе была припрятана бутылка хорошего армянского коньяка, но её девственность сохранялась довольно долго — как минимум лет пять!

Следующие шаги были направлены, во-первых, на дальнейшее увеличение мощности лазерного импульса (эта задача стояла на всем протяжении исследований) и, во-вторых, на увеличение чувствительности используемого детектора нейтронов. Для решения первой задачи было решено использовать в качестве активной среды лазера для экспериментов по ЛТС неодимовое стекло (область генерации около 1,06 мкм). Неодимовое стекло обладало большей оптической однородностью по сравнению с кристаллами рубина, а концентрация активных ионов Nd3+ могла более чем на порядок превосходить концентрацию активных ионов хрома в рубине. Из такого стекла можно было изготовлять активные элементы с размерами, в десятки раз превосходившими размеры кристаллов рубина. Эти преимущества открывали перспективу создания лазеров на неодимовом стекле с высокой мощностью излучения.

Заказ на активные элементы для неодимового лазера был размещен на Лыткаринском заводе оптического стекла (ЛЗОС). Опытная разработка партии стержней с диаметрами 8−12 мм и длиной 120 — 300 мм из силикатного неодимового стекла проводилась в научно-исследовательском подразделении завода, возглавлявшемся И. М. Бужинским. Многолетнее плодотворное сотрудничество с этим подразделением позволило оснастить активными элементами из неодимового стекла производства ЛЗОС лазерные установки ФИАН, создававшиеся в период с 1964 года вплоть до 90-х годов. В 1964 году в лаборатории КРФ был запущен лазер на стержне с диаметром 9 мм и длиной 120 мм из неодимового стекла КГСС-7 с концентрацией активных ионов 6%. Модуляция добротности резонатора осуществлялась с помощью вращающейся призмы полного внутреннего отражения. Энергия излучения в двух импульсах с длительностью по 40 нс каждый после усиления в трех стержнях из неодимового стекла длиной по 120−150 мм составляла 8 Дж [6]. При фокусировке импульсов на мишень из гидрида лития было зарегистрировано излучение в спектральных линиях дважды ионизованного лития [7]. В 1965 году был запущен лазер на неодимовом стекле с модуляцией добротности электрооптическим затвором Керра [6]. Для усиления наносекундных импульсов стали использоваться стержни из неодимового стекла длиной по 300 мм и 600 мм. При фокусировке излучения разработанных неодимовых лазеров с модуляцией добротности и последующим усилением в воздухе возникал оптический пробой, состоящий из нескольких отдельных искр. С целью увеличения энергии излучения был создан генератор на стержне с диаметром 30 мм и длиной 600 мм с вращающейся призмой. Усиление импульса производилось в двух стержнях 30×600 мм. Для развязки задающего генератора от усилителя в те годы использовался затвор из тонкой поглощающей алюминированной пленки (майлар), прожигаемой импульсом генератора. При фокусировке пучка на выходе усилителя с энергией 60 Дж при длительности импульса ~50 нс линзой с фокусным расстоянием 3 м в 1965 году впервые удалось наблюдать «длинную лазерную искру» — область пробоя в воздухе протяженностью около 4 м, рис. 2.

Для создания многокаскадного усилителя, на выходе которого можно было бы получить импульсы с длительностью короче 10 нс с энергией до 100 Дж, на ЛЗОС были изготовлены стержни из неодимового стекла с диаметрами 20−45 мм и длиной 680 мм. В стержнях с диаметрами 30 и 45 мм использовалось стекло с 2% концентрацией ионов неодима. Для предотвращения самовозбуждения стержней на собственных торцах и уменьшения потерь на отражение торцы стержней были обработаны под углом Брюстера. Для накачки этих стержней использовались осветители марки ГОС-300 и ГОС-1000, изготовленные на Ленинградском оптико-механическом объединении (ЛОМО). Часть осветителей для линейки усилителей разрабатывалась в конструкторском бюро лаборатории КРФ под руководством Б. И. Белова и изготавливалась на опытном производстве ФИАН. В осветителях использовались линейные импульсные лампы типа ИФП-20 000. (В дальнейшем сотрудничество с ЛОМО и ЛЗОС позволило оснастить осветителями промышленного производства несколько лазерных установок ФИАН).

Рис. 2. Фотография «длинной лазерной искры» в оптическом зале павильона (1965 г.). Часть изображения «искр» размыта из-за недостатка «глубины резкости» при съемке
Рис. 2. Фотография «длинной лазерной искры» в оптическом зале павильона (1965 г.). Часть изображения «искр» размыта из-за недостатка «глубины резкости» при съемке

Параллельно с работами по лазеру продвигались работы и по второму направлению: опробовались различные конструкции вакуумных камер, способов установки мишеней, фокусировки, а также увеличивался арсенал диагностических средств: контроль отражения и рассеяния лазерного луча в процессе нагрева, детектирование «жесткой» компоненты рентгеновской эмиссии. Это позволяло уйти от работы вслепую и получать некоторую информацию о создаваемой плазме.

По поводу второй задачи было ясно, что следует изготовить более эффективный детектор, который позволял бы уверенно регистрировать акты d-d реакций даже в случае эмиссии из мишени нескольких нейтронов (энергия 2,45 МэВ) за лазерный «выстрел». Хотя консультации и анализ литературы свидетельствовали, что прецедентов создания подобной аппаратуры не существует, подходящую конструкцию все же удалось разработать. Быстрые нейтроны регистрируются по заряженным частицам, продуктам их столкновений с ядрами атомов. Поскольку нейтроны эффективно замедляются в водородсодержащих материалах, в качестве основы счетчика был выбран сцинтиллятор на основе полистирола (СН2)n. Время замедления наших нейтронов в полистироле (около 2 мкс) задавало требования к электронике, а средняя длина пробега до термализации (около 10 см) определяла размеры сцинтиллятора, следовательно, необходимое при таких размерах высокое оптическое качество. Специалисты по ядерным детекторам выражали сомнения, что подобный блок удастся раздобыть, но в Советском Союзе можно было найти всё! Харьковский НИИ монокристаллов изготовил (по письму Н. Г. Басова!) уникальный кристалл полистирола размером ϕ30×20 см. Кристалл был легирован добавками (пара-терфинил и ПОПОП), сдвигавшими спектр сцинтилляций в область чувствительности ФЭУ, и имел полированную поверхность. С целью увеличения светосбора мы окружили его оболочкой с нанесенным на нее слоем MgO. Вся конструкция помещалась в двойной дюралевый корпус толщиной 16 мм для подавления электромагнитных наводок и защиты от возможного рентгеновского «всплеска» из лазерной плазмы. (Позднее на аналогичном принципе был изготовлен рентгеновский детектор значительно меньших размеров, предназначенный для оценочных измерений нагрева электронной компоненты плазмы). Счетчик был прокалиброван сначала на радиоизотопных гамма и нейтронных источниках и окончательно на импульсном генераторе таких же 2,45 МэВ нейтронов, но получаемых столкновениями электрически ускоренных ионов D+ с D-содержащей мишенью. Было установлено, что эффективность регистрации ожидаемых нейтронов из мишени в геометрии, обычно используемой в лазерных экспериментах, составит не менее 10%.

Высокая чувствительность и эффективность детектирования имела оборотную сторону: в миллисекундные интервалы счетчик выдавал «паразитные» импульсы, обусловленные нейтронами от космического фона (а также импульсы от естественной радиоактивности сцинтиллятора). Чтобы элиминировать этот источник помех, была принята следующая схема регистрации. На один из каналов двухлучевого осциллографа подавался импульс, синхронизованный с моментом прихода лазерного импульса на мишень, тогда как другой канал осциллографа соединялся с выходом счетчика. Запуск развертки производился с заданным упреждением по отношению к лазерному выстрелу. В таких условиях вероятность спутать паразитный сигнал с сигналом, порожденным индуцированными лазером нейтронами, практически сводилась к нулю.

В собранной в павильоне на оптической скамье многокаскадной установке на неодимовом стекле задающим генератором вначале являлся лазер с затвором Керра. Установка работала в режиме усиления наносекундных (5−30 нс) импульсов [3]. Шаг за шагом решались возникавшие технические проблемы, проводились исследования режима усиления. Главным недостатком, по сравнению с рубиновым лазером, здесь было то, что лазерный пучок невидим глазом. Конечно, предварительная юстировка проводилась по гелий-неоновому лазеру, но из-за большого влияния дисперсии в активных элементах, срезанных под брюстеровскими углами, такая юстировка была крайне неточной и приходилось пользоваться самодельным электронно-оптическим преобразователем (ЭОПом) и юстироваться по излучению генератора. Прибор был сам по себе довольно громоздок, да еще вместе с ним приходилось таскать источник питания, с которого двухметровым кабелем подавалось напряжение в 25 кВ. Иногда, чаще всего в момент поджига ламп генератора, высокое напряжение с корпуса ЭОПа пробивало на глаз или на губу, что было чрезвычайно неприятно. Кроме того, генератор мог стрелять не чаще одного раза в несколько минут, поэтому вся процедура юстировки была довольно долгой и утомительной.

С октября 1966 года начались работы по осуществлению режима нелинейного усиления на неодимовом лазере, где, как уже упоминалось, имелась потенциальная возможность получить более высокую энергию, чем в рубиновом лазере. По ходу сборки установки измерялись параметры лазерного импульса в процессе усиления. В этой деятельности активно участвовал В. С. Летохов. Были получены новые данные о процессах нелинейного усиления в неодимовом стекле, определено экспериментально значение энергии насыщения (~7 Дж/см2) и найден режим сокращения длительности импульса при усилении. При этом удалось получить довольно значительную по тем временам энергию в импульсе — более 100 джоулей и сократить длительность импульса за счет нелинейности усиления до 5 нс. Эти данные были опубликованы [3], однако эксперименты по лазерному термояду, проведенные с этой установкой, опять не дали результата.

В это время появилась работа Де Мария [11] об экспериментальном осуществлении пикосекундного генератора с самосинхронизацией мод (mode-locking). Сразу было поручено О. Б. Шатберашвили, в то время аспиранту, попробовать запустить такой лазер. Олег занимался этим в одной из комнат главного корпуса КРФ и, заходя иногда к нам в павильон, так благоухал нитробензолом, что все махали руками и пытались быстрее выдворить его из своего помещения. Даже когда он уходил, но случайно забывал свой халат, находиться в комнате было совершенно невозможно. Тем не менее через пару месяцев Олегу удалось получить генерацию пикосекундных импульсов. Олег был чрезвычайно увлечен запуском нового лазера, генерировавшего гигантский импульс в виде «гребенки» коротких пикосекундных субимпульсов. Дело было зимой, и слегка уже обалдевший от своих осциллограмм Олег, глядя на вереницы сосулек, повисших под крышей, восхищенно говорил: «Вон, смотри, mode-locking!».

Было очень заманчивым поставить такой генератор в качестве задающего в павильоне, но довольно долгое время ушло на то, чтобы придумать, как выделить один импульс из цуга, генерируемого таким лазером, для дальнейшего его усиления. К середине 1967 года приемлемое решение было, наконец, найдено. Формирование цуга пикосекундных импульсов осуществлялось в задающем генераторе на стержне из неодимового стекла с диаметром 10 мм. В резонаторе генератора устанавливалась кювета с просветляющимся полиметиновым красителем. Система выделения, состоявшая из поджигаемого лазерным излучением разрядника, кабеля, заряжаемого до нескольких киловольт, и ячейки Поккельса, позволила получить одиночный пикосекундный импульс с достаточно приличным контрастом. Началась работа по усилению.

Для этого с небольшими модификациями были использованы каскады предыдущего наносекундного усилителя. Усиление выделенного импульса с энергией не более 1мДж производилось в 5-каскадном усилителе на основе стержней из неодимового стекла с диаметрами 20, 30 и 45 мм, установленных последовательно друг за другом. Для предотвращения самовозбуждения усилителя и повышения контраста усиливаемого импульса между каскадами усилителя устанавливались оптические развязки — кюветы с красителем. Общая протяженность усилителя составляла около 15 м. Оптическая схема и общий вид установки представлены на рис.3 и 1. Ожидали получить импульс огромной мощности за счет сокращения длительности почти на два порядка. Однако в процессе усиления выяснилось, что энергия импульса ограничивается (на уровне около 1Дж/см2) не насыщением активной среды, а нелинейными процессами самовоздействия в неодимовом стекле, главным образом, самофокусировкой, неизбежно возникающей при росте интенсивности. Несмотря на все трудности, ~ 20 пс импульс удалось усилить до энергии в 20 джоулей. Это был на то время самый мощный лазер в мире.

В серии экспериментов на этой установке были получены шлирен-фотографии разлетающейся плазмы с пикосекундным разрешением, свидетельствующие об эффективном вкладе лазерной энергии в мишень.

Рис. 3. Схема лазерной установки (1968 г.)
Рис. 3. Схема лазерной установки (1968 г.)

Сопоставление экспериментальных данных с простейшими теоретическими моделями указывало, что хотя бы в самых мощных «выстрелах» d-d реакции должны были происходить. Не скрывал нетерпения Н. Г. Басов; он приходил почти каждую неделю, часто с иностранными гостями. Но нейтронов не было. Приводя различных высокопоставленных советских и зарубежных деятелей в павильон, Николай Геннадиевич всегда произносил коронную фразу, что мощность этого лазера намного превосходит мощность всех гидроэлектростанций мира, вместе взятых, и это неизменно производило должное впечатление. Довольно часто во время таких визитов производился текущий ремонт установки. Неполадки всегда возникали в процессе работы — взрывались лампы накачки, разлетались кюветы межкаскадных развязок, распространяя мерзкий нитробензольный дух, повреждались, а иногда и отваливались торцы активных элементов. Однажды взорвалась лампа накачки в самодельном лазерном осветителе, наполненном водой. Высокое напряжение с грохотом пробило на прямоугольный корпус осветителя, сделанный из красной меди, гидравлический удар оторвал торчащие по бокам осветителя концы неодимовых стержней, разлетевшихся по павильону со страшной скоростью, а сам осветитель после этого стал похож на пузатый тульский самовар. Слава богу, все остались живы. А уборщица тетя Лена, орудовавшая в это время шваброй в пяти шагах, даже не моргнула глазом и спокойно продолжала свою работу.

В тех случаях, когда с установкой было все в порядке, гостям показывали «длинную искру», ставя длиннофокусную линзу на выходе усилителя. Это был очень красивый эффект, сопровождавшийся появлением шнура ярко-белых искр длиной в несколько метров. Однажды Басов привел большую группу каких-то высших армейских чинов с генеральскими лампасами. Некоторые были настолько солидны, что с трудом смогли протиснуться в боковую дверь, ведущую из коридора павильона в оптический зал. Лазер в это время был «на ходу», и генералам показали длинную искру, но один из самых больших начальников, видимо, моргнул во время лазерной вспышки и искры не увидел. Пришлось ждать еще 15 минут — такова была необходимая пауза между выстрелами, чтобы дать остыть активным элементам. Н. Г. что-то опять рассказывал военным, после паузы опять высекли длинную искру, но все равно тот крупный чин ушел неудовлетворенным, хотя осталось непонятным, увидел ли он искру на этот раз. По этому поводу Боря Дуванов поделился своим опытом демонстрации работы лазера военным. Он рассказал, что у себя в академии насыпает пороховую дорожку, довольно длинную, до небольшой закрытой емкости с порохом, которая взрывается при поджиге. И когда генералы видят, как после поджига лазерным импульсом пороха на одном конце дорожки эта бомба взрывается на другом конце, они приходят в полный восторг и долго аплодируют. Так что наша длинная искра — это совсем не то, что они рады были бы увидеть.

Мы довольно плотно занимались подготовкой и проведением эксперимента на новом пикосекундном лазере. Мощность пучка действительно была впечатляющей — самофокусировка наблюдалась не только в активных элементах, приводя к нитевидным повреждениям внутри стержней и в месте их выхода на поверхность, но и впервые была зарегистрирована самофокусировка параллельного пучка в воздухе [5]. Для наблюдения этого эффекта пучок диаметром около 45 мм с выхода усилителя выпускался через открытое окно наружу, а отпечатки излучения наблюдались на дистанции в 30 м прямо под окнами лаборатории колебаний, на стене главного здания ФИАН, куда мы прикрепляли листы фотобумаги. Но главной задачей оставались попытки наблюдения термоядерных нейтронов.

Следует, наверное, подчеркнуть, что тогда не было ни персональных компьютеров, ни автоматизации эксперимента. Все осциллограммы приходилось фотографировать, после чего надо было проявлять пленки. Кроме сигналов с нейтронных датчиков, фотографировались импульсы генератора и на выходе усилителя. В силу этих причин какие-либо определенные выводы можно было сделать только после внимательного изучения всех фотографий. Но по молодости нам всегда не терпелось узнать, что же получилось (или не получилось) в эксперименте. Поэтому бывали и казусы. Так, однажды Олег Шатберашвили приоткрыл крышку фотобачка, в котором проявлялась пленка с отснятыми за целый день данными, желая побыстрее взглянуть на пленку. День работы пропал.

Измерялась также энергия с нескольких датчиков, причем приходилось регистрировать показания по стрелочным приборам. Понятно, что при таком положении дел процедура измерения требовала сразу многих наблюдателей. Выстрелы проводились не чаще, чем раз в 15 минут, поэтому в течение рабочего дня всегда можно было позвать Диму Воронцова, Володю Юрова или даже кого-нибудь из соседних групп оторваться на минуту и взглянуть на показание одного из наших приборов. Иногда звали и Льва Михайловича Кузьмина, располагавшегося на втором этаже. Лева был универсальным специалистом: под его присмотром находилась вся силовая электрическая часть наших лазеров и конденсаторы, пульт управления и громкоговорящая связь пультовой с оптическим залом. Он же мог сделать любую деталь на токарном станке, стоящем у него наверху. Кроме того, Кузьмин был непревзойденным специалистом по всей радиоэлектронике и имел первый разряд по радиоспорту. Глядя, как мы сосредоточенно пялимся в экраны осциллографов, Лев всегда шутил: «Что вы там хотите увидеть? Давайте я вам сделаю любые импульсы на экране, сфотографируете — и дело с концом!» После рабочего дня собрать команду бывало сложнее. Но всегда оставались помочь студент-дипломник физфака МГУ Саша Федосимов и только что окончивший физфак Юра Матвеец. Юре было сложнее, так как он, во-первых, жил в Пахре (а мы иногда засиживались за полночь, едва успевая на метро), а во-вторых, он тогда еще был молодоженом со всеми вытекающими отсюда последствиями. Вечерами пили чай, кипятя воду в широкогорлой колбе киловаттным кипятильником. Часто, чтобы не растерять калорий, закусывали салом, хранившимся, за неимением холодильника, на подоконнике у самого стекла или между рамами. Иногда бегали в гастроном напротив купить чего-нибудь к чаю.

По новой установке был подготовлен доклад на 5-й Международной конференции по квантовой электронике в Майами, США (1968) и написана статья [4]. Авторов всегда писали в алфавитном порядке, поэтому в русском варианте авторы начинались с Басова, а заканчивались Чекалиным и Шатберашвили. Когда эти материалы попали к Басову, он почему-то вычеркнул двух последних — так и опубликовали. Иногда бывало и так.

Но от нас ждали результата по главному направлению. Крохин к нам, правда, не заходил, он больше общался с группой Склизкова, которая располагалась на втором этаже павильона. Раз зашел Басов, один, без гостей. Мы готовились к очередной стрельбе, и шел последний подготовительный этап — протирка торцов лазерных стержней перед началом эксперимента. Эта процедура была достаточно нудной, но обязательной, так как любая крошка или пылинка на торце активного элемента неизбежно приводила к повреждению его поверхности в первом же выстреле. Н. Г. попытался помочь, но с непривычки смоченная спиртом тряпочка как-то выскользнула из его руки, и на торце остался смачный отпечаток его большого пальца. Был шанс увековечить этот нобелевский след на торце, пожертвовав одним неодимовым стержнем, и стрельнуть пару раз, не протирая это место. Но, чуть поразмыслив о том, сколько стоит этот неодимовый стержень, решили отказаться от такой оригинальной дактилоскопической процедуры. Сейчас думается, что, может быть, и зря тогда пожадничали. Но, как говорится, русский мужик задним умом крепок.

После многочисленных неудачных «стрельб» осталось проверить последнее — качество мишеней, вопрос, вызывавший ранее наименьшие опасения. В наших экспериментах всегда использовался дейтерид лития ПИ, хотя в других лабораториях мишенями служили другие соединения — от твердого дейтерия до дейтерированного полиэтилена. ПИ — вещество очень гигроскопичное, поэтому он хранился у нас в надлежащих условиях, а для загрузки в камеру использовался бокс с продувкой азотом. Мы получали наш материал из Института прикладной химии в виде кусочков. Возникло сомнение: если каким-то образом он адсорбировал водяные пары, это может все испортить. Специфика нагрева вещества лазерным излучением состоит в том, что высокотемпературная плазма образуется из тонкого поверхностного слоя твердой мишени глубиной, в нашем случае, порядка 100 микрон. Если он содержит значительное количество молекул Н2О, то неизбежны большие потери на ионизацию и нагрев избыточных электронов.

Как проверить чистоту приповерхностного слоя? В существовавших методах анализа структуру вещества приходилось так или иначе разрушать, так что различие элементного состава между поверхностью и объемом пропадало. По счастливому стечению обстоятельств в это время две кафедры МИФИ — разделения изотопов и физики твердого тела — совместно заканчивали разработку нового типа анализатора — лазерного масс-спектрометра (В. Дымович, Ю. А. Быковский, В. Н. Неволин, С. Сильнов). Принцип его действия в отношении подготовки пробы был аналогичен нашему способу нагрева плазмы. На поверхность образца, помещенного в вакуумированную систему, фокусировался кратковременный лазерный импульс, создавая плазму с невысокой степенью ионизации, которая и служила источником ионов. После окончания импульса часть ионного сгустка попадала в длинную трубу (времяпролетный промежуток), где сгусток растягивался из-за различия в массе ионов, а затем они пролетали через область поперечного магнитного поля. В нем ионы заворачивались по своим циклотронным радиусам, и в результате достигалась их сортировка по отношению заряда к массе. На выходе ионы детектировались вторичным электронным умножителем, и итоговые данные выводились в виде спектра.

Метод как нельзя лучше подходил к решению нашей задачи. Взаимопонимание с коллегами из МИФИ было найдено. Вскоре у нас в руках оказалась сводка обнаруженных в наших мишенях примесей (публикация [12] вышла позже). Подтвердились худшие опасения — материал был недопустимо загрязнен. В спектре, наряду с дейтерием и литием, присутствовали довольно сильные линии водорода, кислорода, углерода.

Теперь нужно было решать следующий вопрос — где достать чистый дейтерид лития? Были наведены справки у специалистов — все указывали на ГИПХ. Поступивший оттуда ответ на наш запрос был неутешителен: более чистого материала у них не было. Конечно, можно было переключиться на другой дейтерированный материал, но это оборачивалось дополнительными проверками, потерей темпа и угрозой, что нас обойдут конкуренты. (Последнее было вполне реально, так как не проходило недели, чтобы нас не информировали о новых успехах американцев, французов или кого-то еще на пути к получению индуцированной лазером термоядерной реакции). Н. Г. Басов посоветовал обратиться в Минсредмаш СССР, может, там помогут. Он имел в виду, что дейтерид лития являлся основным материалом водородных бомб, а производство последних курировалось этим ведомством. Так и было сделано.

В кабинете на Ордынке приятный и уже немолодой человек внимательно выслушал необычную для него просьбу, задал несколько уточняющих вопросов и снял телефонную трубку. Затем он соединился с нужным человеком, изложил нашу заявку и попросил помочь, добавив, что, по его сведениям, такая возможность у его собеседника есть. Согласие было получено, и оговорен день прилета нашего человека, чтобы уточнить необходимые детали. Буквально через неделю встреча состоялась, но не далее заводской проходной в далеком сибирском городке. Все было оговорено в течение получаса, и не потребовалось ни денег, ни официальных писем — только несколько цифр на клочке бумаги. Собеседник сказал, что нам повезло, как раз подобный материал недавно ими был изготовлен для своих целей. «Поезжайте домой, заказ поступит в ФИАН через первый отдел» — прямо как в «Сказке о золотой рыбке».

Примерно через месяц в первый отдел пришла посылка. В ней было несколько герметичных изящных пеналов из нержавеющей стали, явно изготовленных специально под наш заказ. Они содержали добрую сотню «таблеток» голубоватого цвета, упакованных в атмосфере аргона. В приложенном паспорте содержался список примесей, из которого следовало, что чистота материала на уровне шести девяток. Толщина и диаметр образцов в точности соответствовали размерам держателя мишени в вакуумной камере. Последняя, в свою очередь, была максимально упрощена и миниатюризирована, чтобы проходить в бокс с аргоновым поддувом. Тем самым был полностью исключен контакт мишени с атмосферным воздухом. Поверхность образцов была плоской, в отличие от прежних бесформенных кусков, благодаря чему не нужно было прибегать к дополнительной механической обработке мишеней внутри бокса. (Все эти предосторожности, наряду с усилиями по совершенствованию лазера, дали свой положительный вклад, но сейчас трудно выделить, что было решающим.)

И все-таки после многих мытарств наше солнце взошло. Это было 18 апреля 1968 года. Работали мы в этот раз в отсутствие начальника — П. Г. Крюков был в командировке. Стрельба велась уже по новым таблеткам со сверхчистым дейтеридом лития. Кроме нас, в эксперименте участвовали Юра Матвеец и Саша Федосимов. Стас Захаров, как всегда, регистрировал главный сигнал от нейтронного датчика. В случае удачного выстрела этот пик должен был точно совпасть по времени с сигналом от лазерного импульса, регистрировавшимся на той же развертке. Вдруг после очередного выстрела Стас тихо произнес: «Есть!» Все обмерли, не веря в удачу. Потом в течение всей пятнадцатиминутной паузы пытались выяснить, насколько надежным было совпадение, на что Стас ответил только: «Посмотрим».

Эффект повторился еще в нескольких вспышках. Мы окончательно убедились в этом, просмотрев проявленные пленки. Сомнений не было — статистика эксперимента полностью исключала возможность случайного совпадения лазерного импульса с сигналом фона. Заветная бутылка коньяка была, наконец, извлечена из сейфа и с удовольствием (или, как тогда говорили, с чувством глубокого удовлетворения) распита, рис.4.

Рис. 4. Участники эксперимента по регистрации нейтронов из лазерной плазмы, слева-направо: Ю. Матвеец, С. Захаров, С. Чекалин, Ю. Сенатский, А. Федосимов ( апрель 1968 г.)
Рис. 4. Участники эксперимента по регистрации нейтронов из лазерной плазмы, слева-направо: Ю. Матвеец, С. Захаров, С. Чекалин, Ю. Сенатский, А. Федосимов ( апрель 1968 г.)

Имеет смысл более подробно изложить этот эксперимент по наблюдению нейтронов, схема которого представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема эксперимента по регистрации нейтронов (1968 г.)
Рис. 5. Схема эксперимента по регистрации нейтронов (1968 г.)

Излучение лазера фокусировалось линзой с фокусом 60 мм на поверхность мишени в вакуумной камере. Каждый выстрел лазера направлялся на новый участок поверхности мишени. Размеры фокального пятна (~200 мкм) определялись по фотографиям горячей области плазмы в рентгеновских лучах. На расстоянии 10 см от мишени располагался сцинтилляционный счетчик. Эксперименты по наблюдению нейтронов проводились сериями по 5−10 вспышек. Были зарегистрированы осциллограммы при отсутствии совпадения сигнала от счетчика с сигналом от затвора Керра и осциллограммы со случаями совпадения этих сигналов. Результаты экспериментов в двух сериях приводятся в таблицах. Калибровка счетчика по источникам гамма-излучения и нейтронов показала, что импульсы, наблюдаемые при совпадении, могут принадлежать единичным нейтронам с энергией ~2,5 Мэв, возникшим в реакциях D+D→Не3+n. Совпадения импульсов были зарегистрированы и при экранировании счетчика свинцовым экраном. (Фоновые импульсы от счетчика представляли собой, как пояснялось, импульсы космического происхождения и импульсы от естественной радиоактивности сцинтиллятора). Вероятность принадлежности зарегистрированного импульса нейтрону из лазерной плазмы в каждом из подобных событий в 20 раз превосходила вероятность случайного совпадения фонового импульса с импульсом от затвора Керра. Все случаи совпадений приходились на вспышки с энергией лазерного импульса, большей 6 Дж. Общее число зарегистрированных за вспышку нейтронов не превышало 102.

Некоторое время мы сомневались — сразу сообщить Басову о результате или сделать еще несколько экспериментов. В конце концов решили, что одно другому не помешает, а полученный результат вполне надежен. Басов пришел к нам в павильон и, поглядывая на противоположные окна лаборатории А. М. Прохорова, отдал приказ: срочно писать препринт и текст статьи в «Письма в ЖЭТФ». Нам не очень понятна была причина спешки, потому что вряд ли в такой ситуации возможно было бы обойти нас с публикацией. Но, видимо, Николай Геннадиевич знал Александра Михайловича лучше нас.

Зашел и Олег Николаевич Крохин. Он попытался прикинуть на бумажке баланс энергии для нашего эксперимента, написал несколько формул и, заключив, что да, такое возможно, рассказал пару анекдотов. Физика нагрева ионов при фокусировке пикосекундных лазерных импульсов на поверхность содержащей дейтерий мишени прояснилась немного позже [13,14]. Было замечено, что в таких условиях форма импульса может быть с хорошим приближением аппроксимирована дельта-функцией. Систему уравнений, учитывающих все основные факторы, влияющие на ионный нагрев (газодинамическое движение, нелинейная теплопроводность, электрон-ионная релаксация) в одномерном (плоском и сферическом) случае удалось свести к одному нелинейному уравнению, решить его и получить зависимость нейтронного выхода от вложенной лазерной энергии. (Все это очень удивило О. Н. Крохина). При этом согласие с экспериментом оказалось вполне удовлетворительным. Стало также понятно, сколь ненадежны были первоначальные оценки, но они были первыми и сыграли решающую роль.

Препринт был готов через несколько дней, статья вышла попозже [15], но тоже довольно быстро. Через некоторое время всю нашу команду пригласил к себе Д. В. Скобельцин, тогда директор ФИАНа. На этом приеме присутствовал и Крохин, объяснявший директору суть эксперимента. Поразила удивительная способность Д. В. схватывать суть и задавать вопросы по существу, несмотря на его тогда уже преклонный возраст.

После появления первых наших публикаций по лазерному термояду многие в лаборатории с ехидцей спрашивали, почему в соавторах нет Летохова?

Результаты экспериментов по регистрации нейтронов из лазерной плазмы были немедленно доложены на 5-й Международной конференции по квантовой электронике в Майами, США [16]. Они также докладывались на IEEE Conference on Laser Engineering and Applications, Washington, D.C., USA, May 26−28, 1969; на международной конференции Laser und ihre Anwendungen, Dresden, DDR, June 10−17, 1970. В 1969 году появилась публикация группы исследователей из Sandia Laboratories (США) [17], которая повторила эксперименты [15,16] и полностью подтвердила результаты ФИАН по генерации нейтронов из лазерной плазмы. В 1970 году появилась публикация французской группы [18], которая наблюдала нейтроны при облучении мишени из дейтериевого льда наносекундными импульсами неодимового лазера.

Интересна была реакция на сообщение о наблюдении нейтронов в научном сообществе СССР. Наиболее высоко оно было оценено специалистами в области высокотемпературной плазмы и атомного ядра. Курьезно, но внутри ФИАНа кем-то упорно распространялся слух, что полученные нейтроны не настоящие, а ускорительные. Термин этот теперь редко употребляется, так как возник на раннем этапе термоядерных исследований на установках, использующих принцип самосжатия длинного токового шнура (пинч-эффект). В перетяжках шнура одновременно возникают большая плотность плазмы и сильнейшие электрические поля, из-за чего ионы ускоряются: значительная их часть ускользает из плазмы, но некоторые успевают вступить в реакцию синтеза и порождают так называемые ускорительные нейтроны. Этот режим крайне неэффективен, так как сокращает время удержания плазмы, следовательно, кпд. Популярные статьи и книги, издаваемые в то время, красочно описывали опасность этого механизма на больших линейных размерах в огромных токамаках и магнитных ловушках. Однако не было никаких оснований переносить его в условия почти точечной лазерной плазмы с плотностью, близкой к твердотельной, где ионы набирают энергию последовательными порциями в процессе многократных столкновений с горячими электронами, где все интересные события заканчиваются на длине порядка сотни микрон. (Конечно, ионы, выходящие в заднюю полусферу, навстречу лазерному лучу, ускоряются и уходят на бесконечность, или, как говорят, закаливаются, что используется в описанном выше лазерном масс-спектрометре). Не было смысла разъяснять это тем, кто распространял странные утверждения. Более того, настоящие ускорительные нейтроны были также нами (между делом!) получены в так называемом лазерном генераторе нейтронов: «закаленные» дейтроны из лазерной плазмы направлялись в 50 кВ промежуток, там ускорялись и направлялись на холодную мишень из LiD, где и происходили d-d реакции.

Гости стали появляться в павильоне гораздо чаще. Иногда их приводил О. Н. Крохин. Работа при этом обычно не останавливалась, и все продолжали заниматься своим делом. Однажды Саша Федосимов с кем-то из техников устраняли неисправность в работе нашего пульта управления. Саша сидел в пультовой и подавал какие-то команды и советы по громкоговорящей связи. В павильоне работал чисто мужской коллектив, поэтому Саша не особенно утруждал себя в выборе выражений. В это время в павильон зашел Крохин с очередной группой гостей. Саша из пультовой гостей видеть не мог и продолжал выкладывать свои соображения в микрофон. Крохин некоторое время пытался менять диспозицию гостей и вывести их в «безопасное» место. Но громкоговорящая техника работала отлично — все было четко слышно во всех уголках оптического зала (работа Л. М. Кузьмина!). В конце концов О. Н. не выдержал и крикнул довольно громко: «Но можно же при гостях потише!», но здесь обратной связи не было, и Сашины сентенции звучали еще минут пять, пока кто-то не сбегал в пультовую. А в другой раз тот же Саша привел гостей в состояние, близкое к шоку, задав по громкоговорящей связи короткий вопрос: «Ну, что, стрелять будем?»

Впрочем, за посетителями тоже приходилось присматривать. На усилительных каскадах для юстировки использовались винты с головками в виде штурвальчиков, которые Крохин любил вращать одним пальцем во время мерной беседы с кем-нибудь из гостей. Если эта акция вовремя не прерывалась и проходила незамеченной, то потом приходилось долго разыскивать, в каком месте сбита юстировка.

Приезжали и журналисты. Фотограф из журнала «Природа» должен был сделать фотографию лазерной плазмы, возникающей при фокусировке пучка на мишень. К нашему удивлению, он не потребовал включить установку и стрелять по мишени. Изображение плазмы он получил весьма простым и оригинальным способом, который с удовольствием нам продемонстрировал. Он просто потер рукой себя по шее, потом той же ладонью коснулся объектива. Это было похоже на фокус, но изображение плазмы на сделанной им после этой процедуры фотографии действительно присутствовало. Более того, оно было весьма похоже на настоящее!

Посетил нас и известный тогда журналист Владимир Орлов. Он осмотрел лазерную установку, прослушал все объяснения и, отведя нас в укромный уголок вблизи лестницы, тихо спросил: «А почему импульс называется «пикосекундный?» Стандартное объяснение его явно не удовлетворило, и он выдвинул свою версию: «Наверное, потому, что этот импульс ка-а-ак…» Тут он привел некий ненормативный глагол, от которого, по его мнению, и происходило название, — «и все разлетится к…» Куда оно могло разлететься после такого воздействия, легко догадаться.

Для молодых ученых тогда была как раз учреждена премия Ленинского комсомола. Всем участникам работы, кроме Чекалина, было предложено (или, точнее сказать, приказано, так как указание исходило от Басова, а его приказы не принято было обсуждать) заполнить и подать соответствующие документы на участие в конкурсе. В итоге П. Г. Крюков, С. Д. Захаров и Ю. В. Сенатский стали первыми лауреатами этой премии, рис. 6.

Рис. 6. Лауреаты премии Ленинского комсомола (1970 г.). Слева-направо: П. Крюков, Ю. Сенатский, С. Захаров
Рис. 6. Лауреаты премии Ленинского комсомола (1970 г.). Слева-направо: П. Крюков, Ю. Сенатский, С. Захаров

В Советском Союзе было принято регистрировать открытия, и существовал специальный комитет по делам изобретений и открытий при Совмине. Есть даже толстая книга «Открытия советских ученых», в которой описаны все зарегистрированные к моменту издания книги открытия. Полученный нами результат после подтверждения его другими учеными вполне удовлетворял всем требованиям, предъявляемым к открытиям. К 1976 году в научной литературе появилось более 100 ссылок на публикации [15, 16]. Этот критерий, указанный Н. Г. Басову Р. В. Хохловым, послужил основанием для подачи заявки на регистрацию открытия. В заявку вошли первая работа Басова и Крохина и наши эксперименты. Формула открытия звучала так:

«Установлено неизвестное ранее явление возбуждения реакции синтеза легких ядер при воздействии лазерного излучения на вещество, содержащее указанные ядра».

Заявка была поддержана отзывами из таких солидных организаций, как Объединенный институт ядерных исследований и Институт высоких температур АН СССР. Однако после долгих мытарств наше открытие так и не было зарегистрировано. Основную роль в этом, как и предчувствовал Н. Г. Басов, сыграли представители лаборатории колебаний. Так как наша работа проходила на стыке лазерной физики и физики плазмы, на нее потребовались отзывы двух академических отделений: ядерной физики и общей физики и астрономии. В первом отзыве, утвержденном академиком-секретарем отделения М. А. Марковым, работа получила высокую оценку. Другое отделение возглавлял тогда А. М. Прохоров. Он предложил добавить в список авторов открытия своего сотрудника, весьма известного ученого, зарегистрировавшего в 1968 года электронную температуру 0,3 Кэв в лазерной искре, образованной импульсом мощностью 6 Гвт и т = 20 нс в смеси воздуха с дейтерием [19]. Мы от этого предложения отказались, так как, по нашему убеждению, метод фокусировки в газ не имел перспектив для ЛТС. (Конечно, можно было побороться, но, во-первых, диплом об открытии никаких существенных выгод не приносил, а во-вторых, у нас в команде не было таких стойких бойцов, как Г. А. Аскарьян, оказавшийся в свое время способным противостоять А. М. Прохорову и получить диплом за открытие самофокусировки параллельно с Александром Михайловичем.)

Надо сказать, что административно-командный стиль управления нашей работой наряду с известными недостаткам, имел и свои преимущества. Конечно, имея самый мощный в мире лазер, можно было провести множество уникальных экспериментов. Кое-что нам даже удалось «зацепить»: мы, например, впервые сделали шлирен-фотографии лазерной искры с ультравысоким временным разрешением, проведя эксперименты типа возбуждение-зондирование с мощным пикосекундным импульсом [9]; при фокусировке такого импульса в воду наблюдали взрыв из-за светогидравлического удара — но из-за резко односторонней направленности наших исследований (только лазерный термояд, шаг вправо, или влево — …) эти эксперименты не были своевременно обработаны и опубликованы. Но, с другой стороны, нельзя не признать, что Басов был прав, не позволяя «растекаться мыслью по древу», иначе мы бы не были первыми, не получили бы главного результата, к которому шли все эти годы.

Эксперименты в ФИАН, показавшие, что при облучении твердотельных мишеней, содержащих дейтерий, мощными пикосекундными импульсами в короткоживущей лазерной плазме образуются ионы дейтерия с энергией, достаточной для протекания термоядерных реакций, несомненно, ускорили развитие исследований по ЛТС, как в СССР, так и за рубежом. Многие из принципов построения и схем мощных лазеров для ЛТС, разработанных в ФИАН, таких как схемы последовательно-параллельного и регенеративного усиления, облучение мишени излучением на высших гармониках лазера и кластерами лазерных пучков и др. [20−25] были в дальнейшем с успехом использованы в лазерных комплексах для ЛТС, построенных у нас в стране и за рубежом.

Лазерные установки на неодимовом стекле с накачкой импульсными лампами стали основным экспериментальным инструментом в исследованиях по ЛТС и продолжают использоваться в этих исследованиях. Недавно в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США) введена в эксплуатацию крупнейшая в мире лазерная установке на неодимовом стекле NIF (National Ignition Facility) с выходной энергией излучения 1,8 МДж (нс импульсы) в 192 пучках на длине волны 3-ей гармоники неодимового лазера 351нм [26]. На этой установке NIF планируется проведение экспериментов по достижению физического порога (зажигания) энергетически выгодной термоядерной реакции. Подобная установка (LMJ) c энергией около 2 МДж в 240 пучках и т = 0,2−25нс сооружается в исследовательском центре CESTA Комиссариата по атомной энергии во Франции [27]. Для экспериментальной проверки различных концепций облучения, сжатия и поджига термоядерных мишеней перестраиваются существующие и создаются новые неодимовые лазерные установки с энергией в диапазоне 10−300 КДж: OMEGA-EP (США) [28], GEKKO (Япония) [29], Искра 6 (Россия) [30] и др. Исследования последних лет подтвердили правильность избранного нами в свое время курса на использование в лазерах для ЛТС ультракоротких импульсов. Одна из наиболее широко обсуждаемых в настоящее время схем реализации энергетически выгодного ЛТС — концепция быстрого поджига мишени («fast ignition») подразумевает облучение предварительно сжатого вещества мишени пикосекундным лазерным импульсом с энергией в десятки кДж, см. например [29]. Лазерные каналы с ультракороткими импульсами — неотъемлемый компонент оптических схем многих современных лазерных установок для экспериментов по ЛТС.

Литература

1. Басов Н. Г., Крохин О. Н. ЖЭТФ 46, 171 (1964).

2. Н. Г. Басов, Р. В. Амбарцумян, В. С. Зуев, П. Г. Крюков, В. С. Летохов, ДАН СССР, 165, №1, (1965).

3. Басов Н. Г., Зуев В. С., Крюков П. Г., Летохов В. С., Сенатский Ю. В., Чекалин С. В ЖЭТФ 54, 767 (1968).

4. N.G.Basov, P.G.Kriukov, V.S. Letokhov, and Yu.V. Senatskii IEEE J. of QE, vol. QE-4, 506 (1968).

5. Н. Г. Басов, П. Г. Крюков, Ю. В. Сенатский, С. В.Чекалин. ЖЭТФ 57, 1175 (1969).

6. Н. Г. Басов, В. С. Зуев, Ю. В. Сенатский ЖЭТФ 48, 1562 (1965), Письма в ЖЭТФ 2, 57 (1965).

7. Р. В. Амбарцумян, Н. Г. Басов, В. А. Бойко, В. С. Зуев, О. Н. Крохин, П. Г. Крюков, Ю. В. Сенатский, Ю. Ю.Стойлов. ЖЭТФ 48, 1593 (1965).

8. П. Г. Крюков, Ю. В. Сенатский Препринт ФИАН №51 (1971).

9. Н. Г. Басов, С. Д. Захаров, О. Н. Крохин, П. Г. Крюков, Ю. В. Сенатский, Е. А. Тюрин, А. И. Федосимов, С. В. Чекалин, М. Я.Щелев. Сб. «Квантовая электроника», №1, 4 (1971).

10. Н. Б. Брандт, В. А. Кульбачинский, «Квазичастицы в физике конденсированных сред», с. 577, Москва, Физматлит (2005)

11. A.J.De Maria, D.A. Stetser, and H. Heynau Appl. Phys. Lett. 8 174 (1966).

12. В. И. Дымович, С. Д. Захаров, П. Г. Крюков, Ю. А. Матвеец, С. М. Сильнов. КСФ, №4, 53 (1970).

13. Захаров С. Д., Крохин О. Н., Крюков П. Г., Тюрин Е. Л. Письма в ЖЭТФ, 12, 47, (1970).

14. Захаров С. Д., Крохин О. Н., Крюков П. Г., Тюрин Е. Л. Письма в ЖЭТФ, 12, 115 (1970).

15. Басов Н. Г., Захаров С. Д., Крюков П. Г., Сенатский Ю. В., Чекалин С. В. Письма в ЖЭТФ, 8, 26 (1968).

16. N.G.Basov, P.G.Kriukov, S.D.Zakharov, Yu.V.Senatsky, S.V.Tchekalin IEEE Journal of QE, QE-4, 11,864−868 (1968).

17. G. Gobeli, J. Bushnell, P. Peercy et al. Phys.Rev. 188,300 (1969).

18. F. Floux, D. Cognard, L-G Denoeud et al. Phys.Rev.A 1, 821 (1970).

19. Ванюков М. П., Венчиков В. А., Исаенко В. И., Пашинин П. П., Прохоров А. М. Письма в ЖЭТФ, 7, 321 (1968).

20. Басов Н. Г., Крохин О. Н., Склизков Г. В., Федотов С. И., Шиканов А. С. ЖЭТФ 62, 203 (1972).

21. Н. Г. Басов, Н. Е. Быковский, А. Е. Данилов и др. Труды ФИАН, 103, 3 (1978).

22. Н. Г. Басов, Ю. А. Михайлов, Г. В. Склизков, С. И. Федотов «Лазерные термоядерные установки» «Итоги науки и техники. Радиотехника» т.25, М. ВИНИТИ (1984).

23. Н. Г. Басов, А. З. Грасюк, И. Г. Зубарев. ДАН СССР, т.157, №5, 1084 (1964г.).

24. Н. Г. Басов, А. Р. Зарицкий, С. Д. Захаров, П. Г. Крюков, Ю .А. Матвеец, Ю. В. Сенатский, А. Н. Федосимов, С. В. Чекалин Квантовая электроника 6(12), 50 (1972).

25. Н. Г. Басов, П. Г. Крюков, Ю. А. Матвеец, А. И. Федосимов, Ю. В. Сенатский Квантовая электроника», 1, 1428 (1974).

26. Moses E.I. Nucl. Fusion 49, 104 022 (2009).

27. J. Ebrardt, JM. Chaput Journal of Physics: Conference Series 112, 032005 (2008).

28. D. Maywar et al. Journal of Physics: Conference Series 112 032007 (2008).

29. H. Azechi, K. Mima et al. Nucl. Fusion 49 10 4024(2009).

30. S. Garanin «Russian megajoule laser facility Iskra-6: creation, investigation and parameter optimization of basic module Luch» Proc. SPIE, 5975, 59750D (2006).

Примечание: рис.3, 5 и таблицы воспроизведены из оригинальных работ 1968 года.

Читайте ранее в этом сюжете: Как построить водородно-борный ядерный реактор

Читайте развитие сюжета: Старый холодный ядерный синтез — новый источник энергии! Часть 1