В НИЯУ МИФИ строят «фабрику фотонов»

Один из самых интересных проектов, который реализуется сегодня в НИЯУ МИФИ и поддержан программой «Приоритет-2030», – создание новой мощной многофункциональной лазерной установки килоджоульного уровня энергии «ЭЛЬФ» (ЭЛЬФ – Экспериментальная Лазерно-Физическая установка; англ. ELF – Experimental Laser Facility). Этот лазер нужен мировой науке, но прежде всего нужен университету, поскольку крупные, желательно уникальные установки сегодня необходимая принадлежность вуза, который претендует занять ведущее место в мировой науке.  

Вакуумная мишенная камера лазерного комплекса «ЭЛЬФ»

Научная инфраструктура такого масштаба выполняет три функции: во-первых, позволяет получать научные результаты мирового уровня, которые воплощались бы в высокоцитируемых публикациях; во-вторых, обеспечивает возможность обучать студентов работе на мощных, дорогостоящих установках, аналогичных тем, на которых они будут работать в научных коллективах после выпуска; наконец, такая установка должна способствовать включению университета в мировую научную повестку.

Фотоны на заказ

Идея проекта НИЯУ МИФИ заключалась в том, чтобы создать не просто мощный лазер, а лазер с «пользовательским интерфейсом», который по своим характеристикам обеспечивает широкий спектр возможностей для исследований ученым из разных лабораторий и институтов. То есть установка должна быть поставщиком «универсальной научной услуги». Сегодня мощные лазеры могут использоваться для экспериментов в самых разных научных областях: термоядерный синтез, физика плазмы, экстремальные состояния вещества и даже лабораторная астрофизика. Последняя область, получившая популярность в последнее время, пожалуй, особенно интересна: лазеры дают возможность моделировать в лабораторных условиях процессы, подобные тем, что происходят в недрах звезд и при взрывах сверхновых, и таким образом делать вывод о физике Вселенной. По словам директора Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Андрея Кузнецова, «ЭЛЬФ» должен работать в режиме «фабрики фотонов», вырабатывая лазерные импульсы по «заказам» работающих на нем ученых, которые могут запросить лазерное излучение с определенными параметрами (нужная энергия, спектр, длительность и временная форма импульса), а также с набором сопутствующих диагностик.

От малого к большому

В мире лазерные установки килоджоульной мощности, как правило, создаются странами, которые обладают технологиями для создания еще более мощных установок мегаджоульного уровня энергии. Таких стран сейчас пять: США, Франция, Россия, Китай, Япония. При этом, как показывает опыт иностранных коллег, в паре с национальными установками мегауровня работают университетские установки. Это относится и к лазеру LULI2000 в École polytechnique во Франции, и к лазеру Omega в Рочестерском университете США. Дело в том, что эксперимент на установке мегаджоульной мощности стоит сотни тысяч долларов, но его можно существенно удешевить, если некоторые «компоненты» эксперимента (например предполагаемые режимы) отработать «в малых масштабах» на университетских лазерах. Между тем в Сарове специалисты ВНИИЭФ уже создают лазерную мегаустановку мегаджоульного уровня энергии, «дополнительной» по отношению к которой и будет «ЭЛЬФ». К слову, тесное взаимодействие лазерных мегаустановок с атомной энергетикой также является мировой традицией.

Оригинальный и уникальный

Идея создания «ЭЛЬФа» появилась примерно в 2015 году. В 2018-м она получила поддержку Академии наук, в 2020-м было заключено соглашение о создании лазерной установки между НИЯУ МИФИ, ВНИИЭФ и Институтом общей физики РАН (позже к этому соглашению подключился ФИАН). В 2021 году проект получил поддержку программы «Приоритет-2030».

Основой для «ЭЛЬФа» стала элементная база уже существующей в Сарове килоджоульной лазерной установки «Луч». Однако речь не идет о создании копии «Луча». За последние два года рабочая группа, состоящая из сотрудников ВНИИЭФ и НИЯУ МИФИ, предложила оригинальную схему усиления лазерного излучения. Если в стандартной схеме «Луча» при одном и том же количестве усилительных элементов можно было генерировать лазерный импульс с энергией порядка 1 кДж, то в «ЭЛЬФе», как показывают расчеты, при тех же затратах входящей энергии можно увеличить энергию импульса до 6 кДж. Это недостижимый уровень энергии для подобных установок. Именно поэтому «ЭЛЬФ» должен стать уникальным научным инструментом.

У установки планируется два канала, один будет генерировать импульс с длительностью 5-20 наносекуд, другой – с пикосекундной длительностью импульсов, и это тоже делает устройство уникальным: в мире вообще ощущается дефицит лазеров килоджоульной мощности, а установок, в которых можно было бы одновременно использовать два пучка нано- и пикосекудной длительности, нет совсем. Уникальные свойства «ЭЛЬФа» позволят ему работать в исследованиях, недоступных для других существующих лазерных установок, изучать свойства материалов при высокоскоростном деформировании, распространение в веществе ударных волн, изучать многие свойства горячей плазмы, которые могут пригодиться и астрофизикам, и при проектировании термоядерных реакторов.

Точно по графику

В настоящее время ядерный университет создает инфраструктуру для нового лазера. Установке отведен первый этаж научно-лабораторного корпуса НИЯУ МИФИ в помещениях общей площадью 600 квадратных метров, ее сердцем будет «Лазерный зал» площадью 300 квадратных метров, где в условиях «чистой зоны» разместится крупногабаритное лазерно-оптическое оборудование. К концу следующего года проведут основной монтаж силовых элементов, и в 2024 году установка должна заработать в режиме наносекундных импульсов килоджоульной энергии. Параллельно идет создание небольшого вспомогательного лазера пикосекундной длительности, который планируется запустить в сентябре 2023 года.