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肖特的光学材料和激光玻璃:核聚变研究的“心脏”

几十年来,在核聚变反应中,实现净能量增益一直是个难以实现的目标。但是,在国家点火装置 (NIF) 的研究人员与肖特合作后,历史进程被永久地改变了。

勇于开拓,探索不可能之事:再造太阳

在我们银河中,太阳和星星不断发生着聚变反应。无数的氢原子不断相互碰撞,将原子核彼此击碎,力度之大以至于它们结合到一起,再将能量以光和热的形式释放出来。要在地球上重建和控制此类反应,意味着解锁一种新的能源,这种新能源既不依赖化石燃料,也不产生温室气体或破坏地球的放射性废物。 

不过,再造太阳的能量听起来简单,做起来却并不容易。

背景资料

要想将世界上最大的激光系统释放到一个小氢丸上,力度大到足以使亚原子粒子碰撞并聚合在一起,这需要大量的能量。几十年来,研究人员一直未能创造出一种让能量“出大于入”的核聚变反应——即所谓的“点火”阈值。

除了实验本身,NIF 科学家们还面临其他方面的挑战。每次高能激光束撞击目标时,所产生的爆炸力会将碎片震飞到各个方向,造成危险。碎片所造成的破坏太大,他们不得不限制实验频率,从而拖延进展。

一窥 NIF 复杂的计算机、管道、电子元件构成系统。
聚合发生的地方:NIF 的靶室

任务

NIF 的研究人员面临着两个问题。首先,他们需要一种独特的材料,不仅能够承受巨大能量,还能引导、过滤甚至放大整个过程中的激光功率。这样一来,他们就能够将激光点火所需的初始能量保持在低水平,从而提高点火的可能性。 

其次,他们需要一些防爆罩,以便在每次实验期间保护实验室的精密设备免于受损。如果他们想要更频繁地进行实验,就需要护罩的成本效益高且能迅速生产。

解决方案

凭借近 140 年在硬件和材料方面深厚的积淀,肖特与 NIF 的研究人员密切合作,以了解玻璃成分的变化如何对激光性能和机械运行产生独特影响。这种密切合作使我们能够根据 NIF 的独特规格开发出全新玻璃成分,并使肖特能够开创出一种比远超往任何时候的全新制造工艺,使 NIF 能够进行更多的实验。

员工在熔炼罐旁
肖特杜里亚团队将玻璃熔融专业支持与开拓精神相结合。
激光玻璃板

借助开创新的熔融工艺,肖特使 NIF 能够提高实验频率。

肖特的样品

BOROFLOAT® 于 1993 年推出,不仅具有机械、热学和化学韧性,而且具有出色的透明度。

独特的特种玻璃帮助 NIF 开展研究

特种玻璃密封件:
肖特拥有专业的玻璃密封知识,能制造紧密耐用的粘合层,帮助 NIF 实施密封玻璃棒,该玻璃棒不仅能够耐受高温环境和抗热冲击,而且还具有出色的光透射率。

BOROFLOAT® 玻璃:
BOROFLOAT® 是一种浮法低热膨胀硼硅酸盐玻璃,坚固、轻巧且用途广泛,可承受极其恶劣的环境,同时保持出色的透明度。因此,它是保护 NIF 精细设备免受碎屑影响的理想材料。

偏振器、转动镜基板、闪光灯、激光板等:
肖特的持续熔融罐和单批坩埚可以根据无数的特定应用量身定制生产玻璃组件。根据 NIF 的独特要求,肖特为 NIF 生产了 4000 多种特定元件。

肖特玻璃如何放大和引导激光能量,以助力核点火

在光纤上传输的激光脉冲仅有几十亿焦耳,可传导至 48 个氧化锆玻璃前置放大器,将初始激光的能量增强几十亿倍并定义其形状。激光反射镜和透镜引导光束穿过两个较大的激光玻璃放大器。得益于特殊的光学器件,激光可以重复四次,同时反射镜、滤光片和其他设备利用特种玻璃形成均匀、高质量和光滑的光束。 

在即将到达目标之前,光束通过末尾的一套光学器件,将 400 万焦耳的红外能量转化为 200 万焦耳的紫外线能量,这是一种较短的波长,更有利于点火。这种紫外线能量与目标相撞,将氢燃料压缩到铅密度的 100 倍,产生超过 100,000,000°C 的温度。一瞬间,NIF 就成为我们太阳能系统中最热的位置。

人们以前认为不可能的事情现在已经成为可能,而这仅仅是开始。

肖特杜里亚的激光玻璃生产基地

合作为开创性研究铺平道路。

员工正在查看熔化罐

要为解决高科技问题创造出理想的材料解决方案,需要保持坚定、细致的注意力。

激光玻璃为何是核聚变的关键? 


玻璃具有众多独特的技术特性(例如材料均匀性),是稀土离子的理想载体材料,而稀土离子正是光泵浦激光器的动力来源。均匀性和折射率范围决定了光学材料的特性,而肖特能够调整和改变各种有源激光玻璃产品和元件中的这些特性,使这些产品和元件可以进行定制,满足 NIF 对其激光非常独特且高度技术化的光学和工业需求。  

 

BOROFLOAT® 玻璃的持久韧性


肖特的硼硅酸盐浮法玻璃可保护 NIF 的贵重光学元件免受碎屑影响。BOROFLOAT® 不仅具有出色的透明度,还具有机械、热学和化学韧性,因此是保护 NIF 光学器件在激光击打过程中免受有害碎片影响的理想材料。肖特专有的微浮法生产工艺可提供具有优异表面质量的材料以及 BOROFLOAT® 出色的耐磨和耐刮擦特性,即使在最苛刻的工业环境中也能确保玻璃发挥性能。

 

可制造性:底线 


在材料科学和工程领域,深厚的技术积淀毫无疑问对于开发帮助 NIF 实现点火的激光玻璃至关重要。此外,在特种玻璃制造工艺方面同样需要深厚的积淀。

在宾夕法尼亚州杜里亚工厂,肖特光学专家开创了连续熔融工艺,以生产较大玻璃片,可切割成更小块的玻璃。之前的工艺每天只能生产一片基板,而这种新的熔化工艺可提高产量,从而使 NIF 能够提高实验频率。
塔亚布·苏拉特瓦拉(Tayyab Suratwala),NIF 光学与材料科学与技术事业部项目总监。
塔亚布·苏拉特瓦拉(Tayyab Suratwala),NIF 光学与材料科学与技术事业部项目总监
激光玻璃是激光的核心。正是这种材料导致激光照明的能量和功率得以提高。

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Bill James, Vice President Research & Development SCHOTT North America
Bill James

肖特北美研发副总裁