15 năm lao động của đội nghiên cứu Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở Mĩ đã đơm hoa kết trái hôm 5 tháng 7 vừa qua với một xung đạn laser phá kỉ lục lịch sử. Hệ thống laser NIF gồm 192 chùm tia phân phối hơn 500 nghìn tỉ watt (terawatt hay TW) công suất cực đại và 1,85 megajoule (MJ) ánh sáng laser tử ngoại lên mục tiêu của nó. 500 TW là gấp 1000 lần công suất tiêu thụ của cả nước Mĩ, và 1,85 MJ năng lượng là gấp khoảng 100 lần cái do bất kì laser nào khác liên tục phát ra hiện nay.
Xung đạn laser trên đã chứng thực hiệu quả của bản thiết kế laser thách thức nhất của NIF lập ra hồi cuối thập niên 1990 khi các nhà khoa học đang lên kế hoạch cho cơ sở laser giàu năng lượng nhất thế giới. Việc kết hợp những mức năng lượng và công suất cực đại cực cao trên một viên bia là yêu cầu thiết yếu để thu được một trong những thách thức lớn nhất của ngành vật lí học – đánh lửa nhiên liệu nhiệt hạch hydrogen trong phòng thí nghiệm và sản sinh nhiều năng lượng hơn năng lượng đã cấp cho viên bia.
Những bộ tiền khuếch đại của Cơ sở Đánh lửa Quốc gia là bước đầu tiên tăng năng lượng của các chùm laser khi chúng tiến về phía buồng bia. NIF mới đây đã thu được một xung đạn 500 TW – gấp 1000 lần công suất tiêu thụ của cả nước Mĩ
Trong thử nghiệm lịch sử trên, 192 chùm laser của NIF đồng loạt chiếu ra cách nhau vài phần nghìn tỉ của một giây lên trên một viên bia đường kính 2 mm. Tổng năng lượng đáp ứng yêu cầu của những người điều khiển sai lệch chưa tới 1%. Ngoài ra, sự đồng đều chùm tia sai lệch trong khoảng 1%, khiến NIF không những là laser năng lượng cao nhất thuộc loại của nó mà còn là laser chính xác nhất và hiệu quả nhất. “NIF đang trở thành mọi thứ mà các nhà khoa học đã lên kế hoạch khi nghĩ ra nó hồi hơn hai thập niên trước,” giám đốc NIF Edward Moses nói. “Nó đã hoạt động trọn vẹn, và các nhà khoa học đang tiến những bước quan trọng hướng đến thu được sự đánh lửa và mang lại phương tiện thực nghiệm cho cộng đồng người dùng thuộc lĩnh vực quốc phòng, khoa học cơ bản, và sự truy tìm nguồn năng lượng nhiệt hạch sạch”.
Cộng đồng người dùng tán thành ý kiến trên. “Xung đạn 500 TW là một thành tựu ngoại hạng của Đội NIF, tạo ra những điều kiện chưa có tiền lệ trong phòng thí nghiệm cho đến nay chỉ tồn tại ở sâu bên trong lõi sao,” phát biểu của tiến sĩ Richard Petrasso, người đứng đầu phòng vật lí mật độ năng lượng cao tại Viện Công nghệ Massachusetts. “Đối với những nhà khoa học ở nước Mĩ và trên thế giới, giống như chúng tôi, đang tích cực theo đuổi khoa học cơ bản dưới những điều kiện cực độ và mục tiêu đánh lửa nhiệt hạch trong phòng thí nghiệm, đây là một thành tựu nổi bật và đầy phấn khởi.”
“Là laser được điều khiển khắt khe nhất và giàu năng lượng nhất thế giới, việc NIF đạt tới cột mốc 500 TW là một thành tựu khá đáng nể,” phát biểu của giáo sư Raymond Jeanloz tại trường Đại học California, Berkeley. “Đột phá này sẽ cho chúng ta những cơ hội hết sức mới mẻ trong việc nghiên cứu các chất liệu ở những điều kiện cực độ.”
Viên bia NIF đặt trong phòng điều nhiệt khi “nhìn” qua lỗ chiếu laser vào. Trong các thí nghiệm đánh lửa, hydrogen trong viên nhiên liệu phải bị nén xuống đến khoảng 100 lần mật độ của chì.
NIF hiện đang hoạt động đều đều ở những mức hiệu suất chưa có tiền lệ. Xung đạn laser hôm 5 tháng 7 là thí nghiệm thứ ba trong đó năng lượng chiếu lên viên bia vượt quá mức 1,8 MJ. Hôm 3 tháng 7, các nhà khoa học đã thu được xung đạn laser năng lượng cao nhất từng chiếu ra, với hơn 1,89 MJ phân phối lên viên bia với công suất cực đại 423 TW. Một xung đạn hôm 15 tháng 3 đã đặt nền tảng cho thí nghiệm hôm 5 tháng 7 với việc phân phối 1,8 MJ lần đầu tiên ở mức công suất cực đại 411 TW.
Những lo ngại ban đầu về việc thu được những mức hiệu suất laser cực độ này ở NIF tập trung một phần vào chất lượng của dụng cụ quang có từ hồi cuối thập niên 1990 có thể khả năng trụ nổi với ánh sáng laser cực mạnh này. Các nhà nghiên cứu Lawrence Livermore đã hợp tác chặt chẽ với các đối tác công nghiệp của họ nhằm cải tiến phương pháp chế tạo và làm tối đa số lượng khiếm khuyết. Các nhà khoa học Livermore còn phát triển những quy trình tại chỗ loại bỏ và giảm thiểu những hỏng hóc nhỏ do việc chiếu laser lặp đi lặp lại.
NIF hiện đang ảnh hưởng đến thiết kế của những cơ sở laser khổng lồ khác đã và đang xây dựng hoặc lên kế hoạch ở Anh, Pháp, Nga, Nhật Bản, và Trung Quốc.
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore
