CN104737235A - 激光核聚变装置以及核聚变生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明能够比较容易地控制提供给靶的中心部的等离子体的能量。本发明的激光核聚变装置具备：将靶壳(Tg1)提供给腔室(2)的靶壳供给装置(3)、监视靶壳(Tg1)的姿势和位置的靶壳监视装置(4)、将压缩用激光(LS1)照射于靶壳(Tg1)的压缩用激光输出装置(5a)等、继压缩用激光(LS1)之后将加热用激光(LS3)照射于靶壳(Tg1)的加热用激光输出装置(6)，在靶壳(Tg1)，具有中空的球壳状的形状，在内侧设置有大致球状的空隙(Sp)，设置有连接外侧和空隙(Sp)的至少一个贯通孔(H1)，靶壳(Tg1)的外表面(Sf1)包含压缩用激光的照射被预定的照射区域(Ar1,Ar2)。

Description

激光核聚变装置以及核聚变生成方法
技术领域
本发明涉及激光核聚变装置以及核聚变生成方法。
背景技术
在非专利文献1～3中公开了激光核聚变所涉及的技术。在非专利文献1～3的激光核聚变中，使用了将圆锥状(特别是圆锥的底面为开口，圆锥的内部为空洞，圆锥的前端不是开口。)的金锥(gold cone)安装于球壳状的CD球体的靶(target)。在非专利文献1～3的技术中，首先，通过将压缩用的激光照射于CD球体的外表面中金锥没有被安装的区域，从而压缩CD球体并在CD球体的内部生成等离子体(plasma)，在该压缩之后，朝着金锥的开口照射加热用的激光并由在金锥的内部所产生的高速电子来加热CD球体的内部的等离子体。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：‘Fast heating scalable to laser fusion’,R.Kodama etal.,Nature Vol.418933-934(29August 2002)
非专利文献2：‘Fast heating of ultrahigh-density plasma as a steptowards laser fusion ignition’,R.Kodama et al.,Nature Vol.412798-802(23August 2001)
非专利文献3：‘Fast ignition integrated experiments with Gekko andLFEX Lasers’,H.Shiraga et al.,Plasma Physics And Contolled Fusion53(2011)124029(6pp)
发明内容
发明所要解决的技术问题
在非专利文献1～3的技术中，因为提供给具有金锥的靶的能量通过金锥而被提供给靶的中心部的等离子体，所以在控制实际上被提供给靶的中心部的等离子体的能量的情况下不得不考虑由金锥引起的影响，因而变得复杂。因此，本发明是有鉴于以上所述的技术问题而做出的发明，其目的在于能够比较容易地控制被提供给靶的中心部的等离子体的能量。
解决问题的技术手段
本发明的一个侧面所涉及的激光核聚变装置，具备：靶壳(targetshell)，使核聚变反应发生；腔室(chamber)，所述靶壳引起核聚变反应；靶壳供给装置，将所述靶壳提供给所述腔室的内侧的基准地点；靶壳监视装置，监视被所述靶壳供给装置提供给所述腔室的所述靶壳的状态；压缩用激光输出装置，朝着所述靶壳输出用于压缩所述靶壳的压缩用激光；加热用激光输出装置，朝着所述靶壳输出用于加热所述靶壳的加热用激光；控制装置，控制所述靶壳供给装置、所述压缩用激光输出装置以及所述加热用激光输出装置；所述靶壳具有中空的球壳状的形状，在所述靶壳的内侧设置有由所述靶壳的内表面划定的大致球状的空隙，在所述靶壳，设置有连接所述靶壳的外侧和所述靶壳的内侧的所述空隙的至少一个贯通孔，所述靶壳的外表面包含压缩用激光的照射被预定的照射区域，所述压缩用激光输出装置具有：压缩用激光器，输出用于压缩所述靶壳的压缩用激光；压缩用聚光光学装置，朝着所述靶壳的所述照射区域对从所述压缩用激光器输出的压缩用激光进行聚光；所述加热用激光输出装置具有：加热用激光器，输出用于加热所述靶壳的加热用激光；加热用聚光光学装置，朝着所述靶壳的所述贯通孔对从所述加热用激光器输出的加热用激光进行聚光；所述控制装置具备：靶壳供给单元，以将所述靶壳提供给所述腔室的方式控制所述靶壳供给装置；时机计算单元，基于由所述靶壳监视装置获得的监视结果计算出由所述靶壳供给单元提供的所述靶壳到达所述基准地点的到达时机，并基于所述到达时机计算出所述压缩用激光器输出压缩用激光的压缩用激光输出时机、所述加热用激光器继所述压缩用激光输出时机之后输出加热用激光的加热用激光输出时机；聚光单元，以从所述压缩用激光器输出的压缩用激光在由所述时机计算单元计算出的所述压缩用激光输出时机朝着所述靶壳的所述照射区域聚光的方式，基于由所述靶壳监视装置获得的监视结果控制所述压缩用聚光光学装置，并以从所述加热用激光器输出的加热用激光在由所述时机计算单元计算出的所述加热用激光输出时机朝着所述靶壳的所述贯通孔聚光的方式，基于由所述靶壳监视装置获得的监视结果控制所述加热用聚光光学装置；输出单元，在由所述聚光单元控制了所述压缩用聚光光学装置和所述加热用聚光光学装置之后，以在由所述时机计算单元计算出的所述压缩用激光输出时机输出压缩用激光的方式控制所述压缩用激光器，并以在由所述时机计算单元计算出的所述加热用激光输出时机输出加热用激光的方式控制所述加热用激光器。
在本发明的一个侧面所涉及的激光核聚变装置中，作为使核聚变反应发生的靶壳，使用具有中空的球壳状的形状的靶壳，靶壳具有设置有连接靶壳的外侧和靶壳的内侧的空隙并将加热用激光引导到靶壳的内侧的空隙的至少一个贯通孔并且不具有金锥(gold cone)的结构。因此，因为加热用激光不通过现有那样的金锥而由贯通孔被直接引导到靶壳的内侧的空隙，所以没有必要考虑由金锥产生的影响，并且能够容易地控制被提供给靶壳的中心部的等离子体的能量。
在本发明的一个侧面所涉及的激光核聚变装置中，在所述靶壳，设置有2个所述贯通孔，2个所述贯通孔沿着通过所述靶壳的中心的中心轴延伸，并夹着所述中心而互相相对。因为2个贯通孔被设置于相对的位置，所以在激光从一方的贯通孔被照射于靶壳的内侧的情况下，从该等离子体产生的电子即使由该激光而在该贯通孔的开口附近发生等离子体也不会在靶壳的内表面即在与该贯通孔的开口相对的一侧发生碰撞，因此，能够在靶壳的内侧抑制次要的等离子体的发生。
在本发明的一个侧面所涉及的激光核聚变装置中，所述靶壳为含有氘或者氚的聚合物。因此，靶壳因为含有氘或者氚，所以能够使核聚变发生。
本发明的一个侧面所涉及的核聚变生成方法，具备：供给工序，将使核聚变反应发生的靶壳提供给腔室；准备工序，在所述供给工序之后进行照射用于压缩所述靶壳的压缩用激光和用于加热压缩后的所述靶壳的加热用激光的准备；照射工序，在所述准备工序之后按顺序将压缩用激光和加热用激光照射于所述靶壳；所述靶壳具有中空的球壳状的形状，在所述靶壳的内侧设置有由所述靶壳内表面划定的大致球状的空隙，在所述靶壳，设置有连接所述靶壳的外侧和所述靶壳的内侧的所述空隙的至少一个贯通孔，所述靶壳的外表面包含压缩用激光的照射被预定的照射区域，所述准备工序具有：计算工序，监视在所述供给工序中被提供给所述腔室的所述靶壳的状态并基于监视结果计算出输出压缩用激光的压缩用激光输出时机和输出加热用激光的加热用激光输出时机；聚光工序，基于所述监视结果，使压缩用激光在所述压缩用激光输出时机朝着所述靶壳的所述照射区域聚光，使加热用激光在所述加热用激光输出时机朝着所述靶壳的所述贯通孔聚光；在所述照射工序中，在所述压缩用激光输出时机将压缩用激光照射于所述靶壳的所述照射区域，在继压缩用激光的照射之后的所述加热用激光输出时机将加热用激光照射于所述靶壳的所述贯通孔。
在本发明的一个侧面所涉及的核聚变生成方法中，作为使核聚变反应发生的靶壳，使用具有中空的球壳状的形状的靶壳，靶壳具有设置有连接靶壳的外侧和靶壳的内侧的空隙并将加热用激光引导到靶壳的内侧的空隙的至少一个贯通孔并且不具有金锥(gold cone)的结构。因此，因为加热用激光不通过现有那样的金锥而由贯通孔被直接引导到靶壳内侧的空隙，所以没有必要考虑由金锥产生的影响，并且能够容易地控制被提供给靶壳的中心部的等离子体的能量。
在本发明的一个侧面所涉及的核聚变生成方法中，在所述靶壳，设置有2个所述贯通孔，2个所述贯通孔沿着通过所述靶壳的中心的中心轴延伸，并夹着所述中心而互相相对。因为2个贯通孔被设置于相对的位置，所以在激光从一方的贯通孔被照射于靶壳的内侧的情况下，从该等离子体产生的电子即使由该激光而在该贯通孔的开口附近发生等离子体也不会在靶壳的内表面即在与该贯通孔的开口相对的一侧发生碰撞，因此，能够在靶壳的内侧抑制次要的等离子体的发生。
在本发明的一个侧面所涉及的核聚变生成方法中，所述靶壳为含有氘或者氚的聚合物。因此，因为含有氘或者氚，所以能够使核聚变发生。
发明的效果
根据本发明，能够比较容易地控制被提供给靶壳的中心部的等离子体的能量。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的激光核聚变装置的结构的图。
图2是表示实施方式所涉及的压缩用激光器和加热用激光器的结构的图。
图3是表示实施方式所涉及的控制装置的功能性结构的图。
图4是表示实施方式所涉及的靶壳的结构的图。
图5是表示实施方式所涉及的靶壳的其他结构的图。
图6是用于说明实施方式所涉及的核聚变生成方法的流程图。
图7是用于说明在实施方式所涉及的核聚变生成方法中压缩并加热靶壳的方式的图。
图8是用于说明在实施方式所涉及的核聚变生成方法中靶壳被压缩并被加热的方式的图。
图9是用于说明实施例的效果的图。
图10是表示实施方式所涉及的靶壳和现有的附有金锥的靶壳中的等离子体的发生的情况的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细的说明。还有，在附图的说明中，在可能的情况下，将相同的符号标注于相同的要素，省略重复的说明。首先，参照图1～5，说明实施方式所涉及的激光核聚变装置1的结构。图1～5是用于说明激光核聚变装置1的结构的示意图。
激光核聚变装置1具备腔室2、靶壳供给装置3、靶壳监视装置4、压缩用激光输出装置5a、压缩用激光输出装置5b、加热用激光输出装置6、控制装置7、靶壳Tg1。激光核聚变装置1是通过将激光照射于靶壳Tg1从而在靶壳Tg1的内部使核聚变反应发生的装置。
腔室2提供靶壳Tg1引起核聚变反应的空间区域。换言之，在本实施方中，靶壳Tg1的核聚变反应在腔室2的内侧发生。腔室2的内侧的气压预先被降低并进行保持。腔室2具有能够从靶壳供给装置3提供靶壳Tg1的供给口。腔室2具有通过分别从压缩用激光输出装置5a、压缩用激光输出装置5b、加热用激光输出装置6输出的激光的多个窗。腔室2具有用于靶壳监视装置4观察被靶壳供给装置3提供的靶壳Tg1的状态的窗。在腔室2的内侧，预先设定有基准地点RP1。基准地点RP1作为靶壳Tg1的核聚变反应的发生地点而被使用。
靶壳供给装置3容纳多个靶壳Tg1。靶壳供给装置3将靶壳Tg1提供给腔室2的内侧的基准地点RP1。
靶壳监视装置4监视由靶壳供给装置3提供给腔室2的靶壳Tg1的状态。靶壳监视装置4具有多个二维高速摄像机以及多个二维X射线摄像机等的任意一种，将显示被多个二维高速摄像机以及多个二维X射线摄像机等摄像的靶壳Tg1的图像的多个图像数据发送至控制装置7。
压缩用激光输出装置5a朝着靶壳Tg1(朝着行进方向D1)输出用于压缩靶壳Tg1的压缩用激光。压缩用激光输出装置5b朝着靶壳Tg1(朝着行进方向D2)输出用于压缩靶壳Tg1的压缩用激光。压缩用激光输出装置5a具有压缩用激光器5a1和压缩用聚光光学装置5a2。压缩用激光输出装置5b具有压缩用激光器5b1和压缩用聚光光学装置5b2。压缩用激光输出装置5a和压缩用激光输出装置5b具有相同的结构。压缩用激光器5a1和压缩用激光器5b1具有相同的结构(参照图2)。压缩用聚光光学装置5a2和压缩用聚光光学装置5b2具有相同的结构。压缩用激光器5a1和压缩用激光器5b1以由控制装置7进行的控制为根本输出用于压缩靶壳Tg1的压缩用激光。压缩用激光器5a1所输出的压缩用激光和压缩用激光器5b1所输出的压缩用激光具有相同的特性。
压缩用聚光光学装置5a2朝着靶壳Tg1的照射区域(图4以及图5所表示的照射区域Ar1等)对从压缩用激光器5a1被输出的压缩用激光进行聚光。压缩用聚光光学装置5b2朝着靶壳Tg1的照射区域(图4以及图5所表示的照射区域Ar2等)对从压缩用激光器5b1被输出的压缩用激光进行聚光。压缩用聚光光学装置5a2和压缩用聚光光学装置5b2以由控制装置7进行的控制为根本进行动作。压缩用聚光光学装置5a2和压缩用聚光光学装置5b2具有相同的结构。压缩用聚光光学装置5a2和压缩用聚光光学装置5b2均具有电动机驱动的多个镜等。多个镜的位置、倾斜等由控制装置7控制。
压缩用激光的波长在300nm(纳米)以上1μm(微米)以下的范围内。压缩用激光的能量在每束压缩用激光处于1kJ(千焦)以上10kJ(千焦)以下的范围内。压缩用激光的时间脉冲宽度在从数100ps(皮秒)到数10ns(纳秒)的范围内。以下，所谓时间脉冲宽度，是指激光的能量成为峰值功率的1/e2(＝0.135)(e＝2.718)的时间宽度。压缩用激光的时间波形是为了压缩靶壳Tg1而被预先设计的波形(量身定制的脉冲波形(tailored pulse waveform))。压缩用激光的峰值功率是以时间脉冲宽度除能量的值后的值(能量/时间脉冲宽度)，处于10GW(千兆瓦(gigawatt))以上100TW(兆兆瓦(terawatt))以下的范围内。压缩用激光的聚光直径为在靶壳Tg1的表面(外表面Sf1)上压缩用激光的一个光束被照射的照射区域的直径，并且在从数100μm(微米)到数mm(毫米)的范围内。压缩用激光的聚光强度是以靶壳表面上的照射区域的面积除峰值功率的值(峰值功率/面积)，并且在1×1011W/cm2以上1×1017W/cm2以下的范围内。
加热用激光输出装置6朝着靶壳Tg1(朝着行进方向D3)输出用于加热靶壳Tg1的加热用激光。加热用激光输出装置6具有加热用激光器6a1和加热用聚光光学装置6a2。
加热用激光器6a1以由控制装置7进行的控制为根本输出用于加热靶壳Tg1的加热用激光。加热用激光的波长在800nm(纳米)以上1μm(微米)以下的范围内。加热用激光的能量在每束压缩用激光处于1kJ(千焦)以上10kJ(千焦)以下的范围内。加热用激光的时间脉冲宽度在从100fs(飞秒(femtosecond))到10ps(皮秒)的范围内。加热用激光的时间波形例如是高斯波形(Gaussian waveform)等，但也可以是其他波形。加热用激光的峰值功率是以时间脉冲宽度除能量的值后的值(能量/时间脉冲宽度)，处于100TW(兆兆瓦(terawatt))以上100PW(拍瓦(Petawatt))以下的范围内。加热用激光的聚光直径在靶壳Tg1的表面(为外表面Sf1，但实际上是靶壳Tg1的贯通孔H1的开口)上为加热用激光的光束被照射的照射区域的直径，并且在从数10μm(微米)到数100μm(微米)的范围内。加热用激光的聚光强度是以靶壳表面上的照射区域的面积除峰值功率的值(峰值功率/面积)，并且在1×1015W/cm2以上1×1022W/cm2以下的范围内。
加热用聚光光学装置6a2朝着靶壳Tg1的贯通孔H1对从加热用激光器6a1被输出的加热用激光进行聚光。加热用聚光光学装置6a2以由控制装置7进行的控制为根本进行动作。加热用聚光光学装置6a2具有电动机驱动的多个镜等。多个镜的位置、倾斜等由控制装置7来进行控制。
靶壳供给装置3、压缩用聚光光学装置5a2通过控制用的信号线L1a而被连接于控制装置7，靶壳监视装置4、压缩用聚光光学装置5b2、加热用聚光光学装置6a2通过控制用的信号线L1b而被连接于控制装置7。压缩用激光器5a1、压缩用激光器5b1、加热用激光器6a1通过激光输出用的信号线L2而被连接于控制装置7。控制用的信号线L1a和控制用的信号线L1b除了尺寸形状之外具有相同的结构。
控制装置7控制靶壳供给装置3、压缩用激光输出装置5a、压缩用激光输出装置5b、加热用激光输出装置6。控制装置7接受从靶壳监视装置4发送的图像数据，并相对于该图像数据在预先被设定的时机进行预先被设定的图像处理，对应于由该图像处理而获得的结果，控制靶壳供给装置3、压缩用激光输出装置5a、压缩用激光输出装置5b、加热用激光输出装置6。控制装置7还控制靶壳监视装置4的动作(开·关、摄像、被摄像的图像数据的发送等)。
参照图2来说明压缩用激光器5a1以及压缩用激光器5b1的结构。如图2所示，压缩用激光器5a1以及压缩用激光器5b1均具有激光振荡器51、波形控制装置52、激光放大器53、波长转换装置54。激光振荡器51输出用于靶壳Tg1的压缩的脉冲状的激光。从激光振荡器51被输出的激光由波形控制装置52、激光放大器53、波长转换装置54而被整形并被放大成压缩用激光。波形控制装置52以具有适合于靶壳Tg1的压缩的脉冲波形(量身定制的脉冲波形)的方式对从激光振荡器51被输出的激光进行整形并加以输出。激光放大器53放大从波形控制装置52被输出的激光的能量。波长转换装置54以具有适合于靶壳Tg1的压缩的波长的方式转换从激光放大器53被输出的放大后的激光，并作为压缩用激光进行输出。从波长转换装置54被输出的激光在压缩用激光输出装置5a的情况下被输出至压缩用聚光光学装置5a2，在压缩用激光输出装置5b的情况下被输出至压缩用聚光光学装置5b2。
参照图2来说明加热用激光器6a1的结构。如图2所示，加热用激光器6a1具有激光振荡器61、脉冲展宽器62、波形控制装置63、激光放大器64、脉冲压缩器65。激光振荡器61输出用于靶壳Tg1的加热的脉冲状的激光。从激光振荡器61被输出的激光由脉冲展宽器62、波形控制装置63、激光放大器64、脉冲压缩器65而被整形并被放大成加热用激光。脉冲展宽器62展宽从激光振荡器61被输出的脉冲状的激光的脉冲时间宽度。因为激光的峰值强度由于由脉冲展宽器62得到的脉冲时间宽度的展宽而被减低，所以在被设置于脉冲展宽器62的后段的激光放大器64上激光的光学损伤被降低。波形控制装置63以具有适合于靶壳Tg1的加热的脉冲波形的方式对从激光振荡器61被输出的激光进行整形(例如抑制等离子体的形成等)并加以输出。激光放大器64放大从波形控制装置63被输出的激光的能量。脉冲压缩器65缩短从激光放大器64被输出的放大后的激光的脉冲时间宽度。激光的峰值强度由于由脉冲压缩器65得到的脉冲时间宽度的缩短而被增加。从脉冲压缩器65被输出的激光输入到加热用聚光光学装置6a。
参照图3以及图6来说明控制装置7的结构。控制装置7在物理上具备例如CPU、存储器、通信装置等。控制装置7的CPU通过执行被容纳于控制装置7的存储器中的计算机程序从而统括性地控制控制装置7。被容纳于控制装置7的存储器中的计算机程序例如是用于执行图6的流程图的计算机程序。在控制装置7的存储器中容纳有执行计算机程序所必要的各种数据(例如是表示靶壳监视装置4、压缩用激光输出装置5a、压缩用激光输出装置5b、加热用激光输出装置6的各种动作时机的数据等)。控制装置7功能性地具有例如图3所表示的靶壳供给单元7a、时机计算单元7b、聚光单元7c、输出单元7d。靶壳供给单元7a、时机计算单元7b、聚光单元7c、输出单元7d是通过控制装置7的CPU执行被容纳于控制装置7的存储器中的计算机程序并且使图1所表示的控制装置7的各个构成部动作从而实现的功能。控制装置7的CPU执行被容纳于控制装置7的存储器中的计算机程序，通过使用靶壳供给单元7a、时机计算单元7b、聚光单元7c、输出单元7d，从而执行图6的流程图所表示的处理。控制装置7使用靶壳供给装置3、靶壳监视装置4、压缩用激光输出装置5a、压缩用激光输出装置5b、加热用激光输出装置6，相对于在腔室2的内侧移动的靶壳(靶壳Tg1等)的姿势或场所的变化，进行跟随，从而能够将压缩用激光(压缩用激光LS1等)和加热用激光(加热用激光LS3等)照射于该靶壳。
靶壳供给单元7a以将靶壳Tg1提供给腔室2的内侧的基准地点RP1的方式控制靶壳供给装置3。时机计算单元7b基于由靶壳监视装置4获得的监视结果计算出被靶壳供给装置3提供的靶壳Tg1到达基准地点RP1的到达时机，并基于到达时机计算出压缩用激光器5a1以及压缩用激光器5b1输出压缩用激光的压缩用激光输出时机、继压缩用激光输出时机之后加热用激光器6a1输出加热用激光的加热用激光输出时机。聚光单元7c以从压缩用激光器5a1以及压缩用激光器5b1被输出的压缩用激光在由时机计算单元7b计算出的压缩用激光输出时机朝着靶壳Tg1的照射区域Ar1以及照射区域Ar2被聚光的方式，基于由靶壳监视装置4获得的监视结果控制压缩用聚光光学装置5a2以及压缩用聚光光学装置5b2，并以从加热用激光器6a1被输出的加热用激光在由时机计算单元7b计算出的加热用激光输出时机朝着靶壳Tg1的贯通孔H1被聚光的方式，基于由靶壳监视装置4获得的监视结果控制加热用聚光光学装置6a2。输出单元7d在由聚光单元7c来控制压缩用聚光光学装置5a2以及压缩用聚光光学装置5b2、加热用聚光光学装置6a2之后，以在由时机计算单元7b计算出的压缩用激光输出时机输出压缩用激光的方式控制压缩用激光器5a1以及压缩用激光器5b1，并且以在由时机计算单元7b计算出的加热用激光输出时机输出加热用激光的方式控制加热用激光器6a1。
参照图4，对靶壳Tg1的结构进行说明。图4的(A)部所表示的图是表示靶壳Tg1的外观的图。图4的(B)部所表示的图是沿着图4的(A)部所表示的I-I线取得的靶壳Tg1的截面图。图4的(C)部所表示的图是沿着图4的(A)部所表示的II-II线取得的靶壳Tg1的截面图。靶壳Tg1具有中空的球壳状的形状。靶壳Tg1具有外表面Sf1和内表面Sf2。在靶壳Tg1的内侧设置有由靶壳Tg1的内表面Sf2划定的大致球状的空隙Sp。在靶壳Tg1，设置有连接靶壳Tg1的外侧和靶壳Tg1的内侧的空隙Sp的贯通孔H1。靶壳Tg1的外表面Sf1包含压缩用激光的照射被预定的照射区域Ar1以及照射区域Ar2。贯通孔H1将加热用激光LS3引导到空隙Sp。还有，靶壳Tg1等的靶壳除了作为压缩用激光的照射被预定的照射区域的照射区域Ar1以及照射区域Ar2之外也可以进一步包含多个照射区域，除了贯通孔H1之外也可以进一步-或者具有多个贯通孔。在该空隙中也可以填充成为核聚变反应的原料的液状或者固体状的氘或氚。另外，该核聚变原料也可以被冷却至20K左右。
靶壳Tg1为由碳原子、以及氢、氘和氚中的至少一种原子构成的聚合物。例如，靶壳Tg1为C8H8、C8D8、C8T8等的聚合物。C表示碳原子，H表示氢原子，D表示氘原子，T表示氚原子。靶壳Tg1的直径在100μm以上数mm以下的范围内，例如也可以在480μm以上520μm以下的范围内。靶壳Tg1的外表面Sf1与内表面Sf2之间的距离(换言之，靶壳Tg1的壳的厚度)在1μm以上1mm以下的范围内，例如也可以在6.8μm以上7.2μm以下的范围内。贯通孔H1的直径在10μm以上1mm以下的范围内，例如也可以在245μm以上255μm以下的范围内。
还有，替代靶壳Tg1，也可以使用图5所表示的靶壳Tg2。图5的(A)部所表示的图是表示靶壳Tg2的外观的图。图5的(B)部所表示的如是沿着图5的(A)部所表示的III-III线取得的靶壳Tg2的截面图。图5的(C)部所表示的图是沿着图5的(A)部所表示的IV-IV线取得的靶壳Tg2的截面图。靶壳Tg2除了靶壳Tg1的结构之外还进一步设置有贯通孔H2，靶壳Tg1与靶壳Tg2的结构上的差异仅是该点。即，靶壳Tg1具有贯通孔H1，靶壳Tg2具有贯通孔H1以及贯通孔H2。贯通孔H1的尺寸·形状与贯通孔H2的尺寸·形状相同。贯通孔H1以及贯通孔H2沿着通过靶壳Tg2的中心Ct的中心轴Ax进行延伸，并夹着中心Ct而互相相对。贯通孔H1的2个开口在中心轴Ax上交叉。贯通孔H2的2个开口在中心轴Ax上交叉。
还有，靶壳Tg1以及靶壳Tg2分别具有压缩用激光LS1的照射被预定的照射区域Ar1和压缩用激光LS2的照射被预定的照射区域Ar2，但是压缩用激光也可以是3根以上，1000根左右的压缩用激光的照射是可能的。压缩用激光的追加能够将如压缩用激光LS1以及压缩用激光LS2那样夹着靶壳Tg1的中心Ct并在同轴(中心轴Ax)上相对而入射的2个压缩用激光作为一组来每2根地追加。另外，也能够每1根地追加压缩用激光。对应于压缩用激光的数目，设置与压缩用激光的数目相同的数目的压缩用激光输出装置(对应于压缩用激光输出装置5a以及压缩用激光输出装置5b)。
在靶壳Tg1以及靶壳Tg2，并不限于贯通孔H1或贯通孔H2，也可以设置更多的贯通孔。贯通孔的追加能够将如贯通孔H1以及贯通孔H2那样夹着靶壳Tg2的中心Ct并在同轴(中心轴Ax)上相对的2个贯通孔作为一组来每2个贯通孔地追加。另外，也能够每1个地追加贯通孔。能够提供贯通孔的数目以下的数目的加热用激光。加热用激光也可以是2根以上，100根左右的加热用聚光的照射是可能的。对应于加热用激光的数目，设置与加热用激光的数目相同的数目的加热用聚光输出装置(对应于加热用激光输出装置6)。
接着，参照图6，对使用了激光核聚变装置1的核聚变生成方法进行说明。首先，在步骤S1中，通过控制装置7的靶壳供给单元7a控制靶壳供给装置3，从而将使核聚变反应发生的靶壳Tg1提供给腔室2(步骤S1：供给工序)。
继步骤S1之后，控制装置7的时机计算单元7b和控制装置7的聚光单元7c进行用于照射用于压缩靶壳Tg1的压缩用激光和用于加热压缩后的靶壳Tg1的加热用激光的准备(步骤S2：准备工序)。继步骤S2之后，通过控制装置7的输出单元7d控制压缩用激光器5a1以及压缩用激光5b1、加热用激光器6a1，从而将压缩用激光和加热用激光按顺序照射于靶壳Tg1(步骤S3：照射工序)。更详细地说明步骤S3。在步骤S3中，通过控制装置7的输出单元7d控制压缩用激光器5a1以及压缩用激光5b1，从而在后面所述的步骤S2a中在由时机计算单元7b计算出的压缩用激光输出时机将压缩用激光照射于靶壳Tg1的照射区域Ar1以及照射区域Ar2，通过控制装置7的输出单元7d控制加热用激光器6a1从而在后面所述的步骤S2a中在由时机计算单元7b计算且继压缩用激光照射之后的加热用激光输出时机将加热用激光照射于靶壳Tg1的贯通孔H1。
步骤S2进一步具有步骤S2a和步骤S2b。在步骤S2a中，靶壳监视装置4监视在步骤S1中由靶壳供给装置3提供给腔室2的靶壳Tg1的状态并且控制装置7的时机计算单元7b基于由靶壳监视装置4获得的监视结果计算出压缩用激光器5a1和压缩用聚光光学装置5b2输出压缩用激光的压缩用激光输出时机、加热用激光器6a1输出加热用激光的加热用激光输出时机(步骤S2a：计算工序)。
在步骤S2b中，基于由靶壳监视装置4获得的监视结果控制装置7的聚光单元7c通过控制压缩用聚光光学装置5a2和压缩用聚光光学装置5b2从而使从压缩用激光器5a1被输出的压缩用激光在压缩用激光输出时机朝着靶壳Tg1的照射区域Ar1聚光，并使从压缩用激光器5b1被输出的压缩用激光在压缩用激光输出时机(与压缩用激光器5a1中的压缩用激光输出时机相同的时机)朝着靶壳Tg1的照射区域Ar2聚光，再有，基于由靶壳监视装置4获得的监视结果控制装置7的聚光单元7c控制加热用聚光光学装置6a2从而使从加热用激光器6a1被输出的加热用激光在加热用激光输出时机(继压缩用激光器5a1以及压缩用激光器5b1中的压缩用激光输出时机之后的时机)朝着靶壳Tg1的贯通孔H1聚光(步骤S2b：聚光工序)。
参照图7以及图8，对步骤S3进一步进行详细的说明。图7是表示压缩用激光的能量的时间波形(期间T1中的波形)、加热用激光的能量的时间波形(期间T2中的波形)。图7的纵轴表示激光的强度，图7的横轴表示激光被输出的时间。
期间T1为压缩用激光LS1以及压缩用激光LS2分别同时被压缩用激光器5a1以及压缩用激光器5b1的各个输出的期间，对应于被时机计算单元7b计算出的压缩用激光输出时机。压缩用激光器5a1的压缩用激光输出时机与压缩用激光器5b1的压缩用激光输出时机相同(期间T1)。期间T1按顺序包含期间T1a、期间T1b、期间T1c。期间T1b继期间T1a之后，期间T1c继期间T1b之后。
期间T1a中的压缩用激光LS1以及压缩用激光LS2为比较低的强度。在期间T1a中，靶壳Tg1的外表面Sf1渐渐地被消融(ablation)，等离子体P1从外表面Sf1的外侧被喷出(参照图8的(A)部)。然后，靶壳Tg1的内侧(内表面Sf2的一侧)利用由等离子体P1从外表面Sf1向外侧喷出的反作用而朝着中心Ct被压缩。
在期间T1a的终期，如果靶壳Tg1集中于中心Ct且靶壳Tg1的中心部的密度上升的话，则由等离子体P1的喷出而产生并且朝着靶壳Tg1的内侧的反作用减少，相对于靶壳Tg1的压缩作用减少。因此，在继期间T1a之后的期间T1b，从期间T1a中的压缩用激光LS1以及压缩用激光LS2的强度一下子使压缩用激光LS1以及压缩用激光LS2的强度增加，使相对于靶壳Tg1的压缩作用增加，进一步使靶壳Tg1的中心部的密度上升(参照图8的(B)部)。期间T1b中的等离子体P1的密度与期间T1a中的等离子体P1的密度相比更高。因为从对应于贯通孔H1的地方没有等离子体P1的喷出，所以在贯通孔H1上，等离子体P1的密度与贯通孔H1以外的外表面Sf1的其他区域上相比较，比较低。
期间T1c中的压缩用激光LS1以及压缩用激光LS2具有期间T1b中的压缩用激光LS1以及压缩用激光LS2的强度的最大值，并且强度被维持于该值(参照图8的(C)部)。期间T1c中的等离子体P1的密度与期间T1a以及期间T1b中的等离子体P1的密度相比更高。如以上所述，压缩用激光LS1以及压缩用激光LS2在期间T1的后半部(期间T1b,T1c)成为强度一下子上升的量身定制的脉冲(tailored pulse)。由期间T1中的压缩用激光LS1以及压缩用激光LS2的照射而在靶壳Tg1的内部生成等离子体(对应于图9所表示的等离子体P2)。
继期间T1之后的期间T2是加热用激光LS3被加热用激光器6a1输出的期间，对应于被时机计算单元7b计算出的加热用激光输出时机。期间T2中的加热用激光LS3与压缩用激光LS1以及压缩用激光LS2相比较能量相对较高。如果加热用激光LS3入射到贯通孔H1的话，则在内表面Sf2的一侧的贯通孔H1的开口的附近，由加热用激光LS3而产生高速电子以及离子，在期间T1中生成的靶壳Tg1的内部的等离子体P2(参照图9)被该产生的高速电子以及离子加热，从而引起核聚变反应(参照图8的(D)部)。
接着，参照图9，将靶壳Tg1与现有的附有金锥的靶Tg-p进行比较。在图9的(A)部表示附有金锥的靶Tg-p的结构的概略。在图9的(B)部表示靶壳Tg1的结构的概略。附有金锥的靶Tg-p具有金锥Cn和CD球体Sh。金锥Cn由金等的金属所构成。CD球体Sh由含有碳(C)和氘(D)等的高分子所构成。金锥Cn具有圆锥状的形状，在圆锥的内侧(圆锥的内侧面的一侧)形成有空隙Sa2(空洞)，圆锥的前端Pa封闭(不是开口)。金锥Cn的前端Pa到达CD球体Sh的内部Sa1，但是金锥Cn的内侧的空隙Sa2不到达CD球体Sh的内部Sa1。加热用激光LS3会有包含预脉冲PL1、发生于预脉冲之后并高于预脉冲PL1的能量的主脉冲PL2的情况。主脉冲PL2将用于引起核聚变反应的能量提供给靶壳。在发生预脉冲PL1的情况下，在附有金锥的靶Tg-p，由预脉冲PL1产生的等离子体P3发生于金锥Cn的内侧的空隙Sa2。主脉冲PL2的一部分因为在碰撞到金锥Cn之前碰撞到由预脉冲PL1而发生于金锥Cn的内侧的空隙Sa2的等离子体P3，所以从主脉冲PL2提供给CD球体Sh的空隙Sa2的等离子体P2a(通过CD球体Sh被压缩从而发生于CD球体Sh的内部Sa1的中心部的等离子体)的能量与没有预脉冲PL1的情况相比较而被减少。
另一方面，靶壳Tg1不具有现有的金锥Cn，具有贯通孔H1。预脉冲PL1使等离子体P4发生于靶壳Tg1的内侧的空隙Sp即内表面Sf2的一侧的贯通孔H1的开口的附近，在预脉冲PL1之后被照射的主脉冲PL2的一部分或者全部碰撞到该等离子体P4，由该碰撞产生的高速电子(或者与该等离子体P4的碰撞被回避了的主脉冲PL2的一部分直接地)与在期间T1之间发生于靶壳Tg1的中心部(中心Ct)的等离子体P2相碰撞，加热该中心部的等离子体P2。在靶壳Tg1的情况下，因为由预脉冲PL1而在靶壳Tg1的内侧的空隙Sp发生的等离子体P4比由预脉冲PL1而在金锥Cn的内侧的空隙Sa2发生的等离子体P3更靠近于靶的中心部的等离子体(在靶壳Tg1的情况下为等离子体P2，在附有金锥的靶Tg-p的情况下为等离子体P2a)，所以靶壳Tg1的情况与现有的附有金锥的靶Tg-p的情况相比较，在预脉冲PL1之后被照射的主脉冲PL2的能量被更多地提供给靶的中心部的等离子体。另外，在靶壳Tg1的情况下，因为加热用激光LS3不通过金锥Cn而被直接照射于靶壳Tg1的贯通孔H1，所以与现有的附有金锥的靶Tg-p的情况相比较，没有必要考虑由金锥Cn引起的能量的损失，被提供给靶壳Tg1的中心部的等离子体P2的能量的控制能够更加正确且容易地进行。另外，在使用了金锥Cn的情况下，因为重离子即金离子的加速变得困难，所以由离子引起的加热的贡献不多。
再有，对靶壳Tg1的情况下的由预脉冲PL1产生的影响和靶壳Tg2的情况下的由预脉冲PL1产生的影响进行比较。在靶壳Tg1的情况下，由预脉冲PL1而发生于内表面Sf2的一侧的贯通孔H1的开口的附近的等离子体P4(主要的等离子体)中的电子通过碰撞到内表面Sf2中夹着中心Ct而与贯通孔H1相对的区域从而进一步发生少许等离子体(次要的等离子体)，并且有可能到达内表面Sf2的一侧的贯通孔H1的开口的附近。主脉冲PL2与预脉冲PL1直接引起的主要的等离子体一起也与该少许次要的等离子体相碰撞，但是由该次要的等离子体产生的影响与由主要的等离子体产生的影响相比较更微小，因此，与由现有的附有金锥的靶Tg-p的情况下的预脉冲PL1产生的等离子体的影响相比较更小。相对于此，在靶壳Tg2的情况下，因为在夹着中心Ct而与贯通孔H1相对的区域设置有贯通孔H2，所以与靶壳Tg1的情况不同，由预脉冲PL1而发生于内表面Sf2的一侧的贯通孔H1的开口的附近的等离子体中的电子不会在内表面Sf2上发生碰撞，因此，不会产生次要的等离子体。
在本实施方式所涉及的激光核聚变装置1和核聚变生成方法中，作为使核聚变反应发生的靶，使用具有中空的球壳状的形状的靶壳Tg1，靶壳Tg1设置有连接靶壳Tg1的外侧和靶壳Tg1的内侧的空隙Sp并将加热用激光LS3引导到靶壳Tg1的内侧的空隙Sp的贯通孔H1，具有不具备现有那样的金锥Cn的结构。因此，加热用激光LS3因为不通过现有那样的金锥Cn而由贯通孔H1被直接引导到靶壳Tg1的内侧的空隙Sp，所以没有必要考虑由金锥Cn产生的影响，并且被提供给靶壳Tg1的空隙Sp的中心部的等离子体P2的能量能够容易控制。
再有，在靶壳Tg2的情况下，因为贯通孔H1以及贯通孔H2被配置于相对的位置，所以在加热用激光LS3从一方的贯通孔H1被照射到靶壳Tg2的内侧的空隙Sp的情况下，即使等离子体P4由该加热用激光LS3而发生于该贯通孔H1的开口附近，从该等离子体P4产生的电子也不会碰撞到靶壳Tg2的内表面Sf2即与该贯通孔H2的开口相对的一侧，因此，能够抑制在靶壳Tg2的内侧发生次要的等离子体。再有，靶壳Tg1以及靶壳Tg2因为均含有碳原子、以及氢、氘和氚，所以能够使核聚变反应发生。
(实施例)
在图10中表示使用了靶壳Tg2的实施例(称为实施例靶)的情况下的测定结果、以及使用了现有的附有金锥的靶Tg-p的实施例(称为现有靶)的情况下的测定结果。图10的横轴表示被照射于实施例靶和现有靶的激光的能量，图10的纵轴表示由核聚变反应而分别从实施例靶以及现有靶发生的中子的总数。
测定结果G1～G4表示使用了实施例靶的情况下的测定结果。获得了测定结果G1～G4的实施例靶，直径为500μm左右，壳的厚度(对应于外表面Sf1与内表面Sf2之间的距离)为7μm左右，对应于贯通孔H1的贯通孔的直径和对应于贯通孔H2的贯通孔的直径均为250μm左右。获得了测定结果G1～G4的压缩用激光为2根(对应于压缩用激光LS1和压缩用激光LS2)，该2根压缩用激光的时间脉冲宽度均为1.3纳秒左右，获得了测定结果G1～G4的2根压缩用激光的能量均为300J左右。在压缩用激光的照射期间内由2根压缩用激光的照射来测定1×106个中子。继压缩用激光的照射之后，照射具有1.5ps(皮秒)左右的时间脉冲宽度和600J左右的能量的1根加热用激光(对应于加热用激光LS3)并生成核聚变反应，在该加热用激光的照射期间内测定5×108个中子(测定结果G4)。再有，继压缩用激光照射之后，照射具有1.5ps(皮秒)左右的时间脉冲宽度和500J左右的能量的加热用激光(对应于加热用激光LS3)并生成核聚变反应，在该加热用激光的照射期间内测定1×108个中子(测定结果G4)。
测定结果G5,G6表示使用了现有靶的情况下的测定结果。获得了测定结果G5,G6的现有靶是直至金锥的前端与CD球体的中心的距离成为50μm左右为止使金锥侵入到CD球体的内侧的结构。该现有靶的球壳状的CD球体的直径为500μm左右，CD球体的壳的厚度(CD球体的外表面与内表面之间的距离)为7μm左右，圆锥状的金锥的壁厚为10μm～20μm左右。照射于现有靶的压缩用激光为9到10根，压缩用激光的总能量为1.5kJ到4.5kJ，各个压缩用激光的时间脉冲宽度均为1.5ns(纳秒)。继压缩用激光的照射之后照射于现有靶的加热用激光为1根，该加热用激光的能量为300J，时间脉冲宽度为1ps(皮秒)。将加热用激光照射于现有靶并生成核聚变反应，在该加热用激光的照射期间内测定最大3.5×107个中子(测定结果G5,G6)。
根据图6所表示的测定结果，在使用了对应于靶壳Tg2的实施例靶的情况下，与使用了现有的附有金锥的靶的情况相比较，所照射的激光的总能量(压缩用激光的能量与加热用激光的能量的总和)成为大约1/3，相对于此，所发生的中子的总数超过一位数以上。
如以上所述，在本实施方式中，图示并说明了本发明的原理，但是，对于本领域技术人员而言，可以认识到本发明只要是不脱离以上所述那样的原理则可以变更配置以及细节。本发明并不限定于本实施方式所公开的特定的结构。因此，来自于权利要求及其宗旨的范围内的所有的修正以及变更都请求权利。
产业上的利用可能性
本实施方式能够应用于控制提供给靶的中心部的等离子体的能量的激光核聚变装置以及核聚变生成方法。
符号的说明
1…激光核聚变装置、2…腔室、3…靶壳供给装置、4…靶壳监视装置、51,61…激光振荡器、52,63…波形控制装置、53,64…激光放大器、54…波长转换装置、5a,5b…压缩用激光输出装置、5a1,5b1…压缩用激光器、5a2,5b2…压缩用聚光光学装置、6…加热用激光输出装置、62…脉冲展宽器、65…脉冲压缩器、6a1…加热用激光器、6a2…加热用聚光光学装置、7…控制装置、7a…靶壳供给单元、7b…时机计算单元、7c…聚光单元、7d…输出单元、Ar1,Ar2…照射区域、Ax…中心轴、Cn…金锥(gold cone)、Ct…中心、D1,D2,D3…行进方向、G1,G2,G3,G4,G5,G6…测定结果、H1,H2…贯通孔、L1a,L1b…控制用的信号线、L2…激光输出用的信号线、LS1,LS2…压缩用激光、LS3…加热用激光、P1,P2,P2a,P3,P4…等离子体、Pa…前端、PL1…预脉冲、PL2…主脉冲、RP1…基准地点、Sa1…内部、Sa2…空隙、Sf1…外表面、Sf2…内表面、Sh…CD球体、Sp…空隙、T1,T1a,T1b,T1c,T2…期间、Tg1,Tg2…靶壳、Tg-p…附有金锥的靶。

Claims (6)

1.一种激光核聚变装置，其特征在于：
具备：
靶壳，使核聚变反应发生；
腔室，所述靶壳引起核聚变反应；
靶壳供给装置，将所述靶壳提供给所述腔室的内侧的基准地点；
靶壳监视装置，监视被所述靶壳供给装置提供给所述腔室的所述靶壳的状态；
压缩用激光输出装置，朝着所述靶壳输出用于压缩所述靶壳的压缩用激光；
加热用激光输出装置，朝着所述靶壳输出用于加热所述靶壳的加热用激光；
控制装置，控制所述靶壳供给装置、所述压缩用激光输出装置以及所述加热用激光输出装置，
所述靶壳具有中空的球壳状的形状，
在所述靶壳的内侧，设置有由所述靶壳的内表面划定的球状的空隙，
在所述靶壳，设置有连接所述靶壳的外侧和所述靶壳的内侧的所述空隙的至少一个贯通孔，
所述靶壳的外表面包含压缩用激光的照射被预定的照射区域，
所述压缩用激光输出装置具有：
压缩用激光器，输出用于压缩所述靶壳的压缩用激光；
压缩用聚光光学装置，朝着所述靶壳的所述照射区域对从所述压缩用激光器输出的压缩用激光进行聚光，
所述加热用激光输出装置具有：
加热用激光器，输出用于加热所述靶壳的加热用激光；
加热用聚光光学装置，朝着所述靶壳的所述贯通孔对从所述加热用激光器输出的加热用激光进行聚光，
所述控制装置具备：
靶壳供给单元，以将所述靶壳提供给所述腔室的方式控制所述靶壳供给装置；
时机计算单元，基于由所述靶壳监视装置获得的监视结果来计算出由所述靶壳供给单元提供的所述靶壳到达所述基准地点的到达时机，并基于所述到达时机，计算出所述压缩用激光器输出压缩用激光的压缩用激光输出时机、以及所述加热用激光器继所述压缩用激光输出时机之后输出加热用激光的加热用激光输出时机，
聚光单元，以从所述压缩用激光器输出的压缩用激光在由所述时机计算单元计算出的所述压缩用激光输出时机朝着所述靶壳的所述照射区域聚光的方式，基于由所述靶壳监视装置获得的监视结果来控制所述压缩用聚光光学装置，并以从所述加热用激光器输出的加热用激光在由所述时机计算单元计算出的所述加热用激光输出时机朝着所述靶壳的所述贯通孔聚光的方式，基于由所述靶壳监视装置获得的监视结果来控制所述加热用聚光光学装置；
输出单元，在由所述聚光单元控制了所述压缩用聚光光学装置和所述加热用聚光光学装置之后，以在由所述时机计算单元计算出的所述压缩用激光输出时机输出压缩用激光的方式控制所述压缩用激光器，并以在由所述时机计算单元计算出的所述加热用激光输出时机输出加热用激光的方式控制所述加热用激光器。
2.如权利要求1所述的激光核聚变装置，其特征在于：
在所述靶壳，设置有2个所述贯通孔，
2个所述贯通孔沿着通过所述靶壳的中心的中心轴延伸，并夹着所述中心而互相相对。
3.如权利要求1或者2所述的激光核聚变装置，其特征在于：
所述靶壳为含有氘或者氚的聚合物。
4.一种核聚变生成方法，其特征在于：
具备：
供给工序，将使核聚变反应发生的靶壳提供给腔室；
准备工序，在所述供给工序之后，进行用于照射用于压缩所述靶壳的压缩用激光和用于加热压缩后的所述靶壳的加热用激光的准备；
照射工序，在所述准备工序之后，按顺序将压缩用激光和加热用激光照射于所述靶壳，
所述靶壳具有中空的球壳状的形状，
在所述靶壳的内侧，设置有由所述靶壳的内表面划定的球状的空隙，
在所述靶壳，设置有连接所述靶壳的外侧和所述靶壳的内侧的所述空隙的至少一个贯通孔，
所述靶壳的外表面包含压缩用激光的照射被预定的照射区域，
所述准备工序具有：
计算工序，监视在所述供给工序中被提供给所述腔室的所述靶壳的状态并基于监视结果计算出输出压缩用激光的压缩用激光输出时机和输出加热用激光的加热用激光输出时机；
聚光工序，基于所述监视结果，使压缩用激光在所述压缩用激光输出时机朝着所述靶壳的所述照射区域聚光，使加热用激光在所述加热用激光输出时机朝着所述靶壳的所述贯通孔聚光，
在所述照射工序中，
在所述压缩用激光输出时机将压缩用激光照射于所述靶壳的所述照射区域，在继压缩用激光的照射之后的所述加热用激光输出时机将加热用激光照射于所述靶壳的所述贯通孔。
5.如权利要求4所述的核聚变生成方法，其特征在于：
在所述靶壳，设置有2个所述贯通孔，
2个所述贯通孔沿着通过所述靶壳的中心的中心轴延伸，并夹着所述中心而互相相对。
6.如权利要求4或者5所述的核聚变生成方法，其特征在于：
所述靶壳为含有氘或者氚的聚合物。
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