DE2263241A1 - Laserlichtquelle - Google Patents

Description

United States Atomic Energy Commission, Washington, D.C, U.S.A.

Laserlichtquelle.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserlichtquelle zur Erzeugung einer Laser-Ziel-Wechselwirkung mit einem durch eine Öffnung laufenden fokussierten Laserlichtstrahl.

Es ist vorteilhaft, ein Ziel mit Laserlicht zu bestrahlen, um auf diese Weise ein Hochtemperaturplasma zu erzeugen. Es sei in diesem Zusammenhang auf das "Blascon"-Konzept verwiesen und ferner auf folgende Aufsätze: J. M. Dawson in Phys. Fluids 7, 981 (1964); M. J. Lubin in Bull. Am. Phys. Soc.,13, 1552 (1968); Proceedings of the Third Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion Research, Novosibirsk, 1968 und/oder J. G. Linhart in Nuclear Fusion 10, 211 (1970). Solche Plasmas können in der thermonuklearen Forschung und/oder in der Krafterzeugung verwendet werden.

Die Erfindung bezweckt die Erzeugung einer Laser-Ziel-Bestrahlung mittels einer einzigen Laserlichtquelle. Ferner sollen die Bestrahlungsmittel und die Steuerung der Bestrahlung eines Ziels

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mit einem Laserlichtstrahl einer einzigen Laserquelle verbessert werden; dabei soll auch ein thermonuklear interessantes Plasma entstehen. Ferner soll auch eine Laser-Kugel-Mikroexplosion erzeugt werden. Dabei soll die Laserlichtquelle von den Reaktionsprodukten geschützt werden, die durch das mit einem Ziel in Wechselwirkung stehende Laserlicht erzeugt werden.

Die vorliegende Erfindung bringt eine Lösung für die Befestigung eines Ziels für eine Laser-Ziel-Wechselwirkung, wobei die Laserbestrahlung der ganzen Oberfläche des Ziels mit einem einzigen fokussierten Laserlichtstrahl erfolgt, ohne daß die Laserlichtquelle beschädigt wird.

Zum Stande der Technik sei auf die US Patente 3 624 239, 3 489 645 und 3 378 446 verwiesen.

Eine Zusammenfassung der Erfindung;

Die vorliegende Erfindung sieht Vorrichtungen und ein Verfahren vor, um ein Ziel (Target) mit einer einzigen Laserlichtquelle zu bestrahlen, wobei letztere geschützt und das von ihr ausgehende Laserlicht durch eine öffnung auf ein Ziel durch einen geformten Spiegel fokussiert wird, der das Ziel benachbart zum Spiegel hält, um ein Hochtemperaturplasma zu erzeugen, in dem Fusions- oder Verschmelzungsreaktionen auftreten. Wenn mehr Fusionsenergie freigesetzt wird, als Energie zur einleitung der Reaktion hineingebracht wird, dann entsteht eine Quelle elektrischer Leistung. Insbesondere wird gemäß der Erfindung das Laserxlcht durch eine öffnung fokussiert, welche die Laserlichtquelle gegenüber Mikroexplosionen schützt, die durch Verwendung eines fokussierenden Spiegels benachbart zu dem Ziel entstehen, wobei ein Träger vorgesehen ist, der das Ziel am Brennpunkt des Spiegels hält. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Ziel in einem elliptisch geformten Lithiumreflektor gehalten, der einen das Ziel am Brennpunkt des Reflektors haltenden Lithiumträger benutzt. Vorteilhafterweise ist das Ziel ein gekühltes, solides, ein Wasserstoffisotop enthaltendes Ziel, das in einem soliden fokussierenden Lithiumreflektor gehalten wird, der radial geformt ist,

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um die einfallenden Laserlichtstrahlen von der Laserlichtstrahlquelle gegen das Ziel zu reflektieren, um im wesentlichen einen hohen Laserlichtfluß auf im wesentlichen der gesamten Oberfläche des Ziels zu erzeugen. Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung ist eine Laser-Ziel-Bestrahlungsvorrichtung mit einer Öffnung und/oder einem Verschluß vorgesehen, der in seinem öffnungszustand gestattet, daß Laserlicht auf einen einen Zielhalter bildenden fokussierenden Reflektor und ein im Halter gehaltenes Ziel gerichtet wird, wodurch der Verschluß den Laser gegenüber Reaktionsprodukten SGhützt, die durch die Wechselwirkung von

dem
Laserlicht mit/Ziel erzeugt werden. Durch die richtige Auswahl der Elemente und Schritte - was im folgenden im einzelnen beschrieben wird - erhä.lt man die gewünschte Laser-Ziel-Bestrahlung, ein Hochtemperaturplasma und den Schutz des Lasers.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere auch aus den Unteransprüchen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben -sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Teilansicht der Hauptelemente des Energieerzeugungssystems für die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung;

Fig. 2 einen Teil-Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung der Laser-Ziel-Bestrahlung für das Energieerzeugungssystem der Fig. 1·;

Fig. 3. einen Teil-Querschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Laserlichtfokussiersystems;

Fig. 4 einen Teil-Querschnitt der Zielbrennstoffkapsel für die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Die Erfindung ist zur Bestrahlung von Zielen hoher Dichte mit von einer Laserquelle kommendem Laserlicht zweckmäßig. Die Erfindung kann zweckmäßig zusammen mit dem"Blascon"-Prinzip benutzt werden. Jedoch kann die Erfindung auch ganz allgemein bei

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der thermonuklearen Forschung Anwendung finden, die sich mit der Erzeugung von Hochtemperaturplasmas befaßt. Die Erfindung ist daher in einer Vielzahl von Anwendungsfällen benutzbar, die Hochtemperaturplasmas erfordern, und zwar einschließlich solcher Anwendungsfälle, wo bislang thermonukleare Forschungsreaktoren benutzt wurden. Beispielsweise kann die Erfindung auch zur Leistungserzeugung benutzt werden. Im einzelnen ergibt sich aus dem folgenden, daß somit die Erfindung zusammen mit allen bisher bekannten ein hohes Z (Atomgewicht) aufweisenden Materialien - die in der thermonuklearen Forschung verwandt werden - benutzt werden kann, obwohl die Erfindung unter Verwendung eines soliden ein Wasserstoffisotop enthaltenden Ziels, wie beispielsweise eines Wasserstoff-, Deuterium-, Tritium- oder eines D,T-Ziels beschrieben wird. Zudem ist die Erfindung auch als thermonuklearer Trigger zweckmäßig. In dieser Beziehung - vergleiche dazu Linhart in Nuclear Fusion 10, Seite 211 folgende (1970) - ist es vorteilhaft, Trigger in einem dichten D,T-Ziel zu schaffen, und zwar durch Bestrahlung diese#iels mit Laserlichtenergie von 1 kJ bis hinauf zu 10 MJ, wobei die gleiche Energie in dem bestrahlten Ziel in thermische Plasmaenergie umgewandelt wird, und zwar in einer Zeitspanne in der Größenordnung von 1 η Sek und in einem Volumen von wenigen Kubikmillimetern.

Die Erfindung sieht eine vollständige Zerstörung des Ziels vor. Jedoch ist das erfindungsgemäße System allgemein für jeden Anwendungsfall benutzbar, der die Wechselwirkung von Laserlicht mit einem Ziel hoher Dichte erfordert. Die Beschreibung schildert somit die Art und Weise, wie das bevorzugte Ausführungsbeispiel der öffnung und des Fokussiersystems der Erfindung benutzt wird, um ein Ziel hoher Dichte zu bestrahlen, welches ein Wasserstoffisotop enthält. Ferner wird beschrieben, wie das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Erzeugung eines schnell erhitzten Plasmas benutzt wird. Zudem wird beschrieben, wie das erfindungsgemäße System zur Verschmelzung (Fusion) der Zielkerne benutzt wird, wobei die Laserlichtquelle gegenüber Reaktionsprodukten geschützt wird, die durch die Laser-Ziel-Wechselwirkungen entstehen.

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Die Entdeckung von Hochleistungslasern und Laserverstärkern ermöglicht durch Fokussierung eines einzelnen Laserstrahls das Erreichen von Energie- und Leistungsdichten, die in anderer Weise nicht erreichbar sind. Dies liegt an der einzigartigen Fokussierung der Photonen und geht auf das Nichtvorhandensein der Abstoßung zwischen Photonen und auf die Anwendung geeigneter optischer Fokussiervorrichtungen zurück. Durch die bekannte Fokussierung und Abkürzung üblicher Laserimpulse ist es somit möglich/ sehr hohe Leistungsdichten zu erreichen. Die Erfindung verwendet diese bekannten, hohe Leistungsdichten erzeugenden Laser,obwohl gemäß der Erfindung höhere oder niedrigere Laserlichtleistungsdichten benutzbar sind. Es können auch andere, eine kleine Brennfläche aufweisende Laser mit geeigneten Verstärkerlinsen und üblichen Zeitsteuerschaltungen vorteilhafterweise in den verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung benutzt werden. Ein derartiges System zur Erreichung einer großen Leistungsausgangsgröße besteht in der koaxialen, parallelen und mit Abstand erfolgenden Anordnung von stabförmigen und scheibenförmigen Nd-Glaslaserelementen derart, daß sie gegenüber einander einen Abstand aufweisen, worauf sie dann gepumpt werden, um ihre Lichtverstärkung und Lichtstrahlungsemission zu stimulieren, so daß durch geeignete Erregungsmittel eine Laserstrahlausgangsgröße erzeugt wird, die durch Linsen und/oder versilberte oder andere Spiegel fokussiert und gebrochen werden kann. Es können jedoch auch CO^-Laser (wie sie in US Patent 3 596 202 beschrieben sind) oder ändere, eine hohe Leistung aufweisende kontinuierlich oder gepulst arbeitende Lasersysteme gemäß der Erfindung verwendet werden.

Zum Verständnis der Erfindung sei nochmals auf die oben erwähnten Veröffentlichungen hingewiesen und auch auf Phys. Fluids 5, 517 (1962); und Phys. Fluids. 9, 2047 (1966); und ΝΥΟ-3578-ΐ bis NYO-3578-12; daraus ergibt sich, daß Laser Ziels hoher Dichte zur Erzeugung eines Hochtemperaturplasmas bestrahlen können. Insbesondere ergibt sich aus den Veröffentlichungen F-7 und F-8 der oben erwähnten Konferenz in Novosibirsk, daß ein vollständig ionisiertes symmetrisch und sphärisch geformtes Plasma mit Teilchenenergien von 1 keV erreichbar ist, und zwar durch Bestrahlung

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eines soliden ballförmigen Ziels mit Laserlicht von hoher Intensität, großer Amplitude und schmaler Impulsbreite. Wie sich aus den oben erwähnten Veröffentlichungen und auch den Veröffentlichtungen und dem US AEC-Vertrag AT(30-1)-4054 mit der Universität von Rochester ergibt, wird die Laserlichtenergie vorzugsweise während einer im Vergleich zur Plasmaexpansionszeit t kurzen Zeit hinzugefügt, da gemäß dem Lawson'sehen Plasmaenergiefreigabekriterium eine solche Expansion die Plasmaspitzendichte vermindert. Für Plasmas mit Temperaturen von 1 bis 10 keV liegt t zwischen wenigen Nanosekunden bis hinab zu einigen 10 Pico-Sekunden, was innerhalb der Leistungsfähigkeit üblicher Laser

_ 14 liegt. In einem Beispiel ist η^ = 10 bei einer Temperatur von 10 keV, wobei η die Plasmadichte und Γ die Einschlußzeit oder in diesem Falle spezieller die Lebenszeit des Plasmas bei seiner höchsten Temperatur und Dichte ist. Dies ergibt sich aus Gleichung (4) auf Seite 212 der oben erwähnten Veröffentlichung von Linhart in Nuclear Fusion, 10 (1970). Aus der letztgenannten Veröffentlichung ist die Zeit bekannt, während welcher das Plasma

zusammenbleibt: Tl - ^ , wobei r der Radius des Plasmas und V

s
die Geschwindigkeit des heißen Plasmas ist.

Die Erfindung sieht vor, daß eine ausreichende Laserenergie verwendet werden kann, um das kleine solide Ziel in einer Zeit zu erhitzen, die kurz genug ist, um dem Plasmaexpansionskriterium zu genügen. Darüber hinaus kann ein solides Ziel mit SOVIeI₁ Laserlichtenergie so schnell erhitzt werden, daß eine Mikroexplosion erzeugt werden kann, bevor das sich ergebende Plasma expandieren

an:i und daher nicht mehr ausreichend Fusionsenergie erzeugt. Die vorliegende Erfindung erzeugt ein schnell erhitztes dichtes Plasma, wie es aus den oben erwähnten Veröffentlichungen bekannt ist, wobei das bevorzugte Ausführungsbeispiel keine magnetische Einschließung benötigt.

Die Erfindung sieht Mittel und ein Verfahren vor, um große Mengen von Laserlichtenergie einer einzigen Laserlichtquelle auf ein kleines Ziel hoher Dichte zu werfen, und zwar in einer kurzen Zeitperiode; dies geschieht im Unterschied zu den in den US Pa-

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tenten 3 378 446 und 3 489 645 beschriebenen Systemen, die eine Vielzahl unabhängiger Laserlichtquellen benötigen.

Es sei nun auf Fig. 1 Bezug genommen; ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel kann zur elektrischen Krafterzeugung durch Kernfusionsverfahren benutzt werden. Zu diesem Zweck richtet ein Laser 11 einen Lichtstrahl 13 gegen eine ein Wasserstoffisotop enthaltende Anordnungskapsel 15, die in Öffnungsmitteln 17 ange-Qrdnet ist, welche eine Vakuumkammer 19 bilden, die die Reaktionsprodukte zumindest teilweise umschließt, die ihrerseits ein Plasma 21 aufweisen, welches durch Bestrahlung des in der Kapsel enthaltenen Wasserstoffisotops mit Laserlicht von Quelle 11 erzeugt wurde. Die freigesetzte Fusionsenergie kann in Leistung umgewandelt werden.

Obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt sein soll, ist zur Erleichterung der Erläuterung ein Leistungserzeugungssystem 23 für das Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 1 angegeben; dieses System weist eine übliche Wärmemaschine 25 mit einem Energieumwandler 27 und einer Spule 29 auf, um die durch die Fusionsreaktionen freigesetzte Wärmeenergie aufzunehmen. Durch das Umlaufen eines heißen Strömungsmittel von der Spule 29 in den Umwandler 27 kann eine Leistungsausgangsgröße 31 in der Form eines elektrischen Stromes erzeugt werden. Ein Teil dieser elektrischen Energie kann über einen Leiter 33 vom Umwandler 27 abgenommen und zur Energieversorgung des Lasers 11 benutzt werden. Der Umwandler 27 kann eine Carnot-Maschine oder irgendeine andere übliche Wärmemaschine sein, oder es kann ein Magnet-hydrodynamischer Umsetzer, ein thermoelektrischer Umsetzer oder ein thermionischer Umsetzer benutzt werden. Die Erfindung kann alternativ Schub, Röntgen-Strahlen, usw. erzeugen.

Die Quelle 11 kann - wie in Fig." 2 dargestellt - eine übliche Fokussierlinse 35 aufweisen, während die Öffnungsmittel 17 ein Fenster 36 besitzen können, welches als Linse in einem einzigen Element 37 kombiniert ist. In jedem Falle schützt die öffnungsvorrichtung 17 der Erfindung den Laser 11 und/oder mindestens die

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Optik. In jedem Falle erzeugt eine durch die Öffnungsmittel 17 gebildete einfache kleine Öffnung 38 mindestens einen Teilschild (Abschirmung) für die Reaktionsprodukte von der Wechselwirkung des Strahls 13 mit der Kapsel 15.

Betrachtet man nunmehr die Vorrichtung gemäß Fig. 3, so erkennt man, daß der Laserlichtstrahl 13 durch eine erste übliche Linse läuft, die den Strahl 13 auf einen Spiegel 40 fokussiert, der seinerseits den Strahl 13 in eine Vakuumkammer 19 durch Öffnungsmittel 17 hineinreflektiert, und zwar durch ein durchsichtiges Fenster 36, welches gegenüber Leckluft von der Umgebung 41 gegenüber Kammer 19 abdichtet. Vorzugsweise sind die Öffnungsmittel 17 innerhalb der Vakuumkammer 19 angeordnet, die aus einem Vakuumgehäuse 43 gebildet wird. Das Vakuumgehäuse 43 besteht aus einem hochfesten Metall, wie beispielsweise Niob; es können aber auch andere Werkstoffe, wie beispielsweise rostfreier Stahl, verwendet werden. Das Gehäuse 43 umschließt die Vakuumkammer 19 vakuumdicht. Die Öffnungsmittel 17 weisen auch übliche vakuumdichte Öffnungen 44 zum Evakuieren der Kammer 19 auf, und/oder zum Einführen einer Kapsel 15 in die Kammer 19. Aus Gründen der Einfachheit der Erläuterung ist der Laserstrahl 13 als vertikal nach unten verlaufender Strahl dargestellt; die Orientierung der Vorrichtung in Fig. 3 kann jedoch auch umgekehrt werden, wodurch Kapsel 15 nach unten zur Öffnung 38 zu angeordnet sein kann. Kapsel 15 kann starr in einer Einspannvorrichtung mit einem festen

Abstand D__ gegenüber der Öffnung 38 angeordnet sein und/oder • sp

kann zur Stabilität gedreht werden, wenn sie sich durch freien Fall oder in anderer Weise relativ zur Öffnung 38 bewegt, worauf der Laserstrahl 13 die Kapsel 15 dann trifft, wenn sie die gewünschte Stelle mit einem Abstand D_c von der Öffnung 38 erreicht. Beim freien Fall kann eine geeignete, auf fotoelektrische Geber 47 ansprechende Zeitsteuervorrichtung 46 benutzt werden. Ein derartiger Geber 47 ist in den oben erwähnten Veröffentlichungen gezeigt, und eine Kerrzellen-Laserzeitsteuervorrichtung 46 ist in US Patent 3 519 328 beschrieben. Der Geber ist schematisch oberhalb des Stoßumschließungskanals gezeigt, so daß eine Beschädigung des Gebers durch Mikroexplosion klein gehalten wird. Bei Verwendung eines "Blascon" würde sich der Geber ober-

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halb des Wirbels befinden und nicht mit dessen Ausbildung und Aufrechterhaltung in störende Beziehung kommen, wie dies sich im einzelnen aus dem Folgenden ergibt.

Ein Motor 48 mit konstanter Drehzahl - vergleiche dazu Fig. 3 kann vorteilhafterweise ein Hochgeschwindigkeits-Verschlußrad 49 rotieren; das Rad 49 ist als im Gehäuse 43 befindlich dargestellt und weist eine Stoßabschirmung 51 auf, welche den Durchgang von Neutronen, Röntgenstrahlen und von sich ausdehnendem Plasma verhindert und welcher den Strahl 13 aufnimmt und an die Ariordnungskapsel 15 weiterleitet; der Verschluß kann jedoch innerhalb oder außerhalb eines geeigneten Gehäuses angeordnet sein. Der Verschluß kann nicht am Fenster 36 angeordnet sein, und zwar wegen Beschädigungsproblemen bei kleinem Strahlendurchmesser, wie dies dem Fachmann geläufig ist. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 dreht sich das Rad 49 jedoch in einem Schlitz 53, der in dem dargestellten Schirm 51 mit rechten Winkeln zu der Achse 55 . des fokussierten Laserlichtstrahls 13 verläuft, wodurch dieser fokussierte Strahl 13 durch eine verjüngte Öffnung 38 im Schirm läuft, deren Achse koaxial zur Achse 55 liegt. Der Strahl 13 läuft durch öffnung 59 im Rad 49, wenn das Rad rotiert und die Achse der Radöffnung 59 mit der Achse der Schirmöffnung 38 im Schirm 51 zur Ausrichtung bringt. Alle diese Achsen sind zueinander und zur Achse 61 der Kapsel 15 koaxial.

Das bloße Vorhandensein der kleinen Öffnung 38 zwischen Ziel 67 und Fenster 36 und Spiegel 40 bedeutet, daß nur wenig von den Reaktionsprodukten von einer Mikroexplosion 67 vom Fenster 36 und Spiegel 40 aufgefangen wird. Zweck des Verschlußes 49 ist es, den Fluß von Reaktionsprodukten auf Elemente 36 und 40 weiter zu verringern. In der Praxis kann es jedoch nicht notwendig sein, den Verschluß 49 zu verwenden, weil die öffnung 38 hinreichend klein sein kann.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet die ein Wasserstoffisotop enthaltende Kapsel 15 ein im einzelnen in Fig. 4 gezeigtes Ziel 67. Das Ziel 67 weist vorteilhafterweise eine solide sphärische Kugel aus 50% Deuterium und 50% Tritium auf; alternativ können auch andere solide oder hoch dichte Ziele

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67, flüssiger Wasserstoff, D, 1 oder andere geeignete Materialien verwendet werden, die D-T enthalten; ferner können euch alternativ andere hoch dichte Ziele, wie beispielsweise LiH, benutzt werden. Vorteilhafterweise wird das Ziel 67 in einem soliden oder Festzustand vor der Bestrahlung durch den Strahl 13 gehalten, und zwar mittels eines geeigneten Kryostaten, durch welchen ein kryostatisches Strömungsmittel mit niedriger Temperatur läuft. Im Falle eines 50/50 D-T kugelförmigen Ziels 67 wird die Anordnungskapsel 15 in einer geeigneten Kapselfabrikationsvorrichtung 75 hergestellt, welche eine geeignete Gasversorgung 76, Transportmittel 77, vorteilhafterweise auch Gestaltformungsmittel 78 und Kühlmittel, wie beispielsweise einen Kryostaten 79, aufweist, um eine zusammenhängende einstückige Kapsel 15 zu erzeugen, die ein D-T enthaltendes kugelförmiges Ziel 67 bildet, welches auf einem Träger in einem Gehäuse 81 mit einer Reflexionsoberfläche befestigt ist, was im folgenden im einzelnen beschrieben werden wird. Vorteilhafterweise ist der Kryostat 79 in der Lage, die beschriebene Zielvorrichtung in ihrem soliden Zustand bei der einimpulsigen Arbeitsfolge zu halten.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht das Gehäuse 81 aus solidem Lithium; das Gehäuse 81 ist dabei vorteilhafterweise ein zylindrisches symmetrisches Gehäuse 81 für ein D-T enthaltendes Ziel 67. Zu diesem Zweck wird das Gehäuse 81 vorteilhafterweise in einer geeigneten Fabrikationsvorrichtung 75 ausgeformt, und ein D-T kugelförmiges Ziel 67 wird sorgfältig nahe dem Boden des Gehäuses 81 angeordnet, und zwar durch eine Kuge!formvorrichtung in de*· Herstellungsvorrichtung 75 (wie dies bereits bekannt ist) , wodurch das Gehäuse 81 mit dem darin befindlichen Kügeichen 67 im freien Fall in der öffnungsvorrichtung 17 von oben fallengelassen werden kann, um am Brennpunkt des hereinkommenden Laserlichtstrahls 13 zentriert zu werden. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß Kapsel 15 und deren Gehäuse 81 durch eine Drehvorrichtung 83 in Drehungen versetzt werden können, um die Anordnungskapsel 15 während ihres freien Falles in die Bestrahlungskammer 19 der öffnungsvorrichtung 17 zu stabilisieren« Alternativ können jedoch Kapsel 15 und Gehäuse 81 in eine zurückziehbaren Haltevorrichtung 85 fallen, um Kapsel 15 und Gehäuse 81

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vor der Bestrahlung durch den Laserlichtstrahl 13 starr anzuordnen .

Es kann irgendeine Kugelformvorrichtung zur Ausbildung des Ziels 67 verwendet werden; ein geeignetes Mittel ist dasjenige der
Schwingungsblockbauart, welches in dem "Annual Progress Report" vom 15. November 1968 bis 14. November 1969 aufgrund des
US AEC-Vertrages AT(30-1)-4054 mit der Universität von Rochester beschrieben ist (vergleiche Fig. 6).'

Unter Bezugnahme auf das bevorzugte, in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel der Anordnung der Kapsel 15 sei darauf hingewiesen, daß die Innenwand des Gehäuses 81 im ganzen elliptisch
geformt ist und eine Reflexionsoberfläche 92 aufweist, welche
die Laserstrahlen a und b im Laserstrahl 13 radial oder nahezu
radial in das Ziel 67 hineinreflektiert, welches am oberen Ende eines soliden Lithiumträgers 93 befestigt ist. Der Träger 93 ist mit dem Gehäuse 81 in die Oberfläche 92 des Gehäuses 81 geformt, um koaxial zur Achse der Anordnung der Kapsel 15 zu verlaufen.
Dem Fachmann ist klar, daß der Träger vorteilhafterweise auch
koaxial mit der Achse der Oberfläche 92 und Strahl 13 angeordnet ist, wenn letzterer auf das Ziel 67 gerichtet ist. Der Träger 93 hat den Vorteil,, daß er die .Zielkugel 67 am Brennpunkt des durch die Oberfläche 92 des Gehäuses 81 gebildeten Reflektors hält und verdampft werden kann.

Der Laserstrahl 13 und die Reflexionsoberfläche 9 2 treten miteinander in Wechselwirkung, um die gewünschte Flußverteilung an der Oberfläche 95 des kugelförmigen Ziels 67 zu erreichen. Zu diesem Zweck trifft ein Teil des Flußes des Laserlichtstrahls 13 - dieser Teil ist in Fig. 4 als Strahl "d" bezeichnet - direkt auf
die Oberfläche 95 des Ziels 67 auf, wodurch die Kombination aus diesem Strahl d und den oben beschriebenen Strahlen a und b mit im wesentlichen der gesamten Oberfläche 95 des Zielkügelchens 67 zusammenwirken. Vorteilhafterweise wirken die Lichtstrahlen im
Strahl 13 mit der Oberfläche 95 der Zielkugel 67 in der gewünschten Weise zusammen, und zwar direkt durch Strahl 13 und indirekt

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durch Axialreflexion von Oberfläche 92 des Gehäuses 81. Dies hat zur Folge, daß das kugelförmige Ziel 67 verhältnismäßig gleichförmig über einen großen Teil seiner Oberfläche 95 hinweg erhitzt wird. In allen Fällen wird das Plasma 21 so heiß, so daß es das Ziel 67,den Zielträger 93 und den Reflektor selbst durch Verdampfung zerstört, und zwar wegen der Energiezuführung durch das schnell expandierende kugelförmige Ziel 67. Die Lichtstrahlen brauchen also das Ziel nicht immer genau radial zu treffen, es reicht auch aus, wenn sie es nahezu radial treffen. Ferner kann die Reflexionsoberfläche 92 derart geformt sein, daß der Zielträger "wegebrannt" wird, und zwar zur Zeit der Bestrahlung durch Strahl 13. Dies erreicht man durch Ausbildung eines kleinen Bodenteils 92' an der Oberfläche 92; dieser Teil 92' ist tellerförmig, um einen Teil des Laserlichts in Strahl 13 abzulenken, beispielsweise derart, daß Strahlen "c" direkt mit dem oberen Ende des Trägers 93 zusammenwirken.

Das Lithiummaterial des Trägers 93 und Gehäuses 81 wird nicht radioaktiv und erzeugt nur Tritium, d.h. ein erwünschtes Reaktionsprodukt, wobei kein Fremdmaterial eingeführt wird. Das erfindungsgemäße System ist daher mit dem sogenannten "Blascon"-Konzept kompatibel, wo ein Wirbel aus flüssigem Lithium die Stoßenergie und zugehörige Neutronen von einer Laser-Kugel-Mikroexplosion absorbiert. Dieses Konzept arbeitet am bestem mit dem ¹¹ Blascon"-Verfahren, da das Gehäuse 81 durch die Mikroexplosion verdampft wird und sich daher leicht mit dem Lithium des Wirbels mischt.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Reflexionsoberfläche 92 des Gehäuses 81 einen dünnen reflektierenden Metallüberzug 97 auf, der wie das Gehäuse 81 eine hohe Reff lektivität gegenüber dem Laserlichtstrahl 13 besitzt. Vorteilhafterweise hat das Material für diesen lichtreflektierenden Überzug 97 des Gehäuses 81 eine hohe Reflektivität (nahe 100%) und bleibt während der Bestrahlung durch den Laserstrahl 13 am Lithium des Gehäuses 81 befestigt. Nach der Bestrahlung des Gehäuses 81 durch den Strahl 13 kann der Überzug 97 jedoch vom Lithium des Gehäuses 81 getrennt werden, und wird außerhalb der

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Kammer 19 durch übliche chemische oder andere Wiedergewinnungsverfähren vom Lithium getrennt. Ein geeignetes Material für den Überzug 97 ist ein dünner Goldüberzug, der durch übliche Verdampfungstechniken aufgebracht wird; es kann aber auch ein Kupferüberzug benutzt werden. NachZusammenbau wird er sogleich die Tempertur des Gehäuses 81 annehmen, die in der Nähe der Temperaturen flüssigen oder festen Wasserstoffs liegt, auf welche Weise das kugelförmige Ziel 67 nicht geschmolzen wird. Dies ergibt neben der Erwärmung der Zielkugel 67 niedrige Energieverluste für Strahl 13.

Die Reflexionsoberfläche 92 umgibt die Kugel 67 und ist ein wirksamer Reflektor für nur einen Impuls des Laserlichtstrahls 13, wobei die Dauer dieses einen Impulses oder Schusses in der Größen-

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Ordnung von Picosekunden (10 Sekunden) bis Nanosekunden (10 Sekunden) liegt. Aus Materialuntersuchungen ist bekannt, daß für diese Reflexionsoberfläche 92 eine Schädigungsschwelle existiert. Unterhalb dieser Schwelle arbeitet die Reflexionsoberfläche wie beabsichtigt, aber oberhalb dieser Schwelle vermindert sich die Leistungsfähigkeit während des Laserimpulses, was einen nicht vertretbaren Zustand darstellt. Die Fläche der Reflexionsoberfläche hat daher eine solche Größe, daß die Laserintensität nirgends die Schädigungsschwelle übersteigt, d.h. diese Beschränkung stellt eine untere Grenze für die. Fläche der Reflexionsoberfläche 92 dar.

Schädigungsschwellen für Materialien -zur Verwendung in Laseranwendungen werden normalerweise in spezifischer Energie, d.h. Joule pro Quadratzentimeter angegeben,,wobei diese Schwelle sich als Funktion der Laserimpulslänge ändert. Derzeit liegen die Werte. für iinsen und Spiegel für Laserimpulse im Picosekunden bis Nano-

2 sekunden-Bereich in der Nähe von 10 Joule/cm , und,zwar für Langzeitanwendungen.

Für die Einimpulsanwendung gemäß dieser Erfindung können die Leistungspegel zwischen 100 bis 1000 Joule/cm liegen. Dies liegt daran, daß die Minimalfläche für die Reflexionsoberfläche 92 in diesem speziellen Anwendungsfall grob durch folgende Gleichung gegeben ist:

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wobei A_m die Spiegelfläche der Reflexionsoberfläche 92, P_ß die Laserlichtausgangsgröße des Strahls 13 in Joule und H (T) die

Schädigungsschwelle in Joule/cm ist, die eine Funktion der Laserimpulsbreite ist.

Laserimpulsleistungen von 10 Joule sind für die Laserkugelfusion der Erfindung erforderlich. Demgemäß ergibt sich bei einer

x;

2
Schädigungsschwelle von 1000 Joule/cm eine Spiegelreflexionsoberfläche 92 mit einer erforderlichen Fläche von 100 cm

Beim Betrieb des Ausführungsbeispiels der Fig. 3 dee erfindungsgemäßen Systems zur Erzeugung von Laserkugel-Mikroexplosionen wird der Abstand D_T„ - der den Laser 11 vom Ziel 67 trennt minimiert, um den Zielvorgang des Strahls 13 zu erleichtern. Andererseits bewegt sich die durch Drehung des Verschlußrades in Abschirmung 51 gebildete öffnung 38 langsam verglichen mit den Neutronen und/oder Reaktionsprodukten mit hohen Geschwindigkeiten der geladenen Teilchen, die im Plasma 21 erzeugt werden, welches seinerseits durch Bestrahlung des Ziels 67 mit dem Laserlichtstrahl 13 entsteht. Daher wird der Abstand D_gp zwischen öffnung 38 und Ziel 67 vorteilhafterweise aus praktischen Gründen maximiert, und zwar auf Grund fachmännischen Wissens nach Studium der vorliegenden Erfindung in der Weise, daß man ein Schließen der öffnung 38 gestattet, bevor Fusionsteilchen oder andere Teilchen im sich ausdehnenden Plasma 21 die öffnung 38 erreichen.

.i diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die Geschwindigkeit des Lichts im Strahl 13 ungefähr 30 cm/Nanosekunden beträgt und daß es einige Nanosekunden braucht, bis das Plasma 21 erzeugt ist und die darin enthaltenen Teilchen - beispielsweise die Neutronen die öffnung 38 erreichen.

Die Drehgeschwindigkeit der öffnung 59 in den beschriebenen Öffnungsmitteln 17 ist in ihrer Drehzahl (hier als V_ bezeichnet)

5 -1 durch die Materialfestigkeit auf maximal ungefähr 10 cm-sek beschränkt, wobei in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel für

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das Verschlußrad 49 ein übliches Material hoher Festigkeit be- " nutzt wird. Die Geschwindigkeit V von 14 MeV Neutronen vom

8 1

Ziel 67 ist ungefähr 5 χ 10 cm sek . Es sei nun eine öffnungsvorrichtung 17 betrachtet, die ein scheibenförmiges Verschlußrad 49 aus hochfestem Stahl für hohe Drehzahlen aufweist, wobei das Rad 49 eine öffnung 59 bildet, deren Durchmesser d an der festen plattenförmigen Abschirmung 51 vorbeiläuft, dessen öffnung 38 dem

Durchmesser der öffnung 59 entspricht. Die öffnungsvorrichtung 17 der Fig . 3 öffnet nun, wenn die öffnung 38 im Schirm 51 mit der öffnung 59 im Verschlußrad 49 ausgerichtet ist, und schließt dann, wenn ihre Achsen einen Parallelabstand von d besitzen. Wenn T_ die öffnungsverschlußschließzeit, T die für

S Xl

die Fusionsneutronen erforderliche Laufzeit vom kugelförmigen Ziel 67 zur öffnung 38 und D__B eine Distanz ist, so ergibt sich folgendes:

d
(1) u _s = _v und

(2) L_n =

^Vn

Das effektive Schließen tritt dann auf, wenn C =£· oder '

^{d = 0}SP — ^ ⁰SP — α ^{= 2 X 1O}~^{4 D}SP (3) ^SP V_n ^SP 5x108 ^{SP (3)}

Zur Minimierung des Neutronenstroms zum Laser 11 - d.h. den Laserlichtkanal 98 hinauf und durch die Stoßumschließungskammer hindurch, welche durch Öffnungsmittel 17 in Vakuumkammer 19 gebildet ist - und auch zur Minimierung der Kraft des die Öffnungsmittel 17 treffenden Stosses ist D_gp vorteilhafterweise 1-2 m.

Bei einem Meter ist . ·

-2

(4) d~2 χ 10 cm = 0.2 mm

Wenn D_0n größer wäre, dann würde d proportional größer werden. Wenn aber D_Lp minimiert werden soll, dann muß D_gp auch minimiert werden. Die Bedeutung eines bevorzugten Durchmessers d = 0.2 mm besteht einfach darin, daß dieser Durchmesser klein (in der

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Größenordnung von weniger als 1 mm) und nicht groß (in der Größenordnung des Laserdurchmessers ,das ist ungefähr einige 10 cm oder mehr) ist.

Vorteilhafterweise ist der Laserstrahl 13 auf einen winzigen Durchmesser in den Öffnungsmitteln 17 fokussiert, wie dies schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. Darüber hinaus ist der Laserstrahl 13 vorteilhafterweise auf einen winzigen Durchmesser am Ziel 67 fokussiert. Zu diesem Zweck wird das zwischen den Öffnungsmitteln 17 und dem Ziel 67 erforderliche zusätzliche Fokussierelement durch die Anordnungskapsel 15 gemäß dieser Erfindung gebildet, die - wie oben beschrieben - eine elliptisch geformte Reflexionsoberfläche 92 auf der Innenseite des Gehäuses 81 im bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung besitzt. Dies hat den Vorteil, eine relativ preiswerte Anordnung zu sein, die den Zielvorgang erleichtert. Im Zusammenhang damit sei darauf hingewiesen, daß ein anfangs relativ breiter Laserstrahl 13 vom Laser 11 verwendet werden kann, wodurch eine relativ weite Toleranz für die Anordnung des Ziels 67 oberhalb der reflektierenden Oberfläche 92 vorgesehen wird. Dies steht im Gegensatz zu den Problemen, die dann auftreten, wenn eine winzige Kugel getroffen werden muß, wie dies beispielsweise bei den oben erwähnten Patenten der Fall ist, wo genau und fein fokussierte Strahlen erforderlich sind. Zudem hat das Gehäuse 81 den Vorteil, daß es eine Wärmeschirmung bildet, die das Ziel 67 gegenüber den hohen Umgebungstemperaturen in der Vakuumkammer 19 schützt, was anfangs bei den kryogenen Temperaturen vorteilhaft ist.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zusammen mit einem Kernreaktor verwendbar, der durch gepulsten Laser gezündet wird. Die Erfindung kann allein oder in Kombination mit anderen üblichen Lasern benutzt werden. Beispielsweise können diese Laser stangenförmige Rubin- oder Glaslaser mit üblichen schraubenförmig gewundenen oder geradlinigen Erregungsblitzröhren sein, welche die Kerne umgeben oder in anderer Weise beleuchten oder erregen. Auch können geeignete Gehäuse, Verstärker- und Trigger-Elektrodenelemente benutzt werden, und zwar zusammen mit elektrischen Ver-

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bindungen zu den Enden der Blitzlampen, die hier nicht beschrieben sind, da sie bei Lasern üblich sind. Wie üblich, weist der Laser 11 geeignete Reflektoren an seinen Enden auf. Die im US Patent P. §??. ??? beschriebenen Umschließungssysteme sind in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung in idealer Weise geeignet. Bei einem Ausführungsbeispiel wird somit - vergleiche dazu auch das eben genannte US Patent - die Anordnungskapsel 15 rotiert und durch freien Fall in eine "Blascon"-Stoßkammer fallengelassen, welche einen Wirbel aus flüssigem Lithium enthält, das die Stoßenergie und die zugehörigen Neutronen von der beschriebenen Laserkugel-Mikroexplosion absorbiert. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß der Laserstrahl 13 vorteilhafterweise durch eine öffnung 38 läuft, die durch die beschriebenen Öffnungsmittel 17 gebildet ist, und die oberhalb eines aufgerührten Lithiumwirbels liegt, um den Laser 11 gegenüber der Mikroexplosion zu schützen, wobei der Laser 11 derart zeitgesteuert ist, daß er das Ziel 67 im Gehäuse 81 dann trifft, wenn die Anordnungskapsel 15 in den Wirbel fällt. Die Rotation der Anordnungskapsel 15 stabilisiert sie, was sich für den Fachmann ohne weiteres ergibt. Die Achse der Kapsel 15 und die Reflexionsoberfläche 92 richten sich aus oder nahezu aus mit einem auch durch die öffnung 38 tretenden versetzten Laserstrahl 13, so daß Ziel 67 und Strahl 13 miteinander in Wechselwirkung treten, wie dies oben gemäß der Erfindung beschrieben wurde.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie ein Laserzielstrahlungssystem vorsieht, welches eine einzige Laserstrahlquelle verwendet. Auch schafft die Erfindung einen Schutz für die Laserquelle. Zudem liefert die Erfindung einen Träger für das Ziel und den Reflektor zur Fokussierung des Laserlichtes von einer einzigen Quelle, damit dieses mit einem großen Teil der Oberfläche des Ziels zusammenwirken kann. Somit wird eine öffnung weit genug weg vom Ziel vorgesehen, um die Laserlichtquelle gegenüber Reaktionsprodukten aus der Laser-Ziel-Wechselwirkung oder von Mikroexplosionen zu schützen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet die Zerstörung des Ziels und des dafür vorgesehenen Halters. Die Erfindung schafft ferner ein stabiles Ziel zur Verwendung in einem

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"Blasconⁿ-System, welches in dem zuletzt erwähnten US Patent beschrieben ist.

US Patent 3 624 239 entsprechend der deutschen Patentanmeldung P 21 o4 738.1 vom 2. 2. 1971.

Zum Zwecke der Erläuterung wird gemäß der Erfindung das Lasersystem des US Patents 3 624 239 verwendet.

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Claims (11)

1. Patentansprüche

   ζ Λ .)Laseralichtquelle zur Erzeugung einer Laser-Ziel-Wechsel-Wirkung durch einen fokussierten Laserlichtstrahl, der durch eine öffnung läuft, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ziel (67) mit einem Fokussierspiegel vorgesehen ist, der einen Träger (93) zur Halterung des Ziels (67) benachbart zu. und am Brennpunkt des Spiegels hält, während der Spiegel die Laserlichtstrahlen empfängt und gegen die Oberfläche des Ziels (67) dann fokussiert, wenn der Laserlichtstrahl durch die öffnung tritt und auf das Ziel auftrifft, wobei die öffnung einen Verschluß (49) bildet, der schließbar ist, um die. Laserlichtquelle gegenüber Reaktionsprodukten zu schützen, die durch die Laser-Ziel-Wechselwirkung erzeugt werden.
2. 2. Vorrichtung, insbesondere nach Anspruch 1, unter Verwendung eines Laserlichtstrahls von einer einzigen Quelle für ein D-T-Ziel, gekennzeichnet durch ein Lithium-Gehäuse, welches einen soliden elliptischen Fokussierreflektor und einen Zielhalteträger bildet.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsmittel (17) eine eine öffnung bildende Stoßabschirmung (51) und ein schnell drehbares Rad (49) aufweisen, welches sich in der Abschirmung (51) dreht, um den Laserlichtstrahl zum Reflektor und dem Ziel dann durchzulassen, wenn sich die öffnung (59) und die"öffnung (38) in Ausrichtung befinden, während die Kraft von Mikroexplosionen dann abgeschirmt wird, wenn sich öffnung (59) und öffnung (38) nicht in Ausrichtung befinden.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

   der Reflektor eine ausgedehnte Fläche zur: Reflexion des Laserlichtimpulses besitzt, um einen Spiegel zu bilden, der mit seinen Eigenschaften unterhalb der Schädigungsschwelle für das Reflektormaterial liegt, und zwar auf der Basis einer Einimpuls-Betriebsfolge.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Stoßumschließungkanal und durch Mittel zur Anordnung des

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   Reflektors und des Ziels in dem Kanal zur Aufnahme des Laserlichtstrahles und zur Durchführung der Wechselwirkung zwischen dem Strahl und dem Ziel, um so Reaktionsprodukte entsprechend einer Impulsbreite des Laserlichtstrahls zu erzeugen, wobei diese unterhalb der Schädigungsschwelle für den Reflektor liegt, um so die Wechselwirkung auf der Basis einer Einimpulsarbeitsfolge zu erzeugen.
6. 6. Verfahren zum Inwechselwirkungbringen eines soliden sphärischen Ziels, welches auf einem Halter befestigt ist, der einen im ganzen elliptisch geformten Reflektor und einen Träger zur Halterung des Zieles am Brennpunkt des Reflektors bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkung zwischen dem Ziel und Laserlicht von einer einzigen Laserquelle dadurch in Gang gebracht wird, daß man das Laserlicht von der Quelle durch eine öffnung (Apertur) treten läßt, um das Ziel mindestens teilweise mit Laserlicht zu bestrahlen, welches axial gegen das am Brennpunkt des Reflektors vorgesehene Ziel geworfen wird, wodurch die Apertur mindestens eine teilweise Abschirmung der Quelle gegenüber den Effekten der Wechselwirkung erzeugt.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Halter, Träger und Ziel bei kyrogenen Temperaturen gehalten werden, um Halter und Träger vor der Bestrahlung durch das Laserlicht in einem festen Zustand zu halten.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor vor der Bestrahlung durch das Laserlicht mit einem überzug versehen ist, der für das Laserlicht eine hohe Reflexion besitzt.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein D-T-Ziel und ein Lithiumhalter und -träger vorgesehen sind, wobei Ziel, Halter und Träger und auch überzug bei kyrogenen Temperaturen gehalten werden, bevor die Bestrahlung durch das Laserlicht beginnt.

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10. 10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

    das Laserlicht direkt und indirekt mit dem Ziel und dem Träger zusammenwirkt, und zwar durch axiale Reflexion vom Reflektor, wodurch das Laserlicht den Träger wegbrennt und im wesentlichen mit der gesamten Oberfläche des Ziels zusammenwirkt. ' ' .
11. 11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ziel, der Träger und das Gehäuse, welche den Reflektor bilden, alle zusammen als Anordnung bewegt werden, und zwar aus Stabilisierungsgründen in Drehung versetzt werden zu der Zeit, wo der Laserlichtstrahl mit dem Ziel in Wechselwirkung kommt und die Reflexion durch den Reflektor stattfindet.

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