DE2424714A1 - Vorrichtung und verfahren zum bestrahlen kleiner targets - Google Patents

Description

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DfP · .ng. H. Hauck - DIpJ. Phy₈. VV. Schmitz ^L * ^L * '

D,pl. Ing^E. Graalfc - Dipl. Ing. W. Wehnert 8 München 2, MozaristraSo 23 Telefon 5380586

KMS Fus ion, Inc.

3941 Research Park Drive. " 18. Mai

ι Ann Arbor, Mich. 481o6 ,USA Anwaltsakte M-3o85

Vorrichtung und Verfahren zum Bestrahlen kleiner Targets

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Be- ι

i strahlen kleiner Targets. ■ j

In jüngster Zeit sind Veröffentlichungen erschienen, welche die Verwendung von Laserstrahlen zur Bestrahlung von Brennstoffkugeln i zur Herbeiführung einer Kernfusion betreffen. Diese Art von Be- ; strahlung ist z.B. in den US-Patentschriften 3 378 466 und 3 489 | 645 beschrieben.

dm eine kontrollierte thermonukleare Reaktion durch Erhitzen von Brennstoffkugeln mit einem Laser herbeizuführen, ist es wünschens-, wert, daß die Laserstrahlung der Kugel gleichförmig zugeführt wird.. Der Laser erhitzt diese Kugel nicht nur, zur Erzeugung nutzbarer Fusionsenergie muß er vielmehr auch die Dichte' der Kugel um Größen(-ordnungen erhöhen, um eine Implosion herbeizuführen. Bei einem sphärischen Target erfordert dies eine gleichförmige und senkrecht auftreffende. Strahlung über die gesamte Oberfläche der Kugel. Bei den bisher bekannt gewordenen Fusionsexperimenten mit Lasern wur-

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den einfache Linsen verwendet, um den Laserstrahl auf das Target zu fokussieren. Bei einem in der UDSSR durchgeführten Vorha_wben wurden neun parallele Kanäle und neun Linsen, welche das Target

zu

umgaben, verwendet, um eine in etwa symmetrische Bestrahlung erhalten, wie in dem von H.G. Basow verfassten, auf dem zweiten Seminar über Laser Interaction and .Related Plasma Phenomena (Rensselaer ,Polytechnic Institute, August 1971) veröffentlxchten Artikel "heating of Laser Plasmas for Thermonuclear Fusion" berichtet wird.

Jede zur Bestrahlung eines Targets verwendete Linse kann nur einen Teil einer sphärischen Brennstoffprobe ausleuchten. Eine einfache Linsenanordnung führt auch über den verhältnismäßig kleinen ausgeleuchteten Abschnitt eines sphärischen Targets , dessen Mittelpunkt in den Brennpunkt der Linse gestellt wurde, zu einer nichtgleichförmigen Bestrahlung. Bei den meisten Linsen kann die Bestrahlungscharakteristik dadurch verbessert werden, daß das Target von dem Brennpunkt auf die Linse zu bewegt wird, und durch asphäri- ;sche Korrekturplatten kann eine gleichförmige Strahlung erreicht

'werden, wem die Änderung des Absorptionsvermögens des Targets mit sich änderndem Einfallswinkel vernachlässigt wird.

!Auch bei dieser Beleuchtungsart trifft die Strahlung unter stark '

j ... i

von der senkrechten abweichenden Einfallswinkeln auf und da der

Betrag der wirklich absorbierten Laserenergie mit wachsendem Ein- |

fallswinkel abnimmt, führt dies letztlich zu einer Nicht-Gleichverteilung der absorbierten Energie. Auch wenn Anordnungen mit mehreren Linsen eine Verbesserung der Ausleuchtung bringen, so verbleiben

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doch noch viele praktische Probleme, die zu Instabilitäten der . ' Implosion führen.

; Uurch die vorgelegte Erfindung soll daher eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestrahlung von Targets vorgeschlagen werden,. '■

ι durch welche die Wirksamkeit der Laserquelle wesentlich verbessert! wird, und die ermöglicht, daß Energie das Target von allen Seiten

j I

um die gesamte Oberfläche herum unter im wesentlichen senkrechtem Winkel erreicht.

Erfindungsgemäß soll weiter eine Bestrahlung einer Brennstoffprobe; mit einer einzigen Laserquelle,ermöglicht werden, ohne daß eine j Mehrzahl (z.B. sechs oder neun) von die"Brennstoffkammer umgebenden,' Spiegel und Linsen aufweisenden Kanälen erforderlich ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels

• und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert. Es ί
zeigt:

Fig. 1 die Bestrahlung eines sphärischen Targets unter Verwendung einer einzigen Beleuchtungseinheit, wobei die Schwierigkeit des Erhaltene einer senkrechten Bestrahlung gezeigt wird;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine optische Anordnung, mit welcher die Bestrahlung gemäß der vorgelegten Erfindung durchgeführt werden kann;

Fig. 3 eine Ansicht der gesamten Anordnung, welche eine einzige

Laserquelle aufweist; '

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IF ig. 4 ein Schaubild, in dem die Beziehung zwischen dem Targetwin-

^! kel und der normierten Targetbestrahlung ohne Korrekturplatte ', gezeigt ist;

Fig. 5 die Bestrahlung eines Targets unter Verwendung einer optischen Anordnung, welche eine asphärische Korrekturplatte aufweist und

Fig. 6 die Bestrahlung eines Targets, wobei eine die sphärische

Abelration über^korrigierende optische Anordnung verwendet j wird.

Fig. 1 zeigt die Bestrahlung eines sphärischen Targets durch einen ^l Laserstrahl unter Verwendung einer asphärischen Korrekturplatte. ! In der Zeichnung ist der Brennpunkt für Mittelpunktsstrahlen FM und' der rechts desselben gelegene Brennpunkt für Randstrahlen FR ge- j zeigt. Die in der Nachbarschaft des Targets gezeichneten Strahlen
zur verhältnismäßig gleichförmigen Bestrahlung der Kalbkugel werden!

bei dem gezeigten Beispiel von einer einzigen Linse mit einem Öff- \ J i

Jiungsverhältnis F = 1.0 und einer asphärischen Korrekturplatte ge- i oündelt.

Jer in der Zeichnung von links eintretende Strahl weist in Richtung, pxif den Hittelpunkt des Targets nur einen Punkt P auf, an welchem
er wirklich senkrecht auf der Oberfläche des Targets steht. Der

größte Einfallswinkel A von der Außenseite beträgt 6 3,4 . Da wie
schon erwähnt, die wirklich absorbierte Energiemenge mit anwachsendem Einfallswinkel abnimmt, entsteht insgesamt eine nicht gleich-

förmige Verteilung der absorbierten Energie.

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Fig. 2 zeigt den wichtigsten Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung Auf diesem werden von links und rechts zwei Laserstrahlen ^l und iff- 2 gleicher Intensität gerichtet. Fig. 3 zeigt, wie dies bewerkstelligt wird. Ein einziger Laserstrahl trifft auf einen Strahl- ,

teiler 2o, und zwei Teilstrahlen laufen auf zwei unter einem Winkel angestellte Spiegel 2 2 und 2 4 zu. Jeder Teilstrahl durchquert eine Linse, durch die er auf einen kleinen Punkt fokussiert wird. Der von links kommende Teilstrahl durchquert die Linse 26; der von rechts kommende' Teilstrahl durchquert die Linse 28.

Wie am besten aus Fig.. 2 ersichtlich, weist die erfindungsgemäß ' Vorrichtung zwei reflektierende, konkave ellipsoidförmige Oberflächen 34 und 36 auf, welche einander gegenüberstehen. Diese Spiegel darstellenden Oberflächen sind in einem im Schnitt gezeigten Körper ausgebildet , und sie können durch Glas gebildet werden wobei die ellipsoidförmigen Oberflächen eingeschliffen werden , .; oder sie können durch Aluminium gebildet werden, wobei die ellipsoidförmigen Oberflächen poliert werden, sodaß sie ein hohes

j
Keflektionsvermögen erhalten. Jeder ellipsoidförmige Spiegel weist eine in der Mitte gelegene, konische öffnung 38 bzw. 4o auf, welche an dem den kleinen Durchmesser aufweisenden Ende direkt an der Oberfläche jedes Spiegels in einer kleinen öffnung endet. Jede Laserstrahl durchquert diese Öffnungen und divergiert, um von dem gegenüberliegenden, zugewandten ellipsoidförmigen Spiegel zurückgeworfen zu werden. Jeder dieser Spiegel weist zwei Brennpunkte auf. Licht im einen Brennpunkt wird nach Reflektion durch die Spiegeloberfläche im zweiten Brennpunkt vereinigt.

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Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung fällt an den Punkten F und ! F jeweils ein Brennpunkt jedes ellxpsoidförmigen Spiegels mit dem Brennpunkt der gegenüberliegenden Linse zusammen. Die beiden anderer) Brennpunkte jedes Spiegels fallen mit dem zwischen den Spiegeln gelegenen Mittelpunkt der Anordnung zusammen, wo eine Kugel 42 angebracht wird. Nach Reflektioh durch die Spiegel wird das gesamte

Licht auf der Kugel fokussiert. Die Linse 26 und der Spiegel 3o beleuchten eine Halbkugel der Kugel 42, während die andere Linse 28) und der Spiegel 32 die andere Häkkugel beleuchten.

Obwohl durch die in den Fign. 2 und 3 gezeigte optische Anordnung die Gesamtheit der Kugel 42 bestrahlt wird, kann gezeigt werden, daß die Bestrahlung nicht genau gleichförmig.ist. In Fig. 4 ist die auf die Kugel 42 einfallende Laserstrahlung in Abhängigkeit des

dargestellt

Winkels zum hintersten Punkt des sphärischen Targets/. Bei der gezeigten Kurve ist vorausgesetzt, daß die Laserenergie über den in die Linse eintretenden Strahl gleichförmig verteilt ist, und es wird deutlich, daß die Seiten des Targets insgesamt viel mehr Laserenergie erhalten als die Vorder- oder Rückseite. Diese Änderung ler Gleichförmigkeit der Einstrahlung kann zu. Instabilitäten bei ier Implosion des Targets führen. Demgemäß wird wie Fig. 5 zeigt, jedem optischen Kanal nach der Fig. 2 ein drittes optisches Teil Ln Form einerasphärischen Korrekturplatte hinzugefügt.

Es ist eine Seite der Anordnung gezeigt, welche eine asphärische Korrekturplatte 44 aufweist, und auf der anderen Seite wäre eine antsprechende Platte angeordnet. Durch diese Korrekturplatte werden iie Strahlen des Laserbündels so gebrochen,

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daß wie durch die schematisch dargestellten Strahlen gezeigt, eine !gleichförmige Einstrahlung auf das Target erreicht wird. Darüber-

j i

!hinaus wird das Target um einen Bruchteil sdnes Durchmessers aus _; dem Brennpunkt des ellipsoidförmigen Spiegels herausbewegt, und zu gleicher Zeit werden die beiden Spiegel 3o und 32 um das doppelte dieses Abstandes auseinander bewegt, um eine gleiche Bestrahlungscharakteristik für beide halbkugeln zu erhalten.

Es können viele verschiedene Arten von Korrekturplatten entworfen ' iwerden, um verschiedene Parameter des komplizierten, hydrodynamischen Systems zu optimieren, die mit einer von einem»Laser herbeigeführten Fusionsreaktion verbunden sind. Z.B. sieht der Laserpuls obwohl er normalerweise nur sehr kurz dauert (Größenordnungsmäßig

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Io see.) zu verschiedenen Zeiten während des Laserpulses ein optisch verschiedenes Muster in der Nachbarschaft des Targets. Genauer ge- ; sagt, ionisiert die durch den vorderen Teil des Pulses zugeführte Laserenergie einen Teil des Targets, wodurch sie um das Target jherum ein Plasma erzeugt. Dieses Plasma dehnt sich in einer Wolke ium das Target herum aus und ändert die optischen Eigenschaften des Milieus, welche die später ankome^nde Laserenergie vorfindet. 'Obwohl sie anfänglich auf eine gleichförmige Targetverteilung gelrichtet waren, können diese später ankommenden Strahlen zu anderen Teilen des Targets hin gebrochen werden, sodaß sie ein Abweichen •vom Gleichgewicht absorbierter Energie hervorrufen. Der ins einzel-·

ine gehende Entwurf der Korrekturplatten ist daher darauf ausgerichtet, das gesamte dynamische Implosionsereignis zu optimieren.

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-δι I Fig. 5 zeigt ein vereinfachtes Beispiel eines Entwurfes für eine j

j Korrekturplatte. Bei diesem Entwurf wurde jede Brechung in dem ^!

Plasma ausstoßenden Abschnitt des Targets vernachlässigt, und daher wurde die Absorptions von Energie durch das Target nur für die vorderen Teile des Laserpulses optimiert.

grundlegende Lösung des Problems erfolgt in zwei Schritten.
Zunähst wird das Target bezüglich des Brennpunktes des ellipsoidförmigen Spiegels nach vorne gerückt, wie Fig. 5 zeigt. Es ist
zwar nur eine von einer Linse und einem Spiegel gebildete Einheit gezeigt, in der Praxis sind jedoch beide optischen Kanälaidentisch Das Nachvorneschieben des Targets um eine Strecke TM (vgl. Fign. 5 und 6) erhöht die Energiedichte an der Hinterseite des Targets,
wo sie, wie das Schaubild der Fig. 5 zeigt, sehr schwach ist. Diese Bewegung des Targets läßt jedoch ein ringförmiges Gebiet um
die Seite herum vollständig dunkel.

Daher wird, wie in Fig. 5 gezeigt, eine asphärische Korrekturρlatte hinzugefügt. Diese Korrekturplatte ändert die Mittelpunktsstrahlen, d.h. die Strahlen 5o, die auf oder in der Nähe der optischen Achse verlaufen, nicht wesentlich. Die Korrekturplatte bricht dagegen die Randstrahlen 52 zu den Seiten des Targets hin. In der
Sprache der klassischen Optik führt die Korrekturplatte eine Überkorrektur der sphärischen Aberration herbei, indem sie die Randstrahlen zu einem hinter dem Brennpunkt FP der Linse gelegenene
Punkt bricht. Bei einer einfachen sphärischen Linse laufen die
Randstrahlen vor dem Brennpunkt für die Mittelpunktsstrahlen zu-

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säumen, was als sphärische Aberration bekannt ist.

Die genaue Form der Korrekturplatte wird mathematisch so gewählt, daß sie F lächenjgleicho? Energie des einfallenden Laserstrahles auf gleiche Flächen auf dem Target abbildet. Fig. 6 zeigt den Verlauf ' der Strahlen in der Nachbarschaft des Targets , wie sie sich aus diesem Optimierungsverfahren ergeben. Es ist nur ein Quadrant ge- ; zeigt, man erhält jedoch in allen vier Quadranten des Targets denselben Verlauf von Strahlen. Man sieht, daß das gesamte Target gleichförmig bestrahlt wird, und daß die Laserstrahlen unter annähernd rechtem Winkel auf das Target einfallen.

Das Ausmaß der Aberration in der Nachbarschaft des Targets (vgl. ι ·

Fig. 6) ist in diesem Fall gegeben durch

- _k + f 3 /k + 1F² - Io F J

wobei u = vom Mittelpunkt des Targets gemessene, longitudinale

Aberration am Targetbrennpunkt (vgl. Fig. 6) t = Targetradius
k = (r/R)² .

r = Abstand eines Strahles im einfallenden Laserstrahl von der optischen Achse

A - Radius des einfallenden Laserstrahles F= effektives Öffnungsverhältnis der Sammellinse

F = —: und

2 R

f = Brennweite der Sammellinse ist.

4Q9851/Q751 -io-

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- Io -

Theoretisch ist daher für jeden Radius t eines Targets eine andere Korrekturplatte erforderlich. Die Aberration u wird mathematisch unter Verwendung herkömmlicher StrahlVerfolgungsmethoden in eine Gleichung für die Oberfläche der Korrekturplatte umgesetzt.

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Claims (10)

Paten&ns prüche

1.J Vorrichtung zum Bestrahlen eines kleinen Targets mit einer Laser energiequelle zum Herbeiführen von Fusionsbedingungen, gekennzeichnet durch ein Paar konkaver, ellipsoidförmiger Spiegel (3o. 32), welche gegenüberliegend.und in Abstand angeordnet sind, sodaß sie einen gemeinsamen, reflektierenden Brennpunkt aufweisen, wobei jeder der Spiegel (3o,32) eine in der Mitte gelegene Öffnung (38,4o) auf einer gemeinsamen Achse aufweist, welche den Brennpunkt einschließt, um einen Laserstrahl (^l ,-^² ) durch die Rückseite jedes Spiegels zu der reflektierenden Oberfläche des anderen Spiegels hindurchzulassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß an jeder der öffnungen (38,Ho) auf derselben Achse wie der Brennpunkt eine optische Linsenanordnung (26,28* 4Ό angeordnet ist, durch welche ein eintretender Laserstrahl auf einen Punkt fokussiert wird, welcher auf den Krümmungslinien der jeweiligen reflektierenden Oberfläche der Spiegel (3o,32) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die

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optische Linsenanordnung (26,28,44) eine Sammellinse (26,28) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daf> das optische Linsensystem (26,28,4·+) eine Sammellinse (26,28) und eine asphärische Linse (44) aufweist, durch welche Randstrahlen eines Laserstrahles hinter den normalen Brennpunkt der Sammellinse (26,28) gerichtet werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder der Öffnungen (38,4o) eine optische Linsenanordnung (26,

28,44) angeordnet ist, um den Laserstrahl in Strahlen gegen i ein an dem gemeinsamen, reflektierenden Brennpunkt angeordnetes: Target zu richten, um bei einer vorbestimmten Phase der Implo- ' sion ein optimales Absorptionsvermögen des Targets herbeizu-

- ■

: führen.

6. Vorrichtung zur Bestrahlung eines kleinen Targets mit einer Laserenergiequelle zum Herbeiführen von Fusionsbedingungen, gekennzeichnet durch ein Paar konkaver , ellipsoidförmiger Spiegel (3o,32), welche gegenüberliegend und in Abstand angeordnet sind, sodaß sie einen im wesentlichen gemeinsamen Brennpunkt am Ort eines Targets (42) aufweisen, wobei jeder der Spiegel (3o,32) eine in der Mitte liegende Öffnung (38,4o) auf einer gemeinsamen Achse aufweist, welche den Brennpunkt einschließt, um einen Laserstrahl durch die Rückseite jedes Spiegels (3o,32) zu der reflektierenden Oberfläche des anderen ·

Spiegels (3o,32) hindurchzulassen, und durch eine in jedem Strahl vorgesehene Linsenanordnung (26,28,44), um in einer im wesentlichen zum Target (42) senkrechten Richtung die reflek- ■

j tierten Mittelpunktsstrahlen des Strahles auf das sphärische, j

auf der Achse angeordnete Target (42) zu fokussieren und die '. Randstrahlen des Strahles auf die Oberfläche des Targets (42) , zu richten, um eine gleichförmige Bestrahlung des Targets (42) herbeizuführen.

7. Vorrichtung nach Anspruch §, dadurch gekennzeichnet, daß die j

Linsenanordnung (26. ,28,44) eine Sammellinse (26,28) aufweist, welche die Mittelpunktsstrahlen vor dem Auseinanderlaufen auf eine reflektierende Oberfläche zu in einem normalen Brennpunkt (fp)sammelt, und eine asphärische Linse (44) aufweist, welche' die Randstrahlen auf einen hinter dem normalen Brennpunkt FP gelegenen Punkt richtet, bevor sie auseinander und auf eine reflektierende Oberfläche zulaufen.

8. Vorrichtung zur Bestrahlung eines kleinen Targets mit Laserenergie zur Herbeiführung gleichförmiger, zu Fusionsbedingunger führender Bestrahlung, gekennzeichnet durch eine Laserstrahlquelle; einen Strafilteiler (2o), welcher den Strahl in zwei senkrecht zueinander verlaufende Strahlen teilt; ein Paar von den Strahlpeflektierenden Spiegeln (22.), welche in jedem der Strahlen angeordnet sind, um die Strahlen auf einer gemeinsamer Achse aufeinander zu zu führen; ein Paar ellipsoidförmiger Spiegel (3o,32), welche auf der gemeinsamen Achse angeordnet

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sind, einen gemeinsamen, reflektierenden Brennpunkt aufweisen j

■ i

und mit einer Öffnung (38,1ο) versehen sind, um jeder einen ι Strahl von der "Rückseite der ellipsoidförmigen Oberfläche ι

i hindurchzulassen; und eine' in jedem Strahl angeordnete Linsen4 anordnung (26,28,44), welche jeden Strahl in einem auf den j Oberflächenlinien des jeweiligen ellipsoid/örmigen Spiegels (3ο,·32) gelegenen Punkt bei den jeweiligen Üffnunge (38,4o) zu sammeln.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die

Linsen
Linsenanordnung (26,28,44)/aufweist, welche die Randstrahlen, in einem anderen Brennpunkt sammeln als die Mittelpunktsstrahlen, um eine optimale, gleichförmige Bestrahlung des Targets herbeizuführen.

10. Verfahren zum Bestrahlen eines kleinen Targets mit Laserenergie zum Herbeiführen einer gleichförmigen, zu Fusionsbedingungen führenden Bestrahlung,gekennzeichnet durch das gleichzeitige Richten eines Laserstrahls gegen ein sphärisches Target (42) von entgegengesetzten Richtungen aus auf bestrahlte, gegenüberliegende Halbkugeln des Targets ; durch das Zurückwerfen jedes der Strahlen von einem ellipsoidförmigen Spiegel (3o,32) zu einem gemeinsamen Brennpunkt hin; und das Anordnen eines sphärischen, aus Fusionsbrennstoff bestehendem Targets (42) an dem gemeinsamen Brennpunkt.

11, Verfahren zum Bestrahlen eines kleinen Targets mit Laserener-

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gie zum Herbeiführen einer gleichförmigen, zu Fusionshedingungenj führenden Bestrahlung , gekennzeichnet durch das gleichzeitige i Richten eines Laserstrahles auf ein sphärisches Target (42) von gegenüberliegenden Richtungen aus auf bestrahlte, gegenüberliegende Halbkugeln des Targets (42) zu; Zurückwerfen jedes dieser ; Strahlen von einem ellipsoidförmigen Spiegel (3o,32) auf einen gemeinsamen Brennpunkt zu; Anordnen eines sphärischen, aus Fusionsbrennstoff bestehenfen Targets an dem gemeinsamen Brennpunkt; und jeweiliges Modifizieren der Strahlen, um einen vom Brennpunkt.der Mittelpunktsstrahlen unterschiedlichen Brennpunkt der Randstrahlen zu erhalten, um in einer vorbestimten Phase der Implosion ein optimales Absorptionsvermögen des Targets herbeizuführen.

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