JP2001035691A - Forming method of plasma channel for laser beam by z pinch discharge - Google Patents

Forming method of plasma channel for laser beam by z pinch discharge

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JP2001035691A
JP2001035691A JP11202906A JP20290699A JP2001035691A JP 2001035691 A JP2001035691 A JP 2001035691A JP 11202906 A JP11202906 A JP 11202906A JP 20290699 A JP20290699 A JP 20290699A JP 2001035691 A JP2001035691 A JP 2001035691A
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discharge
plasma
current
pinch
discharge tube
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Japanese (ja)
Inventor
Tomonao Hosogai
知直 細貝
Masaki Kamikado
正城 神門
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Japan Atomic Energy Research Institute
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form a plasma channel with high reproducibility, uniform in the axial direction by forming a plasma medium gradually decreasing refractive index from the center toward the periphery with the shrinkage phase of high speed Z pinch discharge in gas. SOLUTION: Beams of a titanium sapphire laser 1 are focused with an off- axis parabola mirror 2 on the inlet of a discharge capillary 3 in which a hollow hole is formed in the center of a ceramic rod. Electrodes 4 are installed in the discharge capillary 3 to constitute a discharge tube. Helium gas is supplied to the discharge tube from a gas introduction opening 5, and exhausted from a turbo molecular drag pump. Differential exhaust is conducted and the inside of the discharge tube is held in helium gas atmosphere. A recessed electron- density distribution is formed on the central axis of the discharge tube by interaction of current shrinking by high speed Z pinch discharge action generated between the electrode 4 and an impulse wave driven with the current. An optical waveguide device with very long life is constituted and plasma can be compressed before magnetohydrodynamic instability is grown.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー加速器、
X線レーザー、プラズマX線源、高次高調波発生装置、
高強度物理実験装置などプラズマ中で高強度レーザーを
集光したまま長距離伝搬させることが必要な応用に利用
可能である。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a laser accelerator,
X-ray laser, plasma X-ray source, high-order harmonic generator,
It can be used for applications such as high-intensity physics experiments that require high-intensity laser to be propagated over a long distance while being focused in plasma.

【0002】[0002]

【従来の技術】レーザー加速器、X線レーザー、プラズ
マX線源、高次高調波発生装置などはプラズマ中で高強
度レーザーを集光したまま長距離伝搬させることが必要
である。しかし、レーザー光が集光したまま伝搬できる
距離は回折長で制限されるため、真空あるいは一様な密
度のプラズマ中で集光強度を保ったままレーザーを長距
離伝搬させることはできない。
2. Description of the Related Art A laser accelerator, an X-ray laser, a plasma X-ray source, a high-order harmonic generator, and the like need to transmit a high-intensity laser in a plasma for a long distance while being focused. However, the distance over which the laser beam can propagate while being focused is limited by the diffraction length, so that the laser beam cannot be propagated over a long distance while maintaining the focused intensity in vacuum or plasma of uniform density.

【0003】分布屈折率光ファイバーのように、レーザ
ーの通り道の中心で屈折率が大きく、周辺にいくにした
がい屈折率の小さくなる媒質中ではレーザーは一定の半
径のまま伝搬する。プラズマ中の場合は、レーザーの通
り道に沿ってプラズマ密度が凹型分布を持つチャンネル
を作って導波路特性を持たせることにより、レーザー光
を集束したまま長距離伝搬させる(チャネリング)ことが
できる。
[0003] In a medium such as a distributed refractive index optical fiber, in which the refractive index is large at the center of the path of the laser and becomes small toward the periphery, the laser propagates with a constant radius. In the case of plasma, by forming a channel having a concave distribution of plasma density along the path of the laser so as to have waveguide characteristics, the laser light can be propagated over a long distance while being focused (channeling).

【0004】このレーザーのチャネリングにはさまざま
な方法が提案されているが、大きく分けて2つの方法が
ある。伝搬させるレーザー自身の自己集束効果で密度チ
ャンネルを作るセルフチャネリング法と、伝搬させるレ
ーザーが通過する前に何らかの方法であらかじめ導波路
を形成しておくプレチャンネル法がある。プレチャンネ
ル法では、チャンネル生成に主にレーザーを用いるのが
一般的であったが近年、キャピラリーでの真空放電を用
いた生成法が報告された。
Various methods have been proposed for channeling the laser, but there are roughly two methods. There are a self-channeling method in which a density channel is formed by the self-focusing effect of the propagating laser itself, and a pre-channel method in which a waveguide is formed in some way before the propagating laser passes. In the pre-channel method, it was general to mainly use a laser for channel generation, but recently, a generation method using vacuum discharge in a capillary has been reported.

【0005】また、従来の技術であるキャピラリー中で
の真空放電を利用したプレチャンネル法における、キャ
ピラリー中での真空放電を利用した光導波路形成法は、
プラスチック製のキャピラリーと呼ばれる内径〜数百ミ
クロンの細管中で真空放電を行いチャンネルを形成す
る。キャピラリー内部は真空とし、数百アンペア程度の
パルス電流を管壁に流す。電流はプラスチック壁をプラ
ズマ化し、壁近傍にプラズマのガス層が形成される。こ
れにより管内部のプラズマ密度分布は壁付近が大きく中
心軸上が小さい凹型分布の同軸ちくわ形状にとなる。こ
のキャピラリーの内部に形成された凹型のプラズマ密度
分布を持つプラズマ柱が、レーザー光を光ファイバーの
ようにガイドするチャンネルとなる。
[0005] In the prior art, a pre-channel method utilizing a vacuum discharge in a capillary, an optical waveguide forming method utilizing a vacuum discharge in a capillary,
A channel is formed by performing vacuum discharge in a small tube having an inner diameter of several hundred microns called a capillary made of plastic. The inside of the capillary is evacuated, and a pulse current of about several hundred amperes flows through the tube wall. The current turns the plastic wall into a plasma, and a plasma gas layer is formed near the wall. As a result, the plasma density distribution inside the tube has a concave coaxial shape with a large area near the wall and a small area on the central axis. A plasma column having a concave plasma density distribution formed inside the capillary serves as a channel for guiding the laser light like an optical fiber.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従来技術である、キャ
ピラリー中での真空放電を利用した光導波路形成法の場
合の問題点は、第一に、光導波路装置の寿命が数〜十シ
ョット程度と非常に短いことである。これはキャピラリ
ー管壁を駆動電流で溶融させプラズマを供給するためキ
ャピラリー管の径がショットごとに大きくなり放電条件
が変化し形成されるチャンネル径もショットごとに大き
くなるためである。第二の問題は、形成されるプラズマ
チャンネルが軸方向に不均一であり、これはより長いチ
ャンネルを形成しようとする場合には致命的である。ま
た、真空中での放電はまず壁面の一部分のトラッキング
と呼ばれる絶縁破壊から始まるため、きれいなシリンダ
ー状のチャンネルが形成されないためである。
Problems with the prior art optical waveguide forming method utilizing vacuum discharge in a capillary are as follows. First, the life of the optical waveguide device is several to ten shots. It is very short. This is because the capillary tube wall is melted by the driving current and the plasma is supplied, so that the diameter of the capillary tube increases with each shot, the discharge condition changes, and the diameter of the formed channel also increases with each shot. The second problem is that the plasma channels formed are non-uniform in the axial direction, which is fatal if longer channels are to be formed. In addition, discharge in a vacuum starts with dielectric breakdown called tracking of a part of a wall surface, and thus a clean cylindrical channel is not formed.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、放電を用いた
プレチャンネル法に属するプラズマチャンネル形成法で
あるが、Zピンチと呼ばれる放電を用いており、そのチ
ャンネル生成機構は従来の物とは大きく異なる。Zピン
チとは低圧ガス封入放電管の軸方向(Z方向)に大電流を
流し、この電流が作り出す方位角方向の自己磁場で電流
(プラズマ柱)自身が圧縮される現象である。
The present invention relates to a plasma channel forming method belonging to a pre-channel method using a discharge, but uses a discharge called Z-pinch, and its channel generation mechanism is different from the conventional one. to differ greatly. Z-pinch is a method in which a large current flows in the axial direction (Z direction) of a low-pressure gas-filled discharge tube, and the current is generated by an azimuthal self-magnetic field generated by this current
(Plasma column) is a phenomenon in which itself is compressed.

【0008】また高速立ち上がりの電流で駆動される高
速Zピンチ放電では、高速で収縮する同軸状電流層の前
面に衝撃波が駆動され、電流層と衝撃波によってプラズ
マ柱のコア内部に100μm以内の凹型のプラズマ密度
分布が形成される。この高速電流駆動Zピンチ放電の収
縮プロセス(インプロディングフェーズ)でZ軸上に形成
されるプラズマの内部構造をレーザー光のガイディング
に用いる。
In a high-speed Z-pinch discharge driven by a high-speed rising current, a shock wave is driven in front of a coaxial current layer that contracts at a high speed, and the current layer and the shock wave form a concave shape within 100 μm inside the core of the plasma column. A plasma density distribution is formed. The internal structure of the plasma formed on the Z axis in the contraction process (implanting phase) of this high-speed current drive Z-pinch discharge is used for guiding laser light.

【0009】放電管に径1〜数ミリのセラミクスもしく
はガラス製のキャピラリー(細管)を用い、内部に0.1
〜数Torrのガスを入れる。駆動電流は、立ち上がり
数〜数十ns、ピーク値数〜数十kA程度を用いる。さ
らに駆動電流の流れる前にキャピラリー中に数ミリ〜数
アンペアの電流を流し、封入ガスを予備電離させてお
く。低インダクタンス電源による高速電流駆動とガスの
予備電離を用いることによって、キャピラリー内部のプ
ラズマを管壁から素早く離すことができ、壁のプラズマ
による侵食を非常に小さくできる。
A ceramic having a diameter of one to several millimeters or a capillary made of glass is used for the discharge tube.
Add gas of ~ several Torr. As the driving current, a rising number of about several tens ns and a peak value of about several tens kA are used. Further, before the drive current flows, a current of several millimeters to several amperes is passed through the capillary to pre-ionize the sealed gas. By using high-speed current driving by a low-inductance power supply and preliminary ionization of gas, the plasma inside the capillary can be quickly separated from the tube wall, and the erosion of the wall by the plasma can be extremely reduced.

【0010】したがって、従来技術と比べ非常に寿命の
長い光導波路装置となる。さらに電磁流体的不安定性が
成長する前にプラズマを圧縮することができ、軸方向に
一様な再現性の良いシリンダー状のプラズマチャンネル
を形成することができる。
Therefore, an optical waveguide device having a much longer life than the conventional technology is obtained. Further, the plasma can be compressed before the magnetohydrodynamic instability grows, and a cylindrical plasma channel having uniform axial reproducibility and good reproducibility can be formed.

【0011】高速Zピンチ放電とは、立ち上がりの速い
(〜数−数+ナノ秒程度)電流で駆動するZピンチ放電で
ある。本発明の高速Zピンチ放電には以下の特徴を持
つ。 1. あらかじめ負荷のガスの予備電離を行う。
The high-speed Z-pinch discharge means that the rising speed is fast.
This is a Z-pinch discharge driven by a current (about several-several + nanoseconds). The high-speed Z-pinch discharge of the present invention has the following features. 1. Preliminary ionization of the loaded gas is performed in advance.

【0012】これが必要な理由は、再現性が良く軸方向
に均一なプラズマチャンネルを形成するためには電磁流
体不安定性を押さえる必要がある。負荷のガスの予備電
離はプラズマの初期一様性を向上させ、駆動電流の初期
分布を均一にする。これにより電磁流体不安定性を押さ
える。
The reason for this is that in order to form a uniform plasma channel in the axial direction with good reproducibility, it is necessary to suppress instability of the electromagnetic fluid. Pre-ionization of the load gas improves the initial uniformity of the plasma and makes the initial distribution of the drive current uniform. Thereby, the instability of the electromagnetic fluid is suppressed.

【0013】2. 立ち上がりの速い(〜数−数+ナノ
秒程度)電流で放電を駆動する。これが必要な理由は、
屈折率勾配の大きなチャンネルを作る為には、強い衝撃
波を作る必要があり、このために立ち上がりの速い(〜
数−数+ナノ秒程度)電流で駆動する。1.と同様に電
磁流体不安定性を押さえるために、電磁流体不安定性の
成長速度よりも速い立ち上がりの電流で駆動する。
2. Discharge is driven by a fast-rising current (about several to several + nanoseconds). This is necessary because
In order to create a channel with a large refractive index gradient, it is necessary to create a strong shock wave.
(Several minus several plus nanoseconds). 1. In order to suppress the instability of the magnetohydrodynamic fluid in the same manner as in the above, the drive is performed with a rising current faster than the growth rate of the magnetohydrodynamic instability.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】1.従来技術の問題点の解決 (1)長寿命の放電型光導波路装置ができる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Solving the Problems of the Prior Art (1) A long-life discharge optical waveguide device can be obtained.

【0015】(2)レーザーの伝搬方向に一様な長いプ
ラズマ導波路を安定に再現良く形成できる。 2.本発明で新たに生じた利点 (1)プラズマチャンネルの屈折率分布の制御ができ
る。
(2) A long plasma waveguide that is uniform and long in the laser propagation direction can be formed stably and with good reproducibility. 2. Advantages newly generated by the present invention (1) The refractive index distribution of the plasma channel can be controlled.

【0016】放電パラメータ(駆動電流立ち上がり、ピ
ーク値、初期封入ガス圧力、キャピラリー径)を制御す
ることによりキャピラリー内部のプラズマ密度の時間空
間分布を制御することが可能である。したがって、光導
波路のチャンネル径、屈折率勾配、屈折率、チャンネル
保持時間も制御可能である。
The temporal and spatial distribution of the plasma density inside the capillary can be controlled by controlling the discharge parameters (drive current rise, peak value, initial charged gas pressure, capillary diameter). Therefore, the channel diameter, the refractive index gradient, the refractive index, and the channel holding time of the optical waveguide can also be controlled.

【0017】(2)広いプラズマ密度領域で光導波路が
形成できる。 光導波路に要求される密度パラメータは、レーザー加
速、X線レーザー、高次高調波発生等の応用によってそ
れぞれ異なり最適値及び最適な空間分布がある。(1)
で述べたと同じ理由から、本発明では放電パラメータの
制御により広い密度領域(1016−1020cm-3)で光導
波路を形成することができる。したがって、それそれの
応用目的にあわせた密度分布を持つ光導波路を形成でき
る。
(2) An optical waveguide can be formed in a wide plasma density region. The density parameter required for the optical waveguide differs depending on applications such as laser acceleration, X-ray laser, and generation of higher-order harmonics, and has an optimum value and an optimum spatial distribution. (1)
For the same reason as described above, in the present invention, an optical waveguide can be formed in a wide density region (10 16 -10 20 cm -3 ) by controlling discharge parameters. Therefore, an optical waveguide having a density distribution suitable for each application purpose can be formed.

【0018】(3)プラズマ種を選べる。 X線レーザー、高次高調波発生等の応用によっては導波
路を形成するプラズマを光源媒質として用いる場合もあ
る。この場合発生する光はプラズマ種に依存する。本発
明では、導波路のプラズマ源にガスを用いるためプラズ
マ種を目的にあわせて選ぶことができる。
(3) A plasma type can be selected. Depending on applications such as X-ray laser and high-order harmonic generation, plasma forming a waveguide may be used as a light source medium. The light generated in this case depends on the type of plasma. In the present invention, since a gas is used as the plasma source of the waveguide, the type of plasma can be selected according to the purpose.

【0019】(4)荷電粒子ビームの集束効果を持つ光
導波路である。 本発明の光導波路はZピンチ放電を用いている。Zピン
チ放電は軸方向に大電流を流す為、この電流の方位角方
向には非常に大きな1T(テスラ)以上の自己磁場が生
じ、集束力は10000T/m以上になる。
(4) An optical waveguide having a focusing effect of a charged particle beam. The optical waveguide of the present invention uses a Z-pinch discharge. Since the Z-pinch discharge causes a large current to flow in the axial direction, a very large self magnetic field of 1 T (tesla) or more is generated in the azimuthal direction of this current, and the focusing power becomes 10,000 T / m or more.

【0020】形成される光導波路はこの電流にシリンダ
ー状に囲まれている。したがって、もしこの導波路内部
に荷電粒子ビームが軸方向から入射した場合は、強磁場
によるレンズ効果によってビームは集束されながらチャ
ンネル中を伝搬する。この光導波路をレーザー加速器に
用いた場合は駆動レーザーのガイドだけではなく、レー
ザーに同期をとって入射させる荷電粒子の集束効果も同
時に得られる。
The formed optical waveguide is surrounded by this current in a cylindrical shape. Therefore, if the charged particle beam enters the waveguide from the axial direction, the beam propagates through the channel while being focused by the lens effect due to the strong magnetic field. When this optical waveguide is used for a laser accelerator, not only a guide for a driving laser but also a focusing effect of charged particles incident in synchronization with the laser can be obtained at the same time.

【0021】[0021]

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。 (実施例1)レーザー光ガイド実験及びチャンネル形成
過程観測実験の配置を図1に基づいて説明する。チタン
−サファイアレザー光1を軸はずしパラボラミラー2を
用いて、セラミックスロッドの中心に内径1mm及び長
さ2cmの中空孔を形成したキャピラリー(放電細管)
3の入口に集光した。このキャピラリーには電極4が設
けられて放電管を構成している。この放電管には、He
ガスが導入口5から供給され、出口(ターボ分子ポン
プ)から排気される。差動排気を行って放電管内部をヘ
リウムガス雰囲気に保持した。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below based on embodiments. (Example 1) The arrangement of the laser light guide experiment and the channel formation process observation experiment will be described with reference to FIG. Titanium-sapphire leather Light 1 is off-axis and a parabolic mirror 2 is used to form a capillary (discharge capillary) having a hollow hole with an inner diameter of 1 mm and a length of 2 cm formed at the center of a ceramic rod.
Light was collected at the entrance of No. 3. The capillary is provided with an electrode 4 to form a discharge tube. This discharge tube contains He
Gas is supplied from the inlet 5 and exhausted from the outlet (turbo molecular pump). The inside of the discharge tube was kept in a helium gas atmosphere by performing differential evacuation.

【0022】放電管中には、電極間に発生した高速Zピ
ンチ放電作用により収縮する電流と、この電流により駆
動される衝撃波のと相互作用により、放電管の中心軸上
に凹型の電子密度分布が形成された。放電管に導入され
たレーザー光のプロフィルは、この形成された電子密度
分布を持つプラズマチャンネルにガイドされ放電管中を
通過した後、望遠鏡レンズ6、バンドパスフィルター
7、ND(ニュートラルデンシチィ)フィルター8を経
てCCDカメラ9に到達して観測された。
In the discharge tube, a concave electron density distribution is formed on the central axis of the discharge tube due to the interaction between the current contracted by the action of the high-speed Z pinch discharge generated between the electrodes and the shock wave driven by the current. Was formed. The profile of the laser beam introduced into the discharge tube is guided by the plasma channel having the formed electron density distribution, passes through the discharge tube, and then passes through the telescope lens 6, band-pass filter 7, ND (neutral density) filter. 8 and arrived at the CCD camera 9 and observed.

【0023】本発明は、放電を用いたプラズマチャンネ
ル形成法であり、Zピンチと呼ばれる放電を用いた。セ
ラミックス製(Al23)キャピラリーからなる低圧ガ
ス封入放電管の軸方向に大電流を流し、この電流が作り
出す自己磁場で電流(プラズマ柱)自身が圧縮された。
The present invention is a plasma channel forming method using a discharge, and uses a discharge called Z-pinch. A large current flowed in the axial direction of a low-pressure gas-filled discharge tube made of a ceramic (Al 2 O 3 ) capillary, and the current (plasma column) itself was compressed by a self-magnetic field generated by the current.

【0024】また高速立ち上がりの電流で駆動される高
速Zピンチ放電を行ったので、高速で収縮する同軸状電
流層の前面に衝撃波が駆動され、電流層と衝撃波によっ
て電流(プラズマ柱)のコア内部に凹型のプラズマ密度
分布が形成された。この高速電流で駆動されたZピンチ
放電の収縮プロセスで形成されたプラズマの内部構造を
レーザー光のガイディングに用いた。
Further, since a high-speed Z-pinch discharge driven by a high-speed rising current is performed, a shock wave is driven in front of the coaxial current layer that contracts at a high speed, and the current layer and the shock wave cause the inside of the current (plasma column) core. , A concave plasma density distribution was formed. The internal structure of the plasma formed by the contraction process of the Z pinch discharge driven by the high-speed current was used for guiding laser light.

【0025】又、放電管に径1ミリのキャピラリー(細
管)を用い、その内部に0.9トール(Torr)のH
eガスを入れた。駆動電流として立ち上がり数15n
s、ピーク4.8kAを用い、さらに駆動電流の流れる
前にキャピラリー中に数1ミリアンペアの直流電流を流
し、He封入ガスを予備電離させた。低インダクタンス
電源による高速電流駆動とガスの予備電離を用いること
によって、キャピラリー内部のプラズマを管壁から素早
く離した。
Further, a capillary (thin tube) having a diameter of 1 mm is used for the discharge tube, and 0.9 H (Torr) of H is contained therein.
e gas was charged. Number of rises 15n as drive current
s, a peak current of 4.8 kA, and a DC current of several milliamps was passed through the capillary before the drive current flowed to pre-ionize the He-filled gas. The plasma inside the capillary was quickly separated from the tube wall by using high-speed current drive by a low-inductance power supply and preionization of gas.

【0026】したがって従来技術と比べ非常に寿命の長
い光導波路装置となり、さらに電磁流体的不安定性が成
長する前にプラズマを圧縮することができ、軸方向に一
様な再現性の良いシリンダー状のプラズマチャンネルを
形成することができた。
Therefore, the optical waveguide device has a very long life as compared with the prior art, and furthermore, it is possible to compress the plasma before the magnetohydrodynamic instability grows, and to obtain a cylindrical reproducible tube having uniform axial reproducibility and good reproducibility. A plasma channel could be formed.

【0027】(実施例2)高強度超短パルスレーザーの
ガイディングの観測結果を図2に示した。図2(a)は
本発明の放電チャネル形成時の場合のレーザー光の強度
プロファイルを示し〔高速Zピンチ放電による光導波路
(長さ2cm)を通過したレーザーのプロファイル〕、
図2(b)は放電チャネルがない場合のレーザー光の強
度プロファイルを示している〔キャピラリー(D=1m
m,L=20mm)、圧力0.9トール(He)におけ
るチタン−サファイアレーザー波長790nm、2TW
(テラワット)、集光強度1×1017W/cm2を使用
した場合〕。
Example 2 FIG. 2 shows the result of observation of guiding of a high intensity ultrashort pulse laser. FIG. 2A shows an intensity profile of a laser beam when a discharge channel is formed according to the present invention (a profile of a laser beam that has passed through an optical waveguide (length: 2 cm) by a high-speed Z-pinch discharge).
FIG. 2B shows the intensity profile of the laser beam when there is no discharge channel [capillary (D = 1 m
m, L = 20 mm), pressure of 0.9 Torr (He), titanium-sapphire laser wavelength 790 nm, 2TW
(Terawatts) and a light-collecting intensity of 1 × 10 17 W / cm 2 ].

【0028】図2(c)は、CCDカメラのチャネルN
o.に対するCCDカメラが測定した光(a)、(b)
の相対強度を示し、これよりチャンネルを通過したレー
ザー光は中心部40μm程度の領域で集光されたままガ
イドされていることが分かる。レーザー光のエネルギー
透過率は、チャンネル形成時に30%から65%に増加
した。
FIG. 2C shows the channel N of the CCD camera.
o. (A), (b) measured by a CCD camera with respect to
It can be seen from this that the laser light passing through the channel is guided while being collected in a region of about 40 μm in the center. The energy transmittance of the laser beam increased from 30% to 65% during channel formation.

【0029】図2より、高速Zピンチ放電によって光導
波路が形成される時刻にだけ、高強度超短パルスレーザ
ーがガイドされたことが示された。 (実施例3)図3(a)は、本発明の放電チャンネル形
成過程のプラズマの発光を観測した結果(時間発展)[高
速時間挿引カメラ(ストリークカメラ)を用いて計測し
た]を示し、図3(b)は、時刻t=8.5ナノ秒にお
けるプラズマの発光の半径方向の強度プロフィルを示
し、図3(c)は、He−Ne(ヘリウムネオン)レー
ザーをプロープレーザーとして用いた放電チャンネル形
成過程の観測結果(時間発展)を示す。
FIG. 2 shows that the high intensity ultrashort pulse laser was guided only at the time when the optical waveguide was formed by the high-speed Z-pinch discharge. (Embodiment 3) FIG. 3 (a) shows the results (time evolution) of the emission of plasma during the discharge channel formation process of the present invention (measured using a high-speed time-swept camera (streak camera)). FIG. 3B shows a radial intensity profile of plasma emission at time t = 8.5 nanoseconds, and FIG. 3C shows a discharge using a He—Ne (helium neon) laser as a probe laser. The observation result (time evolution) of the channel formation process is shown.

【0030】図3(a)、(b)より時刻t=8.5ナ
ノ秒付近で直径70ミクロン程度のチャンネルが形成さ
れているのが分る。又、図3(c)より放電チャンネル
形成時刻t=8.5ナノ秒付近でレーザー光がガイドさ
れ明るいスポットが観測された。(a)、(b)、
(c)より中心軸上に直径70μm程度の光導波路が長
さ2cmに渡って一様に形成されたことがわかる。
FIGS. 3A and 3B show that a channel having a diameter of about 70 μm is formed around time t = 8.5 nanoseconds. Further, from FIG. 3 (c), a laser beam was guided and a bright spot was observed around the discharge channel formation time t = 8.5 nanoseconds. (A), (b),
(C) shows that an optical waveguide having a diameter of about 70 μm was formed uniformly over a length of 2 cm on the central axis.

【0031】(実施例4)一次元電磁流体コードを用い
たチャンネル形成過程のコンピュータシミュレーション
結果を示す。図4(a)は高速Zピンチ放電を駆動する
キャピラリー内部の電流密度の時間空間分布(変化)を
示し、図4(b)はプラズマ光導波路内部の電子密度の
時間空間分布(変化)を示す。計算条件はヘリウムガス
0.9torr、駆動電流4.8kAとし、実施例1の
実験と同様の放電パラメータを用いた。電流密度の時間
変化は実験で得られた発光分布(図3(a))をうまく
説明している。また、計算結果はZピンチの収縮時(時
刻t=8.5ナノ秒付近で)に中心がくぼんだ凹型の密
度分布が形成されることを明確に示している。
(Embodiment 4) A computer simulation result of a channel forming process using a one-dimensional magnetic fluid code is shown. FIG. 4A shows the spatio-temporal distribution (change) of the current density inside the capillary driving the high-speed Z-pinch discharge, and FIG. 4B shows the spatio-temporal distribution (change) of the electron density inside the plasma optical waveguide. . The calculation conditions were a helium gas of 0.9 torr and a drive current of 4.8 kA, and the same discharge parameters as in the experiment of Example 1 were used. The time change of the current density well explains the light emission distribution (FIG. 3A) obtained by the experiment. Further, the calculation results clearly show that when the Z pinch contracts (at time t = about 8.5 nanoseconds), a concave density distribution with a concave center is formed.

【0032】図4(a)、(b)よりZピンチの収縮過
程でチャンネルが形成されているのが分り(光導波路は
凹型密度分布で形成される)、図4(a)で示される電
流密度分布は実験で得られた発光分布(図3(a))と
良く一致する。図4(c)より、放電チャンネル形成時
刻t=8.5ナノ秒付近で光導波路が形成されており、
実験結果と良く一致する。
FIGS. 4A and 4B show that a channel is formed during the contraction process of the Z pinch (the optical waveguide is formed with a concave density distribution), and the current shown in FIG. The density distribution agrees well with the emission distribution obtained in the experiment (FIG. 3A). From FIG. 4 (c), the optical waveguide is formed around the discharge channel formation time t = 8.5 nanoseconds.
Good agreement with experimental results.

【0033】(実施例5)本発明の為のテスト実験に用
いた高速パルス電源、その回路図及び放電管装置を図
5、図6及び図7に示す。本発明の導波路形成方式では
大電流を高速で立ちあげることが必要である。また、シ
リンダー状のプラズマを再現良く形成するために電流は
軸対称に流さなければならない。このために、図5及び
図7に示すように、放電管とパルス電源は4本の同軸ケ
ーブルを用い、そのケーブルが同軸対称形状に配置され
ている。
(Embodiment 5) FIGS. 5, 6, and 7 show a high-speed pulse power supply, a circuit diagram thereof, and a discharge tube device used in a test experiment for the present invention. In the waveguide forming method of the present invention, it is necessary to start a large current at a high speed. Further, in order to form a cylindrical plasma with good reproducibility, the electric current must flow axially symmetrically. To this end, as shown in FIGS. 5 and 7, the discharge tube and the pulse power source use four coaxial cables, and the cables are arranged coaxially symmetrically.

【0034】パルス電源装置およびZピンチ放電管装置
は高速で電流を立ちあげるため低インダクタンス構造に
しなければならない。このため同軸ケーブルを用い電流
の往路と復路が作る面積を小さくしてある。コンデンサ
ー自身の内部インダクタンスを小さくするためにセラミ
クスコンデンサ一を使用した。また、図7に示すよう
に、放電管部も低インダクタンス化をはかるために同軸
ケーブル4本を用いて電流の往路と復路が作る面積を小
さくしてある。
The pulse power supply device and the Z-pinch discharge tube device must have a low inductance structure in order to start current at high speed. For this reason, a coaxial cable is used to reduce the area created by the current forward path and the current return path. A ceramic capacitor was used to reduce the internal inductance of the capacitor itself. Further, as shown in FIG. 7, the area of the forward and return paths of the current is reduced by using four coaxial cables in order to reduce the inductance of the discharge tube.

【0035】プラズマの再現性を良くするためにはサイ
ラトロン素子のスイッチング特性から生じる電流のプレ
パルスを少なくする必要が有る。これを解決するために
ガスを封入したプレパルスギャッブを使用した。
In order to improve the reproducibility of the plasma, it is necessary to reduce the pre-pulse of the current caused by the switching characteristics of the thyratron element. In order to solve this, a pre-pulse gab filled with gas was used.

【0036】本発明では、図6に示される回路により、
このような電源を使用して予備電離回路と高速立ち上が
りの電流とで放電管装置を駆動することが重要である。
即ち、再現性の良い安定なプラズマ光導波路を形成する
ためには、負荷のガスの予備電離と高速立ち上がりの駆
動電流が重要である。又、この高速立ち上がりにおいて
は、負荷部(抵抗)及び電源部の低インダクタンス化が
必要であり、このために電源を同軸形状にして電流の往
路と復路の作る面積を小さくしている。
In the present invention, the circuit shown in FIG.
It is important to use such a power supply to drive the discharge tube device with a preionization circuit and a fast rising current.
That is, in order to form a stable plasma optical waveguide with good reproducibility, the pre-ionization of the load gas and the drive current at the high speed are important. In addition, in this high-speed rise, it is necessary to reduce the inductance of the load section (resistance) and the power supply section. For this reason, the power supply is made coaxial to reduce the area of the current forward path and return path.

【0037】又、本発明の放電管では、高速立ち上がり
の電流駆動を行うために、低インダクタンスの負荷が必
要であり、同軸形状のケーブルを使用し、放電管装置が
幾何学的に低いインダクタンスの構造に構成されてい
る。
Further, in the discharge tube of the present invention, a low-inductance load is required to perform high-speed rising current driving. A coaxial cable is used, and the discharge tube device has a geometrically low inductance. Structured.

【0038】低インダクタンス構造は電源部分とZ放電
負荷部分の低インダクタンス化とからなり、その電源部
分においては、図5に示されるように、内部インダクタ
ンスが小さいセラミックスコンデンサを使用し、更に幾
何学的に決まるインダクタンスを小さくすることによっ
て行われる。即ち、図8の矢印に示されるように、電流
はサイラトロン、セラミックスコンデンサ、プレパルス
ギャップ及び同軸ケーブルを通して流れるが、幾何学的
なインダクタンスは電流の往路と復路との作る面積(斜
線部)によって決まるので、この面積をできるだけ小さ
くする配置をとることによって幾何学的に決まるインダ
クタンスを小さくする。
The low-inductance structure comprises a low-inductance power source and a low-Z discharge load. In the power source, a ceramic capacitor having a small internal inductance is used as shown in FIG. This is done by reducing the inductance determined by That is, as shown by the arrow in FIG. 8, the current flows through the thyratron, the ceramic capacitor, the pre-pulse gap, and the coaxial cable. The geometrically determined inductance is reduced by arranging this area as small as possible.

【0039】Z放電負荷部分(キャピラリー放電管)に
おいては、図9に示されるように、電流はサイラトロ
ン、セラミックスコンデンサ、プレパルスギャップ及び
同軸ケーブルを通して流れるが、電源部と同様に幾何学
的に決まるインダクタンスは(斜線部)電流の往路と復
路との作る面積で決まるので、この面積をできるだけ小
さくする配置をとることによって幾何学的に決まるイン
ダクタンスを小さくする。
In the Z discharge load portion (capillary discharge tube), as shown in FIG. 9, a current flows through a thyratron, a ceramic capacitor, a pre-pulse gap, and a coaxial cable. (Shaded area) is determined by the area formed by the forward path and the return path of the current. By arranging the area as small as possible, the geometrically determined inductance is reduced.

【0040】[0040]

【発明の効果】レーザー加速器:ピークパワー2TWパ
ルス幅100fsのレーザーシステムを用いた場合、1
0cmの光導波路を用いると1GeVの加速エネルギー
利得が得られる。これは非常に大きな従来型の加速器を
テーブルトップサイズにすることを意味する。本発明の
導波路形成法は加速器に求められる非常に長寿命な装置
を実現することができる。またチャンネルの再現性と安
定性は実験により確かめられており、レーザー加速器の
加速管として用いるのに適している。
According to the present invention, when using a laser accelerator having a peak power of 2 TW and a pulse width of 100 fs, 1
When an optical waveguide of 0 cm is used, an acceleration energy gain of 1 GeV can be obtained. This means making a very large conventional accelerator a tabletop size. The waveguide forming method of the present invention can realize a device having a very long life required for an accelerator. The reproducibility and stability of the channel have been confirmed by experiments, and are suitable for use as an acceleration tube of a laser accelerator.

【0041】X線レーザー:X線レーザーは媒質プラズ
マの屈折効果の為に媒質中で長い増幅距離を取ることが
できない。本発明の光導波路をX線レーザー媒質に用い
ると従来型の10倍以上の増幅距離を得ることができ
る。
X-ray laser: The X-ray laser cannot take a long amplification distance in the medium due to the refraction effect of the medium plasma. When the optical waveguide of the present invention is used for an X-ray laser medium, an amplification distance that is 10 times or more that of a conventional type can be obtained.

【0042】本発明の光導波路は高次高調波発生装置、
また高強度物理実験などプラズマ中で高強度レーザーを
集光したまま長距離伝搬させることが必要な応用に利用
可能である。
The optical waveguide of the present invention is a high-order harmonic generator,
In addition, it can be used for applications that require long-distance propagation while focusing a high-intensity laser in plasma, such as high-intensity physics experiments.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 Zピンチ放電によりガス充填キャピラリー中
にレーザー光ガイドを形成する装置を示す図である。
FIG. 1 shows an apparatus for forming a laser light guide in a gas-filled capillary by Z-pinch discharge.

【図2】 キャピラリー放電管の出口における強力レー
ザーのプロファイルを示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a profile of an intense laser at an outlet of a capillary discharge tube.

【図3】 キャピラリー放電管における高速Zピンチ放
電での急速収縮によるガイドチャンネルの形成過程を示
す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a process of forming a guide channel by rapid contraction in a high-speed Z-pinch discharge in a capillary discharge tube.

【図4】 チャンネル形成過程のコンピューターシュミ
レーション結果を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a computer simulation result of a channel forming process.

【図5】 プラズマ光導波路形成用Zピンチ放電のため
のパルス電源を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a pulse power supply for a Z-pinch discharge for forming a plasma optical waveguide.

【図6】 プラズマ光導波路形成用Zピンチ放電のため
のパルス回路を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a pulse circuit for Z-pinch discharge for forming a plasma optical waveguide.

【図7】 プラズマ光導波路形成用高速Zピンチ放電管
装置を表す図である
FIG. 7 is a diagram illustrating a high-speed Z-pinch discharge tube device for forming a plasma optical waveguide.

【図8】 電源部分における電流の流れを示す図であ
る。
FIG. 8 is a diagram showing a current flow in a power supply portion.

【図9】 Z放電負荷部分(キャピラリー放電管)にお
ける電流の流れを示す図である
FIG. 9 is a diagram showing a current flow in a Z discharge load portion (capillary discharge tube).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1: チタン−サファイアレーザー 2: 軸はずしパラボラミラー 3: キャピラリー 4: 電極 5: ガス導入口 6: 望遠鏡 7: バンドパスフィルター 8: ND(ニュートラルデンシティ)フィルター 9: CCDカメラ/ストリークカメラ 1: Titanium-sapphire laser 2: Off-axis parabolic mirror 3: Capillary 4: Electrode 5: Gas inlet 6: Telescope 7: Bandpass filter 8: ND (neutral density) filter 9: CCD camera / streak camera

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 Zピンチ放電によるレーザー光ガイド用
プラズマチャンネルの形成法において、ガス中での高速
Zピンチ放電の収縮フェーズを用いて、中心で屈折率が
大きく周辺にいくにしたがい屈折率の小さくなるプラズ
マ媒質を形成し、レーザー光のガイドに用いる方法。
In a method of forming a plasma channel for guiding a laser beam by a Z-pinch discharge, a contraction phase of a high-speed Z-pinch discharge in a gas is used, and the refractive index is large at the center and small as it goes to the periphery. A method in which a plasma medium is formed and used for guiding laser light.
【請求項2】 ガス中での高速Zピンチ放電で、自己磁
場によって収縮する電流とこの電流に駆動される衝撃波
の相互作用により、放電管の中心軸上に凹型の電子密度
分布を形成し、これを、レーザー光をガイドするプラズ
マチャンネルとして用いる請求項I記載の方法。
2. In a high-speed Z-pinch discharge in a gas, a concave electron density distribution is formed on a central axis of a discharge tube by an interaction between a current contracted by a self-magnetic field and a shock wave driven by the current. The method according to claim I, wherein this is used as a plasma channel for guiding laser light.
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