JP2003337200A - 極低温クラスタ/スラッシュガスターゲットの製造方法とその装置 - Google Patents
極低温クラスタ/スラッシュガスターゲットの製造方法とその装置Info
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Abstract
ビームをターゲットに打ち込み、プラズマカソードによ
り誘起されるフェムト秒電子の効率的発生と、若しくは
前記レーザビームの打ち込みにより発生するD+D核融
合反応を介してのフェムト秒中性子の効率的発生を可能
とする、極低温クラスタ/スラッシュガスターゲットの
製造方法とその装置を提供する。 【構成】 本発明の極低温クラスタ/スラッシュガスタ
ーゲットの製造装置は、超臨界生成室を内蔵する上部構
造物10と、スラッシュガス生成用の減圧室20と、前
記上部構造物10とスラッシュガス生成用の減圧室20
との間に設けられた熱絶縁手段16と、レーザビーム照
射口21とより構成する。
Description
ームシステムにより、出力12TW(12×10 12ワ
ット)、パルス巾50fs(50×10−15秒)のレ
ーザをターゲットに打ち込んで、該ターゲットより極短
ビームを発生させるようにして、密度を上げた固液二相
のスラリ状ターゲット部材に関し、特にレーザプラズマ
カソード方式によるフェムト秒電子ビームとフェムト秒
中性子ビームの効率的発生を可能とした極低温スラッシ
ュガスよりなるガスターゲットの製造方法とその装置に
関する。
パルス巾50fs〜200fsの超短パルスレーザを発
生する装置で、この装置により従来は観測が困難であっ
た室温でのピコ秒領域の現象を調べることが可能であっ
て、その特徴は、パルス幅が短いため超高速光化学の観
測研究に向き、パルス強度が強いため強電場の物性の観
測研究に向いており、そのレーザ照射によりレーザプラ
ズマを作り、電子、X線、イオン、中性子等の極短ビー
ムを生成する機能を持っている。
のターゲット照射により、レーザプラズマが作られ、上
記レーザプラズマによって、電子、X線、イオン、中性
子等のパルス巾50fsの極短ビームを生成する。つい
で、航跡場砕破方式よりなる加速機構により10fsの
電子ビームを作っている。なお、上記レーザプラズマX
線を使用した原子の動画像化に関する時間分解X線回折
研究があり、レーザプラズマX線の高品質化が望まれて
いる。
のグループが、温度100Kに冷却した高圧65atm
の重水素ガスD2を真空中の容器に噴射してクラスタを
生成し、そこへ卓上型レーザ(120mJ、35fs、8
20nm)を照射してDD核融合を起こさせ、中性子の
発生に成功している。
を常温ガスジェット(He、N2などを使用、1〜20
気圧)にフォーカス照射をして、プラズマ航跡場(電子
密度波)を誘起するとともに、前記航跡場の砕破現象に
よってプラズマ波からこぼれた電子は航跡場によって加
速され、プラズマカソードにより1MeVを越える高エ
ネルギ電子が生成されている。この高エネルギ電子を低
温ターゲットに使用すると、電界も10GV/m以上に
なり、電子はレーザ直後の航跡場にピークにトラップさ
れ、最高エネルギも10MeVを越え、エネルギ巾も1
0%以下となり、10fs程度の極短バンチになり、電
子ライナック(加速器)で加速されると同等な高エネル
ギ電子ビームを形成する結果が得られているが、上記プ
ラズマカソードによる電子ビームに対しても一層の高品
質化が望まれている。
・ビーム)やX線・γ線などの高エネルギ光子等の量子
ビームについては、電子顕微鏡、シンクロン放射光、中
性子ビームにより、物質の静止ミクロ構造が可視化され
ている現状にあるが、この画像化については、二つのフ
ェムト秒量子ビーム例えばレーザとX線技術の組合せに
より原子ダイナミックス則ちエネルギの可視化が期待さ
れている。
(He、N2などを使用、1〜20気圧)が使用されて
いるが、最近の米国の例に見るように温度100Kに冷
却した高圧65atmの重水素ガスD2を真空中の容器
に噴射してレーザ照射用ターゲットを得ている。しか
し、レーザビームをフォーカス照射して、上記フェムト
秒電子ビームや中性子ビームの高品質化するには、レー
ザ照射における照射対象となるターゲット部材に対し
て、レーザビームの吸収効率の向上が必要で、該部材の
実現が強く望まれてきた。
に鑑みなされたもので、12TW、50fs卓上レーザ
システムより、フェムト秒レーザビーム(12TW、5
0fs)をターゲットに打ち込み、上記航跡場砕破に誘
起されるフェムト秒電子ビームの効率的発生と、または
前記レーザビームの打ち込みにより発生したD+D核融
合反応を介してのフェムト秒中性子ビームの効率的発生
を可能とすべく、ターゲット部材の密度向上を図った、
極低温クラスタ/スラッシュガスターゲットの製造方法
とその装置の提供を目的とするものである。
発明である極低温クラスタ/スラッシュガスターゲット
の製造方法は、レーザプラズマカソード方式によるフェ
ムト秒電子ビームの効率的発生を可能とするスラッシュ
ガスターゲットの生成方法であって、超臨界生成室に充
填したガスを超臨界状態に加圧冷却し、ついで前記超臨
界ガスを導出弁を介して前記ガスの三重点圧力以下の減
圧室へ放出させ、極低温の固液二相スラリ状流体よりな
るターゲットで、好ましくは数nmから数μmまでのタ
ーゲットを形成したことを特徴とする。
ームを常温ガスジェット(He、N 2など、1〜20気
圧)にフォーカス照射することにより得られたレーザプ
ラズマ中に引き起こされる航跡場の砕破を利用したプラ
ズマカソードと呼ばれる加速手段により高エネルギ電子
が得られているが、この電子エネルギの強度をさらに上
げるため、前記常温ガスジェットに代わる極低温スラッ
シュガスを使用して全体密度を上げ、レーザビームの吸
収効率を上げて、高品質電子ビームを効率的に得るよう
にしたものである。
り、レーザプラズマが作られ、上記レーザプラズマによ
り、電子、X線、イオン、中性子等のパルス巾フェムト
秒オーダーのの高品質極短ビームを生成することが出来
る。前記して生成されたレーザプラズマX線の使用によ
り、これまで速すぎて可視化出来なかった原子・分子・
電子の動画像化、カスケード照射による損傷をリアルタ
イムに観察できる。
く、使用ガスを後記するクライオスタットとGM冷凍機
と圧縮機により超臨界ガスを形成させたのち、得られた
超臨界ガスを当該ガスの三重点圧力以下の減圧室に放出
させ、固液二相流体の球状クラスタを形成させて、好適
なターゲットを形成させている。
ラスタ/スラッシュガスターゲットの製造方法は、重水
素D+D反応を使用したフェムト秒中性子ビームの効率
的発生を可能とするスラッシュガスターゲットの生成方
法であって、超臨界生成室に充填した重水素を超臨界状
態に加圧冷却し、ついで前記超臨界状態の重水素を弁を
介して前記ガスの三重点圧力以下の減圧室へ放出させ、
極低温の固液二相重水素流体よりなるターゲットを形成
したことを特徴とする。
ームの照射によるターゲットの吸収効率を高効率化する
ため、ターゲットに使用する重水素ガスをスラッシュ化
して、D+D反応を起こさせるとともに、高品質の極短
中性子ビームを得るようにしたものである。則ち、高圧
重水素ガスを後記するクライオスタットとGM冷凍機に
より超臨界ガス(16.2atm、38.2K)を形成
させたのち、得られた超臨界重水素ガスを当該ガスの三
重点以下の圧力(0.1908atm)の減圧室に放出
させ、極低温の固液二相スラッシュ状流体の球状クラス
タを形成させ、100Kに冷却した高圧(65atm)
重水素ガスの真空中に放出して得られた従来例に見るク
ラスタより遥かに高密度の極低温ターゲットを得るとと
もに、高品質の極短中性子ビームを得るようにしてあ
る。
クラスタ/スラッシュガスターゲットの製造方法におけ
る超臨界ガスの三重点圧力以下の減圧室へのガス放出
は、断熱自由膨張によるジュールトムソン膨張(J−
T)をさせ極低温の固液二相のスラッシュ状流体を得る
ようにしてある。
ラッシュ窒素、及びスラッシュ水素について行なわれた
試験結果によると、スラッシュ化により従来のミスト状
ターゲットの0.125kg/m3の密度に比較して8
6.67kg/m3の高密度が得られ高強度の極短ビー
ムを得るようにしている。
スラッシュガスターゲットの製造方法において、使用ガ
スは、Ar、またはN2、またはH2、またはD2であ
ることが好ましい。
低温クラスタ/スラッシュガスターゲットの製造方法に
好適な極低温クラスタ/スラッシュガスターゲットの製
造装置は、ガス供給源より圧縮ガスの供給を受けて、フ
ェムト秒極短ビーム発生用のスラッシュガスターゲット
の生成装置において、供給されたガスを冷却して超臨界
状態にする超臨界生成室と、その下部に設けた臨界ガス
放出用の弁と、超臨界状態を形成する低温恒温装置とよ
りなる上部構造体と、該上部構造体の下端に熱絶縁手段
を介して設けたスラッシュガスを生成する減圧室と、前
記熱絶縁手段と、前記減圧室のガス放出部の周囲に設け
た熱遮蔽手段とより構成したことを特徴とする。
ゲットを生成するため、重水素、水素等のガスを低温恒
温装置を持つ超臨界生成室へ加圧導入し、導入後のガス
を所定圧力と温度で冷却して超臨界ガスを形成させ、形
成された超臨界ガスを下部の三重点圧力以下の減圧室へ
断熱自由膨張のもとに放出させ、極低温の固液二相スラ
ッシュガス流体よりなる高密度クラスタを形成させたも
のである。
スターゲットの製造装置において、超臨界ガスを下部の
減圧室へ放出するガス放出用の弁はノズル付きパルス電
磁弁より構成し、断熱自由膨張をさせる構成とし、前記
断熱自由膨張により所謂ジュールトムソン膨張をして極
低温のスラッシュガスを得るようにしてある。
下部に設けた減圧室にガス放出用の弁にノズル付きパル
ス電磁弁を設けて、減圧室内に固液二相スラッシュ状の
クラスタを形成させるべく、断熱自由膨張をさせるパル
ス作動する構成について記載したものである。
スターゲットの製造装置における低温恒温装置は、真空
断熱容器と冷熱源よりなり、温度可変型のクライオスタ
ットを介して、圧力(0〜80atm)、温度(20〜
150K)に冷却する構成よりなることが好ましい。
温恒温装置の構成について記載したもので、生成された
超臨界ガスの低温保持のための冷熱源と前記超臨界生成
室を内蔵する真空断熱容器と、減圧手段と加熱手段とよ
り構成し、圧力0〜80atmのもとに温度を20〜1
50Kに冷却する構成にし、前記冷熱源に1段目80
K、2段目20Kの冷却をするGM冷凍機より構成す
る。
スターゲットの製造装置における真空断熱容器は、前記
超臨界生成室を囲繞し外部から熱輻射を断つ輻射シール
ドを設け、該輻射シールドの外側と上部構造体の外筒の
間に設けた真空層と、より構成する。
スターゲットの製造装置において、前記超臨界生成室の
下部に設けられスラッシュガスを生成する減圧室は、前
記超臨界ガスの三重点圧力以下の圧力で構成するのが良
く、この場合には、図3に見るように、三重点以下の圧
力での放出の過程により、放出される超臨界ガスは1
6.2atm、38.2K)の臨界点50より、重水素
ガスの三重点圧力(0.16908atm)以下の圧力
に減圧された減圧室にノズルを介して噴射されるが、前
記臨界ガスはその間、矢印Aに沿う断熱自由膨張(ジュ
ール・トムソン膨張)による冷却効果により、「固+気
体」域51を形成する減圧室内でクラスタ/スラッシュ
重水素を生成する。
スターゲットの製造装置において、該装置に設けられた
熱絶縁手段は、前記ガス放出用ノズル(パルス電磁弁を
含む)の周囲に設けた熱遮蔽のための75〜80Kの放
出部輻射シールドと、超臨界生成室の下端とガス放出用
のパルス電磁弁との間のガス導入配管に設けた熱侵入遮
断用断熱ベローと、前記ガス放出用のパルス電磁弁に設
けたサーマルアンカと、より構成するのが良い。
スターゲットの製造装置において、該装置に設けた熱遮
蔽は、前記放出部輻射シールドに加え、パルス電磁弁及
びガス導入配管の周りに設けた多層断熱層よりなるスー
パインシュレーションよりなる構成が良い。
施の形態を例示的に説明する。但しこの実施の形態に説
明されている構造部品の寸法、材質、形状、相対位置な
どは特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲を
それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎ
ない。図1は本発明の極低温クラスタ/スラッシュガス
ターゲットの製造装置の概略構成を示す断面図で、図2
は図1の極低温クラスタ/スラッシュガスターゲットの
製造装置を組み込んだガスジェットシステム図である。
タ/スラッシュガスターゲットの製造装置は、超臨界ガ
スを生成する超臨界生成室12と超臨界状態を形成する
GM冷凍機のディスプレーサ11等を備えた上部構造物
10と、形成された超臨界ガスよりスラッシュガスを生
成するスラッシュガス生成用の減圧室20と、前記上部
構造物10とスラッシュガス生成用の減圧室20との間
に設けられた熱絶縁手段16とより構成する。
と、超臨界ガスをスラッシュガス生成用の減圧室へ放出
するノズル付きパルス電磁弁13と、前記超臨界生成室
に超臨界状態を形成するGM冷凍機のディスプレーサ1
1とよりなる。上記GM冷凍機のディスプレーサ11
は、超臨界生成室12を囲繞する輻射シールド15と、
該輻射シールド15の外側に設けた真空断熱容器14
と、前記輻射シールド15に連設する高温側ヘッド11
a(80K)と、前記超臨界生成室12の上部に連設す
る低温側ヘッド11b(20K)とを備える構成とす
る。
は、前記上部構造物10の下部に設けた円筒状真空容器
よりなり、その側面に円筒軸芯に直角に卓上用レーザの
レーザビーム照射口21(監視窓も兼用)を設ける構成
にしてある。
上部構造体10との間の熱絶縁を行うもので、前記パル
ス電磁弁13と前記超臨界生成室12の下部とを接続す
る導入配管13aを支持する盤状FRPサポート17
と、該サポート17と上部構造物10の下部フランジと
に設けた液体窒素による放出部輻射シールド16a(8
0K)と、前記導入配管13aに設けた断熱ベロー16
bと、パルス電磁弁13に設けたサーマルアンカ16c
とより構成する。なお、前記サーマルアンカ16cは熱
容量の大きい電磁弁の急速冷却のために前記導入配管の
低温部位より冷熱を導入するようにしたものである。
ルス電磁弁13と超臨界生成室12との間を結ぶ導入配
管13aとの間に図示していない多段断熱層よりなるス
ーパインシュレーションを設けてある。また、温度可変
操作には、前記GM冷凍機のディスプレーサ11の低温
側ヘッド11bと超臨界生成室12との間に設けられた
ヒータにより、超臨界生成室のガス温度が所定温度に到
達した後はガスが固化しないように温度調整を行うよう
にしてある。
ュガスターゲットの製造装置を組み込んだガスジェット
システム図である。図1、図2に見るように、本システ
ムは、GM冷凍機のディスプレーサ11を含む上部構造
物10と、該構造物に熱絶縁手段を介してその下部に連
設したレーザビーム照射口を備えたスラッシュガス生成
用の減圧室20とよりなる本体装置に、スラッシュガス
生成用のガスを送出する高圧ガスボンベ22と、真空排
気用の真空ポンプ23a、23bと、輻射シールド用寒
剤供給源である液体窒素デュワ24と、GM冷凍機のH
eコンプレッサ18とより構成する。
たはフェムト秒中性子ビーム用スラッシュガスターゲッ
トの生成の場合は、高圧ガスボンベ22より真空ポンプ
23aで真空排気した系内へガスを導入置換し、ついで
輻射シールド15に液体窒素を流し、ついで、図示しな
い減圧弁で圧力調整をして任意の圧力(0〜80at
m)を設定するとともに、GM冷凍機のディスプレーサ
11の低温側ヘッド11bで冷却されている超臨界生成
室12へ導入し、臨界温度以下に冷却する。ついで、ス
ラッシュガス生成用の減圧室20を真空ポンプ23bで
真空排気をし、所定の三重点圧力以下に減圧する。上記
超臨界生成室12で超臨界状態になった超臨界ガスは下
部に取り付けたパルス電磁弁13を介してスラッシュガ
ス発生用の減圧室20へ断熱自由膨張させて固液二相の
スラッシュ状クラスタよりなるスラッシュガスターゲッ
トを生成させ、ついでレーザビーム照射口21よりレー
ザビームの照射がなされる。
される密度は、重水素の場合86.67kg/m3の値
が得られ、従来の重水素・ミストをターゲットとした場
合の密度0.125kg/m3に比較し格段の差があ
り、そのためレーザビームの照射により、フェムト秒電
子ビームやフェムト秒中性子ビームは高品質のものが得
られ、これまで速すぎて可視化出来なかった原子・分子
・電子の動画像化ができるとともに、カスケード照射損
傷のその場観察が可能となる。
する。スラッシュガスの生成に際して、超臨界ガスの形
成より断熱自由膨張を介して行うことにより、固液二相
のスラッシュ状流体を得る構成としたため、高密度の球
状クラスタ状ターゲットを得ることが出来、上記ターゲ
ットにより高品質のフェムト秒電子ビームやフェムト秒
量子ビームを得ることができ、従来速すぎて可視不可能
であった物理・化学現象の観察が期待出来る。
ーゲットの製造装置の概略構成を示す断面図である。
ゲットの製造装置を組み込んだガスジェットシステムの
系統図である。
臨界ガスがパルス電磁弁を介してスラッシュガス生成用
減圧室への断熱自由膨張を行う過程での固液二相スラッ
シュ状態で排出する状況を示す図である。
に鑑みなされたもので、12TW、50fs卓上レーザ
システムより、フェムト秒レーザビーム(12TW、5
0fs)をターゲットに打ち込み、上記航跡場砕破に誘
起されるフェムト秒電子ビームの効率的発生と、または
前記レーザビームの打ち込みにより発生したD+D核融
合反応を介してのフェムト秒中性子ビームの効率的発生
を可能とすべく、ターゲット部材の密度向上を図った、
極低温クラスタ/スラッシュガスターゲットの製造方法
とその装置の提供を目的とするものである。なお、本発
明の一部は、文部科学省委託事業の「小型加速器実証制
作・普及事業」によるものである。
Claims (12)
- 【請求項1】 レーザプラズマカソード方式によるフェ
ムト秒電子ビームの効率的発生を可能とするスラッシュ
ガスターゲットの生成方法であって、 超臨界生成室に充填したガスを超臨界状態に加圧冷却
し、ついで前記超臨界ガスを弁を介して前記ガスの三重
点圧力以下の減圧室へ放出させ、極低温の固液二相スラ
リ状流体よりなるターゲットを形成したことを特徴とす
る極低温クラスタ/スラッシュガスターゲットの製造方
法。 - 【請求項2】 重水素D+D反応を使用したフェムト秒
中性子ビームの効率的発生を可能とするスラッシュガス
ターゲットの生成方法であって、 超臨界生成室に充填した重水素を超臨界状態に加圧冷却
し、ついで前記超臨界状態の重水素を弁を介して前記ガ
スの三重点圧力以下の減圧室へ放出させ、極低温の固液
二相重水素流体よりなるターゲットを形成したことを特
徴とする極低温クラスタ/スラッシュガスターゲットの
製造方法。 - 【請求項3】 前記減圧室への放出は断熱自由膨張によ
り行うようにしたことを特徴とする請求項1、若しくは
請求項2記載の極低温クラスタ/スラッシュガスターゲ
ットの製造方法。 - 【請求項4】 前記ガスは、Ar、またはN2、または
H2、またはD2であることを特徴とする請求項1記載
の極低温クラスタ/スラッシュガスターゲットの製造方
法。 - 【請求項5】 ガス供給源よりガスの供給を受けて、フ
ェムト秒極短ビーム発生用のスラッシュガスターゲット
の生成装置において、 供給されたガスを冷却して超臨界状態にする超臨界生成
室と、その下部に設けた臨界ガス放出用の弁と、超臨界
状態を形成する低温恒温装置とよりなる上部構造体と、 該上部構造体の下端に熱絶縁手段を介して設けたスラッ
シュガスを生成する減圧室と、前記熱絶縁手段と、前記
減圧室の周囲に設けた熱遮蔽手段とより構成したことを
特徴とする極低温クラスタ/スラッシュガスターゲット
の製造装置。 - 【請求項6】 前記ガス放出用の弁はノズル付きパルス
電磁弁よりなり、放出ガスを断熱自由膨張させる構成と
したことを特徴とする請求項5記載の極低温クラスタ/
スラッシュガスターゲットの製造装置。 - 【請求項7】 前記低温恒温装置は、真空断熱容器と冷
熱源よりなり、温度可変型のクライオスタットを介し
て、圧力(0〜80atm)、温度(20〜150K)
に加圧冷却保持する構成としたことを特徴とする請求項
5記載の極低温クラスタ/スラッシュガスターゲットの
製造装置。 - 【請求項8】 前記真空断熱容器は、前記超臨界生成室
を囲繞し外部から熱輻射を断つ輻射シールドを設け、該
輻射シールドと上部構造体の外筒の間に設けた真空層
と、より構成したことを特徴とする請求項7記載の極低
温クラスタ/スラッシュガスターゲットの製造装置。 - 【請求項9】 前記減圧室は、前記ガスの三重点圧力以
下の圧力で構成したことを特徴とする請求項5記載の極
低温クラスタ/スラッシュガスターゲットの製造装置。 - 【請求項10】 前記熱絶縁手段は、前記ガス放出用の
パルス電磁弁の周囲に設けた熱遮蔽のための75〜80
Kの放出部輻射シールドと、 前記超臨界生成室の下端とガス放出用のパルス電磁弁と
の間を接続するガス導入配管に設けた断熱ベローと、前
記パルス電磁弁に設けたサーマルアンカと、より構成し
たことを特徴とする請求項5記載の極低温クラスタ/ス
ラッシュガスターゲットの製造装置。 - 【請求項11】 前記熱遮蔽は、前記放出部輻射シール
ドに加え、パルス電磁弁及びガス導入配管の周りに設け
た多層断熱層よりなるスーパインシュレーションを設け
たことを特徴とする請求項5記載の極低温クラスタ/ス
ラッシュガスターゲットの製造装置。 - 【請求項12】 前記請求項1に記載したターゲットが
数nmから数μmまでのターゲットであることを特徴と
する請求項1記載の極低温クラスタ/スラッシュガスタ
ーゲットの製造方法。
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JP2002143821A JP3879990B2 (ja) | 2002-05-17 | 2002-05-17 | スラッシュガスターゲットの製造方法とその装置 |
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Publication Number | Publication Date |
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