JP6532408B2 - パルス磁場によりレーザープラズマを磁化するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、パルス磁場によりレーザープラズマを磁化するための装置に関する。

より具体的には、本発明は、真空チャンバーを備える、パルス磁場によりレーザープラズマを磁化するための装置に関する。該真空チャンバー内に、ターゲットとレーザーパルスとの相互作用の間、レーザープラズマを生成することが出来るターゲットが置かれる。該装置は、レーザープラズマ内にパルス磁場を発生させるために電気的に給電される巻き線を備える。

高出力レーザーパルスと固体又は気体状ターゲットとの間の相互作用がプラズマ、一般にレーザープラズマと呼ばれる、を生成することを可能にすることは従来技術において公知である。このプラズマの生成は、荷電粒子の強力なビームの放射を伴う。

そのようなビームは、多数の応用、例えば物理現象の探査、慣性核融合または強力な放射光の発生などを有している。

レーザープラズマを生成するために、レーザーパルスは高強度でなければならず、且つターゲット上の小さな横サイズの焦点スポットに集束されなければならない。したがって、真空チャンバーを準備する必要があり、少なくともレーザーパルスの終端区間において、該パルスの高強度かつ小さな横サイズは、その経路に置かれた何らかの気体、特に環境空気をイオン化する傾向をもち、レーザー光学系への損傷のリスク、レーザーパルスからの出力の損失、および近くにいる人を危険に曝すことにつながる。

そのような強力な荷電粒子ビームは、通常は大きく発散し、前述した応用においてそれらを集束できることが望まれる。

レーザープラズマ内に高強度パルス磁場を生成することは、荷電粒子ビームの焦点が改善されることを可能にし、荷電粒子はすると該磁力線の周りの回転運動をさせられ、この運動は通常ラーモア半径により特徴付けられることが知られている。

O.V. Gotchev 達による文献「Laser-driven Magnetic-FluxCompression in High-Energy-Density Plasmas（高エネルギー密度プラズマ内のレーザー駆動磁束圧縮）」（Physical Review Letters, vol. 103, 215004）は、パルス磁場でレーザープラズマを磁化するための例示的な装置であって、真空チャンバー内に、ターゲットの両側に且つターゲットに非常に近接して置かれた複数のコイルを備えており、該コイルはこうして、十分に大きな電流、約８０ｋＡの電流がそれを通して流されるときに、該ターゲット内に５〜９テスラの磁場を生成するのに適している装置を記載している。

そのような装置は、幾つかの欠点を有している。

該コイルを通る電流の流れにより生み出される熱は、それらの破壊に導き、従ってコイルをレーザーが発射される毎に取り換えることが必要である。従って該レーザーが発射されうる速度は、低下させられる。

コイルの破壊は、レーザーパルス集束用光学系、それら自体はまた一般的に真空チャンバー内に置かれている、を損傷するかもしれず、極く少なくとも真空チャンバーを頻繁にクリーニングすることを暗示している。

瞬間的な磁場は、コイルを通して流れる電流を測定し、その後コイルの形状を考慮して計算を適用することにより決定されるので、該磁場が生成されるにつれて該コイルが徐々に破壊されることは、該磁場の計算を信頼の置けないものにする。なぜなら該コイルの形状が、予測の困難な仕方で時間と共に変化するからである。

該パルス磁場の最大の持続時間及び最大の強度は、コイルの破壊により制限され、そのような装置で１０テスラを超え且つ３００ナノ秒を超えるパルス磁場を生成することは困難である。

該コイルを通して流れる高電流は、コイルへの電力供給が真空チャンバー内で電気アークを発生させるのを防ぐために、真空用に特別に設計された電気的リード線（「真空フィードスルー」）が用いられなければならないことを意味している。

したがって、上述した問題の少なくとも幾つかを解決するところの、パルス磁場によりレーザープラズマを磁化するための装置に対する必要性がある。

この目的のために、本発明に従うと、パルス磁場によりレーザープラズマを磁化するためのそのような装置は、巻き線が冷却用流体を容れるリエントラントチャンバー内に置かれていることで特徴付けられる。

これらの構成のお陰で、パルス磁場によりレーザープラズマを磁化するための装置は、３００ナノ秒を超える持続時間で、１０テスラを超え、４０テスラまでの及びそれを超える範囲のパルス磁場を生成することができ。それにより荷電粒子ビームがより良く集束されることを可能にする。この焦点は、さらに長時間安定に保たれうる。

該レーザーの発射速度は、レーザーの各発射の後に巻き線要素を変更することがもはや必要でないので、増加されうる。

光学系、該チャンバーの要素、及び人への損傷のリスクは、減らされる。

レーザープラズマ内に生成された磁場は、正確にかつ信頼度高く決定され且つ制御されうる。

該巻き線に電力を供給するために、特別の真空リード線を用いる必要はない。

本発明の好ましい実施態様において、頼みは、任意的にさらに、以下の構成の１及び／又は他へなされうる：
− 該リエントラントチャンバーは、２つの軸方向端部を備えている軸方向真空貫通導管を備え、該軸方向端部の各々は該真空チャンバーと連絡している；
− 該巻き線は、該軸方向真空貫通導管を取り巻くコイルを少なくとも１つ備えている；
− 該巻き線は、該軸方向真空貫通導管を取り巻く２つのコイルを備え、上記コイルは中央プレートにより分離されている；
− 該リエントラントチャンバーはさらに、２つの半径方向端部を備えている半径方向真空貫通導管を少なくとも１つ備え、該半径方向端部の各々は該真空チャンバーと連絡している；
− 該半径方向真空貫通導管は、該２つのコイルを分離する中央プレート内に置かれている；
− ターゲットは、該巻き線の実質的に中央に置かれている；
− 該ターゲットは、該巻き線の実質的に１つの端部に置かれている；
− 該冷却用流体は、気体または低温流体、特に液体窒素または液体ヘリウムである；
− 該リエントラントチャンバーは、低い伝導性の真空‐抵抗物質、特にステンレス鋼を備えている；
− 該パルス磁場は、その強さが、数テスラを超える、好ましくは約１０テスラを超える、さらに好ましくは４０テスラを超える磁場である；
− 該装置はさらに、該レーザープラズマを生成するために、該ターゲットと相互作用することが可能なレーザーパルスを放射するためのレーザー源を備え、かつ該レーザーパルスは、実質的に１ギガワットと１ペタワットの間、特に１テラワットと約１００テラワットの間に含まれる出力を有している；
− 該レーザーパルスは、実質的に１０フェムト秒と約１０ナノ秒の間、特に約１０フェムト秒と約１０ピコ秒の間に含まれる持続時間を有している。

本発明の他の特徴および有利点は、非制限的な例として与えられ且つ添付された図面に関するそれらの複数の実施態様の以下の記載から明らかになるであろう。

本発明の１実施態様に従う装置の図式的な側面図である。 本発明の１実施態様に従う装置の図式的な平面図である。 本発明の別の実施態様に従う装置の図式的な側面図である。 本発明の更に別の実施態様に従う装置の図式的な平面図である。

様々な図において、同一又は類似の要素は、同一の参照符号で指示されている。

図１〜４は、本発明の１の実施態様に従う、パルス磁場によるレーザープラズマを磁化するための装置（１）を示している。

そのような装置（１）は、レーザー源（２）を備えている。このレーザー源（２）は、レーザーパルス（３）を放射することができ、該レーザーパルス（３）は、例えば１平方センチメートル当たり、１ギガワットと１ペタワットの間（パルスが短いかあるいは長いかに依存する）に含まれる、および以下に詳述するように、それが小さなサイズの焦点に焦点を合わされるとき、特に１テラワットと約１００テラワットの間に含まれる、高出力を有している。

このレーザーパルス（３）は、約１０フェムト秒と約１０ナノ秒の間に実質的に含まれる持続時間を有している。それは、例えば数ジュールのエネルギーおよび数ナノ秒の持続時間を有しうる。

別の実施態様において、該レーザーパルスの強度は、より低い、例えば数ミリジュールでありえ、かつ該レーザーパルスの持続時間はまた、より短い、例えば数フェムト秒でありうる。

該レーザー源（２）は、１以上のレーザー発振器および光学要素（２７）、例えばレンズ、結晶、及び／又は回折格子を備えうる。

該レーザーパルス（３）は、伝播方向（Ｘ）に伝播する。

該装置（１）は、真空チャンバー（４）を備え、その中にターゲット（５）と該レーザーパルス（３）との相互作用がある間、レーザープラズマ（６）を生成しうるところの該ターゲット（５）が置かれている。

該ターゲット（５）は、Toncian 達による「Ultrafast laser-drivenmicrolens to focus and energy-select mega-electron volt proton（百万電子ボルト陽子を集束し且つエネルギー選択をするための超速レーザー駆動マイクロレンズ）」(SCIENCE, vol. 312, 21 April 2006)および本明細書において引用された文献に記載されたように、固体、液体または気体状のターゲット、例えば、厚さ１５ミクロンのアルミニウム膜でありうる。

それは、伸展平面（ＹＺ）、例えば該伝播方向（Ｘ）に垂直な平面、内に実質的に延在しうる。

該パルス（３）と該ターゲット（５）の間の相互作用は、光学的焦点合わせデバイスによって、上記パルスを該ターゲット（５）の前面上に、小さなサイズ、例えば最高強度の半値幅（「ＦＷＨＭ」）で約６ミクロンの焦点スポットへと少なくとも部分的に集束することによって得られうる。

該レーザーパルス（３）は、該焦点スポットに位置するターゲット原子をイオン化することによって、該ターゲットの前面にレーザープラズマ（６）を生み出す。

該レーザーパルス（３）は、該ターゲット（５）を加熱し、そして上記ターゲットの電子へ、上記電子の一部分に該ターゲットを通過させえ、そしてそこから背面を介して逃げさせうるところの熱エネルギーの実質的な量を与える。上記背面は、該ターゲットの厚さ方向（Ｘ’）において該前面の反対側の該ターゲットの面であり、上記厚さ方向（Ｘ’）は、例えば該ターゲットの伸展平面（ＹＺ）に実質的に垂直である。

１の実施態様において、ターゲット（５）の厚さ方向（Ｘ’）およびレーザーパルスの伝播方向（Ｘ）は、実質的に共線的である。

別の実施態様において、レーザーの伝播方向（Ｘ）は場合によっては、ターゲットの該厚さ方向（Ｘ’）に対して、例えば４５°以上傾けられよう。

したがって、レーザーパルス（３）は、ターゲット（５）の厚さを通過する電子（３５）の移動を生じさせる。それは、実質的にターゲット（５）の厚さ方向（Ｘ’）に動くようにされた電子ビームを構成する。

背面で該ターゲットの外への延在によって、これら電子は、上記背面に高電場（１テラボルト／メートルのオーダーの）を作りうる。

特に、これら電場は、該背面からイオン（例えば、反対表面でトラップされた不純物）を奪い取るために十分に強く、ひいては荷電粒子ビーム（７）を生み出しうる。

上記荷電粒子（典型的には数ピコクーロンから数ナノクーロンのオーダーの荷電）のエネルギーは、例えば、六十または百メガ電子ボルトもの高さであり、線量は例えば１０^１１〜１０^１３粒子／パルスのオーダーでありうる。電子の場合（気体状ターゲットが使用されるとき）には、該エネルギーは数ギガ電子ボルトに達しうる。

そのようなビーム（７）の１パルスは、例えば、ピコ秒未満、すなわち実質的に第１レーザーパルスの持続時間、継続しえて、かつ発生される電流は、およそ数キロアンペアから数百キロアンペアのオーダーでありうる。

該レーザーパルスによって発生ターゲットの厚みを通って運動するようにされた電子ビームは、発散しうる。したがって、生成された荷電粒子ビーム（７）自体も、同様に発散しうる。

それ故に、上記粒子ビーム（７）を集束することは、これまでに記載されたことを含む多くの応用においてそれを用いうるために必要である。

装置（１）はそれ故にまた、該プラズマレーザー（６）内にパルス磁場（９）を生成しうる巻き線（８）（または電磁石）を備えている。

該パルス磁場（９）は、その強さが数テスラよりも大きい磁場である。

それ故、例えば図１の実施例において、該パルス磁場（９）の強さは、約１０テスラよりもおよび約４０テスラよりも高い。

この仕方において、該粒子ビーム（７）の集束は改善される。

図１の実施例において、該巻き線（８）は、供給ケーブル（２７）により適切な電力供給部（２５）によって電力を供給される。

該電力供給部（２５）は、例えば１６キロボルトの電圧下で、少なくとも５０キロアンペアの、典型的には１００キロアンペアの電流を分配することにより、３０〜５０キロジュールを該巻き線（８）へ分配しうる。

該巻き線（８）は、冷却用流体（１１）を容れるリエントラントチャンバー（１０）内に置かれる。

リエントラントチャンバー（１０）は、該真空チャンバー（４）の実質的に内部へ貫通しているチャンバーである。

図１において、リエントラントチャンバー（１０）は、伝播方向（Ｘ）に直交する垂直方向（Ｚ）に該真空チャンバー（４）を貫通している。

該冷却用流体（１１）は、気体、例えば図１および２の実施態様におけるように空気でありうる。

別の実施態様において、該冷却用流体（１１）は、低温流体、例えば図３の実施態様のように液体窒素、または液体ヘリウムでありうる。どのような別の液体、水、溶媒、または如何なるタイプの油も、該電磁石と直接接触させられ、またはさせられないで用いられうる。

該冷却流体（１１）は、該巻き線（８）が冷却されることを可能にするために、該巻き線（８）と接触させられるように置かれうる。

別の実施態様として、第２の冷却用流体が流れるようにされているところのキャピラリー管（毛細管）が、該巻き線（８）と接触するように置かれうる。

この別の実施態様においては、該リエントラントチャンバーは、冷却用流体（１１）、例えば空気を収容しうる。

図１〜４に示された実施態様において、該ターゲット（５）は、実質的に該巻き線（８）の中央に置かれうる。

別の実施態様として、該ターゲット（５）は、実質的に該巻き線（８）の一端に置かれうる。この仕方で、該ターゲット（５）は、より容易にアクセス可能になる。

図１の実施態様において、該リエントラントチャンバー（１０）は、軸方向導管（１２）を備えている。

該軸方向導管（１２）は、真空貫通導管である。

それは、２つの軸方向端部（１３、１４）を備え、各々は真空チャンバー（４）と連絡している。

図１の実施例において、該軸方向導管（１２）は、その２つの軸方向端部（１３、１４）の間に、実質的に伝播方向（Ｘ）に延在している。

該軸方向導管（１２）は、該レーザーパルス（３）によって通過されるように該レーザーの軸上で該真空チャンバー内に置かれている。

このように図１に示された実施態様において、該ターゲット（５）は、該軸方向導管（１２）内に置かれ、かつ、例えば該軸方向導管（１２）の実質的に中央に置かれている。

図１の実施例において、該巻き線（８）は、該軸方向真空貫通導管（１２）を取り巻く２つのコイル（１５、１６）を備えている。

別の実施態様として、図３の実施態様に示されたように、単一のコイル（１５）が、備えられてもよい。

２つのコイル（１５、１６）が備えられる実施態様において、該コイルは、中央プレート（１７）により分離されうる。

該中央プレート（１７）は、該巻き線（８）により生成された磁気圧力を阻止する（contain）ように設計される。

該中央プレート（１７）は、例えばエポキシ樹脂のシート、例えばステンレス鋼で作られたプレートの片側又は両側に接着接合されたエポキシ樹脂のシートで絶縁されたステンレス鋼で作られている。

該中央プレートは、例えば該軸方向導管（１２）の実質的に中央に置かれうる。

該中央プレートは、例えば実質的に該ターゲット（５）の高さに置かれうる。

より特には図２に示された１の実施態様において、該リエントラントチャンバー（１０）は、さらに少なくとも１つの半径方向真空貫通導管（１８）を備えている。

該半径方向導管（１８）は、２つの軸方向端部（１９、２０）を備え、各々は真空チャンバー（４）と連通している。

図１の実施態様において、半径方向導管（１８）は、該伝播方向にかつ該垂直方向（Ｚ）に実質的に直交しているところの、実質的に横方向（Ｙ）でその２つの軸方向端部（１９、２０）の間に延在している。

図１〜４の実施態様において、該半径方向導管（１８）は、交差帯域（２１）において該軸方向導管（１２）を横断する。

該半径方向導管（１８）は、例えば該軸方向導管（１２）の実質的に中央に置かれうる。

該半径方向導管（１８）は、例えば実質的に該ターゲット（５）の高さに置かれうる。

図１の実施例において、該交差帯域（２１）は、実質的に、該軸方向導管（１２）の中央に且つ該ターゲット（５）の高さに置かれている。

このようにして、該レーザープラズマ（６）を診断するための装置（２５）は、図４の実施態様に示されたように、該半径方向導管（１８）によって該レーザープラズマに接近しうる。

そのような診断装置（２５）は例えば、該レーザープラズマ（６）を通過でき、かつ放射され、かつモジュール（２７）により集められることができる少なくとも１つのレーザービーム（２６）を備えている。

図１に示された実施態様において、該半径方向真空貫通導管（１８）は、２つのコイル（１５、１６）を分離している該中央プレート（１７）内に置かれている。

こうして、該半径方向導管（１８）によって該パルス磁場内に作られる磁気的不連続性は、最小化される。

該軸方向及び半径方向導管（１２、１８）は、１のまたはそれ以上の各々のレーザービームの空間的な足跡を容れるのに十分大きな直径および角開口で寸法を取られる。

該リエントラントチャンバー（１０）の要素および特に中央プレート（Ｇ）は、磁性でない又は強い磁性ではない、且つ該磁気圧力および真空に抵抗するのに十分に機械的に強い、且つ誘導による損失が過度に高くない十分に電気的に非伝導性である１の物質、場合によっては複合物、‐例えばステンレス鋼‐で少なくとも部分的に作られている。

該真空チャンバー（４）は、上記粒子ビーム（７）が該真空チャンバーを出るのを可能にする窓（２２）を装備しうる。

該真空チャンバー（４）は、周辺の粒子又は放射が該装置の出口で止められることを可能にするコリメータ（２３）を装備しうる。

該真空チャンバー（４）は、放射を止めるための、例えば高原子番号の物質、例えば鉄、鉛またはウラニウムを含むモジュールを装備しうる。

該真空チャンバー（４）はまた、該荷電粒子ビームが類似の伝播方向を有する放射から分離されることを可能にするビーム偏向モジュール、例えば磁場に基づく偏向モジュールを装備しうる。

該真空チャンバー（４）は、１以上の真空ポンプ（２４）により真空下に置かれ真空に維持される。

１ 装置
２ レーザー源
３ レーザーパルス
４ 真空チャンバー
５ ターゲット
６ レーザープラズマ
７ 荷電粒子ビーム
８ 巻き線
９ パルス磁場
１０ リエントラントチャンバー
１１ 冷却用流体
１２ 軸方向導管（軸方向真空貫通導管）
１３，１４ 軸方向端部
１５，１６ コイル
１７ 中央プレート
１８ 半径方向導管（半径方向真空貫通導管）
１９、２０ 半径方向端部
２１ 交差帯域

Claims (13)

1. パルス磁場によりレーザープラズマを磁化するための装置であって、
   ターゲット（５）とレーザーパルス（３）との相互作用がある間、レーザープラズマ（６）を生成しうるところの該ターゲット（５）がその中に置かれるところの真空チャンバー（４）、および、
   パルス磁場（９）を該レーザープラズマ内に生成するために電気的に給電されうるところの巻き線（８）、
   を備え、
   該巻き線が、該真空チャンバー（４）の実質的に内部へ貫通しているリエントラントチャンバー（１０）内に置かれ、かつ該リエントラントチャンバー（１０）は冷却用流体（１１）を収容している、ここで、該リエントラントチャンバー（１０）は、２つの軸方向端部（１３、１４）を備える軸方向真空貫通導管（１２）を備え、該軸方向端部の各々は、該真空チャンバー（４）と連絡していることを特徴とする、
   上記装置。
2. 該巻き線（８）は、該軸方向真空貫通導管（１２）を取り巻くコイル（１５）を少なくとも１つ備えている、請求項１に記載の装置。
3. 該巻き線（８）は、該軸方向真空貫通導管（１２）を取り巻く２つのコイル（１５、１６）を備え、前記複数のコイルは、中央プレート（１７）により分離されている、請求項１または２に記載の装置。
4. 該リエントラントチャンバー（１０）はさらに、２つの半径方向端部（１９、２０）を備える半径方向真空貫通導管（１８）を少なくとも１つ備え、該半径方向端部の各々は、該真空チャンバー（４）と連絡している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 該半径方向真空貫通導管（１８）は、該２つのコイル（１５、１６）を分離する中央プレート（１７）内に置かれている、請求項３に従属するときの請求項４に記載の装置。
6. 該ターゲット（５）は、該巻き線（８）の実質的に中央に置かれている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 該ターゲット（５）は、該巻き線（８）の実質的に１つの端部に置かれている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
8. 該冷却用流体（１１）は、気体または流体である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 該冷却用流体は、液体窒素または液体ヘリウムである、請求項８に記載の装置。
10. 該リエントラントチャンバー（１０）は、ステンレス鋼を備えている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
11. 該パルス磁場（９）は、その強さが、約１０テスラを超える磁場である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. さらに、該レーザープラズマ（６）を生成するために、該ターゲット（５）と相互作用することが可能なレーザーパルス（３）を放射するためのレーザー源（２）を備え、かつ該レーザーパルスは、１ギガワットと１ペタワットの間に含まれる出力を有している、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 該レーザーパルス（３）は、約１０フェムト秒と約１０ナノ秒の間に含まれる持続時間を有している、請求項１２に記載の装置。
    

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