Brevet FR2124573A1 — publié le 19720922

La présente invention concerne d'une façon générale un appareil thermonucléaire commandé utilisant un laser pour engendrer un plasma dans un champ magnétique de confinement et plus particulièrement un tel apparéil dans lequel le laser est pompé et déclenché de façon rythmée en réponse à la chute d'une pastille devant Être excitée. Différents appareils et différents procédés pour faire tomber des pastilles d'hydrogène ou autres et pour détecter la lumière diffusée par une pastille pour déclencher un laser à un point exact de la chute de la pastille sont connus, de la façon illustrée par l'article publié dans The Review of Scientific Instruments, Vol. 39, N° 11, Novembre 1968, pages 1697-1700, et par Physics Letters, Vol. 25A, N° 6, 25 Septembre 1967, pages 486 et 487. Ces appareils et procédés connus sont compliqués et coûteux, et il est par suite nécessaire d'obtenir un dispositif et un procédé simples, mais efficaces pour déclencher de façon rythmée un laser pour la création et pour le chauffage d'un plasma. La présente invention répond aux besoins de la technique pour la réalisation d'un générateur de plasma simple et efficace dans lequel des pastilles d'hydrogène ou d'une matière analogue, tombent dans un champ magnétique de confinement le long d'un faisceau de laser fonctionnant de façon continue dirigé verticalement. La lumière diffusée par une pastille est détectée pour pomper et déclencher un dispositif à laser de grande puissance ayant un foyer coïncidant avec le faisceau du laser à marche continue. Le système de détection et de déclenchement selon l'invention peut fonctionner sur une longue distance de la chute de la pastille, c'est-à-dire de l'extérieur du champ magnétique jusqu'au centre du champ. La présente invention a par suite pour objet une source de plasma excitée par un laser. L'invention a aussi pour objet une source de plasma excitée par un laser dans laquelle une pastille d'une matière convenable tombe dans un champ magnétique de confinement le long d'un faisceau de laser dirigé verticalement, et est excitée à une grande énergie par un laser de grande puissance qui est pompé et déclenché en réponse à la présence de la pastille juste au-dessus d'un foyer coïncidant avec le faisceau du laser dirigé verticalement. L'invention a aussi pour objet un appareil générateur d'énergie thermonucléaire commandé utilisant un laser pour l'excitation d'un plasma dans un champ magnétique de confinement. L'invention a aussi pour objet un tel appareil dans lequel le laser est pompé et déclenché en réponse à la détection de la lumière dif 72 04196 2 2124573 fusée du fait de la chute d'une pastille telle qu'une pastille d'hydrogène à l'état solide devant être excitée par le laser. L'invention a aussi pour objet un tel appareil dans lequel le dispositif détecteur peut opérer sur une longue distance de chute 5 de la pastille, c'est-à-dire de l'extérieur du champ magnétique au centre du champ. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé sur lequel : 10 - la figure 1 représente schématiquement un système dans lequel des pastilles à l'état solide d'hydrogène ou d'une matière analogue tombent dans un champ magnétique de confinement et sont excitées par un laser de grande puissance, selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, et - la figure 2 représente schématiquement un appareil détecteur et de 15 déclenchement pour le système de la figure 1, selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. La présente invention concerne un appareil pour exciter des pastilles à l'état solide d'hydrogène ou d'une matière analogue au moyen d'un faisceau focalisé d'un laser. La pastille tombe dans un champ magné-20 tique de confinement, et elle est excitée à son passage en un point central à l'intérieur du champ. Le faisceau du laser traverse un système de lentilles disposé à l'extérieur du champ de façon que son foyer se trouve au point central à l'intérieur du champ. Il est par suite nécessaire de déclencher le laser au moment où la pastille passe par le foyer. 25 La figure 1 représente un tel appareil selon un mode de mise en oeuvre de l'invention qui comporte un mécanisme d'alimentation 10 en pastilles d'hydrogène qui fait tomber sélectivement des pastilles d'hydrogène à l'état solide devant Être excitées à partir de l'extrémité inférieure d'un mécanisme non représenté, les pastilles tombant par gravité le long 30 d'une ligne 11 dans un champ magnétique de confinement 12 produit par des enroulements non représentés. Deux collimateurs 13 et 14 sont positionnés le long de la ligne 11 de chute des pastilles pour éliminer toutes les pastilles non exactement alignées sur le foyer 15 situé au point central à l'intérieur du champ magnétique 12, le foyer 15 étant celui l'un système de 35 lentilles ou d'un dispositif optique ou autre convenable, indiqué en 16, pour diriger un faisceau de laser 17 d'un laser de grande puissance 18 vers le centre du champ magnétique 12. Il est ainsi facile de voir que, quand une pastille du mécanisme d'alimentation 10 tombe le long de la ligne 11 72 04196 3 2124573 à travers les collimateurs 13 et 14 et passe par le foyer 15 situé au centre du champ magnétique de confinement 12, elle est excitée par le faisceau 17 du laser de grande puissance ayant traversé le système optique réglable 16 à partir du laser 18. 5 Un appareil selon l'invention pour détecter la chute de la pastille d'hydrogène et pour déclencher en temps voulu ou d'une façon rythmée le laser 18 est représenté sur la figure 2, cet apareil détectant la présence d'une pastille juste au-dessus du foyer 15 pour laisser le temps voulu pour le pompage du laser afin qu'il puisse être déclenché -10 juste au moment de l'arrivée de la pastille au foyer. Typiquement, à titre d'exemple, le foyer a un diamètre de 100 microns et la pastille un diamètre de 50 microns, de sorte qu'une commande très précise est nécessaire. La figure 2 est une coupe schématique contenant le centre du champ magnétique de confinement 12. '15 Un laser fonctionnant de façon continue 19 projette un faisceau 20 à travers un système optique ou de lentilles 21 dans une direction verticale précise passant par le foyer 15, les collimateurs 13 et 14 et l'ouverture 22 du mécanisme d'alimentation en pastilles 10 à partir duquel les pastilles tombent par gravité le long de la ligne 11. Quand une pastille 20 tombant est éclairée par le laser 19, une partie de la lumière du laser 19 est diffusée par la pastille et traverse les systèmes optiques ou objectifs indiqués en 23 et 24. Quand la pastille-se trouve juste au-dessus du foyer 15, de la façon indiquée en 25, la lumière diffusée par la pastille, indiquée par le faisceau 26, traverse l'objectif 23, un collimateur ou une fente 27 et est 25 détectée par un tube photomultiplicateur 28 ou un autre dispositif détecteur convenable. Le signal résultant du photomultiplicateur 28, indiqué en 29, déclenche un circuit de commande de pompage 30 qui produit un signal 30' pour activer le laser 18. Quand la pastille atteint le foyer 15, la lumière diffusée par la pastille, indiquée par le faisceau 31, traverse l'objectif 24, 30 une seconde fente ou un collimateur 32 et est détectée par un tube photomultiplicateur 33 ou un autre détecteur convenable, et le signal du tube, indiqué en 34, excite un circuit de commande de déclenchement 35 produisant un signal 35' pour le déclenchement du laser 18 pour la production d'un faisceau sortant 17 traversant un système de lentilles 16 et frappant la pastille au 35 foyer 15 avec transfert à la pastille d'énergie maximale afin de provoquer la combustion thermonucléaire de la pastille. Il est ainsi apparent que l'alignement du faisceau de lumière 20 du laser à fonctionnement continu 19 le long de la ligne de chute par gravité des pastilles provenant du mécanisme d'alimentation 10 et passant 40 par le foyer 15 doit être établi avec précision, et aussi que le foyer du 72 04196 4 2124573 système optique 16 doit Être établi avec précision pour que le maximum d'énergie du faisceau 17 du laser de grande puissance 18 soit transféré à la pastille tombant à son passage par le foyer 15. Un procédé pour positionner avec précision le faisceau 20 sur la ligne de chute par gravité 11 des pastilles consiste à positionner au-dessus du faisceau 20 des plaques de verre plates parallèles avec des dispositifs de réglage pour la mise de niveau dans deux plans et à placer sur ces plaques un récipient contenant de l'huile de ricin afin que deux faisceaux réfléchis soient produits par le faisceau 20, l'un résultant de l'interface verre-air et l'autre de l'interface huile-air. En réglant ensuite les niveaux des plaques de verre et Le niveau du laser 19, qui est placé sur un support plat de niveau, ces faisceaux réfléchis sont réglés ponctuellement sur le faisceau 20. Ce résultat est obtenu en positionnant , une plaque comportant un petit trou à cOté du laser 19 sur le passage du faisceau 20, les faisceaux réfléchis tombant initialement sur la plaque et étant ensuite réglés pour être réfléchis directement dans le petit trou afin que le faisceau 20 soit aligné verticalement le long de la ligne de chute par gravité 11 suivie par une pastille devant être excitée. Une fois le faisceau de laser fonctionnant de façon continue 20 aligné avec précision verticalement sur la ligne de chute par gravité des pastilles, l'étape suivante consiste à déterminer le foyer 15 du système optique 16 pour que le faisceau 17 du laser de grande puissance 18 frappe une pastille arrivant au foyer situé au centre du champ magnétique 12. Ce résultat est obtenu en aligant le faisceau 17 approximativement sur le centre du champ 12, en plaçant une feuille mobile de métal mince, par exemple en acier inoxydable, suivant un angle de 45° par rapport au faisceau 17 et en excitant par impulsions le laser 18 pour brûler un trou dans la feuille. La feuille est ensuite déplacée légèrement pour présenter une nouvelle surface et le systhème optique 16 est réglé, après quoi le laser est à nouveau déclenché pour former un autre trou dans la feuille. Cette série de réglages minimes est poursuivie jusqu'à ce que le trou le plus petit soit formé dans la feuille, indiquant ainsi que le foyer du système optique 16 se trouve sur la ligne de chute par gravité, ce foyer étant le point de plus grande concentration de l'énergie du faisceau 17 du laser. Quand le foyer 15 a été positionné, l'alignement du laser 19 pour que le faisceau 20 passe par le foyer 15 est obtenu en maintenant la?, feuille de métal mince ayant le trou désiré positionné au foyer et en déplajant le laser 19 sur son support plat de niveau et en réglant le système optique 21 jusqu'à ce que le faisceau 20 passe exactement à travers le trou de la feuille mince et par suite par le foyer 15. 72 04196 5 2124573 Le passage du faisceau 20 du laser 19 à travers le trou de la feuille mince situé au foyer 15 diffuse la lumière de sorte que le photomultiplicateur 33 peut être réglé pour déclencher le laser 18 quand une pastille tombant arrive au foyer. Le photomultiplicateur 28 est alors réglé pour détecter la pastille au point désiré 25 juste au-dessus du foyer pour provoquer le pompage du laser 18 en préparation à son déclenchement. Quand le système a été aligné de la façon décrite, la feuille mince est enlevée, et le système représenté sur la figure 2 est prêt à fonctionner. Bien que le système suivant le mode de mise en oeuvre représenté montre les faisceaux 17 et 20 des lasers envoyés directement à partir des lasers 18 et 19 respectifs, les faisceaux peuvent Être réfléchis par des dispositifs à miroirs ou des dispositifs optiques connus afin que les lasers puissent Être positionnés dans l'espace pour satisfaire aux conditions requises pour différentes applications d'un système selon l'invention. Il résulte de ce qui précède que la présente invention apporte un appareil efficace pour activer et déclencher un laser de grande puissance en réponse à la chute d'une pastille devant Être excitée par le laser, ce qui représente Un progrès important de cette technique. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut Être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 72 04196 b 2124573 REVE N à I C A T I 0 N S 1. Appareil pour créer et chauffer un plasma à l'intérieur d'un champ magnétique en utilisant une pastille tombant excitée par un laser activé et déclenché quand la pastille se trouve au foyer du faisceau du laser, par détection de la chute de la pastille, caractérisée par un dispositif pour 5 faire tomber une pastille devant être excitée dans un champ magnétique de confinement ; un laser de grande puissance, un dispositif positionné entre le laser et le champ magnétique et ayant un foyer situé pratiquement au centre du champ magnétique par l'envoi du faisceau sortant du laser et pour la concentration de ce faisceau au foyer afin que le maximum d'énergie soit 10 transféré du faisceau à la pastille correspondante devant être excitée ■ quand cette pastille se trouve au foyer, un dispositif pour éliminer toutes les pastilles provenant du dispositif faisant tomber les pastilles et non alignées exactement sur le foyer, et un'dispositif pour détecter la chute d'une pastille devant être excitée provenant du dispositif d'alimentation en pastilles 15 et pour activer et déclencher le laser quand la pastille correspondante se trouve au foyer pendant sa chute. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif pour éliminer les pastilles comporte au moins un dispositif collimateur. 20 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif détecteur, d'activation et de déclenchement comporte un laser fonctionnant de façon continue, un dispositif pour diriger le faisceau sortant de ce laser continu à travers le foyer, le dispositif d'alimentation en pastilles et le dispositif provoquant la chute des pastilles , pour éclairer la chute 25 d'une pastille provenant du dispositif d'alimentation en pastilles vers le foyer, et un dispositif pour détecter la lumière du laser continu diffusée par une pastille pour provoquer l'activation et le déclenchement du laser de grande puissance. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le 30 dispositif détecteur de lumière comporte un photomultiplicateur et un dispositif excité par les signaux sortant du photomultiplicateur pour activer et déclencher le laser de grande vitesse. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif photomultiplicateur comporte deux tubes photomultiplicateurs 35 et le signal sortant de l'un des tubes photomultiplicateurs excitant un circuit de commande de pompage provoquant l'activation du laser de grande énergie, et le signal sortant de l'autre tube photomultiplicateur excitant un«circuit 72 04196 7 2124573 de commande de déclenchement provoquant le déclenchement du laser de grande puissance. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif détecteur, d'activation et de déclenchement comporte un 5 dispositif pour éclairer la ligne de chute de la pastille devant être excitée et un dispositif pour détecter la chute d'une pastille pour activer et déclencher le laser de grande puissance. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif détecteur comporte un premier dispositif répondant à la lumière 10 diffusée par une pastille tombant à son passage en un point juste au-dessus du foyer pour provoquer l'activation du laser de grande puissance,et un second dispositif répondant à la lumière diffusée par la pastille arrivant au foyer pour déclencher le laser de grande puissance. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le 15 premier dispositif comporte un dispositif photomultiplicateur pour détecter la lumière- diffusée et un dispositif d'activation pour le pompage du laser de grande puissance, et le second dispositif comporte un dispositif photomultiplicateur pour détecter la lumière diffusée et un dispositif d'excitation pour provoquer le déclenchement du laser de grande puissance. 20 9. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif détecteur comporte deux tubes photomultiplicateurs, un circuit de commande de pompage du laser connecté entre l'un des tubes photomultiplicateurs et le laser de grande puissance, et un circuit de commande de déclenchement du laser connecté entre l'autre tube photomuTtiplicateur et le laser 25 de grande puissance, le premier tube photomultiplicateur répondant à la lumière diffusée par une pastille tombant passant par un point juste au-dessus du foyer pour exciter le circuit de commande de pompage du laser afin d'activer le laser, et l'autre tube photomultiplicateur répondant à la lumière diffusée par la pastille tombant arrivant au foyer pour exciter le 30 circuit de commande de déclenchement du laser pour provoquer le déclenchement du laser quand la pastille se trouve au foyer. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé par un système de lentilles et un dispositif à fente entre chaque tube photomultiplicateur et le point de chute d'une pastille associée pour détecter 35 celle-ci.