(57)【要約】【課題】高放射線環境に位置する光学素子を交換する新規な方法及びシステムを提供する。【解決手段】システムは、光路に沿ってレーザ光線を送るように動作可能なレーザシステムと、光路に結合された核融合チャンバとを含む。システムはまた、光路に沿ってレーザシステムと核融合チャンバとの間に配設された中性子ピンホールと、光路に沿ってレーザシステムと核融合チャンバとの間に配設された中性子減衰領域とを含む。【選択図】  図１
2014511475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高放射線環境に位置する光学素子を交換する方法であって、
ビームラインの動作を休止させるステップと、
ケーブルを引っ張って前記光学素子を放射線壁を通過させるステップと、
前記光学素子を交換用光学素子と取り替えるステップと、
前記ケーブルを引っ張って前記交換用光学素子を前記放射線壁を通過させるステップと、
前記交換用光学素子をテレスコープの第１の端面に隣接するように位置させるステップと、
前記交換用光学素子を前記テレスコープの前記第１の端面に置くステップと、
前記交換用光学素子をキネマティック要素上に置くステップと、
前記交換用光学素子の光学的位置合わせを確認するステップと、
前記ビームラインの動作を再開させるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
テレスコープをチャンバ圧力まで排気するステップと、
ガスを添加して前記光学素子を前記テレスコープの前記第１の端面から分離するステップと、
をさらに含み、前記交換用光学素子を前記キネマティック要素上に置くステップが、真空引きによって前記交換用光学素子を置くステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記光学素子がレンズを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記レンズがフレネルレンズを備える、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ガスがＸｅガスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記交換用光学素子がレンズを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記レンズがフレネルレンズを備える、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記交換用光学素子を前記テレスコープの前記第１の端面に隣接するように位置させる前記ステップが、キネマティック磁石を使用して前記交換用光学素子を位置させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記キネマティック磁石が、Ｎｄ系磁石又はＳｍ系磁石の少なくとも一方を備える、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記交換用光学素子を前記テレスコープの前記第１の端面に置く前記ステップが、前記テレスコープを真空引きするステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
第１の端部及び第２の端部を有する真空チャンバと、
前記真空チャンバの前記第１の端部に取り付けられ、取付け面を有する光学台と、
前記取付け面に取り付けられたフレネル光学系と、
前記光学台に取り付けられたケーブルと、
前記真空チャンバの前記第２の端部に取り付けられた第２の光学素子と、
を備える光学システム。
【請求項１２】
前記光学台が、第１の中性子束を特徴とする第１の領域に位置し、前記第２の光学素子が、前記第１の中性子束よりも少ない第２の中性子束を特徴とする第２の領域に位置する、請求項１１に記載の光学システム。
【請求項１３】
前記第１の領域が、複数のスリットを含む遮蔽壁によって前記第２の領域から分離される、請求項１２に記載の光学システム。
【請求項１４】
前記ケーブルが、遮蔽壁のスリットを通過して、低減された中性子束を特徴とする領域に達する、請求項１１に記載の光学システム。
【請求項１５】
前記フレネル光学系が石英ガラス光学系を備える、請求項１１に記載の光学システム。
【請求項１６】
光路に沿ってレーザ光線を送るように動作可能なレーザシステムと、
前記光路に結合された核融合チャンバと、
前記光路に沿って前記レーザシステムと前記核融合チャンバとの間に配置された中性子ピンホールと、
前記光路に沿って前記レーザシステムと前記核融合チャンバとの間に配置された中性子減衰領域と、
を備えるシステム。
【請求項１７】
前記核融合システムがレーザ慣性核融合エネルギーチャンバを備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記レーザシステムが、前記核融合チャンバに対して配列された複数のレーザ増幅器モジュールを備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記光路に沿って前記中性子ピンホールと前記核融合チャンバとの間に配設された、少なくとも鏡又は回折格子をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
前記中性子減衰領域が追加の中性子ピンホールを備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２１】
前記光路に沿って中性子ピンホールと前記追加の中性子ピンホールとの間に配設された旋回鏡をさらに備える、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記中性子減衰領域はラビリンスを備える、請求項１６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
[0001]本出願は、参照により開示の全体が本明細書に組み込まれる、２０１１年１月２８日に出願された米国特許仮出願第６１／４３７，１７７号の優先権を主張する。
【政府の資金提供を受けた研究等に基づく発明の権利に関する記載】
【０００２】
[0002]米国政府は、Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙの業務に関する米国エネルギー省とＬａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ＬＬＣとの間の契約第ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４号に基づく本発明の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]米国エネルギー情報局及び現在の気候変動に関する政府間パネル（ＩＰＣＣ）のシナリオによる推定では、全世界の電力需要が２０３０年までに現在の約２テラワット電力レベル（ＴＷｅ）から４ＴＷｅへと２倍になり、２１００年までに８〜１０ＴＷｅに達する。米国エネルギー情報局及び気候変動に関する政府間パネルでは、今後３０年から５０年にわたって発電需要の大部分が化石燃料、通常は石炭及び天然ガスによって供給されると見込んでいる。石炭は、今日の世界の電気エネルギーの４１％を供給しており、２０３０年までに４５％を供給するようになると考えられている。さらに、ＩＰＣＣからの最新の報告書では、大気中への人工のＣＯ２放出源が地球の気候に顕著な影響を及ぼしている可能性が９０％とされている。「現状通り」の場合の基礎シナリオは、ＣＯ２放出量が２０５０年までに現在のレベルのほぼ２．５倍になることを示している。先進国と発展途上国の両方で増大するエネルギー需要を満たし、一方、大気中のＣＯ２濃度を安定化させ低減させ、それに伴う気候の変化を軽減するために、かつてないほどに新技術及び代替エネルギー源が必須になっている。
【０００４】
[0004]非炭素放出エネルギー源である核エネルギーは、１９５０年代から世界のエネルギー生産の重要な要素となっており、現在世界の発電量の約１６％を占めており、この割合は「基本的に」増大する可能性がある。しかし、いくつかの要因によって、核エネルギーを長期的に持続するのは困難である。これらの問題には、各燃料サイクルの結果として核物質及び技術が増大する恐れがあることと、深地層処分場に埋める必要のある長寿命の放射能核廃棄物が発生することと、現在、ワンススルーオープン核燃料サイクルに依存していることと、低コストで低炭素排出量のウラン鉱石が利用可能であることとが含まれる。米国だけで、原子炉はすでに５５，０００メートルトン（ＭＴ）を超える使用済み核燃料（ＳＮＦ）を生成している。近い将来、ユッカマウンテン廃棄物処分場に埋められる使用済み燃料の量は法制化された限界の７０，０００ＭＴに達するであろう。
【０００５】
[0005]核融合は、将来の発電のための魅力的なエネルギー選択であり、現在、核融合発電プラントに関する２つの主要な手法が開発されている。第１の手法では、慣性閉じ込め核融合（ＩＣＦ）においてレーザ、重イオンビーム、又はパルス電力を使用して重水素（Ｄ）と三重水素（Ｔ）の混合物を含むカプセルを急速に圧縮する。カプセルの半径が小さくなり、ＤＴガス密度及び温度が高くなるにつれて、圧縮されたカプセルの中央の小さい点でＤＴ核融合反応が開始する。このようなＤＴ核融合反応はα粒子と１４．１ＭｅＶ中性子の両方を発生させる。核融合燃焼前面が上記の点から伝搬し、顕著なエネルギー利得を発生させる。第２の手法の磁気核融合エネルギー（ＭＦＥ）は強力な磁界を使用してＤＴプラズマを閉じ込め、燃焼プラズマを持続させエネルギー利得を発生させるのに必要な条件を生じさせる。
【０００６】
[0006]ＩＣＦのための重要な技術が、本発明の譲受人である、カリフォルニア州リバモアのＬａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（ＬＬＮＬ）のＮａｔｉｏｎａｌ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ  Ｆａｃｉｌｉｔｙ（ＮＩＦ）で主として開発されている。この施設では、熱核融合点火及び燃焼を実現するように設計されたレーザ主体の慣性閉じ込め核融合プロジェクトにおいて、１〜１．３ＭＪのレーザエネルギーが利用されている。１０〜２０ＭＪ程度の核融合収率が期待されている。核融合技術を単独で費用効率の高い発電に使用する場合、中央ホットスポット核融合形状において２００ＭＪを超える核融合収率が必要になることが予期される。したがって、純粋な慣性閉じ込め核融合エネルギーによって推進される経済性を実現するには依然として重大な技術的な課題がある。
【発明の概要】
【０００７】
[0007]本発明の各実施形態によれば、慣性閉じ込め核融合に関する方法及びシステムが提供される。より詳細には、レーザ慣性核融合エンジン（ＬＩＦＥ）システムに適切な最上位要件を満たす最終光学系ビーム輸送システムが提供される。この光学系は、二重中性子ピンホールを使用しビームを対象に合焦させることによって３５１ｎｍ光を高速に集光して送ることを可能にする（例えば、対象追跡システムを本明細書で説明する実施形態と共に使用すると、点火の前の最後の３０μｓでショット集光を補正することができる）。本明細書で説明する光学システムは、対象追跡システム及び整列診断ビームを可能にする。この最終光学系は、３５１ｎｍレーザビームの損失を最小限にしつつ中性子損傷及び対象衝撃圧力波に耐えるように構成されている。最終光学系を交換する方法についても説明する。本発明の各実施形態は、高放射線環境における他の光学システムにも適用可能である。
【０００８】
[0008]本発明の一実施形態によれば、高放射線環境に位置する光学素子を交換する方法が提供される。この方法は、ビームラインの動作を休止させることと、ケーブルを引っ張って光学素子を放射線壁を通過させることと、光学素子を交換用光学素子と取り替えることとを含む。この方法はまた、ケーブルを引っ張って交換用光学素子を放射線壁を通過させることと、交換用光学素子をテレスコープの第１の端面に隣接して位置させることと、交換用光学素子をテレスコープの第１の端面に置くこととを含む。この方法は、交換用光学素子をキネマティック要素上に置くことと、交換用光学素子の光学的位置合わせを確認することと、ビームラインの動作を再開させることとをさらに含む。
【０００９】
[0009]本発明の別の実施形態によれば、光学システムが提供される。この光学システムは、第１の端部及び第２の端部を有するチャンバと、この真空チャンバの第１の端部に取り付けられた光学台とを含む。光学台は、取付け面を有する。光学システムはまた、取付け面に取り付けられたフレネル光学系と、光学台に取り付けられたケーブルとを含む。光学システムは、真空チャンバの第２の端部に取り付けられた第２の光学素子をさらに含む。
【００１０】
[0010]本発明の特定の実施形態によれば、システムが提供される。このシステムは、光路に沿ってレーザ光線を送るように動作可能なレーザシステムと、光路に結合された核融合チャンバとを含む。システムはまた、光路に沿ってレーザシステムと核融合チャンバとの間に配置された中性子ピンホールと、光路に沿ってレーザシステムと核融合チャンバとの間に配置された中性子減衰領域とを含む。
【００１１】
[0011]本発明の一実施形態によれば、薄いフレネル光学系が最終光学系として使用される。最終光学系（石英ガラスで製造されてもよい）は、ガスケット（例えば、Ｏリングシール）を介して中性子ピンホールを含む輸送テレスコープに密封されたフレーム（例えば、建物に連結された大形セメント構造）に取り付けられる。一実施形態において、最終光学系の開口は、約０．６ｘ４３ｘ４３ｃｍ３であり、外圧が２１トル（２８００Ｐａ）であり、内圧が約０．５ミリトルである。この実施形態では、光学系の表面に対して約１１６ポンドの力が存在する。
【００１２】
[0012]本発明の各実施形態は、高放射線環境に耐えて許容される寿命を実現することのできない電子機器、モータ、油圧機器などを使用せずに、アクセス可能な態様で、交換可能な光学系を提供する。
【００１３】
[0013]本発明の一実施形態によれば、例えばＬＩＦＥで見られる高放射線環境に関連する最上位要件を満たす最終光学系ビーム輸送システムが提供される。この光学系は、３５１ｎｍ光を光学的に透明な中性子遮蔽材（二重ピンホール構成で実現することのできる中性子ピンホールとも呼ばれる）を通して低速で集光して送り、そのビームを対象に合焦させるのを可能にする。この最終光学系は、３５１ｎｍレーザ光線の損失を低減させるか又は最小限にしつつ中性子損傷及び対象衝撃圧力波に耐えるように構成されている。これらの光学系を交換する方法が本発明の各実施形態によって提供される。
【００１４】
[0014]本発明によって従来の技術に勝る多数の利点が実現される。例えば、本発明の各実施形態は、遮蔽壁によって中性子源から遮蔽される領域で光学系を交換するのを可能にする方法及びシステムを提供する。いくつかの実施形態において、レーザ光を対象に合焦させるのに使用される最終光学系は、光の合焦と真空障壁及び／又は三重水素障壁の両方を実現する。本発明のこれらの実施形態及びその他の実施形態について、本発明の利点及び特徴のうちの多くとともに、以下の本文及び添付の図に関連して、より詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態による最終ビーム輸送システムの各素子を示す簡略化された概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による最終ビーム輸送システムを示す簡略化された概略図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による縦続された２つの中性子ピンホールを含む最終ビーム輸送システムを示す概略図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による単一の中性子ピンホールを含む最終ビーム輸送システムを示す概略図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態による中性子ピンホールテレスコープの各素子を示す簡略化された概略図である。
【図４Ａ】１組のアニール条件に対する波長の関数としての石英ガラス光学系における透過率の簡略化されたプロットである。
【図４Ｂ】温度の関数としての石英ガラス光学系における吸収率の簡略化されたプロットである。
【図５】本発明の一実施形態による最終光学系に入射する衝撃圧力波形を示す簡略化されたグラフである。
【図６Ａ】対象点火衝撃によって最終光学系において誘発された応力を示すコンタープロットである。
【図６Ｂ】対象点火衝撃による最終光学系における最大転位を示すコンタープロットである。
【図７Ａ】本発明の一実施形態による最終光学変更システムの簡略化された概略図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による遮蔽壁にラビリンス式中性子障壁を含む最終光学系交換用の光学パススルーの簡略化された概略図である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態による機械的取付け再現性及び真空機能のためのシステムを示す簡略化された概略図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施形態によるシステムにおける任意の対から窓モジュールを独立して取外し可能であるシステムを示す簡略化された概略図である。
【図８Ｃ】本発明の一実施形態による高放射線環境において最終光学系を取り替える方法を示す簡略化されたフローチャートである。
【図９Ａ】本発明の一実施形態による遮蔽壁同士の間の領域のレーザベイラビリンスメンテナンス入口を示す簡略化された概略図である。
【図９Ｂ】本発明の代替実施形態によるレーザベイラビリンス中性子ピンホールアーキテクチャを示す簡略化された概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態による時間の関数としての対象チャンバ中心の近くの環境の変化を示す図である。
【図１１Ａ】本発明の一実施形態による逆制動放射吸収によるレーザ入射穴からの距離の関数としてのレーザ透過率を示す簡略化されたグラフである。
【図１１Ｂ】本発明の一実施形態による鉛蒸気中のＳＲＳ信号の飽和を示す簡略化されたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
[0035]本発明の各実施形態は核融合反応チャンバに関する。本発明の各実施形態は、レーザ慣性閉じ込め核融合エネルギー（ＬＩＦＥ）エンジン、ハイブリッド核融合核分裂ＬＩＦＥシステムなどのハイブリッド核融合核分裂システム、第四世代原子炉、統合高速炉、磁気閉じ込め核融合エネルギー（ＭＦＥ）システム、加速器駆動システムなどが含まれるがそれらに限らないエネルギーシステムに適用可能である。いくつかの実施形態において、エネルギーシステムは、参照により開示の全体がすべての目的に関して本明細書に組み込まれている、２００８年９月３０日に出願された「Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ａ  Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｅｒｔｉａｌ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｆｕｓｉｏｎ−Ｆｉｓｓｉｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｌａｎｔ」という名称の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０１１３３５に記載されたようなＬＩＦＥエンジンのハイブリッド形態、すなわちハイブリッド核融合核分裂ＬＩＦＥシステムである。
【００１７】
[0036]本発明の各実施形態は、場合によっては光学系の寿命を制限する可能性のある中性子炉からシステム要素を保護するのを可能にする。大きな危険にさらされる光学系の１つは、レーザエネルギーだけでなく表１に記載されたすべての問題に対処する最終光学系である。最終光学系は、対象チャンバからのガス（主としてキセノンであるが、ヘリウム、水素、重水素、三重水素、鉛、炭素の対象混合物を含む）及び対象シュラプネルに直接さらされる。ＬＩＦＥ設計を利用するいくつかの商業的な発電所では、基準出力電力は１９５０ＭＷである。イオン及びＸ線は、対象チャンバ内のキセノンガスによって吸収され、核融合反応から１４ＭｅＶ中性子の１５６０ＭＷが残り、最終光学系位置での平均照射量は１．５ｘ１０１７ｎ／ｍ２・ｓｅｃになる。さらに、基準圧力の２１トルだけでなく、圧力波が最終光学系位置で約０．５３トルの圧力を発生させる。最後に、光学系は、点火及び対象チャンバブランケット内の液体リチウム流によるガス膨張に伴う振動に結合された環境に位置している。このことは、いくつかのＬＩＦＥ設計では、光学管組立体に連結された真空チャンバから第１の壁及びブランケットを機械的に分離することによってある程度軽減される。ブランケットのビームライン開口も、最終光学系に入射するガス衝撃を減衰させる働きをする。最終光学系は、残渣障害の影響を受けず、３５１ｎｍレーザ光を約３Ｊ／ｃｍ２（ビームに垂直な方向）で効率的に透過させ合焦させるように設計される。
【表１】
2014511475.tif 000003
【００１８】
[0037]最終ビーム輸送システムは、ビームを周波数変換器の出口から対象チャンバ中心に送るのに利用される光学系を含む。この最終光学系システムは、頑丈であり、長持ちし、レーザを光学的に透明な中性子遮蔽材（中性子ピンホールとも呼ばれる。その理由は、レーザ光が実質的な光学損失なしにピンホールを通って伝搬することができるからである）を通して送り、対象チャンバからの複数の障害の影響を受けない。図２を参照すると分かるように、この最終ビーム輸送システムは、光学系Ｍ１０とすべての後続の光学系とを含む。３５１ｎｍでのレーザフルエンスだけでなく、Ｌ１１、ＬＧ１、及びＦＬ１が中性子照射にさらされ、ＦＬ１、すなわち最終光学系が、対象点火によるさらなる機械的衝撃及び対象シュラプネルにさらされる。図２に概略的に示す最終光学系輸送装置は、周波数変換器の近くに設置されたウェッジ集光レンズ及びデブリシールドを利用するＮＩＦアーキテクチャとは異なる。レーザシステム及び作業員を中性子照射から保護するために、中性子ピンホールと呼ばれるデバイスが使用される。中性子ピンホールは、光を通過させるが、対象チャンバから逃げる中性子の大部分を吸収する、厚さが３ｍのコンクリート遮蔽壁の小さい（約１ｃｍ）穴である。このピンホールがガリレオ式リレーテレスコープの焦点位置に位置する場合、このピンホールの開口を最小にし（理論的には１ωビームラインのピンホールと同じサイズ）、それによって、レーザ光を完全に透過させつつ透過する中性子を最小限に抑えることができる。
【００１９】
[0038]図３Ａは、本発明の一実施形態による縦続された２つの中性子ピンホールを含む最終ビーム輸送システムを示す概略図である。システムを「２中性子ピンホール」システムと呼んでもよいが、このシステムが２組の中性子ピンホールを利用することが理解されよう。図３Ａに示すように設計されたシステムは、縦続された２つの中性子ピンホールを利用して０．０４レム／年に減衰された放射線量を受ける。最終光学系３２６／３２０が、ビームを合焦するだけでなく、第２の中性子ピンホールリレーテレスコープ（合焦レンズ３１４及びフレネルレンズ（タイプ２ａ）３１６並びにそれに整合する合焦レンズ３１５／フレネルレンズ３１８を含むから対象チャンバ中心３８６に偏光させることに留意されたい。最終光学系（すなわち、フレネルレンズ（タイプ２ｂ）３２６及びそれに整合する最終光学系（すなわち、フレネルレンズ（タイプ１ｂ）３２０は、レーザ光線を偏光させるので、中性子の散乱源として働くに過ぎず、それによって、バリスティック中性子が位置の中性子ピンホールを通過するのを妨げる。ピンホール３３０からの中性子の透過スペクトルは、ピンホール構造によってある程度視準された後に、周囲の遮蔽材料及びブランケットから散乱した中性子の概ね平行なビームとなる。図３Ａに示すように、位置３３２の第２の中性子ピンホールの軸が再び、位置３３０の第１の中性子ピンホールの軸からずらされ、それによって、第１の中性子ピンホールからのボリスティック中性子が第１の中性子ピンホールを通過するのが妨げられる。この技法を使用すると、レーザベイに人間を配置することが可能になるようなレベルまで中性子線量を減衰させることができる。
【００２０】
[0039]一実施形態において、レーザベイ３１０Ａ及び３１０Ｂは、幅２．２ｍｘ高さ１．３５ｍｘ長さ１０．４ｍの１ωレーザ／増幅器を含む。これらのレーザベイは、核融合用途に適した４３５ｍｍの方形ビーム寸法を有するレーザ光線を生成してもよい。さらに、いくつかの実施形態において、内端円錐３２４は角度が２６．９°であることを特徴とし、外端円錐３２２は角度が４７．２５°であることを特徴とするが、これらの特定の角度は、本発明に必須ではない。一例として、他の実施形態では、円錐角度は３０°及び５０°である。
【００２１】
[0040]最終輸送光学システムの光学設計は、対象チャンバ中心の所の入射対象に集光して心合わせすることが可能であること、３５１ｎｍの光を対象チャンバ中心に効率的に送ること、対象空洞のレーザ入口穴（ＬＥＨ）にエネルギーを合焦させることを含む、多数の要件を同時に満たす。これらの目的を実現するために、図１に示す鏡Ｍ１０及びＭ１１を使用して最終輸送光学系に対する心合わせが維持され、対象への集光が低速に行われる。レンズＬ９、Ｌ１０、及びＬ１１は、第１の中性子ピンホールを通過してビームを送るだけでなく、従来の凸レンズに対して反対の符号を有するフレネル最終光学系によって誘発される色分散を無効にする働きもする。回折格子ＬＧ１は、フレネル最終光学系の偏光（回折）によって誘発される時間スキューを補償し、中性子ピンホール１と中性子ピンホール２の間に必要とされる偏光を実現する働きもする。したがって、色と時間の両面で完全に補償された場合、フレネル光学系は３５１ｎｍ駆動レーザ光線を対象のＬＥＨに合焦させることができる。
【００２２】
[0041]本発明の各実施形態は、斜入射金属鏡（ＧＩＭＭ）、楕円鏡、薄いフレネル光学系などを含む、いくつかの光学素子のうちの１つを最終光学系として利用する。ＧＩＭＭ又は放物面鏡を利用する実施形態では、中性子空間フィルタの前の最終光学系の（例えば、すぐの）設計上の上流に追加の真空窓が含まれる。この光学系は、特に２つの目的を果たし、すなわち、レーザ光を透過できるようにテレスコープ焦点の所に真空を確保し、かつ三重水素障壁として働く。図１に示すフレネル光学系は、最終合焦光学系と真空障壁の両方として働く。この最終光学系を薄くすることによって、中性子によって誘発される吸収を数パーセントのレベルまで低減させることができる。
【００２３】
[0042]中性子ピンホールに関連する２つのリレーテレスコープの光学軸同士の間の角度は約６０°であるが、これは本発明に必須ではなく、他の実施形態ではテレスコープ同士の間に異なる角度を利用した。いくつかの実施形態において、第１のリレーテレスコープは水平面に配置され、第２のリレーテレスコープは垂直面に配置され、２つの光学軸の間の角度は直角になる。図示した配置だけでなく、他の配置も本発明の範囲内に含まれる。当業者には、多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。
【００２４】
[0043]図３Ｂは、本発明の一実施形態による単一の中性子ピンホールを含む最終ビーム輸送システムを示す概略図である。図３Ｂを参照すると、レーザ源３５０Ａ〜３５０Ｎが第１の領域３５１に設けられている。レーザ源３５０Ａ〜３５０Ｎは、例えば厚さが３ｍの遮蔽壁３５２の方に向けられている。レーザ放射が、１組の光学システム（例えば、１組のＮ個のリレーテレスコープ）を使用して合焦された後で遮蔽壁を通過するのを可能にする１組の中性子ピンホール３５３Ａ〜３５３Ｎが、遮蔽壁３５２に設けられている。したがって、このシステムを「単一の中性子ピンホール」システムと呼ぶとき、２組の中性子ピンホールではなく単一組の中性子ピンホールを利用するシステムと理解してもよい。
【００２５】
[0044]図示された実施形態では、１組の中性子ピンホール３５３Ａ〜３５３Ｎを通過する光は、放物面鏡３６０で反射され、フレネル光学系３６２及び３６４に入射する。いくつかの実施形態において、フレネル光学系３２６とフレネル光学系３６４との間の距離は、放物面鏡３６０をレッジ３６１の下に位置させるのに十分な距離である。フレネル光学系３６４による合焦の後で、光が対象３８６に合焦させられる。
【００２６】
[0045]対象３８６で発生した中性子は、壁３６６と壁３６５の間の空間を通過する円錐３６８を含むすべての方向に伝搬する。円錐３６８の左側の中性子は壁３６６によって反射又は吸収される。一実施形態において、壁３６３及びレッジ３６１は円錐３６８の角度広がりを画定する。中性子はフレネル光学系３６４に入射するが、壁３６５は中性子がフレネル光学系３６２に入射するのを防止する。中性子は壁３６３とレッジ３６１との間に閉じ込められるので、領域３５１の中性子密度を許容されるレベルまで低下させるのに必要なのは単一組の中性子ピンホールだけである。
【００２７】
[0046]図３Ｃは、本発明の一実施形態による中性子ピンホールテレスコープの各要素を示す簡略化された概略図である。図３Ｃに示すように、第１のテレスコープ３７０は、第２の中性子ピンホール３７４を通過するように、第２の遮蔽壁３７２によって光を合焦させる。光は、第２のリレーテレスコープ３７０の要素を形成するフレネル光学系３７６Ａによって屈折する。第２のリレーテレスコープ３８０は、位置３８２Ａにおいて第１の中性子ピンホールを通過するように、一次遮蔽壁（図示せず）によって光を合焦させる。この図から明らかなように、本発明の各実施形態によって互いに平行な複数の光路が形成され、中性子ピンホール３７４Ｂによって示されるように一次遮蔽壁及び二次遮蔽壁を貫通する複数の中性子ピンホールが実現され、中性子ピンホール３７４Ｂからの光はフレネル光学系３７６Ｂによって収集される。
【００２８】
[0047]位置３８２の第１の中性子ピンホールを通過する光は、フレネル光学系３８４Ａに入射し、フレネル光学系３８４Ａが光を収集して対象３８６に合焦させる。フレネル光学系３７６Ａ及び３８４Ａに存在する回折格子構造の両方が点源から光を受け取り、対応する点源に合焦させるので、これらのフレネル光学系の製造が簡略化され、高品質の製造プロセスを利用することが可能になる。これらの回折格子を製造するには、点源を利用して回折格子構造を画定する。その理由は、各回折格子を通過する光が点源として開始し点源として終了するからである。図示されるように、各回折格子は、発散光を受け取り、受け取った光を収束させる。したがって、点源を使用して回折格子露光を実現できる。本発明の各実施形態によれば様々な円錐角を利用してもよく、例えば、対象３８６とフレネル光学系３８４Ａとの間の内端円錐の角度が２６．９°であり、対象３８６とフレネル光学系３８４Ｂとの間の外端円錐の角度は４７．２であってもよい。
【００２９】
[0048]いくつかの実施形態によれば、回折格子画定プロセスにおいて点源を利用できるので他のアーキテクチャと比較して製造プロセスが改善される。一例として、図３Ｃに示すように各実施形態で使用できるように製造されたフレネル光学系は、発散ビームが視準されるフレネル光学系と比較して収差を低減させている。
【００３０】
[0049]本発明者らは、石英ガラス内で中性子によって誘発される吸収がかなり低い中性子放射レベルで飽和し、図４Ａに示すように基板の温度を上昇させることによってこの吸収を部分的にアニールできることに着目した。一実施形態において、フレネル光学系には厚さが５．３ｍｍの石英ガラス基板が利用され、この基板は、２１トルの対象チャンバと約０．５ミリトルのリレーテレスコープとの間の真空障壁として働くのに十分である。
【００３１】
[0050]本発明者らは、十分な厚さの光学系（例えば、厚さが５．３ｍｍの光学系）を約５８０℃に維持した場合、吸収損失は約０．５％に低下すると判定した。図４Ｂに示すように、石英ガラス光学系の吸収率は温度の関数として変化する。加熱は、ビーム加熱、約３．４ＭＷを発生させる外部ヒータ、又はそれらの組合せを使用することによって実現されてもよい。本発明者らは、ヒータを使用しない実施形態では、ビーム加熱のみによって光学系の温度が約５１８℃に上昇し、それに伴う透過損失は、いくつかの用途に適した約３．５％になると判定した。本発明の一実施形態によれば、最終光学系に厚さが５．３ｍｍの石英ガラスフレネル光学系が利用される。ただし、本発明の実施形態はこの特定の厚さに限定されない。他の厚さを利用してもよい。
【００３２】
[0051]図４Ａは、本発明の一実施形態による最終光学系の波長の関数としての補正透過率を示すグラフである。図４Ｂは、厚さが５．３ｍｍの石英ガラス光学系についての温度に対するレーザ吸収率を示すグラフである。
【００３３】
[0052]図４Ａを参照すると、中性子損傷したシリカをアニール処理すると、アニールプロセスの結果として３５１ｎｍ透過率が大きく変化することが分かる。
【００３４】
[0053]中性子の障害だけでなく、対象点火によって発生した衝撃波も最終光学系に入射する。図５は、本発明の一実施形態による最終光学系に入射する衝撃圧力波形を示す簡略化されたグラフである。図６Ａは、対象点火衝撃によって最終光学系において誘発された応力を示すコンタープロットである。図６Ｂは、対象点火衝撃による最終光学系の最大転位を示すコンタープロットである。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、最終光学系には約２μｍの転位及び約４０，０００パスカルの応力が生じ、これは本明細書で説明する設計については許容される。
【００３５】
[0054]この光学系は、中性子ピンホールを含む輸送テレスコープにガスケットシールを使用して密封することのできる、建物に連結された大きいセメント構造であるフレームに取り付けられてもよい。一実施形態では、石英ガラスの開口は、約０．５３ｘ４３ｘ４９．６５ｃｍ３（角度が３０°のときは４３ｃｍの開口）であり、外圧が２１トル（２８００Ｐａ）であり、かつ内圧が０．５ミリトルであり、その結果、光学系の表面に対して１３４ポンドの力が生じる。図５に示すように、約１３５μｓ衝撃パルスの間に最終光学系にさらなる０．５トル（７０Ｐａ）が入射する。厚さが５．３ｍｍの光学系に対するこの衝撃の機械的効果を理解するために、Ｓｈｅｌｌｓモデル（薄い基板に有用な有限要素グリッディング技術）を使用して４分対称性を有するモデルを作成した。境界条件については、ガスケットとの接点を（光学系のみに対して垂直に支持される）ナイフエッジローラとしてモデル化した。第１のモード周波数は１３１Ｈｚである。衝撃によって誘発される光学系の応力及び転位を図６に示す。最大有効表面応力は４０６００Ｐａである。最大転位は２．６２ｘ１０−６ｍ（２．６２μｍ）である。最大転位と最大有効表面応力はどちらも分析を開始してから約６ｍｓ後に生じる。これらの結果は、最終光学系の健全性が衝撃波の影響を受けず、最大表面転位がレーザ焦点にそれほど影響を与えないことを示している。最終光学系の取付けが、モード周波数での共振若しくは以前のショット及び／又は支持機器流体流（例えば、ブランケット、冷却など）による建物から生じる振動を回避するように設計されてもよいことに留意されたい。チャンバ環境及び機械的取付けハードウェア設計に基づく効果を含む、振動に対する受動減衰メカニズムの構成は、この最終光学系のスペクトルに基づいて行われてもよい。
【００３６】
[0055]図６Ａに示すように、大域的最大有効表面応力は４．０６ｘ１０４であり、大域的最小値はゼロである。図６Ｂに示すように、最終光学系の大域的最大転位は２．６２ｘ１０−６であり、大域的最小転位は−２．４７ｘ１０−６である。これらの値は、本発明の各実施形態を限定するよう意図されるのではなく、本発明の様々な実施形態で生じる応力及び転位の例を示すものである。
【００３７】
[0056]本発明の各実施形態は、放射高温環境において最終光学系（並びに２つの中性子ピンホール間の他の光学系）を交換する方法及びシステムを提供する。まず、この環境ではあらゆる電子機器が故障し、ＭＴＴＦが小さくなる。交換ハードウェアはＭＴＴＦが非常に大きい。その理由は、このような構成要素が故障すると、対象チャンバの周りの高放射線領域のハードウェアにアクセスできるように工場の運転を休止する必要がある（工場の稼働率に影響を及ぼす）からである。
【００３８】
[0057]図７Ａは、本発明の一実施形態による最終光学系変更システムの簡略化された概略図である。図７Ａに示すシステムは、二重光学系交換機能を有し、高放射線領域においてケーブル駆動装置７２０を介して単純な機械的交換を行う。図７Ｂは、本発明の一実施形態による遮蔽壁にラビリンス式中性子障壁を含む最終光学系交換用の光学系パススルーの簡略化された概略図である。本発明のいくつかの実施形態は、例えば１辺が４０ｃｍ又は５０であるが厚さが５ｍｍに過ぎず、それに応じて重量が軽いフレネル光学系の形状によって実現される。フレネル光学系７０５が薄いという特性によって、図７Ｂに示すような細いラビリンス７３０を通過させる取外しも実現する。
【００３９】
[0058]図７Ａに示すように、高放射線領域で油圧デバイス又は電動デバイスを何ら利用しないフレネル光学系７０５を交換するためのシステムが提供される。図７Ａ及び図７Ｂに示すように、このシステム及び方法は、滑車又はローラを含むケーブルを使用して、中性子ラビリンスとして働くが最終光学系の取り替えを可能にする遮蔽壁の湾曲したスリットを通して、損傷したフレネルレンズを高放射線環境から導き出す。中性子モデル化に適した例示的な実施形態で使用される寸法を有するこのようなラビリンスの１つの詳細図を図７Ｂに示す。
【００４０】
[0059]図７Ｂを参照すると、光学組立体がラビリンスを通過し、中性子が光学組立体の通過に伴って壁を貫通するのを防止する。図１に示すように、レーザ光線が通過するように設けられた中性子ピンホールは、中性子が偏向されない中性子として最も内側のピンホールを通過するのを妨げるように互いに対して傾斜して配置される。光学組立体は、ラビリンスの形状の機能として中性子を遮断するラビリンスを通過することができる。図７Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、ラビリンスは幅が１５ｃｍであり、かつ曲率半径が約１５０ｃｍであり、厚さが３００ｃｍの壁の場合、入口と出口の間の距離が３００ｃｍになる。
【００４１】
[0060]図を明確にするために図７Ａには示されていないが、本発明の各実施形態は、ケーブルが各光学系の頂部及び底部に取り付けられた２つのケーブルシステム（各フレネル光学系７０５に１つ）を利用する（すなわち、壁の２つのラビリンス式スリットを通って合計で４本のケーブルが延びている）。他の実施形態では。他の実装形態が利用可能である。図７Ａに示すように、矢印７０２Ａは、交換時の左側光学系の移動を示し、矢印７０２Ｂは、交換時の右側光学系の移動を示す。
【００４２】
[0061]図７Ｂに示すラビリンスは、連続的な湾曲した構造であるが、これは本発明の実施形態に必須ではない。他の実施形態では、図７Ｃに示すようなジグザグラビリンスが利用される。
【００４３】
[0062]いくつかの実施形態では、最終光学系に調整機能が備えられていないので、取付けハードウェアによって精密な運動力学的な交換を可能にする。このことは、図示の実施形態では、図８Ａに示すようにテレスコープ端面８０５を形成し、同じく図８Ａに示すように、フレネル光学系モジュール用のキネマティック位置合わせ点を形成するように強磁性鋼玉８２５（例えば、Ｎｄ系磁石又はネオジム鉄ボロン系磁石、サマリウムコバルト系磁石、又はその他の同様の磁石のような高強度対質量比磁石）を表面に取り付けることによって実現される。他の実施形態では、キネマティックマウントが反転され、磁石とキネマティック位置合わせ点がそれぞれの互いに向かい合う要素上に設けられる（すなわち、磁石がＬＲＵに取り付けられ、位置合わせ点がテレスコープ端面上にある）。図８Ａに示すように、Ｎｄ系強力磁石（他の適切な高強度対質量比磁石と交換されてもよい）、フレネル光学系、及び真空ガスケット８３０はすべて、ライン交換可能ユニットである最終光学系フレーム８０７に共に取り付けられる。この精密フレームは、ケーブル取付け装置８４０を含むステンレススチールのような剛性を有する材料から製造されてもよい。窓モジュールを独立に取り外すのを可能にするように、図８Ｂに示す正面図に示されているように２対のケーブル駆動装置が設けられる。
【００４４】
[0063]図８Ａを参照すると、テレスコープの端部は、同じく鋼で作られたキネマティックノジュール８２５を端部に含む鋼製フランジを含む。鋼を使用すると、図８Ａに示す各要素は他のチャンバ要素と同様の寿命を有することができる。交換可能な要素、例えば、最終光学系８１５（例えば、微細位置合わせ機能を実現するようにオフラインで取り付けることのできる石英ガラスフレネルレンズ）、表面に真空シールを形成するためのガスケット８３０、Ｎｄ系磁石８２７、交換動作及び修理動作の間に組立体をシステムに出し入れするのに使用されるケーブル用の取付け装置８３０などは、鋼製フランジに取り付けられる。いくつかの実施形態では、２つの組立体が並べて設けられ、２つの独立したケーブルシステムを使用して、左側の組立体が左側に変更され、右側の組立体が右側に変更されるようになる。図８Ｂに示すように、互いに独立したケーブル対８５２及び８５４によって両側の窓モジュールを独立に取り外してもよい。いくつかの実施形態では、システムの一部に真空環境を利用しないのでガスケットは任意に設けられる。これらの実施形態では、光学系を中性子ピンホールに取り付けることはできるが、中性子ピンホールに対して密封することはできず、光学系を隔てた圧力差は存在しない。当業者には、多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。
【００４５】
[0064]図８Ｃは、本発明の一実施形態による高放射線環境において最終光学系を交換する方法を示す簡略化されたフローチャートである。この方法８００は、各動作を休止させること（８１０）と、場合によってはテレスコープをチャンバ圧力まで通気すること（８１２）と、場合によっては追加のＸｅガスを添加してレンズをテレスコープ端面から「排出させる」こと（８１４）とを含む。この方法はまた、ケーブルを引っ張って最終光学系を放射線壁を通して引き込むこと（８１６）と、中性子ピンホール＃１と中性子ピンホール＃２との間の領域においてロボットを使用して最終光学系を交換すること（８１８）とを含む。この方法は、ケーブルを引っ張って交換用最終光学系をテレスコープ端面の前部に位置させること（８２０）と、磁石を使用して最終光学系をキネマティック位置まで引っ張ること（８２２）と、場合によっては真空引きして最終光学系をキネマティック要素上に置くこと（８２４）と、位置合わせを確認し、必要に応じてビームを再集光すること（８２６）と、各動作を再開すること（８２８）とをさらに含む。図示の実施形態では、キネマティック要素が利用されるが、これは本発明の実施形態に必須ではなく、他の位置合わせ技法が本発明の範囲内に含められる。
【００４６】
[0065]図８Ｃに示す特定のステップが本発明の一実施形態による高放射線環境において最終光学系を交換する特定の方法を実現することを了解されたい。代替実施形態によれば、他のステップ順序を実施してもよい。例えば、本発明の代替実施形態では、上記に示した各ステップを異なる順序で実施してもよい。さらに、図８Ｃに示す個々のステップは、個々のステップの必要に応じて様々な順序で実施することのできる複数のサブステップを含んでもよい。さらに、特定の用途に応じて、追加のステップを追加又は削除してもよい。当業者には多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。
【００４７】
[0066]図８Ｃに関して光学系を密封する特定の方法が示されているが、本発明の実施形態はこれらの手法に限定されない。他の実施形態では、プッシュプルシールが、キャニスタのシールと同様に弁として利用される。したがって、本発明の実施形態は、弁の一方の側を通気し、次いで光学系を変更することによって、離れた位置にシールを形成するのを可能にする。レバーを作動させることによって、光学台がフランジに押し付けられるときにシールを形成することができる。シールを解除するには、レバーを逆方向に作動させて、キャニスタのふたと同様に光学台をフランジから離すのを可能にする。当業者には、多数の変形例、修正例、及び代替例が認識されよう。
【００４８】
[0067]図８Ｃに示す方法は、複数の補修動作にわたって位置合わせを維持するように磁気的なキネマティック取付けを行う受動的な方法を可能にする。メンテナンスを直接行えるように発電所の運転を休止することなく、すべての消耗構成要素を高放射線環境から容易に取り除くことができる。すべての必要な空気圧真空弁、電動ケーブル駆動装置、及びロボットによる光学系交換は、中性子ピンホール＃１と中性子ピンホール＃２との間の領域に限定されている。この領域及びアクセス手段が図９Ａに概略的に示されている。真空障壁と三重水素障壁の両方を実現するエアロックドア９２０がラビリンス９４０の入口に配置され、レーザベイの放射線レベルが作業員にとって安全な値に維持されている。ロボット補修車両９３０が進入し、各構成要素を交換するための新しい材料（光学系及び／又はハードウェア）を供給してもよい。この同じ車両を使用して、使用済みの構成要素を遮蔽された容器に入れて工場内の放射線有害廃棄物位置に輸送し、再生及び／又は処分を施してもよい。図９Ａに示すように、最終光学系がラビリンスを通って取り外され下部放射線領域９１１に移動した後、車両が連動装置によって光学系を取り外してもよい。
【００４９】
[0068]本発明の各実施形態は、この環境の圧力が低く（約２１トル）、最も軽量の微粒子を除くすべての微粒子がチャンバガス中に浮遊したままになるのが防止され、それによって清浄度を促進するように働く。ガスパージノズルは、最終光学系の領域内に位置することができ、この最終的な目的は、逆流圧力を供給して対象点火からチャンバガスが「吐き出される」のを相殺するとともに、低圧「エアナイフ」を形成し、最終光学系が交換されるときに最終光学系を浄化し、各動作の間その清浄度を維持することである。このパージ流量の調節は、一次遮蔽壁の外側の低放射線領域に配置された空気圧弁を使用して行われてもよい。メンテナンス動作の間、要件を満たすために、このパージ圧力を短時間で高くして最終光学系のガス浄化を可能にしてもよい。
【００５０】
[0069]本発明の実施形態は、寿命が長く交換可能な最終光学系を実現するシステムだけでなく、中性子の間に配置された光学系の問題にも対処する。これらの光学系（図９に示すＬ１１及びＬＧ１）並びにそれらに関連するハードウェアは、光学系に対する障害を悪化させ、アクセス機能及びメンテナンス機能を制限する放射線環境にある。初期中性子計算では、中性子ピンホール＃２（一次遮蔽壁９２６のピンホール９２５）が１．５ｘ１０１７ｎ／ｍ２ｓｅｃの入射線量を著しく減衰させることが分かる。これらの中性子は、高度に視準されているように見え、それによって、比較的単純な中性子ダンプを使用して中性子ピンホール同士の間の領域の中性子束を制限するのが可能になる。電動車両９３０及び電子機器を含むアクチュエータをこの領域に進入させて補修を行うことができ、いくつかの構成要素をこの領域に永久的に占有させることができる。この領域で光学系を事前に補修しておく方がかなり容易であり、標準的な清浄度プロトコルに対応する対処方法によって実現することができる。
【００５１】
[0070]図９Ｂは、本発明の代替実施形態によるレーザベイラビリンス中性子ピンホールアーキテクチャを示す簡略化された概略図である。図９Ｂに示すように、単一組の中性子ピンホール（例えば、図９Ｂに示す１組の４つの中性子ピンホール９５０）を使用して中性子遮蔽を実現するアーキテクチャが設けられる。
【００５２】
[0071]大気圧下にあり、図示された実装形態では空気環境を利用するレーザベイ９５５にレーザ／増幅器が設けられる。レーザ／増幅器からの光は、光学系を使用して、単一組の中性子ピンホール９５０を含む遮蔽壁９５２を通過するように方向を定められる。図示するような他の光学系を利用すると、レーザ光線は、１組の中性子ピンホールを通過した後、壁９５６及び９５８の周りをジグザグに送られ、対象チャンバ９６０に当たる。図示された実装形態では、対象チャンバ９６０は、核融合反応の結果として生成されたキセノンと三重水素の混合物による２１トルの圧力下にある。ラビリンス領域９６２は、対象チャンバと実質的に同じ大気条件下にあり、ＸｅとＴの混合物による２１トルの圧力下にある。対象チャンバ９６０で生成され、ラビリンス領域９６２に向かって伝搬する中性子は、壁９５８及び９５６によって遮断され、したがって、実質的な密度で中性子ピンホールに到達することはできない。
【００５３】
[0072]最終光学系９７０を含む光学系を交換するために、本明細書全体にわたってより詳しく説明するように光学系の取外し及び交換を可能にするケーブル／レール案内システム９８０が設けられている。光学系は、有効寿命が尽きた後、ケーブル／レール案内システム９８０を使用して、遮蔽壁９８２に沿って送られ、三重水素障壁としても働くエアロックドア９８４から引き出されたときに取り外される。エアロックドア９８４から引き出された後、ロボット光学系交換車両９９０を使用して使用済みの光学系を取り外し新しい光学系を送ってもよい。ロボット光学系交換車両用の環境は、大気圧、例えば空気であってもよい。
【００５４】
[0073]再び図１を参照すると、最終ビーム輸送システムは、３５１ｎｍレーザ光を対象チャンバ中心に送るメカニズムを実現する。他のいくつかの核融合技術システム（例えば、ＮＩＦ）とは異なり、チャンバは高真空下にはない。いくつかの実施形態において、チャンバ壁をイオン及びＸ線から保護するために、チャンバには４μｇ／ｃｍ３のキセノンガスのような保護メカニズムが意図的に充填される。真空システムは通常、次のショットの前にすべてのガスを置換するとは限らないので、１５Ｈｚの対象点火では、このガス混合物に対象の成分（水素、二重水素、三重水素、ヘリウム、炭素、鉛など）も添加される。したがって、この複合ガス混合物によるビーム伝搬の詳細な分析を行い、ビーム動力学的特性（例えば、非線形プロセスによるフィラメンテーション又は散乱）に関する情報を得た。この分析では、一実装形態においては、０．３５１μｍで２ＴＷ、１５ｎｓのレーザ光線を、対象チャンバ中心の近くの数十ｃｍのＸｅ／Ｐｂプラズマ及び最終光学系における数メートルのガスを通過させて伝搬させることで始まる。この対象チャンバ環境の生成及び変化を図１０に示す。
【００５５】
[0074]図１０を参照すると、レーザショットの前では、ガスは、約０．５ｅＶの５％鉛混合物を含む非イオン化状態である。レーザパルスのフットが開始して対象を加熱すると、プラズマボールが形成され、レーザパルスの間に約２５ｃｍ程度に成長する。約１μｓ後に、プラズマは放射によって冷却されて中性ガスの加熱混合物になり、加熱混合物は、次の対象ショットまで引き続き放射する。
【００５６】
[0075]レーザとガス及び膨張するプラズマとの相互作用が表２に示されており、表２では、相互作用の特徴が種類ごとに示され、ビームに対する効果の評価が示されている。大部分の効果は、よく理解されており、実際の対象ガス混合物及び温度環境に依存する。ビームの一次損失メカニズムが、対象を囲むプラズマボール中のイオン化ガスのように見えることに留意されたい。対象からの距離の関数としてのこの透過損失は、図１１Ａに示されており、３５１ｎｍで０．５％の無視できない損失を生じさせる。チャンバ全体がイオン化されたままになる極端なケースでは、損失は、６μｇ／ｃｍ３の場合には１．５％までしか増大しない。対象となる第２の損失メカニズムは、対象空洞からの鉛ガスによる誘導ラマン散乱である。従来、ヒートパイプ内の色素レーザ（アルカリ蒸気）によって電子誘導ラマン散乱（束縛電子からの散乱）が広く研究されている。約１トルのＰｂ蒸気について変換効率＞６０％が観察された。本発明者らは、ＬＩＦＥビームレットについての強度と長さの積が非常に大きいので、１ｎｓのレーザ衝撃の後で関連する利得指数がしきい値の１０倍に達する（Ｇ〜３０）と判定した。この場合、ＳＲＳ媒質は完全に飽和する。
【００５７】
[0076]図１１Ｂを参照すると、１ｍＪのＳＲＳ＠０．０２トルは１気圧当たり約１光子に相当する。したがって、対象領域のレーザ照射体積中に存在する利用可能な鉛原子のすべてが励起された場合、これは、ＬＩＦＥレーザシステム全体（すべてのビーム）については約２０ｋＪに相当し、レーザパルス形状上の第１の「ピケット」のエネルギーの２倍と同等である。ＳＲＳ損失は約０．８３％のビームライン損失に相当する。これらの値に基づいて、入射ビームの見かけの損失は、本明細書で説明する６μｇ／ｃｍ３の場合にはすべての影響について非常に合理的な約１．３３％〜２．３３％である。前の分析が、ビーム同士が重なり合い始め、エネルギー分析の対象となる、（空洞ＬＥＨの近くの）直前の伝搬距離（センチメートル単位）を含まないことに留意されたい。
【表２】
2014511475.tif 000004
【００５８】
[0077]本明細書で説明する例及び実施形態が例示のためのものに過ぎず、かつ当業者にはこれらの例及び実施形態を考慮した様々な修正例又は変更例が連想され、それらの修正例又は変更例が本出願の趣旨及び範囲並びに添付の特許請求の範囲内に含まれることも理解されたい。
【図１】
2014511475.tif 000005
【図２】
2014511475.tif 000006
【図３Ａ】
2014511475.tif 000007
【図３Ｂ】
2014511475.tif 000008
【図３Ｃ】
2014511475.tif 000009
【図４Ａ】
2014511475.tif 000010
【図４Ｂ】
2014511475.tif 000011
【図５】
2014511475.tif 000012
【図６Ａ】
2014511475.tif 000013
【図６Ｂ】
2014511475.tif 000014
【図７Ａ】
2014511475.tif 000015
【図７Ｂ】
2014511475.tif 000016
【図８Ａ】
2014511475.tif 000017
【図８Ｂ】
2014511475.tif 000018
【図８Ｃ】
2014511475.tif 000019
【図９Ａ】
2014511475.tif 000020
【図９Ｂ】
2014511475.tif 000021
【図１０】
2014511475.tif 000022
【図１１Ｂ】
2014511475.tif 000023
【図１１Ａ】
2014511475.tif 000024
【国際調査報告】
2014511475.tif 000025
2014511475.tif 000026
2014511475.tif 000027