(57)【要約】  核融合反応を開始するために核融合ターゲットを核融合チャンバに注入するためのシステム及び方法は、ターゲットをバレルに注入するステップと、ターゲットを所定の飛行速度まで加速するステップとを含む。核融合ターゲットを追跡するためのシステムは、核融合チャンバを水平に横切る１又は複数のレーザビームを含む。核融合ターゲットがレーザビームに直交する方向に進むと、追跡システムは、ターゲットに関連する速度及び傾斜を判定する。係合システムは、ターゲットを照らす１又は複数の光源と、散乱光を捕捉する１又は複数のセンサとを備える。係合システムは、核融合ターゲット上の１又は複数の位置を判定し、レーザ制御システムにこれらの位置の座標と、核融合チャンバの中心近くの予想ターゲット位置に基づくレーザビームの発射時間とを送る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核融合ターゲットを装填するように構成された注入機構と、
前記注入機構に結合された輸送機構と、
バレルに取外し可能に結合された核融合チャンバと、
前記核融合チャンバから機械的に分離された追跡機構であって、前記核融合チャンバの中心近くの前記核融合ターゲットの予想位置、及び前記核融合ターゲットが前記予想位置に到達する時間を判定するように構成された追跡機構と、
１又は複数のレーザビームを集束させるための前記ターゲット上の１又は複数の位置を判定するように構成された係合機構と、
を備えたシステム。
【請求項２】
前記注入機構が、
前記ターゲットを装填するための装填アセンブリと、
前記ターゲットを加速するためのガスガンアセンブリと、
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ガスガンアセンブリが、約２５ｐｓｉの圧力を特徴とするガスを含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ガスがヘリウム又はキセノンの１つを含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記輸送機構が、
バレルと、
前記核融合ターゲットを前記バレルに通すように構成された向き操作機構と、
を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記バレルが約１０メートルの長さを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記追跡機構が、
第１のレーザ発生器及び第１のレーザ受信器であって、前記第１のレーザ発生器が前記第１のレーザ受信器に向けられた第１のレーザビームを発生させる、第１のレーザ発生器及び第１のレーザ受信器と、
第２のレーザ発生器及び第２のレーザ受信器であって、前記第２のレーザ発生器が前記第２のレーザ受信器に向けられた第２のレーザビームを発生させる、第２のレーザ発生器及び第２のレーザ受信器と、
を更に備え、
前記第１のレーザビームが前記第２のレーザビームの垂直方向上方に位置し、前記第２のレーザビームから第１の距離だけ離れている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の距離が０．２ｍ以上１ｍ以下である、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記係合機構が、
前記核融合ターゲットに当たる光ビームを発生させるように構成された光源と、
前記核融合ターゲットから散乱光を受けるように構成されたセンサと、
前記散乱光に基づいて、レーザ源を制御するための補正パラメータを判定する回路と、
を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
横方向に沿って核融合チャンバの両側に配置された第１のレーザ送信器及び第１のレーザ受信器であって、前記第１のレーザ送信器が、前記第１のレーザ受信器に入射する第１のレーザビームを発生させる、第１のレーザ送信器及び第１のレーザ受信器と、
前記横方向に沿って前記核融合チャンバの前記両側に配置された第２のレーザ送信器及び第２のレーザ受信器であって、前記第２のレーザ送信器が、前記第２のレーザ受信器に入射する第２のレーザビームを発生し、前記第２のレーザビームが、前記第１のレーザビームから垂直方向に第１の距離だけ離間している、第２のレーザ送信器及び第２のレーザ受信器と、
前記第１及び第２のレーザビームに直交する方向に進む核融合ターゲットの速度を計算するように構成されたプロセッサと、
を更に備えた追跡システム。
【請求項１１】
前記第１の距離が０．２ｍ以上１ｍ以下である、請求項１０に記載の追跡システム。
【請求項１２】
前記横方向に沿って前記核融合チャンバの前記両側に配置された第３のレーザ送信器及び第３のレーザ受信器であって、前記第３のレーザ送信器が、前記第３のレーザ受信器に入射する第３のレーザビームを発生し、前記第３のレーザビームが、前記第２のレーザビームから垂直方向に第２の距離だけ離間している、第３のレーザ送信器及び第３のレーザ受信器を更に備えた、請求項１０に記載の追跡システム。
【請求項１３】
前記第２の距離が前記第１の距離と同一である、請求項１２に記載の追跡システム。
【請求項１４】
前記ターゲットに関連する傾斜角度を検出するように構成された１又は複数の画像センサを更に備えた、請求項１０に記載の追跡システム。
【請求項１５】
核融合チャンバに配置された核融合ターゲットに第１の光ビームを集束させるステップと、
１又は複数の光学アセンブリを使用して前記核融合ターゲットから散乱光を集めるステップと、
前記散乱光を使用して前記核融合ターゲットの画像を発生させるステップと、
前記画像を使用して前記核融合ターゲット上の位置を特定するステップと、
レーザビームの現在の集束点の座標を判定するステップと、
前記現在の集束点の前記座標と前記特定された位置との差を判定するステップと、
前記差に基づいて補正パラメータを判定するステップと、
前記補正パラメータをレーザ制御システムに伝えるステップと、
を含み、
前記レーザ制御システムが、前記レーザビームを前記核融合ターゲット上の前記特定された位置に向けるように制御する、方法。
【請求項１６】
光パルスが、前記レーザビームの第２の波長とは異なる第１の波長を特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記集束が第２の時間より前の第１の時間に行われ、前記第２の時間が、前記核融合ターゲットが前記核融合チャンバの中心近くの予想位置に到達すると予想されるときである、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の時間と前記第２の時間との差が２０μｓ以上２５μｓ以下である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記散乱光が、前記レーザビームの光学路とほぼ同様の光学路をたどる、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
[0001]本特許出願は、（ａ）２０１０年１１月８日に出願された米国特許仮出願第６１／４１１３９０号及び（ｂ）２０１１年２月１日に出願された米国特許仮出願第６１／４２５１９８号の優先権を主張するものである。これらの各特許仮出願の開示は、すべての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
[0002]本出願は、  年  月  日に出願された国際出願ＰＣＴ第    号（代理人整理番号第９１９２０−８２３０９４号）に関する。この出願の開示は、すべての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。また、本出願は、（ａ）２０１１年９月２２日に出願された米国特許仮出願第６１／５３７７８９号及び（ｂ）２０１１年９月２２日に出願された米国特許仮出願第６１／５３７７９４号にも関する。
【政府支援の研究又は開発によりなされた発明の権利に関する説明】
【０００３】
[0003]米国政府は、Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙの運営について、米国エネルギー省とＬａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ＬＬＣとの間で締結された契約番号第ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４号に従い、本発明における権利を有する。
【背景技術】
【０００４】
[0004]核融合反応を開始し持続させるために最大のエネルギーがターゲットに確実に伝達されるようにするには、核融合反応チャンバにおけるターゲットの正確な位置合わせ及び位置決めが重要である。
【０００５】
[0005]ターゲット注入及び追跡のための方法及びシステムが進歩しているにもかかわらず、ターゲット注入及び追跡のためのより改良された方法及びシステムが当技術で必要とされている。
【発明の概要】
【０００６】
[0006]本発明は、一般に核融合炉に関する。本発明の一部の実施形態は、核融合ターゲットを装填するように構成された注入機構と、注入機構に結合された輸送機構と、バレルに取外し可能に結合された核融合チャンバと、核融合チャンバに結合された追跡機構であって、（ａ）核融合チャンバの中心近くの核融合ターゲットの予想位置を判定し、（ｂ）核融合ターゲットが予想位置に到達する時間を判定するように構成された追跡機構とを備えたシステムを提供する。システムは、１又は複数のレーザビームを集束させるためのターゲット上の１又は複数の位置を判定するように構成された係合機構をも備える。
【０００７】
[0007]本発明の一部の実施形態は、追跡システムを提供する。追跡システムは、横方向に沿って核融合チャンバの両側に配置された第１のレーザ送信器及び第１のレーザ受信器を備える。第１のレーザ送信器は、第１のレーザ受信器に入射する第１のレーザビームを発生させる。追跡システムは、横方向に沿って核融合チャンバの両側に配置された第２のレーザ送信器及び第２のレーザ受信器をも備える。第２のレーザ送信器は、第２のレーザ受信器に入射する第２のレーザビームを発生させる。第２のレーザビームは、第１のレーザビームから垂直方向に第１の距離だけ離間している。追跡システムは、第１及び第２のレーザビームに直交する方向に進む核融合ターゲットの速度を計算するように構成されたプロセッサを更に備える。
【０００８】
[0008]本発明のある実施形態は、核融合チャンバに配置された核融合ターゲットに第１の光ビームを集束させるステップと、１又は複数の光学アセンブリを使用して核融合ターゲットから散乱光を集めるステップとを含む方法を提供する。方法は、散乱光を使用して核融合ターゲットの画像を発生させるステップと、画像を使用して核融合ターゲット上の位置を特定するステップと、レーザビームの現在の集束点の座標を判定するステップとを更に含む。その後、方法は、現在の集束点の座標と特定された位置との差を判定するステップと、差に基づいて補正パラメータを判定するステップと、補正パラメータをレーザ制御システムに伝えるステップとを含む。一部の実施形態では、レーザ制御システムが、核融合ターゲット上の特定された位置に集束するようにレーザビームを制御する。
【０００９】
[0009]本明細書に記載のシステム及び方法により、従来のシステムに勝る多くの利点が実現される。例えば、ガスによる注入を使用することで、ターゲットが核融合チャンバに入るときに、ターゲットを意図した速度まで適切に振動なしで確実に加速することができる。ターゲットが核融合チャンバに入った後にターゲットを正確に追跡することは、レーザシステムを位置合わせする助けとなり、ターゲットがチャンバ内の意図した位置に到達したときに、レーザがターゲット上の所望の位置で同時にターゲットに当たって核融合反応を開始することを確実にする。
【００１０】
[0010]以下の文章及び添付図面とともに、本発明のこれら及びその他の実施形態を、その多くの利点及び特徴とともにより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態によるシステムを示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態によるターゲット注入システムを示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態によるガスガン注入機構の詳細を示す概略図である。
【図４】本発明の一実施形態による、バレル内を進むターゲットを含むバレルの横断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による、ターゲットのための向き操作機構を示す概略図である。
【図６】本発明の一実施形態によるシャッタアセンブリを示す概略図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態によるターゲット追跡システムを示す概略図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による、ターゲットを追跡する詳細を示す概略図である。
【図８】本発明の一実施形態によるターゲット係合システムを示す概略図である。
【図９】本発明の一実施形態による、ターゲットを追跡するプロセスのフロー図である。
【図１０】本発明の一実施形態による、ターゲットを係合するプロセスのフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
[0022]本発明は、一般に核融合炉に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、核融合ターゲットを核融合チャンバに注入するためのシステム及び方法に関する。本発明のある実施形態は、ターゲットが核融合チャンバに入ったときにターゲットを追跡し、ターゲットの位置についてのフィードバックを係合システムに伝えることに関する。本発明の他の実施形態は、追跡システムからの位置情報を使用してレーザを位置合わせすることにより、すべてのレーザがターゲット上の意図した位置で、意図した時間に確実にターゲットに当たるようにするための機構に関する。
【００１３】
[0023]図１は、本発明の一実施形態によるシステム１００の簡略概要図である。システム１００は核融合チャンバ１０２を備える。ターゲット注入バレル１０４は、核融合チャンバ１０２に結合される。核融合ターゲット１１６はバレル１０４の遠位端から装填されて、バレル１０４を通って進み、核融合チャンバ１０２に入る。ターゲット１１６の構造及び機能の詳細が、同時係属の米国特許出願第    号（代理人整理番号第９１９２０−８２３０９４号）に示される。
【００１４】
[0024]１又は複数のレーザシステム１０８が、核融合チャンバ１０２内へ向けられて所定の時間にターゲット１１６に入射する複数のレーザビーム１１２を発生させる。一部の実施形態では、レーザシステム１０８は、（ａ）ある出力を伝送するレーザビームを発生させるように構成された必要なレーザ発生機構と、（ｂ）位置情報を受信して、レーザビームを適切に方向付けて、レーザビームが所望の時間に所望の位置でターゲット１１６に当たるように構成された制御機構とを備える。一部の実施形態では、レーザビーム１１２が２以上の方向からターゲット１１６に入射することができる。一部の実施形態では、最大５００のレーザビームを使用して、ターゲット１１６が核融合チャンバ１０２内の所望の位置に到達したときに、ターゲット１１６を付勢することができる。
【００１５】
[0025]ターゲット１１６が核融合チャンバ１０２に入るときにターゲット１１６の所定の速度を達成するために、ターゲット注入機構１０６を使用して、バレル１０４を通してターゲット１１６を加速することができる。注入機構１０６の詳細を以下に述べる。追跡及び係合システム１１０を、ターゲットが核融合チャンバ１０２を通って意図した位置に向かって進むときにターゲットを追跡するように構成することができる。追跡及び係合システム１１０は、ターゲットの速度及び位置についてのフィードバックをレーザシステム１０８に伝えることができる。追跡及び係合システムの詳細を以下に述べる。
【００１６】
[0026]動作時に、ターゲット１１６をバレル１０４の遠位端から装填することができる。注入機構１０６を使用してターゲット１１６を注入した後、ターゲット１１６を所定の速度まで加速することができる。一部の実施形態では、所定の速度が約２５０ｍ／秒である。ターゲット１１６が核融合チャンバ１０２に入ると、追跡及び係合システム１１０は、ターゲット１１６が核融合チャンバ１０２に入った点から核融合チャンバ１０２の中心近くにある最終目的地まで進むときに、ターゲット１１６を追跡することができる。一部の実施形態では、ターゲットが核融合チャンバ１０２内を進むときに、追跡及び係合システム１１０がターゲットの速度及び位置を判定する。追跡及び係合システム１１０は、この情報をレーザシステム１０８に伝える。これに応答して、レーザシステム１０８は、レーザビーム１１２をいつオンにするか、及びレーザビームの意図した目的地を判定して、すべてのレーザビーム１１２が意図した時間にターゲット上の所定の位置でターゲットに同時に当たるようにする。
【００１７】
[0027]ターゲットが核融合チャンバ１０２内の所定の位置に到達すると、レーザシステム１０８はターゲット１１６に当たる複数のレーザビーム１１２を発生させることにより、ターゲット１１６内で核融合反応を開始する。
【００１８】
[0028]本明細書に記載のシステム構成及び部品は例示的なものであり、変更及び修正が可能であることを理解されたい。更に、本明細書では、特定のブロックを参照してシステムを説明しているが、これらのブロックは説明の便宜上定義されたものであり、部品の特定の物理的配置を示すものではないことを理解されたい。更に、ブロックは、物理的に別個の部品に対応する必要はない。例えば、プロセッサをプログラミングすることにより、又は適切な制御回路を設けることにより、種々の動作を行うように、ブロックを構成することができ、種々のブロックは、初期構成が得られる方法に応じて再構成可能であっても、そうでなくてもよい。本発明の実施形態を、回路及びソフトウェアの任意の組合せを使用して実施される電子デバイスを備えた種々の装置において実現することができる。
【００１９】
[0029]図１は、核融合反応チャンバの簡略概要図であることに注目されたい。当業者は、システム１００を動作させるのに必要となり得るはるかに多くのシステム／部品があることを理解するだろう。しかし、簡潔にするために、このような更なるシステム及び部品は、本明細書では図示及び／又は記載されない。
【００２０】
[0030]前述したように、一実施形態において、核融合システムは、特にターゲット注入システム、ターゲット追跡システム、及びターゲット係合システムを備えることができる。これらのシステムのそれぞれについて、以下で説明する。
【００２１】
ターゲット注入システム
[0031]図２は、本発明の一実施形態によるターゲット注入システムの概略図である。注入システムは、ターゲット２１０をバレル２０４に装填するために使用可能な装填機構２０２を備えることができる。ガスガン２０６を使用して、バレル２０４を通してターゲット２１０を加速するための圧力を発生させることができる。ガスガン２０６により発生した高圧、及びターゲットがバレル２０４を通って進むときのターゲットの速度により、場合によって、バレル２０４が振動を受けるおそれがある。振動により、ターゲット２１０の速度及び／又は軌道が変化し得る。したがって、ターゲット２１０が意図した進路から逸れることがあり、望ましくない。振動を防止又は最小化するために、一部の実施形態では、クランプ機構２０８によってバレル２０４をその銃口でクランプする。一部の実施形態では、バレル２０４を最大１０メートルの長さにすることができ、鋼、クロムライナを含む鋼、ダイヤモンド状炭素ライナを含む鋼等の材料から形成することができる。
【００２２】
[0032]一部の実施形態では、ターゲット２１０は、バレル２０４を通って進むときに、４０００ｍ／ｓ２〜１００００ｍ／ｓ２で加速される。低い加速度は注入システム部品にかかる応力を低下させる可能性があるため、低い加速度を有することが有利である。一実施形態では、ターゲット２１０がバレル２０４内にあるときに、ターゲット２１０の速度は５０〜５００メートル／秒となり得る。このような高い速度及び加速度値で、バレル２０４の銃口がクランプされていない場合、その後のバレル２０４の振動によって、ターゲットが核融合チャンバに入るときにターゲットの軌道が変わるおそれがある。振動減衰特性及びアクティブ振動除去特性を加えて、バレルの振動を低減させることができる。一部の実施形態では、特定の軌道をターゲットに与えて、ターゲットが核融合チャンバに入るときにターゲットを位置合わせするために、バレル２０４が銃口に高精度口径を有する。
【００２３】
[0033]ターゲットに所望の加速度を与えるために、本発明の実施形態は、前述したようにガスガン２０６を使用することができる。一部の実施形態では、ガスガン２０６は、ターゲットを加速するために、加圧されたヘリウムガスを使用することができる。しかし、キセノン、ネオン、アルゴン等の他のガスを使用してもよい。一部の実施形態では、ガスガン２０６内のガス圧力が１ｐｓｉ〜２００ｐｓｉである。一実施形態では、ガス圧力を約２５ｐｓｉとすることができる。一部の実施形態では、ターゲットがバレルに注入される前に、所望の圧力になるまでバレル２０４にガスを充填する。他の実施形態では、ターゲット２１０がバレル２０４を通って進むときに、バレル２０４内の圧力を連続して上昇させることができる。所望のガス圧力を達成するために使用される方法にかかわらず、ターゲット２１０はバレル２０４を通って移動するときに加速する。一部の実施形態では、次のターゲットを加速するために、ガスガン２０６を再び充填しなければならない。一部の実施形態では、１秒に最大１５のターゲットをバレル２０４内に注入することができる。そのため、ガスガン２０６は、５Ｈｚ〜２５Ｈｚの繰返し率を有することができる。
【００２４】
[0034]ターゲット２１０がバレル２０４を通って進むときに、バレル内のガスが放散することにより、移動中のターゲット２１０全体に加わる圧力が低下する。注入圧力又はターゲット２１０がバレル２０４に装填されるときに加わる圧力は、ターゲット２１０がバレルを通って進むときに生じ得るこの圧力低下を考慮して設定される必要がある。一部の実施形態では、冗長性のため注入機構が２以上のガスガン２０６を備えることができる。図３に示すように、本発明の一実施形態では、２以上のガスガン３０６をタレットに取り付けることができる。この場合、ガスガン３０６の１つが故障しても、別のガスガンに交換することができるため、核融合システムの休止時間が短くなる。故障したガスガン３０６を、次の保守サイクル中に交換することができる。
【００２５】
[0035]一部の実施形態では、ターゲットは、バレルを通って進むときにバレルの内壁に接触し、摩擦を生じてターゲットを減速させるか、ターゲットに損傷を与えるか、又はこれらの両方を発生させるおそれがある。理想的には、摩擦なしでターゲットがバレルを通って進むことにより、ターゲットへの抵抗を減らして、所望の最終速度及び加速度をより容易に達成できるようにすることが有利である。図４は、本発明の一実施形態による、バレル内の摩擦を減らすための機構を備えたバレルの横断面図である。
【００２６】
[0036]図４に示すように、ターゲット４０４がバレル４０２を通って進む。ターゲット４０４は、進むときにバレル４０２の内壁に接触し得る。これにより、ターゲット４０４とバレルの内壁との間に摩擦が生じる。ターゲット４０４が高速で進むため、この摩擦によってターゲット４０４、バレル４０２、又はこれらの両方に損傷を与えるおそれがある。損傷したターゲットは、限定されないが、核融合反応の失敗を含む他の考えられる問題を生じさせるため、損傷したターゲットを核融合チャンバに入れるのは望ましくない。また、バレルの摩耗によって、バレル４０２の早期の機械的故障が生じるおそれがあり、これは望ましくなく、バレルを組み込む核融合システムの保守費用が増加することになる。
【００２７】
[0037]一実施形態では、複数のガスチャネル４０６をバレル４０２の内壁に組み込むことができる。ガスチャネル４０６を通してガスを注入することができる。注入されたガスは、ターゲット４０４の周りにガスのクッションを形成するため、ターゲット４０４がバレル４０２の内壁に接触するのを防止することができる。言い換えると、ターゲット４０４は、周囲のガスクッションによって浮遊又は浮上するため、ターゲット４０４とバレル４０２との間の摩擦を減らすことができる。一部の実施形態では、ガスが、ガスガン以外の外部源から注入される。他の実施形態では、前述したガスガンにより注入されるガスをバレル４０２内で循環させて、前記ガスクッションを形成するようにしてもよい。
【００２８】
[0038]別の実施形態では、液体又は固体潤滑剤をバレル、又はバレル４０２に接触するターゲット４０４の部分に塗布することができる。使用可能な固体潤滑剤の一部の例として、ＭｏＳ２、ＴＳ２及びグラファイトがある。使用可能な液体潤滑剤の一部の例として、ポリアルキレングリコールがある。一部の実施形態では、潤滑剤が加速プロセス中に相変化を呈し、例えば固体潤滑剤が液状又はガス状に変化し得る。
【００２９】
[0039]図５は、本発明の実施形態による、ターゲットがバレルを通って移動するときにターゲットを加速するための機構を示す概略図である。図５に示すように、ターゲット５０２は、例えば、前述したガスガンを使用してバレル５０４に注入されると、バレル５０４を通って進む。バレル５０４の周囲には１又は複数の電磁石５０６が並んでいる。電磁石５０６は、作動されると、進行する磁界を発生し、この磁界の半径方向成分は導電性ターゲット５０２中に周方向（渦）電流を誘導する。この電流によって磁界を発生させ、磁界は進行波と相互作用してターゲット５０２を推進する。一部の実施形態では、ターゲット５０２がバレル５０４を通って進むときに、ターゲット５０２を回転させることが有利となり得る。この回転によって、ターゲット５０２がバレルを通って高速で進むときに、ターゲット５０２を安定させることができる。一部の実施形態では、バレル５０４の周囲に更なるコイルを加えて、ターゲットに所望の回転プロファイルを発生させることができる。一部の実施形態では、ターゲット５０２が１回転につき１〜３メートルの速度で回転する。
【００３０】
[0040]バレル内におけるターゲットと高温ガスとの相互作用を最小限に維持することが望ましい。ターゲットがバレル内の高温ガスに接触する時間が長くなるほど、ターゲットの温度が上昇して、核融合チャンバに入る前にターゲットに損傷を与えるおそれがある。また、前述したように、ターゲットが核融合チャンバに正しい速度及び軌道で入ることが有利である。所望の軌道を維持するために、ターゲットがバレルに入ったら、ターゲットの向きを操作して、バレルから出るときにターゲットが所望の軌道上にあるようにする必要があり得る。ターゲットがバレルを通って移動するときに、複数の技術を使用してターゲットの向きを操作することができる。例えば、一部の実施形態では、ターゲットを反磁性とすることができ、磁気集束光線を使用して、ターゲットをバレルに通すことができる。他の実施形態では、音波を使用してターゲットをバレルに通すことができる。
【００３１】
[0041]前述したように、バレルは核融合チャンバに連結する。ターゲットは、バレルから出ると、核融合チャンバに入って核融合反応を受ける。毎秒約１６のターゲットを核融合チャンバに注入することができるため、前に注入されたターゲットが核融合反応を受けているときでも、バレル内にターゲットの連続した流れがある。したがって、後に続くターゲット及びバレルの内面を、核融合反応の副産物による損傷から保護することが有利である。一部の実施形態では、核融合チャンバ内の核融合反応によって、中性子を発生させる。これらの中性子が、バレルと、更に上流の注入機構部品とにより吸収され得ることによって、熱が発生する。バレル及び他の部品の劣化を防止するために、この熱をかなり短い時間で放散させる必要がある。
【００３２】
[0042]図６は、本発明の実施形態による、ターゲットが核融合チャンバに注入されたときにバレルを保護するために使用可能なシャッタ機構を示す。シャッタ機構６０２をバレル６０４に回転可能に結合することができる。シャッタ６０２は、１又は複数のスロット６０６を有することができ、ターゲットはこのスロット６０６を通って核融合チャンバへ進むことができる。また、シャッタ６０２は、１又は複数の閉鎖部６０８を有することができる。各閉鎖部６０８を、２つの隣接するスロット６０６間に配置することができる。一部の実施形態では、シャッタ６０２の回転を調節して、ターゲットがスロット６０６を介して核融合チャンバに注入された後に、核融合反応の期間、閉鎖部６０８がバレル６０４の開口を覆うことにより、バレル及び他の上流の部品を効果的に保護することができるようにする。一部の実施形態では、シャッタ６０２を毎分約４５０回転（ｒｐｍ）の速度で回転させることができる。核融合チャンバ内での核融合反応中に発生した中性子を吸収するために、一実施形態では、シャッタ６０２を、中性子を吸収可能な材料、例えばコンクリートから形成することができる。一部の実施形態では、更なる冷却機構を使用して、中性子の吸収によりシャッタ６０２に蓄積された熱を放散させることが必要となり得る。
【００３３】
[0043]一部の実施形態では、冗長性を確保するために、シャッタ６１０の１又は複数のクラスタをバレル６０４に結合することができる。したがって、シャッタの１つが故障しても、別のシャッタに交換して休止時間を最小限に維持することができる。
【００３４】
追跡システム
[0044]前述した実施形態は、ターゲットの装填及びターゲットの核融合チャンバ内への注入に関する。ターゲットが核融合チャンバに入ったときに、所与の時間にターゲットの位置がわかることが有利であり、核融合反応を開始させるために、所望の時間及び位置でターゲットに適切に当たるようにレーザビームを位置合わせするようレーザシステムを制御することができるようにする。正しい時間及び位置でレーザをターゲットに当てることができないと、核融合反応を開始することができなくなるおそれがある。一実施形態では、核融合開始前のターゲットの所望の位置を、核融合チャンバの中心、又は核融合チャンバの中心近くにすることができる。このため、ターゲットが核融合チャンバに入るときにターゲットを効果的に追跡して、適切な時間にレーザシステムに信号を送り、レーザビームによりターゲットを付勢する必要がある。
【００３５】
[0045]一部の実施形態では、追跡システムが、核融合チャンバ環境に関連したターゲットの位置及び速度を判定する。この判定に基づき、追跡システムは、ターゲットが核融合チャンバの中心又は核融合チャンバの中心近くにいつ到達するかを予測することができる。この情報に基づき、レーザ制御システムは、適切な時間にレーザビームを発射させることができる。
【００３６】
[0046]図７Ａは、本発明の一実施形態による追跡システムの概略図である。追跡システムは、１又は複数のレーザビーム送信器及び受信器を備えることができる。各対のレーザビーム発生器７０２及びレーザビーム受信器７０４は、核融合チャンバ７０６の両側に位置する。レーザビーム発生器７０２及び受信器７０４は、点火／注入誘導運動が追跡システム部品を妨害しないように、核融合チャンバ７０６から機械的に分離された支持機構７１４に取り付けられる。各レーザビーム発生器７０４により発生した追跡ビーム７０８は、ターゲット進路の方向に直交する方向に横切る。一部の実施形態では、複数のこのようなレーザビーム７０８を使用して、ターゲットが核融合チャンバ７０６を通って進むときにターゲットを追跡することができる。一実施形態では、最大５つのレーザビームを使用してターゲットを追跡することができる。複数の追跡ビーム７０８がある場合、追跡ビーム７０８は、図７Ａに示すように垂直に積み重ねられる。一部の実施形態では、追跡ビーム７０８は、０．２ｍ〜１ｍの距離だけ離間している。一部の実施形態では、Ｎｄ：ＹＡＧ、ダイオードレーザ等の種々のレーザ源のいずれかを使用して、追跡ビーム７０８を発生させることができる。
【００３７】
[0047]各追跡ビーム７０８は、核融合チャンバ７０６に関連する１組の永久基準点に位置合わせされる。基準点は、正確な測定により、核融合チャンバと同一の座標系に位置する。したがって、核融合チャンバ７０６を参照して、追跡ビーム７０８の正確な座標がわかる。ターゲットは、核融合チャンバを通って移動するときに、各追跡ビーム７０８を通過する。ターゲットは、追跡ビーム７０８を通過するときに、追跡ビーム７０８を遮って影を作る。ターゲットの移動する影によって、１又は複数の高速ダイオード７１０ａにより検出可能な時変信号が生成される。高速ダイオード７１０ａにより検出された信号は、ターゲット７１２が図７Ｂに示すような追跡ビーム７０８の既知の垂直位置を通過する時間を伝える。
【００３８】
[0048]ターゲットが連続する追跡ビーム７０８を通過すると、追跡ビーム７０８間の距離が既知であるため、ターゲットの速度を判定することができる。加えて、ターゲットが追跡ビーム７０８を通過する横方向（即ちＸ）位置を、ラインカメラ７１０ｂ、例えば線形ＣＣＤアレイにより取り込まれた画像から判定することができる。一部の実施形態では、このような画像の高速な連続により、時間に対するターゲットの横方向位置を記録する。ターゲットが追跡ビーム７０８を通過するときの、この横方向位置の変化によって、ターゲットが核融合チャンバの中心に近付いたときに傾斜すると判定する。ターゲットが実際に傾斜していれば、レーザシステムを、ターゲット上の指定位置でターゲットに引き続き当たるように位置合わせしなければならない。
【００３９】
[0049]ターゲットが各レーザビームを通過するときのターゲットの速度及び横方向位置についての情報に基づき、ターゲットが核融合チャンバの中心に近付いたときのターゲットの正確な位置を判定することができる。加えて、追跡システムは、ターゲットがその位置に到達する時間も判定することができる。前述したように、レーザシステムを正確に位置合わせするために、ターゲットの正確な端部位置及びターゲットがその位置に来る時間がわかることが重要である。
【００４０】
[0050]一部の実施形態では、追跡システムが、追跡座標システムに対する水平ターゲット位置について約５０μｍの精度を提供することができる。特定の実施形態では、各追跡ビーム７０８を約０．２５ｍ間隔で離間させることができる。この場合、追跡システムは、約０．１２ｍ／秒の速度測定精度を提供することができる。一実施形態では、追跡システムが約４ｍｒａｄの傾斜測定精度を提供することができる。一部の実施形態では、更なる精度が必要な場合に、追加の追跡ビーム７０８を配置することができる。
【００４１】
[0051]一部の実施形態では、核融合チャンバの中心近くの領域を画定することができる。核融合反応を確実に順調に開始することができるように、ターゲットをこの画定された領域内に位置させることが望ましいとされ得る。本実施形態では、例えば過度の傾斜によりターゲットがこの領域外まで行った場合、レーザシステムがターゲット上の所望の位置にレーザビームを向けることができないため、核融合反応を開始することができないおそれがある。したがって、一実施形態では、追跡システムは、ターゲットが画定された領域内に入ると予想されるか否か、及び予想される場合、いつ入るかを判定することができる。
【００４２】
[0052]一部の実施形態では、追跡ビーム７０８を定期的に調節して、追跡ビーム７０８の位置を測定した基準に維持しなければならないことがある。複数の要因により、追跡ビームの位置合わせが元の位置から逸れるおそれがある。例えば、振動による機械的緩和及び追跡システム部品の定期的な保守により、追跡ビームの位置がずれることがあり得る。追跡ビームを正確な位置に維持することが重要であるため、必要であれば追跡ビームを定期的に点検して位置合わせし直すことが必要となり得る。
【００４３】
係合システム
[0053]前述したように、追跡システムにより、ターゲットが核融合チャンバの中心近くで終わる場所及びその時間をかなり正確に推定することができる。しかし、核融合反応の開始が、レーザビームが所望の時間にターゲット上の指定位置に正確に当たることに依存しているため、ターゲットが追跡ビームのうちの最後のビームを通り、核融合チャンバの中心近くの予想位置に近付くときに、より詳細な測定が必要となり得る。このより精密な制御機構は、本明細書で係合システムと呼ばれる。一部の実施形態では、ターゲットが核融合チャンバの中心近くの位置に到達すると推定される数秒前に、係合システムが作動される。特定の実施形態では、ターゲットが核融合チャンバの中心近くの位置に到達すると推定される約２３μｓ前に、係合システムが作動される。理想的には、係合システムは、ターゲットがその位置に到達する前に、実用的に可能な限り遅く作動され得る。一部の実施形態では、係合システムは、ターゲットが推定位置から約７ｍｍ離れているときに作動される。
【００４４】
[0054]係合システムの目的は、最終的にターゲットに当たるレーザビームの方向を細かく調整することである。すべてのターゲットが前のターゲットと同じ位置で終わるわけではないことに注目されたい。したがって、レーザビームを、各ターゲットについて調節することが必要となり得る。ターゲットが判定された位置に到達する予定よりも少し前に係合システムを作動させることにより、指定位置でターゲットに当たるようにレーザビームの最終的な位置合わせ及び位置決めが可能になる。
【００４５】
[0055]図８は、本発明の一実施形態による追跡システムとともに係合システムを示す概略図である。係合システムは、１又は複数の係合パルス８１０を発生させる１又は複数の係合源（図示せず）を備える。一部の実施形態では、係合源を、３５５ナノメートル、１０ナノ秒の光パルスを出力して、約６０μｊ／ｃｍ２のフルエンスでターゲットの端部を照らすレーザとすることができる。１又は複数の係合パルス８１０は、ターゲット８０２上の１又は複数の基準又は特徴を照らす。ターゲットの性質により、ターゲットは係合パルス８１０からの光を散乱させる。係合ビームの入射角は、複数の主レーザビームラインにより、散乱光の集光に合わせて最適化される。一部の実施形態では、係合パルス８１０が、垂直軸から約３９度ずれた角度で入射する。一部の実施形態では、散乱光が、最終的にターゲットに当たって核融合反応を開始するレーザビームと同じ経路に沿って（しかし逆方向に）通過する。散乱光は、１又は複数の係合センサ８０４により検出される。各係合センサ８０４をレーザ制御システム８０６と関連させることができる。説明を容易にするために、単一の係合パルス及び単一のレーザビームのみを図８に示すことに注目されたい。当業者は、実際には、複数の位置でターゲットに当たることのできる複数の係合パルス及び複数のレーザビームがあり得ることを理解するだろう。また、単一の係合パルスから散乱した光は、複数のレーザビームに関連した複数のビーム路に入ることができる。
【００４６】
[0056]ターゲット８０２からの散乱光は、光学素子アセンブリ８０８により捕捉されて、係合センサ８０４に伝送される。一部の実施形態では、係合センサ８０４が、主レーザ位置合わせビームのサンプルを抽出するビームスプリッタと、散乱した係合光のサンプルと比較するためにビームを逆反射するコーナキューブと、一対の直交する向きの線形ＣＣＤアレイカメラと、散乱光を使用してターゲットの端部をラインカメラ上に撮像するための光学素子とを備える。係合センサ８０４は、散乱光を受けると、散乱光の方向をターゲットに当たるレーザビームの方向と比較することができる。前述した速度及び軌道情報とともにこの情報を使用することにより、係合システムは、正しい位置にレーザビームを向ける必要があり得る補正を計算することができる。補正値はその後レーザ制御システム８０６に送られ、レーザ制御システム８０６はレーザビームの方向を調節して、レーザビームがターゲット８０２の最終予想位置に位置合わせされるようにする。ターゲットが所望の位置に到達すると、レーザ制御システム８０６は主レーザビームを発射させてターゲットに照射する。
【００４７】
[0057]前述したように、それぞれ係合パルスを発生させることのできる２以上の係合源があってもよい。一部の実施形態では、最大８つの係合源を配置して、４つが上から、４つが下からターゲットを照らすようにすることができる。各ビームをターゲットの位置に正確に向けることに関して正確なデータを発生させるのに十分な方向に、確実に光が散乱されるようにするために、必要なだけ多くの係合パルスを有することが有利となり得る。
【００４８】
[0058]一部の実施形態では、係合パルスが、レーザビームとは異なる波長を有することができる。一部の実施形態では、係合動作中にターゲットから反射される光は、光学素子アセンブリ８０８から出るレーザビームとは異なる角度で光学素子アセンブリ８０８に入る。これは、係合パルスが作動されるときに、レーザビームがターゲットの位置とは異なる位置に向けられるために生じる。したがって、係合パルスからの散乱光は、光学素子アセンブリ８０８を通って係合センサ８０４へ戻る最適に満たない経路をたどる。光学素子アセンブリ８０８は回折格子であるため、入射する光の向きを波長に応じて操作する。レーザビームとわずかに異なる波長を有する係合パルスを使用することにより、光学素子アセンブリ８０８は散乱光の向きを異なって操作して、散乱光がより最適な経路で光学素子アセンブリ８０８を通って進むようにすることができる。一実施形態では、光学素子アセンブリ８０８を越えて散乱光がたどる経路が、光学素子アセンブリ８０８を通って進むレーザビームの経路と同じになるように、係合パルスの波長が選択される。
【００４９】
[0059]前述したように、核融合反応を開始するために、レーザビームが意図した位置でターゲットに当たることが重要である。従来の方法では、ターゲット、例えば球面ターゲットからの鏡面反射により、ターゲット上の単一の位置を特定することができる。鏡面反射は、表面からの光が鏡状に反射することであり、単一の入射方向からの光が単一の出射方向に反射される。これに基づき、レーザをすべてその位置に向けることができる。しかし、これは、ターゲットを付勢して核融合反応を開始する最適な方法ではないことがある。本発明の実施形態では、ターゲット上の複数の位置が特定され、レーザビームが、特定された位置に所望の時間に入射するよう制御される。
【００５０】
[0060]一部の実施形態では、ターゲットからの散乱光を使用して、ターゲットの画像を形成する。これにより形成されたターゲットの画像は、レーザビームを集束させるターゲット上の位置を決める際に使用される。位置が決まると、レーザ制御システム８０６は、各レーザビームを、特定された位置の１つに所望の時間に当てるように操作することができる。ターゲット上の位置を特定しやすくするために、一部の実施形態では、１又は複数の特定の特徴がターゲット上に含まれていてもよい。このような特徴は、ターゲット上の所望の位置を迅速且つ正確に特定するのを助けることができる。例えば、ターゲットの端部は、ターゲットの画像が散乱光から構成されるときに区別可能な特徴を生じさせる特別なコーティングを有することができる。この区別可能な特徴を、その後、レーザビームを集束させるターゲット上の他の位置を特定するための基準として使用することができる。
【００５１】
[0061]前述したように、ターゲットからの鏡面反射は、ターゲット上に単一の輝点を生じさせる。このため、ターゲットの画像を構成することがより困難になり得る。したがって、鏡面反射を避けることが有利である。一実施形態では、係合源の位置を調節して、鏡面反射を低減又はなくすことができる。係合パルスがターゲットに当たるときに鏡面反射が確実に最小になるように、係合源の位置を選択する。ターゲットの形状が、鏡面反射を最小にするように設計されていてもよい。
【００５２】
[0062]前述したように、ターゲットが意図した位置に到達することが予想される時間に近付いたときに、係合パルスを作動させることが有利である。しかし、（ａ）散乱光を係合センサに戻すように伝送するため、（ｂ）補正パラメータを判定するため、（ｃ）意図した位置にレーザビームを向けるようにレーザ源を制御するため、及び（ｄ）レーザを発射させて、レーザビームがターゲットに当たるようにするために、十分な時間を割り当てる必要がある。したがって、係合パルスの作動が遅すぎると、このような後続の動作を行う十分な時間がなくなるおそれがある。他方、係合パルスの作動が早すぎると、散乱光が集められて補正パラメータを判定した後にターゲットが経路を変えるおそれがあるため、正確な補正パラメータが得られないおそれがある。この場合、レーザビームはターゲット上の意図した位置に集束することができない。一部の実施形態では、ターゲットが意図した位置に到達すると予想される約２０〜２５μｓ前に係合パルスを作動させる。一部の実施形態では、音響光学ビーム偏向器を使用して、判定された補正値に基づきレーザビームの向きを操作することができる。前述した係合技術を各ターゲットについて行うことができる点に注目されたい。
【００５３】
[0063]図９は、本発明の一実施形態による、ターゲットを追跡するためのプロセス９００のフロー図である。例えば図７Ａ及び７Ｂに示す追跡システムにより、プロセス９００を実行することができる。ステップ９０２で、核融合ターゲットが核融合反応チャンバに入る。ステップ９０４で、ターゲットが核融合チャンバを横方向に横切る第１の追跡ビームを通過する。ステップ９０６で、レーザビームと交差する核融合ターゲットにより生じた影が、１又は複数のセンサにより捕捉されて、ターゲットの到達時間、追跡ビームに対するターゲットの横方向位置、及びターゲットの傾斜を判定する。一部の実施形態では、同様の画像を、直交する追跡ビーム上でセンサにより同時に取り込むことができる。ステップ９０８で、核融合ターゲットは第２の追跡ビームを通過する。２つの追跡ビーム間の距離と、ターゲットが第１の追跡ビームから第２の追跡ビームへ行くのにかかる時間とに基づき、ステップ９１０でターゲットの速度が判定される。加えて、ターゲットの更なる画像を取り込んで、傾斜及び横方向位置の変化を判定することができる。速度情報を使用して、ターゲットが核融合チャンバの中心近くの位置に到達すると予想される時間を判定する。蓄積された横方向位置及び傾斜の情報と速度測定値との組合せにより、ターゲットの軌道が画定される（ステップ９１２）。ステップ９１４で、時間情報がレーザ制御システムに送られて、レーザ制御システムが正しい時間にレーザを発射する準備ができるようにする。外挿された軌道は、ターゲットが核融合チャンバの中心近くに到達するときに係合システムの動作範囲内にあるか否かを示す。
【００５４】
[0064]図９に示す特定のステップにより、本発明の一実施形態による、核融合ターゲットを追跡する特定の方法が提供されることを理解されたい。代替形態により、他の順序のステップも実行することができる。例えば、本発明の代替形態は、前述したステップを異なる順で実行することができる。更に、図９に示す個々のステップが、個々のステップに応じた種々の順序で実行され得る複数のサブステップを含んでいてもよい。更に、特定の用途に応じて、更なるステップを追加又は除去してもよい。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。
【００５５】
[0065]図１０は、本発明の一実施形態によるターゲットを係合するためのプロセス１０００のフロー図である。例えば図８に示す係合システムにより、プロセス１０００を実行することができる。
【００５６】
[0066]核融合ターゲットは核融合チャンバに注入される。核融合ターゲットが核融合チャンバの中心近くの最終目的地に近付くと、光パルスがターゲットに集束されてターゲットを照らす（１００２）。前述したように、一部の実施形態では、複数の光パルスをターゲット上に集束させることができる。光は核融合ターゲットに当たった後に複数の方向に散乱される。核融合チャンバの周りに配置された複数の光学素子アセンブリが散乱光を集め（１００４）、集めた光を関連する係合センサに戻すように操作する。各係合センサ及び関連する回路が、集められた散乱光を使用して核融合ターゲットの画像を発生させる（１００６）。発生した画像に基づき、係合システムは、関連するレーザビームが核融合反応の開始の一部として集束される、ターゲット上の少なくとも１つの位置と、核融合ターゲットが意図した位置に到達するときの位置の将来の座標とを特定することができる（１００８）。その後、係合センサは、レーザビームの現在の集束点の座標を判定する（１０１０）。一部の実施形態では、現在の集束点の座標は、核融合ターゲット上の特定された位置の将来の座標と同一となり得る。他の実施形態では、これらの座標が異なっていてもよい。
【００５７】
[0067]係合システムは、その後、現在の集束点の座標とターゲット上の特定された位置との差を判定し（１０１２）、判定された差に基づいて補正パラメータを判定する（１０１４）。その後、補正パラメータがレーザ制御システムに伝達されて、レーザビームを特定された位置の将来の座標に向けるように制御する（１０１６）。
【００５８】
[0068]図１０に示す特定のステップにより、本発明の一実施形態による、レーザシステムを制御する特定の方法が提供されることを理解されたい。代替形態により、他の順序のステップを実行することができる。例えば、本発明の代替形態は、前述したステップを異なる順で実行することができる。更に、図１０に示す個々のステップが、個々のステップに応じた種々の順序で実行され得る複数のサブステップを含んでいてもよい。更に、特定の用途に応じて、更なるステップを追加又は除去してもよい。当業者は、多くの変更、修正、代案を認めるだろう。
【００５９】
[0069]本発明の記載は例示及び説明のために示されたものである。この記載は網羅的なものではなく、また本発明を記載された正確な形に限定するものではない。前述した教示に照らして多くの修正及び変更が可能である。実施形態は、本発明の原理及び実際の適用を最良に説明するために選択され記載されたものである。この記載により、当業者は、種々の実施形態において、特定の使用に適した種々の修正とともに、本発明を最良に使用し実践することができる。本発明の範囲は以下の特許請求の範囲により定義される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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