(57)【要約】【課題】レーザービームをより効果的に終端させ、戻り光による迷光を著しく低減させることができるビームダンプを提供する。【解決手段】本ビームダンプ１は、使用済みのレーザービームの終端処理を行うものであり、レーザービームの入射側の前段のレーザー吸収板５ａが、終端処理するレーザービームの入射方向に対して一定角度傾斜して設けられ、後段のレーザー吸収板５ｂが前段のレーザー吸収板５ａに対し前段のレーザー吸収板５ａとは反対の方向に一定角度傾斜するように設けられてなるレーザー吸収材４を複数枚、ヒートシンク３の上にレーザービーム入射方向とは直角な方向に一定間隔を隔てて、レーザービームの終端部がレーザービーム入射方向から見て隠れるように配設して構成されることを特徴とする。【選択図】図１
2012243850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用済みのレーザービームの終端処理を行うビームダンプであって、レーザービームの入射側の第１段目のレーザー吸収板が、終端処理するレーザービームの入射方向に対して一定角度傾斜して設けられ、少なくとも第２段目以降のレーザー吸収板が前段のレーザー吸収板に対し前段のレーザー吸収板とは反対の方向に一定角度傾斜するように設けられてなるレーザー吸収材を複数枚、ヒートシンクの上にレーザービーム入射方向とは直角な方向に一定間隔を隔てて、レーザービームの終端部がレーザービーム入射方向から見て隠れるように配設して構成されることを特徴とするビームダンプ。
【請求項２】
ヒートシンクの底部に冷却機構を設けたことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項３】
レーザービームが入射する第１段目のレーザー吸収板の先端部にブレード加工が施されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のビームダンプ。
【請求項４】
前記レーザー吸収材の傾斜角は、前記レーザー吸収材でのレーザービームの反射角が６７〜８１度となるように設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のビームダンプ。
【請求項５】
前記レーザー吸収材は、Ｂｅ、Ｍｏ、Ｗ及びＴｉのうちのいずれか、又はＢｅ、Ｍｏ、Ｗ及びＴｉのうちのいずれかで表面被覆した材料で構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のビームダンプ。
【請求項６】
前記レーザー吸収材の表面を透明誘電体層で被覆したことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のビームダンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザービームの終端処理を行うビームダンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザー散乱測定は、測定しようとする物質にレーザービームを照射し、その散乱光を検出することにより分析を行う手法である。このようなレーザー散乱測定において、核融合実験炉における炉心プラズマの電子密度や電子温度を測定する装置として、トムソン散乱装置がある。このトムソン散乱装置は、トムソン散乱断面積が小さいことから大きな信号量を得ることが難しく、一般的に小さなＳ／Ｎ比となる。このため、迷光の存在は測定精度に大きな影響を与えることから様々な迷光対策が行われている。その中の一つに、レーザービームの終端処理を行うビームダンプがある。
【０００３】
従来のビームダンプの一例（非特許文献１）の構成を図８に示す。図中１１がビームダンプであり、熱伝導性の良好な金属等からなるヒートシンク１２の上にウェッジ状のレーザーム吸収材１３を複数並設させて構成されている。レーザー吸収材１３にはレーザービームの吸収性に優れ反射率が低く熱伝導性の良好な金属等の材料が使用されている。また、図示はしていないがヒートシンクには水冷式等の冷却機構が設けられている。
【０００４】
このような構成のビームダンプ１１では、図中上方からレーザービームがヒートシンク１２に入射し、レーザービームは隣合ったレーザー吸収材１３の傾斜面で反射を繰り返し、ヒートシンク１２の上面部分で終端する。
【０００５】
この場合、上記したように、レーザービームが効果的に終端する必要がある。しかしながら、図８の構成のビームダンプ１１では、ビームダンプ１１の終端部がレーザービームの入射側に対し、開いた状態となっているため、ビームダンプ１１の戻り光が迷光となってしまい、測定精度の向上のためには戻り光の量をできるだけ少なくすることが要求される。
【０００６】
また、核融合実験炉等で利用されるレーザー利用プラズマ計測では、ビームダンプ１１を利用できる空間が限られているため、ビームダンプ１１の寸法は極めて小さくなり、レーザー吸収材１３の寸法も極めて小さくなる。上記のようなパワーが非常に大きなレーザービームが寸法が極めて小さいビームダンプ１１に入射すると、レーザー吸収材１３の蒸発や、レーザーパルスが繰り返し入射することによる材料疲労に伴う性能劣化が懸念される。
【０００７】
また、上記のようなパワーが非常に大きなレーザービームがレーザー吸収材１３の傾斜面で反射すると非常に高温の状態となるため、外部からの熱（輻射、核発熱等）を効率的に除去する必要がある。
【０００８】
さらに、長寿命化（許容できるレーザーパルスの入射回数が多い）でき、高温下、高強度放射線環境下での使用が可能であるという要求もある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】"Laser system for high resolution Thomson scattering diagnostics on the COMPASS tokamak, Review of Scientific Instruments 81, 10D511, (2010)、図５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたものであり、レーザービームをより効果的に終端させ、戻り光による迷光を著しく低減させることができるビームダンプを提供することを課題とする。
【００１１】
また、本発明は、非常に大きなパワー（１０７Ｗ／ｃｍ２オーダー）のレーザービームが入射しても、レーザー吸収材の蒸発や、レーザーパルスの繰り返し入射による性能劣化を防止できる長寿命化したビームダンプを提供することを別の課題とする。
【００１２】
さらに、本発明は、高温下や高強度放射線環境下でも使用することが可能なビームダンプを提供することも別の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明は、第１には、使用済みのレーザービームの終端処理を行うビームダンプであって、レーザービームの入射側の第１段目のレーザー吸収板が終端処理するレーザービームの入射方向に対して一定角度傾斜して設けられ、少なくとも第２段目以降のレーザー吸収板が前段のレーザー吸収板に対し前段のレーザー吸収板とは反対の方向に一定角度傾斜するように設けられてなるレーザー吸収材を複数枚、ヒートシンクの上にレーザービーム入射方向とは直角な方向に一定間隔を隔てて、レーザービームの終端部がレーザービーム入射方向から見て隠れるように配設して構成されることを特徴とするビームダンプを提供する。
【００１４】
第２には、上記第１の発明において、ヒートシンクの底部に冷却機構を設けたことを特徴とするヒートシンクを提供する。
【００１５】
第３には、上記第１又は第２の発明において、レーザービームが入射する第１段目のレーザー吸収板の先端部にブレード加工が施されていることを特徴とするビームダンプを提供する。
【００１６】
第４には、上記第１から第３のいずれかの発明において、前記レーザー吸収材の傾斜角は、前記レーザー吸収材でのレーザービームの反射角が６７〜８１度となるように設定されていることを特徴とするビームダンプを提供する。
【００１７】
第５には、上記第１から第４のいずれかの発明において、前記レーザー吸収材は、Ｂｅ、Ｍｏ、Ｗ及びＴｉのうちのいずれか、又はＢｅ、Ｍｏ、Ｗ及びＴｉのうちのいずれかで表面被覆した材料で構成されることを特徴とするビームダンプを提供する。
【００１８】
第６には、上記第１から第５のいずれかの発明において、前記レーザー吸収材の表面を透明誘電体層で被覆したことを特徴とするビームダンプを提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、前段と次段のレーザー吸収材が「くの字」状あるいは逆「くの字」状となり、複数のレーザー吸収材が、ヒートシンクの上にレーザービーム入射方向とは直角な方向に一定間隔を隔てて、レーザービームの終端部がレーザービーム入射方向から見て隠れるように配設されているので、ビームダンプに入射したレーザービームは隣合ったレーザー吸収材の対向する傾斜面に対する反射を繰り返し終端部へ向かい、レーザービームをより効果的に終端させ、戻り光による迷光を著しく低減させることが可能となる。
【００２０】
また、ヒートシンクの底部に冷却機構を設けることにより、ビームダンプの除熱効果を向上させ、高温下や高強度放射線環境下での使用が可能となる。
【００２１】
また、第１段目のレーザー吸収板の先端部をブレード加工することにより、先端部からの迷光の低減を図ることができる。
【００２２】
また、レーザービームがＰ偏光の場合でのレーザービームの反射率が６７〜８１％となるように設定することにより、レーザービームの吸収効率が高まり、さらに効果的にレーザービームを終端させ、戻り光による迷光をより一層著しく低減させることが可能となる。
【００２３】
また、レーザー吸収材を、反射率の小さいＢｅ、Ｍｏ、Ｗ及びＴｉのうちのいずれか、又はＢｅ、Ｍｏ、Ｗ及びＴｉのうちのいずれかで表面被覆した材料で構成することにより、より一層効果的に終端処理を行うことができる。
【００２４】
さらに、レーザー吸収材の表面を透明誘電体層で被覆することにより、レーザー吸収材の表面損傷の低減と反射率のより一層の低下が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係るビームダンプの構造を模式的に示す図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は上面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ’線断面図、図１（ｄ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図２】本発明の実施形態のビームダンプに上方から底面に向けてレーザービームが入射したときのビームの軌跡を示す図である。
【図３】典型的なレーザー吸収材材料に関して、入射レーザービームの偏光が初段レーザー吸収材に平行（Ｓ偏光）及び垂直（Ｐ偏光）のときの入射角と反射率の関係を示す図である。
【図４】反射分布関数の定義を示すための説明図である。
【図５】代表的なσの値に対する反射分布の様子を示す図である。
【図６】ビームダンプからの戻り光の量と反射角の広がりの関係について、光線追跡シミュレーションにより、従来技術の構成と本構成を比較した図である。
【図７】レーザー吸収板を３段としたビームダンプの構成例を示す図である。
【図８】従来のビームダンプの一例の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２７】
図１は本発明の一実施形態に係るビームダンプの構造を模式的に示す図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は上面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ’線断面図、図１（ｄ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【００２８】
本実施形態のビームダンプ１は、側面が４枚の金属板２、２ａ、２、２ａにより閉じられており、底面は銅などの熱伝導度の高い物質で形成されたヒートシンク３となっており、全体として直方体状となっている。側面の金属板２、２ａ、２、２とヒートシンク３は溶接などの方法で接合されている。ビームダンプ１の上面は開放され、側面の金属板２、２ａ、２、２ａとヒートシンク３で囲まれた内部空間には、「くの字」状に折り曲げたレーザー吸収材４が複数枚、ヒートシンク３上に一定間隔隔てて並設されている。使用済みのレーザービームはヒートシンク３の上面から底面に向かう方向に入射する。このときレーザービームの偏光は図１（ｂ）のＡ−Ａ’方向と平行とする（Ｐ偏光）。
【００２９】
レーザー吸収材４は矩形状の金属板を折り曲げて形成され、レーザービームが入射してくる初段のレーザー吸収板５ａとその下方の後段のレーザー吸収板５ｂよりなる。レーザー吸収材４は、比較的レーザー反射率が低く（３０％以下程度が望ましい）、熱伝導度が高く、耐熱性が良好な金属材料を用いて構成される。このような材料としては、Ｂｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉなどが挙げられる。また、ステンレス鋼などの他の金属の表面をＢｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉなどで被覆したものも用いることができる。レーザービームの入射方向に対する初段のレーザー吸収板５ａの傾斜角は、好ましくは６７〜８１゜、より好ましくは７５〜８０゜程度の反射率の極小値を与える角度付近に設定する。このような範囲の傾斜角に設定すると、単位面積当たりのレーザーエネルギー密度の低減ができるため、材料の疲労を起こりにくくすることができ、またレーザービームの吸収性が良好となり、終端効率を向上させることができる。また、後段のレーザー吸収板５ｂの傾斜角は初段のレーザー吸収板５ａの傾斜角と同じに設定されるが、傾斜方向は逆となっている。複数枚のレーザー吸収材４は一定間隔隔てて配置されるが、その間隔はレーザービームの終端部（ヒートシンク３の上面）がレーザービーム入射方向から見て隠れるように配置する。
【００３０】
初段のレーザー吸収板５ａは側面の金属板２ａ、２ａに溶接などの方法で接合固定する。後段のレーザー吸収板５ｂは側面の金属板２ａ、２ａに溶接などの方法で接合固定するか、ヒートシンク３に溶接などの方法で接合固定するか、あるいはその両者の接合固定を行ってもよい。
【００３１】
また、初段のレーザー吸収板５ａは、図１（ｃ）に示すように、先端部６にブレード加工を施すことにより、ビームダンプ１からのレーザービームの戻り光を発生しにくい構造とすることが望ましい。さらに、ブレード加工した先端部６にＣｕなどのレーザ反射率が高い金属でめっきすることにより、先端部１０へのレーザーエネルギーの吸収を低減し、先端部の損傷を起こりにくくすることもできる。
【００３２】
本実施形態のビームダンプ１では、水冷又は熱伝導性の良い物質との接触による放熱により、ヒートシンク３の底面を冷却することにより、ビームダンプ全体を冷却する。この場合、側面の金属板２、２ａ、２、２ａに熱伝導性の良い物質を採用し、冷却効果をより高めるようにしてもよい。
【００３３】
ビームダンプ１の各部材の寸法は、用途や設置場所、レーザー強度などに応じて適切な値に設定されるが、一例を挙げると、核融合実験炉等で利用されるレーザー利用プラズマ計測に使用する場合、幅６０ｍｍ、高さ３０ｍｍ、レーザー吸収材４の厚さ１ｍｍ、レーザー吸収材４の配置間隔６．５ｍｍであり、小型化されたものとなっている。レーザー吸収材材料としてはタングステンを用いた。このビームダンプは１０７Ｗ／ｃｍ２程度の非常に高いレーザー強度にも対応可能であり、また高温下、高強度放射線環境下での使用も可能である。
【００３４】
上記の構造のビームダンプ１に上方から底面に向けてレーザービームが入射したときのビームの軌跡を図２に示す。実際にはレーザービームはある程度のビーム径を有しているが、便宜上１本の細いビームとした場合の軌跡が図２に示されている。図２に示すように、ビームダンプ１の上方から入射したレーザービームは、隣合ったレーザー吸収材４の傾斜面を幾度か反射してエネルギーを減衰させながら、最終的に終端部に達し、終端する。そして、前段と次段のレーザー吸収材４が「くの字」状となり、複数のレーザー吸収材４が、レーザービームの終端部がレーザービーム入射方向から見て隠れるように配設されているので、レーザービームをより効果的に終端させ、戻り光による迷光を著しく低減させることが可能となる。
【００３５】
次に、典型的なレーザー吸収材材料（Ｂｅ、Ｍｏ，Ｗ、Ｔｉ）に関して、図３に、入射レーザービームの偏光が初段レーザー吸収材４に平行（Ｓ偏光）及び垂直（Ｐ偏光）のときの入射角と反射率の関係を示す。図３から、Ｐ偏光で、入射角が６７〜８１゜、より好ましくは７５〜８０゜程度となるように入射すると、レーザー反射率が極小値あるいはその付近となり、効果的にレーザービームを吸収できることがわかる。
【００３６】
また、ビームダンプの機能は、入射されたレーザービームをビームダンプ内に閉じ込めることである。それを妨げる要因として、レーザービームによるレーザー吸収材表面の損傷がある。これが起こると、レーザー吸収材表面における反射角が入射角と一致しなくなる。レーザーパルスの入射回数が増加するにしたがって、反射角と入射角のずれが大きくなることが予測される。したがって、反射角と入射角のずれをどの程度許容できるかによって、ビームダンプの寿命を特徴づけることができる。反射角と入射角のずれの程度は、反射分布関数により定義できる。ここでは、反射分布関数として、ガウシアン散乱を仮定し、標準偏差σを用いて反射角の広がりを表すものとした。図４と式１に、反射分布関数の定義を示し、式２に、ガウシアン散乱の表式を示す。図４において、θｉは、入射角及び鏡面反射の場合の反射角、θｒは、散乱光の入射面内における反射角、φは、散乱光と入射面がなす角度である。ベクトルｘは、鏡面反射光と散乱光の単位ベクトルをそれぞれ反射面に射影し、差を取ったものとして定義される。
【００３７】
【数１】
2012243850.tif 000003
【００３８】
【数２】
2012243850.tif 000004
【００３９】
ここで、Ａは規格化定数で、考えられる全ての反射角で反射分布を積分した時に１になるように定められる。また、σは、反射角の広がりを与えるパラメータである。
【００４０】
さらに、図５に、代表的なσの値に対する反射分布の様子を示す。図６は、ビームダンプからの戻り光の量と反射角の広がりの関係について、光線追跡シミュレーションにより、従来技術の構成と本構成とを比較をしたものである。従来技術の構成としては、図８に示すウェッジ型のビームダンプを挙げた。レーザー光量に対する迷光量は従来構成のものが２×１０−４であるのに対し、本構成のものはσ＝０．０２のとき、３×１０−７であった。
【００４１】
図６から明らかなように、本構成では、従来技術の構成よりも戻り光量は少ないことがわかる。特に、σが０．２５以下である場合、本構成での戻り光量は、従来技術の構成で鏡面反射を仮定した場合、すなわち製作時における戻り光量以下であるため、σ＝０．２５で表される程度までレーザー吸収材に損傷が与えられても問題ないということになり、長寿命化が可能になったといえる。
【００４２】
以上、本発明を一実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、種々の変形、変更が可能である。
【００４３】
例えば、上記では、１枚の板材を折り曲げて「くの字」状にしたが、初段と後段のレーザー吸収板を独立した２枚の板材とし、これらを接合してレーザー吸収材としてもよい。この場合のレーザー吸収板の側壁やヒートシンクへの固定は上記と同様に行うことができる。
【００４４】
また、レーザー吸収板は、図７のように、３段としてもよく、それ以上の枚数としてもよい。この場合も、初段のレーザー吸収板は、図１の構成の場合と同様に先端にブレード加工を施し、レーザー反射率の高い材料でめっきすることにより戻り光除去性能の向上が可能である。残りのレーザー吸収板は、図１の後段レーザー吸収板と同様である。
【００４５】
また、上記では、ビームダンプの全体形状を直方体状としたが、円柱形状等に変形することも可能である。円柱型の場合は、側面の板は円筒に置き換えられる。ヒートシンクの底面、ヒートシンクの側面、円筒のいずれか１つまたはそれ以上を、上記と同様に冷却することにより、ビームダンプ全体の冷却を行う。
【００４６】
さらに、レーザー吸収材の表面の損傷をより効果的に防止するため、レーザー吸収板の表面をＰＬＺＴのような透明誘電体で被覆するようにしてもよい。このようにすると、レーザー吸収材の表面損傷防止効果の向上に加え、反射率をより低下させる効果も期待できる。
【００４７】
上記では、ビームダンプを核融合実験炉等で利用されるレーザー利用プラズマ計測に使用する場合を例示したが、本発明のビームダンプは、それ以外に、超短パルスレーザーを利用した光学測定、プリズムなどを使用した偏光測定における迷光除去、ラマン分光装置におけるレーザー光の終端等、種々の用途に適用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１    ビームダンプ
２、２ａ    金属板
３    ヒートシンク
４    レーザー吸収材
５ａ、５ｂ    レーザー吸収板
６    先端部
【図１】
2012243850.tif 000005
【図２】
2012243850.tif 000006
【図３】
2012243850.tif 000007
【図５】
2012243850.tif 000008
【図６】
2012243850.tif 000009
【図７】
2012243850.tif 000010
【図４】
2012243850.tif 000011
【図８】
2012243850.tif 000012