【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、卓上ｆｓレーザビームシステムにより、出力１２ＴＷ（１２×１０ ^１２ワット）、パルス巾５０ｆｓ（５０×１０ ^−１５秒）のレーザをターゲットに打ち込んで、該ターゲットより極短ビームを発生させるようにして、密度を上げた固液二相のスラリ状ターゲット部材に関し、特にレーザプラズマカソード方式によるフェムト秒電子ビームとフェムト秒中性子ビームの効率的発生を可能とした極低温スラッシュガスよりなるガスターゲットの製造方法とその装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】前記卓上ｆｓレーザビームシステムは、
パルス巾５０ｆｓ〜２００ｆｓの超短パルスレーザを発生する装置で、この装置により従来は観測が困難であった室温でのピコ秒領域の現象を調べることが可能であって、その特徴は、パルス幅が短いため超高速光化学の観測研究に向き、パルス強度が強いため強電場の物性の観測研究に向いており、そのレーザ照射によりレーザプラズマを作り、電子、Ｘ線、イオン、中性子等の極短ビームを生成する機能を持っている。 【０００３】前記レーザ照射については、まず、レーザのターゲット照射により、レーザプラズマが作られ、上記レーザプラズマによって、電子、Ｘ線、イオン、中性子等のパルス巾５０ｆｓの極短ビームを生成する。 ついで、航跡場砕破方式よりなる加速機構により１０ｆｓの電子ビームを作っている。 なお、上記レーザプラズマＸ
線を使用した原子の動画像化に関する時間分解Ｘ線回折研究があり、レーザプラズマＸ線の高品質化が望まれている。 【０００４】一方、米ローレンス・リバモア国立研究所のグループが、温度１００Ｋに冷却した高圧６５ａｔｍ
の重水素ガスＤ _２を真空中の容器に噴射してクラスタを生成し、そこへ卓上型レーザ（１２０ｍＪ、３５ｆｓ、８
２０ｎｍ）を照射してＤＤ核融合を起こさせ、中性子の発生に成功している。 【０００５】そして、従来は、１２ＴＷ５０ｆｓレーザを常温ガスジェット（Ｈｅ、Ｎ _２などを使用、１〜２０
気圧）にフォーカス照射をして、プラズマ航跡場（電子密度波）を誘起するとともに、前記航跡場の砕破現象によってプラズマ波からこぼれた電子は航跡場によって加速され、プラズマカソードにより１ＭｅＶを越える高エネルギ電子が生成されている。 この高エネルギ電子を低温ターゲットに使用すると、電界も１０ＧＶ／ｍ以上になり、電子はレーザ直後の航跡場にピークにトラップされ、最高エネルギも１０ＭｅＶを越え、エネルギ巾も１
０％以下となり、１０ｆｓ程度の極短バンチになり、電子ライナック（加速器）で加速されると同等な高エネルギ電子ビームを形成する結果が得られているが、上記プラズマカソードによる電子ビームに対しても一層の高品質化が望まれている。 【０００６】なお、高速に加速された荷電粒子（イオン・ビーム）やＸ線・γ線などの高エネルギ光子等の量子ビームについては、電子顕微鏡、シンクロン放射光、中性子ビームにより、物質の静止ミクロ構造が可視化されている現状にあるが、この画像化については、二つのフェムト秒量子ビーム例えばレーザとＸ線技術の組合せにより原子ダイナミックス則ちエネルギの可視化が期待されている。 【０００７】上記したように、従来は常温ガスジェット（Ｈｅ、Ｎ _２などを使用、１〜２０気圧）が使用されているが、最近の米国の例に見るように温度１００Ｋに冷却した高圧６５ａｔｍの重水素ガスＤ _２を真空中の容器に噴射してレーザ照射用ターゲットを得ている。 しかし、レーザビームをフォーカス照射して、上記フェムト秒電子ビームや中性子ビームの高品質化するには、レーザ照射における照射対象となるターゲット部材に対して、レーザビームの吸収効率の向上が必要で、該部材の実現が強く望まれてきた。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、１２ＴＷ、５０ｆｓ卓上レーザシステムより、フェムト秒レーザビーム（１２ＴＷ、５
０ｆｓ）をターゲットに打ち込み、上記航跡場砕破に誘起されるフェムト秒電子ビームの効率的発生と、または前記レーザビームの打ち込みにより発生したＤ＋Ｄ核融合反応を介してのフェムト秒中性子ビームの効率的発生を可能とすべく、ターゲット部材の密度向上を図った、
極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造方法とその装置の提供を目的とするものである。 【０００９】 【課題を解決するための手段】そこで、本発明の第１の発明である極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造方法は、レーザプラズマカソード方式によるフェムト秒電子ビームの効率的発生を可能とするスラッシュガスターゲットの生成方法であって、超臨界生成室に充填したガスを超臨界状態に加圧冷却し、ついで前記超臨界ガスを導出弁を介して前記ガスの三重点圧力以下の減圧室へ放出させ、極低温の固液二相スラリ状流体よりなるターゲットで、好ましくは数ｎｍから数μｍまでのターゲットを形成したことを特徴とする。 【００１０】上記発明は、１２ＴＷ、５０ｆｓレーザビームを常温ガスジェット（Ｈｅ、Ｎ _２など、１〜２０気圧）にフォーカス照射することにより得られたレーザプラズマ中に引き起こされる航跡場の砕破を利用したプラズマカソードと呼ばれる加速手段により高エネルギ電子が得られているが、この電子エネルギの強度をさらに上げるため、前記常温ガスジェットに代わる極低温スラッシュガスを使用して全体密度を上げ、レーザビームの吸収効率を上げて、高品質電子ビームを効率的に得るようにしたものである。 【００１１】また、前記レーザのターゲット照射により、レーザプラズマが作られ、上記レーザプラズマにより、電子、Ｘ線、イオン、中性子等のパルス巾フェムト秒オーダーのの高品質極短ビームを生成することが出来る。 前記して生成されたレーザプラズマＸ線の使用により、これまで速すぎて可視化出来なかった原子・分子・
電子の動画像化、カスケード照射による損傷をリアルタイムに観察できる。 【００１２】そして、上記好適なターゲット形成をすべく、使用ガスを後記するクライオスタットとＧＭ冷凍機と圧縮機により超臨界ガスを形成させたのち、得られた超臨界ガスを当該ガスの三重点圧力以下の減圧室に放出させ、固液二相流体の球状クラスタを形成させて、好適なターゲットを形成させている。 【００１３】また、本発明の第２の発明である極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造方法は、重水素Ｄ＋Ｄ反応を使用したフェムト秒中性子ビームの効率的発生を可能とするスラッシュガスターゲットの生成方法であって、超臨界生成室に充填した重水素を超臨界状態に加圧冷却し、ついで前記超臨界状態の重水素を弁を介して前記ガスの三重点圧力以下の減圧室へ放出させ、
極低温の固液二相重水素流体よりなるターゲットを形成したことを特徴とする。 【００１４】上記発明は、１２ＴＷ、５０ｆｓレーザビームの照射によるターゲットの吸収効率を高効率化するため、ターゲットに使用する重水素ガスをスラッシュ化して、Ｄ＋Ｄ反応を起こさせるとともに、高品質の極短中性子ビームを得るようにしたものである。 則ち、高圧重水素ガスを後記するクライオスタットとＧＭ冷凍機により超臨界ガス（１６．２ａｔｍ、３８．２Ｋ）を形成させたのち、得られた超臨界重水素ガスを当該ガスの三重点以下の圧力（０．１９０８ａｔｍ）の減圧室に放出させ、極低温の固液二相スラッシュ状流体の球状クラスタを形成させ、１００Ｋに冷却した高圧（６５ａｔｍ）
重水素ガスの真空中に放出して得られた従来例に見るクラスタより遥かに高密度の極低温ターゲットを得るとともに、高品質の極短中性子ビームを得るようにしてある。 【００１５】そして、斯かる第１、第２の発明の極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造方法における超臨界ガスの三重点圧力以下の減圧室へのガス放出は、断熱自由膨張によるジュールトムソン膨張（Ｊ−
Ｔ）をさせ極低温の固液二相のスラッシュ状流体を得るようにしてある。 【００１６】なお、前記スラッシュガス化について、スラッシュ窒素、及びスラッシュ水素について行なわれた試験結果によると、スラッシュ化により従来のミスト状ターゲットの０．１２５ｋｇ／ｍ ^３の密度に比較して８
６．６７ｋｇ／ｍ ^３の高密度が得られ高強度の極短ビームを得るようにしている。 【００１７】また、前記第１の発明の極低温クラスタ／
スラッシュガスターゲットの製造方法において、使用ガスは、Ａｒ、またはＮ _２ 、またはＨ _２ 、またはＤ _２であることが好ましい。 【００１８】そして、前記第１、第２の発明よりなる極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造方法に好適な極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造装置は、ガス供給源より圧縮ガスの供給を受けて、フェムト秒極短ビーム発生用のスラッシュガスターゲットの生成装置において、供給されたガスを冷却して超臨界状態にする超臨界生成室と、その下部に設けた臨界ガス放出用の弁と、超臨界状態を形成する低温恒温装置とよりなる上部構造体と、該上部構造体の下端に熱絶縁手段を介して設けたスラッシュガスを生成する減圧室と、前記熱絶縁手段と、前記減圧室のガス放出部の周囲に設けた熱遮蔽手段とより構成したことを特徴とする。 【００１９】上記発明は、前記したスラッシュガスターゲットを生成するため、重水素、水素等のガスを低温恒温装置を持つ超臨界生成室へ加圧導入し、導入後のガスを所定圧力と温度で冷却して超臨界ガスを形成させ、形成された超臨界ガスを下部の三重点圧力以下の減圧室へ断熱自由膨張のもとに放出させ、極低温の固液二相スラッシュガス流体よりなる高密度クラスタを形成させたものである。 【００２０】上記発明の極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造装置において、超臨界ガスを下部の減圧室へ放出するガス放出用の弁はノズル付きパルス電磁弁より構成し、断熱自由膨張をさせる構成とし、前記断熱自由膨張により所謂ジュールトムソン膨張をして極低温のスラッシュガスを得るようにしてある。 【００２１】上記発明は、超臨界ガスを超臨界生成室の下部に設けた減圧室にガス放出用の弁にノズル付きパルス電磁弁を設けて、減圧室内に固液二相スラッシュ状のクラスタを形成させるべく、断熱自由膨張をさせるパルス作動する構成について記載したものである。 【００２２】また、前記極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造装置における低温恒温装置は、真空断熱容器と冷熱源よりなり、温度可変型のクライオスタットを介して、圧力（０〜８０ａｔｍ）、温度（２０〜
１５０Ｋ）に冷却する構成よりなることが好ましい。 【００２３】上記発明は、超臨界ガス生成と保持する低温恒温装置の構成について記載したもので、生成された超臨界ガスの低温保持のための冷熱源と前記超臨界生成室を内蔵する真空断熱容器と、減圧手段と加熱手段とより構成し、圧力０〜８０ａｔｍのもとに温度を２０〜１
５０Ｋに冷却する構成にし、前記冷熱源に１段目８０
Ｋ、２段目２０Ｋの冷却をするＧＭ冷凍機より構成する。 【００２４】また、前記極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造装置における真空断熱容器は、前記超臨界生成室を囲繞し外部から熱輻射を断つ輻射シールドを設け、該輻射シールドの外側と上部構造体の外筒の間に設けた真空層と、より構成する。 【００２５】また、前記極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造装置において、前記超臨界生成室の下部に設けられスラッシュガスを生成する減圧室は、前記超臨界ガスの三重点圧力以下の圧力で構成するのが良く、この場合には、図３に見るように、三重点以下の圧力での放出の過程により、放出される超臨界ガスは１
６．２ａｔｍ、３８．２Ｋ）の臨界点５０より、重水素ガスの三重点圧力（０．１６９０８ａｔｍ）以下の圧力に減圧された減圧室にノズルを介して噴射されるが、前記臨界ガスはその間、矢印Ａに沿う断熱自由膨張（ジュール・トムソン膨張）による冷却効果により、「固＋気体」域５１を形成する減圧室内でクラスタ／スラッシュ重水素を生成する。 【００２６】また、前記極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造装置において、該装置に設けられた熱絶縁手段は、前記ガス放出用ノズル（パルス電磁弁を含む）の周囲に設けた熱遮蔽のための７５〜８０Ｋの放出部輻射シールドと、超臨界生成室の下端とガス放出用のパルス電磁弁との間のガス導入配管に設けた熱侵入遮断用断熱ベローと、前記ガス放出用のパルス電磁弁に設けたサーマルアンカと、より構成するのが良い。 【００２７】また、前記極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造装置において、該装置に設けた熱遮蔽は、前記放出部輻射シールドに加え、パルス電磁弁及びガス導入配管の周りに設けた多層断熱層よりなるスーパインシュレーションよりなる構成が良い。 【００２８】 【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実施の形態を例示的に説明する。 但しこの実施の形態に説明されている構造部品の寸法、材質、形状、相対位置などは特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。 図１は本発明の極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造装置の概略構成を示す断面図で、図２
は図１の極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造装置を組み込んだガスジェットシステム図である。 【００２９】図１に見るように、本発明の極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造装置は、超臨界ガスを生成する超臨界生成室１２と超臨界状態を形成するＧＭ冷凍機のディスプレーサ１１等を備えた上部構造物１０と、形成された超臨界ガスよりスラッシュガスを生成するスラッシュガス生成用の減圧室２０と、前記上部構造物１０とスラッシュガス生成用の減圧室２０との間に設けられた熱絶縁手段１６とより構成する。 【００３０】前記上部構造物１０は、超臨界生成室１２
と、超臨界ガスをスラッシュガス生成用の減圧室へ放出するノズル付きパルス電磁弁１３と、前記超臨界生成室に超臨界状態を形成するＧＭ冷凍機のディスプレーサ１
１とよりなる。 上記ＧＭ冷凍機のディスプレーサ１１
は、超臨界生成室１２を囲繞する輻射シールド１５と、
該輻射シールド１５の外側に設けた真空断熱容器１４
と、前記輻射シールド１５に連設する高温側ヘッド１１
ａ（８０Ｋ）と、前記超臨界生成室１２の上部に連設する低温側ヘッド１１ｂ（２０Ｋ）とを備える構成とする。 【００３１】前記スラッシュガス生成用の減圧室２０
は、前記上部構造物１０の下部に設けた円筒状真空容器よりなり、その側面に円筒軸芯に直角に卓上用レーザのレーザビーム照射口２１（監視窓も兼用）を設ける構成にしてある。 【００３２】前記熱絶縁手段１６は、外部常温部位及び上部構造体１０との間の熱絶縁を行うもので、前記パルス電磁弁１３と前記超臨界生成室１２の下部とを接続する導入配管１３ａを支持する盤状ＦＲＰサポート１７
と、該サポート１７と上部構造物１０の下部フランジとに設けた液体窒素による放出部輻射シールド１６ａ（８
０Ｋ）と、前記導入配管１３ａに設けた断熱ベロー１６
ｂと、パルス電磁弁１３に設けたサーマルアンカ１６ｃ
とより構成する。 なお、前記サーマルアンカ１６ｃは熱容量の大きい電磁弁の急速冷却のために前記導入配管の低温部位より冷熱を導入するようにしたものである。 【００３３】なお、前記熱絶縁手段１６とは別に前記パルス電磁弁１３と超臨界生成室１２との間を結ぶ導入配管１３ａとの間に図示していない多段断熱層よりなるスーパインシュレーションを設けてある。 また、温度可変操作には、前記ＧＭ冷凍機のディスプレーサ１１の低温側ヘッド１１ｂと超臨界生成室１２との間に設けられたヒータにより、超臨界生成室のガス温度が所定温度に到達した後はガスが固化しないように温度調整を行うようにしてある。 【００３４】図２は、図１の極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造装置を組み込んだガスジェットシステム図である。 図１、図２に見るように、本システムは、ＧＭ冷凍機のディスプレーサ１１を含む上部構造物１０と、該構造物に熱絶縁手段を介してその下部に連設したレーザビーム照射口を備えたスラッシュガス生成用の減圧室２０とよりなる本体装置に、スラッシュガス生成用のガスを送出する高圧ガスボンベ２２と、真空排気用の真空ポンプ２３ａ、２３ｂと、輻射シールド用寒剤供給源である液体窒素デュワ２４と、ＧＭ冷凍機のＨ
ｅコンプレッサ１８とより構成する。 【００３５】上記構成により、フェムト秒電子ビームまたはフェムト秒中性子ビーム用スラッシュガスターゲットの生成の場合は、高圧ガスボンベ２２より真空ポンプ２３ａで真空排気した系内へガスを導入置換し、ついで輻射シールド１５に液体窒素を流し、ついで、図示しない減圧弁で圧力調整をして任意の圧力（０〜８０ａｔ
ｍ）を設定するとともに、ＧＭ冷凍機のディスプレーサ１１の低温側ヘッド１１ｂで冷却されている超臨界生成室１２へ導入し、臨界温度以下に冷却する。 ついで、スラッシュガス生成用の減圧室２０を真空ポンプ２３ｂで真空排気をし、所定の三重点圧力以下に減圧する。 上記超臨界生成室１２で超臨界状態になった超臨界ガスは下部に取り付けたパルス電磁弁１３を介してスラッシュガス発生用の減圧室２０へ断熱自由膨張させて固液二相のスラッシュ状クラスタよりなるスラッシュガスターゲットを生成させ、ついでレーザビーム照射口２１よりレーザビームの照射がなされる。 【００３６】前記スラッシュガスターゲットにより形成される密度は、重水素の場合８６．６７ｋｇ／ｍ _３の値が得られ、従来の重水素・ミストをターゲットとした場合の密度０．１２５ｋｇ／ｍ _３に比較し格段の差があり、そのためレーザビームの照射により、フェムト秒電子ビームやフェムト秒中性子ビームは高品質のものが得られ、これまで速すぎて可視化出来なかった原子・分子・電子の動画像化ができるとともに、カスケード照射損傷のその場観察が可能となる。 【００３７】 【発明の効果】本発明は、上記構成により下記効果を奏する。 スラッシュガスの生成に際して、超臨界ガスの形成より断熱自由膨張を介して行うことにより、固液二相のスラッシュ状流体を得る構成としたため、高密度の球状クラスタ状ターゲットを得ることが出来、上記ターゲットにより高品質のフェムト秒電子ビームやフェムト秒量子ビームを得ることができ、従来速すぎて可視不可能であった物理・化学現象の観察が期待出来る。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明の極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造装置の概略構成を示す断面図である。 【図２】 図１の極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造装置を組み込んだガスジェットシステムの系統図である。 【図３】 本発明の極低温スラッシュガス生成の際、超臨界ガスがパルス電磁弁を介してスラッシュガス生成用減圧室への断熱自由膨張を行う過程での固液二相スラッシュ状態で排出する状況を示す図である。 【符号の説明】 １０ 上部構造物１１ ＧＭ冷凍機のディスプレーサ１１ａ 高温側ヘッド１１ｂ 低温側ヘッド１２ 超臨界生成室１３ パルス電磁弁１３ａ 導入配管１４ 真空断熱容器１５ 輻射シールド１６ 熱絶縁手段１６ａ 放出部輻射シールド１６ｂ 断熱ベロー１６ｃ サーマルアンカ１７ 盤状ＦＲＰサポート１８ Ｈｅコンプレッサ２０ スラッシュガス生成用の減圧室２１ レーザビーム照射口２２ 高圧ガスボンベ２３ａ、２３ｂ 真空ポンプ２４ 液体窒素デュワ

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【手続補正書】 【提出日】平成１５年５月９日（２００３．５．９） 【手続補正１】 【補正対象書類名】明細書【補正対象項目名】０００８ 【補正方法】変更【補正内容】 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、１２ＴＷ、５０ｆｓ卓上レーザシステムより、フェムト秒レーザビーム（１２ＴＷ、５
０ｆｓ）をターゲットに打ち込み、上記航跡場砕破に誘起されるフェムト秒電子ビームの効率的発生と、または前記レーザビームの打ち込みにより発生したＤ＋Ｄ核融合反応を介してのフェムト秒中性子ビームの効率的発生を可能とすべく、ターゲット部材の密度向上を図った、
極低温クラスタ／スラッシュガスターゲットの製造方法とその装置の提供を目的とするものである。 なお、本発
明の一部は、文部科学省委託事業の「小型加速器実証制
作・普及事業」によるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柳 秀治 東京都江東区牡丹２丁目13番１号 株式会 社前川製作所内(72)発明者 野口 雅人 東京都江東区牡丹２丁目13番１号 株式会 社前川製作所内(72)発明者 上坂 充 茨城県那珂郡東海村白方91 やよい宿舎 403