特許 6010438 量子ビーム生成装置、量子ビーム生成方法、及び、レーザ核融合装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6010438

(24)【登録日】2016年9月23日

(45)【発行日】2016年10月19日

(54)【発明の名称】量子ビーム生成装置、量子ビーム生成方法、及び、レーザ核融合装置

(51)【国際特許分類】

   G21K 5/04 20060101AFI20161006BHJP

   G21B 1/03 20060101ALI20161006BHJP

【ＦＩ】

   G21K5/04 E

   G21B1/00 V

【請求項の数】7

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-258815(P2012-258815)

(22)【出願日】2012年11月27日

(65)【公開番号】特開2014-106093(P2014-106093A)

(43)【公開日】2014年6月9日

【審査請求日】2015年7月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124291

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 悟

(72)【発明者】

【氏名】関根 尊史

(72)【発明者】

【氏名】川嶋 利幸

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 仲弘

(72)【発明者】

【氏名】北川 米喜

(72)【発明者】

【氏名】森 芳孝

(72)【発明者】

【氏名】石井 勝弘

(72)【発明者】

【氏名】花山 良平

(72)【発明者】

【氏名】米田 修

(72)【発明者】

【氏名】西村 靖彦

(72)【発明者】

【氏名】掛布 光孝

【審査官】 鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５２−０１７７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０８８２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２８８１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 S. Sudo, et al.，"Tracer-encapsulated solid pellet injection system"，Review of Scientific Instruments，AIP pulishing，２０１２年 ２月，Volume 83, No. 2，Page 023503

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ２１Ｋ ５／０４

Ｇ２１Ｂ １／０３

Ｈ０１Ｌ ２１／０２７

Ｂ０１Ｊ １９／０８ −１９／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

量子ビーム生成装置であって、
ターゲットが量子ビーム生成反応を起こすチャンバと、
前記ターゲットを前記チャンバに供給するターゲット供給装置と、
前記チャンバの内側にある前記ターゲットを監視するターゲット監視装置と、
前記チャンバの内側にある前記ターゲットにレーザ光を照射するレーザ光照射装置と、
前記ターゲット監視装置による監視結果に基づいて、前記ターゲット供給装置と前記レーザ光照射装置とを制御する制御装置と、
を備え、
前記ターゲット供給装置は、前記ターゲットを出射する出射口を備え、前記制御装置によって制御される出射タイミングで、前記ターゲットを、前記チャンバの内側における予め設定された出射方向に、前記出射口から出射し、
前記ターゲット監視装置は、位置検出器と時間検出器とを備え、
前記位置検出器は、監視領域における前記ターゲットの通過位置を検出し、前記通過位置を示す位置情報を、前記制御装置に送信し、
前記監視領域は、前記チャンバの内側において前記出射方向に交差する位置に、予め設定され、
前記通過位置は、前記出射方向に垂直な面内における位置を示し、
前記時間検出器は、前記ターゲットが前記監視領域に入射する入射時間と前記ターゲットが前記監視領域を出射する出射時間とを測定し、前記入射時間を示す入射時間情報と前記出射時間を示す出射時間情報とを、前記制御装置に送信し、
前記レーザ光照射装置は、レーザ光出力器と集光光学装置とを備え、
前記レーザ光出力器は、前記制御装置による制御のもとで、レーザ光を出力し、
前記集光光学装置は、前記レーザ光出力器から出力されるレーザ光を、前記制御装置による制御に基づいて、集光し、
前記制御装置は、前記位置情報を用いて、レーザ光の照射点を算出し、前記照射点に基づく集光制御情報を、前記集光光学装置に送信し、前記監視領域の幅と、前記入射時間情報と、前記出射時間情報と、前記監視領域から照射点までの距離と、を用いて、前記照射点へのターゲットの到達タイミングを算出し、前記到達タイミングに基づくレーザ制御情報を、前記レーザ光出力器に送信し、
前記集光制御情報は、前記レーザ光出力器からのレーザ光を前記照射点に集光するよう前記集光光学装置を制御するための情報であり、
前記レーザ制御情報は、前記到達タイミングでレーザ光を出力するよう前記レーザ光出力器を制御するための情報であり、
前記ターゲット供給装置は、支持台と円板とタンクと駆動装置とを備え、
前記支持台は、主面と裏面と出射孔とを備え、
前記出射孔は、前記ターゲットの通過が可能な径を備え、前記出射口を備え、前記主面から前記裏面に貫通し、
前記円板は、当該円板の縁に沿って、予め設定された間隔に、複数の貫通孔を備え、
前記円板の中心は、前記貫通孔が前記出射孔と重なるように、前記主面に対し回転可能に保持され、
前記貫通孔は、前記主面の上において前記ターゲットを収容可能であり、
前記タンクは、本体と供給管とを備え、前記円板の上に配置され、
前記本体は、複数の前記ターゲットを格納可能であり、
前記供給管は、前記ターゲットの通過が可能な径を備え、前記本体に接続され、複数の前記貫通孔の全ての中心を通る円周の上に配置され、
前記駆動装置は、回転軸とモータとを備え、
前記回転軸は、前記円板の中心において、前記円板に固定され、前記円板と共に回転可能であり、
前記モータは、前記回転軸に接続され、前記制御装置による制御のもとで、前記回転軸を回転する、
ことを特徴とする量子ビーム生成装置。

【請求項2】

前記制御装置は、複数の前記ターゲットを、順次、周期的に、前記出射口から出射するように、前記ターゲット供給装置を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の量子ビーム生成装置。

【請求項3】

前記駆動装置は、センサを備え、
前記センサは、前記回転軸の回転数と前記回転軸の軸位置とを検出し、前記回転数と前記軸位置とを示す回転情報を、前記制御装置に送信し、
前記制御装置は、前記回転情報に基づいて、前記円板の回転運動を制御し、
前記軸位置は、前記回転軸の回転方向における位置である、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の量子ビーム生成装置。

【請求項4】

前記ターゲット供給装置は、出射補助器を備え、
前記出射補助器は、前記出射孔の上に配置され、前記制御装置による制御のもとで、前記出射孔にある前記ターゲットに対し前記出射方向に向けて加圧することが可能であり、
前記制御装置は、前記回転情報に基づいて、前記円板の回転に伴って前記円板の前記貫通孔が前記出射孔に重なる加圧タイミングを算出し、前記加圧タイミングに基づく加圧制御情報を、前記出射補助器に送信し、
前記加圧制御情報は、前記加圧タイミングで加圧するように前記出射補助器を制御するための情報である、
ことを特徴とする請求項３に記載の量子ビーム生成装置。

【請求項5】

量子ビーム生成方法であって、
量子ビーム生成を生じさせるターゲットをチャンバの内側に出射する出射工程と、
前記チャンバの内側におけるレーザ光の照射点を予測する予測工程と、
レーザ光の照射を準備する準備工程と、
レーザ光を出力する出力工程と、
を備え、
前記出射工程では、前記ターゲットを、制御可能な出射タイミングで、前記チャンバの内側における予め設定された出射方向に、ターゲット供給装置が出射し、
前記予測工程では、監視領域におけるターゲットの通過位置を検出し、前記ターゲットが前記監視領域に入射する入射時間と前記ターゲットが前記監視領域を出射する出射時間とを測定し、前記通過位置を用いて、前記照射点を算出し、前記監視領域の幅と、前記入射時間と、前記出射時間と、前記監視領域から前記照射点までの距離と、を用いて、前記照射点への前記ターゲットの到達タイミングを算出し、
前記監視領域は、前記チャンバの内側において前記出射方向に交差する位置に、予め設定され、
前記通過位置は、前記出射方向に垂直な面内における位置を示し、
前記準備工程では、前記照射点にレーザ光を集光できるようにし、
前記出力工程では、前記到達タイミングにレーザ光を出力し、
前記ターゲット供給装置は、前記ターゲットを出射する出射口を備え、支持台と円板とタンクと駆動装置とを備え、
前記支持台は、主面と裏面と出射孔とを備え、
前記出射孔は、前記ターゲットの通過が可能な径を備え、前記出射口を備え、前記主面から前記裏面に貫通し、
前記円板は、当該円板の縁に沿って、予め設定された間隔に、複数の貫通孔を備え、
前記円板の中心は、前記貫通孔が前記出射孔と重なるように、前記主面に対し回転可能に保持され、
前記貫通孔は、前記主面の上において前記ターゲットを収容可能であり、
前記タンクは、本体と供給管とを備え、前記円板の上に配置され、
前記本体は、複数の前記ターゲットを格納可能であり、
前記供給管は、前記ターゲットの通過が可能な径を備え、前記本体に接続され、複数の前記貫通孔の全ての中心を通る円周の上に配置され、
前記駆動装置は、回転軸とモータとを備え、
前記回転軸は、前記円板の中心において、前記円板に固定され、前記円板と共に回転可能であり、
前記モータは、前記回転軸に接続され、前記回転軸を回転する、
ことを特徴とする量子ビーム生成方法。

【請求項6】

前記出射工程では、複数の前記ターゲットを、順次、周期的に、出射する、ことを特徴とする請求項５に記載の量子ビーム生成方法。

【請求項7】

レーザ核融合装置であって、
ターゲットが核融合反応を起こすチャンバと、
前記ターゲットを前記チャンバに供給するターゲット供給装置と、
前記チャンバの内側にある前記ターゲットを監視するターゲット監視装置と、
前記チャンバの内側にある前記ターゲットにレーザ光を照射するレーザ光照射装置と、
前記ターゲット監視装置による監視結果に基づいて、前記ターゲット供給装置と前記レーザ光照射装置とを制御する制御装置と、
を備え、
前記ターゲット供給装置は、前記ターゲットを出射する出射口を備え、前記制御装置によって制御される出射タイミングで、前記ターゲットを、前記チャンバの内側における予め設定された出射方向に、前記出射口から出射し、
前記ターゲット監視装置は、位置検出器と時間検出器とを備え、
前記位置検出器は、監視領域における前記ターゲットの通過位置を検出し、前記通過位置を示す位置情報を、前記制御装置に送信し、
前記監視領域は、前記チャンバの内側において前記出射方向に交差する位置に、予め設定され、
前記通過位置は、前記出射方向に垂直な面内における位置を示し、
前記時間検出器は、前記ターゲットが前記監視領域に入射する入射時間と前記ターゲットが前記監視領域を出射する出射時間とを測定し、前記入射時間を示す入射時間情報と前記出射時間を示す出射時間情報とを、前記制御装置に送信し、
前記レーザ光照射装置は、レーザ光出力器と集光光学装置とを備え、
前記レーザ光出力器は、前記制御装置による制御のもとで、レーザ光を出力し、
前記集光光学装置は、前記レーザ光出力器から出力されるレーザ光を、前記制御装置による制御に基づいて、集光し、
前記制御装置は、前記位置情報を用いて、レーザ光の照射点を算出し、前記照射点に基づく集光制御情報を、前記集光光学装置に送信し、前記監視領域の幅と、前記入射時間情報と、前記出射時間情報と、前記監視領域から照射点までの距離と、を用いて、前記照射点へのターゲットの到達タイミングを算出し、前記到達タイミングに基づくレーザ制御情報を、前記レーザ光出力器に送信し、
前記集光制御情報は、前記レーザ光出力器からのレーザ光を前記照射点に集光するよう前記集光光学装置を制御するための情報であり、
前記レーザ制御情報は、前記到達タイミングでレーザ光を出力するよう前記レーザ光出力器を制御するための情報であり、
前記ターゲットの材料は、水素同位体を含む材料であり、
前記ターゲット供給装置は、支持台と円板とタンクと駆動装置とを備え、
前記支持台は、主面と裏面と出射孔とを備え、
前記出射孔は、前記ターゲットの通過が可能な径を備え、前記出射口を備え、前記主面から前記裏面に貫通し、
前記円板は、当該円板の縁に沿って、予め設定された間隔に、複数の貫通孔を備え、
前記円板の中心は、前記貫通孔が前記出射孔と重なるように、前記主面に対し回転可能に保持され、
前記貫通孔は、前記主面の上において前記ターゲットを収容可能であり、
前記タンクは、本体と供給管とを備え、前記円板の上に配置され、
前記本体は、複数の前記ターゲットを格納可能であり、
前記供給管は、前記ターゲットの通過が可能な径を備え、前記本体に接続され、複数の前記貫通孔の全ての中心を通る円周の上に配置され、
前記駆動装置は、回転軸とモータとを備え、
前記回転軸は、前記円板の中心において、前記円板に固定され、前記円板と共に回転可能であり、
前記モータは、前記回転軸に接続され、前記制御装置による制御のもとで、前記回転軸を回転する、
ことを特徴とするレーザ核融合装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、量子ビーム生成装置と量子ビーム生成方法とレーザ核融合装置とに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、制御された核融合反応からエネルギを取り出すためのシステムを開示する。このシステムは、核融合ターゲット材料を受け入れるためのターゲット室を含む。制御された核融合反応を生じさせるべくターゲット室内のターゲット材料にエネルギを供給し、核融合プラズマ及び熱の形態でエネルギを放出するため、複数のエネルギ・ドライバがターゲット室の周囲に配置されている。核融合反応からエネルギを取り出すための複数の構造が設けられている。これらの構造は、核融合プラズマから高圧電流電力を取り出すための装置と、ターゲット室から熱エネルギを取り出すための手段とを備える。エネルギ・ドライバに対する電力は、核融合反応から取り出される高圧直流電力から供給することができる。このエネルギ・ドライバは、流体力学的不安定性を回避すべく、核融合反応を生じさせるための駆動エネルギの波面に所望形状を与えるためのアポダイジング・フィルタを使用する。

【0003】

特許文献２は、ターゲットにレーザ光を照射してプラズマ化し、その際に発生するＥＵＶ光を出力として取り出すレーザプラズマＥＵＶ光源を開示する。このレーザプラズマＥＵＶ光源は、ターゲットとして、レーザ光の集光径とほぼ等しい寸法の板状ターゲットを使用している。スリット状の開口を有するノズルから円板の方向を揃えてターゲットを噴出する。ターゲットはガス流に乗せて搬送される。この例ではＨｅガスを用いている。ノズルの外部は高真空に保たれているので、ノズルから放出されたターゲットは、そのままの姿勢で、レーザ光の照射位置に達する。ターゲットの供給と同期させてＮｄ：ＹＡＧレーザ光源からパルスレーザー光をレンズで集光してターゲットへ照射する。レーザのスポット径はターゲットの直径と同じ１ｍｍとされ、その厚さは１０００ｎｍ以下である。よって、ターゲットのほぼ全てがプラズマ化され、ｄｅｂｒｉｓの発生が抑えられる共に、変換効率が高くなる。

【0004】

非特許文献１は、リニアサボー式及びエアガン式の長尺のターゲット加速機構を用いた技術を開示する。非特許文献２は、サボー式のターゲット加速機構の技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２００９−５３９１１７号公報

【特許文献2】再表２００６／０７５５３５号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】“４．ターゲット製造・インジェクション系設計”、乗松孝好、遠藤琢磨、吉田弘樹、岩本晃史、J.Plasma Fusion Res. Vol82, No12(2006)829-835。

【非特許文献2】ＧＥＮＥＲＡＬ ＡＴＯＭＩＣＳ社のカタログ“IFT Catalog”、“１１．INTERIAL FUSION ENERGY”、URL:http://www.ga.com/media/GA/energy/IFT_Catalog.pdf

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記のような従来の量子ビーム生成装置は、量子ビームを自動的に連続的に生成できるものにはなっていない。そこで、本発明の目的は、上記の事項を鑑みてなされたものであり、自動的に連続して量子ビーム生成が行える量子ビーム生成装置と量子ビーム生成方法とレーザ核融合装置とを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る量子ビーム生成装置は、ターゲットが量子ビーム生成反応を起こすチャンバと、前記ターゲットを前記チャンバに供給するターゲット供給装置と、前記チャンバの内側にある前記ターゲットを監視するターゲット監視装置と、前記チャンバの内側にある前記ターゲットにレーザ光を照射するレーザ光照射装置と、前記ターゲット監視装置による監視結果に基づいて、前記ターゲット供給装置と前記レーザ光照射装置とを制御する制御装置と、を備え、前記ターゲット供給装置は、前記ターゲットを出射する出射口を備え、前記制御装置によって制御される出射タイミングで、前記ターゲットを、前記チャンバの内側における予め設定された出射方向に、前記出射口から出射し、前記ターゲット監視装置は、位置検出器と時間検出器とを備え、前記位置検出器は、監視領域における前記ターゲットの通過位置を検出し、前記通過位置を示す位置情報を、前記制御装置に送信し、前記監視領域は、前記チャンバの内側において前記出射方向に交差する位置に、予め設定され、前記通過位置は、前記出射方向に垂直な面内における位置を示し、前記時間検出器は、前記ターゲットが前記監視領域に入射する入射時間と前記ターゲットが前記監視領域を出射する出射時間とを測定し、前記入射時間を示す入射時間情報と前記出射時間を示す出射時間情報とを、前記制御装置に送信し、前記レーザ光照射装置は、レーザ光出力器と集光光学装置とを備え、前記レーザ光出力器は、前記制御装置による制御のもとで、レーザ光を出力し、前記集光光学装置は、前記レーザ光出力器から出力されるレーザ光を、前記制御装置による制御に基づいて、集光し、前記制御装置は、前記位置情報を用いて、レーザ光の照射点を算出し、前記照射点に基づく集光制御情報を、前記集光光学装置に送信し、前記監視領域の幅と、前記入射時間情報と、前記出射時間情報と、前記監視領域から照射点までの距離と、を用いて、前記照射点へのターゲットの到達タイミングを算出し、前記到達タイミングに基づくレーザ制御情報を、前記レーザ光出力器に送信し、前記集光制御情報は、前記レーザ光出力器からのレーザ光を前記照射点に集光するよう前記集光光学装置を制御するための情報であり、前記レーザ制御情報は、前記到達タイミングでレーザ光を出力するよう前記レーザ光出力器を制御するための情報である。このように、制御装置によって制御される出射タイミングで、量子ビーム生成反応を起こすターゲットが、ターゲット供給装置によってチャンバの内側に供給され、チャンバの内側におけるターゲットの運動は、ターゲット監視装置によって監視され、制御装置は、この監視結果に基づいて、ターゲットにレーザ光を照射する。従って、ターゲットの供給と、ターゲットへのレーザ光の照射とが、制御装置によって、自動的に行われるので、制御装置による制御によって、連続的な量子ビーム生成が可能となる。

【0009】

本発明に係る量子ビーム生成装置において、前記制御装置は、複数の前記ターゲットを、順次、周期的に、前記出射口から出射するように、前記ターゲット供給装置を制御する。従って、制御装置による制御によって、周期的で連続的な量子ビーム生成が可能となる。

【0010】

本発明に係る量子ビーム生成装置において、前記ターゲット供給装置は、支持台と円板とタンクと駆動装置とを備え、前記支持台は、主面と裏面と出射孔とを備え、前記出射孔は、前記ターゲットの通過が可能な径を備え、前記出射口を備え、前記主面から前記裏面に貫通し、前記円板は、当該円板の縁に沿って、予め設定された間隔に、複数の貫通孔を備え、前記円板の中心は、前記貫通孔が前記出射孔と重なるように、前記主面に対し回転可能に保持され、前記貫通孔は、前記主面の上において前記ターゲットを収容可能であり、前記タンクは、本体と供給管とを備え、前記円板の上に配置され、前記本体は、複数の前記ターゲットを格納可能であり、前記供給管は、前記ターゲットの通過が可能な径を備え、前記本体に接続され、複数の前記貫通孔の全ての中心を通る円周の上に配置され、前記駆動装置は、回転軸とモータとを備え、前記回転軸は、前記円板の中心において、前記円板に固定され、前記円板と共に回転可能であり、前記モータは、前記回転軸に接続され、前記制御装置による制御のもとで、前記回転軸を回転する。従って、ターゲットが等間隔に配置された円板を回転することによって、ターゲットを順次チャンバに供給できる。従って、ターゲットが等間隔に配置された円板を用いることによって、周期的及び連続的な量子ビーム生成が、実現できる。

【0011】

本発明に係る量子ビーム生成装置において、前記駆動装置は、センサを備え、前記センサは、前記回転軸の回転数と前記回転軸の軸位置とを検出し、前記回転数と前記軸位置とを示す回転情報を、前記制御装置に送信し、前記制御装置は、前記回転情報に基づいて、前記円板の回転運動を制御し、前記軸位置は、前記回転軸の回転方向における位置である。このように、センサを用いて、円板の回転状態を認識できるので、制御装置は、任意に設定する周期で円板を回転させることができる。従って、任意に設定する周期で、連続的に量子ビーム生成が可能となる。

【0012】

本発明に係る量子ビーム生成装置において、前記ターゲット供給装置は、出射補助器を備え、前記出射補助器は、前記出射孔の上に配置され、前記制御装置による制御のもとで、前記出射孔にある前記ターゲットに対し前記出射方向に向けて加圧することが可能であり、前記制御装置は、前記回転情報に基づいて、前記円板の回転に伴って前記円板の前記貫通孔が前記出射孔に重なる加圧タイミングを算出し、前記加圧タイミングに基づく加圧制御情報を、前記出射補助器に送信し、前記加圧制御情報は、前記加圧タイミングで加圧するように前記出射補助器を制御するための情報である。出射補助器によって、ターゲットが強制的に出射されるので、出射タイミングであるにもかかわらず、出射が行われない、という事態が、回避できる。更に、高速度でターゲットを出射できるため、低温に冷却されたターゲットを使用した場合においても、温度を維持したまま短時間の内に照射点まで供給することが可能となる。

【0013】

本発明に係る量子ビーム生成方法は、量子ビーム生成を生じさせるターゲットをチャンバの内側に出射する出射工程と、前記チャンバの内側におけるレーザ光の照射点を予測する予測工程と、レーザ光の照射を準備する準備工程と、レーザ光を出力する出力工程と、を備え、前記出射工程では、前記ターゲットを、制御可能な出射タイミングで、前記チャンバの内側における予め設定された出射方向に、出射し、前記予測工程では、監視領域におけるターゲットの通過位置を検出し、前記ターゲットが前記監視領域に入射する入射時間と前記ターゲットが前記監視領域を出射する出射時間とを測定し、前記通過位置を用いて、前記照射点を算出し、前記監視領域の幅と、前記入射時間と、前記出射時間と、前記監視領域から前記照射点までの距離と、を用いて、前記照射点への前記ターゲットの到達タイミングを算出し、前記監視領域は、前記チャンバの内側において前記出射方向に交差する位置に、予め設定され、前記通過位置は、前記出射方向に垂直な面内における位置を示し、前記準備工程では、前記照射点にレーザ光を集光できるようにし、前記出力工程では、前記到達タイミングにレーザ光を出力する。このように、制御可能な出射タイミングで、量子ビーム生成反応を起こすターゲットが、チャンバの内側に供給され、チャンバの内側におけるターゲットの運動は監視され、この監視結果に基づいて、ターゲットにレーザ光が照射される。従って、ターゲットの供給と、ターゲットへのレーザ光の照射とが、自動的に行われるので、連続的な量子ビーム生成が可能となる。

【0014】

本発明に係る量子ビーム生成方法において、前記出射工程では、複数の前記ターゲットを、順次、周期的に、出射する。従って、周期的で連続的な量子ビーム生成が可能となる。

【0015】

本発明に係るレーザ核融合装置は、ターゲットが核融合反応を起こすチャンバと、前記ターゲットを前記チャンバに供給するターゲット供給装置と、前記チャンバの内側にある前記ターゲットを監視するターゲット監視装置と、前記チャンバの内側にある前記ターゲットにレーザ光を照射するレーザ光照射装置と、前記ターゲット監視装置による監視結果に基づいて、前記ターゲット供給装置と前記レーザ光照射装置とを制御する制御装置と、を備え、前記ターゲット供給装置は、前記ターゲットを出射する出射口を備え、前記制御装置によって制御される出射タイミングで、前記ターゲットを、前記チャンバの内側における予め設定された出射方向に、前記出射口から出射し、前記ターゲット監視装置は、位置検出器と時間検出器とを備え、前記位置検出器は、監視領域における前記ターゲットの通過位置を検出し、前記通過位置を示す位置情報を、前記制御装置に送信し、前記監視領域は、前記チャンバの内側において前記出射方向に交差する位置に、予め設定され、前記通過位置は、前記出射方向に垂直な面内における位置を示し、前記時間検出器は、前記ターゲットが前記監視領域に入射する入射時間と前記ターゲットが前記監視領域を出射する出射時間とを測定し、前記入射時間を示す入射時間情報と前記出射時間を示す出射時間情報とを、前記制御装置に送信し、前記レーザ光照射装置は、レーザ光出力器と集光光学装置とを備え、前記レーザ光出力器は、前記制御装置による制御のもとで、レーザ光を出力し、前記集光光学装置は、前記レーザ光出力器から出力されるレーザ光を、前記制御装置による制御に基づいて、集光し、前記制御装置は、前記位置情報を用いて、レーザ光の照射点を算出し、前記照射点に基づく集光制御情報を、前記集光光学装置に送信し、前記監視領域の幅と、前記入射時間情報と、前記出射時間情報と、前記監視領域から照射点までの距離と、を用いて、前記照射点へのターゲットの到達タイミングを算出し、前記到達タイミングに基づくレーザ制御情報を、前記レーザ光出力器に送信し、前記集光制御情報は、前記レーザ光出力器からのレーザ光を前記照射点に集光するよう前記集光光学装置を制御するための情報であり、前記レーザ制御情報は、前記到達タイミングでレーザ光を出力するよう前記レーザ光出力器を制御するための情報であり、前記ターゲットの材料は、水素同位体を含む材料である。このように、制御装置によって制御される出射タイミングで、核融合反応を起こすターゲットが、ターゲット供給装置によってチャンバの内側に供給され、チャンバの内側におけるターゲットの運動は、ターゲット監視装置によって監視され、制御装置は、この監視結果に基づいて、ターゲットにレーザ光を照射する。従って、ターゲットの供給と、ターゲットへのレーザ光の照射とが、制御装置によって、自動的に行われるので、制御装置による制御によって、連続的な核融合反応が可能となる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、自動的に連続して量子ビーム生成が行える量子ビーム生成装置と量子ビーム生成方法と、レーザ核融合装置とを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】実施形態に係る量子ビーム生成装置の構成を模式的に示す図である。

【図2】実施形態に係る量子ビーム生成装置の構成を模式的に示す図である。

【図3】実施形態に係る量子ビーム生成方法を説明するためのフローチャートである。

【図4】実施形態に係る量子ビーム生成装置の効果を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１及び図２を参照して、実施形態に係る量子ビーム生成装置１ａの構成を説明する。図１及び図２は、いずれも、量子ビーム生成装置１ａの構成を模式的に示す図である。

【0019】

量子ビーム生成装置１ａは、チャンバ３ａと、ターゲット供給装置４ａと、ターゲット監視装置５ａと、レーザ光照射装置６ａと、制御装置７ａとを備える。チャンバ３ａは、ターゲット２ａが量子ビーム生成反応を起こす空間を画定する。ターゲット供給装置４ａは、ターゲット２ａをチャンバ３ａに供給する。ターゲット監視装置５ａは、チャンバ３ａの内側にあるターゲット２ａを監視する。レーザ光照射装置６ａは、チャンバ３ａの内側にあるターゲット２ａにレーザ光８ａを照射する。制御装置７ａは、ターゲット監視装置５ａによる監視結果に基づいて、ターゲット供給装置４ａとレーザ光照射装置６ａとを制御する。

【0020】

ターゲット供給装置４ａは、ターゲット２ａを出射する出射口９ｂを備える。ターゲット供給装置４ａは、制御装置７ａによって制御される出射タイミングで、ターゲット２ａを、チャンバ３ａの内側における予め設定された出射方向３ｄに、出射口９ｂから出射する。

【0021】

ターゲット供給装置４ａは、支持台９ａと円板１０ａとタンク１ｂと駆動装置２ｂとを備える。支持台９ａは、主面４ｂと裏面５ｂと出射孔８ｂとを備える。出射孔８ｂは、ターゲット２ａの通過が可能な径を備える。出射孔８ｂは、出射口９ｂを備える。出射孔８ｂは、主面４ｂから裏面５ｂに貫通する。出射口９ｂは、裏面５ｂの側の開口である。

【0022】

円板１０ａは、円板１０ａの縁７ｂに沿って、予め設定された間隔（例えば、等間隔）に、複数の貫通孔６ｂを備える。円板１０ａの中心１０ｂは、貫通孔６ｂが出射孔８ｂと重なるように、主面４ｂに対し回転可能に保持される。貫通孔６ｂは、主面４ｂの上においてターゲット２ａを収容可能である。

【0023】

タンク１ｂは、本体１ｃと供給管２ｃとを備える。タンク１ｂは、円板１０ａの上に配置される。本体１ｃは、複数のターゲット２ａを格納可能である。供給管２ｃは、ターゲット２ａの通過が可能な径を備える。供給管２ｃは、本体１ｃに接続される。供給管２ｃは、複数の貫通孔６ｂの全ての中心を通る円周１０ｂ１の上に配置される。

【0024】

駆動装置２ｂは、回転軸４ｃとモータ３ｃとを備える。回転軸４ｃは、円板１０ａの中心１０ｂにおいて、円板１０ａに固定され、円板１０ａと共に回転可能である。モータ３ｃは、回転軸４ｃに接続される。モータ３ｃは、制御装置７ａによる制御のもとで、回転軸４ｃを回転する。

【0025】

駆動装置２ｂは、センサ５ｃを備える。センサ５ｃは、回転軸４ｃの回転数と回転軸４ｃの軸位置とを検出する。センサ５ｃは、回転軸４ｃの回転数と回転軸４ｃの軸位置とを示す回転情報１ｅを、制御装置７ａに送信する。回転軸４ｃの軸位置は、回転軸４ｃの回転方向における位置である。本実施形態において、情報とは、制御装置７ａのＣＰＵが読み取り可能な電子データを意味する。

【0026】

ターゲット供給装置４ａは、出射補助器３ｂを備える。出射補助器３ｂは、出射孔８ｂの上に配置される。出射補助器３ｂは、制御装置７ａによる制御のもとで、出射孔８ｂの上にあるターゲット２ａに対し、出射方向３ｄに向けて加圧することが可能である。出射補助器３ｂは、例えば、ガスを出射方向３ｄに向けて噴射することによって、ターゲット２ａを加圧する。

【0027】

ターゲット監視装置５ａは、位置検出器７ｃと時間検出器６ｃとを備える。位置検出器７ｃは、例えば、一又は複数の撮像装置（カメラ）である。位置検出器７ｃは、監視領域２ｄにおけるターゲット２ａの通過位置を検出し、この通過位置を示す位置情報６ｅを、制御装置７ａに送信する。位置検出器７ｃは、例えば、入射時間情報４ｅに基づき、ターゲット２ａが監視領域２ｄに入射したタイミングで、ターゲット２ａの通過位置を検出する。監視領域２ｄは、チャンバ３ａの内側において出射方向３ｄに交差する位置に、予め設定される。位置検出器７ｃによって検出される通過位置は、出射方向３ｄに垂直な面内（図２に示す基準面３ｆに平行な面）における位置を示す。時間検出器６ｃは、ターゲット２ａが監視領域２ｄに入射する入射時間とターゲット２ａが２Ｄを出射する出射時間とを測定する。

【0028】

時間検出器６ｃは、入射時間を示す入射時間情報４ｅと出射時間を示す出射時間情報５ｅとを、制御装置７ａに送信する。時間検出器６ｃは、例えば、フォトセンサである。時間検出器６ｃは、発光素子８ｃと発光素子９ｃと受光素子１０ｃと受光素子１ｄとを備える。受光素子１０ｃは、発光素子８ｃが発光する光を受光する。受光素子１ｄは、発光素子９ｃが発光する光を受光する。受光素子１０ｃは、受光した光信号を電気信号に変換し、この電気信号を、入射時間情報４ｅとして、制御装置７ａに送信する。受光素子１ｄは、受光した光信号を電気信号に変換し、この電気信号を、出射時間情報５ｅとして、制御装置７ａに送信する。監視領域２ｄは、発光素子８ｃが発光する光の進路と、発光素子９ｃが発光する光の進路とによって、画定される。ターゲット２ａが監視領域２ｄに入射した場合、受光素子１０ｃが出力する電気信号（入射時間情報４ｅ）は、監視領域２ｄへのターゲット２ａの入射を示す値をとる。ターゲット２ａが監視領域２ｄから出射した場合、受光素子１ｄが出力する電気信号（出射時間情報５ｅ）は、監視領域２ｄからのターゲット２ａの出射を示す値をとる。発光素子８ｃと発光素子９ｃとは、例えば、いずれも、発光ダイオードである。受光素子１０ｃと受光素子１ｄとは、例えば、いずれも、フォトダイオードである。ここで、時間検出複器６ｃは、複数の撮像装置もしくは高速度撮影が可能な撮像装置であってよい。

【0029】

レーザ光照射装置６ａは、レーザ光出力器５ｄと集光光学装置６ｄとを備える。レーザ光出力器５ｄは、制御装置７ａによる制御のもとで、レーザ光８ａを出力する。レーザ光出力器５ｄは、レーザ光源９ｄとシャッター１０ｄとを備える。レーザ光源９ｄは、レーザ制御情報９ｅによらずに、数１０ＭＨｚの繰り返し率でレーザ光を発光する。レーザ光出力器５ｄは、数１０ＭＨｚの繰り返し率で発光しているレーザパルス列の中から、レーザ制御情報９ｅに基づいて、レーザパルスを選択し、シャッター１０ｄを駆動する。レーザ光出力器５ｄは、レーザ制御情報９ｅに基づいて、発光の指示の場合には、シャッター１０ｄを開け、発光を行わない指示の場合には、シャッター１０ｄを閉じる。

【0030】

集光光学装置６ｄは、レーザ光出力器５ｄから出力されるレーザ光８ａを、制御装置７ａによる制御に基づいて、集光する。集光光学装置６ｄは、複数のミラー、例えばミラー７ｄとミラー８ｄとを、備える。集光光学装置６ｄは、集光制御情報８ｅに基づいて、例えばミラー７ｄとミラー８ｄとの配置を移動する。

【0031】

制御装置７ａは、回転情報１ｅに基づいて、円板１０ａの回転時に円板１０ａの貫通孔６ｂが出射孔８ｂに重なるタイミング（加圧タイミング）を、算出する。制御装置７ａは、加圧タイミングに基づく加圧制御情報３ｅを、出射補助器３ｂに送信する。加圧制御情報３ｅは、制御装置７ａによって算出された加圧タイミングで加圧するように出射補助器３ｂを制御するための情報である。

【0032】

制御装置７ａは、複数のターゲット２ａを、順次、周期的に、出射口９ｂから出射するように、ターゲット供給装置４ａを制御する。制御装置７ａは、回転情報１ｅに基づいて、円板１０ａの回転運動を制御する。

【0033】

制御装置７ａは、位置情報６ｅを用いて、レーザ光８ａの照射点４ｄを算出する。照射点４ｄは、基準面３ｆに含まれる点である。基準面３ｆは、支持台９ａの主面４ｂからの距離が一定（距離１０ｅと幅１ｆと距離２ｆとの和）であり、出射方向３ｄに直交する平面である。制御装置７ａは、照射点４ｄに基づく集光制御情報８ｅを、集光光学装置６ｄに送信する。制御装置７ａは、監視領域２ｄの幅１ｆと、入射時間情報４ｅと、出射時間情報５ｅと、監視領域２ｄから照射点４ｄまでの距離２ｆと、を用いて、照射点４ｄへのターゲット２ａの到達タイミングを算出する。制御装置７ａは、到達タイミングに基づくレーザ制御情報９ｅを、レーザ光出力器５ｄに送信する。集光制御情報８ｅは、レーザ光出力器５ｄからのレーザ光８ａを照射点４ｄに集光するよう集光光学装置６ｄを制御するための情報である。レーザ制御情報９ｅは、制御装置７ａによって算出された到達タイミングでレーザ光８ａを出力するようレーザ光出力器５ｄを制御するための情報である。距離１０ｅを示す情報と幅１ｆを示す情報と距離２ｆを示す情報とは、いずれも、制御装置７ａのメモリに電子データとして予め格納されている。

【0034】

出射孔８ｂの径は、例えば、ターゲット２ａの直径の１０１％以上１２０％以下である。供給管２ｃの径は、例えば、ターゲット２ａの直径の１０１％以上１２０％以下である。制御装置７ａは、例えば、１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の範囲で、ターゲット２ａの出射を行う。出射補助器３ｂは、出射口９ｂからの出射時におけるターゲット２ａの初速を、例えば、数ｍ／ｓ以上、数百ｍ／ｓ以下とすることができる。出射補助器３ｂは、ガスを出射方向３ｄに向けて、例えば、数ｍｓ以上、数百ｍｓ以下の間だけ噴射することによって、ターゲット２ａを加圧する。距離１０ｅは、例えば、８０ｍｍ程度であり、幅１ｆは、例えば、４０ｍｍ程度であり、距離２ｆは、例えば、６０ｍｍ程度である。

【0035】

図３を参照して、実施形態に係る量子ビーム生成方法を説明する。まず、ステップＳ１（出射工程）において、制御装置７ａは、ターゲット供給装置４ａを制御して、ターゲット２ａをチャンバ３ａの内側に出射する。ステップＳ１において、制御装置７ａは、ターゲット供給装置４ａを制御して、ターゲット２ａを、制御装置７ａの制御可能な出射タイミングで、チャンバ３ａの内側における予め設定された出射方向３ｄに、出射する。

【0036】

ステップＳ１の後、ステップＳ２（予測工程）において、制御装置７ａは、チャンバ３ａの内側におけるレーザ光８ａの照射点４ｄを予測する。ステップＳ２は、ステップＳ２ａとステップＳ２ｂとを備える。

【0037】

ステップＳ２ａにおいて、位置検出器７ｃは、監視領域２ｄにおけるターゲット２ａの通過位置を検出する。ステップＳ２ａにおいて、時間検出器６ｃは、ターゲット２ａが監視領域２ｄに入射する入射時間と、ターゲット２ａが監視領域２ｄを出射する出射時間とを測定する。

【0038】

ステップＳ２ａの後、ステップＳ２ｂにおいて、位置検出器７ｃは、位置検出器７ｃによって検出された通過位置を用いて、照射点４ｄを算出する。ステップＳ２ｂにおいて、位置検出器７ｃは、監視領域２ｄの幅１ｆと、入射時間を示す入射時間情報４ｅと、出射時間を示す出射時間情報５ｅと、監視領域２ｄから照射点４ｄまでの距離２ｆと、を用いて、照射点４ｄへのターゲット２ａの到達タイミングを算出する。

【0039】

ステップＳ２の後、ステップＳ３（準備工程）において、制御装置７ａは、集光光学装置６ｄを制御して、照射点４ｄにレーザ光８ａを集光できるように、レーザ光８ａの照射位置を移動させて照射を準備する。ステップＳ３の後、ステップＳ４（出力工程）において、制御装置７ａは、レーザ光出力器５ｄを制御して、ステップＳ２ｂにおいて算出した到達タイミングにレーザ光８ａを出力する。

【0040】

図４は、実施形態に係る量子ビーム生成装置の効果を説明するための図である。図４の（Ａ）部の横軸と図４の（Ｂ）部の横軸とは、いずれも、時間ジッタ（ｍｓ）を表す。図４に示す時間ジッタは、レーザ光８ａの照射時刻から、ターゲット２ａの照射点４ｄの通過時刻を差し引いた値である。図４の（Ａ）部の縦軸と図４の（Ｂ）部の縦軸とは、いずれも、頻度（イベント数）を表す。図４の（Ａ）部は、量子ビーム生成装置１ａにおいて、特にレーザ制御情報９ｅを用いない場合の測定結果である。図４の（Ｂ）部は、量子ビーム生成装置１ａの測定結果（特に、レーザ制御情報９ｅを用いて得られた測定結果）である。図４に示す結果から、レーザ制御情報９ｅを用いる量子ビーム生成装置１ａのほうが、レーザ制御情報９ｅを用いない量子ビーム生成装置１ａに比較して、レーザ光８ａの照射時刻と、ターゲット２ａの照射点４ｄの通過時刻とが略一致（時間ジッタがゼロ）する場合が多いことがわかる。時間ジッタがゼロの場合に、レーザ光８ａはターゲット２ａに照射される。ターゲット２ａとしてはＬｉやＢｅを含有したシェルもしくはビーズを用いることができる。ターゲットとしてＬｉやＢｅを含有したシェルもしくはビーズを用いた場合には、中性子、陽子（プロトン）、イオン等の量子ビームの生成が可能である。

【0041】

このように、制御装置７ａによって制御される出射タイミングで、量子ビーム生成反応を起こすターゲット２ａが、ターゲット供給装置４ａによってチャンバ３ａの内側に供給され、チャンバ３ａの内側におけるターゲット２ａの運動は、ターゲット監視装置５ａによって監視され、制御装置７ａは、この監視結果に基づいて、ターゲット２ａにレーザ光８ａを照射する。よって、ターゲット２ａの供給と、ターゲット２ａへのレーザ光８ａの照射とが、制御装置７ａによって、自動的に行われるので、制御装置７ａによる制御によって、連続的な量子ビーム生成が可能となる。

【0042】

制御装置７ａによる制御によって、周期的で連続的な量子ビーム生成が可能となる。

【0043】

ターゲット２ａが等間隔に配置された円板１０ａを回転することによって、ターゲット２ａを順次、チャンバ３ａに供給できる。よって、ターゲット２ａが等間隔に配置された円板１０ａを用いることによって、周期的及び連続的な量子ビーム生成が、実現できる。

【0044】

制御装置７ａは、センサ５ｃを用いて、円板１０ａの回転状態を認識できるので、任意に設定する周期で、円板１０ａを回転させることができる。よって、任意に設定する周期で、連続的に量子ビーム生成が可能となる。

【0045】

出射補助器３ｂによって、ターゲット２ａが強制的に出射されるので、出射タイミングであるにもかかわらず出射が行われない、という事態が、回避できる。更に、高速度でターゲットを出射できるため、低温に冷却されたターゲットを使用した場合においても、温度を維持したまま短時間の内に照射点まで供給することが可能となる。

【0046】

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。例えば、ターゲット供給装置４ａ、時間検出器６ｃ、レーザ光照射装置６ａの何れか又は全てが、チャンバ３ａの外側に配置されることができる。

【0047】

レーザ光出力器５ｄを複数配置して、同時にまたは時間差を設けてターゲットに照射しても良い。ターゲットの材料として極低温に冷却された固体の水素同位体（重水素や三重水素）や気体の水素同位体を充填したペレット、水素を水素同位体に置換したプラスチックビーズやプラスチックシェルを用いることで、本実施形態の量子ビーム生成装置をレーザ核融合装置とすることもできる。レーザ核融合装置とする場合にはチャンバ３ａと断熱させた状態で、ターゲット供給装置４ａを極低温槽に配置することで、低温に冷却されたターゲットを供給することもできる。このように、本実施形態によって自動的に連続して核融合反応が行えるレーザ核融合装置と核融合生成方法とを提供することができる。

【符号の説明】

【0048】

１ａ…量子ビーム生成装置、２ａ…ターゲット、３ａ…チャンバ、４ａ…ターゲット供給装置、５ａ…ターゲット監視装置、６ａ…レーザ光照射装置、７ａ…制御装置、８ａ…レーザ光、９ａ…支持台、１０ａ…円板、１ｂ…タンク、２ｂ…駆動装置、３ｂ…出射補助器、４ｂ…主面、５ｂ…裏面、６ｂ…貫通孔、７ｂ…縁、８ｂ…出射孔、９ｂ…出射口、１０ｂ…中心、１ｃ…本体、２ｃ…供給管、３ｃ…モータ、４ｃ…回転軸、５ｃ…センサ、６ｃ…時間検出器、７ｃ…位置検出器、８ｃ…発光素子、９ｃ…発光素子、１０ｃ…受光素子、１ｄ…受光素子、２ｄ…監視領域、３ｄ…出射方向、４ｄ…照射点、５ｄ…レーザ光出力器、６ｄ…集光光学装置、７ｄ…ミラー、８ｄ…ミラー、９ｄ…レーザ光源、１０ｄ…シャッター、１ｅ…回転情報、２ｅ…回転制御情報、３ｅ…加圧制御情報、４ｅ…入射時間情報、５ｅ…出射時間情報、６ｅ…位置情報、７ｅ…撮像制御情報、８ｅ…集光制御情報、９ｅ…レーザ制御情報、１０ｅ…距離、１ｆ…幅、２ｆ…距離、３ｆ…基準面。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】