ホールラウム

放射 熱力学において、空洞（ドイツ語: [ˈhoːlˌʁaʊ̯m] ^ⓘ ;ドイツ 語で「空洞」、「空の部屋」、「空洞」を意味する非特定の空洞内の放射エネルギーと放射平衡グスタフ キルヒホフ黒体放射(空洞放射)の研究に使用されました^[1]不透明の中空の容器で近似できます。このような容器の壁の小さな穴から漏れる放射は、容器の内部温度での黒体放射の良好な近似値になります。^[2]実際、空洞は段ボールで作ることもできます。これは、空洞のデモンストレーターであるパー​​セルのブラック ボディ ボックスで示されています。^[3]

分光学において、ホールラウム効果は、物体がそれを囲むホールラウムと熱力学的平衡に達したときに発生します。キルヒホッフの法則の結果として、すべてのものが光学的に混ざり合い、壁と物体の間のコントラストが実質的に消えます。^[4]

ホーラウムは、高エネルギー密度物理学（HEDP）や慣性閉じ込め核融合（ICF）の実験で、カプセルの爆縮、ターゲットの加熱、熱放射波の生成のためにレーザーエネルギーを熱X線に変換するために使用されます。^[5] また、核兵器の設計にも使用されることがあります。

慣性閉じ込め核融合に対する間接駆動アプローチは、次のとおりです。核融合燃料カプセルは円筒形の空洞内に保持されます。空洞本体は、高 Z (高原子番号) 元素、通常は金またはウランを使用して製造されます。空洞の中には、重水素と三重水素 (DT) 燃料を含む燃料カプセルがあります。燃料カプセルの内側には、DT 氷の凍結層が付着しています。燃料カプセルの壁は、プラスチック、ベリリウム、高密度炭素 (ダイヤモンド) などの軽元素を使用して合成されます。燃料カプセルの外側部分は、レーザー照射時に空洞壁によって生成された X 線によってアブレーションされ、外側に爆発します。ニュートンの第 3 法則により、燃料カプセルの内側部分が内破し、DT 燃料が超圧縮されて核融合反応が活性化されます。

放射線源（レーザーなど）は、燃料カプセル自体ではなく、空洞の内部に向けられる。空洞はエネルギーを吸収し、X線として再放射する。このプロセスは間接駆動と呼ばれる。直接駆動と比較したこのアプローチの利点は、エネルギーが空洞の壁から再放射される際に、レーザースポットからの高モード構造が平滑化される点である。このアプローチの欠点は、低モードの非対称性を制御するのが難しい点である。均一な爆縮を達成するには、高モードと低モードの両方の非対称性を制御できることが重要となる。

空洞壁の表面粗さは 1 ミクロン未満でなければならないため、製造中に正確な機械加工が必要です。製造中に空洞壁に欠陥があると、慣性閉じ込め核融合中に空洞内の燃料カプセルが不均一かつ非対称に圧縮される原因になります。したがって、欠陥を慎重に防ぐ必要があり、表面仕上げが極めて重要です。ICF レーザー ショット中は、圧力と温度が非常に高いため、空洞のテクスチャ粗さの影響を非常に受けやすくなります。核融合点火を開始するには、燃料カプセルが正確に球形で、テクスチャ粗さが 1 ナノメートル未満でなければなりません。そうでないと、不安定性により核融合が失敗します。燃料カプセルには、カプセルに DT ガスを注入するための直径 5 ミクロン未満の小さな充填穴があります。

圧縮中の流体力学的不安定性を回避するために、カプセル周囲の X 線強度は非常に対称的でなければなりません。以前の設計では、空洞の両端に放射器がありましたが、この形状では適切な X 線対称性を維持するのが困難であることが判明しました。1990 年代の終わりまでに、ターゲット物理学者は、イオンビームが空洞の壁で吸収され、カプセルを囲む立体角の大部分から X 線が放射される新しい設計ファミリーを開発しました。吸収材料を慎重に選択すると、「分散放射器」ターゲットと呼ばれるこの配置は、以前の設計よりも優れた X 線対称性とシミュレーションでのターゲットゲインを実現します。^[6]

空洞という用語は、テラー・ウラム設計に従った熱核爆弾のケースを説明するためにも使用されます。ケースの目的は、第 1 段階 (核分裂) のエネルギーを封じ込めて集中させ、第 2 段階 (核融合)を爆縮させることです。

• NIF ホールラウム – ローレンス・リバモア国立研究所の高解像度画像。