シヴァレーザー

シヴァレーザーは、慣性核融合（ICF）と長距離レーザープラズマ相互作用の研究のために、1977年にローレンスリバモア国立研究所で構築された強力な20ビーム赤外線 ネオジム ガラス（シリカガラス）レーザーでした。レーザーのマルチビーム構造のため、おそらくこの装置はヒンズー教の神シヴァの多腕姿にちなんで名付けられました。シヴァは、レーザーでターゲットを圧縮する際の特定の問題を実証するのに役立ち、これらの問題に対処するために構築された主要な新しい装置、ノヴァレーザーにつながりました。

ICF 装置の基本的な考え方は、「ターゲット」の外層を急速に加熱することです。ターゲットは通常、数ミリグラムの核融合燃料 (通常は重水素と三重水素の混合物) を含む小さなプラスチック球です。熱によってプラスチックが燃焼してプラズマになり、表面で爆発します。ニュートンの第 3 法則により、ターゲットの残りの部分は内側に押し込まれ、最終的に非常に高密度の小さな点に崩壊します。急速な噴出によって、圧縮された燃料の中心に向かって進む衝撃波も発生します。燃料の中心で衝撃波が衝突すると、衝撃波のエネルギーによって周囲の小さな体積がさらに加熱され、圧縮されます。その小さな点の温度と密度が十分に高くなると、核融合反応が発生します。

核融合反応により高エネルギーのアルファ粒子が放出され、周囲の高密度燃料と衝突して減速します。これにより燃料がさらに加熱され、その燃料も核融合を起こす可能性があります。圧縮された燃料の全体的な条件が適切であれば (十分な密度と温度)、この加熱プロセスによって連鎖反応が起こり、衝撃波が反応を開始した中心から外側に向かって燃えます。これは「点火」と呼ばれる条件で、ターゲット内の燃料のかなりの部分が核融合を起こし、大量のエネルギーが放出される可能性があります。

これまでのほとんどの ICF 実験では、ターゲットを加熱するためにレーザーが使用されていました。計算によると、コアが分解する前に圧縮し、適切な衝撃波を生成するには、エネルギーを迅速に供給する必要があります。また、燃料を対称コアに崩壊させるには、レーザー ビームをターゲットの外面全体に均等に集中させる必要があります。他の「ドライバー」も提案されていますが、現時点では、適切な機能の組み合わせを備えたデバイスはレーザーだけです。

シヴァは、初期のサイクロプスおよびアーガス レーザーで達成された多くの進歩を取り入れました。特に、ブリュースター角に設定された Nd:ガラス板で作られた増幅器の使用と、結果として生じるレーザー ビームを「クリーンにする」長い真空空間フィルターの使用です。これらの機能は、それ以降のすべての ICF レーザーの一部であり、長い「ビームライン」につながります。シヴァの場合、ビームラインは約 30 メートルの長さでした。

発射前に、シヴァのレーザーガラスは、大きなコンデンサバンクから電力を供給される一連のキセノンフラッシュランプからの光で「励起」されました。この光の一部はガラス内のネオジム原子に吸収され、励起状態に上昇して反転分布を引き起こし、レーザービームの増幅のためにレーザー媒体を準備します。次に、外部で生成された少量のレーザー光がビームラインに供給され、ガラスを通過して誘導放出プロセスによって増幅されます。これは特に効率的なプロセスではありません。ランプに供給するために使用される電力の約 1% が、ほとんどの Nd:ガラスレーザーのビームを増幅することになります。

各増幅器モジュールの後には空間フィルタがあり、空気とガラスを通過する強力な光の非線形集束効果によって蓄積された不均一性やパワー異方性を除去してビームを滑らかにするために使用されます。空間フィルタは、焦点（ピンホール）でのプラズマの生成を排除するために真空状態に保たれます。^[1]

光は最終増幅器と空間フィルタを通過した後、装置の一端にある ターゲット チャンバーでの実験に使用されました。Shiva の 20 本のビームラインはそれぞれ約 500ジュールのエネルギーを放出し、これらを合わせると、波長 1062 nm で 10.2 kJ の赤外線の約 0.5 ～ 1 ナノ秒のパルス、またはより長い時間 (3 ns で 3 kJ) にわたってより小さなピーク電力を放出しました。

試験装置と建物を含むこの装置全体の費用は、1977年に完成したとき約2,500万ドル（現在の価値で1億2,600万ドル）でした。

Shiva は点火条件に達することは想定されておらず、主に点火条件に達する大型装置の概念実証システムとして意図されていました。Shiva が完成する前から、当時 Shiva/Nova と呼ばれていた後継機の設計は十分に進んでいました。Shiva/Nova は1984 年にNovaとして登場しました。Shiva には多数の機器が搭載され、そのターゲット チャンバーでは高解像度、高速の光学機器と X 線機器を使用して爆縮中に生成されるプラズマの特性評価を行いました。

1978 年にシヴァでターゲットを使った実験が開始されたとき、圧縮は液体水素の元の密度の約 50 ～ 100 倍、つまり約 3.5 ～ 7 g/mL まで上昇しました。比較すると、鉛の密度は約 11 g/mL です。この圧縮レベルは印象的ですが、点火につなげるには低すぎ、システムのシミュレーションで予測されていたレベルよりもはるかに低いものです。

予想よりも低い圧縮の原因を研究した結果、レーザーが、誘導ラマン散乱によってターゲットの外層が加熱されたときに形成されるプラズマ内の熱い電子（約 50 keV）と強く結合していることが判明しました。当時の ICF プログラムのディレクター、ジョン・ホルツリヒターは次のように述べています。

レーザー光線は、ターゲット物質に当たると高密度のプラズマを生成します。レーザー光はプラズマ内の電子にエネルギーを与え、電子が光を吸収します。その速度は波長と強度によって異なります。シヴァでは、電子を信じられないほどのエネルギーに加熱しましたが、ターゲットのパフォーマンスは良くありませんでした。電子がより多くのエネルギーをターゲットに伝達するように誘導するために、さまざまなことを試みましたが、成功しませんでした。

表面でのレーザーエネルギー吸収は波長が短くなると有利に拡大することが以前から認識されていましたが、当時はシヴァ Nd:ガラス レーザーで生成される赤外線はターゲットの爆縮を適切に行うのに十分であると考えられていました。シヴァはこの仮定が間違っていることを証明し、カプセルを赤外線で照射しても点火や増幅はおそらく達成されないことを示しました。したがって、シヴァの最大の進歩は、結果がゼロである例としての失敗でした。

ICF の研究では、入射する IR 光を約 351 nm の紫外線に変換する「光周波数逓倍器」を使用するようになりました。この技術は当時よく知られていましたが、効率的ではなく、価値のあるものではありませんでした。1980年にレーザーエネルギー研究所で行われた GDL レーザーの研究では、効率的な周波数 3 倍化技術が初めて実現され、次に (LLNL で初めて) Shiva の後継機であるNovette レーザーで使用されました。Shiva 以降のすべてのレーザー駆動 ICF システムでは、この技術が使用されています。

1980 年 1 月 24 日、マグニチュード 5.8_の  地震 (二重地震では初) がリバモアとその施設を揺さぶり、シヴァから拳大のボルトが折れた。修理が行われ、レーザーは 1 か月後に再び稼働した。シヴァでは、1981 年に解体されるまで、空洞を使った「間接モード」の圧縮のテストを含む多くの実験が続けられた。シヴァのターゲット チャンバーは、ノヴェット レーザーで再利用された。シヴァの最大核融合収率は、1 ショットあたり約 10 ¹⁰～ 10 ^{11 個}の中性子であった。

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