核エネルギーからの光直接発電～ 原子炉（核）励起レーザ：RPL（NPL） ～

核エネルギーからの光直接発電～ 原子炉（核）励起レーザ：RPL（NPL） ～

１． 核エネルギーの変換技術

（指向性エネルギー変換）

２． 原子炉（核）励起レーザとは

３． レーザ発振の機構

４． 原子炉（核）励起レーザの問題点と解決

５． どんな応用があるか？

冨澤 宏光高輝度光科学研究センター (SPring-8/JASRI)

１． 核エネルギーの変換技術１． 核エネルギーの変換技術

核エネルギー核エネルギー

⇨⇨熱エネルギー熱エネルギー ⇨⇨ 力学的エネルギー力学的エネルギー ⇨⇨ 電気エネルギー電気エネルギー

核エネルギー核エネルギー

⇨⇨レーザ光エネルギーレーザ光エネルギー

近赤外波長近赤外波長：１～３：１～３μμｍｍ⇨⇨ 短パルス化？短パルス化？

短波長化？短波長化？

エレクトロニクスエレクトロニクス電気の社会インフラ電気の社会インフラ

フォトニクスフォトニクス光光の社会インフラの社会インフラ

指向性エネルギー：自己輸送能力

指向性エネルギー：自己輸送能力

１． 核エネルギーの変換技術１． 核エネルギーの変換技術

指向性指向性

核エネルギー核エネルギー

⇨⇨レーザ光・レーザ光・指向性指向性エネルギーエネルギー近赤外波長近赤外波長：１～３：１～３μμｍｍ

⇨⇨ 短パルス化（白色化）短パルス化（白色化）

波長変換（単色）波長変換（単色）

レーザ光は、単なる光ではなく、以下の応用上の重要な特徴がある。

““大気の窓大気の窓””波長波長ファイバー伝送の最適波長ファイバー伝送の最適波長２２μμｍｍ波長帯はアイセーフ波長波長帯はアイセーフ波長

⇨⇨ 自己空間伝播能力がある自己空間伝播能力がある

偏光性偏光性 ⇨⇨ 制御性がよい制御性がよい

コヒーレントコヒーレント ⇨⇨ 波長変換、短パルス化などが可能波長変換、短パルス化などが可能

⇨⇨直接応用直接直接応用応用

２． 原子炉（核）励起レーザとは２． 原子炉（核）励起レーザとは

２． 原子炉（核）励起レーザとは２． 原子炉（核）励起レーザとは

• 核反応で生成された高エネルギーの荷電粒子（重イオン、電子）は、レーザ媒質を励起およびイオン化する。

• 核反応によって生じたエネルギーをレーザ励起のエネルギーとして用いるレーザ励起方式を核励起という。

• このようなレーザは核励起レーザ（NPL）、または原子炉励起レーザ（RPL)と言われています。ただ、核励起というと日本語では核爆発を利用した

レーザ発振と区別がつかず、誤解を招くので、ここでは原子炉励起レーザという用語を使いたい！

• さあ、Nuclear Pumped Laserや核励起レーザーのキーワードでGoogleとかで検索してみましょう。

Nuclear Pumped Laserでキーワード検索すると、X-ray Nuclear Pumped Laser がヒットするが。。。

この種のレーザは原子炉励起ではできない。

E&TR November 1994E&TR November 1994

Nuclear Pumped Laserでキーワード検索すると、X-ray Nuclear Pumped Laser がヒットするが。。。

この種のレーザは原子炉励起ではできない。

例えば、ゲーザ（γ線レーザ）は可能か？

この種のレーザの励起には核の励起準位を用いる。

（Hf-179 isomer: 0.375 MeV; 半減期：２５．１days)

必要な 中性子束閾値を計算すると。。。

〜10２９[cm-2s-1]

中性子束：

通常の原子炉： 〜101４[cm-2s-1] （最大出力時）

パルス炉： 1017〜1018[cm-2s-1] （最大出力時）

先端技術はいつも“諸刃の刃” 、でも実際は、この種のレーザは原子炉励起ではできない。

“核”励起と“原子炉”励起は区別したい。“核”励起と“原子炉”励起は区別したい。

先端技術はいつも“諸刃の刃” 、これは、核爆発を使ったレーザ発振でマッド・サイエンス！

SDI（米国戦略防衛構想）で提案されていたが。。。

実際は荒唐無稽！この種の核爆発を利用したレーザとは原子炉励起レーザは区別すべき。

地上最大のレーザービーム兵器の照準で、軌道上の敵の衛星を破壊するための巨大なレーザビーム兵器の研究開発地上最大のレーザービーム兵器の照準で、軌道上の敵の衛星を破壊するための巨大なレーザビーム兵器の研究開発

米空軍は軌道上の衛星を破壊するための対衛星兵器（ASAT: Antisatellite）の開発を1980年頃からスタート。1985年に米空軍は、F-15戦闘機から発射されたミサイルで標的となる低軌道の衛星の破壊実験を行ったが、その際、破壊された衛星から250ものデブリが発生。その全てのデブリが再突入し軌道上から消失するのにはその後20年近い年月も要する事態となり、ミサイルでの衛星破壊は断念。その後、1990年代に入ってからはレーザビームによる

衛星破壊に研究を移行。1997年になり実際にこの実験施設からレーザによる衛星破壊の実験を行っている。

米空軍は軌道上の衛星を破壊するための対衛星兵器（ASAT: Antisatellite）の開発を1980年頃からスタート。1985年に米空軍は、F-15戦闘機から発射されたミサイルで標的となる低軌道の衛星の破壊実験を行ったが、その際、破壊された衛星から250ものデブリが発生。その全てのデブリが再突入し軌道上から消失するのにはその後20年近い年月も要する事態となり、ミサイルでの衛星破壊は断念。その後、1990年代に入ってからはレーザビームによる

衛星破壊に研究を移行。1997年になり実際にこの実験施設からレーザによる衛星破壊の実験を行っている。

カートランド空軍基地カートランド空軍基地

実際に開発されているレーザ兵器Ⅰ実際に開発されているレーザ兵器Ⅰ

化学レーザ：化学反応を利用して励起するレーザ

運搬可能（１トン以下）なものがテスト段階で開発されている。

MTHEL (Mobile Tactical High Energy Laser)という地対空レーザMTHEL (Mobile Tactical High Energy Laser)という地対空レーザ

レーザー兵器実験大成功. ノーチラスシステムは長距離ミサイルを迎撃した. 2004年5月7日 18:11 (U.S. EastTime) MSNBC News ... エルサレム-イスラエルと米国が共同開発しているレーザー兵器は、ニューメキシコ上空でのテストで初めて長距離ロケットを撃墜した ...

レーザー兵器実験大成功. ノーチラスシステムは長距離ミサイルを迎撃した. 2004年5月7日 18:11 (U.S. EastTime) MSNBC News ... エルサレム-イスラエルと米国が共同開発しているレーザー兵器は、ニューメキシコ上空でのテストで初めて長距離ロケットを撃墜した ...

重水素フッ化物化学レーザ重水素フッ化物化学レーザ

実際に開発されているレーザ兵器Ⅱ実際に開発されているレーザ兵器Ⅱ

Nuclear Pumped Laserでキーワード検索すると、X-ray Nuclear Pumped Laser がヒットするが。。。

この種のレーザは原子炉励起ではできない。

例えば、ゲーザ（γ線レーザ）は可能か？

この種のレーザの励起には核の励起準位を用いる。

（Hf-179 isomer: 0.375 MeV; 半減期：２５．１days)

必要な 中性子束閾値を計算すると。。。

〜10２９[cm-2s-1]

中性子束：

通常の原子炉： 〜101４[cm-2s-1] （最大出力時）

パルス炉： 1017〜1018[cm-2s-1] （最大出力時）原子炉励起原子炉励起

核爆発励起核爆発励起

運転中の研究用パルス炉の主要特性運転中の研究用パルス炉の主要特性

--7465米国ACRR

104103（熱中性子）-1000ロシアIGR

-1111020〜106ロシアBIGR

30〜500.5-120米国TRIGA

30ロシアIIN-3

6002.0105ロシアTIBR

20-7.030ロシアBIR-2M

5--0.7ロシアIBR-30

-6.50.65(3)米国SPR-III

1.6*103--26ロシアEBR-L

≧1033.6100.53ロシアBR-1

〜103150.55ロシアBIR-2

200.6-0.50ロシアBARS

100-7003.2100.46米国SPR-II

7002.89.40.35米国APRFR

0.02〜0.0041.01000.24米国Codiva-IV

最大中性子束[1014cm-2s-1]

高速中性子流（外面部）[1014cm-2]

高速中性子流（中心部）[1014cm-2]

パルス半値幅[10-4s]

国原子炉名

パルス炉の例 ～ オブニンスク BAR-6パルス炉の例 ～ オブニンスク BAR-6

• NPL用パルス炉： 1017〜1018[cm-2s-1]

パルス炉の例 ～ オブニンスク BAR-6パルス炉の例 ～ オブニンスク BAR-6

• NPL用パルス炉： 1017〜1018[cm-2s-1]

核励起源とレーザガス核励起源とレーザガス

• NPLのレーザ媒質が希ガス混合ガスを用いる。それは、核励起により分子は壊れてしまうからです。

• 励起源は固体タイプと気体タイプに分けられます（最近、この中間のダスト（荷電）プラズマというものがロシアで開発された）。 中性子と核反応を起こす固体励起源としてU２３５ が多く使われています。

１：中性子束 ２：核分裂片 ３：核分裂性物質コーティング（U235 film） ４：レーザ活性物５：レーザ光窓 ６、７：全反射、半透過ミラー ８：レーザ光１：中性子束 ２：核分裂片 ３：核分裂性物質コーティング（U235 film） ４：レーザ活性物

５：レーザ光窓 ６、７：全反射、半透過ミラー ８：レーザ光

核励起レーザの研究史上主要な出来事核励起レーザの研究史上主要な出来事

ARSRIEPAr-Xe混合ガスで1.5秒間発振するBIGR/LM-4の発振1994

ARSRIEPAr-Xe混合ガスにおける最小レーザ発振閾値1012〜1013[cm-2s-1]の達成1989〜90

SandiaHe(Ar)-Xeレーザの効率3%(λ=2.03μm),2.4%(λ=1.73μm)の達成1988

ARSRIEP; MEPI核分裂片および3He(n,p)TによるHe-Ne-Ar核励起レーザ(NPL)(λ=585.3μm)の発振

1985

NASA, Langley1kWの多重経路He-Arレーザ1981

MEPI初の可視領域で発振する(He-Cd)核励起レーザ(NPL)(λ=533.7, 537.8, 441.6μm)の発振

1979〜82

LPI原子炉レーザの提唱1974

ARSRIEPXeI, KrI, ArIのレーザ発振(λ=1.15〜3.5μm, W≧2kW,効率2.2%)1974〜76

Florida State University;LANL

Xe-Ne核励起レーザ(NPL)(λ=3.51μm)の発振1974〜75

SandiaCO核励起レーザ(NPL)の発振1974〜75

ARSRIEPHe-Xe核励起レーザ(NPL)(λ≒3μm)の世界初の発振1972

United AircraftCO2核励起レーザ(NPL)の提唱1963

V A Fabriknt, M M Vudynskii, F A Butaeva

励起された媒体中における電磁放射の増幅方法の提唱1951

著者、研究機関出来事年

３． レーザ発振の機構３． レーザ発振の機構

レーザと発振準位

レーザレーザ

基底準位基底準位

下準位下準位

上準位上準位

エネルギーの溜めエネルギーの溜め

レーザの３つの基礎パラメータ光共振器の一帰還の全損失loss、

飽和強度Is [W/cm2]、光共振器がないときの一帰還の利得g0

レーザの３つの基礎パラメータ光共振器の一帰還の全損失loss、

飽和強度Is [W/cm2]、光共振器がないときの一帰還の利得g0

g =g0

(Iin / Is + 1)

τ t =Iinσhν

光共振器内のレーザ光の強度Iの増大とともに、一帰還の利得gは光共振器がないときの一帰還の利得g0から光共振器の一帰還の全損失lossまで減少し、最終的に平衡状態（g＝loss）に達する。この過程で、g＝g0 /2 のときの光共振器内のレーザ光強度Iを飽和強度Isという。

もし、g0< lossであれば、レーザ発振しない。特に、g0＝lossのとき、レーザは閾値にあるといい、このときのポンピング・レートRpumpをRth

pumpと定義する。一帰還のレーザ利得gをレーザ光強度I、飽和強度Isと光

共振器がないときの一帰還の利得g0で記述すると、

光共振器内のレーザ光の強度Iの増大とともに、一帰還の利得gは光共振器がないときの一帰還の利得g0から光共振器の一帰還の全損失lossまで減少し、最終的に平衡状態（g＝loss）に達する。この過程で、g＝g0 /2 のときの光共振器内のレーザ光強度Iを飽和強度Isという。

もし、g0< lossであれば、レーザ発振しない。特に、g0＝lossのとき、レーザは閾値にあるといい、このときのポンピング・レートRpumpをRth

pumpと定義する。一帰還のレーザ利得gをレーザ光強度I、飽和強度Isと光

共振器がないときの一帰還の利得g0で記述すると、

一方、g＝g0 /2 のとき、レーザ上準位の誘導放出による

崩壊速度とその他の過程によるレーザ上準位の崩壊速度は等しい。それぞれ式に書くと、

一方、g＝g0 /2 のとき、レーザ上準位の誘導放出による

崩壊速度とその他の過程によるレーザ上準位の崩壊速度は等しい。それぞれ式に書くと、

..

また、平衡状態（g＝loss）のとき、次式が得られる。また、平衡状態（g＝loss）のとき、次式が得られる。

Iin = (g0 / loss − 1)Is光共振器がないときの一帰還の利得g0は光共振器がないときの一帰還の利得g0は

g0 = σRpumplτ t nupper = Rpump τ t

Is = hντt /σ = hν Aikk

∑ +τQ⎛ ⎝ ⎜

⎞ ⎠ ⎟ /σ

Iin [W/cm2]Iin [W/cm2]

希ガスの混合ガスレーザ発振の機構希ガスの混合ガスレーザ発振の機構

実際のAr-Xeレーザ発振の機構実際のAr-Xeレーザ発振の機構

Ar-Xeレーザ発振のレート方程式Ar-Xeレーザ発振のレート方程式

核エネルギーの変換後の流れは核エネルギーの変換後の流れは

この結果はガスの種類によらない

高ガス圧・核励起は高平均出力化に理想的？

高ガス圧・核励起は高平均出力化に理想的？

高エネルギー連続発振レーザ

高パワーパルス発振レーザ

高エネルギー連続発振レーザ

高パワーパルス発振レーザ

多レーザ活性元素多レーザ活性元素 高ポンピング・パワー密度高ポンピング・パワー密度

高ガス圧高ガス圧 高エネルギー

高強度粒子線

高エネルギー

高強度粒子線

小励起体積小励起体積

※ 高強度励起には、準安定準位に励起されたレーザ活性原子が増えることによる高効率化というメリットもある。

※ 高強度励起には、準安定準位に励起されたレーザ活性原子が増えることによる高効率化というメリットもある。

４． 核励起レーザの問題点と解決４． 核励起レーザの問題点と解決

• 核励起レーザ（NPL）は、高平均出力レーザ（～１０MJ）を実現でき、しかもコンパクトであるという希望があった。

• ところが高強度励起になると発振が未成熟に。。。

これに対する私の実験の進め方:

◆ タンデム型静電加速器からの重イオンビーム(100MeV 32S9+)を用いて、Ar-Xeレーザを発振させる。

◆ NPLでの核分裂片(～100MeV)によるレーザ発振を完全なパラメータの制御下で再現する。

これに対する私の実験の進め方:

◆ タンデム型静電加速器からの重イオンビーム(100MeV 32S9+)を用いて、Ar-Xeレーザを発振させる。

◆ NPLでの核分裂片(～100MeV)によるレーザ発振を完全なパラメータの制御下で再現する。

２００２年のロシアでの学会発表PPTで次に説明します２００２年のロシアでの学会発表PPTで次に説明します

ASPECTS OF ASPECTS OF GAS PURITYGAS PURITY AND AND GAS TEMPERATUREGAS TEMPERATURE

IN NUCLEAR PUMPED LASER SYSTEMSIN NUCLEAR PUMPED LASER SYSTEMS

１１.. MotivationMotivation２２.. Experimental Concept Experimental Concept and Setupand Setup３３.. Overview of influence ofOverview of influence of Gas Purity Gas Purity

~ ~ Influence ofInfluence of HH22OO;; Simple modelSimple model ~~４４.. Overview ofOverview of TemperatureTemperature dependencedependence

~ ~ Phenomenological studyPhenomenological study ~~５５.. Conclusion & DiscussionConclusion & Discussion

H. Tomizawa, J. Wieser†, and A. Ulrich††

Accelerator Division, Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI)†Plasmaphysik, Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI)

††Fakultät für Physik E12, Technische Universität München (TUM)

１１.. MotivationMotivation１ー１１ー１.. Possible causes for NPLs-Problem:

H2O or OC ?

◆ We performed experiments with Ar – Xe laser pumped by heavy ion beam (100MeV 32S9+) from Tandem-Ion-Accelerator in Munich.

◆ These experiments reproduce NPLs under controlling all parameters and are good simulations for NPLs-Problem.

２. Experimental Concept and Setup２－１. How experimentally simulate NPL ?

Ex.) Rectangular Pumping Pulse

Laser Pulse

２－２. Experimental SetupGas TemperatureWater vapour contentsTotal Gas PressureXe-ConcentrationPurity of Lasing GasOptical geometryPumping Power Density

Gas TemperatureWater vapour contentsT = 300 K

[H2O] << 1013 cm-3

H2O

３３.. Overview of influence of Gas Overview of influence of Gas PurityPurity ((water vapourwater vapour impurity)impurity)

３ー１３ー１.. Experimental Results Experimental Results ( 1.73 µm )~%~% Air (NAir (N22+O+O22) ) ⇨⇨ No significant Reduction No significant Reduction

~0.01%~0.01% HH22O O ⇨⇨ Threshold Threshold :: 3×1015 cm-3

T = 300 K

Ar– Xe (0.5%) : 500 mbar

~0.02%~0.02%

３ー２３ー２.. Modeling of influence of water vaporModeling of influence of water vapor

ProcessⅠ

ProcessⅡ

Quenching of upper levelby water vapour

Electron attachment to water vapour

H2O : elecronegative !!

３ー２３ー２.. Modeling of influence of water vaporModeling of influence of water vapor

ProcessⅠ+Ⅱ

Functions ofProcessⅠ&Ⅱ

Ⅰ: Life time ofupper level

Ⅱ: Pumping rateto upper level

f ( [H2O] ) :

Q

３ー２３ー２.. Modeling of influence of water vaporModeling of influence of water vapor

ProcessⅠ

Functions ofProcessⅠ

３ー２３ー２.. Modeling of influence of water vaporModeling of influence of water vapor

ProcessⅠ+Ⅱ

Functions ofProcessⅠ&Ⅱ

Ⅰ+Ⅱ

Q

ProcessⅠ

ProcessⅡ

ProcessⅠ+Ⅱ

３ー３３ー３.. Fitting Results with each ModelFitting Results with each Model

ProcessⅠ+Ⅱ:

KRH2O /R(Te) = 6×10-16 cm3

KQH2O = 4×109 cm3 s-1

60 % 30 %

４４.. Overview of Overview of Gas TemperatureGas Temperaturedependence dependence ( Experimental results )

４ー１４ー１. A constant Gas Density ( 1.73 µm )4-1-1. Ar (99.7%) – Xe (0.3%) : 4.3×1018 cm-3

pumped by 50 & 30 µs pulse4-1-2. Ar (76.4%) – He (23.4%) – Xe (0.2%) : 5.5×1018 cm-3

pumped by 50 µs pulses

４ー２４ー２. A constant Gas Pressure ( 1.73 µm )4-2-1. Ar (99.7%) – Xe (0.3%) : 340 mbar

pumped by 50 & 30 µs pulse4-2-2. Ar (99.5%) – Xe (0.5%) : 342 mbar

pumped by 50 µs pulse4-2-3. Ar (99.7%) – He (23%)– Xe (0.3%) : 443 mbar

pumped by 50 µs pulse

４ー３４ー３. Lasing competition 1.73 and 2.03 µmAr (99%) – Xe (1%) : 450 K ; pumped by 20 µs pulses

[H2O] << 1013 cm-3

４ー１４ー１. A constant Gas Density ( 1.73 µm )４ー１ー１４ー１ー１.. Ar (99.7%) –Xe (0.3%) : 4.3×1018 cm-3

( 50 & 30 µs pulses )

403 K403 K

471 K471 K

514 K514 K

565 K565 K

403 K403 K

565 K565 K

471 K471 K

514 K514 K⇨⇨ No thresholdNo threshold

４ー４ー11ーー2.2. HeHe-- AdditionAdditionAr (76.4%) – He (23.4%) – Xe (0.2%) : 5.5×1018 cm-3

( 50 µs pulses )

384 K384 K

429 K429 K

479 K479 K

577 K577 K

384 K384 K

577 K577 K

429 K429 K

479 K479 K⇨⇨ No thresholdNo threshold

375 K375 K

392 K392 K

453 K453 K

569 K569 K

375 K375 K

569 K569 K

453 K453 K

392 K392 K

486 K486 K

402 K402 K

486 K486 K

402 K402 K

6.5×1018

cm-3

6.3×1018

5.1×1018

6.1×1018

5.5×1018

4.4×1018

AfterglowAfterglowLasing Lasing Region :Region :

４ー２４ー２. A constant Gas Pressure ( 1.73 µm )４ー４ー22ー１ーー１ーA.A. Ar (99.7%) – Xe (0.3%) : 340 mbar

( 30 µs pulses )

391 K391 K

404 K404 K

493 K493 K

565 K565 K

391 K391 K

565 K565 K

493 K493 K

404 K404 K

531 K531 K

439 K439 K

531 K531 K

439 K439 K

6.3×1018

cm-3

6.1×1018

4.7×1018

5.6×1018

5.0×1018

4.4×1018

AfterglowAfterglowLasing Lasing

Region :Region :

４ー４ー22ー１ーー１ーB.B. Ar (99.7%) – Xe (0.3%) : 340 mbar ( 50 µs pulses )

473 K473 K

633 K633 K

473 K473 K

633 K633 K

573 K573 K

615 K615 K615 K615 K

573 K573 K

5.2×1018

cm-3

4.0×1018

4.3×1018

4.0×1018

AfterglowAfterglowLasing Lasing Region :Region :

４ー４ー22ーー22.. Ar (99.5%) – Xe (0.5%) : 342 mbar( 50 µs pulses )

375 K375 K

577 K577 K

357 K357 K

577 K577 K

392 K392 K

524 K524 K524 K524 K

392 K392 K

8.8×1018

cm-3

7.5×1018

8.1×1018

5.6×1018

４ー４ー22ーー33.. Ar – He (23%) – Xe (0.3%) : 443 mbar( 50 µs pulses )

⇨⇨ No Afterglow LasingNo Afterglow Lasing

４ー３４ー３. Lasing competition 1.73 and 2.03 µmAr (99%) – Xe (1%) : 450 K ; pumped by 20 µs pulses

1.73 µm 2.03 µm

450 K450 K

430 K430 K

４ー４４ー４. Phenomenological Summary ofGas Temperature effect

C. In the special region of Gas Temperatures between 392 and 553 K and Gas Densities between 5.0 and 6.7×1018 cm-3, Afterglow lasing appear in only Ar-Xe (1.73 µm) laser pulses.

D. After adding Helium, Afterglow lasing could not be observed at all in the Gas Temperature and Density region that we measured.

E. The lasing competitions between Ar-Xe laser lines at 1.73 and 2.03 µmshowed their contrary dominating effects in the Ordinary and Afterglow lasing parts of the laser pulses.

A. The experimental data with Ar-Xe (1.73 µm) shows a significant linear reduction of laser output power in the region up to 400 K, and an almost constant laser output with little reduction in the region from 400 to 600 K, with increasing Gas Temperature at a constant Gas Density.

B. The experimental data with Ar-He-Xe (1.73 µm) shows an essentially linear reduction of laser output with increasing Gas Temperature at a constant Gas Density. Comparing A and B shows that adding Heliuminto the Ar-Xe gas mixture improved laser performance in the higher Gas Temperature region.

４ー４４ー４. Phenomenological Summary ofGas Temperature effect

A. The experimental data with Ar-Xe (1.73 µm) shows a significant linear reduction of laser output power in the region up to 400 K, and an almost constant laser output with little reduction in the region from 400 to 600 K, with increasing Gas Temperature at a constant Gas Density.

B. The experimental data with Ar-He-Xe (1.73 µm) shows an essentially linear reduction of laser output with increasing Gas Temperature at a constant Gas Density. Comparing A and B shows that adding Heliuminto the Ar-Xe gas mixture improved laser performance in the higher Gas Temperature region.

A. B.

Deference of linear slopesDeference of linear slopes⇨⇨ EE-- CoolingCooling & & QuenchingQuenching

Rate with Rate with HeHe

Why constant region with Why constant region with ArAr--XeXe, not adding , not adding HeHe ????⇨⇨ ECM ? ECM ? ( ( Te;Te; reduced by reduced by He He ))

４ー４４ー４. Phenomenological Summary ofGas Temperature effect

C. In the special region of Gas Temperatures between 392 and 553 K and Gas Densities between 5.0 and 6.7×1018 cm-3, Afterglow lasing appear in only Ar-Xe (1.73 µm) laser pulses.

D. After adding Helium, Afterglow lasing could not be observed at all in the Gas Temperature and Density region that we measured.

Ｄ： 5.0 ～ 6.7×1018 cm-3

Ｔ: 392 ～ 553 K

Suppression of Recombination ??

ECM also ??

Cause:Constant part

４ー４４ー４. Phenomenological Summary ofGas Temperature effect

E. The lasing competitions between Ar-Xe laser lines at 1.73 and 2.03 µmshowed their contrary dominating effects in the Ordinary and Afterglow lasing parts of the laser pulses.

1.73 µm 2.03 µm

* Common upper level: [3/2]1

** Different (de-) population ratesat each lower level: [3/2]2 ; [5/2]2

*

**

４ー４４ー４. Phenomenological Summary ofGas Temperature effect

４ー４４ー４. Phenomenological Summary ofGas Temperature effect

C. In the special region of Gas Temperatures between 392 and 553 K and Gas Densities between 5.0 and 6.7×1018 cm-3, Afterglow lasing appear in only Ar-Xe (1.73 µm) laser pulses.

D. After adding Helium, Afterglow lasing could not be observed at all in the Gas Temperature and Density region that we measured.

E. The lasing competitions between Ar-Xe laser lines at 1.73 and 2.03 µmshowed their contrary dominating effects in the Ordinary and Afterglow lasing parts of the laser pulses.

A. The experimental data with Ar-Xe (1.73 µm) shows a significant linear reduction of laser output power in the region up to 400 K, and an almost constant laser output with little reduction in the region from 400 to 600 K, with increasing Gas Temperature at a constant Gas Density.

B. The experimental data with Ar-He-Xe (1.73 µm) shows an essentially linear reduction of laser output with increasing Gas Temperature at a constant Gas Density. Comparing A and B shows that adding Heliuminto the Ar-Xe gas mixture improved laser performance in the higher Gas Temperature region.

ProcessⅠ

ProcessⅡ

５. Summary & Discussion

１１.. Gas Purity: Gas Purity: HH22O affects Laser performance!O affects Laser performance!（（Quenching & EQuenching & E--AttachmentAttachment））

２２.. Gas Temperature: Gas Temperature: Reduction of Laser powerReduction of Laser power（（ These dependences are complicated, These dependences are complicated, Lens effect can not explain all of them!!Lens effect can not explain all of them!! ））

３３.. Observation of Observation of AfterAfter--glowing Laserglowing Laser

４４.. Solution for Solution for NPLsNPLs--Problem:Problem:TiTi--getter Gas purification, Adding He ??getter Gas purification, Adding He ??

５５.. Gas Kinetic model for Gas Kinetic model for NPLsNPLs--ProblemProblem

KQH2O = 4×109 cm3 s-1

Ｄ： 5.0 ～ 6.7×1018 cm-3 Ｔ: 392 ～ 553 K

ProcessⅢECM:

De-excite Excite

ECM (Electron Collisional Mixing)とは？ECM (Electron Collisional Mixing)とは？

５． どんな応用があるか？５． どんな応用があるか？

実験結果実験結果

この温度特性を利用できないか？

直線性： レーザ発振閾値で炉内の温度上昇をモニター。特異性： 原子炉の安全制御の使えないか？

この温度特性を利用できないか？

直線性： レーザ発振閾値で炉内の温度上昇をモニター。特異性： 原子炉の安全制御の使えないか？

実験結果の現象論から原子炉への応用を考えて見る！

A) Ar-Xeのレーザピークパワーは最初の１００Ｋは直線的にガス温度上昇に伴い減少するが、その後ほぼコンスタント。

B) Heを加えると直線的に減少。C) アフターグローレーザはHeを加えないピークパワー・コン

スタント領域にのみ見られる。D) 近接準位間のアフターグロー発振には競合関係がある。

実験結果の現象論から原子炉への応用を考えて見る！

A) Ar-Xeのレーザピークパワーは最初の１００Ｋは直線的にガス温度上昇に伴い減少するが、その後ほぼコンスタント。

B) Heを加えると直線的に減少。C) アフターグローレーザはHeを加えないピークパワー・コン

スタント領域にのみ見られる。D) 近接準位間のアフターグロー発振には競合関係がある。

～ まずは地に足がついた応用から ～～ まずは地に足がついた応用から ～

５． どんな応用があるか？５． どんな応用があるか？

原子炉励起レーザ（RPL）の未成熟性の原因は:◆ ポンピングによりレーザ・ガスの温度上昇◆ レーザ・セル壁面からの脱ガス量(水蒸気)の増加

原子炉励起レーザ（RPL）の未成熟性の原因は:◆ ポンピングによりレーザ・ガスの温度上昇◆ レーザ・セル壁面からの脱ガス量(水蒸気)の増加

ガス冷却ガス浄化ガス冷却ガス浄化

～ 次はちょっと背伸びして ～～ 次はちょっと背伸びして ～

地表地表対対地表地表

核エネルギー核エネルギー

⇨⇨レーザ光・レーザ光・指向性指向性エネルギーエネルギー近赤外波長近赤外波長：１～３：１～３μμｍｍ

⇨⇨ 短パルス化（白色化）短パルス化（白色化）

波長変換（単色）波長変換（単色）

１０ｋｍ程度の輸送（地表付近）において、ファイバーでの輸送も十分であるが、より遠距離や高高度での輸送では空間での輸送が有望となる。

回折限界でのビームを考えると、回折限界でのビームを考えると、““レーザ径∝波長レーザ径∝波長””波長が短いほど、受信系の直径波長が短いほど、受信系の直径

を抑えられるを抑えられる（（φφ＝１０ｍ）＝１０ｍ）。。

⇨⇨ ～～10 Km: 10 Km: 近赤外域近赤外域

⇨⇨ ～～10,000 Km10,000 Km：近赤外：近赤外

⇨⇨ ～～100,000 Km100,000 Km：：短波長がいい短波長がいい

⇨⇨直接応用直接直接応用応用

５． どんな応用があるか？５． どんな応用があるか？～ 最後は夢を思いっきり膨らまして ～～ 最後は夢を思いっきり膨らまして ～

地表地表対対宇宙宇宙

宇宙宇宙対対宇宙宇宙

ファイバー輸送ファイバー輸送 ⇨⇨ 光ファイバー光ファイバー: : 10 MW10 MW//cm2 cm2 パワー密度伝送可パワー密度伝送可

⇨⇨熱ブルーミング：熱ブルーミング：230 J/cm2230 J/cm2 ((エネルギエネルギ--密度伝送臨界点密度伝送臨界点))

誘導ラマン散乱：誘導ラマン散乱：～～MW/cm2MW/cm2のピーク出力以下ならのピーク出力以下ならOKOK

５． どんな応用があるか？５． どんな応用があるか？～ 最後は夢を思いっきり膨らまして ～～ 最後は夢を思いっきり膨らまして ～

空間輸送空間輸送

宇宙から地上へ、エネルギー輸送。宇宙はエネルギーに

満ちてるだろうか？

宇宙から地上へ、エネルギー輸送。宇宙はエネルギーに

満ちてるだろうか？

ファイバー輸送ファイバー輸送 ⇨⇨ 光ファイバー光ファイバー: : 10 MW10 MW//cm2 cm2 パワー密度伝送可パワー密度伝送可

５． どんな応用があるか？５． どんな応用があるか？～ 最後は夢を思いっきり膨らまして ～～ 最後は夢を思いっきり膨らまして ～

フォトニック結晶ファイバー：フォトニック結晶ファイバーは断面内に多数の空孔を有する光ファイバーで、空孔の大きさや間隔に

より光の分散などの光学特性を自由に制御することが可能になる。図に示すように、通常の光ファイバーと同じように中心部に「コア」、それを取り巻くように空孔の配列した「クラッド」があり、光は全反射されてコア周辺を通る。基本モード（シングルモード）では光がコアに完全に閉じ込められる。

フォトニック結晶ファイバーの特徴：１） 任意の波長でシングルモードを実現できること

クラッド部の実効屈折率が波長によって大きく変化するため、波長がどんなに短くてもコア面積がどんなに大きくてもシングルモード動作させること（Endlessly Single Mode）が可能になる。

２） コア部とクラッド部の屈折率比が高く曲げに強いこと通常の光ファイバーの屈折率差は0.2％程度であるのに対し、フォトニック結晶ファイバーでは数

十％に達する。曲げによる内部応力に起因した曲げ損失を物ともしないファイバーが可能となる。３） 開口数を大きくできること

通常の光ファイバーに対し、開口数が一桁程大きくなり、大きな入射角に対しても全反射が生じる。また波長が短くなるほど開口数が小さくなり、コア内部を直線的に進むことになる。

フォトニック結晶ファイバー：フォトニック結晶ファイバーは断面内に多数の空孔を有する光ファイバーで、空孔の大きさや間隔に

より光の分散などの光学特性を自由に制御することが可能になる。図に示すように、通常の光ファイバーと同じように中心部に「コア」、それを取り巻くように空孔の配列した「クラッド」があり、光は全反射されてコア周辺を通る。基本モード（シングルモード）では光がコアに完全に閉じ込められる。

フォトニック結晶ファイバーの特徴：１） 任意の波長でシングルモードを実現できること

クラッド部の実効屈折率が波長によって大きく変化するため、波長がどんなに短くてもコア面積がどんなに大きくてもシングルモード動作させること（Endlessly Single Mode）が可能になる。

２） コア部とクラッド部の屈折率比が高く曲げに強いこと通常の光ファイバーの屈折率差は0.2％程度であるのに対し、フォトニック結晶ファイバーでは数

十％に達する。曲げによる内部応力に起因した曲げ損失を物ともしないファイバーが可能となる。３） 開口数を大きくできること

通常の光ファイバーに対し、開口数が一桁程大きくなり、大きな入射角に対しても全反射が生じる。また波長が短くなるほど開口数が小さくなり、コア内部を直線的に進むことになる。

核エネルギー核エネルギー

⇨⇨レーザ光・レーザ光・指向性指向性エネルギーエネルギー近赤外波長近赤外波長：１～３：１～３μμｍｍ

⇨⇨ 短パルス化（白色化）短パルス化（白色化）

波長変換（単色）波長変換（単色）

回折限界でのビームを考えると、回折限界でのビームを考えると、““レーザ径∝波長レーザ径∝波長””波長が短いほど、受信系の直径波長が短いほど、受信系の直径

を抑えられるを抑えられる（（φφ＝１０ｍ）＝１０ｍ）。。

⇨⇨直接応用直接直接応用応用

５． どんな応用があるか？５． どんな応用があるか？～ 最後は夢を思いっきり膨らまして ～～ 最後は夢を思いっきり膨らまして ～

レーザ光は、干渉性、単色性、高電場、集光性、直進性、共鳴、非線形製など光としての特徴を最も純粋な形で保有した光である。

レーザ エネルギー生産レーザ エネルギー生産

レーザ高電界利用レーザ高電界利用

レーザ土木・加工レーザ土木・加工

エネルギー輸送エネルギー輸送

５． どんな応用があるか？５． どんな応用があるか？～ 最後は夢を思いっきり膨らまして ～～ 最後は夢を思いっきり膨らまして ～

レーザ光は、干渉性、単色性、高電場、集光性、共鳴、非線形性など光としての特徴を最も純粋な形で保有した光である。

核燃料生産・廃棄物処理核燃料生産・廃棄物処理 送電線防護送電線防護 レーザ土木・加工レーザ土木・加工

レーザ 同位体分離レーザ 同位体分離

長寿命核種消滅処理長寿命核種消滅処理

レーザ 掘削機レーザ 掘削機

廃炉用カッター廃炉用カッターレーザ誘雷レーザ誘雷

５． どんな応用があるか？５． どんな応用があるか？～ 最後は夢を思いっきり膨らまして ～～ 最後は夢を思いっきり膨らまして ～

レーザ光は、干渉性、単色性、高電場、集光性、共鳴、非線形性など光としての特徴を最も純粋な形で保有した光である。

核燃料生産・廃棄物処理核燃料生産・廃棄物処理 粒子線励起宇宙レーザ：粒子線励起レーザ発電衛星を静止軌道に打ち上

げ、レーザ発振させ、これを地球に輸送する。太陽風など利用できるか？

γ線核変換（放射性廃棄物処理）：長寿命活性核分裂生成核をγ線（レーザコンプト

ン散乱光）により核変換し不活性化する。レーザコンプトン散乱光は、レーザと高輝度電子ビーム（フォトカソードRF電子銃）の衝突により生成する。

ウラン濃縮（核燃料生産）：レーザの単色性を活かし、ウラン原子、ウラン化

合物分子の同位体シフトを利用して同位体を分離・精製する。原子法と分子法がある。

粒子線励起宇宙レーザ：粒子線励起レーザ発電衛星を静止軌道に打ち上

げ、レーザ発振させ、これを地球に輸送する。太陽風など利用できるか？

γ線核変換（放射性廃棄物処理）：長寿命活性核分裂生成核をγ線（レーザコンプト

ン散乱光）により核変換し不活性化する。レーザコンプトン散乱光は、レーザと高輝度電子ビーム（フォトカソードRF電子銃）の衝突により生成する。

ウラン濃縮（核燃料生産）：レーザの単色性を活かし、ウラン原子、ウラン化

合物分子の同位体シフトを利用して同位体を分離・精製する。原子法と分子法がある。

原子炉励起レーザの利点と応用原子炉励起レーザの利点と応用

• 核エネルギーからレーザ光指向性エネルギーへの直接変換が可能。（一度、電力に変換する必要がないという意味）

• レーザ媒質全体をポンピングができるので高平均出力レーザ（～１０MJ）を実現できる。

• 慣性核融合におけるドライバー用のレーザ光源として用いることで、原子炉と組み合わせたハイブリッド炉が、コンパクトに出来る。

• レーザ発振の中性子束閾値は、中性子束測定に利用できる。東大の中澤教授のグループは、光学式放射線計測、特に自己出力型中性子検出器への応用などを検討している。

• 光・社会インフラの充実でレーザ光の直接応用が進むことにより、指向性エネルギー発電の重要性が増すのでは？

まとめと展望まとめと展望

• 原子炉励起レーザの応用を考えて見てください。高平均出力レーザとしての側面だけ見る必要はないでしょう。

• 次世代の社会インフラ、フォトニクス？の時代には必要な発光所（もうそのころには“光発電所”とは言わないだろう….）になるかもしれません.

• 詳しいガス・キネティックスは、まだ完全に分かっていません。パズルのようなものなので挑戦してみませんか？

• 特に、アフターグロー現象は、ちゃんと説明ができている訳ではありません。まだ特異的な現象がある可能性があります。