Studies of reactor designs for inertial fusion energy (IFE) have indicated that some of the material requirements can be alleviated if the target chamber is filled with a low-pressure inert gas (<1 Torr). The experiments described in this paper examine the effects of such an ambient gas on the laser-target interactions relevant to laser-driven IFE. These experiments used the Nike KrF laser facility at the Naval Research Laboratory to irradiate uncoated 78 µm thick polystyrene (CH) foil targets at focal intensities around 1014 W cm−2. They compared the laser–target interactions in different inert gases (xenon, argon or krypton) at several ambient pressures up to 1 Torr with that of the vacuum (reference) case. The diagnostics included streaked rear-surface emission at wavelengths 460–540 nm and side-on shadowgraphy at 263 nm. The results of this study were encouraging. In spite of initial concerns about resonantly enhanced nonlinear optical effects in the Xe gas, we found no evidence of laser beam break-up, spreading, or attenuation. The shock breakout profiles (from emitted light) and the front and rear surface plasma profiles (from shadowgraphy) remained smooth and symmetric in all cases. The central shock breakout times, and thus the central laser irradiances, were about the same for the target in an inert gas as in vacuum. Our analysis indicates that the large nonlinear optical processes in atomic Xe are self-limiting because the converging beam ionizes the gas, thereby removing the atoms from the most intense part.
慣性核融合エネルギー(IFE)のための炉設計の研究は、ターゲットチャンバーが低圧不活性ガス(<1 Torr)で満たされている場合、材料要件の一部が軽減され得ることを示している。本論文で述べる実験は、レーザー駆動IFEに関連するレーザーとターゲットの相互作用に対するそのような周囲ガスの影響を調べるものである。これらの実験では、海軍研究所のNike KrFレーザー施設を用いて、コーティングされていない厚さ78 µmのポリスチレン(CH)フォイルターゲットに、約10^14 W cm−2の焦点強度で照射した。そして、最大1 Torrまでの数種類の周囲圧力における異なる不活性ガス(キセノン、アルゴン、またはクリプトン)中のレーザー–ターゲット相互作用を、真空(参照)の場合と比較した。診断には、波長460〜540 nmでのストリークカメラによる後面発光と、263 nmでの側面シャドウグラフィーが含まれた。この研究の結果は有望なものであった。Xeガスにおける共鳴増強非線形光学効果についての当初の懸念にもかかわらず、レーザービームの分裂、広がり、または減衰の証拠は見つからなかった。衝撃波突破プロファイル(発光から得られる)および前面・後面のプラズマプロファイル(シャドウグラフィーから得られる)は、すべての場合において滑らかで対称的なままであった。中心部の衝撃波突破時間、したがって中心部のレーザー照射強度は、不活性ガス中のターゲットと真空中のターゲットとでほぼ同じであった。我々の分析は、原子状Xeにおける大きな非線形光学過程は、収束ビームがガスを電離し、それによって原子を最も強度の高い部分から取り除くため、自己制限的であることを示している。