JPH06211563A - レーザ核融合用多結晶透明セラミックス - Google Patents
レーザ核融合用多結晶透明セラミックスInfo
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- JPH06211563A JPH06211563A JP5006145A JP614593A JPH06211563A JP H06211563 A JPH06211563 A JP H06211563A JP 5006145 A JP5006145 A JP 5006145A JP 614593 A JP614593 A JP 614593A JP H06211563 A JPH06211563 A JP H06211563A
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 活性元素を含有したガーネット構造を有する
透明な多結晶セラミックスを用いて大型のレーザ材料を
作成する。 【構成】 焼結体の相対密度が９９％以上で粒子径が５
〜１０００μｍの範囲にあり、かつ厚さ１ｍｍの試料の
直線透過率が０．４〜５μｍの波長領域で７５％以上の
範囲にあるランタニド元素及びＣｒ元素を一種以上含有
したガーネット構造を有するレーザ核融合用多結晶透明
セラミックス。
透明な多結晶セラミックスを用いて大型のレーザ材料を
作成する。 【構成】 焼結体の相対密度が９９％以上で粒子径が５
〜１０００μｍの範囲にあり、かつ厚さ１ｍｍの試料の
直線透過率が０．４〜５μｍの波長領域で７５％以上の
範囲にあるランタニド元素及びＣｒ元素を一種以上含有
したガーネット構造を有するレーザ核融合用多結晶透明
セラミックス。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はレーザ核融合用の多結晶
透明セラミックスに関する。
透明セラミックスに関する。
【０００２】
【従来の技術】重水素（Ｄ）と三重水素（Ｔ）による核
融合反応は人類が最も容易に達成できる手段といわれて
いる。この核融合反応は重水素（Ｄ）と三重水素（Ｔ）
を高速で衝突させることによって生じ、水素がヘリウム
（Ｈｅ）と中性子（ｎ）に変換する際に質量欠損が起こ
り、１７．６メガボルトのエネルギーを発生する。その
他の核融合も考えられるが、この時発生したエネルギー
は電力に変換され、無限に近いエネルギを取り出すこと
ができる。
融合反応は人類が最も容易に達成できる手段といわれて
いる。この核融合反応は重水素（Ｄ）と三重水素（Ｔ）
を高速で衝突させることによって生じ、水素がヘリウム
（Ｈｅ）と中性子（ｎ）に変換する際に質量欠損が起こ
り、１７．６メガボルトのエネルギーを発生する。その
他の核融合も考えられるが、この時発生したエネルギー
は電力に変換され、無限に近いエネルギを取り出すこと
ができる。
【０００３】現在のところ、レーザ光を用いた核融合反
応を引き起こす光源にはガラスレーザ（ガラスにＮｄを
溶解させたもの）が常用されており、本ガラスレーザを
用いて１億℃に近いプラズマを発生させている。ガラス
レーザは大型の材料が製造できることから、出力の高い
プラズマを瞬間的に発生することができる。しかし、ガ
ラスは素材の熱伝導率が低いためにパルス波を継続して
照射でき難く（即ち繰り返しが利き難い）、またレーザ
の連続発振が不可能であることと、発生した総エネルギ
ーは大きいものの発光スペクトルが結晶材料に比べ鈍く
利得の高いレーザではないことから、効率的な核融合反
応を起こすにはかなりの問題が残されている。
応を引き起こす光源にはガラスレーザ（ガラスにＮｄを
溶解させたもの）が常用されており、本ガラスレーザを
用いて１億℃に近いプラズマを発生させている。ガラス
レーザは大型の材料が製造できることから、出力の高い
プラズマを瞬間的に発生することができる。しかし、ガ
ラスは素材の熱伝導率が低いためにパルス波を継続して
照射でき難く（即ち繰り返しが利き難い）、またレーザ
の連続発振が不可能であることと、発生した総エネルギ
ーは大きいものの発光スペクトルが結晶材料に比べ鈍く
利得の高いレーザではないことから、効率的な核融合反
応を起こすにはかなりの問題が残されている。
【０００４】また、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウ
ム・ガーネット）に代表される結晶質（単結晶）のレー
ザ材料は、現在２〜３インチ程度の小さなものしか育成
出来ず、しかもその一部（コアを除いた周辺部）だけし
か利用できない。したがって発光断面積に制約をうけ、
そのエネルギー量がガラスレーザ材料と比べ各段に劣
り、レーザ核融合用としては一般に使用されていない。
ム・ガーネット）に代表される結晶質（単結晶）のレー
ザ材料は、現在２〜３インチ程度の小さなものしか育成
出来ず、しかもその一部（コアを除いた周辺部）だけし
か利用できない。したがって発光断面積に制約をうけ、
そのエネルギー量がガラスレーザ材料と比べ各段に劣
り、レーザ核融合用としては一般に使用されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、活性元素を含有したガーネット構造を有す
る透明な多結晶セラミックスを用いて大型のレーザ材料
を作成することにある。この多結晶材料により発振（及
び増幅）された極めて出力の高い（利得の大きな）レー
ザにより超高温のプラズマを発生させ、核融合反応効率
を上昇させることによって無限のエネルギーを合成（最
終的には無限の電気エネルギを合成）する。
する課題は、活性元素を含有したガーネット構造を有す
る透明な多結晶セラミックスを用いて大型のレーザ材料
を作成することにある。この多結晶材料により発振（及
び増幅）された極めて出力の高い（利得の大きな）レー
ザにより超高温のプラズマを発生させ、核融合反応効率
を上昇させることによって無限のエネルギーを合成（最
終的には無限の電気エネルギを合成）する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題は、焼結体の相
対密度が９９％以上で粒子径が５〜１０００μｍの範囲
にあり、かつ厚さ１ｍｍの試料の直線透過率が０．４〜
５μｍの波長領域で７５％以上の範囲にあるランタニド
元素及びＣｒ元素を一種以上含有したガーネット構造を
有するレーザ核融合用多結晶透明セラミックスによって
解決することができる。
対密度が９９％以上で粒子径が５〜１０００μｍの範囲
にあり、かつ厚さ１ｍｍの試料の直線透過率が０．４〜
５μｍの波長領域で７５％以上の範囲にあるランタニド
元素及びＣｒ元素を一種以上含有したガーネット構造を
有するレーザ核融合用多結晶透明セラミックスによって
解決することができる。
【０００７】このレーザ核融合用多結晶透明セラミック
スは、例えばＹＡＧの場合、１μｍ以下かつ純度９９．
９Ｗｔ％以上のＡｌ2 Ｏ3 及びＹ2 Ｏ3 粉末を用い、こ
れに活性元素であるランタニド元素の酸化物（Ｌａ2 Ｏ
3 ，ＣｅＯ2 ，Ｐｒ6 Ｏ11，Ｎｄ2 Ｏ3 ，Ｐｍ2 Ｏ3 ，
Ｓｍ2 Ｏ3 ，Ｅｕ2 Ｏ3 ，Ｇｄ2 Ｏ3 ，Ｔｂ2 Ｏ3 ，Ｄ
ｙ2 Ｏ3 ，Ｈｏ2 Ｏ3 ，Ｅｒ2 Ｏ3 ，Ｔｍ2 Ｏ3 ，Ｙｂ
2 Ｏ3 ，Ｌｕ2 Ｏ3 ）及びＣｒ2 Ｏ3 等の一種以上をガ
ーネット組成となるように調節して添加する。または、
アルコキシド法，共沈法などによって予め組成的に均−
にした湿式合成粉末を用いても良い。更に焼結温度を低
下、焼結時間の短縮、素材の透明度をより向上させるた
めに、焼結助剤としてｄ電子やｆ電子を含まないＳｉ，
Ｌｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ元素を含む酸化物、及びこれら
の元素のフッ化物及びＹＦ3 ，ＡｌＦ3 の一種以上（す
なわちＳｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｆ元素のドーピ
ング）を総量ｌｗｔ％以下の範囲添加する。これらの粉
末をエチルアルコール等の溶媒中にて充分混合し、乾燥
後、ラバープレス等の成形手段によって圧粉体を作製す
る。圧粉体の焼成方法は特に限定されるものではない
が、真空焼結の場合は１６００〜１９００℃の範囲、ホ
ットプレスやホット・アイソスタティック・プレスによ
る焼結の場合は、１４００〜１９００℃の温度範囲で適
切な時間焼結することによって目的とする焼結体が得ら
れる。また、酸素ガスや水素ガス中でも１６００〜１９
００℃の温度範囲で焼結することも可能であり、これら
の焼結方法を組み合わせて焼結しても差支えない。
スは、例えばＹＡＧの場合、１μｍ以下かつ純度９９．
９Ｗｔ％以上のＡｌ2 Ｏ3 及びＹ2 Ｏ3 粉末を用い、こ
れに活性元素であるランタニド元素の酸化物（Ｌａ2 Ｏ
3 ，ＣｅＯ2 ，Ｐｒ6 Ｏ11，Ｎｄ2 Ｏ3 ，Ｐｍ2 Ｏ3 ，
Ｓｍ2 Ｏ3 ，Ｅｕ2 Ｏ3 ，Ｇｄ2 Ｏ3 ，Ｔｂ2 Ｏ3 ，Ｄ
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2 Ｏ3 ，Ｌｕ2 Ｏ3 ）及びＣｒ2 Ｏ3 等の一種以上をガ
ーネット組成となるように調節して添加する。または、
アルコキシド法，共沈法などによって予め組成的に均−
にした湿式合成粉末を用いても良い。更に焼結温度を低
下、焼結時間の短縮、素材の透明度をより向上させるた
めに、焼結助剤としてｄ電子やｆ電子を含まないＳｉ，
Ｌｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ元素を含む酸化物、及びこれら
の元素のフッ化物及びＹＦ3 ，ＡｌＦ3 の一種以上（す
なわちＳｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｆ元素のドーピ
ング）を総量ｌｗｔ％以下の範囲添加する。これらの粉
末をエチルアルコール等の溶媒中にて充分混合し、乾燥
後、ラバープレス等の成形手段によって圧粉体を作製す
る。圧粉体の焼成方法は特に限定されるものではない
が、真空焼結の場合は１６００〜１９００℃の範囲、ホ
ットプレスやホット・アイソスタティック・プレスによ
る焼結の場合は、１４００〜１９００℃の温度範囲で適
切な時間焼結することによって目的とする焼結体が得ら
れる。また、酸素ガスや水素ガス中でも１６００〜１９
００℃の温度範囲で焼結することも可能であり、これら
の焼結方法を組み合わせて焼結しても差支えない。
【０００８】製造された焼結体はその相対密度は９９％
以上、好ましくは９９．６％以上（焼結体の相対密度は
同じ化学組成の単結晶と多結晶を学振法またはＸ線法に
より測定した両者の密度を比較するか、または焼結体内
部に存在する気孔を顕微鏡やＳＥＭ等の像を画像解析す
ることで求められる。）で光学的異方性のある結晶相、
例えばＹＡｌＯ3 などがほとんど残存していないことが
必要である。
以上、好ましくは９９．６％以上（焼結体の相対密度は
同じ化学組成の単結晶と多結晶を学振法またはＸ線法に
より測定した両者の密度を比較するか、または焼結体内
部に存在する気孔を顕微鏡やＳＥＭ等の像を画像解析す
ることで求められる。）で光学的異方性のある結晶相、
例えばＹＡｌＯ3 などがほとんど残存していないことが
必要である。
【０００９】また光学的性質に関しては、厚さｌｍｍの
試料が、可視から赤外線の透過領域（０．４〜５μｍの
波長領域）で直線透過率が７５％以上（試料の研磨精度
は０．１μｍ以下）である必要がある。また焼結体の透
明度はレーザー発振（及び増幅）させた場合の効率と密
接な関係があることから出来るだけ高いことが望ましい
が、この値は光吸収係数で表現できる。すなわち、ラン
バート・ベールの法則ｌｏｇ（Ｉo ／Ｉ）＝αｄ
［Ｉo ：入射光強度，Ｉ；透過光強度，（試料を通過し
た光の強度），α；光吸収係数，ｄ：試料厚さ］におけ
るαの値が０．２０４ｃｍ-1以下、好ましくは０．１２
５ｃｍ-1以下に止める必要がある。この吸収係数は、光
がある一定厚さの試料を通過したときに生じる内部損失
（光吸収損失）である。例えば厚さ１０ｍｍの試料に直
線光を照射した場合、直線透過（又は透過光）の内部損
失は３０％以内でなければならない。この定義は表面の
加工精度が同一の、厚さｌｍｍとｌｌｍｍの試料の直線
透過率の差異が３０％以内ということである。
試料が、可視から赤外線の透過領域（０．４〜５μｍの
波長領域）で直線透過率が７５％以上（試料の研磨精度
は０．１μｍ以下）である必要がある。また焼結体の透
明度はレーザー発振（及び増幅）させた場合の効率と密
接な関係があることから出来るだけ高いことが望ましい
が、この値は光吸収係数で表現できる。すなわち、ラン
バート・ベールの法則ｌｏｇ（Ｉo ／Ｉ）＝αｄ
［Ｉo ：入射光強度，Ｉ；透過光強度，（試料を通過し
た光の強度），α；光吸収係数，ｄ：試料厚さ］におけ
るαの値が０．２０４ｃｍ-1以下、好ましくは０．１２
５ｃｍ-1以下に止める必要がある。この吸収係数は、光
がある一定厚さの試料を通過したときに生じる内部損失
（光吸収損失）である。例えば厚さ１０ｍｍの試料に直
線光を照射した場合、直線透過（又は透過光）の内部損
失は３０％以内でなければならない。この定義は表面の
加工精度が同一の、厚さｌｍｍとｌｌｍｍの試料の直線
透過率の差異が３０％以内ということである。
【００１０】これ以上母材内部での吸収損失が大きいこ
とは光の増幅以上に吸収損失が大きくなり、レーザ発振
（及び増幅）しなくなる。また、レーザ核融合では強力
な光源により固体レーザを励起するので透明度の良くな
いものは発振効率が悪くなるばかりでなく、瞬時に母材
が破壊する致命的欠陥を持つこととなる。母材の吸収損
失については活性元素の吸収がない可視波長領域（また
は測定波長に対する透過率のバックグラウンドレベル）
で試料の厚さに対して透過率をプロットしたときの傾き
により求められるが、その値は前述したようにα＝０．
２０４好ましくはα＝０．１２５以下に止める事が肝要
である。
とは光の増幅以上に吸収損失が大きくなり、レーザ発振
（及び増幅）しなくなる。また、レーザ核融合では強力
な光源により固体レーザを励起するので透明度の良くな
いものは発振効率が悪くなるばかりでなく、瞬時に母材
が破壊する致命的欠陥を持つこととなる。母材の吸収損
失については活性元素の吸収がない可視波長領域（また
は測定波長に対する透過率のバックグラウンドレベル）
で試料の厚さに対して透過率をプロットしたときの傾き
により求められるが、その値は前述したようにα＝０．
２０４好ましくはα＝０．１２５以下に止める事が肝要
である。
【００１１】また、この試料中にはレーザ発振（及び増
幅）に関与するランタニド元素及びＣｒ元素から核融合
システムに適した一種以上の活性元素が添加されていな
ければならない。通常はレーザのエネルギーを最大にす
る目的のために発光元素としてＮｄ（発振波長が最も短
い１．０６μｍを発生）が使用されるべきであり、既存
のレーザ核融合施設において使用されるガラスレーザ材
料においても同元素が添加されている。
幅）に関与するランタニド元素及びＣｒ元素から核融合
システムに適した一種以上の活性元素が添加されていな
ければならない。通常はレーザのエネルギーを最大にす
る目的のために発光元素としてＮｄ（発振波長が最も短
い１．０６μｍを発生）が使用されるべきであり、既存
のレーザ核融合施設において使用されるガラスレーザ材
料においても同元素が添加されている。
【００１２】結晶材料としてはガーネット構造をした単
結晶がレーザホストとして一般的であるが、その中で最
も有力なホストであるＹＡＧに至ってはＮｄの固溶限界
が約１原子％（ガラスレーザ材料はＹＡＧの３倍程度含
有）に止まっている。また、実質的な発光断面積が直径
ｌｃｍ程度（ガラスレーザ材料は直径３０〜４０ｃｍの
ものがある）であるので、その面積比だけを考えてもレ
ーザパワーはケタ違いになることは明白で、この様な事
情から単結晶材料は核融合用として使用されていない。
元来、固体レーザはガラス質より結晶質の方が良好であ
るが、形状的な制約をうけるために大出力レーザとして
単結晶が利用できない。従って、焼結体でＹＡＧを始め
とする大型のレーザ材料の合成が可能となれば、Ｎｄ濃
度と製造できるサイズは、ガラスと同等またはそれ以上
のものが得られること、結晶質の焼結体は熱伝導率を始
めとする諸特性が単結晶並みであることから、連続発振
が可能な画期的な材料となり得る。また、活性元素自体
も焼結体中にほとんど均−に添加出来ることは核融合用
固体レーザ材料としての観点では極めて重要な要素であ
る。
結晶がレーザホストとして一般的であるが、その中で最
も有力なホストであるＹＡＧに至ってはＮｄの固溶限界
が約１原子％（ガラスレーザ材料はＹＡＧの３倍程度含
有）に止まっている。また、実質的な発光断面積が直径
ｌｃｍ程度（ガラスレーザ材料は直径３０〜４０ｃｍの
ものがある）であるので、その面積比だけを考えてもレ
ーザパワーはケタ違いになることは明白で、この様な事
情から単結晶材料は核融合用として使用されていない。
元来、固体レーザはガラス質より結晶質の方が良好であ
るが、形状的な制約をうけるために大出力レーザとして
単結晶が利用できない。従って、焼結体でＹＡＧを始め
とする大型のレーザ材料の合成が可能となれば、Ｎｄ濃
度と製造できるサイズは、ガラスと同等またはそれ以上
のものが得られること、結晶質の焼結体は熱伝導率を始
めとする諸特性が単結晶並みであることから、連続発振
が可能な画期的な材料となり得る。また、活性元素自体
も焼結体中にほとんど均−に添加出来ることは核融合用
固体レーザ材料としての観点では極めて重要な要素であ
る。
【００１３】活性元素の均一性を論じる前提として、固
体レーザ材料を形成する焼結体の平均粒子径が５〜１０
００μｍの範囲に無くてはならない。これ以上の大きさ
になると粒界部に活性元素や微量に添加した焼結助剤の
偏析を生じ、レーザの増幅効率が極端に悪くなるかまた
はレーザ発振時に母材の破壊に至ることもある。この粒
径以下では母材の透明度が急激に低下し、同じくレーザ
の増幅が極端に悪くなるかまたは発振すらしなくなって
しまう。従って、焼結体の粒径が５〜１０００μｍの範
囲であることが必要条件である。
体レーザ材料を形成する焼結体の平均粒子径が５〜１０
００μｍの範囲に無くてはならない。これ以上の大きさ
になると粒界部に活性元素や微量に添加した焼結助剤の
偏析を生じ、レーザの増幅効率が極端に悪くなるかまた
はレーザ発振時に母材の破壊に至ることもある。この粒
径以下では母材の透明度が急激に低下し、同じくレーザ
の増幅が極端に悪くなるかまたは発振すらしなくなって
しまう。従って、焼結体の粒径が５〜１０００μｍの範
囲であることが必要条件である。
【００１４】更に活性元素の均一性については焼結体を
構成する各々の粒子の８０％以上が、その濃度差が±１
５％の範囲（例えば平均２原子％の活性元素を含むもの
は２±０．３％の範囲）にあることが必要で、また９５
％以上の粒子が活性元素の濃度差が±２０％の範囲（例
えば平均２原子％の活性元素を含むものは２±０．４％
の範囲）でなければならない。活性元素の均一性はレー
ザ発振（及び増幅）効率やビームの質に係わる問題とな
る。例えば焼結体の１個１個の粒子の活性元素に著しい
不均一さを生じた時は、それぞれの蛍光寿命が区々にな
るばかりでなく、その濃度差からレーザ発振（及び増
幅）時に粒子単位で著しい発熱差を生じる。いかに熱伝
導率が高い結晶質の多結晶体であっても局部的な熱歪み
を生じたり、場合によっては破壊に至るのでこの問題は
回避する必要がある。その濃度分布については焼結体を
構成する粒子の多くを測定することは困難であるので、
１００個程度をランダムに分析することによって判定す
る。焼結体中の活性元素の濃度分析はＥＤＸ（エネルギ
ー分散型Ｘ線分光器）やオージェー分析装置等を用い測
定することが出来る。また、焼結体では粒界部に多くの
転位などの欠陥構造が発生しこの部分を光が通過すると
き光損失は避けられないが、その粒界部の乱れが光の波
長より充分小さければその影響は最小限に止めることが
できる。多結晶体の粒子内部の結晶欠陥（熱的に発生す
る平衡欠陥）のレベルは焼結時の物質移動が理想的にな
れば溶融するプロセスの単結晶と比べて低くなる事は充
分期待できる。従って、多結晶体は結晶内部と粒界部の
光学特性の両者によりその特性が支配される事となる
が、粒界部の光損失を最少に止めれば単結晶並みまたは
それ以上の光学特性となり得る。レーザ材料は単にこの
様な光の透過性だけがすべてではなく、活性元素の均一
性、ホスト材料中の活性元素濃度、光学的な歪みなどの
因子も考えると、必ずしも単結晶が特性的に優位である
とは言えない。例えば、偏光板を通じて材料の歪みを光
学的に観察すると、単結晶ではＣＺ法特有のコア（単結
晶の中心部に発生する歪み）が見られるが、多結晶体で
はほとんど歪みフリーである。従って、母材の透明度に
関しては単結晶よりわずかに劣るが、その他の要因は多
結晶体が勝っている点があるので、焼結体の光学特性が
充分なものであれば強力なレーザ光を発振（及び増幅）
することが出来る。
構成する各々の粒子の８０％以上が、その濃度差が±１
５％の範囲（例えば平均２原子％の活性元素を含むもの
は２±０．３％の範囲）にあることが必要で、また９５
％以上の粒子が活性元素の濃度差が±２０％の範囲（例
えば平均２原子％の活性元素を含むものは２±０．４％
の範囲）でなければならない。活性元素の均一性はレー
ザ発振（及び増幅）効率やビームの質に係わる問題とな
る。例えば焼結体の１個１個の粒子の活性元素に著しい
不均一さを生じた時は、それぞれの蛍光寿命が区々にな
るばかりでなく、その濃度差からレーザ発振（及び増
幅）時に粒子単位で著しい発熱差を生じる。いかに熱伝
導率が高い結晶質の多結晶体であっても局部的な熱歪み
を生じたり、場合によっては破壊に至るのでこの問題は
回避する必要がある。その濃度分布については焼結体を
構成する粒子の多くを測定することは困難であるので、
１００個程度をランダムに分析することによって判定す
る。焼結体中の活性元素の濃度分析はＥＤＸ（エネルギ
ー分散型Ｘ線分光器）やオージェー分析装置等を用い測
定することが出来る。また、焼結体では粒界部に多くの
転位などの欠陥構造が発生しこの部分を光が通過すると
き光損失は避けられないが、その粒界部の乱れが光の波
長より充分小さければその影響は最小限に止めることが
できる。多結晶体の粒子内部の結晶欠陥（熱的に発生す
る平衡欠陥）のレベルは焼結時の物質移動が理想的にな
れば溶融するプロセスの単結晶と比べて低くなる事は充
分期待できる。従って、多結晶体は結晶内部と粒界部の
光学特性の両者によりその特性が支配される事となる
が、粒界部の光損失を最少に止めれば単結晶並みまたは
それ以上の光学特性となり得る。レーザ材料は単にこの
様な光の透過性だけがすべてではなく、活性元素の均一
性、ホスト材料中の活性元素濃度、光学的な歪みなどの
因子も考えると、必ずしも単結晶が特性的に優位である
とは言えない。例えば、偏光板を通じて材料の歪みを光
学的に観察すると、単結晶ではＣＺ法特有のコア（単結
晶の中心部に発生する歪み）が見られるが、多結晶体で
はほとんど歪みフリーである。従って、母材の透明度に
関しては単結晶よりわずかに劣るが、その他の要因は多
結晶体が勝っている点があるので、焼結体の光学特性が
充分なものであれば強力なレーザ光を発振（及び増幅）
することが出来る。
【００１５】また、焼結体の特徴として高濃度のＮｄド
ーピングやその均一性更には大型形状製造が可能の利点
を生かせば、そのレーザパワーは従来の単結晶とは比較
にならない高レベルのものとなる。現在レーザ核融合施
設に設置されているガラスレーザ材料と比較すれば製造
可能なサイズはほとんど変わらないが、多結晶体の方が
利得が極めて高く、連続発振もできる等の優れた特徴が
ある。従って、強力な光エネルギーが必要とされるレー
ザ核融合でエネルギーを取り出すには、従来のガラスレ
ーザ材料よりも多結晶体の方が各段に有利である。
ーピングやその均一性更には大型形状製造が可能の利点
を生かせば、そのレーザパワーは従来の単結晶とは比較
にならない高レベルのものとなる。現在レーザ核融合施
設に設置されているガラスレーザ材料と比較すれば製造
可能なサイズはほとんど変わらないが、多結晶体の方が
利得が極めて高く、連続発振もできる等の優れた特徴が
ある。従って、強力な光エネルギーが必要とされるレー
ザ核融合でエネルギーを取り出すには、従来のガラスレ
ーザ材料よりも多結晶体の方が各段に有利である。
【００１６】
【実施例】実施例としてホスト材がＹＡＧであるものに
ついて述べる。純度９９．９９ｗｔ％のＡｌ2 Ｏ3 およ
びＹ2 Ｏ3 粉末に、粒度０．５μｍ、純度９９．９ｗｔ
％以上のＮｄ2 ０3 を加え、ガーネット組成になるよう
に秤量した。また、焼結助剤としてＳｉ０2 （Ｓｉプロ
ポキシドを添加し、その熱分解により得られるＳｉ
０2 ）を７５０ｗｔｐｐｍ加えた。これらの原料と適量
の分散剤、バインダーおよびエチルアルコールをポット
ミル中に投入し、更に高純度アルミナボールをいれ１２
時間混合した。得られたスラリーをスプレードライヤー
にて約５０μｍの造粒子を作製した。この造粒子を直径
５００ｍｍ，高さ５０ｍｍの円盤状に仮成形後、１００
０ｋｇ／ｃｍ2 の圧力でラバープレスした。この成形体
を水素雰囲気の電気炉に入れ、１００℃で昇温し、１８
００℃で２４時間焼結して徐冷した。得られた大型の焼
結体から直径が１ｃｍ、厚さｌｃｍの試料を切りだしλ
／１０に仕上し、焼結体のＮｄ濃度は１及び３原子％の
レーザ発振用試料２種類を作成した。これによって、焼
結体の相対密度が９９．９％以上で粒子径が５０μｍ、
厚さ１ｍｍの試料の直線透過率が０．４〜５μｍの波長
領域で８０％以上で、さらに焼結体を構成する各々の粒
子の８０％以上が、その濃度差が±１０％以内、また９
５％以上の粒子が活性元素の濃度差が±１５％の範囲に
あるガーネット構造を有するレーザ核融合用多結晶透明
セラミックスを得た。
ついて述べる。純度９９．９９ｗｔ％のＡｌ2 Ｏ3 およ
びＹ2 Ｏ3 粉末に、粒度０．５μｍ、純度９９．９ｗｔ
％以上のＮｄ2 ０3 を加え、ガーネット組成になるよう
に秤量した。また、焼結助剤としてＳｉ０2 （Ｓｉプロ
ポキシドを添加し、その熱分解により得られるＳｉ
０2 ）を７５０ｗｔｐｐｍ加えた。これらの原料と適量
の分散剤、バインダーおよびエチルアルコールをポット
ミル中に投入し、更に高純度アルミナボールをいれ１２
時間混合した。得られたスラリーをスプレードライヤー
にて約５０μｍの造粒子を作製した。この造粒子を直径
５００ｍｍ，高さ５０ｍｍの円盤状に仮成形後、１００
０ｋｇ／ｃｍ2 の圧力でラバープレスした。この成形体
を水素雰囲気の電気炉に入れ、１００℃で昇温し、１８
００℃で２４時間焼結して徐冷した。得られた大型の焼
結体から直径が１ｃｍ、厚さｌｃｍの試料を切りだしλ
／１０に仕上し、焼結体のＮｄ濃度は１及び３原子％の
レーザ発振用試料２種類を作成した。これによって、焼
結体の相対密度が９９．９％以上で粒子径が５０μｍ、
厚さ１ｍｍの試料の直線透過率が０．４〜５μｍの波長
領域で８０％以上で、さらに焼結体を構成する各々の粒
子の８０％以上が、その濃度差が±１０％以内、また９
５％以上の粒子が活性元素の濃度差が±１５％の範囲に
あるガーネット構造を有するレーザ核融合用多結晶透明
セラミックスを得た。
【００１７】また比較用としてＣＺ法により製造された
Ｎｄ濃度が１原子％の単結晶及びレーザ核融合に用いら
れているＮｄ濃度が３重量％のりん酸ガラス系のレーザ
材料を同じ形状と同じ精度に加工した。
Ｎｄ濃度が１原子％の単結晶及びレーザ核融合に用いら
れているＮｄ濃度が３重量％のりん酸ガラス系のレーザ
材料を同じ形状と同じ精度に加工した。
【００１８】
【表１】 表１に示すように、同じＮｄ濃度が３原子％の多結晶体
は１原子％のものと比べ遙に強力なレーザが得られてお
り、ガラスレーザ材料とは格段の開きがある。多結晶体
が実施例で示したようにレーザ核融合に適合するサイズ
の大型形状も作製できるので、直径３０ｃｍの材料を作
製したときのレーザの強度比をＹＡＧ単結晶のそれを１
として表現した。ここでは単結晶の大型化が困難なの
で、その発光断面積が直径１ｃｍと仮定した時の強度比
である。面積比から単純計算すると、ＹＡＧ単結晶に比
べガラスレーザ材料は発光面積の効果によって、その出
力が約５２０倍程度になる。単結晶と同じＮｄ濃度の多
結晶体では６７０倍、更にＮｄ濃度の高い材質では１２
７０倍という驚異的な値を算定することができる。この
ことから現状の固体レーザよりパワーアップが図れ、効
率的な核融合が可能性と考えられる。
は１原子％のものと比べ遙に強力なレーザが得られてお
り、ガラスレーザ材料とは格段の開きがある。多結晶体
が実施例で示したようにレーザ核融合に適合するサイズ
の大型形状も作製できるので、直径３０ｃｍの材料を作
製したときのレーザの強度比をＹＡＧ単結晶のそれを１
として表現した。ここでは単結晶の大型化が困難なの
で、その発光断面積が直径１ｃｍと仮定した時の強度比
である。面積比から単純計算すると、ＹＡＧ単結晶に比
べガラスレーザ材料は発光面積の効果によって、その出
力が約５２０倍程度になる。単結晶と同じＮｄ濃度の多
結晶体では６７０倍、更にＮｄ濃度の高い材質では１２
７０倍という驚異的な値を算定することができる。この
ことから現状の固体レーザよりパワーアップが図れ、効
率的な核融合が可能性と考えられる。
【００１９】表２は、焼結温度、圧力及び粒度等を変化
させることによって、焼結体の密度及び平均粒径を変化
させたもので、実施例１〜６に記載した特許請求の範囲
内のものは、レーザ発振が可能でその効率も比較的高い
ことが判る。また特許請求の範囲外の比較例１〜５は、
亀裂の発生がみられたり、発振不能であった。
させることによって、焼結体の密度及び平均粒径を変化
させたもので、実施例１〜６に記載した特許請求の範囲
内のものは、レーザ発振が可能でその効率も比較的高い
ことが判る。また特許請求の範囲外の比較例１〜５は、
亀裂の発生がみられたり、発振不能であった。
【００２０】
【表２】
【００２１】
【発明の効果】本発明によって以下の効果を奏すること
ができる。
ができる。
【００２２】（１）継続的なパルス波や連続発振が可能
で、かつガラスレーザに匹敵する高出力のエネルギーの
発生が可能なレーザ核融合用多結晶透明セラミックスを
得ることができる。
で、かつガラスレーザに匹敵する高出力のエネルギーの
発生が可能なレーザ核融合用多結晶透明セラミックスを
得ることができる。
【００２３】（２）従来核融合施設に使用されているガ
ラスレーザ材料に比べ熱伝導率が高く材料の破壊が少
ない。継続的なパルス波や連続発振が可能。素材の
利得が高く、最大エネルギーはガラスレーザの数倍に及
ぶ、活性元素の選択によりエネルギー効率の良いもの
（Ｎｄ−Ｃｒダブルドープなど）が得られるなどの特徴
を有し、効率的なレーザ核融合反応を起こす光源とな
る。
ラスレーザ材料に比べ熱伝導率が高く材料の破壊が少
ない。継続的なパルス波や連続発振が可能。素材の
利得が高く、最大エネルギーはガラスレーザの数倍に及
ぶ、活性元素の選択によりエネルギー効率の良いもの
（Ｎｄ−Ｃｒダブルドープなど）が得られるなどの特徴
を有し、効率的なレーザ核融合反応を起こす光源とな
る。
【００２４】（３）ガラスレーザ材料はガラス中にＮｄ
等の活性元素を均一にするため、数カ月の製造時間を必
要とするが、本発明の焼結体は数日程度で製造できるの
で、生産性や製造コストなどが格段に安くなる。
等の活性元素を均一にするため、数カ月の製造時間を必
要とするが、本発明の焼結体は数日程度で製造できるの
で、生産性や製造コストなどが格段に安くなる。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成５年２月２４日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、活性元素を含有したガーネット構造を有す
る透明な多結晶セラミックスを用いて大型のレーザ材料
を作成することにある。この多結晶材料により発振（及
び増幅）された極めて出力の高い（利得の大きな）レー
ザにより超高温のプラズマを発生させ、核融合反応効率
を上昇させることによって無限のエネルギーを合成（最
終的には無限の電気エネルギーを合成）する。
する課題は、活性元素を含有したガーネット構造を有す
る透明な多結晶セラミックスを用いて大型のレーザ材料
を作成することにある。この多結晶材料により発振（及
び増幅）された極めて出力の高い（利得の大きな）レー
ザにより超高温のプラズマを発生させ、核融合反応効率
を上昇させることによって無限のエネルギーを合成（最
終的には無限の電気エネルギーを合成）する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１６】
【実施例】実施例としてホスト材がＹＡＧであるものに
ついて述べる。純度９９．９９ｗｔ％のＡｌ2 Ｏ3 およ
びＹ2 Ｏ3 粉末に、粒度０．５μｍ、純度９９．９ｗｔ
％以上のＮｄ2 ０3 を加え、ガーネット組成になるよう
に秤量した。また、焼結助剤としてＳｉ０2 （Ｓｉプロ
ポキシドを添加し、その熱分解により得られるＳｉ
０2 ）を７５０ｗｔｐｐｍ加えた。これらの原料と適量
の分散剤、バインダーおよびエチルアルコールをポット
ミル中に投入し、更に高純度アルミナボールをいれ１２
時間混合した。得られたスラリーをスプレードライヤー
にて約５０μｍの造粒子を作製した。この造粒子を直径
５００ｍｍ，高さ５０ｍｍの円盤状に仮成形後、１００
０ｋｇ／ｃｍ2 の圧力でラバープレスした。この成形体
を水素雰囲気の電気炉に入れ、１００℃で昇温し、１８
００℃で２４時間焼結して徐冷した。得られた大型の焼
結体から直径が１ｃｍ、厚さｌｃｍの試料を切りだしλ
／１０に仕上し、焼結体のＮｄ濃度は１及び３原子％の
レーザ発振用試料２種類を作成した。これによって、焼
結体の相対密度が９９．９％以上でそれぞれの粒子径が
１２０および１１０μｍ、厚さ１ｍｍの試料の直線透過
率が０．４〜５μｍの波長領域で８０％以上で、さらに
焼結体を構成する各々の粒子の８０％以上が、その濃度
差が±１０％以内、また９５％以上の粒子が活性元素の
濃度差が±１５％の範囲にあるガーネット構造を有する
レーザ核融合用多結晶透明セラミックスを得た。
ついて述べる。純度９９．９９ｗｔ％のＡｌ2 Ｏ3 およ
びＹ2 Ｏ3 粉末に、粒度０．５μｍ、純度９９．９ｗｔ
％以上のＮｄ2 ０3 を加え、ガーネット組成になるよう
に秤量した。また、焼結助剤としてＳｉ０2 （Ｓｉプロ
ポキシドを添加し、その熱分解により得られるＳｉ
０2 ）を７５０ｗｔｐｐｍ加えた。これらの原料と適量
の分散剤、バインダーおよびエチルアルコールをポット
ミル中に投入し、更に高純度アルミナボールをいれ１２
時間混合した。得られたスラリーをスプレードライヤー
にて約５０μｍの造粒子を作製した。この造粒子を直径
５００ｍｍ，高さ５０ｍｍの円盤状に仮成形後、１００
０ｋｇ／ｃｍ2 の圧力でラバープレスした。この成形体
を水素雰囲気の電気炉に入れ、１００℃で昇温し、１８
００℃で２４時間焼結して徐冷した。得られた大型の焼
結体から直径が１ｃｍ、厚さｌｃｍの試料を切りだしλ
／１０に仕上し、焼結体のＮｄ濃度は１及び３原子％の
レーザ発振用試料２種類を作成した。これによって、焼
結体の相対密度が９９．９％以上でそれぞれの粒子径が
１２０および１１０μｍ、厚さ１ｍｍの試料の直線透過
率が０．４〜５μｍの波長領域で８０％以上で、さらに
焼結体を構成する各々の粒子の８０％以上が、その濃度
差が±１０％以内、また９５％以上の粒子が活性元素の
濃度差が±１５％の範囲にあるガーネット構造を有する
レーザ核融合用多結晶透明セラミックスを得た。
Claims (1)
- 【請求項１】 焼結体の相対密度が９９％以上で粒子径
が５〜１０００μｍの範囲にあり、かつ厚さ１ｍｍの試
料の直線透過率が０．４〜５μｍの波長領域で７５％以
上の範囲にあるランタニド元素及びＣｒ元素を一種以上
含有したガーネット構造を有するレーザ核融合用多結晶
透明セラミックス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5006145A JPH06211563A (ja) | 1993-01-18 | 1993-01-18 | レーザ核融合用多結晶透明セラミックス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5006145A JPH06211563A (ja) | 1993-01-18 | 1993-01-18 | レーザ核融合用多結晶透明セラミックス |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06211563A true JPH06211563A (ja) | 1994-08-02 |
Family
ID=11630356
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5006145A Pending JPH06211563A (ja) | 1993-01-18 | 1993-01-18 | レーザ核融合用多結晶透明セラミックス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06211563A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002220278A (ja) * | 2001-01-19 | 2002-08-09 | Shinetsu Quartz Prod Co Ltd | 透光性セラミックス及びその製造方法 |
| JP2002220287A (ja) * | 2001-01-19 | 2002-08-09 | Shinetsu Quartz Prod Co Ltd | 透光性セラミックス及びその製造方法 |
| JP2009288229A (ja) * | 2008-05-26 | 2009-12-10 | Motohiko Inai | 核融合点火方法 |
| US7691765B2 (en) | 2005-03-31 | 2010-04-06 | Fujifilm Corporation | Translucent material and manufacturing method of the same |
-
1993
- 1993-01-18 JP JP5006145A patent/JPH06211563A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002220278A (ja) * | 2001-01-19 | 2002-08-09 | Shinetsu Quartz Prod Co Ltd | 透光性セラミックス及びその製造方法 |
| JP2002220287A (ja) * | 2001-01-19 | 2002-08-09 | Shinetsu Quartz Prod Co Ltd | 透光性セラミックス及びその製造方法 |
| US7691765B2 (en) | 2005-03-31 | 2010-04-06 | Fujifilm Corporation | Translucent material and manufacturing method of the same |
| JP2009288229A (ja) * | 2008-05-26 | 2009-12-10 | Motohiko Inai | 核融合点火方法 |
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