レーザーデラックス

ELIビームラインのレーザーと実験システムは、多くの点で卓越しています。最大10ペタワットの超高出力レーザービームは、まったく新しい研究用途を可能にします。2010年に開設されたこの研究センターは、その名の通り、「Extreme Light Infrastructure（極限の光インフラ）」の頭文字をとって名づけられました。ELIはEUの大規模な研究イニシアチブで、プラハの研究所のほか、ルーマニア（ELI Nuclear Physics）、ハンガリー（ELI Attosecond）の研究施設も含まれます。ELIビームラインの設立当初から携わっているエンジニアの一人、ルーカス・ブラベックは、「プラハ近郊の小さな村、ここドルニ・ブレザニで、管理棟から研究室、複雑なレーザー設備まですべてをゼロから作り上げました」と誇らしげに説明します。レーザー棟は2016年に正式にオープンしました。特性の異なる4つのレーザーシステムと、6つの実験ホールを備えています。" 現在、150名のELIビームラインの研究者、そして最近では外部の研究チームも、生物学、医学、物理学、化学、材料工学、実験室天体物理学、ナノテクノロジーにおける先駆的な研究のために最先端のELI装置を使用しています。「陽子線治療の基本原理から核廃棄物の不活性化の可能性まで、本当にすべてが揃っています」とLukas Brabecは微笑む。

ELIビームラインのレーザーインフラで絶対的な目玉は、ATONと呼ばれるL4レーザーシステムであり、わずか150fsのパルス幅で10PWという前代未聞のピークパワーを実現している。L4-ATONのレーザーパルスは様々な実験ホールに導かれ、熱核融合反応の研究や粒子加速などに利用されている。L4-ATONのCPAベースのシステム構成は、光パラメトリック増幅を多段で行い、その後、異なるNdドープレーザーガラスを用いた2つの大型ユニットで直接増幅し、非常に洗練された方法で液冷されるというものである。ATONは1分間に1ショットの繰り返しで動作させることができ、これは同等のkJ級レーザーと比較して1桁以上高速です！」と、この素晴らしいレーザーシステムについて語るルーカス・ブラベックの目は輝き始めている。他にも3つのレーザーシステムがありますが、L4-ATONレーザーは非常に特別で、このようなレーザーパルスに絶対的に依存する実験もあります" と述べています。

L4-ATONレーザーは、主に2つのモード、ロングパルスモードとショートパルスモードで動作することができます。ロングパルスモードでは、広帯域発振器からのfsパルスが増幅チェーン全体に供給される。その後、大口径の誘電体回折格子を用いてパルスを最大出力10PWまで圧縮する。L4-ATONレーザーの極端な出力パラメーターを実現するために、チェコ共和国でこれまでに作られた中で最大の真空チャンバーを開発しなければなりませんでした！」と、ルーカス・ブラベックは誇らしげに報告しています。長さ18m、幅3.6m、高さ4.5m、重さ55トンという、まさに巨大なチャンバーである。

L4-ATONのレーザービームは一辺の長さが62.5cmと二次曲線的な形状をしているため、システムの構築には非常に大きなチューブの形状やバルブが必要となったのです。ルーカス・ブラベックにとって、VATバルブでなければならないことは、最初から明らかだった。「私の考えでは、信頼性と適応性の点で、これに匹敵する製品はありません」。現在、VATの真空バルブ19シリーズ（サイズDN630とDN1000）がATONコンプレッサーのクリーンな環境を支えており、高感度の光学部品が異物から守られています。

実験室の換気には、ELIの開発者はVATアングルバルブ29シリーズを選択しました。チャンバーの寸法が大きいため、ここでは単純な換気バルブでは不十分であることが判明したのです。「このような大容量では、換気バルブを急に開くと大きな圧力衝撃が発生する危険性があります」と、VATのキーアカウントマネージャー、アンドレアス・ドストマンは説明します。このような圧力波の影響は、チャンバー内の乱流はもちろんのこと、恐ろしいほど大きな衝撃音からチャンバーインベントリーの破損の可能性まで、多岐にわたります。この問題を解決するのが、ソフトスタート技術です。アンドレアス・ドストマンは、その作用機序を次のように説明している。「29型アングルバルブには、拡張性のあるバイパスバルブが内蔵されており、換気をカスケードで処理することができます。最初に小さい方のバイパスバルブを開くことで、差圧が制御された形で減少し、圧力ショックが発生しないようにします。チャンバー内の圧力が許容レベルまで上昇したら、通常のバルブを開き、残りの空気を流入させるのです。"

「Vakuum ServisはELIに第一レベルの迅速なサポートを提供します。私たちVakuum ServisはELIに迅速な第一レベルのサポートを提供します。結局のところ、私たちは現場に直接いるので、あらゆる要求に柔軟に対応することができます。より難しい技術的な問題に対する第二レベルのサポートは、ハーグや他のVAT拠点にいるVATの専門家が行います」と、パヴェル・ペトルバルスキーはこのコラボレーションを適切に表現しています。アンドレアス・ドストマンが指摘するように、ELIにとって明らかに有利な点である。「私たちはこのようにVakuum Servisのような強力なパートナーと世界中で協力し、最も効率的かつ直接的な方法で私たちの専門知識を顧客に提供できるようにしています」。ルーカス・ブラベックもまた、この分業が非常にうまくいっていると考えています。「真空技術に関する日常的な疑問の多くは、パベルと顔を合わせて話すことで、より明確になります」。

ELIビームラインでは、L3レーザーシステムHAPLS（High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System）も宝物のような存在です。L3-HAPLSは、30J以上のエネルギーで30fs以下のパルスを10Hzの繰り返しで発生させることができるレーザーです。「HAPLSは主にカリフォルニア州のローレンス・リバモア国立研究所で開発されましたが、ELIビームラインではパルス圧縮器、短パルス診断、短パルスタイミングの開発に参加しました」と、Lukas Brabecはこのレーザーシステムの起源についてコメントしています。L3-HAPLSは、ビームサイズが214×214mmと、兄貴分のL4-ATONと比べると、かなり控えめな印象です。とはいえ、この技術には大きな意味がある。「直径500mmのチューブを使用し、16.2シリーズの振り子真空バルブなど、多数のVATバルブも再生プロセス中に低温ポンプを真空チャンバーから分離するために使用しています」とLukas Brabecは説明します。

ELIビームラインでは、生体分子科学や材料科学の特殊なアプリケーションのために、10-9bar以下の超高真空条件を要求しています。「当社の従来の真空システムは10-6～10-7mbarに設計されており、ISO-Fフランジを使用することができます」とLukas Brabecは説明します。「しかし、超高真空条件下では、実験チャンバーにCFフランジを使用しています」。超高真空を発生させるターボ分子ポンプは、11.1シリーズのVATアイソレーションバルブで遮蔽されています。一方、チャンバー間では、VAT振り子式アイソレーションバルブ16.2シリーズが使用されています。アンドレアス・ドストマンは、この決断を次のように説明しています。「セクターバルブはプロセスチェーンに直接配置されるため、粒子放出の面で非常に高い要件を満たす必要があります」。さらに、いくつかのセクターバルブは、実験のセットアップ時にレーザーアライメントビームを使用できるように、最適な位置にサファイアウィンドウを配置する必要があります。「設計の段階で、これらの点についてVATの同僚と綿密に打ち合わせを行いましたが、結果には非常に満足しています」と、Lukas Brabecは、VATの幅広い、しかも個別に適応できる製品群に再び魅了された。アンドレアス・ドストマンが熱っぽく語るように、この魅力は完全に一致している。「ELIビームラインでは、素晴らしいプロジェクトが進行中です。

しかし、このような高揚感とは裏腹に、関係者には忍耐強さが求められる。今日現在、4台のレーザーシステムのうち2台は完全に完成し、確実に稼働している。「L4-ATONでは、ほぼホームストレッチです」とLukas Brabecは楽観的に将来を展望する。「現時点では、レーザーのビーム経路にあるミラーに関するいくつかの最終問題を解決しなければなりません。巨大なミラーは超平滑で、高精度の形状でなければならないので、特に慎重なテストが必要なのです」。このため、ELIの研究者は、まだATONレーザーを最大出力である10PWで動作させることができない。しかし彼らは、この最後の難関もすぐに乗り越え、ATONと3つのレーザーの兄弟が、ついにその力を存分に発揮できるようになると確信している。