JP2004127641A

JP2004127641A - Ｘ線発生装置

Info

Publication number: JP2004127641A
Application number: JP2002288426A
Authority: JP
Inventors: Isao Matsushima; 松嶋　功
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2002-10-01
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-01
Also published as: JP3677548B2

Abstract

【課題】Ｘ線用光学素子に対する飛散粒子による悪影響を防止することができ、且つ、Ｘ線発生用標的材料をガスや液体、微粒子に加工する必要がない。
【解決手段】標的物質にパルスレーザー光を集光照射して標的物質をプラズマ化し、該プラズマより輻射されるＸ線を利用するＸ線発生装置に関する。レーザープラズマ等の衝撃波発生手段により固体標的材料中に発生した衝撃波が真空もしくはガスの雰囲気中に解放される際に発生する標的材料の噴出物質を前記標的物質として利用する。標的物質の噴出位置において、噴出方向をＸ線用光学素子の設置位置方向と異なった角度にすることにより、該Ｘ線用光学素子が噴出した標的物質の影響を受けない配置にしたことを特徴としたＸ線発生装置を提供する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＸ線露光装置、Ｘ線顕微鏡、Ｘ線分析装置等のＸ線装置のＸ線源として用いて好適なＸ線発生装置と、該Ｘ線発生装置を備えたＸ線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
標的物質にパルスレーザー光を集光して該標的物質をプラズマ化し、該プラズマより輻射されるＸ線を利用するＸ線発生装置、いわゆるレーザープラズマＸ線源は、高輝度でありながら小型であることから、巨大な電子蓄積リングを用いた放射光Ｘ線発生装置と異なり、Ｘ線露光装置、Ｘ線顕微鏡、Ｘ線分析装置等として生産現場や実験室サイズの検査分析用Ｘ線光源として注目されている。
【０００３】
これらの利用目的においては、レーザー光が高効率でＸ線に変換された方が小型で実用性が高まるのは勿論のこと、輝度が高く、できるだけ点光源に近い方がＸ線発生装置の分解能や露光の一様性を向上させることができるため、高効率、高輝度で微小なスポットサイズの光源が求められている。この要請をレーザープラズマＸ線源で実現するためには標的物質の密度は高い方が良いところから、標的物質には固体が適している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パルスレーザー光を固体標的物質に集光照射してプラズマ化した場合、プラズマおよびその近傍の標的物質から放出される飛散粒子が問題となる。標的物質が固体であるため、プラズマからのイオン状、原子状の飛散粒子はＸ線を捕集、転送するために配置されたＸ線反射鏡や窓材等のＸ線用光学素子の表面に析出して反射率や透過率を著しく損なうものであり、またプラズマ化する温度まで加熱されなかった周辺部の標的物質は大きな飛散粒子となり、衝突によリＸ線用光学素子を破損する。
【０００５】
この問題を回避するためには、標的物質をガス状、液状、微粒子状にすることが考えられる（例えば、特許文献１，特許文献２参照）が、ガスや微粒子は固体に比べると大幅に密度が低く、液体もＸ線用光学素子の表面に析出しない揮発性物質でない限りはＸ線用光学素子の劣化を防止できないため、水や液化ガス等ごく限られた物質にしか適用できず、高い効率で有用な波長のＸ線に変換する多くの金属材料を液状とすることは困難である。
本発明は、これら固体の金属材料を標的物質として用いた場合にもＸ線用光学素子が劣化することのないＸ線発生装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−０２３７９５号公報
【特許文献２】
特開２００１−０６８２９６号公報
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、標的物質にパルスレーザー光を集光照射して標的物質をプラズマ化し、該プラズマより輻射されるＸ線を利用するＸ線発生装置において、衝撃波発生手段により固体標的材料中に発生した衝撃波が固体標的材料中を伝播し、真空もしくはガスの雰囲気中に解放される際に発生する固体標的材料物質の噴出現象を利用して、前記標的物質を供給するＸ線発生装置を提供する。
【０００８】
また、本発明は、衝撃波発生の手段としてあらかじめ別のパルスレーザー光を固体標的材料に照射することにより発生するレーザープラズマ衝撃波を利用することを特徴とするＸ線発生装置を提供する。
さらに、本発明は、標的物質の噴出位置において、噴出方向をＸ線用光学素子の設置位置方向と異なった角度にすることにより、該Ｘ線用光学素子が噴出した標的物質の影響を受けない配置にしたことを特徴としたＸ線発生装置を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施例の概略構成図を示す。
図中、１は衝撃波発生用のパルスレーザー光、２は集光レンズ、３は固体標的材料、４は固体標的材料３から押し出され、噴出した標的物質、５はＸ線発生用パルスレーザー光、７はＸ線用光学素子、８は発生したＸ線、９は衝撃波発生用プラズマからの飛散粒子に対する障壁を表す。
【００１０】
固体標的材料３は、公知のターゲット材と同じものでよく、例えば、金属，ガラス，シリコン等である。図１の構成は真空又は空気やヘリウムガスの雰囲気中に設置される。さらに、１０はパルスレーザー光１によって生成された高温プラズマ、１１は衝撃波、１２は高温プラズマ１０の飛散粒子、１３は標的物質の飛散粒子、１４は捕集されたＸ線を表す。
【００１１】
衝撃波発生用のパルスレーザー光１を集光レンズ２を介して固体標的材料３の表面に集光照射する。このときの集光照射強度を１０の１３乗Ｗ／ｃｍ２程度の高強度とし、パルス幅を数ｎｓとすることにより、固体標的材料３のパルスレーザー光１が照射された面側（表面側）からは固体標的材料３の高温プラズマ１０が噴出し、その噴出の反作用により、固体標的材料３の内部に向かって衝撃波１１が発生する。
【００１２】
衝撃波１１は固体標的材料内部を伝播し、衝撃波発生用のパルスレーザー光１１を照射した面とは反対側（背面側）に到達する。このとき背面側からは固体標的材料３の物質が原子間相互の弾性結合から解放され、イオン状、原子状の標的物質４となって高密度で噴出する。この噴出した標的物質をＸ線発生用標的材料（ターゲット材）として使用する。
【００１３】
図２は、Ｘ線発生用標的物質４が、衝撃発生用パルスレーザーにより発生した衝撃波によって固体標的材料３から噴出する状況を計算機で数値シミュレーションを行った結果の流線図を例示している。図の流線は材料物質の位置座標が時間とともに移動している状況を表している。衝撃波発生用の高強度パルスレーザー光１のパルス幅が２７ｎｓ、固体標的材料が厚さ１００μｍのアルミニウム材料を使用した場合である。図の縦軸が固体標的材料３の厚さ（Ｌ）方向の空間を示し、横軸はレーザー光照射開始後の時間経過を示す。
【００１４】
図２から、衝撃発生用パルスレーザー１の光照射後に衝撃波が固体標的材料３中を伝播し、背面から固体密度に近い高密度の物質が噴出することが分かる。図２の例では、レーザー光照射開始後３０ｎｓの時点で標的物質４は固体標的材料の背面から約２６μｍ押し出されている。背面内でのこの噴出の空問領域は衝撃波が固体標的材料の表側に到達した領域に限られるので、衝撃波発生用のパルスレーザー光１の集光領域を制御することにより標的物質４の制御が可能である。この制御により、Ｘ線発生に必要な最適な量の粒子状物質をＸ線発生用標的物質として供給できる。
【００１５】
また、余分な量の標的物質を無くすることにより、飛散粒子１３の量を大幅に減少させることができる。一方で表面側では衝撃波を発生させるためのプラズマから大量の飛散粒子１２が発生するが、これは図１中の障壁９で示すように物理的に障壁を設けることにより防ぐことができる。
【００１６】
このようにして準備したＸ線発生用標的物質４に対して、Ｘ線発生用パルスレーザー光５を集光レンズ６を介して集光照射し、標的材料物質４をプラズマ化し、Ｘ線８を発生する。Ｘ線発生用パルスレーザー光５は必要最小限の体積しか持たない微小なＸ線発生用標的物質４をＸ線発生のために瞬聞的に高温に加熱できればよく、高パワー密度であってもパルスの時間幅が短ければエネルギーとしては小さいもので済ませることができる。
【００１７】
衝撃波用パルスレーザー光１は固体標的材料３の表面に垂直に照射されているので、衝撃波は固体標的材料３の表面に垂直な方向１１Ａに進行する。噴出したＸ線発生用標的物質４は衝撃波１１により加速されているため、固体標的材料３の背面と垂直な方向４Ａで並進運動する。Ｘ線発生用標的物質４の飛散粒子１３の移動方向はＸ線発生用パルスレーザー光５のエネルギーにより影響される。
【００１８】
Ｘ線発生用パルスレーザー光５のエネルギーがこの並進運動の持つエネルギーに比べて大きくなければ、Ｘ線発生用標的物質４の飛散粒子１３はＸ線発生用パルスレーザー光５のエネルギーによりレーザー光５の方向に少し偏向した方向１３Ａで並進運動を続ける。従って、ここで発生する飛散粒子１３の大部分はこの並進運動の方向１３Ａで移動することになる。また、Ｘ線用パルスレーザー光５のエネルギー、衝撃波１１のエネルギー、衝撃波１１の方向１１Ａ、標的物質の噴出方向によって飛散粒子の方向１３Ａは制御される。
【００１９】
図１に示したように、Ｘ線用光学素子７をこの並進運動が向かう方向１３Ａの空間範囲Ｚとは異なった位置に配置することにより、Ｘ線用光学素子７は飛散粒子の影響を免れることができる。つまり、標的物質の噴出位置において、その噴出方向をＸ線用光学素子７の設置位置方向と異なった角度にすることにより、該Ｘ線用光学素子が噴出した標的物質の影響を受けない配置にできる。Ｘ線用光学素子７によって捕集されたＸ線１４は、本発明のＸ線発生装置の出力としてＸ線利用装置、Ｘ線照射装置等へ導かれる。
【００２０】
なお、本実施例では、衝撃波発生手段はレーザープラズマ衝撃発生手段としたが、他の公知の衝撃波発生手段、爆薬，ガス圧銃，電磁力を利用したものを使用しても良い。又、レーザー光の集光にはレンズ２，６を用いたが、これらは反射鏡等、他の光学素子を用いても良く、またＸ線用光学素子７も図１に示した凹面鏡の形状に限定されるものではない。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によればＸ線発生装置としレーザープラズマＸ線源が本来有する小型、高効率、高輝度点光源といった特徴を損なうことなく、Ｘ線用光学素子に対する飛散粒子による悪影響を防止することができる。Ｘ線発生用標的材料をガスや液体、微粒子等に加工する必要はなく、Ｘ線発生用標的物質として通常固体である物質が使えるため、幅広い材料を選択肢に入れることができる。従って本発明によって、生産現場や実験室、検査室等で容易に使用できるＸ線発生装置を製作することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のＸ線発生装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明にかかるレーザープラズマ衝撃波により標的材料が噴出する状況を計算機で数値シミュレーションを行なって得られた結果の流線図である。
【符号の説明】
１　　衝撃波発生用のパルスレーザー光
２　　集光レンズ
３　　固体標的材料
４　　衝撃波噴出によって得られたＸ線発生用標的物質
５　　Ｘ線発生用パルスレーザー光
６　　集光レンズ
７　　Ｘ線用光学素子
８　　Ｘ線
９　　衝撃波発生用プラズマからの飛散粒子に対する障壁
１１　衝撃波
４Ａ　標的材料物質の噴出方向

Claims

標的物質にパルスレーザー光を集光照射して標的物質をプラズマ化し、該プラズマより輻射されるＸ線を出力するＸ線発生装置において、
前記標的物質が、衝撃波発生手段により固体標的材料中に発生させられた衝撃波が固体標的材料中を伝播し、固体標的材料と真空もしくはガスの雰囲気との界面に達したとき、該衝撃波が真空もしくはガス雰囲気中に解放されることにより噴出した固体標的材料の物質であることを特徴とするＸ線発生装置。
衝撃波発生手段により発生させられる衝撃波が、別のパルスレーザー光を固体標的材料に照射して発生されるレーザープラズマ衝撃波であることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
標的物質の噴出位置において、噴出方向をＸ線用光学素子の設置位置方向と異なった角度にすることにより、該Ｘ線用光学素子が噴出した標的物質の影響を受けない配置にしたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか記載のＸ線発生装置。