JP2005285675A - ガスターゲット生成装置および生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 第１の目的は、噴射されたガスターゲット内部のガス密度の空間分布を均一化することにより、放射線の生成効率を向上させることである。第２の目的は、プレプラズマ生成による影響を減少させることにより、放射線の生成効率を向上させることである。
【解決手段】 この装置は、真空容器１とラバルノズル２とを備えている。ラバルノズル２は、ガスターゲット４を真空容器１の内部に吹き出すものである。ガスターゲット４の形状は、略シート状となっている。さらに、ガスターゲット４の速度は超音速となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスターゲット生成装置および生成方法に関するものである。

従来から、レーザ光をターゲットに照射してプラズマを生成する方式の放射線発生装置が知られている。この方式においては、プラズマ源となるターゲットとして、ガスや固体物質が用いられている。なお、本明細書では、放射線とは、電子線、イオンビーム、中性子線、Ｘ線、軟Ｘ線、極短紫外光、粒子線を含む広義の意味を有するものとする。

このような方式において用いられるガスターゲットは、真空容器中に設置したパルスバルブによって、ガスジェットとして噴射される。

しかしながら、この方法で生成したガスターゲットにおいては、噴射ガスジェット内部のガス密度の空間分布が不均一となる。すると、放射線の発生強度を高くできないという問題がある。

また、レーザ光パルスのプレパルスにより、ガスターゲットにプレプラズマが生成することがある。このプレプラズマは、メインパルスのガスターゲット内への入射を妨げ、放射線の生成を妨げるという問題もある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものである。本発明の目的の一つは、噴射されたガスターゲット内部のガス密度の空間分布を均一化することにより、放射線の生成効率を向上させることである。本発明の他の目的は、プレプラズマ生成による影響を減少させることにより、放射線の生成効率を向上させることである。

本発明に係るガスターゲット生成装置は、真空容器とノズルとを備えている。前記ノズルは、ガスターゲットを前記真空容器内に吹き出すものである。前記ガスターゲットの形状は、略シート状となっている。前記ガスターゲットの速度は超音速となっている。

前記ノズルは、例えばラバルノズルである。

前記ラバルノズルの開口部の形状を、ほぼ、扁平な四角形状とし、さらに、前記ラバルノズルの横断面での長尺方向における、少なくとも一方の内面を、曲面とすることができる。

前記ラバルノズルの開口部の形状を、ほぼ、扁平な四角形状とし、さらに、前記開口部における短尺方向の寸法と長尺方向の寸法との比を、１：１０〜１：１とすることができる。

前記ラバルノズルの開口部の形状を、ほぼ、扁平な四角形状とし、さらに、前記ラバルノズルの横断面での長尺方向における、少なくとも一方の内面を、傾斜面とすることができる。

前記ラバルノズルの開口部の形状を略台形状とすることもできる。

前記ラバルノズルの開口部の形状を、ほぼ、扁平な四角形状とし、さらに、前記ラバルノズルの横断面での長尺方向における一方の内面を曲面とし、他方の内面を平面としてもよい。

前記ラバルノズルの開口部の形状を、ほぼ、扁平な四角形状とし、前記ラバルノズルの横断面での長尺方向における一方の内面と他方の内面とを、非対称形状としてもよい。

本発明に係る放射線生成装置は、前記ガスターゲット生成装置と、前記ガスターゲットにレーザ光を照射する光源とを備えている。

本発明に係るビームモニタ装置は、前記ガスターゲット生成装置と、前記ガスターゲットにビームを照射する照射部と、前記照射により前記ガスターゲットから生じた発光を検出する検出部とを備えている。

本発明に係るガスターゲット生成方法は、真空容器に配置されたノズルから、略シート状でかつ超音速のガスターゲットを前記真空容器内に吹き出す構成となっている。

この生成方法において、前記ノズルをラバルノズルとしてもよい。

本発明に係る放射線生成方法は、前記ガスターゲット生成方法により生成されたガスターゲットにレーザ光を照射することにより放射線を生成する構成となっている。

本発明に係るビームモニタ方法は、前記ガスターゲット生成方法により生成されたガスターゲットにビームを照射し、これにより発生した光を測定する構成となっている。

請求項１記載のガスターゲット生成装置によれば、プレパルスにより生成されたプレプラズマを、超音速のガスターゲットにより除去することができるので、プレプラズマ生成による影響を減少させることができる。

請求項２記載のガスターゲット生成装置によれば、ノズルとしてラバルノズルを用いたので、内部の空間密度分布が均一な、指向性の良いガス流を得ることができる。これにより、放射線の発生強度を向上させることができるという利点がある。

（第１実施形態…請求項１，２，９，１１，１２，１３に対応）
以下、本発明の第１実施形態に係るガスターゲット生成装置および生成方法を、図１〜図３に基づいて説明する。

本実施形態のガスターゲット生成装置は、真空容器１と、ノズル２と、高圧ガス供給管３と、集光素子６とを主要な要素として備えている（図１参照）。

真空装置１は、内部を真空状態とできる周知の装置である。真空装置１の真空度は、目的に応じて任意に設定される。

ノズル２は、ガスターゲット４を真空容器１の内部に吹き出すものである。このノズル２としては、本実施形態では、二次元ラバルノズル（図２および図３参照）が用いられている。ラバルノズル２の開口部２１の形状は、ほぼ、扁平な四角形状とされている。具体的には、この実施形態では、開口部２１は長方形状とされている（図１参照）。

ラバルノズル２の横断面での長尺方向端部における、両方の内面２３は、この実施形態では、平面とされている（図３参照）。

高圧ガス供給管３は、ラバルノズル２の底面に接続されている。高圧ガス供給管３は、図示しない高圧タンクに接続されている。これにより、本実施形態では、ラバルノズル２からガスターゲット４を超音速で吹き出すことができるようになっている。このとき、ガスターゲット４の形状は、略シート状となる。ガスターゲット４として用いられるガスは、目的に応じて任意のものが用いられるが、通常は、ヘリウム、アルゴン、クリプトンなどの不活性ガスである。

集光装置６は、この実施形態では、真空装置１の内部に配置されている。集光装置６は、図示しない発光装置からのレーザ光５を集光してガスターゲット４に照射するものである。レーザ光５は、ＣＷ光でもよいが、通常は、パルス光である。なお、集光装置６は、ガスターゲットにレーザ光を照射する光源の一部を構成している。

つぎに、このように構成された装置を用いたガスターゲット生成方法を説明する。まず、高圧ガス供給管３を介して、高圧ガスをラバルノズル２に送る。これにより、ラバルノズル２から真空装置１の内部に向けて、略シート状でかつ超音速のガスターゲットを吹き出すことができる。

ついで、集光素子６を介して、レーザ光５をガスターゲット４に照射する。これにより、電子、イオン、X線等の放射線７を発生させることができる。生成される放射線の種類は、用いられるガスやレーザ光の性質により決定される。

また、レーザ光５のパルスは、図４に示すような時間波形を有する。図中A部分がプレパルスであり、B部分がメインパルスである。プレパルスの時間幅は、例えばナノ秒のオーダーである。プレパルスの強度は、メインパルスの１／１０^６程度またはそれ以下である。したがって、プレパルスのエネルギーは、メインパルスのエネルギーの１０〜２０％程度である。メインパルスの時間幅は、通常は、数十フェムト〜ピコ秒のオーダーである。もちろんパルスの時間波形はこれらに限定されない。

従来は、プレパルスによりガスターゲットに発生したプレプラズマによって、メインパルスのガスターゲット内への入射が妨げられるという問題があった。これに対して、本実施形態によれば、超音速のガスターゲットがプレプラズマを高速で除去するので、ガスターゲット内へのメインパルスの入射効率が向上し、したがって、放射線の生成効率が向上するという利点がある。

さらに、本実施形態では、ラバルノズル２を用いているので、ガス流に内部に衝撃波を発生せず、指向性の良いガス流を得ることができる。得られたガスターゲット４においては、噴射ガスジェット内部のガス密度の空間分布が均一となる。すると、生成させる電子線、イオンビーム、X線等の放射線の発生強度を高くすることが出来るという利点がある。

さらに、ノズル２の近傍にレーザ光が照射されると、ノズル２の壁面からデブリが発生して、これが、ガスターゲット内へのレーザ光の入射を阻害するおそれがある。しかしながら、本実施形態の方法では、仮にノズル２の壁からデブリが発生しても、デブリを高速で除去することができ、放射線の発生効率を向上させることが可能となる。

（実施例１）
第１実施形態のラバルノズル２の出口におけるガスの空間密度分布をシミュレーションにより算出した。結果を図５および図６に示す。シミュレーション条件は下記の通りである。
スロート幅：１２０ミクロン
ガスの種類：ヘリウムガス
ノズル出口でのガスのマッハ数：５

図５および図６（ｂ）におけるグラフの縦軸(ρ/ρ０)は、高圧ガス供給源のガス密度で規格化されたガス密度を示す。図５におけるグラフのＸ-Ｙの空間座標系の取り方は、同図中上部の枠内に図示した通りである。グラフのＸ軸はガス流の流れ方向、Ｙ軸はガス流の流れに垂直な方向である。

これらのグラフは、ラバルノズル２の出口から下流方向に2.5ｍｍ程度まではガス流が広がらず、均一な空間密度分布を形成することを示している。したがって、本実施形態で得られるガスターゲット４は、ガス流内部に衝撃波が発生せず、端部の密度境界が明確で内部の空間密度分布が均一な指向性の良いガス流となっていることが判る。

（第２実施形態…請求項３に対応）
次に、本発明の第２実施形態を図７〜９に基づいて説明する。この実施形態では、ラバルノズル２の横断面での長尺方向両端の内面２３が、曲面とされている（図８参照）。この内面の形状が平面であると、図９の破線部に示されるように、端部付近におけるガス密度が高くなり、ガス密度の均一性が若干崩れることになる。これに対して、第２実施形態のものでは、端部付近においてもガス密度を均一にすることが可能となり、このため、放射線の発生効率を一層向上させることが可能となるという利点がある。

第２実施形態における他の構成および利点は第１実施形態と同様なので、同一符号を付して説明を省略する。

（第３実施形態…請求項４に対応）
次に、本発明の第３実施形態を図１０〜図１４に基づいて説明する。この実施形態では、ラバルノズル２の開口部２１における、短尺方向の寸法と長尺方向の寸法との比が、１：１０〜１：１の範囲とされている。さらに好ましくは、この比は、１：９〜１：２程度である。

このようにすると、ノズル２の両端部から衝撃波８（図１０の破線部参照）を生じることができる。この衝撃波８は、ガスターゲット４の流れの途中で衝突して、高密度ガスシートターゲット９を生成する。このターゲット９は、衝撃波８どうしの衝突による圧縮効果により発生するもので、その厚さは、例えば数百ミクロン程度である。

（実施例２）
実際にターゲット９を生成した状態での、ガスの空間密度分布の写真を図１１〜図１４に示す。実験条件は下記の通りである。
スロート幅：１２０ミクロン
使用ガス：ヘリウムガス
ノズル出口におけるマッハ数：５

図１１は、ノズル２の縦方向（図１０のＣ方向）からガスターゲット４を観測したときの干渉縞（無限縞）である。無限縞は等密度線に対応している。

図１２は、横方向（図１０のＤ方向）からガスターゲット４を観測した干渉縞（無限縞）である。

図１３は、横方向から観測した干渉縞（有限縞）である。有限縞は、密度変化を示している。

図１４は、横方向から観測したシュリーレン写真である。シュリーレン写真では、衝撃波などのように、ガス密度変化の大きい領域が写る。

図１１より、二次元ラバルノズル２から厚さ1.26ミリのシート状のガス流が生じていることがわかる。

さらに、図１２〜図１４より、
（１）ノズル２の両端面から衝撃波８が生じていること、
（２）衝突した地点で衝撃波８によるガス流の圧縮が生じていること、
（３）数百ミクロン厚のガスターゲット９がガスターゲット４の内部に生成されること
がわかる。

この実施形態では、ガスターゲット９に対して、集光素子６を用いて、レーザ光パルス５を集光させることができる。すると、まずレーザ光パルス５のプレパルスがガスターゲット９の中に入射し、レーザ集光点のガスを加熱してプレプラズマを生成する。

プレプラズマは、超音速ガス流とともに下流へと高速で移動していく。次に高強度のメインパルスがガスターゲット９に入射すると、電子ビーム、イオンビーム、X線などの放射線７を発生する。

この第３実施形態では、ガスターゲット９を所定の厚さ（例えば数百ミクロン程度）に制御することにより、高効率で、電子ビーム、イオンビーム、Ｘ線等の放射線を得ることができる。

第３実施形態における他の構成および利点は第１実施形態と同様なので、同一符号を付して説明を省略する。

（第４実施形態…請求項５に対応）
次に、本発明の第４実施形態を図１５に基づいて説明する。この実施形態では、ラバルノズル２の横断面での長尺方向両端の内面が、傾斜面とされている。これによると、衝撃波８により形成されるガスターゲット９の位置を、ノズル２の端部に近い位置に配置することができる。

ガスターゲット９がガスターゲット４の中央部に存在する場合は、そこに至る空間中に存在するガスにより、（１）レーザ光の吸収や（２）集光特性の低下（例えば集光強度の低下、空間プロファイルの悪化等）が生じて、放射線の生成効率が低下する可能性がある。

これに対して、ガスターゲット９の位置を、ノズル２の端部近傍に配置すれば、レーザ光がガスターゲット９に達する距離を短縮して、ガスによる影響を低下させることが可能となる。したがって、この実施形態によれば、高効率で放射線を生成することができるという利点がある。

第４実施形態における他の構成および利点は第３実施形態と同様なので、同一符号を付して説明を省略する。

（第５実施形態…請求項６に対応）
次に、本発明の第５実施形態を図１６および図１７に基づいて説明する。この実施形態では、ラバルノズル２の開口部２１の形状が略台形状とされている（図１６参照）。このように、開口形状を四角形以外の形状に変化させることにより、ガスターゲット４の内部のマッハ数分布を制御することができる。また、ガスターゲット４の流れ方向や、衝撃波８により形成されるガスターゲット９の位置を制御することも可能となる。

ここで略台形状とは、図１８や図１９における平面図に示されるように、側面が湾曲した形状を含むものとする。

第５実施形態における他の構成および利点は第３実施形態と同様なので、同一符号を付して説明を省略する。

（第６実施形態…請求項７に対応）
次に、本発明の第６実施形態を図２０に基づいて説明する。この実施形態では、ラバルノズル２の横断面での長尺方向における一方の内面が、曲面とされており、他方の内面が平面とされている。これによってもガスターゲット４の流れ方向や、衝撃波８により形成されるガスターゲット９の位置を形状に応じて制御することが可能となる。

第６実施形態における他の構成および利点は第３実施形態と同様なので、同一符号を付して説明を省略する。

（第７実施形態…請求項８に対応）
次に、本発明の第７実施形態を図２１および図２２に基づいて説明する。この実施形態では、ラバルノズル２の横断面での短尺方向における一方と他方の内面２２どうしが、非対称形状とされている（図２１参照）。これによっても、ガスターゲット４の流れ方向や、衝撃波８により形成されるガスターゲット９の位置を制御することが可能となる。

第７実施形態における他の構成および利点は第３実施形態と同様なので、同一符号を付して説明を省略する。

（第８実施形態…請求項１０，１４に対応）
次に、本発明の第８実施形態にかかるビームモニタ装置を図２３に基づいて説明する。この実施形態の装置では、レーザ光５を集光する集光素子に代えて、電子、イオン、中性子、X線等の放射線を照射するビーム源１２と、検出素子１３とを備えている。

ビーム源１２は、放射線（電子線、イオンビーム、X線、中性子線等を含む）のビーム１０を、ガスターゲット４に照射するものである。検出素子１３は、ガスターゲット４に照射されたビーム１０により生じた発光１１を検出するものである。図２３では、検出素子１３が真空装置１の内部に配置されているが、外部に配置されていても良い。この場合、光を外部に導く窓を設けることが好ましい。

第８実施形態によれば、ビーム１０の形状や強度を測定することが可能となる。第８実施形態における他の構成は、第１実施形態と同様なので、同一符号を付して説明を省略する。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得るものである。

本発明の第１実施形態に係るガスターゲット生成装置の概略的な構成図である。 図１のガスターゲット生成装置におけるラバルノズルを示す図であって、図３のA-A線に沿う断面図である。 図１のガスターゲット生成装置におけるラバルノズルを示す図であって、図２のB-B線に沿う断面図である。 典型的なレーザ光パルスの時間波形を示すグラフである。 得られるガスターゲットの特性を示すグラフである。 得られるガスターゲットの特性を示すグラフであり、図（ａ）は密度分布、図（ｂ）は軸上（Ｙ＝０）での密度ρ／ρ_０を示す。 第２実施形態におけるラバルノズルを示す図であって、図２に相当する部分の図である。 第２実施形態におけるラバルノズルを示す図であって、図３に相当する部分の図である。 第２実施形態で得られるガスターゲットの特性を説明するための説明図である。 第３実施形態で得られるガスターゲットの特性を説明するための説明図である。 第３実施形態で得られるガスターゲットの特性を説明するための説明図である。 第３実施形態で得られるガスターゲットの特性を説明するための説明図である。 第３実施形態で得られるガスターゲットの特性を説明するための説明図である。 第３実施形態で得られるガスターゲットの特性を説明するための説明図である。 第４実施形態におけるラバルノズルを示す図であって、図３に相当する部分の図である。 第５実施形態におけるラバルノズルを示す平面図である。 第５実施形態におけるラバルノズルを示す図であって、図３に相当する部分の図である。 第５実施形態におけるラバルノズルにおける開口形状の変形例を示す平面図である。 第５実施形態におけるラバルノズルにおける開口形状の他の変形例を示す平面図である。 第６実施形態におけるラバルノズルを示す図であって、図３に相当する部分の図である。 第７実施形態におけるラバルノズルを示す図であって、図２に相当する部分の図である。 第７実施形態におけるラバルノズルを示す、一部を破断した斜視図である。 第８実施形態におけるビームモニタ装置の概略的な説明図である。

符号の説明

１ 真空容器
２ ノズル（ラバルノズル）
２１ ノズルの開口部
２２ ノズルの短尺方向の内面
２３ ノズルの長尺方向の内面
３ 高圧ガス供給管
４ ガスターゲット
５ レーザ光
６ 集光素子
７ 放射線ビーム
８ 衝撃波
９ 高密度ガスシートターゲット
１０ ビーム
１１ 発光
１２ ビーム源
１３ 検出素子

Claims (14)

1. 真空容器とノズルとを備えており、
   前記ノズルは、ガスターゲットを前記真空容器内に吹き出すものであり、
   前記ガスターゲットの形状は、略シート状であり、
   前記ガスターゲットの速度は超音速である
   ことを特徴とするガスターゲット生成装置。
2. 前記ノズルはラバルノズルであることを特徴とする請求項１に記載のガスターゲット生成装置。
3. 前記ラバルノズルの開口部の形状は、ほぼ、扁平な四角形状とされており、
   前記ラバルノズルの横断面での長尺方向における、少なくとも一方の内面は、曲面とされていることを特徴とする請求項２に記載のガスターゲット生成装置。
4. 前記ラバルノズルの開口部の形状は、ほぼ、扁平な四角形状とされており、
   前記開口部における短尺方向の寸法と長尺方向の寸法との比は、１：１０〜１：１であることを特徴とする請求項２に記載のガスターゲット生成装置。
5. 前記ラバルノズルの開口部の形状は、ほぼ、扁平な四角形状とされており、
   前記ラバルノズルの横断面での長尺方向における、少なくとも一方の内面は、傾斜面とされていることを特徴とする請求項２に記載のガスターゲット生成装置。
6. 前記ラバルノズルの開口部の形状は略台形状とされていることを特徴とする請求項２に記載のガスターゲット生成装置。
7. 前記ラバルノズルの開口部の形状は、ほぼ、扁平な四角形状とされており、
   前記ラバルノズルの横断面での長尺方向における一方の内面は、曲面とされており、他方の内面は平面とされていることを特徴とする請求項２に記載のガスターゲット生成装置。
8. 前記ラバルノズルの開口部の形状は、ほぼ、扁平な四角形状とされており、
   前記ラバルノズルの横断面での長尺方向における一方の内面と他方の内面とは、非対称形状であることを特徴とする請求項２に記載のガスターゲット生成装置。
9. 請求項１記載のガスターゲット生成装置と、前記ガスターゲットにレーザ光を照射する光源とを備えたことを特徴とする放射線生成装置。
10. 請求項１記載のガスターゲット生成装置と、前記ガスターゲットにビームを照射する照射部と、前記照射により前記ガスターゲットから生じた発光を検出する検出部とを備えたことを特徴とするビームモニタ装置。
11. 真空容器に配置されたノズルから、略シート状でかつ超音速のガスターゲットを前記真空容器内に吹き出すことを特徴とするガスターゲット生成方法。
12. 前記ノズルはラバルノズルであることを特徴とする請求項１１に記載のガスターゲット生成方法。
13. 請求項１１または１２に記載の方法で生成されたガスターゲットにレーザ光を照射することにより放射線を生成することを特徴とする放射線生成方法。
14. 請求項１１または１２に記載の方法で生成されたガスターゲットにビームを照射し、これにより発生した光を測定することを特徴とするビームモニタ方法。