JP2008277204A

JP2008277204A - レーザー駆動の小型・高コントラスト・コヒーレントｘ線発生装置及びその発生方法

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Publication number: JP2008277204A
Application number: JP2007122045A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kamikado; 正城神門; Tamiaki Chin; 黎明陳; Toshiki Tajima; 俊樹田島; Yoshiaki Kato; 義章加藤
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2027-05-07
Also published as: JP5388018B2

Abstract

【課題】
レーザー光のコントラストを改善し、適切なターゲット条件を選ぶことにより、高速電子発生を抑制し、高輝度でコヒーレント、高コントラストのＸ線を発生させる装置及び方法。
【解決手段】
真空ポンプを備えた真空槽内に、パルス圧縮器、集光ミラー、ガス供給装置、偏向磁石及びレーザー阻止Ｘ線透過窓を設け、真空槽を真空ポンプにより真空に保ち、この真空槽内のパルス圧縮器に真空槽外部からレーザー光を導入してパルス圧縮器によりパルス幅をフェトム秒に圧縮した後、集光ミラーによりガス供給装置より発生させるガスジェットターゲットに集光させ、このターゲットの位置をレーザー進行方向に調整することにより高速電子の発生を伴わないＸ線発生に最適な地点でＸ線を発生させる、高速電子発生を伴わない、高強度でコヒーレント、高コントラストのＸ線を発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザープラズマ硬Ｘ線発生装置に属するもので、その性能をコントラスト及び強度の点で更に改良したレーザー駆動の小型・高コントラスト・コヒーレントＸ線発生装置及びその発生方法に関するものである。

又、本発明は、このような高輝度でコヒーレント、高コントラストのＸ線を発生できる小型のＸ線源、及びこのＸ線源を用いて明瞭なＸ線像を撮影可能な撮像装置に関するものである。

従来から、レーザープラズマ硬Ｘ線源としては、固体、ガス、クラスター、液滴が用いられてきた。しかし、これらのＸ線源では、興味ある特性Ｘ線の他に高速電子に起因する制動放射連続Ｘ線が同時に発生し、バックグランドレベルが高くなるという問題があった。又、シンクロトロン放射からのＸ線は、Ｘ線の高いコントラストを持つが、大型の放射光装置が必要であるという問題があった（例えば、特許文献１及び２）。上記特性Ｘ線とは、原子の電子軌道準位間の遷移によって発生するＸ線のことで、元素に特有な波長を持つものである。

更に、クリプトンのクラスターターゲットを用いたレーザープラズマＸ線の報告であるが、本発明とは、Ｘ線コントラストが、Fig.2の様に悪い、変換効率が低い点で異なる（例えば、非特許文献１）。

又、固体ターゲット(Mo,Ag,La)を用いた場合のレーザープラズマＸ線のスペクトルを紹介しているが、本発明とは、Ｘ線コントラストが、Fig.3の様に悪い、点で異なる（例えば、非特許文献２）。

更に又、固体ターゲットを用いた場合のレーザープラズマＸ線に関する報告であるが、本発明とは、Ｘ線コントラストが悪い（Fig.1）、Kαへの変換効率が悪い（2x10^-5）点で異なる（非特許文献３）。
特開平11-160499「レーザープラズマＸ線発生装置」特開2006-172898「レーザープラズマＸ線発生装置」 R.C. Issac et al., "Ultra hard x rays from krypton clusters heated by intense laser fields", Physics of Plasmas 11, 7, pp. 3491-3496 (2004) L. M. Chen et al., "High resolution hard x-ray spectroscopy of femtosecond laser-produced plasmas with a CZT detector", Review of Scientific Instruments, 74, 12, pp.5035-5038 (2003). Bixue Hou et al., "Dependence of hard x-ray yield on laser pulse parameters in the wavelength-cubed regime", Applied Physics Letters 84, 13, pp. 2259-2261 (2004).

本発明の装置は、レーザー光のコントラストを改善し、適切なターゲット条件を選ぶことにより、高速電子発生を抑制し、高強度でコヒーレント、高コントラストのＸ線を発生できる小型のＸ線源であるレーザー駆動の高コントラスト単色高強度コヒーレントＸ線発生装置を提供すること、及びこのＸ線源を用いて明瞭なＸ線像を撮影可能な撮像装置を提供することにある。

本発明は、図１に示されるように、真空ポンプを備えた真空槽内に、パルス圧縮器、集光ミラー、アルゴンガス供給装置、偏向磁石及びレーザー阻止Ｘ線透過窓を設け、真空槽を真空ポンプにより真空に保ち、この真空槽内のパルス圧縮器に真空槽外部からレーザー光を導入してパルス圧縮器によりパルス幅をフェトム秒に圧縮した後、集光ミラーによりガス供給装置より発生させるガスジェットターゲットに集光させ、このターゲットの位置をレーザー進行方向に調整することにより高速電子の発生を伴わないＸ線発生に最適な地点でＸ線を発生させ、更にこのＸ線からその他の電子を除去して撮影試料及びＸ線撮像装置を保護するのために偏向磁石を設置して電子を曲げてＸ線のみ取り出すことからなる、高速電子発生を抑制した、高強度でコヒーレント、高コントラストのＸ線を発生させるものである。

本発明においては、得られたＸ線が単一のＸ線により構成され、不要なＸ線を含まないために、高コントラストで明瞭なＸ線像が得られる。

本発明のＸ線発生装置は、旧来のレーザープラズマ線発生装置と比較して、高エネルギー電子の制動放射に伴う不要なＸ線の発生を抑制し、必要なＸ線をコントラスト良く得ることができるので、Ｘ線の発生効率が良い。又、シンクロトロン放射を利用したＸ線源に比べて装置は大幅に小さく、短パルスのＸ線が得られる。このＸ線を試料の観察に用いる場合、試料への不要なＸ線の照射が少ないので、試料への損傷、被爆が少ない。更に、不溶なＸ線を含まないので、Ｘ線像のコントラストが良くなり、明瞭な像を得ることができる。

本発明では図１に示される以下のような構造を持つＸ線発生装置を用いる。真空槽１内は、真空ポンプ２により真空に保たれる。この真空槽内に導入されたレーザー光３は、パルス圧縮器４によりパルス幅がフェトム秒に圧縮された後、反射型の集光ミラー５によりガス供給装置６により発生されるガスジェットターゲット７上に集光される。ガスの密度は、本発明の装置及び手法では、ガスジェットターゲットの位置をレーザー進行方向に調整することにより高速電子発生を伴わない集光装置を選択して使用する。

通常は、高速電子発生が起きる点の前後に、２つのＸ線発生に最適な地点が存在する。本発明の装置では、高速電子発生を伴わないが、後に説明するＸ線撮像装置又は試料の保護のために電子９（レーザー照射に伴い発生する高速電子）を曲げる偏向磁石８を設置する。このようにして、Ｘ線１０がレーザーの進行方向に生成される。

ここで、レーザー光の持つプリパルスをその集光した際の集光強度がガスをイオン化しない程度に低減することが重要である。ここで、レーザーの「プリパルス」とは、フェトム秒レーザーのシステムに起因して発生する。主パルスに時間的に先行するパルス光を意味する（図２参照）。又、この主パルスとプリパルスの強度比をレーザーのコントラスト比と呼ぶ。

又、レーザーのパワーＰ，プラズマ密度ｎｅは、レーザーがプラズマ中で自己集束を起こす、条件Ｐ＝１６．２（ｎｃｒ／ｎｅ）ＧＷを満たすようにする。ここで、ｎｃｒは臨界プラズマ密度で、レーザーの波長λを用いて、
ｎｃｒ＝π／（２．８×１０^−１３×λ［ｃｍ］）［ｃｍ^―１３］と表される。

加えて、真空とガスの境界を際立たせ、ガスとの相互作用を高めるために、超音速で噴出されるガスジェットターゲットを用いることが必要である。本発明の装置では、このように、高速電子の発生を抑制し、ガスの特性Ｘ線にエネルギーを集中した単色なＸ線を発生できるという特徴を持っている。

このようにして発生するＸ線は、用いたガス原子の準位によって決まる単色のＸ線であり、次のコヒーレントである。
時間コヒーレント：Ｔｃをコヒーレント時間、Δｆをスペクトル幅とすれば、ＴｃΔｆ〜１決まる時間内においてコヒーレントである。

空間コヒーレント：Ｌｃ＝（波長）×（Ｘ線源と検出器の距離）で決まるコヒーレント長においてコヒーレントである。
更に、本発明（請求項２）でのＸ線透過像又は位相コントラスト像を取得するには、図１に示されるように、レーザー光の透過を阻止し、Ｘ線を透過させる窓１１の後に、試料１２を置き、透過したＸ線をＸ線撮像装置１３により取得する。

このようにして得られたＸ線源は、単一のＸ線により構成されるため、明瞭な像が得られるのが本発明の装置の特徴である。位相コントラスト像を取得するには、上記式で与えられるＬｃが撮像装置の分解能以上になるように適切に距離を選ぶ必要がある。

以下に実際の実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。図１で示した構成で実験を行った。レーザーには、中心波長800 nm、パルス幅 70 fs（半値全幅）、エネルギー200 mJのチタンサファイアレーザーを用いた。コントラスト比は、10⁶以上が達成されている。ガスは、Arガスを、リザーバ圧力4 MPaをかけた高速のガスバルブを用いて、真空中内にガスを供給した。反射型ミラーとして、金がコートされた焦点距離645mmの軸外し放物面鏡を用いた。レーザーの集光強度は、(6-9)x10¹⁷W/cm²であった。従来例に比べて、ピークを持ったX線(Ka線)以外のバックグラウンドX線強度が低い、高コントラストのX線が生成されていることを実証した。

さらに、X線撮像装置としてイメージングプレートを使用し、蜘蛛の位相コントラスト像を撮影した。図３に示したように、高コントラストで蜘蛛の内部が撮影できることを確認した。

本発明のＸ発生装置の構成を示す図である。フェトム秒レーザーのパルスの時間構造を示す図である。本装置の実施例で撮影された蜘蛛の位相コントラスト像を示す図である。

符号の説明

１：真空槽
２：真空ポンプ
３：レーザー
４：パルス圧縮器
５：集光ミラー
６：ガス供給装置
７：ガスジェツトターゲット
８：偏向磁石
９：電子
１０：Ｘ線
１１：レーザー阻止、Ｘ線透過窓
１２：試料
１３：Ｘ線撮像装置

Claims

フェトム秒レーザーをガス中に集光することによってアルゴンガスの特性Ｘ線を発生させるレーザープラズマＸ線発生装置であって、レーザーのコントラスト比（主パルスープリパルスの強度比）が高く、ガスが超音速のガスバルブによって供給される、高コントラスト、単色、コヒーレントのＸ線を発生できる小型のＸ線発生装置。
発生するＸ線を試料に照射し、そのＸ線透過像又は位相コントラスト像を取得する請求項１記載の装置。
真空ポンプを備えた真空槽内に、パルス圧縮器、集光ミラー、ガス供給装置、偏向磁石及びレーザー阻止Ｘ線透過窓を設け、真空槽を真空ポンプにより真空に保ち、この真空槽内のパルス圧縮器に真空槽外部からレーザー光を導入してパルス圧縮器によりパルス幅をフェトム秒に圧縮した後、集光ミラーによりガス供給装置より発生させるガスジェットターゲットに集光させ、このターゲットの位置をレーザー進行方向に調整することにより高速電子の発生を伴わないＸ線発生に最適な地点でＸ線を発生させることからなる、高速電子発生を伴わない、高輝度でコヒーレント、高コントラストのＸ線を発生させる方法。
ガスターゲットにおける高速電子発生を抑制した集光位置として、高速電子発生が起きる点の前後に存在するＸ線発生に最適な地点を選択する、請求項３記載の方法。
真空ポンプを備えた真空槽内に、パルス圧縮器、集光ミラー、ガス供給装置、偏向磁石及びレーザー阻止Ｘ線透過窓を設け、真空槽を真空ポンプにより真空に保ち、この真空槽内のパルス圧縮器に真空槽外部からレーザー光を導入してパルス圧縮器によりパルス幅をフェトム秒に圧縮した後、集光ミラーによりガス供給装置より発生させるガスジェットターゲットに集光させ、このターゲットの位置をレーザー進行方向に調整することにより高速電子の発生を抑制しＸ線発生に最適な地点でＸ線を発生させ、更にこのＸ線からその他の発生電子を除去して撮影試料及びＸ線撮像装置を保護するために偏向磁石を設置して電子を曲げてＸ線のみ取り出すことからなる、高輝度でコヒーレント、高コントラストのＸ
線を発生させる方法。
ガスターゲットにおける高速電子発生を抑制した集光位置として、高速電子発生が起きる点の前後に存在するＸ線発生に最適な地点を選択し、且つ発生Ｘ線からその他の発生電子を除去して撮影試料及びＸ線撮像装置を保護するために偏向磁石を設置してその電子を曲げてＸ線のみを取り出すことからなる、請求項３記載の方法。