JP2012142248A - Laser ion generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、重粒子線治療技術に係り、特に、パルスレーザ光を用いて必要価数のイオンおよびイオン数を安定して提供することができるレーザイオン発生装置に関する。 The present invention relates to a heavy ion beam therapy technique, and more particularly, to a laser ion generator capable of stably providing ions with a required valence and the number of ions using pulsed laser light.
近年、重粒子線治療に用いられるイオン発生装置として、マイクロ波放電によるイオン発生装置がある。このイオン発生装置は、レーザ光をプラズマ発生ターゲットの標的に照射することで発生するプラズマ中のイオンを引き出すようにしたものである。 In recent years, there is an ion generator using microwave discharge as an ion generator used for heavy particle beam therapy. This ion generator is configured to extract ions in plasma generated by irradiating a target of a plasma generation target with laser light.
このようなイオン発生装置としては、レーザ光をレーザイオン源内のプラズマ発生ターゲットに照射することによって生ずるプラズマに容器状の電圧をかけて引き出し、プラズマ状態を保ったまま加速器に入射させるイオンビーム引出装置がある(特許文献1参照)。 As such an ion generating apparatus, an ion beam extracting apparatus for extracting a plasma generated by irradiating a plasma generating target in a laser ion source with a container-like voltage and making it enter an accelerator while maintaining the plasma state. (See Patent Document 1).
現状で採用されているマイクロ波放電を用いたイオン源は、高い価数のイオン生成効率が悪いため、発生したプラズマをある程度イオン化し、加速器で加速した後、荷電変換装置を用いて高い価数のイオンを生成している。このため、イオン源自体は小型であっても、ある程度イオン化したプラズマの加速器、荷電交換装置などが必要となり、レーザイオン発生装置自体で大型化し、コストも高い。 The ion source using the microwave discharge currently adopted has a low valence ion generation efficiency, so the generated plasma is ionized to some extent, accelerated by an accelerator, and then charged using a charge conversion device. Ions are generated. For this reason, even if the ion source itself is small, a plasma accelerator ionized to a certain extent, a charge exchange device, and the like are required, and the laser ion generator itself is increased in size and cost.
また、レーザ光を用いたイオンビーム引出装置は、加速器や荷電交換装置が不要であるが、価数毎のイオン発生数をイオン生成部で測定することが難しく、さらに、価数毎のイオン数を確保する際、加速器の電場、磁場を利用するため、割高なコストとなる課題があった。 In addition, an ion beam extraction device using laser light does not require an accelerator or a charge exchange device, but it is difficult to measure the number of ions generated for each valence in the ion generation unit, and the number of ions for each valence. When securing the above, there is a problem that the cost is high because the electric field and magnetic field of the accelerator are used.
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、高価価数の重粒子イオンを提供することができ、しかも加速器無しでイオン価数、イオン数を測定可能で、かつ、装置自体が小型で低コストなレーザイオン発生装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, can provide high-valence valence heavy particle ions, can measure ion valence and number of ions without an accelerator, and the apparatus itself An object is to provide a small and low-cost laser ion generator.
本発明に係るレーザイオン発生装置は、上述した課題を解決するために、レーザ光を発生させるパルスレーザ光源と、前記パルスレーザ光源からのレーザ光を物質に照射してプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、発生したプラズマ中のイオンを電界によって引き出すイオン引出手段と、引き出された重粒子イオンのイオン速度分布を測定するイオン速度測定手段と、前記イオン速度測定手段から各価数のイオン速度分布とイオン数を演算して出力するイオン速度分布演算手段とを有することを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems, a laser ion generator according to the present invention includes a pulsed laser light source for generating laser light, and plasma generating means for generating plasma by irradiating a substance with the laser light from the pulsed laser light source. An ion extracting means for extracting ions in the generated plasma by an electric field, an ion velocity measuring means for measuring the ion velocity distribution of the extracted heavy particle ions, and an ion velocity distribution of each valence from the ion velocity measuring means, It has an ion velocity distribution calculating means for calculating and outputting the number of ions.
本発明のレーザイオン発生装置は、多価価数の重粒子イオンを提供可能で、加速器や荷重交換装置を用いなくても、必要荷数の重粒子イオンとイオン数を安定して提供することができる。 The laser ion generator of the present invention is capable of providing multivalent valence heavy particle ions and stably providing the necessary number of heavy particle ions and the number of ions without using an accelerator or load exchange device. Can do.
以下、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照して説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[第1の実施形態]
図1および図2は、本発明に係るレーザイオン発生装置10の第1の実施形態を示すものである。
[First Embodiment]
1 and 2 show a first embodiment of a
このレーザイオン発生装置10は、パルスレーザ光源11と、このパルスレーザ光源11から出力されるレーザ光の光路を調整する光路調整手段12と、真空環境に保たれ、密閉された真空容器13内のプラズマ発生ターゲットの物質14にパルスレーザ光を照射してプラズマを発生させるプラズマ発生手段15と、発生したプラズマに電界を付加して重粒子イオンをクーロン力によって引き出すイオン引出手段16と、イオン引出手段16によって引き出されたイオンを電界によって加速するイオン加速手段17と、電界で引き出され、加速された重粒子イオンのイオン速度分布を測定するイオン速度測定手段18と、発生したプラズマ中のイオン数を測定する体積測定手段19a,19bと、測定されたイオン数とイオン速度分布から、イオン価数とイオン数を演算し、出力するイオン速度分布演算手段20とから構成される。
The
また、プラズマ発生ターゲットである物質14にパルスレーザ光を照射してプラズマを発生させるプラズマ発生手段15と発生したプラズマから重粒子イオンを引き出すイオン引出手段16とからイオン源23が構成される。
Further, an
真空容器13内には、物質移動手段24が設けられており、この物質移動手段24によりプラズマ発生ターゲットでの物質14が移動あるいは回転可能に設置されている。さらに、真空容器13には、パルスレーザ光の入射角度をブリュースタ角に設定した入射窓25が備えられ、この入射窓25を通してパルスレーザ光源11からのパルスレーザ光が案内される。入射窓25はレーザ光の反射を抑えて透過させるため、石英、溶融石英、BK7等の材料が構成される。入射窓25を通るパルスレーザ光は真空容器13内の物質14に集光照射され、真空容器13内でレーザ励起により価数の高い重粒子イオンを含むプラズマが生じるようになっている。パルスレーザ光をパルスレーザ光源11から真空容器13内の物質14に集光して直接照射できる場合には、光路調整手段12は必ずしも設けなくてもよい。
A substance moving means 24 is provided in the
真空容器13からスリーブ状の筒状容器27が延びており、この筒状容器27は中間に図2に示すように筒状容器27の内径より大きな広幅の中間容器28が設けられる。真空容器13、筒状容器27および中間容器28は、ステンレス鋼などの耐食性、耐薬品性に優れ、かつ放出ガスが少ない材料で構成される。各容器13,27,28は、図示しない真空ポンプおよび真空計を取り付けて、容器内部を真空環境を維持するように真空容器として構成される。
A sleeve-like
プラズマ発生手段15の真空容器13内に設置される物質14は、炭素、シリコン、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素、水素などが挙げられる。これら物質14のプラズマ中に存在する重粒子イオンは、そのエネルギによって体内の侵入深さが決まり、停止直前でエネルギを急激に放出する特徴を有する。重粒子イオン(重粒子線)のこの現象はブラック・ピークと呼ばれ、重粒子線治療ではこの現象を利用している。
Examples of the
すなわち、シンクロトロンという加速器を用いて、重粒子イオンのエネルギを調節して腫瘍細胞の位置で停止させることにより、体表面から腫瘍細胞に至るまでの正常細胞に与えるダメージを少なくし、目的の腫瘍細胞に重粒子イオンを作用させて治療することが可能となる。 In other words, by using an accelerator called synchrotron to adjust the energy of heavy particle ions and stopping at the position of tumor cells, damage to normal cells from the body surface to tumor cells is reduced, and the target tumor It is possible to treat cells by acting heavy particle ions.
また、加速器では、イオンの価数が大きいほど、電場、磁場の影響を強く受け、効率よく加速することができることから腫瘍治療には高い価数の重粒子イオンが適する。 Further, in the accelerator, the larger the valence of the ions, the stronger the influence of the electric field and magnetic field, and the higher the accelerating efficiency, the higher the valence of heavy particle ions suitable for tumor treatment.
一方、パルスレーザ光源11は、レーザ光をプラズマ発生ターゲットである物質14に照射してレーザ励起プラズマを発生させるパルスレーザであり、XeCl,XeF,KrF,ArF等の紫外波長のエキシマレーザ、TEA CO2レーザ、Q−switch YAGレーザ等が適用可能である。なお、パルスレーザ光源11の横モードや縦モード、偏光状態、円形や楕円形或いは方形のビーム形状等については、適宜選択可能である。
On the other hand, the pulsed
プラズマ発生手段15で発生したプラズマから電界をかけクーロン力を作用させてプラスイオンである重粒子イオンを引き出すイオン引出手段16は、発生したプラズマ中の電子をクーロン力により阻止してはじき、重粒子イオンを引き出す電場を生成させる電極で、中空円盤型の電極、メッシュ電極、平行盤電極などの電極が用いられる。例えば、真空容器13を接地し、絶縁体によって真空容器13に固定された中空円筒型の電極にレーザ照射から短パルスレーザのパルス幅より遅く負のパルス電圧をかけ始め、電子をはじいて、イオンを引き出したあと、電極をイオンが通過する時間に電圧を落とすようにしてもよい。
The ion extraction means 16 that draws out heavy particle ions, which are positive ions, by applying an electric field from the plasma generated by the plasma generation means 15 and acting on the Coulomb force, repels the electrons in the generated plasma by the Coulomb force. An electrode that generates an electric field for extracting ions, and an electrode such as a hollow disk electrode, a mesh electrode, or a parallel plate electrode is used. For example, a
レーザ照射によって真空容器13内の物質14の表面に生じるプラズマは、熱的に膨張する仮定でイオン化し、イオン化に伴って生じた電子によって段階的に、イオン化が進む。レーザの照射が終わるとプラズマは、次第に冷めていくが、プラズマ中ではイオンと電子が連続的に反応を続けているため、イオン価数ごとの速度分布は広がる。レーザの照射が終わった後に電子をはじくことにより、無駄な電子とイオンの反応を抑制でき、重粒子イオンの速度分布は狭いものにできる。
The plasma generated on the surface of the
イオン加速手段17は、イオン引出手段16によって、引き出された重粒子イオンを加速する電場を生成させる多段階電極であり、電極には中空円盤型の電極、メッシュ電極、平行盤電極などの電極が用いられる。例えば、真空容器13を接地し、電極を絶縁体によって真空容器13に固定し、電極を通過するタイミングに同期して各電極間に重粒子イオンが存在している時間より短いパルス電圧を印加する。このパルス電圧は、正電圧でも負電圧でもよく、正電圧の場合は重粒子イオンを押し出すため、重粒子イオンが電極を通過した後に電圧を印加すればよい。負電圧の場合は、重粒子イオンを引き出すため、電極の通過前に電圧を印加すればよい。また、重粒子イオンが存在する電極の後方の電極は正電圧、前方の電極は負電圧を印加するのでもよい。
The ion accelerating means 17 is a multi-stage electrode that generates an electric field that accelerates the heavy particle ions extracted by the
また、筒状容器27の途中の中間容器28に設けられたイオン速度測定手段18は、レーザ照射によって生じたプラズマ中の重粒子イオンの速度を測定する手段である。このイオン速度測定手段18は、各価数のイオン速度分布が合成されたイオン速度分布と同時に、検出器を流れる電流値を測定するためファラデーカップなどで構成されている。例えば、ファラデーカップでは、プラズマ中の重粒子イオンを捕獲する導体部材質に、金、白金、銅、ニッケルなど金属導体が用いられる。
The ion velocity measuring means 18 provided in the
平行移動手段30は、真空容器13の中心軸から物質表面に平行にイオン速度測定手段18を移動させる平行移動手段であり、イオン速度測定手段18の位置を外部から変更できるステッピングモータやサーボモータなどのモータ駆動機構で構成される。平行移動手段30は、例えば、図3のような構造を有する。イオン源23の調整時などには、実際に加速器に入射する重粒子イオンの検出をするため、イオン速度測定手段18を図3に示す点線の内部18aに設置し、治療中は加速器に多くの重粒子イオンを入射させるため、図3に示す点線の外部18bに設置する。イオン速度測定手段18は、プラズマ中の重粒子イオンの分布から加速器に入射するイオン量を推定している。
The parallel moving means 30 is a parallel moving means for moving the ion velocity measuring means 18 from the central axis of the
ところで、真空容器13内に設けられた体積測定手段19a,19bは、物質14にレーザ照射によってできる照射痕の体積を測定する三次元測定手段である。この体積測定手段19a,19bには、レーザ光や超音波を用いた測定方法などが用いられる。レーザ光を用いる場合は、光切断法やモアレ法、ステレオ視法などが適用可能であり、超音波を用いる場合は物質14の固定部等に接合するなどして適用可能である。照射痕の体積と、物質14の密度から蒸発した原子数を見積もることができる。レーザの入射エネルギの多くは物質14の加熱、蒸発に用いられ、入射エネルギから蒸発に使われたエネルギにより原子がイオン化される。
By the way, the volume measuring means 19a and 19b provided in the
プラズマ中では電子がレーザ光の熱エネルギや電場などによって、エネルギを得て高エネルギになり、高エネルギをもつ電子が、中性粒子や重粒子イオンと反応し、イオン価数を段階的に大きくする。そのため物質を蒸発させるために消費エネルギを小さくすることで、プラズマ中の電子、重粒子イオンの温度を高くし、高い価数の高価イオンの生成効率が向上する。 In the plasma, electrons gain energy by the thermal energy or electric field of the laser beam and become high energy, and the electrons with high energy react with neutral particles and heavy particle ions to increase the ion valence stepwise. To do. Therefore, by reducing the energy consumption for evaporating the substance, the temperature of electrons and heavy particle ions in the plasma is raised, and the production efficiency of high-valence and expensive ions is improved.
真空容器13内の物質移動手段24は、物質14を移動、回転させ新しい照射面を確保するための手段である。物質移動手段24は、外部から移動回転を制御できるステッピングモータやサーボモータなどのモータ駆動機構によって構成される。例えば図4に示すようなモータ駆動機構の構造を有する。レーザ照射によって生じるプラズマ分布は、物質14に対し垂直方向にピークを持つため、レーザ照射痕が深くなるにつれ、物質14に蒸着してしまい発生イオン数が少なくなる。そのため、照射面を新しく保つことで、イオン発生量を一定に保つことができる。回転のタイミングは、レーザの1パルスごとや、体積測定手段19a,19bによって測定できる体積変化が閾値を下回った場合、イオン速度測定手段18で見積もれるイオン電流値が閾値を下回った場合などによって決めてよい。
The substance moving means 24 in the
また、図1に示すイオン速度分布演算手段20は、発生したイオン数を演算するための手段である。イオン速度分布演算手段20は、イオン速度測定手段18で得られるイオン速度分布と体積測定手段19a,19bより価数ごとのイオン速度分布とを演算するイオン速度演算手段21と、その値を出力する出力手段22とを備える。イオン速度分布演算手段20は、イオン速度演算手段21が、例えば、経過時間における価数ごとのイオン速度分布を計算するイオン速度演算部と、価数ごとのイオン速度分布からイオン数を演算するイオン数演算部と、その値の出力部を備えたPCで構成される。
Moreover, the ion velocity distribution calculating means 20 shown in FIG. 1 is a means for calculating the number of generated ions. The ion velocity distribution calculating means 20 outputs the ion velocity calculating means 21 for calculating the ion velocity distribution obtained by the ion velocity measuring means 18 and the ion velocity distribution for each valence from the volume measuring means 19a, 19b, and the value. Output means 22. The ion velocity
PCは、デスクトップPC,ラップトップPC,ノートPC等の汎用PCが用いられる。入射エネルギはパルスレーザ光源11に依存し、物質14に吸収されたエネルギによって物質14を蒸発させる。プラズマ中のイオン価数の電離度Xは式(1)で示されるようなsahaの式で表される。
式(1)で示されるように、電離度はプラズマの温度Tと密度n、イオン化エネルギIに依存するが、プラズマの平衡温度を決める熱エネルギは、レーザのエネルギから物質14が蒸発する際の蒸発エネルギを引いた値に依存するため、照射痕の体積をモニタすることが重要である。
As shown in equation (1), the ionization degree depends on the temperature T, density n, and ionization energy I of the plasma, but the thermal energy that determines the equilibrium temperature of the plasma is determined when the
また、プラズマ中の重粒子イオン、レーザ照射直後、電子は熱的エネルギで等方向に膨張するが、電子の質量は重粒子イオンの質量にくらべ約1000分の1程度なので小さく、その膨張速度は30倍以上となる。そのため、イオン分布の周囲に電子が広がっている分布となることとなり、イオン分布外側の電子と、重粒子イオンによる電場が生じる。この電場により、重粒子イオンが価数に依存する力を受けるため、各イオン電流の分布が分かれる。 In addition, the heavy particle ions in the plasma, immediately after the laser irradiation, the electrons expand in the same direction with thermal energy, but the mass of the electrons is about 1/1000 that of the heavy particle ions, and the expansion rate is small. 30 times or more. Therefore, the distribution of electrons spreads around the ion distribution, and an electric field is generated due to electrons outside the ion distribution and heavy particle ions. Due to this electric field, the heavy particle ions receive a force depending on the valence, so that the distribution of each ion current is divided.
そのイオン電流の時間分布は、マクスウェル−ボルツマン分布を仮定すると、距離L、イオン速度v、イオン質量m、プラズマ温度Tによってより式(2)に示される。
なお、kBはボルツマン定数である。距離L、イオン質量mは既知であるため、イオン速度v、プラズマ温度Tをパラメータとしたマクスウェル−ボルツマン分布を用いたfittingにより、価数ごとのイオン速度分布を求め、価数ごとのイオン速度分布から価数ごとのイオン数を演算可能である。 Here, k B is a Boltzmann constant. Since the distance L and the ion mass m are known, the ion velocity distribution for each valence is obtained by fitting using the Maxwell-Boltzmann distribution with the ion velocity v and the plasma temperature T as parameters, and the ion velocity distribution for each valence. Can calculate the number of ions for each valence.
プラズマ中のイオン分布はほぼ決まった分布を持っており、予めイオン速度測定手段18の位置を変えて空間分布を測定することにより、任意のイオン速度測定手段18の場所から、加速器入射イオン数、イオン総数を見積もることが可能である。 The ion distribution in the plasma has a substantially fixed distribution. By measuring the spatial distribution by changing the position of the ion velocity measuring means 18 in advance, the number of ions incident on the accelerator from the location of the arbitrary ion velocity measuring means 18, It is possible to estimate the total number of ions.
(第1実施形態の作用)
重粒子線治療用のイオンビームはイオン価数が高いこと、イオン数が十分であることが必要である。イオン源23で生成される重粒子イオンの価数は、レーザ光のパワー密度に正の相関があるため、パルスレーザ光源11からのレーザ光のエネルギ損失が少ない方が良い。
(Operation of the first embodiment)
An ion beam for heavy ion beam therapy needs to have a high ion valence and a sufficient number of ions. Since the valence of heavy particle ions generated by the
パルスレーザ光源11から発生させたレーザ光は、レーザ光の波長に適したコーティングを施した入射窓25を通じて真空容器13に入射することで、レーザ光の反射を抑えて物質14に照射する。レーザ光が物質14に集光照射されると、物質14表面付近にレーザアブレーションプラズマが生じ、プラズマ中の重粒子イオンと電子は反応しながら、物質14の表面に対し垂直方向に飛行する。
The laser light generated from the pulsed
プラズマの温度が高いうちはイオン化が進むが、プラズマ温度が低くなると重粒子イオンと電子が結合し元の原子に戻ってしまうため、イオン引出手段16を用いてプラズマ中の電子を剥ぎ取り、重粒子イオンを引き出して重粒子イオンと電子の反応を抑えることでイオン数を確保する。同時に、重粒子イオンと電子の無駄な反応を防ぐことができるため、価数ごとの速度分布が狭いものになる。
Ionization proceeds while the plasma temperature is high, but when the plasma temperature is low, heavy particle ions and electrons are combined and returned to the original atoms, so the ions in the plasma are stripped off using the
電子を剥ぎ取られた重粒子イオンは、価数ごとの速度差を持ちながら筒状容器27中を飛行するが、価数が大きくなると速度差は小さくなり、速度分布の違いによる価数ごとのイオン数評価は難しいため、イオン加速手段17を用いて価数ごとの速度差を大きくする。価数ごとに速度差を持った重粒子イオンの大部分は、加速器の入射口に入り治療に使用されるが、加速器に入射しない重粒子イオンを、中間容器28中の平行移動手段30を用いて加速器入射口脇に設置したイオン速度測定手段18で測定し、イオン速度分布演算手段20を用いてイオン価数、生成数の測定を行うことでイオン数を常時モニタする。
The heavy particle ions from which electrons have been stripped fly in the
また、イオン源23の調整時等に平行移動手段30を用いて、イオン速度測定手段18の位置を変更し、イオン価数、生成数の測定を行うことでイオン空間分布を測定することができ、イオン空間分布と、加速器入射口脇に設置したイオン速度測定手段18で得られる電流分布と、イオン速度分布演算手段20より加速器に入射しているイオン数を常時見積もることが可能になる。
In addition, the ion spatial distribution can be measured by changing the position of the ion velocity measuring means 18 and measuring the ion valence and the number of products by using the parallel moving means 30 when adjusting the
発生イオン数は、パルスレーザ光を物質14の同位置に集光照射し続けると減少するが、発生イオン数の減少を防ぐため、体積測定手段19a,19bの3次元測定法でモニタし体積変化が閾値を下回った場合に物質移動手段24により、物質の照射面を新しいものに変えることで、安定した価数の重粒子イオンビームを提供することができる。
The number of generated ions decreases when the pulse laser beam is continuously focused on the
また、イオン数を常時モニタすることで、イオン数が閾値を下回った場合、物質移動手段24としての回転手段により回転させ物質表面を新しくする、または、レーザのエネルギをあげるなどの対応をすることで、安定した数の重粒子イオンビームを提供することができる。他方、仮に治療段階で重粒子線ビーム数が不足した場合、その原因はイオン源23か、加速器にあることがほとんどであるが、加速器に入射前のイオン数を測定する手段によって、イオン源23に原因があるか否かを迅速に判断する。
In addition, by constantly monitoring the number of ions, when the number of ions falls below a threshold value, the rotating means as the substance moving means 24 rotates the substance surface, or measures such as increasing the laser energy are taken. Thus, a stable number of heavy particle ion beams can be provided. On the other hand, if the number of heavy particle beam beams is insufficient in the treatment stage, the cause is mostly in the
(第1実施形態の効果)
本実施形態によれば、多価価数のイオンを提供するにあたり、加速器や荷電交換装置が不要であり、必要価数のイオンを必要数安定して提供することができる。また、イオン源23で発生したイオンビームは、治療可能なエネルギに加速するまで一定の割合が失われるため、治療に必要なイオン数が保たれているかモニタする必要がある。現状用いられているマイクロ波によるイオン源は、イオン化の段階で加速器を用いているため、必要な価数のイオン数の確認に加速器が必要であったが、加速器入射前に価数ごとのイオン数を常時モニタすることで、イオン源23の調整が容易に正確に行うことができる。
(Effect of 1st Embodiment)
According to this embodiment, when providing multivalent valence ions, an accelerator and a charge exchange device are not required, and a necessary number of ions can be stably provided. In addition, since a certain ratio of the ion beam generated by the
[第2の実施形態]
次に、レーザイオン発生装置の第2実施形態を図6を参照して説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the laser ion generator will be described with reference to FIG.
第2実施形態のレーザイオン発生装置10Aを説明するに当り、第1実施形態に示されたレーザイオン発生装置10と同じ構成および作用には同一符号を付し、重複する説明あるいは図示を省略する。
In describing the laser
図6に示すレーザイオン発生装置10Aは、複数のレーザ光路を備え、真空容器13内に設けられた物質14に複数のレーザ光路からレーザ光を集光照射してレーザ励起プラズマを発生させるプラズマ発生手段15を設けたものである。
A
このレーザイオン発生装置10Aは、パルスレーザ光源11からのレーザ光を複数、例えば二つに分岐させるレーザ光分岐手段35と、このレーザ光分岐手段35をパルスレーザ光源11からのレーザ光路上に挿入する挿入手段36と、分岐されたレーザ光を真空容器13内設置のプラズマ発生ターゲットとしての物質14の同じ位置に異なる方向から集光照射させる光路調整手段38a,38bと、レーザ光の波長を変更する波長変換手段39a,39bと、分岐されたレーザ光を真空容器13内に案内する入射窓25a,25bと、物質14上へのレーザ光照射により生じたレーザ励起プラズマ中の重粒子イオンを引き出すイオン引出手段16と、プラズマ中のイオン速度を測定するイオン速度測定手段18と、パルスレーザ光を照射することによってできるビーム痕の体積を観測する体積測定手段19a,19bと、物質14を移動、回転させる物質移動手段24と、イオン価数、イオン数を求めるイオン速度分布演算手段20と等から構成される。
The
レーザ光分岐手段35は、短パルスレーザ光からのレーザ光を2つ以上に分岐させるための光学素子であり、ベリクルビームスプリッタやキューブビームスプリッタ、プレートビームスプリッタが用いられる。ビームスプリッタに広帯域誘電体コーティング、レーザライン無偏光コーティング、広帯域ハイブリッドコーティング、偏光コーティングのコーティングを施してもよい。 The laser beam branching unit 35 is an optical element for branching the laser beam from the short pulse laser beam into two or more, and a Vericle beam splitter, a cube beam splitter, or a plate beam splitter is used. The beam splitter may be coated with a broadband dielectric coating, a laser line non-polarizing coating, a broadband hybrid coating, or a polarizing coating.
また、挿入手段36は、レーザ光分岐手段35を短パルスレーザ光源11からのレーザ光路上に挿入できる手段で、レーザ光分岐手段35の位置を外部から変更できるステッピングモータやサーボモータなどのモータ駆動機構で構成される。
The insertion means 36 is means for inserting the laser beam branching means 35 into the laser light path from the short pulse
パルスレーザ光源11からのレーザ光は時間的な広がりを持っており、レーザ光が照射された瞬間よりレーザ励起プラズマは発生する。レーザ光の照射中はイオン化が進み、プラズマ中の電子密度が増加するが、増加しすぎるとレーザ光のプラズマ中の透過率が悪くなりレーザ光のエネルギが物質14に吸収されにくくなるため、電子密度を制御する必要がある。
The laser light from the pulse
レーザ光を2つ以上に分岐し1つのレーザ光のエネルギを小さくすることで、プラズマ中の電子密度を小さくし、プラズマ表面での散乱、反射を抑え、レーザ光のエネルギの損失を少なく物質14に照射することができる。挿入手段36を用いて、レーザ光分岐手段35を短パルスレーザ光源11からのレーザ光路上から除くことにより、実施形態1と同様、単一光路を再現できるようにしておき、イオン数が多く出る方法を選択できるようにしてもよい。
By branching the laser beam into two or more and reducing the energy of one laser beam, the electron density in the plasma is reduced, scattering and reflection on the plasma surface are suppressed, and the loss of energy of the laser beam is reduced. Can be irradiated. By removing the laser beam branching means 35 from the laser light path from the short pulse
光路調整手段38a,38bは、複数に分岐されたパルスレーザ光源11からのレーザ光を、物質14上の同じ位置に照射させる反射鏡等の光学系から構成される。
The optical path adjusting means 38 a and 38 b are configured by an optical system such as a reflecting mirror that irradiates the same position on the material 14 with the laser beam from the pulse
さらに、波長変換手段39a,39bは、レーザ光の波長を変換するための光学素子である。パルスレーザ光源11が、例えばYAGレーザの場合、非線形光学結晶を用いて高調波に波長変換して適用してもよい。
Furthermore, the wavelength conversion means 39a and 39b are optical elements for converting the wavelength of the laser light. When the pulse
レーザ光の波長が短いほど、光子あたりのエネルギは大きくなるため、物質14に吸収され易い。また、図示を省略した集光手段としてのレンズの焦点位置における回折限界の集光直径dは、式(3)によって表すことができる。
短波長の方が集光時の直径を小さくできるため、物質14に入射するレーザ光のエネルギ密度が向上する。
Since the shorter wavelength can reduce the diameter at the time of condensing, the energy density of the laser light incident on the
(第2実施形態の作用)
次に、レーザイオン発生装置の作用を説明する。
(Operation of Second Embodiment)
Next, the operation of the laser ion generator will be described.
第1実施形態の作用と重複する説明は省略する。レーザ励起プラズマ中の重粒子イオンの価数は、プラズマの平衡温度、密度と相関があり、平衡温度を高温にするためには、物質14に多くのエネルギが照射される必要がある。パルスレーザ光源11より発振されるレーザ光を、レーザ光分岐手段35を用いてレーザ光を2つ以上に分岐し、分岐されたレーザ光を光路調整手段38a,38bを用いて、物質14上の同位置に異なる方向から照射できるように調整する。
A description overlapping with that of the first embodiment is omitted. The valence of heavy particle ions in the laser-excited plasma has a correlation with the equilibrium temperature and density of the plasma. In order to increase the equilibrium temperature, it is necessary to irradiate the
レーザ光路を調整された2つ以上のレーザ光の波長を、波長変換手段39a,39bにより短い波長に変換すると、レーザ光を集光する際にビーム径も小さくすることができ、光子あたりのエネルギが上昇するため物質14の吸収率が高くなる。
When the wavelengths of two or more laser beams whose laser beam paths are adjusted are converted to shorter wavelengths by the
さらに、レーザ光の波長に適したコーティングを施した複数の入射窓25a,25bを通じてレーザ光の反射を抑えることで、全照射エネルギを小さくすることなく電子密度を制御し、イオンの発生数を安定して確保する。電子密度は物質14と、パルスレーザ光源11の性質によるものであるため、分岐の必要がない場合も考えられる。挿入手段36を用いてレーザ光分岐手段35の設置する位置を制御し、単一光路の場合と、複数光路の場合のイオン数が多く出る方法の選択をすることで、安定したイオン数を提供することができる。
In addition, by suppressing the reflection of the laser beam through a plurality of
(第2実施形態の効果)
第2実施形態のレーザイオン発生装置10Aによれば、物質14の特性によらずレーザ光の吸収率を向上することが可能になり、安定したイオン数を確保することができる。また、プラズマによるレーザ光の反射が原因で発生イオン量が減少する場合において、プラズマ中の電子密度を制御しレーザ光の反射を抑えることが可能であり、レーザ光のエネルギ損失抑え安定したイオン数を提供することができる。
(Effect of 2nd Embodiment)
According to the
[第3の実施形態]
図7は、レーザイオン発生装置の第3実施形態を示すものである。
[Third Embodiment]
FIG. 7 shows a third embodiment of the laser ion generator.
第3実施形態のレーザイオン発生装置10Bを説明するに当り、第1実施形態に示されたレーザイオン発生装置10と同じ構成および作用には同一符号を付し、重複する説明あるいは図示は省略する。
In describing the laser
図7に示すレーザイオン発生装置10Bは、真空容器13内部に設置された物質14にレーザ光を照射し、レーザ励起プラズマを発生させるプラズマ発生手段15において、複数のパルスレーザ光源11,11と、複数のパルスレーザ光を物質14上の同じ点に同時に照射するよう調節する複数の光路調整手段(図示なし)と、レーザ光の波長を変更する複数の波長変換手段39a,39bと、レーザ光が真空容器13内に案内される複数の入射窓25a,25bと、生じたプラズマ中の重粒子イオンを引き出すイオン引出手段16と、プラズマ中のイオン速度を測定するイオン速度測定手段18と、パルスレーザ光を照射することによってできるビーム痕の体積を観測する体積測定手段19a,19bと、物質14を移動、回転させる物質移動手段24と、イオン価数、イオン数を求めるイオン速度分布演算手段20とから構成される。
A
(第3実施形態の作用)
第1実施形態のレーザイオン発生装置10と重複する説明は省略する。複数のパルスレーザ光源11からのレーザ光を、複数の光路調整手段を用いて物質14上の同位置に同じタイミングで照射するよう光路調整する。調整した複数のレーザ光を、複数の波長変換手段39a,39bを用いて吸収率の高い波長に変更し、複数のレーザ光の波長に適したコーティングを施した複数の入射窓25a,25bを通じて真空容器13内の物質14に入射する。
(Operation of the third embodiment)
A duplicate description with the
第3実施形態のレーザイオン発生装置10Bは、複数のパルスレーザ光源11,11を備えて、単一のパルスレーザ光源では得られない高いエネルギを得ることが可能であり、物質14のイオン化に多くのエネルギを必要とする場合であっても安定したイオン数を確保することができる。
The
(第3実施形態の効果)
第3実施形態のレーザイオン発生装置10Bによれば、物質に入射するエネルギの総量を、単一パルスレーザ光源と比較し大きくすることができるため、エネルギ密度が向上しイオン化に大きなエネルギを必要とする物質14に対しても、イオン数を安定して提供することができる。
(Effect of the third embodiment)
According to the
10,10A,10B レーザイオン発生装置
11 パルスレーザ光源
12 光路調整手段
13 真空容器
14 物質
15 プラズマ発生手段
16 イオン引出手段
17 イオン加速手段
18 イオン速度測定手段
19a,19b 体積測定手段
20 イオン速度分布演算手段
21 イオン速度演算手段
22 出力手段
23 イオン源
24 物質移動手段
25,25a,25b 入射窓
27 筒状容器
28 中間容器
30 平行移動手段
31a,31b 体積測定手段
35 レーザ光分岐手段
36 挿入手段
38a,38b 光路調整手段
39a,39b 波長変換手段
10, 10A, 10B
Claims (10)
前記パルスレーザ光源からのレーザ光を物質に照射してプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
発生したプラズマ中の重粒子イオンを電界によって引き出すイオン引出手段と、
引き出された重粒子イオンのイオン速度分布を測定するイオン速度測定手段と、
前記イオン速度測定手段から各価数のイオン速度分布とイオン数を演算して出力するイオン速度分布演算手段とを有することを特徴とするレーザイオン発生装置。 A pulsed laser light source for generating laser light;
Plasma generating means for generating plasma by irradiating a substance with laser light from the pulse laser light source;
Ion extraction means for extracting heavy particle ions in the generated plasma by an electric field;
An ion velocity measuring means for measuring the ion velocity distribution of the extracted heavy particle ions;
An ion velocity distribution calculating means for calculating and outputting an ion velocity distribution of each valence and the number of ions from the ion velocity measuring means.
レーザ光を複数光路に分けるレーザ光分岐手段と、
このレーザ光分岐手段を前記パルスレーザ光源からのレーザ光路上に挿入する挿入手段と、
前記レーザ光分岐手段によって分岐されたレーザ光を前記物質に集光させる集光手段とを備えた請求項2に記載のレーザイオン発生装置。 The laser beam adjusting means is
Laser beam branching means for dividing the laser beam into a plurality of optical paths;
Inserting means for inserting the laser beam branching means into the laser light path from the pulse laser light source;
The laser ion generator according to claim 2, further comprising: a condensing unit that condenses the laser beam branched by the laser beam branching unit on the substance.
前記パルスレーザ光源からのレーザ光を物質に集光させる集光手段と、
前記レーザ光の波長を変換する波長変換手段とから構成される請求項2または7に記載のレーザイオン発生装置。 The laser beam adjusting means is
Condensing means for condensing the laser light from the pulsed laser light source onto a substance;
The laser ion generator according to claim 2 or 7, comprising wavelength conversion means for converting the wavelength of the laser light.
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