JP2012142248A - Laser ion generator - Google Patents

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Naoto Kume
直人 久米
Hidehiko Kuroda
英彦 黒田
Akiko Sumiya
晶子 角谷
Akira Kuwako
彰 桑子
Shigehiko Mukai
成彦 向井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low-cost laser ion generator capable of transmitting an ion of high valence and measuring an ion speed distribution of required valence and the number of ions without an accelerator.SOLUTION: The laser ion generator comprises: a pulse laser light source 11 which generates a laser beam; plasma generation means 15 which generates a plasma by irradiating a material 14 with the laser beam generated from the pulse laser light source 11; ion extraction means 16 which extracts a heavy particle ion in the generated plasma with an electric field; ion speed measurement means 18 which measures an ion speed distribution of the extracted heavy particle ion; and ion speed distribution calculation means which calculates and outputs an ion speed distribution and the number of ions of each valence from the ion speed measurement means.

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).

特開2009−37704号公報JP 2009-37704 A

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.

本発明の第1実施形態を示すレーザイオン発生装置の構成図。The block diagram of the laser ion generator which shows 1st Embodiment of this invention. レーザイオン発生装置に備えられる真空容器、筒状容器および中間容器を示す図。The figure which shows the vacuum vessel, cylindrical container, and intermediate | middle container with which a laser ion generator is equipped. レーザイオン発生装置のイオン速度測定手段に備えられる平行移動手段の例を示す図。The figure which shows the example of the parallel displacement means with which the ion velocity measurement means of a laser ion generator is equipped. 真空容器内に設置される物質の移動手順を簡素化して示す図。The figure which simplifies and shows the movement procedure of the substance installed in a vacuum vessel. イオン加速手段を示す図。The figure which shows an ion acceleration means. 本発明の第2実施形態を示すレーザイオン発生装置の構成図。The block diagram of the laser ion generator which shows 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態を示すレーザイオン発生装置の構成図。The block diagram of the laser ion generator which shows 3rd Embodiment of this invention.

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 laser ion generator 10 according to the present invention.

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 laser ion generator 10 includes a pulse laser light source 11, an optical path adjusting unit 12 that adjusts an optical path of laser light output from the pulse laser light source 11, and a vacuum container 13 that is kept in a vacuum environment and sealed. Plasma generating means 15 for generating plasma by irradiating a plasma generation target material 14 with pulsed laser light, ion extracting means 16 for applying an electric field to the generated plasma and extracting heavy particle ions by Coulomb force, and ion extracting means Ion acceleration means 17 for accelerating the ions extracted by 16 by an electric field, ion velocity measurement means 18 for measuring the ion velocity distribution of heavy particle ions extracted and accelerated by the electric field, and the number of ions in the generated plasma. From the volume measuring means 19a, 19b to be measured, and the measured number of ions and ion velocity distribution, Calculates the on-valence and the number of ions, and an ion velocity distribution calculating means 20 for outputting.

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 ion source 23 is constituted by a plasma generating means 15 for generating a plasma by irradiating a material 14 which is a plasma generation target with a pulse laser beam, and an ion extracting means 16 for extracting heavy particle ions from the generated plasma.

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 vacuum container 13, and the substance 14 on the plasma generation target is installed so as to be movable or rotatable by the substance moving means 24. Further, the vacuum vessel 13 is provided with an incident window 25 in which the incident angle of the pulse laser beam is set to the Brewster angle, and the pulse laser beam from the pulse laser light source 11 is guided through the incident window 25. The entrance window 25 is made of a material such as quartz, fused quartz, or BK7 in order to suppress the reflection of the laser beam and transmit it. The pulse laser beam passing through the incident window 25 is focused and irradiated on the substance 14 in the vacuum vessel 13, and plasma containing heavy particle ions having a high valence is generated in the vacuum vessel 13 by laser excitation. In the case where pulsed laser light can be condensed from the pulsed laser light source 11 onto the substance 14 in the vacuum vessel 13 and directly irradiated, the optical path adjusting means 12 is not necessarily provided.

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 cylindrical container 27 extends from the vacuum container 13, and the cylindrical container 27 is provided with an intermediate container 28 having a width larger than the inner diameter of the cylindrical container 27 as shown in FIG. The vacuum vessel 13, the cylindrical vessel 27, and the intermediate vessel 28 are made of a material that is excellent in corrosion resistance and chemical resistance, such as stainless steel, and that emits less gas. Each container 13, 27, 28 is configured as a vacuum container so that a vacuum pump and a vacuum gauge (not shown) are attached and the inside of the container is maintained in a vacuum environment.

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 substance 14 installed in the vacuum vessel 13 of the plasma generating means 15 include carbon, silicon, helium, neon, argon, nitrogen, hydrogen and the like. The heavy particle ions present in the plasma of the substance 14 have a characteristic that the penetration depth in the body is determined by the energy, and the energy is suddenly released immediately before stopping. This phenomenon of heavy ion (heavy particle beam) is called black peak, and this phenomenon is used in heavy particle beam therapy.

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 CO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 laser light source 11 is a pulsed laser that generates laser-excited plasma by irradiating a substance 14 that is a plasma generation target with laser light. Two lasers, Q-switch YAG laser, etc. are applicable. Note that the transverse mode, longitudinal mode, polarization state, circular, elliptical, or rectangular beam shape of the pulse laser light source 11 can be appropriately selected.

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 vacuum vessel 13 is grounded, and a negative cylindrical pulse voltage is applied to a hollow cylindrical electrode fixed to the vacuum vessel 13 by an insulator. After extracting the voltage, the voltage may be dropped during the time when ions pass through the electrode.

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 substance 14 in the vacuum vessel 13 by laser irradiation is ionized on the assumption that it thermally expands, and ionization proceeds stepwise by the electrons generated along with the ionization. When the laser irradiation is completed, the plasma gradually cools. However, since ions and electrons continuously react in the plasma, the velocity distribution for each ion valence broadens. By repelling the electrons after the laser irradiation is completed, the reaction between useless electrons and ions can be suppressed, and the velocity distribution of heavy particle ions can be narrowed.

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 ion extracting means 16, and an electrode such as a hollow disk electrode, a mesh electrode, or a parallel disk electrode is used as the electrode. Used. For example, the vacuum vessel 13 is grounded, the electrode is fixed to the vacuum vessel 13 with an insulator, and a pulse voltage shorter than the time during which heavy particle ions exist is applied between the electrodes in synchronization with the timing of passing through the electrodes. . The pulse voltage may be a positive voltage or a negative voltage. In the case of a positive voltage, the heavy particle ions are pushed out, and therefore, the voltage may be applied after the heavy particle ions pass through the electrode. In the case of a negative voltage, the voltage may be applied before passing through the electrode in order to extract heavy particle ions. Further, a positive voltage may be applied to the rear electrode of the electrode where heavy particle ions exist, and a negative voltage may be applied to the front electrode.

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 intermediate container 28 in the middle of the cylindrical container 27 is a means for measuring the velocity of heavy particle ions in the plasma generated by laser irradiation. The ion velocity measuring means 18 is composed of a Faraday cup or the like for measuring the value of the current flowing through the detector simultaneously with the ion velocity distribution obtained by synthesizing the ion velocity distribution of each valence. For example, in the Faraday cup, a metal conductor such as gold, platinum, copper, or nickel is used as a conductor member material that captures heavy particle ions in plasma.

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 vacuum vessel 13 in parallel to the material surface. A stepping motor, a servo motor or the like that can change the position of the ion velocity measuring means 18 from the outside. The motor drive mechanism is configured. The translation means 30 has a structure as shown in FIG. 3, for example. When adjusting the ion source 23, in order to detect heavy particle ions actually incident on the accelerator, the ion velocity measuring means 18 is installed in the interior 18a of the dotted line shown in FIG. In order to make heavy particle ions enter, it is installed on the outside 18b of the dotted line shown in FIG. The ion velocity measuring means 18 estimates the amount of ions incident on the accelerator from the distribution of heavy particle ions in the plasma.

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 vacuum vessel 13 is a three-dimensional measuring means for measuring the volume of the irradiation mark formed by laser irradiation on the substance 14. For the volume measuring means 19a, 19b, a measuring method using laser light or ultrasonic waves is used. When laser light is used, a light cutting method, a moire method, a stereo vision method, or the like can be applied. When an ultrasonic wave is used, it can be applied by bonding to a fixed portion of the substance 14 or the like. The number of evaporated atoms can be estimated from the volume of the irradiation mark and the density of the substance 14. Most of the incident energy of the laser is used for heating and evaporation of the substance 14, and atoms are ionized by the energy used for evaporation from the incident energy.

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 vacuum vessel 13 is a means for moving and rotating the substance 14 to secure a new irradiation surface. The substance moving unit 24 is configured by a motor driving mechanism such as a stepping motor or a servo motor that can control the movement and rotation from the outside. For example, it has a structure of a motor drive mechanism as shown in FIG. Since the plasma distribution generated by laser irradiation has a peak in the direction perpendicular to the substance 14, as the laser irradiation trace becomes deeper, it is deposited on the substance 14 and the number of generated ions decreases. Therefore, the ion generation amount can be kept constant by keeping the irradiation surface new. The timing of rotation is determined by each pulse of the laser, when the volume change measurable by the volume measuring means 19a, 19b falls below the threshold, or when the ion current value estimated by the ion velocity measuring means 18 falls below the threshold. It's okay.

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 distribution calculating unit 20 includes, for example, an ion velocity calculating unit 21 that calculates an ion velocity distribution for each valence at an elapsed time, and an ion for calculating the number of ions from the ion velocity distribution for each valence. It is composed of a PC having a number calculation unit and an output unit for the value.

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。

Figure 2012142248
As the PC, a general-purpose PC such as a desktop PC, a laptop PC, or a notebook PC is used. The incident energy depends on the pulse laser light source 11, and the substance 14 is evaporated by the energy absorbed by the substance 14. The ionization degree X of the ion valence in the plasma is expressed by the saha equation as shown by the equation (1).
Figure 2012142248

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 substance 14 evaporates from the laser energy. Since it depends on the value obtained by subtracting the evaporation energy, it is important to monitor the volume of the irradiation mark.

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。

Figure 2012142248
Assuming a Maxwell-Boltzmann distribution, the time distribution of the ion current is expressed by Equation (2) by the distance L, the ion velocity v, the ion mass m, and the plasma temperature T.
Figure 2012142248

なお、k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 ion source 23 has a positive correlation with the power density of the laser light, it is preferable that the energy loss of the laser light from the pulse laser light source 11 is small.

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 laser light source 11 is incident on the vacuum container 13 through the incident window 25 provided with a coating suitable for the wavelength of the laser light, thereby irradiating the substance 14 while suppressing reflection of the laser light. When the laser beam is focused on the substance 14, laser ablation plasma is generated near the surface of the substance 14, and heavy particle ions and electrons in the plasma fly in a direction perpendicular to the surface of the substance 14.

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 ion extracting means 16 and The number of ions is secured by extracting the particle ions and suppressing the reaction between the heavy particle ions and the electrons. At the same time, a wasteful reaction between heavy particle ions and electrons can be prevented, so that the velocity distribution for each valence becomes narrow.

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 cylindrical container 27 while having a speed difference for each valence. However, as the valence increases, the speed difference decreases, and for each valence due to the difference in speed distribution. Since it is difficult to evaluate the number of ions, the ion acceleration means 17 is used to increase the speed difference for each valence. Most of the heavy particle ions having a velocity difference for each valence enter the entrance of the accelerator and are used for treatment, but the heavy particle ions that do not enter the accelerator are converted using the translation means 30 in the intermediate container 28. The ion velocity is measured by the ion velocity measuring means 18 installed beside the accelerator entrance, and the ion valence and the number of products are measured using the ion velocity distribution calculating means 20 to constantly monitor the number of ions.

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 ion source 23. It is possible to constantly estimate the ion spatial distribution, the current distribution obtained by the ion velocity measuring means 18 installed beside the accelerator entrance, and the number of ions incident on the accelerator from the ion velocity distribution calculating means 20.

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 substance 14 and is reduced. However, in order to prevent a decrease in the number of generated ions, the volume change is monitored by the three-dimensional measuring method of the volume measuring means 19a, 19b. Can be provided with a heavy particle ion beam having a stable valence by changing the irradiation surface of the substance to a new one by the substance moving means 24 when the value of the particle is below the threshold value.

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 ion source 23 or the accelerator, but the ion source 23 is measured by means for measuring the number of ions before entering the accelerator. Quickly determine whether or not there is a cause.

(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 ion source 23 is lost until the energy is accelerated to a treatable energy, it is necessary to monitor whether the number of ions necessary for the treatment is maintained. The current microwave ion source uses an accelerator at the stage of ionization, so an accelerator was required to confirm the number of ions with the required valence. By constantly monitoring the number, the ion source 23 can be adjusted easily and accurately.

[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 ion generating apparatus 10A of the second embodiment, the same components and functions as those of the laser ion generating apparatus 10 shown in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description or illustration is omitted. .

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 laser ion generator 10A shown in FIG. 6 includes a plurality of laser light paths, and generates a laser excitation plasma by condensing and irradiating a laser beam onto a substance 14 provided in the vacuum vessel 13 from the plurality of laser light paths. Means 15 are provided.

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 laser ion generator 10A includes a laser beam branching unit 35 that branches the laser beam from the pulse laser source 11 into a plurality of, for example, two, and the laser beam branching unit 35 inserted into the laser beam path from the pulse laser source 11. Inserting means 36, optical path adjusting means 38a, 38b for condensing and irradiating the branched laser light to the same position of the substance 14 as the plasma generation target installed in the vacuum vessel 13 from different directions, and changing the wavelength of the laser light Wavelength conversion means 39a, 39b for performing the operation, incident windows 25a, 25b for guiding the branched laser light into the vacuum vessel 13, and heavy particle ions in the laser-excited plasma generated by the laser light irradiation on the substance 14 are extracted. Ion extraction means 16, ion velocity measurement means 18 for measuring ion velocity in plasma, and pulsed laser light irradiation The volume measuring means 19a, 19b for observing the volume of the beam mark formed by this, the substance moving means 24 for moving and rotating the substance 14, the ion velocity distribution calculating means 20 for obtaining the ion valence and the number of ions, etc. 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 laser light source 11, and is driven by a motor such as a stepping motor or servo motor capable of changing the position of the laser light branching means 35 from the outside. It consists of a mechanism.

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 laser light source 11 has a temporal spread, and laser-excited plasma is generated from the moment when the laser light is irradiated. During the irradiation of the laser beam, ionization proceeds and the electron density in the plasma increases. However, if it increases too much, the transmittance of the laser beam in the plasma deteriorates and the energy of the laser beam becomes difficult to be absorbed by the substance 14. It is necessary to control the density.

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 laser light source 11 using the insertion means 36, a single optical path can be reproduced as in the first embodiment, and the number of ions is increased. A method may be selected.

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 laser light source 11 branched into a plurality of parts.

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 laser light source 11 is, for example, a YAG laser, the wavelength may be converted into a harmonic using a nonlinear optical crystal.

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。

Figure 2012142248
The shorter the wavelength of the laser light, the greater the energy per photon, so that it is easily absorbed by the substance 14. Further, the diffraction limited condensing diameter d at the focal position of the lens as the condensing means (not shown) can be expressed by the equation (3).
Figure 2012142248

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 substance 14 is improved.

(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 substance 14 with a lot of energy. The laser light oscillated from the pulsed laser light source 11 is split into two or more laser beams using the laser beam branching means 35, and the branched laser beams are split on the substance 14 using the optical path adjusting means 38a and 38b. Adjust so that the same position can be illuminated from different directions.

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 wavelength converting means 39a and 39b, the beam diameter can be reduced when condensing the laser beam, and the energy per photon can be reduced. Increases, the absorption rate of the substance 14 increases.

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 incident windows 25a and 25b that have been coated suitable for the wavelength of the laser beam, the electron density can be controlled without reducing the total irradiation energy, and the number of ions generated can be stabilized. And secure. Since the electron density depends on the properties of the substance 14 and the pulsed laser light source 11, there may be a case where there is no need for branching. The position where the laser beam branching unit 35 is installed is controlled by using the insertion unit 36, and a stable ion number is provided by selecting a method in which the number of ions is increased in the case of a single optical path and in the case of a plurality of optical paths. can do.

(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 laser ion generator 10A of the second embodiment, it is possible to improve the absorption rate of laser light regardless of the characteristics of the substance 14, and to secure a stable number of ions. In addition, when the amount of generated ions decreases due to the reflection of the laser beam by the plasma, it is possible to control the electron density in the plasma to suppress the reflection of the laser beam, and to suppress the energy loss of the laser beam and to stabilize the number of ions. Can be provided.

[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 ion generating apparatus 10B of the third embodiment, the same reference numerals are given to the same configurations and operations as those of the laser ion generating apparatus 10 shown in the first embodiment, and overlapping description or illustration is omitted. .

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 laser ion generator 10B shown in FIG. 7 includes a plurality of pulsed laser light sources 11 and 11 in a plasma generating unit 15 that irradiates a substance 14 installed in a vacuum vessel 13 with laser light and generates laser-excited plasma. A plurality of optical path adjusting means (not shown) for adjusting a plurality of pulsed laser beams to irradiate the same point on the substance 14 at the same time, a plurality of wavelength converting units 39a and 39b for changing the wavelength of the laser beam, A plurality of incident windows 25a and 25b guided into the vacuum vessel 13, an ion extracting means 16 for extracting heavy particle ions in the generated plasma, an ion velocity measuring means 18 for measuring the ion velocity in the plasma, and a pulse laser Volume measuring means 19a, 19b for observing the volume of a beam mark formed by irradiating light, and a substance for moving and rotating the substance 14 A moving means 24, ionic valence consists ion velocity distribution calculating means 20 for determining the number of ions.

(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 laser ion generator 10 of the first embodiment is omitted. The optical path adjustment is performed so that the laser light from the plurality of pulse laser light sources 11 is irradiated to the same position on the substance 14 at the same timing using a plurality of optical path adjustment means. A plurality of adjusted laser beams are changed to a wavelength having a high absorption rate using a plurality of wavelength conversion means 39a and 39b, and vacuum is applied through a plurality of incident windows 25a and 25b provided with a coating suitable for the wavelengths of the plurality of laser beams. The light enters the substance 14 in the container 13.

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 laser ion generator 10B according to the third embodiment includes a plurality of pulse laser light sources 11 and 11 and can obtain high energy that cannot be obtained by a single pulse laser light source. Even when the energy is required, a stable number of ions can be ensured.

(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 laser ion generator 10B of the third embodiment, since the total amount of energy incident on the substance can be increased as compared with the single pulse laser light source, the energy density is improved and a large energy is required for ionization. The number of ions can be stably provided for the substance 14 to be processed.

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 Laser ion generator 11 Pulse laser light source 12 Optical path adjusting means 13 Vacuum vessel 14 Substance 15 Plasma generating means 16 Ion extraction means 17 Ion acceleration means 18 Ion velocity measuring means 19a, 19b Volume measuring means 20 Ion velocity distribution calculation Means 21 Ion velocity calculation means 22 Output means 23 Ion source 24 Mass transfer means 25, 25a, 25b Incident window 27 Cylindrical container 28 Intermediate container 30 Parallel movement means 31a, 31b Volume measurement means 35 Laser beam branching means 36 Insertion means 38a, 38b Optical path adjusting means 39a, 39b Wavelength converting means

Claims (10)

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.
前記パルスレーザ光源から照射されたレーザ光の光路を調速する光路調整手段を備えた請求項1に記載のレーザイオン発生装置。 The laser ion generator of Claim 1 provided with the optical path adjustment means which adjusts the optical path of the laser beam irradiated from the said pulsed laser light source. 前記イオン速度分布演算手段は、プラズマ中のイオン数を測定する体積測定手段を備えた請求項1に記載のレーザイオン発生装置。 The laser ion generator according to claim 1, wherein the ion velocity distribution calculating means includes volume measuring means for measuring the number of ions in the plasma. 前記イオン速度測定手段は、前記物質の表面に平行に移動する平行移動手段を備えた請求項1または3に記載のレーザイオン発生装置。 The laser ion generator according to claim 1, wherein the ion velocity measuring unit includes a parallel moving unit that moves in parallel with the surface of the substance. 前記イオン引出手段は、前記物質と前記イオン速度分布演算手段との間に2つ以上備えられた多段電極である請求項1に記載のレーザイオン発生装置。 2. The laser ion generator according to claim 1, wherein the ion extracting means is a multi-stage electrode provided with two or more between the substance and the ion velocity distribution calculating means. 前記体積測定手段は、前記物質の3次元形状を測定する手段から構成される請求項3に記載のレーザイオン発生装置。 The laser ion generation apparatus according to claim 3, wherein the volume measuring unit includes a unit that measures a three-dimensional shape of the substance. 前記レーザ光調整手段は、
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.
前記レーザ光調整手段は、
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.
前記物質は真空容器内に設置される一方、前記物質を移動させたり、回転させる物質移動手段が設けられた請求項1に記載のレーザイオン発生装置。 The laser ion generator according to claim 1, wherein the substance is installed in a vacuum vessel, and a substance moving means for moving or rotating the substance is provided. 前記パルスレーザ光源と前記集光手段と前記波長変換手段は、それぞれ複数備えられた請求項1または8に記載のレーザイオン発生装置。 9. The laser ion generator according to claim 1, wherein a plurality of the pulse laser light source, the condensing unit, and the wavelength converting unit are provided.
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