JP2014022350A - イオン加速方法、イオン加速装置、及び、イオンビーム照射装置、医療用イオンビーム照射装置、核破砕用イオンビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー駆動型の加速機構を用いて、高エネルギーのイオンビームを安定して得る。
【解決手段】レーザー光２０は、レーザー光源から発せられ、クラスターガス（ターゲット）３０中のクラスターやガス分子をプラズマ化する。このため、レーザー光２０は、クラスターガス３０内やその近傍で集光するような構成とされる。クラスターガス３０は、Ｈ_２分子３１からなるガス中に、多数のＣＯ_２分子が凝集してナノ粒子化したＣＯ_２クラスター３２が分散した形態となる。高エネルギーの陽子ビームを得るために、最適な集光点の位置はノズル４０の中心から見て手前側の１０％〜１５０％の位置であり、ノズル４０がＯＮとされてからＯＦＦとされるまでの間の期間の初期１０〜２０％程度の期間にレーザー光２０を照射することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、所望のイオンを高エネルギーに加速して出力するイオン加速方法、イオン加速装置に関する。また、これを用いたイオンビーム照射装置、医療用イオンビーム照射装置、核破砕用イオンビーム照射装置の構造に関する。

イオン（プロトン：陽子を含む）を加速したイオンビームを試料に照射して加工、成膜、分析、医療行為等を行う各種の技術が知られている。こうした技術においては、高エネルギー、高強度のイオンビームを安定して発生させることが必要である。一般に高エネルギーのイオンビームを発生して照射する装置においては、特にイオンを高エネルギーに加速する機構に大がかりな設備を必要とするため、装置全体が大型化する。従って、特に医療用途等にはこうしたイオンビーム照射装置は有効であることは明らかであるにもかかわらず、充分に普及しているとは言い難い状況にある。

こうした状況の中で、小型化の可能なイオンビーム照射装置の一種として、レーザー駆動型の加速機構を用いたものが知られている。レーザー駆動型のイオンビーム照射装置は、例えば特許文献１、２に記載されているように、陽子や所望のイオンを多く発生することのできるターゲットを高強度の超短パルスレーザー光で照射し、これを蒸発させてプラズマ化する。このプラズマ中では、まず質量の軽い電子が加速されて高エネルギーとなり、この加速された電子の作る電界によって重い陽子やイオンが加速される。この陽子やイオンが高エネルギーのビームとなって試料に照射される。従来の加速器で用いられる加速電界は材料の絶縁耐圧等で制限されるために上限値が小さくなるのに対し、このプラズマ中で得られる加速電界はこれよりも桁違いに強くなるため、短い距離で高エネルギーの加速をすることができる。このため、このレーザー駆動型のイオンビーム照射装置は、従来より用いられている大型の加速器等と比べて装置全体を大幅にコンパクト化でき、医療用等、様々な分野への応用が期待されている。

例えば医療用においては、特定の位置、深さに存在する患部に対してのみ集中的に高エネルギーのイオンを照射することが要求される。このためには、単色の（エネルギースペクトルがデルタ関数的である）高エネルギーイオンビームを高い指向性で得ることが必要である。このため、レーザー駆動型のイオンビーム照射装置におけるこれらの特性を従来の大型の加速器と同等以上とするための努力がなされている。

このために有効な技術として、レーザーで照射されてプラズマ発生源となるターゲットを、通常の気体や固体ではなく、クラスターガスとする技術が非特許文献１、特許文献３に記載されている。クラスターガスは、粒子状の塊となった原子・分子の集合体（クラスター）が気体中に分散した構成のガスであり、通常の気体と固体の中間的な性質をもつ。ここでは、このクラスターガスとしてＨｅ中にＣＯ_２クラスターが分散したものを用い、特に高エネルギーのヘリウム（Ｈｅ）、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）イオンが得られることが示された。このクラスターガスは、ノズルからこれらの混合ガスを真空中に噴出させ、断熱膨張させることによって得られる。

特に、非特許文献１、特許文献３に記載の技術においては、レーザー光の照射条件を調整することにより、クラスターガス中におけるプラズマ密度分布を最適化し、イオンビームのエネルギー、指向性を高めている。特に、クラスターガスにＨｅガスを用いることによって、従来レーザー駆動型では困難であった核子あたり１０〜２０ＭｅＶの高エネルギーのヘリウム、炭素、酸素イオンビームが得られている。

また、非特許文献２においては、８０Ｊのエネルギーのレーザー光をマイクロコーンターゲットに照射することによって水素イオン（陽子）を６７．５ＭｅＶまで加速する技術が記載されている。

このようなイオン加速装置（イオンビーム照射装置）によって、指向性が高く、高強度のイオンビームを得ることができる。

「Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ Ｍｕｌｔｉ−ＭｅＶ Ｉｏｎ Ａｃｃｅｌｌｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｓｈｏｒｔ Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ａ Ｃｌｕｓｔｅｒ−Ｇａｓ Ｔａｒｇｅｔ」、Ｙ．Ｆｕｋｕｄａ、Ａ．Ｙａ．Ｆａｅｎｏｖ、Ｍ．Ｔａｍｐｏ、Ｔ．Ａ．Ｐｉｋｕｚ、Ｔ．Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｍ．Ｋａｎｄｏ、Ｙ．Ｈａｙａｓｈｉ、Ａ．Ｙｏｇｏ、Ｈ．Ｓａｋａｋｉ、Ｔ．Ｋａｍｅｓｈｕｍａ、Ａ．Ｓ．Ｐｉｒｏｚｈｋｏｖ、Ｋ．Ｏｇｕｒａ、Ｍ．Ｍｏｒｉ、Ｔ．Ｚｈ．Ｅｓｉｒｋｅｐｏｖ、Ｊ．Ｋｏｇａ、Ａ．Ｓ．Ｂｏｌｄａｒｅｖ、Ｖ．Ａ．Ｇａｓｉｌｏｖ、Ａ．Ｉ．Ｍａｇｕｎｏｖ、Ｔ．Ｙａｍａｕｃｈｉ、Ｒ．Ｋｏｄａｍａ、Ｐ．Ｒ．Ｂｏｌｔｏｎ、Ｙ．Ｋａｔｏ、Ｔ．Ｔａｊｉｍａ、Ｈ．Ｄａｉｄｏ ａｎｄ Ｓ．Ｖ．Ｂｕｌａｎｏｖ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１０３巻、１６５００２頁（２００９年） 「Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ Ｌａｓｅｒ−Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｎｅｇｉｅｓ Ｖｉａ Ｄｉｒｅｃｔ Ｌａｓｅｒ−Ｌｉｇｈｔ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｅ Ｔａｒｇｅｔｓ」、Ｓ．Ａ．Ｇａｉｌｌａｒｄ、Ｔ．Ｋｌｕｇｅ、Ｋ．Ａ．Ｆｌｉｐｐｏ、Ｍ．Ｂｕｓｓｍａｎｎ、Ｂ．Ｇａｌｌ、Ｔ．Ｌｏｃｋａｒｄ、Ｍ．Ｇｅｉｓｓｅｌ、Ｄ．Ｔ．Ｏｆｆｅｒｍａｎｎ、Ｍ．Ｓｃｈｏｌｌｍｅｉｅｒ、Ｙ．Ｓｅｎｔｏｋｕ、 ａｎｄ Ｔ．Ｅ．Ｃｏｗａｎ、Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｐｌａｓｍａｓ、１８巻、０５６７１０頁（２０１１年）

特開２００６−２４４８６３号公報 特開２００８−１９８５６６号公報 特開２０１２−１１９０６５号公報

しかしながら、非特許文献１、特許文献３に記載の技術によって得られるＨｅ、炭素、酸素イオンビームのエネルギーは、高々核子あたり１０〜２０ＭｅＶ程度である。また、非特許文献２に記載の技術による陽子のエネルギーも高々６７．５ＭｅＶである。これらのエネルギーは、従前より知られるレーザー駆動型のイオンビーム照射装置よりは高いものの、例えば癌治療用に用いられる水素イオン（陽子）ビームに要求されるエネルギーは８０〜２５０ＭｅＶ程度であるため、こうした用途には不充分であった。

すなわち、レーザー駆動型の加速機構を用いて、癌治療用に使用できる程度の高エネルギーのイオンビームを安定して得ることは困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明のイオン加速方法は、ノズルから水素を主成分とする第１成分のガスと第２成分のガスの混合ガスが真空中に噴出されることによって前記第２成分のガスの分子からなるクラスターが前記第１成分のガス中に分散した形態で前記ノズルから柱状に形成されたクラスターガスに対し、前記混合ガスの噴出方向と略垂直の方向からパルスレーザー光を照射することによって前記クラスターガスをプラズマ化し、前記クラスターガスを構成する原子をイオン化して加速するイオン加速方法であって、前記クラスターガス中における前記クラスターの密度を２．０×１０^８〜２．０×１０^１０ｃｍ^−３の範囲とし、前記パルスレーザー光を、前記ノズルの開口の半径を１００％として、前記柱状に形成されたクラスターガスの中心軸から前記パルスレーザー光が照射される前方に向かって１０〜１５０％の位置で集光させることを特徴とする。
本発明のイオン加速方法は、前記混合ガスの噴出時間を０．０１〜１０ｍｓとし、前記噴出時間に対応して形成された前記クラスターガスの生成タイミングにおける生成時から前記噴出時間の１０〜２０％の範囲において前記パルスレーザー光を前記柱状に形成されたクラスターガスに照射することを特徴とする。
本発明のイオン加速方法において、前記第２成分のガスはＣＯ_２であることを特徴とする。
本発明のイオン加速装置は、クラスターガスにパルスレーザー光を照射し、前記クラスターガスをプラズマ化し、前記クラスターガスを構成する原子をイオン化して加速するイオン加速装置であって、水素を主成分とする第１成分のガスと第２成分のガスの混合ガスを真空中に噴出し、前記第２成分のガスの分子からなるクラスターが前記第１成分のガス中に分散した柱状の形態とされた前記クラスターガスを生成するノズルと、前記パルスレーザー光を発振するレーザー光源と、前記パルスレーザー光を予め設定された集光点で集光するように前記クラスターガスに照射させる集光光学系と、を具備し、前記クラスターガス中における前記クラスターの密度を２．０×１０^８〜２．０×１０^１０ｃｍ^−３の範囲とし、前記集光点を、前記ノズルの開口の半径を１００％として、前記柱状に形成されたクラスターガスの中心軸から前記パルスレーザー光が照射される前方に向かって１０〜１５０％の位置とすることを特徴とする。
本発明のイオン加速装置は、前記混合ガスの噴出時間を０．０１〜１０ｍｓとし、前記噴出時間に対応して形成された前記クラスターガスの生成タイミングにおける生成時から前記噴出時間の１０〜２０％の範囲において前記パルスレーザー光を前記柱状に形成されたクラスターガスに照射することを特徴とする。
本発明のイオン加速装置において、前記第２成分のガスはＣＯ_２であることを特徴とする。
本発明のイオンビーム照射装置は、前記イオン加速装置によって加速されたイオンを試料に対して照射する構成を具備することを特徴とする。
本発明の医療用イオンビーム照射装置は、前記イオン加速装置によって加速されたイオンを患部に対して照射する構成を具備することを特徴とする。
本発明の核破砕用イオンビーム照射装置は、前記イオン加速装置によって加速されたイオンを試料に対して照射する構成を具備することを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、レーザー駆動型の加速機構を用いて、癌治療用に使用できる程度の高エネルギーの水素イオン（陽子）ビームを安定して得ることができる。

本発明の実施の形態に係るイオン加速装置の構成の概要を示す図である。 本発明の実施の形態に係るイオン加速装置における、ノズルのＯＮ・ＯＦＦ制御、クラスターガス生成量、及びパルスレーザー光の出力のタイミングを示す図である。 本発明の実施の形態に係るイオン加速装置においてノズルから噴出されるガスの分布を、プローブ光をクラスターガスに照射しシャドウグラフ法により測定した結果である。 高エネルギー電子の発生確率、及びＸ線強度の集光点位置依存性を実測した結果である。 本発明の実施の形態に係るイオン加速装置によって得られた陽子ビームの実測した結果である。 集光点を高エネルギー電子発生領域、Ｘ線発生領域のそれぞれにもってきた場合における高エネルギー陽子の発生個数を実測した結果である。

以下、本発明の実施の形態に係るイオン加速装置について説明する。図１は、このイオン加速装置１０の構成を示す図である。この図において、左はその全体を示す構成図であり、右はその一部（点線で囲まれた部分）の拡大図である。この構成は、特許文献３に記載された構成と同様であり、クラスターガスの組成とレーザー光の照射条件が異なる。

レーザー光（パルスレーザー光）２０は、レーザー光源から発せられ、クラスターガス（ターゲット）３０中のクラスターやガス分子をプラズマ化する。このため、レーザー光２０は、クラスターガス３０内やその近傍で集光するような構成とされる。レーザー光源としては、集光光学系２１によって集光された状態でクラスターガス３０をプラズマ化できるだけの高強度の超短パルスレーザー光を発するものを用いることができる。この点は特許文献１、２、非特許文献１、特許文献３に記載のものと同様である。具体的には、レーザー光源として、ガラスレーザー、チタンサファイアレーザー等を用いることができる。集光光学系２１としては、軸外し放物面鏡等の非球面の集光鏡等を用いることができる。集光光学系２１によって設定される集光点の位置については後述する。レーザー光２０は短い間隔でパルス的に発せられ、その照射（発振）タイミングはクラスターガス３０の生成と同期して制御される。

ノズル４０は真空中に設置され、その先端部から真空中にガスが噴出できる構成とされる。このガスは、水素（第１成分のガス：Ｈ_２）と２酸化炭素（第２成分のガス：ＣＯ_２）の混合ガスであり、これが真空中に噴出される際の断熱膨張による急激な温度低下によりＣＯ_２が固体化し、Ｈ_２中にＣＯ_２のクラスターが分散された柱状の形態のクラスターガス３０となる。このガスが噴出される空間は真空ポンプ（図示せず）によって排気されるため、ガスが噴出された状態においても、安定してクラスターガスが生成される程度の真空度は維持される。この点についても非特許文献１、特許文献３と同様である。また、ガスの噴出は連続的に行われるのではなく、パルス的に行われる。このため、この噴出タイミングとレーザー光２０による照射タイミングは同期して制御される。図１の右側に示されるように、混合ガスの噴出方向とレーザー光２０の入射方向とは略垂直とされる。レーザー光２０の光軸方向においてノズル４０を可動とすることにより、クラスターガス３０中におけるレーザー光２０の集光点の位置を制御することができる。

図１の右側に示されるように、クラスターガス３０は、Ｈ_２分子３１からなるガス中に、多数のＣＯ_２分子が凝集してナノ粒子化したＣＯ_２クラスター３２が分散した形態となる。ノズル４０から離れた箇所ではＨ_２分子３１、ＣＯ_２クラスター３２は熱運動によって分散して低密度化するために、ノズル４０の開口の近傍におけるクラスターガス３０中でレーザー光２０が集光され、特に高強度となる箇所が設定される。特許文献３に記載の技術においては、クラスターガス３０にＨｅ分子とＣＯ_２分子の混合ガスが使用されたためにＨｅ、Ｃ、Ｏイオンが生成され、電荷質量比が等しいこれらイオンが加速されたのに対し、このイオン加速装置１０においては、Ｈｅガスの代わりにＨ₂分子とＣＯ_２分子の混合ガスが使用されたためにＨ、Ｃ、Ｏイオンが生成され、集光点位置とレーザー光照射タイミングの特定により、電荷質量比が最も小さな水素（Ｈ）イオンが選択的に加速される。

また、ノズル４０の開（ＯＮ）閉（ＯＦＦ）タイミング、集光点におけるクラスターガス３０の生成量、レーザー光２０の出力のタイミングチャートを図２（ａ）〜（ｃ）に示す。

ここで、集光点におけるクラスターガス３０の生成状況（ｂ）は、ノズル４０の開閉のタイミング（ａ）から、ノズル４０から集光点までの距離をガスが流れるのに要する時間だけ遅延し、かつ、ノズル４０の開閉に要する時間程度クラスターガス生成時間は間延びする。この遅延時間は、ノズル４０と集光点までの距離とガス流の速度で決まる。これらの間の距離が長ければこの遅延時間は長くなる。

ノズル４０がＯＮとされる時間は、典型的には０．０１〜１０ｍｓ程度であり、そのＯＮ・ＯＦＦは外部からの信号により制御される。クラスターガス３０のＯＮは、レーザー光２０の出力（ｃ）と同期するように制御され、実際には上記の遅延時間を考慮した上で、ノズル４０のＯＮ・ＯＦＦ（時刻ｔ_１、ｔ_２）とレーザー光２０の出力（時刻ｔ_３、ｔ_４）とが同期するように制御される。レーザー光２０の出力は、非特許文献１に記載されたように、高強度の主パルスと、主パルスよりも低強度であり主パルスに先行するプレパルスとからなる。プレパルスと主パルスの時間差（ｔ_４とｔ_３の時間差）は、１〜１０００ｐｓ程度（例えば１５０ｐｓ程度）とされる。また、プレパルス、主パルス共に、その半値幅は３〜１０００ｆｓ程度（例えば４０ｆｓ）である。これらのレーザー光２０のタイミングに関する時間は、前記のノズル４０がＯＮとされている時間ｔ_２-ｔ_１と比べて無視できる程度の長さである。上記のイオン加速装置１０では、主パルスの出力時刻ｔ_４は固定されており、ノズル４０のＯＮ時刻ｔ_１を主パルスの出力時刻ｔ_４に対して変化させ、効率的にイオンが加速されるレーザー光照射タイミングｔ_４-ｔ_１を決定している。

この構成により、非特許文献１に記載されるように、クラスターガス３０中のＨ_２分子３１、ＣＯ_２クラスター３２が共に分解してプラズマ化することにより電子が生成され、加速される。この加速された電子によってプラズマ中に電磁場構造が形成され、イオンを加速する高強度の電界が形成される。図１に示されるように、この電界により、プラズマ中で生成された炭素（Ｃ）イオン５１、酸素（Ｏ）イオン５２、水素（Ｈ）イオン５３が高エネルギー化したイオンビーム５０が生成される。

発明者は、このクラスターガス３０がレーザー光２０で照射される際の状況を実験的に解析し、特に集光点の位置とレーザー光照射タイミングの特定により、出力されるイオンの高エネルギー化が可能であることを知見した。クラスターガス３０においては、レーザー光２０の進行方向における集光点の位置が変わることにより、内部でのプラズマの形成状況、電子の加速状況、イオンの加速状況が変化する。このため、加速されたイオンのエネルギー分布等は、集光点の位置によって異なる。この点については、特許文献３に記載の技術と同様であるが、ここでは、特に、集光点の位置を特許文献３に記載の技術と異なる領域に特定することによって、電荷質量比が最も小さな水素（Ｈ）イオン５３を特に選択的に高エネルギー化することが可能であることを知見した。この際に得られる水素イオン５３のエネルギーは、特許文献３に記載の技術によって得られるＨｅイオンのエネルギーと比べると桁違いに高い。すなわち、このイオン加速装置１０によって、従来と比べて特に高いエネルギーをもつ陽子ビームを発生させることができる。

以下では、このイオン加速装置１０を用いて実際に水素イオン（陽子）ビームを加速した結果について説明する。ここでは、図２におけるレーザー光照射タイミングｔ_４-ｔ_１＝０．４５ｍｓ、ノズル４０がＯＮとされている時間ｔ_２-ｔ_１＝１ｍｓとし、主パルスの半値幅は４０ｆｓ、エネルギーを１Ｊ、プレパルスのコントラスト比を１０^−１０とした。図３は、２ｍｍ径の開口をもつノズル４０から６０ｂａｒの圧力でＨ_２７０％、ＣＯ_２３０％の混合ガスをベース圧力が５×１０^−５Ｔｏｒｒとされたチャンバに噴出した際における、レーザー光２０の進行方向における電子密度分布をシャドウグラフ法によって調べた結果である。ここで、プローブ光をクラスターガス３０に照射し、この照射と反対側から観察をしている。図３に示されるように、上記の混合ガスを用いた場合には、ノズル４０の開口（２ｍｍ）よりもやや広がった略円筒形状のクラスターガス３０が生成されるが、その分布の主要部分は、この開口（２ｍｍ）に対応している。なお、図３においては、集光点は、レーザー光２０から見た手前側のノズル４０の開口端部（後述する記載においては、手前側に１００％となる点）としている。

クラスターガス３０中におけるＣＯ_２クラスターの密度（ｃｍ^−３）をＤ、クラスターガス３０中におけるＣＯ_２分子の密度（ｃｍ^−３）をρ、ＣＯ_２固体におけるＣＯ_２密度をＳ（ｃｍ^−３）、ＣＯ_２クラスター半径をｒ（ｃｍ）とすると、ＣＯ_２クラスター密度ＤとＣＯ_２クラスター半径ｒの関係は以下の式で表される。

ρやＳの値については、例えば６０ａｔｍの上記の混合ガス（Ｈ_２：７０％、ＣＯ_２：３０％）を用いた場合においては、ρ＝７．０×１０^１８ｃｍ^−３、Ｓ＝２．１×１０^２２ｃｍ^−３であるため、（１）式より、ｒ＝（８×１０^−５／Ｄ）^１／３となる。

非特許文献１では、発生したイオンビームを固体飛跡検出器（ＣＲ３９）で受けてその飛跡を２次元画像化して評価をしている。加速されたイオンのエネルギー分布等は、集光点の位置に依存するが、高エネルギーイオン発生の最適位置をＣＲ３９により高精度で評価を行うことは困難であるため、特許文献３と同様に、以下の測定結果からイオンをより高効率で高エネルギー化できる条件を検討した。ここでは、Ｄ＝１．５×１０^９ｃｍ^−３（ｒ＝０．３μｍ）とされたこのクラスターガス３０に対してレーザー光２０を照射し、その集光点をレーザー光２０の光軸方向で変えた際の、放出されるＸ線強度を測定した。この集光点の位置は、ノズル４０の中心（略円筒形状のクラスターガス３０の中心軸）を基準として定められる。ここで、測定したＸ線は、６価の酸素イオン（Ｏ^６＋）のヘリウムベータ（Ｈｅ_β）、７価の酸素イオン（Ｏ^７＋）のライマンアルファ（Ｌｙ_α）線に対応する、それぞれ、６６５．７ ｅＶ、６５３．７ ｅＶのエネルギーをもつものであり、これらＸ線の強度比は生成されたプラズマの密度に対応する。ただし、これらＸ線は、高エネルギー電子のランダムな衝突励起により発生する特性Ｘ線であるため、Ｘ線発生方向に指向性はなく、ここで検出されたＸ線はクラスターガス３０の全体から発せられたものである。

同時に、レーザー光２０の１回の照射毎に高エネルギー電子（１２．２ ＭｅＶ以上のエネルギーをもつ電子）が放出される確率を調べた。

上記の測定結果を図４に示す。２つの破線に挟まれた領域は、半径１ｍｍのノズル４０の開口を示す。Ｘ線強度は、ノズル４０の中心（図４における横軸の０ｍｍ）から見て、ノズル４０の半径を１００％として換算した距離で記載した場合に、集光点を後方側（図４中の右側）の１００％（図４における横軸１ｍｍ）〜２５０％（同２．５ｍｍ）とした際に高くなり、２００％の位置で最大値をとる（Ｘ線発生領域）。この理由は、集光点（最も光強度が高くなる点）から外れた箇所においても、レーザー光２０の強度がプラズマ化を起こすのに充分な強度であり、かつ、Ｘ線発生のための衝突励起の断面積が最大となっているためである。このＸ線強度と１２．２ＭｅＶ以上の高エネルギー電子放出確率との間には、逆相関関係が見られる。これは、クラスターガス３０の中心部に集光した場合は、発生した電子のエネルギーが大きすぎてＸ線発生のための衝突励起の断面積が著しく低下するためである。

高エネルギー電子の発生確率は、ノズル４０の中心から見て手前側の１０％（１ｍｍ）〜１５０％（１．５ｍｍ）で高く、一定の値となっている。更に、特許文献３に記載の技術（クラスターガス３０にＨ_２の代わりにＨｅを用いた場合）においては、レーザー光２０の照射によってクラスターガス３０中にバブル構造が観察されたのに対し、図３に示されるように、この場合にはバブル構造は見られなかった。

特許文献３に記載の場合と同様に、上記の構成においては、質量が軽い電子がまず加速され、高エネルギー電子が生成される。これにより、プラズマ中で電磁場構造が形成され強い電界（急激なポテンシャル変化）が生ずる。電子よりも重いイオンは、その後でこの電界により加速され、高エネルギーのイオンとなる。このため、高エネルギーのイオンが生成されるためには、まず高エネルギーの電子が多く生成されることが必須である。この際、特許文献３に記載の技術の場合には、バブル構造が形成され、このバブル構造の中において特に効率的にイオンが加速された。これに対して、Ｈ_２ガスを用いた本願の場合には、バブル構造は形成されない。このため、高エネルギー電子が多く発生する場合に、最も効率的にイオンが加速されると考えられる。また、クラスターガス３０のプラズマ化が起こり、加速されるべきイオンが生成されることが必要であることも明らかである。

ここで、集光点をノズル４０の中心から見て手前側の１０％〜１５０％（高エネルギー電子の発生確率が高い領域：高エネルギー電子発生領域）とした際に得られた陽子（水素イオン）ビームのスペクトルを実測した結果を図５に示す。そのピークエネルギーは１３５ＭｅＶ程度であり、更に最大で５００ＭｅＶ程度までそのスペクトルは広がっている。このエネルギーは、特許文献３に記載の技術と比較しても、一桁高い。また、同様にレーザー光を用いて陽子を加速する非特許文献２に記載の技術と比べて、１Ｊと低いエネルギーをもつレーザー光（非特許文献２に記載の技術では８０Ｊ）を用いて、より高いエネルギーまで陽子が加速されている。

このように、上記のイオン加速装置１０においては、（１）バブル構造が観測されないこと、（２）イオン（陽子）エネルギーが極めて高いこと、から考えて、装置の構成は類似しているものの、特許文献３に記載の技術とは異なる加速メカニズムによって加速が行われると考えられる。ただし、高エネルギー化した電子が陽子の加速の主因となっていることは明らかである。

ここで、集光点を、高エネルギー電子発生領域であるノズル４０の中心から見て手前側の７０〜１００％の領域（高エネルギー電子発生領域：ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）に設定した場合と、ノズル４０の中心から見て後方の２０〜３００％の領域（Ｘ線発生領域：Ｘ ｒａｙ ｒｅｇｉｏｎ）に設定した場合とで、２００ＭｅＶ以上のエネルギーをもつ陽子の発生量を実測した結果を図６に示す。この結果から、高エネルギー電子発生領域に集光点を設定した場合において、高効率で高エネルギーの陽子を発生させることができることが明らかである。

この結果より、高エネルギーの陽子ビームを得るために最適な集光点の位置は、前記の通り、ノズル４０の中心から見て手前側の１０％〜１５０％の位置である。この場合、このイオン加速装置１０を、特許文献３に記載の技術では適用が困難であった医療用イオンビーム照射装置にも使用することができる。

また、レーザー光２０の照射方向に対して強い加速電界が生ずることは、イオンの指向性が高まることも意味する。すなわち、集光点を上記の位置に設定することにより、高い指向性も得られる。上記のイオン加速装置１０においては、この点においても、特許文献３に記載の技術よりも高い指向性が得られることは明らかである。

また、上記の検討は、レーザー光２０の照射の空間的制限についてのものである。図２に示されたように、実際にはクラスターガス３０は時間的に制限されて形成される。このため、クラスターガス３０の生成タイミング（図２（ｂ））とレーザー光２０の照射タイミング（図２（ｃ））を同期させることが必要である。

クラスターガス３０が生成されている時間は、図２に示されたとおり、ノズル４０がＯＮとされている時間とほぼ等しく、０．０１〜１０ｍｓ程度（例えば１ｍｓ）である。この時間が短いと、充分な量のクラスターガス３０が形成されなくなるため、充分な強度のイオンビームが生成されにくくなる。この時間が長いと、混合ガスが噴出される背景の真空度が劣化するため、ガスの断熱膨張が充分に行われなくなり、クラスターガス３０中のＣＯ_２クラスター３２は形成されにくくなる。この時間は、レーザー光２０におけるプレパルスと主パルスの間隔、プレパルスと主パルスの半値幅や、プラズマが生成される時間、電子やイオンがクラスターガス３０から放出されるまでの時間等と比べて桁違いに長い。このため、クラスターガス３０中において前記のようにＨ_２分子３１とＣＯ_２クラスター３２が形成されている限りにおいて、この照射タイミングは任意である。

このＯＮとされた時間が長い場合の真空度の劣化は、真空チャンバーの構成や使用している真空ポンプの排気速度等に依存するが、ノズル４０がオンとされた期間の末期においては、背景の真空度が劣化することは明らかである。このため、実際には安定したクラスターガス３０が形成されるのは、ノズル４０がオンとされた期間における初期であると考えることができる。例えば、ノズル４０がＯＮとされてからＯＦＦとされるまでの間の期間の初期１０〜２０％程度の期間にレーザー光２０を照射することが好ましい。上記のイオン加速装置１０では、レーザー光照射タイミングｔ_４-ｔ_１＝０．４５ｍｓ、ノズル４０がＯＮとされている時間ｔ_２-ｔ_１＝１ｍｓと特定した。ノズル４０の開閉に要する時間程度の間延び時間を考慮した実際のクラスターガス生成時間は１．６ｍｓであった。ノズル４０から集光点までの距離をガスが流れるのに要する遅延時間を考慮すると、上記の例では、レーザー光２０は集光点においてクラスターガスが生成されてから、０．２５ｍｓ後、すなわち、クラスターガス生成時間の初期１６％の時間に照射されている。

なお、上記の例では、Ｄ＝１．５×１０^９ｃｍ^−３としたが、２．０×１０^８〜２．０×１０^１０ｃｍ^−３の範囲としても同様である。

上記の構成においては、Ｈ_２とＣＯ_２の混合ガスを用い、ＣＯ_２クラスターが形成されたクラスターガスを用いた場合について説明した。しかしながら、他の構成の混合ガスを用い、他のクラスター種を形成した場合においても、同様である。

上記のイオン加速装置においては、レーザー光の集光位置（集光光学系）、混合ガスを噴出するノズルの開閉タイミング（レーザー光照射タイミング）等を制御することによって、高品質のイオンビームを得ることができる。このため、従来より知られるレーザー駆動型のイオン加速装置と装置構成自身を大きく変えずにこれを実現することができる。従って、他の種類の加速装置と比べて装置全体を小型化することが可能であり、医療用等、様々な分野への応用が可能である。

このため、このイオン加速装置によって加速されたイオンを試料に照射する構成とすれば、各種のイオンをイオンビームとして照射するイオンビーム照射装置とすることができる。従来のイオンビーム照射装置においては、イオンを加速するサイクロトロンや高周波空洞等を用いた機構が大型化するために、装置全体を小型化することが困難であった。これに対し、このイオンビーム照射装置においては、上記のとおり、この加速機構を小型化することが可能であるため、装置全体を小型化することができる。従って、このイオンビーム照射装置を各種の施設、例えば医療施設等に導入することも容易であり、医療用イオンビーム照射装置として特に好ましく用いることができる。医療用イオンビーム照射装置の他にも、同様に高エネルギーのイオンビームを照射して核破砕反応を生じさせるための核破砕用イオンビーム照射装置においても同様である。

１０ イオン加速装置
２０ レーザー光（パルスレーザー光）
２１ 集光光学系
３０ クラスターガス（ターゲット）
３１ 水素（Ｈ_２）分子
３２ ＣＯ_２クラスター
４０ ノズル
５０ イオンビーム
５１ 炭素（Ｃ）イオン
５２ 酸素（Ｏ）イオン
５３ 水素（Ｈ）イオン

Claims (9)

1. ノズルから水素を主成分とする第１成分のガスと第２成分のガスの混合ガスが真空中に噴出されることによって前記第２成分のガスの分子からなるクラスターが前記第１成分のガス中に分散した形態で前記ノズルから柱状に形成されたクラスターガスに対し、前記混合ガスの噴出方向と略垂直の方向からパルスレーザー光を照射することによって前記クラスターガスをプラズマ化し、前記クラスターガスを構成する原子をイオン化して加速するイオン加速方法であって、
   前記クラスターガス中における前記クラスターの密度を２．０×１０^８〜２．０×１０^１０ｃｍ^−３の範囲とし、
   前記パルスレーザー光を、前記ノズルの開口の半径を１００％として、前記柱状に形成されたクラスターガスの中心軸から前記パルスレーザー光が照射される前方に向かって１０〜１５０％の位置で集光させることを特徴とするイオン加速方法。
2. 前記混合ガスの噴出時間を０．０１〜１０ｍｓとし、前記噴出時間に対応して形成された前記クラスターガスの生成タイミングにおける生成時から前記噴出時間の１０〜２０％の範囲において前記パルスレーザー光を前記柱状に形成されたクラスターガスに照射することを特徴とする請求項１に記載のイオン加速方法。
3. 前記第２成分のガスはＣＯ_２であることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン加速方法。
4. クラスターガスにパルスレーザー光を照射し、前記クラスターガスをプラズマ化し、前記クラスターガスを構成する原子をイオン化して加速するイオン加速装置であって、
   水素を主成分とする第１成分のガスと第２成分のガスの混合ガスを真空中に噴出し、前記第２成分のガスの分子からなるクラスターが前記第１成分のガス中に分散した柱状の形態とされた前記クラスターガスを生成するノズルと、
   前記パルスレーザー光を発振するレーザー光源と、
   前記パルスレーザー光を予め設定された集光点で集光するように前記クラスターガスに照射させる集光光学系と、を具備し、
   前記クラスターガス中における前記クラスターの密度を２．０×１０^８〜２．０×１０^１０ｃｍ^−３の範囲とし、
   前記集光点を、前記ノズルの開口の半径を１００％として、前記柱状に形成されたクラスターガスの中心軸から前記パルスレーザー光が照射される前方に向かって１０〜１５０％の位置とすることを特徴とするイオン加速装置。
5. 前記混合ガスの噴出時間を０．０１〜１０ｍｓとし、前記噴出時間に対応して形成された前記クラスターガスの生成タイミングにおける生成時から前記噴出時間の１０〜２０％の範囲において前記パルスレーザー光を前記柱状に形成されたクラスターガスに照射することを特徴とする請求項４に記載のイオン加速装置。
6. 前記第２成分のガスはＣＯ_２であることを特徴とする請求項４又は５に記載のイオン加速装置。
7. 請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載のイオン加速装置によって加速されたイオンを試料に対して照射する構成を具備することを特徴とするイオンビーム照射装置。
8. 請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載のイオン加速装置によって加速されたイオンを患部に対して照射する構成を具備することを特徴とする医療用イオンビーム照射装置。
9. 請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載のイオン加速装置によって加速されたイオンを試料に対して照射する構成を具備することを特徴とする核破砕用イオンビーム照射装置。