JP2017168275A - Ion acceleration method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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に関する。 The present invention relates to an ion acceleration method for accelerating and outputting ions to high energy.
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シンクロトロンやサイクロトロン等の大規模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。 Various techniques are known for performing processing, film formation, analysis, medical practice, etc. by irradiating a sample with an ion beam accelerated with ions (including protons: protons). In such a technique, it is necessary to stably generate a high energy, high intensity ion beam. In general, in an apparatus that generates and irradiates a high-energy ion beam, a large-scale facility such as a synchrotron or a cyclotron is particularly required for a mechanism for accelerating ions to high energy. Therefore, although it is clear that such an ion beam irradiation apparatus is effective particularly for medical use, it is difficult to say that it is sufficiently widespread.
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（レーザープラズマ加速）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、プロトン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質量の重いプロトンやイオンが加速される。このプロトン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。 Under such circumstances, a type using a laser-driven acceleration mechanism (laser plasma acceleration) is known as a kind of ion beam irradiation apparatus that can be miniaturized. The laser-driven ion beam irradiation apparatus irradiates a target capable of generating a large amount of protons and desired ions with high-intensity ultrashort pulse laser light, as described in Patent Documents 1 and 2, for example. This is evaporated and turned into plasma. In this plasma, first, electrons with a light mass are accelerated to become high energy, and protons and ions with a heavy mass are accelerated by an electric field created by the accelerated electrons. These protons and ions are irradiated as a high energy beam onto the sample. The acceleration field used in conventional accelerators is limited by the dielectric strength of the material, etc., so the upper limit value is small. On the other hand, the acceleration field obtained in this plasma is orders of magnitude stronger than this, so a short distance. Can accelerate high energy. For this reason, this laser-driven ion beam irradiation apparatus can greatly reduce the size of the entire apparatus as compared with the conventionally used large accelerators and is expected to be applied to various fields such as medical use. Yes.
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ビームを照射することが要求される。特定の位置にイオンビームを照射するためには、これを指向性の高いビームとして生成することが必要である。また、特定の深さの患部に対して効果を及ぼすためには、そのエネルギーを単色（エネルギースペクトルがデルタ関数的である）とす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に近づけるための努力がなされている。 For example, in medical use, it is required to irradiate a high energy ion beam intensively only to an affected part existing at a specific position and depth. In order to irradiate a specific position with an ion beam, it is necessary to generate the ion beam as a highly directional beam. Further, in order to exert an effect on an affected part having a specific depth, the energy needs to be monochromatic (the energy spectrum is a delta function). For this reason, efforts are being made to bring these characteristics of a laser-driven ion beam irradiation apparatus close to those of a conventional large accelerator.
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、４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。 For this purpose, Non-Patent Document 1, Patent Documents 3 and 4 describe a technique in which a target that is irradiated with a laser and serves as a plasma generation source is a cluster gas instead of a normal gas or solid. . A cluster gas is a gas having a structure in which aggregates (clusters) of atoms / molecules in a particulate mass are dispersed in a gas, and has an intermediate property between a normal gas and a solid. This cluster gas is obtained by ejecting these mixed gases from a nozzle into a vacuum and adiabatic expansion.
特に、非特許文献１、特許文献３、４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。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。 In particular, in the techniques described in Non-Patent Document 1, Patent Documents 3 and 4, by adjusting the laser light irradiation conditions, the plasma density distribution in the cluster gas is optimized and the energy and directivity of the ion beam are increased. ing. Non-Patent Document 2 describes a technique for accelerating hydrogen ions (protons) to 67.5 MeV by irradiating a microcone target with laser light having an energy of 80 J.
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。 With such an ion accelerator (ion beam irradiation apparatus), an ion beam with high directivity and high intensity can be obtained.
特に単色性に関しては、従来の大型の加速器においては、原理的に単色のイオン（プロトン）ビームしか得られないために問題がないのに対して、レーザープラズマ加速によるイオンビームの単色性は低かった。すなわち、このイオンビームにおいては、エネルギースペクトルにおける広がりが大きく、例えば医療用に用いるためには、この広がりを更に小さくすることが要求された。 In particular, with regard to monochromaticity, conventional large accelerators have no problem because, in principle, only a monochromatic ion (proton) beam can be obtained, but monochromaticity of the ion beam by laser plasma acceleration was low. . That is, in this ion beam, the spread in the energy spectrum is large. For use in medical applications, for example, it has been required to further reduce this spread.
すなわち、レーザー駆動型の加速機構を用いて、充分に高い単色性のイオンビームを得ることは困難であった。 That is, it has been difficult to obtain a sufficiently high monochromatic ion beam using a laser-driven acceleration mechanism.
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。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.
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、ガス中において前記ガスの分子からなる粒子状のクラスターが分散されたクラスターガスを噴出させ、前記クラスターガスに対し、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、前記クラスター中において、前記クラスターに前記パルスレーザー光が照射された際に前記クラスター内に生じる衝撃波による圧縮によって前記クラスターの中心でイオン密度が高まった第１領域と、前記クラスターにおける前記第１領域の外側において前記クラスターのクーロン爆発による前記イオン密度が前記第１領域よりも小さくなった第２領域とを形成し、前記第１領域が圧縮されて前記第１領域における前記イオン密度が高まるタイミングと、前記第１領域における電子の相対論的効果によって前記パルスレーザー光に対する前記第１領域の光透過率が低下するタイミングと、
を一致させるように前記パルスレーザー光を前記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は、前記ガスを水素とし、前記パルスレーザー光の波長を６５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲、前記クラスターの平均粒径を８００ｎｍ〜３０００ｎｍの範囲、前記パルスレーザー光のピークパワーを３．０×１０２１Ｗ／ｃｍ２以上かつ１．０×１０２４Ｗ／ｃｍ２以下、パルス長を１５ｆｓ〜２００ｆｓの範囲とすることを特徴とする。
本発明のイオン加速方法は、前記パルスレーザー光の発振と前記クラスターガスの形成を同期させ、かつ前記パルスレーザー光の発振周波数と前記クラスターガスの形成の繰り返し周波数を一致させることを特徴とする。
本発明のイオン加速方法は、冷却された前記ガスをノズルから真空中に噴出させることによって前記クラスターガスを生成することを特徴とする。
本発明のイオン加速方法は、前記ノズルに至るまでの前記ガスの流れのオン・オフの制御を行うバルブの動作を前記パルスレーザー光の発振と同期させることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
In the ion acceleration method of the present invention, a cluster gas in which particulate clusters of the gas molecules are dispersed in a gas is ejected, and the cluster gas is irradiated with a pulse laser beam to plasma the cluster gas. An ion acceleration method for ionizing and accelerating the atoms constituting the cluster, wherein the cluster is compressed by a shock wave generated in the cluster when the pulse laser beam is irradiated on the cluster. Forming a first region where the ion density is increased at the center of the first region and a second region where the ion density due to the Coulomb explosion of the cluster is smaller than the first region outside the first region in the cluster, The first region is compressed and the first region is And when ON density increases, the timing at which the light transmittance of the first region with respect to the pulsed laser light by electrons relativistic effects in the first region is reduced,
The pulsed laser light is irradiated to the cluster gas so as to match.
In the ion acceleration method of the present invention, the gas is hydrogen, the wavelength of the pulse laser beam is in the range of 650 nm to 1100 nm, the average particle diameter of the cluster is in the range of 800 nm to 3000 nm, and the peak power of the pulse laser beam is 3. 0 × 10 21 W / cm 2 or more and 1.0 × 10 24 W / cm 2 or less, and a pulse length is in a range of 15 fs to 200 fs.
The ion acceleration method of the present invention is characterized in that the oscillation of the pulse laser beam and the formation of the cluster gas are synchronized, and the oscillation frequency of the pulse laser beam and the repetition frequency of the formation of the cluster gas are matched.
The ion acceleration method of the present invention is characterized in that the cluster gas is generated by ejecting the cooled gas from a nozzle into a vacuum.
The ion acceleration method of the present invention is characterized in that the operation of a valve that controls on / off of the flow of the gas up to the nozzle is synchronized with the oscillation of the pulse laser beam.
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、単色性の高いイオンビームを得ることができる。 Since the present invention is configured as described above, an ion beam with high monochromaticity can be obtained using a laser-driven acceleration mechanism.
以下、本発明の実施の形態に係るイオン加速方法において用いられ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、４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。 Hereinafter, an ion acceleration apparatus used in an ion acceleration method according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the ion accelerator 10. In this figure, the left is a block diagram showing the whole, and the right is an enlarged view of a part (portion surrounded by a dotted line). This configuration is the same as the configuration described in Patent Documents 3 and 4, and the composition of the cluster gas and the irradiation condition of the laser beam are different.
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、水素クラスターガス３０中のクラスターや分子をプラズマ化する。このため、レーザー光２０は、水素クラスターガス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水素クラスターガス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３、４、非特許文献１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、チタンサファイアレーザー、ガラスレーザー等を用いることができる。チタンサファイアレーザーの場合、波長が６５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲のレーザー光２０を得ることができる。ガラスレーザーの場合、波長が９００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲のレーザー光２０を得ることができる。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。レーザー光２０は短いパルス長、短い間隔で繰り返し発せられ、後述するように、その照射（発振）タイミングは水素クラスターガス３０の生成と同期して制御される。 Laser light (pulse laser light) 20 is emitted from a laser light source, and converts clusters and molecules in the hydrogen cluster gas 30 into plasma. For this reason, the laser beam 20 is configured to be condensed in the hydrogen cluster gas 30 or in the vicinity thereof. As the laser light source, a laser light source that emits an ultrashort pulse laser beam with a high intensity sufficient to turn the hydrogen cluster gas 30 into a plasma while being focused by the focusing optical system 21 can be used. This point is the same as that described in Patent Documents 3 and 4 and Non-Patent Document 1. Specifically, a titanium sapphire laser, a glass laser, or the like can be used as the laser light source. In the case of a titanium sapphire laser, a laser beam 20 having a wavelength in the range of 650 nm to 1100 nm can be obtained. In the case of a glass laser, a laser beam 20 having a wavelength in the range of 900 nm to 1100 nm can be obtained. As the condensing optical system 21, an aspherical condensing mirror such as an off-axis parabolic mirror can be used. The laser beam 20 is repeatedly emitted with a short pulse length and a short interval, and the irradiation (oscillation) timing is controlled in synchronization with the generation of the hydrogen cluster gas 30 as described later.
水素クラスターガス生成装置４０から真空中にガスが噴出される。このガスは、純水素であり、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Ｈ２が固体化し、Ｈ２分子３１からなる気体中に微小な粒子状の水素クラスター（クラスター）３２が分散された柱状の形態の水素クラスターガス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、安定して水素クラスターガス３０が生成される程度の真空度は維持される。ここでは、特に水素クラスター３２に高強度のレーザー光２０が照射されることによって、水素クラスター３２でレーザープラズマ加速が起こり、水素原子のイオン（プロトン）がイオンビーム５０としてレーザー光２０の進行方向に発生する。この点については、水素クラスターガス生成装置４０を除き、非特許文献１、特許文献３、４と同様である。 Gas is ejected from the hydrogen cluster gas generator 40 into the vacuum. This gas is pure hydrogen, and H 2 is solidified due to a rapid temperature drop due to adiabatic expansion when it is ejected into a vacuum, so that fine particulate hydrogen clusters (clusters) are formed in the gas composed of H 2 molecules 31. ) 32 is dispersed in a columnar form of hydrogen cluster gas 30. Since the space from which the gas is ejected is exhausted by a vacuum pump (not shown), the degree of vacuum is maintained to the extent that the hydrogen cluster gas 30 is stably generated even when the gas is ejected. Here, in particular, by irradiating the hydrogen cluster 32 with the high-intensity laser beam 20, laser plasma acceleration occurs in the hydrogen cluster 32, and ions (protons) of hydrogen atoms form an ion beam 50 in the traveling direction of the laser beam 20. Occur. This is the same as Non-Patent Document 1, Patent Documents 3 and 4 except for the hydrogen cluster gas generator 40.
図２は、この水素クラスターガス３０を生成する水素クラスターガス生成装置４０の構成を模式的に示す図である。図２に示されるように、冷凍機４１が連結され、かつ伝熱式のヒーター４２が設けられ、温度センサ４３が装着された水素ガス導入部４４中に、原料ガス（水素ガス）が導入される。冷凍機４１とヒーター４２によって水素ガス導入部４４、ノズル４５、電磁バルブ（バルブ）４７の温度を低温で制御することができ、これによって、内部の原料ガスの温度を低温（３．５Ｋ〜３００Ｋ）で制御することができる。 FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the configuration of the hydrogen cluster gas generation device 40 that generates the hydrogen cluster gas 30. As shown in FIG. 2, a raw material gas (hydrogen gas) is introduced into a hydrogen gas introduction part 44 to which a refrigerator 41 is connected, a heat transfer heater 42 is provided, and a temperature sensor 43 is attached. The The temperature of the hydrogen gas introduction part 44, the nozzle 45, and the electromagnetic valve (valve) 47 can be controlled at a low temperature by the refrigerator 41 and the heater 42, whereby the temperature of the internal source gas is lowered (3.5K to 300K). ) Can be controlled.
真空排気される減圧雰囲気中において、円錐形状の内面をもつノズル４５が、図２中の下側において、開口径Ｄであり水素ガスを噴出する水素クラスター噴出口４６を囲むように設けられる。水素ガス導入部４４から水素クラスター噴出口４６までの原料ガスの流れは、図２における破線矢印で示され、この流れのオン・オフは、開閉動作の繰り返し制御が可能な電磁バルブ（バルブ）４７によって制御される。この構成によって、Ｈ２分子３１からなるガス中に多数のＨ２分子が凝集してナノ粒子化した水素クラスター３２が分散した水素クラスターガス３０が形成され、図２における上側に噴射される。特に、レーザー光２０が一定の繰り返し周波数で超短パルスとして発振されるのに対応して、水素クラスターガス３０の形成もレーザー光２０の照射と同期させて行うことができる。 In a reduced-pressure atmosphere to be evacuated, a nozzle 45 having a conical inner surface is provided on the lower side in FIG. 2 so as to surround a hydrogen cluster ejection port 46 having an opening diameter D and ejecting hydrogen gas. The flow of the raw material gas from the hydrogen gas inlet 44 to the hydrogen cluster jet 46 is indicated by a broken line arrow in FIG. 2, and this flow on / off is an electromagnetic valve (valve) 47 capable of repeatedly controlling the opening / closing operation. Controlled by. With this configuration, a hydrogen cluster gas 30 is formed in which a hydrogen cluster 32 in which a large number of H 2 molecules aggregate and form nanoparticles is dispersed in a gas composed of H 2 molecules 31 and is injected upward in FIG. In particular, the hydrogen cluster gas 30 can be formed in synchronization with the irradiation of the laser beam 20 in response to the laser beam 20 being oscillated as an ultrashort pulse at a constant repetition frequency.
この構成において、原料ガスの圧力、水素ガス導入部４４の温度、水素クラスター噴出口４６の径Ｄ、ノズル４５のテーパ角θを調整することによって、水素クラスターガス３０の特性を制御することができる。特に、後述するように、本発明においては水素クラスター３２の粒径の制御が重要となる。これに対して、この構成では、この粒径の分布を制御し、特にその粒径分布を制御することができる。具体的には、水素ガスの圧力を６ＭＰａ、温度２５Ｋ、Ｄ＝６０μｍ、θ=４５度で、半径が１００〜９００ｎｍ中の範囲内の３点をピークとする粒径分布をもつ水素クラスター３２を得ることができることが、水素クラスターガス３０に対するＭｉｅ散乱法による測定によって確認された。この際、電磁バルブ４７の開閉動作は最大１ｋＨｚの応答周波数で制御することができるため、この周波数以下の繰り返し周波数で水素クラスターガス３０（水素クラスター３２）を生成することができる。この際、図１において水素クラスターガス３０が生成される減圧雰囲気の排気速度を高めることによって、電磁バルブ４７の応答周波数を上限として水素クラスターガス３０（水素クラスター３２）生成の繰り返し周波数を高めることができる。 In this configuration, the characteristics of the hydrogen cluster gas 30 can be controlled by adjusting the pressure of the raw material gas, the temperature of the hydrogen gas introducing portion 44, the diameter D of the hydrogen cluster ejection port 46, and the taper angle θ of the nozzle 45. . In particular, as described later, control of the particle size of the hydrogen cluster 32 is important in the present invention. On the other hand, in this configuration, the particle size distribution can be controlled, and in particular, the particle size distribution can be controlled. Specifically, a hydrogen cluster 32 having a particle size distribution in which the pressure of hydrogen gas is 6 MPa, the temperature is 25 K, D = 60 μm, θ = 45 degrees, and the radius is in the range of 100 to 900 nm and has three peaks. It was confirmed by measurement by the Mie scattering method with respect to the hydrogen cluster gas 30 that it can be obtained. At this time, since the opening / closing operation of the electromagnetic valve 47 can be controlled with a response frequency of 1 kHz at the maximum, the hydrogen cluster gas 30 (hydrogen cluster 32) can be generated at a repetition frequency equal to or lower than this frequency. At this time, by increasing the exhaust speed of the decompressed atmosphere in which the hydrogen cluster gas 30 is generated in FIG. 1, the repetition frequency of the generation of the hydrogen cluster gas 30 (hydrogen cluster 32) can be increased with the response frequency of the electromagnetic valve 47 as the upper limit. it can.
上記の構成により、レーザー光２０が照射されると、水素クラスターガス３０中の特に水素クラスター３２がプラズマ化することにより電子が生成され、電子は相対論効果により前方に加速される。水素クラスター３２は正に帯電するためクーロン爆発を起こすが、この前方加速された電子によってプラズマ中に前方方向に強度の片寄りを持つ加速電場構造が形成され、イオン（プロトン）は非等方的なクーロン爆発を起こし加速される。これによって、高エネルギーのイオン（プロトン）はやや前方に放出される。しかし、この際、加速されるイオン（プロトン）は水素クラスター３２の表面に存在していたのか、それとも水素クラスター３２の中心付近に存在していたのかにより加速電場から受ける電場強度が異なるため、イオン（プロトン）のエネルギー分布はブロードになる。従って、加速されるイオン（プロトン）の単色性を高めるためには、水素クラスター３２中においてレーザープラズマ加速に寄与するイオン（プロトン）を空間的に狭い範囲に集中させることが有効である。 With the above configuration, when the laser beam 20 is irradiated, electrons are generated when the hydrogen clusters 32 in the hydrogen cluster gas 30 are turned into plasma, and the electrons are accelerated forward due to the relativistic effect. The hydrogen cluster 32 is positively charged and causes a Coulomb explosion. However, an accelerated electric field structure having an intensity deviation in the forward direction is formed in the plasma by the forward accelerated electrons, and ions (protons) are anisotropic. It is accelerated by causing a coulomb explosion. As a result, high-energy ions (protons) are released slightly forward. However, at this time, since the accelerated ion (proton) is present on the surface of the hydrogen cluster 32 or near the center of the hydrogen cluster 32, the electric field strength received from the acceleration electric field differs. The energy distribution of (proton) becomes broad. Therefore, in order to improve the monochromaticity of the accelerated ions (protons), it is effective to concentrate the ions (protons) contributing to laser plasma acceleration in the hydrogen cluster 32 in a spatially narrow range.
この際、水素クラスター３２にレーザー光２０が照射された際の水素クラスター３２中のイオン密度の分布、イオン（プロトン）エネルギーの空間分布を、プラズマの三次元シミュレータＥＰＩＣ３Ｄ（「Ａ Ｐａｒａｄｉｇｍ ｏｆ Ｋｉｎｅｔｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ａｔｏｍｉｃ ａｎｄ Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ：ａ Ｓｕｄｄｅｎ Ｅｖｅｎｔ ｉｎ ａ Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ」、Ｙ．Ｋｉｓｈｉｍｏｔｏ ａｎｄ Ｔ．Ｍａｓａｋｉ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｌａｓｍａ Ｐｈｙｓｉｃｓ、７２巻、９７１頁（２００６年））によって調べた。図３は、この場合のレーザー光２０照射後の半径８００ｎｍの水素クラスター３２中のイオン密度の空間分布を示す図である。ここでは、レーザー光２０は、波長が８１０ｎｍ（チタンサファイアレーザーに相当）、直線偏光、パルス長４０ｆｓ、パルスのピークパワー（尖頭エネルギー面密度）は１．０×１０２２Ｗ／ｃｍ２とされた。ここで、レーザー光２０は超短パルスレーザー光であるため、パルスが尖頭エネルギーに達するまでの立ち上がり時間はパルス長の約１／２であり、ここでは、パルス状のレーザー光２０の強度が水素クラスター３２の中心で最大となる時刻の約４ｆｓ前における状態が示されている。レーザー光２０の伝搬方向は図における縦軸方向上向きである。この結果より、水素クラスター３２の中心近くには水素クラスター３２内に生じる衝撃波による圧縮によってイオン密度の高い領域（第１領域３２Ａ）が生成され、この領域を取り囲んで水素クラスター３２のクーロン爆発によるこれよりもイオン密度の低い領域（第２領域３２Ｂ）が形成されることが明らかである。 At this time, the distribution of the ion density in the hydrogen cluster 32 and the spatial distribution of the ion (proton) energy when the laser beam 20 is irradiated onto the hydrogen cluster 32 are expressed by a three-dimensional plasma simulator EPIC3D (“A Paradigm of Kinetic Simulation Inclusion”). Atomic and Relaxation Process: a Sudden Event in a Lighting Process ", Y. Kishimoto and T. Masaki, Journal of Plasma Physics, 72, 971 (2006). FIG. 3 is a diagram showing a spatial distribution of ion density in the hydrogen cluster 32 having a radius of 800 nm after irradiation with the laser beam 20 in this case. Here, the laser beam 20 has a wavelength of 810 nm (corresponding to a titanium sapphire laser), linearly polarized light, a pulse length of 40 fs, and a peak power (peak energy surface density) of 1.0 × 10 22 W / cm 2. It was. Here, since the laser beam 20 is an ultrashort pulse laser beam, the rise time until the pulse reaches the peak energy is about ½ of the pulse length. Here, the intensity of the pulsed laser beam 20 is The state at about 4 fs before the maximum time at the center of the hydrogen cluster 32 is shown. The propagation direction of the laser beam 20 is upward in the vertical axis direction in the figure. As a result, a region having a high ion density (first region 32A) is generated near the center of the hydrogen cluster 32 due to compression by a shock wave generated in the hydrogen cluster 32, and this region is surrounded by the Coulomb explosion of the hydrogen cluster 32. It is apparent that a region (second region 32B) having a lower ion density is formed.
この理由は、以下のように説明できる。まず、水素クラスター３２は、レーザー光２０の照射によってパルス状のレーザー光２０のピークに達するよりもだいぶ早い時点でプラズマ化される。周知のように、プラズマ中にレーザー光が侵入する場合、プラズマ中においては電磁波（レーザー光）の伝搬を抑制するように電子が運動し、このプラズマの電子密度ｎがレーザー光２０の波長で決まる臨界密度ｎｃ以上であると、レーザー光２０はプラズマの内部に侵入することができない。しかし、そのプラズマ最表面のスキン長１００ｎｍ程度の薄い領域まではレーザー光２０の侵入は許される。このため、少なくとも上記の大きさの水素クラスター３２においては、レーザー光２０は中心部付近までは侵入できない。 The reason for this can be explained as follows. First, the hydrogen cluster 32 is turned into plasma at a point much earlier than the peak of the pulsed laser beam 20 by irradiation with the laser beam 20. As is well known, when laser light penetrates into plasma, electrons move so as to suppress propagation of electromagnetic waves (laser light) in the plasma, and the electron density n of the plasma is determined by the wavelength of the laser light 20. When the critical density is nc or higher, the laser beam 20 cannot penetrate into the plasma. However, the penetration of the laser beam 20 is allowed up to a thin region having a skin length of about 100 nm on the outermost surface of the plasma. For this reason, at least in the hydrogen cluster 32 of the above-mentioned size, the laser beam 20 cannot penetrate to the vicinity of the central portion.
ただし、この照射によって、水素クラスター３２の内部においては、内向きの衝撃波が発生する。衝撃波は電子とイオンで構成されており、これによって、水素クラスター３２の中心近くに電子密度とイオン密度の双方の高い領域が生成される。図３では、水素クラスター３２の中心近くにイオン密度の高い第１領域３２Ａが生成されていることが確認できる。一方、水素クラスター３２内で最表面のスキン長程度の深さでレーザー光２０による電場によって電子が剥ぎ取られた領域では、イオン（プロトン）は斥力によってクーロン爆発を起こし、この向きは前記の衝撃波とは逆に外向きとなる。このため、外側のイオン密度の低い第２領域３２Ｂが生成される。なお、クーロン爆発によってもイオンは加速されるが、そのエネルギーは本発明によるレーザープラズマ加速によるものと比べて低く、イオン（プロトン）のエネルギー分布はブロードであり、かつ指向性はほとんどない。水素クラスター３２全体としての圧縮（イオン圧縮）の度合いは、内向きの衝撃波と外向きのクーロン爆発の程度で定まる。また、このように第１領域３２Ａ、第２領域３２Ｂが形成されるタイムスケール、あるいは衝撃波による圧縮、クーロン爆発の起こるタイムスケールは、長短パルスレーザー光である前記のレーザー光２０におけるパルス長（４０ｆｓ）と同様の短いタームスケールとなる。 However, this irradiation generates an inward shock wave inside the hydrogen cluster 32. The shock wave is composed of electrons and ions, whereby a region having both high electron density and ion density is generated near the center of the hydrogen cluster 32. In FIG. 3, it can be confirmed that the first region 32 </ b> A having a high ion density is generated near the center of the hydrogen cluster 32. On the other hand, in the region where electrons are peeled off by the electric field generated by the laser beam 20 at a depth of about the skin length of the outermost surface in the hydrogen cluster 32, ions (protons) cause a Coulomb explosion due to repulsion, and this direction is the above-described shock wave. On the contrary, it becomes outward. For this reason, the 2nd field 32B with a low outside ion density is generated. The ions are also accelerated by the Coulomb explosion, but the energy is lower than that by the laser plasma acceleration according to the present invention, the energy distribution of ions (protons) is broad, and there is almost no directivity. The degree of compression (ion compression) of the entire hydrogen cluster 32 is determined by the inward shock wave and the outward Coulomb explosion. In addition, the time scale in which the first region 32A and the second region 32B are formed in this way, or the time scale in which compression by a shock wave and Coulomb explosion occur is a pulse length (40 fs) in the laser beam 20 which is a long and short pulse laser beam. ) And a short term scale.
図４は、レーザー光２０の強度が水素クラスター３２の中心で最大となる時刻の約３３ｆｓ後における、図３に対応したプロトンエネルギーの空間分布である。前記の通り、水素クラスター３２の前方側（レーザー光２０の進行方向側）において、レーザープラズマ加速によって特に高いエネルギーをもったプロトンが生成されることが確認できる（点線で囲んだ領域）。また、水素クラスター３２の外側の表皮全体において生成され、前方側よりも低いエネルギーをもった領域は、クーロン爆発により生成される。 FIG. 4 shows the spatial distribution of proton energy corresponding to FIG. 3 after about 33 fs after the time when the intensity of the laser beam 20 becomes maximum at the center of the hydrogen cluster 32. As described above, it can be confirmed that protons having particularly high energy are generated by laser plasma acceleration on the front side of the hydrogen cluster 32 (the traveling direction side of the laser beam 20) (region surrounded by a dotted line). In addition, a region generated in the entire outer skin of the hydrogen cluster 32 and having energy lower than that of the front side is generated by a Coulomb explosion.
ここで、レーザー光２０の強度が低い場合には前記の通りレーザー光２０のプラズマ中の伝搬は抑制されるものの、高強度の超短パルスレーザー光であるレーザー光２０が照射される場合、プラズマ中の電子の速度は光速に近づき相対論的効果が発生するため、異なる状況が発生する。この場合、電子の速度上昇が光速を上限として抑制され、電子の質量が増加し、プラズマ中の電磁波の伝搬を抑制できる程度に電子が運動することが不可能となるため、プラズマ中の電磁波の伝搬が抑制されなくなる。このため、前記の臨界密度ｎｃに代わり、この場合の臨界密度は電子のローレンツ因子をγとしてγｎｃ（γ＞＞１）に上昇する。すなわち、パルスの立ち上がり時においてレーザー光２０のパワーが上昇して臨界密度が相対論的なγｎｃまで上昇するため、レーザー光２０はプラズマ中を透過することができる、すなわち、プラズマが透明化する。このため、レーザー光２０は水素クラスター３２の中心部にまで侵入する。 Here, when the intensity of the laser beam 20 is low, the propagation of the laser beam 20 in the plasma is suppressed as described above, but when the laser beam 20 which is a high-intensity ultrashort pulse laser beam is irradiated, the plasma Since the speed of the electrons inside approaches the speed of light and a relativistic effect occurs, a different situation occurs. In this case, the increase in the velocity of the electrons is suppressed up to the speed of light, the mass of the electrons increases, and the electrons cannot move to such an extent that the propagation of the electromagnetic waves in the plasma can be suppressed. Propagation will not be suppressed. Therefore, instead of the critical density nc, the critical density in this case rises to γnc (γ >> 1) with the Lorentz factor of electrons as γ. That is, since the power of the laser beam 20 rises and the critical density rises to a relativistic γnc at the rising edge of the pulse, the laser beam 20 can pass through the plasma, that is, the plasma becomes transparent. For this reason, the laser beam 20 penetrates to the center of the hydrogen cluster 32.
このため、レーザー光２０の照射による水素クラスター３２内のイオン圧縮によって 第１領域３２Ａが中心付近で圧縮されそのイオン密度が高まるタイミングと、その第１領域３２Ａにおけるプラズマが透明化するタイミングとを一致させた場合には、中心付近に圧縮されて集中した第１領域３２Ａにおける電子、イオン（プロトン）が、レーザー光２０の強い電場に曝され、このうち電子は相対論効果により前方に加速される。この前方加速された電子によって第１領域３２Ａには前方方向に局在した加速電場構造が形成され、特に効率的にレーザープラズマ加速を起こすことができる。この際、水素クラスター３２の中心付近の第１領域３２Ａに局在した電子、イオンのみがレーザープラズマ加速に寄与するため、発生するイオン（プロトン）ビームの単色性を高めることができる。上記の原理より、こうした現象は、クラスターターゲットを用いたレーザープラズマ加速に特有である。 For this reason, the timing at which the first region 32A is compressed near the center due to ion compression in the hydrogen cluster 32 by irradiation with the laser beam 20 and the ion density thereof increases coincides with the timing at which the plasma in the first region 32A becomes transparent. In this case, the electrons and ions (protons) in the first region 32A compressed and concentrated near the center are exposed to a strong electric field of the laser light 20, and among these, the electrons are accelerated forward by a relativistic effect. . Due to the forward accelerated electrons, an accelerating electric field structure localized in the forward direction is formed in the first region 32A, and laser plasma acceleration can be caused particularly efficiently. At this time, since only electrons and ions localized in the first region 32A near the center of the hydrogen cluster 32 contribute to the laser plasma acceleration, the monochromaticity of the generated ion (proton) beam can be enhanced. From the above principle, this phenomenon is unique to laser plasma acceleration using a cluster target.
図５は、前記のＥＰＩＣ３Ｄを用いて、こうした場合に得られるプロトンのエネルギースペクトルを算出した結果の一例である。約１１０ＭｅＶ以下のエネルギーをもつ広い分布は、前記の水素クラスター３２中におけるクーロン爆発に対応する。一方、２２０ＭｅＶのエネルギーにおいては、鋭いピークが見られる。このピークの半値幅は、例えば特許文献４の図５に記載されたイオンのピークと比べて、大幅に小さくなっていることが明らかである。すなわち、単色性が大幅に向上する。 FIG. 5 is an example of a result of calculating an energy spectrum of protons obtained in such a case using the above-described EPIC3D. A wide distribution with an energy of about 110 MeV or less corresponds to the Coulomb explosion in the hydrogen cluster 32. On the other hand, a sharp peak is observed at an energy of 220 MeV. It is clear that the half-value width of this peak is significantly smaller than that of the ion described in FIG. That is, the monochromaticity is greatly improved.
このような、第１領域３２Ａにおけるイオン密度が高まるタイミングと、第１領域３２Ａにおけるプラズマの透明化のタイミングは、レーザー光２０の照射条件と、水素クラスター３２の大きさ（平均粒径）で調整することができる。後者は、前記の通り、クラスターガス生成装置７０を用いて調整可能である。レーザー光２０の照射条件としては、レーザー光２０（パルス）の出力、立ち上がり時間がある。ここで、レーザー光２０の出力としては、パルス（超短パルス）のピークパワー（尖頭値）をとることができる。また、前記の通り、このパルスは超短パルスであるために、立ち上がり時間は実質的にパルス長の１／２とすることができる。すなわち、このタイミングは、水素クラスター３２の粒径、レーザー光２０のピークパワー、パルス長によって制御することができる。 The timing of increasing the ion density in the first region 32A and the timing of plasma transparency in the first region 32A are adjusted by the irradiation condition of the laser light 20 and the size (average particle size) of the hydrogen clusters 32. can do. The latter can be adjusted using the cluster gas generator 70 as described above. The irradiation conditions of the laser beam 20 include the output of the laser beam 20 (pulse) and the rise time. Here, the output of the laser beam 20 can be a peak power (peak value) of a pulse (ultrashort pulse). Further, as described above, since this pulse is an ultrashort pulse, the rise time can be substantially ½ of the pulse length. That is, this timing can be controlled by the particle size of the hydrogen cluster 32, the peak power of the laser light 20, and the pulse length.
このタイミング制御において最も影響が大きいのは、水素クラスター３２の大きさ（粒径）である。図２の水素クラスターガス生成装置４０によって生成される水素クラスター３２の粒径は実際には一様ではなく分布をもつが、その分布のピークとなる粒径を制御することができる。図６は、前記のＥＰＩＣ３Ｄを用いて、レーザー光２０のパルス長を４０ｆｓ、ピークパワーを１．０×１０２２Ｗ／ｃｍ２とした場合において、水素クラスター３２の半径Ｒを４００ｎｍ、６００ｎｍ、８００ｎｍ、１０００ｎｍとした場合において得られる、図５に対応したエネルギースペクトルである。これ以外のパラメータは上記と同様である。この結果より、Ｒが８００ｎｍの場合において２２０ＭｅＶ付近で鋭いピークが観測され。Ｒがこれより小さな場合、大きな場合共に、こうしたピークは観測されない。これは、前記の通り、レーザー光２０の照射に際して、水素クラスター３２においては内向きの衝撃波と外向きのクーロン爆発が同時に発生することを考慮して、以下の通りに説明できる。 The greatest influence in this timing control is the size (particle size) of the hydrogen cluster 32. Although the particle size of the hydrogen cluster 32 generated by the hydrogen cluster gas generator 40 in FIG. 2 is actually not uniform and has a distribution, the particle size at the peak of the distribution can be controlled. FIG. 6 shows that when the pulse length of the laser beam 20 is 40 fs and the peak power is 1.0 × 10 22 W / cm 2 using the EPIC3D, the radius R of the hydrogen cluster 32 is 400 nm, 600 nm, and 800 nm. 6 is an energy spectrum corresponding to FIG. Other parameters are the same as above. From this result, a sharp peak is observed around 220 MeV when R is 800 nm. Such peaks are not observed when R is smaller or larger. As described above, this can be explained as follows in consideration of the simultaneous occurrence of an inward shock wave and an outward Coulomb explosion in the hydrogen cluster 32 upon irradiation with the laser beam 20.
まず、Ｒが最適な範囲よりも小さな場合には、外向きのクーロン爆発の影響が内向きの衝撃波の影響よりも大きくなる。このため、前記のように、水素クラスター３２の中心付近でイオン密度が高い第１領域３２Ａは形成されにくくなる。このため、第１の領域３２Ａにおけるレーザープラズマ加速は発生しにくくなり、その代わりに、クーロン爆発によるエネルギースペクトル中の低エネルギー側の成分が顕著となる。なお、この場合のプロトンのエネルギーは、「Ｈｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｏｎｓ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ Ｌａｓｅｒ Ｄｒｉｖｅｎ Ｃｏｕｌｏｍｂ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｏｆ Ｃｌｕｓｔｅｒ」、Ｋ．Ｎｉｓｈｉｈａｒａ、Ｈ．Ａｍｉｔａｎｉ、Ｍ．Ｍｕｒａｋａｍｉ、Ｓ．Ｖ．Ｂｕｌａｎｏｂｖ ａｎｄ Ｔ．Ｚｈ．Ｅｓｉｒｋｅｐｏｖｃ、Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａ、４６４巻、９８頁（２００１年）と矛盾しない範囲である。 First, when R is smaller than the optimum range, the influence of the outward Coulomb explosion becomes larger than the influence of the inward shock wave. For this reason, as described above, the first region 32A having a high ion density near the center of the hydrogen cluster 32 is hardly formed. For this reason, laser plasma acceleration in the first region 32A is less likely to occur, and instead, a low-energy component in the energy spectrum due to Coulomb explosion becomes prominent. In this case, the energy of protons is “High Energy Ions Generated by Laser Drive Coulomb Exploration of Cluster”, K.K. Nishihara, H .; Amitani, M.M. Murakami, S .; V. Bulanobv and T.M. Zh. This is a range that is consistent with Esirkepovc, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 464, 98 (2001).
一方、Ｒが最適な範囲よりも大きな場合には、逆に、内向きの衝撃波の影響が外向きのクーロン爆発の影響よりも大きくなる。ただし、第１領域３２Ａにおけるプラズマの透明化が起こるタイミングと第１領域３２Ａが最圧縮されるタイミングとがずれ、充分に圧縮されていない第１領域３２Ａに対してレーザー光２０が照射される。このため、前記のように、エネルギースペクトルにおけるレーザープラズマ加速による高エネルギー側の成分は存在しているが、その広がりは大きい。すなわち、レーザープラズマ加速は発生するが、単色性が悪い。このため、Ｒは８００ｎｍをほぼその中心とした４００〜１５００ｎｍの範囲（平均粒径は、その２倍である８００ｎｍ〜３０００ｎｍ）の範囲）が好ましい。 On the other hand, when R is larger than the optimum range, the influence of the inward shock wave is larger than the influence of the outward Coulomb explosion. However, the timing at which the transparency of the plasma in the first region 32A occurs and the timing at which the first region 32A is most compressed are shifted, and the first region 32A that is not sufficiently compressed is irradiated with the laser beam 20. For this reason, as described above, there are components on the high energy side due to laser plasma acceleration in the energy spectrum, but the spread is large. That is, laser plasma acceleration occurs but monochromaticity is poor. For this reason, R is preferably in the range of 400 to 1500 nm (the average particle diameter is twice that of 800 nm to 3000 nm) with 800 nm as the center.
このような最適範囲が存在するという点については、レーザー光２０のピークパワーについても同様である。図７は、Ｒを８００ｎｍと固定し、レーザー光２０のピークパワーを２×１０２１Ｗ／ｃｍ２、３×１０２１Ｗ／ｃｍ２、４×１０２１Ｗ／ｃｍ２、１×１０２２Ｗ／ｃｍ２とした場合の図６と同様の結果を示す。ただし、このシミュレーションは二次元で行ったため、ピークパワーが１×１０２２Ｗ／ｃｍ２の場合においても高エネルギー側成分の単色性は低くなっている。 The same applies to the peak power of the laser beam 20 in that such an optimum range exists. In FIG. 7, R is fixed at 800 nm, and the peak power of the laser beam 20 is 2 × 10 21 W / cm 2 , 3 × 10 21 W / cm 2 , 4 × 10 21 W / cm 2 , 1 × 10 22 W. The result similar to FIG. 6 in the case of / cm 2 is shown. However, since this simulation was performed in two dimensions, even when the peak power is 1 × 10 22 W / cm 2 , the monochromaticity of the high energy side component is low.
この結果より、前記のＲが大きな場合と同様に、ピークパワーが小さい場合にも、単色性は劣化することが確認できる。これは、前記のＲが大きな場合と同様に、第１領域３２Ａ中におけるプラズマの透明化が起こるタイミングと第１領域３２Ａが最圧縮されるタイミングとがずれるために、レーザープラズマ加速による高エネルギー成分は生成されても、その単色性は低くなっている。この結果より、ピークパワーは、水素クラスター３２においてプラズマの透明化が起こる閾値である３×１０２１Ｗ／ｃｍ２以上とすることが好ましい。また、ピークパワーが１×１０２４Ｗ／ｃｍ２を超えると、放射減衰の効果が顕著となり、イオンがレーザー光で直接加速される効果が現れ始める。このため、ピークパワーは１×１０２４Ｗ／ｃｍ２以下であることが好ましい。 From this result, it can be confirmed that the monochromaticity deteriorates even when the peak power is small as in the case where R is large. This is because, as in the case where R is large, the timing at which the transparency of the plasma in the first region 32A occurs and the timing at which the first region 32A is compressed most often cause a high energy component due to laser plasma acceleration. Is produced, but its monochromaticity is low. From this result, it is preferable that the peak power is 3 × 10 21 W / cm 2 or more, which is a threshold value at which plasma transparency in the hydrogen cluster 32 occurs. Further, when the peak power exceeds 1 × 10 24 W / cm 2 , the effect of radiation attenuation becomes significant, and the effect that ions are directly accelerated by laser light starts to appear. For this reason, the peak power is preferably 1 × 10 24 W / cm 2 or less.
レーザー光２０の立ち上がり時間についても、同様に考えることができる。すなわち、ピークパワーが一定で立ち上がり時間が最適な範囲の下限よりも短くなった場合、水素クラスター３２に吸収されるエネルギーは小さくなるため、前記のピークパワーが低い場合と同様である。また、上記のような超短パルスレーザー光を用いることによって第１領域３２Ａ、第２領域３２Ｂが形成されるため、図３のような状態を実現するためには、立ち上がり時間の上限値も存在する。前記の通り、超短パルスレーザー光においては、立ち上がり時間はパルス長の１／２とすることができ、こうした最適な立ち上がり時間は、７．５ｆｓ〜１００ｆｓであり、これに対応した最適なパルス長の範囲はその２倍の１５ｆｓ〜２００ｆｓ程度となる。 The rise time of the laser beam 20 can be considered similarly. That is, when the peak power is constant and the rise time is shorter than the lower limit of the optimum range, the energy absorbed by the hydrogen cluster 32 becomes small, and this is the same as when the peak power is low. In addition, since the first region 32A and the second region 32B are formed by using the ultrashort pulse laser beam as described above, there is also an upper limit of the rise time in order to realize the state as shown in FIG. To do. As described above, in the ultrashort pulse laser beam, the rise time can be ½ of the pulse length, and the optimum rise time is 7.5 fs to 100 fs, and the optimum pulse length corresponding to this is as follows. The range is about 15 fs to 200 fs, which is twice that range.
すなわち、水素で構成されたクラスターに対して超短パルスレーザー光を照射してプロトンビームを生成する際に、上記の条件とすることが、図５に示されたような単色性の高いプロトンビームを得るためには好ましい。図４に示されるように、図５における２２０ＭｅＶのピークの成分はレーザー光２０の進行方向に沿った強い指向性をもつのに対して、図５におけるクーロン爆発による低エネルギー側の成分は指向性がない。また、この低エネルギー側の成分はレーザープラズマ加速による２２０ＭｅＶのピークから低エネルギー側で明確に分離されているため、分離は容易である。また、一般に、粒子線癌治療において用いられるプロトンビームのエネルギーは６０〜２５０ＭｅＶの範囲内であるため、図５の特性はこうした用途には特に好ましい。 That is, when a proton beam is generated by irradiating a cluster composed of hydrogen with an ultrashort pulse laser beam, the above-mentioned conditions are satisfied. The proton beam having a high monochromaticity as shown in FIG. It is preferable to obtain As shown in FIG. 4, the 220 MeV peak component in FIG. 5 has strong directivity along the traveling direction of the laser beam 20, whereas the low energy component due to Coulomb explosion in FIG. There is no. Further, since the component on the low energy side is clearly separated on the low energy side from the 220 MeV peak due to laser plasma acceleration, the separation is easy. In general, since the energy of the proton beam used in the particle beam cancer treatment is in the range of 60 to 250 MeV, the characteristics shown in FIG. 5 are particularly preferable for such applications.
また、図５の特性において、Ｅ＝２２０ＭｅＶのピークの半値幅をΔＥとすると、単色化率ΔＥ／Ｅの値は、約０．０７となる。従来の加速器（シンクロトロン、サイクロトロン等）における同程度のエネルギーのプロトンビームのΔＥ／Ｅは通常は０．０１程度であるため、上記の構成により、単色性を従来の加速器に近づけることができる。 In the characteristics of FIG. 5, assuming that the half-value width of the peak at E = 220 MeV is ΔE, the value of the monochromization ratio ΔE / E is about 0.07. Since ΔE / E of a proton beam having the same energy in a conventional accelerator (such as a synchrotron or a cyclotron) is usually about 0.01, the above configuration can bring the monochromaticity closer to that of a conventional accelerator.
また、上記においては、単一の水素クラスター３２に対してレーザー光２０が１回照射された場合について説明された。この際の２２０ＭｅＶのピークに対応したイオン（プロトン）数は１０７個程度となる。プロトンビームを癌治療に用いる場合に必要な吸収線量を１Ｇｙとすると、このプロセスを１０Ｈｚで２８６秒間行うことにより、この吸収線量が得られる。前記の通り、クラスターガス生成装置７０においては、電磁バルブ４７を用いて水素クラスター３２の生成のオン・オフを、超短パルスレーザー光の発振の繰り返し周波数に同期させることができる。この条件は、レーザー光源の発振周波数と、クラスターガス生成装置７０による水素クラスターガス３０の繰り返し生成可能な周波数を、それぞれ上記の値とすることによって実現できる。 Moreover, in the above, the case where the laser beam 20 was irradiated once with respect to the single hydrogen cluster 32 was demonstrated. The number of ions (protons) corresponding to the 220 MeV peak at this time is about 10 7 . If the absorbed dose required when using a proton beam for cancer treatment is 1 Gy, this absorbed dose can be obtained by performing this process at 10 Hz for 286 seconds. As described above, in the cluster gas generation apparatus 70, the on / off of the generation of the hydrogen cluster 32 can be synchronized with the repetition frequency of the oscillation of the ultrashort pulse laser beam by using the electromagnetic valve 47. This condition can be realized by setting the oscillation frequency of the laser light source and the frequency at which the cluster gas generator 70 can repeatedly generate the hydrogen cluster gas 30 to the above values.
上記においては、ガスとして水素を使用し、プロトンビームを生成する場合について説明した。しかしながら、クラスター中で同様のメカニズムを発生させることによって、他の原子からなるガスを用いて、この原子のイオンビームを単色性の高い状態で生成することができることは明らかである。すなわち、上記のイオン加速方法は、プロトンビームを生成する場合だけでなく、他のイオンビームを生成する場合においても有効である。この際、前記の通り、単色性を高めることは、特に医療用途（癌治療等）においては有効である。 In the above description, the case where hydrogen is used as a gas and a proton beam is generated has been described. However, it is clear that by generating a similar mechanism in the cluster, an ion beam of this atom can be generated in a highly monochromatic state using a gas composed of other atoms. That is, the ion acceleration method described above is effective not only when generating a proton beam but also when generating another ion beam. At this time, as described above, increasing monochromaticity is particularly effective in medical applications (cancer treatment and the like).
また、特許文献４に記載されるような、パルスレーザー光の集光位置（集光光学系）やクラスターガスの生成タイミングの調整も同時に行うことができる。 In addition, as described in Patent Document 4, the condensing position of the pulse laser beam (condensing optical system) and the generation timing of the cluster gas can be adjusted at the same time.
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 水素クラスターガス
３１ 水素（Ｈ２）分子
３２ 水素クラスター（クラスター）
４０ 水素クラスターガス生成装置
４１ 冷凍機
４２ ヒーター
４３ 温度センサ
４４ 水素ガス導入部
４５ ノズル
４６ 水素クラスター噴出口
４７ 電磁バルブ（バルブ）
５０ イオンビーム（プロトンビーム）
10 Ion Accelerator 20 Laser light (pulse laser light)
21 Condensing optical system 30 Hydrogen cluster gas 31 Hydrogen (H 2 ) molecule 32 Hydrogen cluster (cluster)
40 Hydrogen Cluster Gas Generator 41 Refrigerator 42 Heater 43 Temperature Sensor 44 Hydrogen Gas Introducing Port 45 Nozzle 46 Hydrogen Cluster Jet 47 Electromagnetic Valve (Valve)
50 Ion beam (proton beam)
Claims (5)
前記クラスター中において、前記クラスターに前記パルスレーザー光が照射された際に、前記クラスター内に生じる衝撃波による圧縮によって前記クラスターの中心でイオン密度が高まった第１領域と、前記クラスターにおける前記第１領域の外側において前記クラスターのクーロン爆発による前記イオン密度が前記第１領域よりも小さくなった第２領域とを形成し、
前記第１領域が圧縮されて前記第１領域における前記イオン密度が高まるタイミングと、
前記第１領域における電子の相対論的効果によって前記パルスレーザー光に対する前記第１領域の光透過率が低下するタイミングと、
を一致させるように前記パルスレーザー光を前記クラスターガスに照射することを特徴とするイオン加速方法。 A cluster gas in which particulate clusters of gas molecules are dispersed in a gas is ejected, and the cluster gas is turned into plasma by irradiating the cluster gas with a pulsed laser beam, and atoms constituting the cluster An ion acceleration method of ionizing and accelerating
In the cluster, when the pulsed laser beam is irradiated to the cluster, a first region where ion density is increased at the center of the cluster due to compression by a shock wave generated in the cluster, and the first region in the cluster And the second region where the ion density due to the Coulomb explosion of the cluster is smaller than the first region,
Timing when the first region is compressed to increase the ion density in the first region;
A timing at which the light transmittance of the first region with respect to the pulsed laser light decreases due to relativistic effects of electrons in the first region;
The ion acceleration method is characterized by irradiating the cluster gas with the pulsed laser light so as to coincide with each other.
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