JP2021022552A - イオン発生複合ターゲット及びそれを使用したレーザー駆動イオン加速装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザー航跡場加速メカニズムでは、ターゲットの厚さがある程度まで小さくなると、かえって高エネルギーレーザーからのプレパルスレーザーの衝突に耐えられなくなってしまう。また、レーザー航跡場を用いて基本粒子を加速する場合、薄いターゲットはプレパルスの衝撃に耐えられず、主パルスが到着する前に壊れて使用できなくなり、厚いターゲットはプレパルスに耐えられるが、その厚さはイオン加速効率を全体的に低下させる原因になる。【解決手段】イオン放射技術に応用されるイオン発生複合ターゲットであり、貫通孔を含む基板と、１ｎｍ〜３ｎｍの厚さと４００μｍを超える長辺を有し、イオン化されて陽子または炭素イオンのいずれかを放出する、基板上配置されて貫通孔を横切るグラフェン薄膜とを備える。【選択図】図１１
Description
本発明は、イオン発生複合ターゲットに関し、特にレーザー駆動イオン加速メカニズムに適用される複合ターゲットに関する。
近年、レーザー駆動イオン加速(laser-driven ion acceleration, LIA)機構を利用して高エネルギー粒子(energetic particles)の加速、特に陽子の加速(proton cancer therapy)を誘発する。下記のような、エンジニアリングと医学応用における重要な見通しがあり、重大な科学的内包を持っている。癌治療(proton cancer therapy)、核融合点火（fusion ignition)、基本粒子研究、高エネルギー物理研究、天体物理学研究などが挙げられる。特にレーザー・プラズマ加速器装置は従来型加速器より小型化され、さらに卓上式(table-top)装置としても製作できるため、非常に人気あるの科学技術となっている。
ＬＩＡはまたレーザー・プラズマ加速器(laser plasma acceleration)、レーザー航跡場加速(laser wake field acceleration)などとも呼ばれ、高エネルギーレーザーで固体ターゲットに衝突し、ターゲット先端にクーロン爆発を生じさせ、瞬間的に遊離状態に昇温してプラズマ化し、プラズマクラウドにおける遊離した熱電子群はレーザー電磁波の物動力(ponderomotive force)に押されて駆動され、ターゲットを越えて後端から出て熱電子層（プラズマシース）を形成し、熱電子群の凝集に伴い強力な静電界が誘発され、遊離した陽子群を引っ張りながら前進させ、陽子群を数仟万電子ボルト(MeV)の高エネルギーに加速される；ＬＩＡは常にターゲット法線シース加速 (Target Normal Sheath Acceleration, TNSA)を基本的な理論モデルとし、ＴＮＳＡモデルにおいて、プラズマシースを通してターゲット法線方向の強い静電界を励起して陽子群を非常に高いエネルギーに加速させる。
図１は、従来技術におけるレーザー航跡場加速陽子の基本モデルを示す模式図である；図１のパルスレーザーからの高エネルギーレーザービーム１０は、ターゲット１２に衝突した後、遊離した熱電子群がターゲットから離れてアーチ状の熱電子層１４を形成し、同時に発生した静電界は陽子群１６を同期的に引きずり進めることができるが、発生した静電界の強度は非常に短い距離で急速に減衰しているため、レーザー航跡場加速メカニズムでは、ターゲットの厚さをできるだけ薄くして陽子群への加速効率を高める必要があるが、ターゲットの厚さがある程度まで小さくなると、かえって高エネルギーレーザーからのプレパルスレーザーの衝突に耐えられなくなってしまう。
図２は、従来技術におけるレーザパルスの強度と時間との関係を示す図である；レーザー航跡場を用いて基本粒子を加速する場合、高エネルギーレーザーはすべてパルスレーザーで実施されているため、主パルスの励起前にプレパルス(pre-pulse)が発生し、図２に示すように、プレパルスの強度(intensity)は主パルスよりもやや低いが、その存続期間(duration)は主パルスよりも相対的に長いため、プレパルスが発生する総エネルギーパワーは主パルスの数十倍にもなる上、プレパルスによるターゲットへの熱効果(strong heating effect)があるので、薄いターゲットはプレパルスの衝撃に耐えられず、主パルスが到着する前に壊れて使用できなくなり、厚いターゲットはプレパルスに耐えられるが、その厚さはイオン加速効率を全体的に低下させる原因になる。
以上の問題点に鑑みて、出願者は真剣な試験と研究を経、本発明の「イオン発生複合ターゲット及びそれを使用したレーザー駆動イオン加速装置」を提案し、上記の欠点を克服することができる。以下に本発明の簡単な説明をする。
従来技術(prior art)では一般的に単層炭化水素(C-H based)ターゲットを使用してレーザー駆動イオン加速(laser-driven ion acceleration)を行うため、その過程で炭素水素ターゲットの厚さが薄いため構造が脆弱すぎ、高エネルギーのレーザービームのプレパルスによる衝突に耐えられず、主パルスが到着する前にターゲットが破損し、イオンの加速効果が悪い原因になる。上記の課題を解決するために、本発明はグラフェン薄膜と基板から成る複合ターゲット、及びグラフェン薄膜をスキャフォールド(scaffold)として任意の材料からなる薄膜を担持する複合ターゲットを提案する。
本発明は上記の課題を解決するために、従来技術において炭素イオンが発生する時、炭素系材料は薄いターゲットに容易に作られたが、プレパルスによって破壊されやすいという課題を解決することに対し、本発明で提案するイオン発生複合ターゲットは、グラフェン薄膜を複合ターゲットの主要材料として利用する上、基板と共に複合ターゲットを構成するか、グラフェン材料の固有な超強炭素結合構造により任意の脆弱な材料薄膜を支持して複合ターゲットを構成するようになる。その為、本発明の複合ターゲットはプレパルスの衝撃に耐えられ、大量の各種イオンを放出することができる。
本発明では、複合ターゲットとして大面積浮遊グラフェン(large-area suspended graphene, LSG)を用いることを提案する。従来の矩形ターゲットを例にし、その長さや幅はほぼ１０μｍ未満であるが、本発明で提案するLSG複合ターゲットは、矩形のLSG複合ターゲットを例にし、好ましくは、その長辺の辺長は４００μｍを超えても良いがこれに限定されなく、５００μｍを超えても良いがこれに限定されない。実際の長さはレーザーパワーによって変化するが、１ｎｍの超薄型ナノサイズの厚さを維持することができ、このような比較的広い面積の寸法においても高い平坦度、均一性(uniformity)、均質性(homogeneous)を維持する上、本発明は、化学気相蒸着(chemical vapor deposition, CVD)、急速熱化学蒸着(rapid-thermal chemical vapor deposition, RTCVD)或いは、原子層堆積(atomic layer deposition, ALD)などの技術を用いてLSGを成長させるので、LSGの成長厚さを精確に制御ことができ、本発明のLSG複合ターゲットの製造コストは比較的安価である。
本発明で提案するLSG複合ターゲットは、放射圧加速度(radiation pressure acceleration, RPA)と比較して相対的に薄い厚さを有し、単一層のグラフェン薄膜の厚さは1nmまで薄いことが好ましく、多層グラフェン薄膜を積層した後、その厚さは10nm~100nmの範囲にあることが好ましい。従来の陽子加速技術で使用される厚いターゲットに比べ、より多くのイオンを放射(irradiate)し、より高密度なイオン群を形成し、より効果的にイオンを加速することができ、本発明のLSG複合ターゲットは大量生産が容易で、応用普及化に繋がると期待される。例えば、陽子加速のターゲット、核融合点火のターゲット、癌治療のターゲットとして活用できる上、基本粒子研究、高エネルギー物理研究、天体物理学研究などの分野でも応用できる。
本実施例ではRTCVDを例にグラフェン薄膜の製作を説明する。まず、グラフェンの基本成長搭載板として銅箔(Cu foil)を使用し、成長搭載板となる銅箔表面を電解研摩(electro-polishing)の表面処理を行い、次に銅箔搭載板表面に残存し得る有機汚染源を除去する為、アセトン(acetone)と脱イオン水(DI water)で処理後の銅箔搭載板を洗浄する。
図３は本発明でグラフェン薄膜を生成するための急速熱化学蒸着の各反応段階を示す模式図である；続いてRTCVDを実施し、銅箔搭載板をRTCVD反応チャンバに入れ、図３に示すように、RTCVD製造プロセスは主に三つの段階から構成される。第１段階は急速昇温段階であり、反応チャンバ温度を２５℃から約３００秒で９８０℃まで直線的に昇温し、反応チャンバ内を水素ガス（Ｈ２ ｇａｓ ｆｌｏｗ）気流を通す；第２段階は熱処理段階であり、反応チャンバー温度を９８０℃で約２，２００秒保持し、この段階で反応チャンバー内を水素とメタンの混合気流（Ｈ２ ａｎｄ ＣＨ４ ｇａｓ ｆｌｏｗ）を、約５０〜１００ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｕｂｉｃ ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）流量で反応チャンバー内を通過し、同時に、反応チャンバー内は約１．５ｔｏｒｒのガス圧力を保持する；第３段階は急速熱アニール（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ， ＲＴＡ）段階であり、反応チャンバーの温度を９８０℃から約４００秒で指数的に９８０℃まで下げ、この段階で反応チャンバー内を水素ガス気流（Ｈ２ ｇａｓ ｆｌｏｗ）を通過する。
１層の超薄型グラフェン薄膜は、主に第２段階から銅箔搭載板にて成長し、水素とメタンの混合気流を介して炭素源を提供し、第２段階の操作時間を制御することで、銅箔搭載板におけるグラフェンの成長総厚を決定することができ、第３段階のＲＴＡ処理によって第２段階に形成されたグラフェン薄膜をさらに高結晶構造（ｈｉｇｈ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）に転化させることができる。成長した単一層の超薄グラフェン薄膜の厚さは１ｎｍまで薄くなることができる。次にスピンコート（ｓｐｉｎ ｃｏａｔｉｎｇ）工程を実施することで、銅箔搭載板におけるグラフェン薄膜にアクリル（ＰＭＭＡ）膜を形成し、銅箔搭載板におけるグラフェン薄膜を一時的に保護し、その後にも、グラフェン薄膜とともに複合ターゲットを構成することができる。
図４は、本発明でグラフェン薄膜上の銅箔を除去するために実施する電解気泡法の模式図である；銅箔搭載板４０、グラフェン薄膜４１及びＰＭＭＡ被覆膜４２を共に陰極（ｃａｔｈｏｄｅ）４３とし、また適切な導体４５を陽極（ａｎｏｄｅ）４６とし、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液（ａｑｕｅｏｕｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）４７を電解液とし、陽極４６と陰極４３をＮａＯＨ水溶液４７に浸し、陽極４６と陰極４３の間に安定な電流を印加すると、陰極４３と陽極４６の間で酸化還元反応が起こり始め、水溶液４７に対して電気分解反応（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ）を起こし、その過程で陰極４３から大量の水素気泡が発生し、グラフェン薄膜４１に付着した銅箔搭載板４０をグラフェン薄膜４１から剥離し、銅箔搭載板４０をグラフェン薄膜４１及びＰＭＭＡ被覆膜４２から除去する。
図５〜図７は、本発明で生成するグラフェン薄膜を基板に転写する際に実施する湿式転写法の各工程を示す模式図である；その後、湿式転写法を実施することで、グラフェン薄膜４１をＰＭＭＡ被覆膜４２とともにもう一つの基板に再転写する。前記基板はすでに純水で洗浄される。図５に示すように、まず化学選択エッチング（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｅｔｃｈｉｎｇ）を実施し、グラフェン薄膜４１とＰＭＭＡ被覆膜４２を、例えば塩化第二鉄（ＦＥＣＬ３）溶液５０に浸漬しする。塩化第二鉄によってグラフェン薄膜４１ではなく、銅材料を腐食する特性により、グラフェン薄膜４１に残り得る微量の銅箔搭載板４０をさらに除去し、純粋なグラフェン薄膜４１が分離される。
次に、図６に示すように、分離したグラフェン薄膜を脱イオン水に浸して洗浄し、脱イオン水６０にグラフェン薄膜を自由に浮遊させ、基板６１も同じ脱イオン水に浸漬し、基板６１の貫通孔６３をグラフェン薄膜６２に大体合わせた後、基板６１でグラフェン薄膜６２を引き上げるか、あるいは釣り上げる（ｆｉｓｈｉｎｇ）と、グラフェン薄膜６２が基板６１の貫通孔６３の周囲に付着（ａｔｔａｃｈ）し、基板６１の貫通孔６３に浮遊するようになる。当該工程は釣り上げ工程（ｆｉｓｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）とも呼ばれる。本実施例の基板６１についてはシリコン基板を例に説明する。その後、図７に示すように、貫通孔６３にグラフェン薄膜６２が浮遊した基板６１を直立させてヒータ７０加熱乾燥し、最終的なグラフェン複合ターゲットを形成する。
図８は、本発明において生成したグラフェン薄膜を基板に複数回で繰り返して転写して多層グラフェン薄膜を形成する模式図である。前記湿式転写法と同様の手順を繰り返して実施することにより、多層グラフェン薄膜を基板の貫通孔に付着させ、基板の貫通孔に多層グラフェン薄膜を浮遊させることができる；本実施例の基板では、銅箔基板を例に説明する。図８に示すように、貫通孔に１層のグラフェン薄膜６２が既に付着した銅箔基板６１を用い、脱イオン水６０から２層目のグラフェン薄膜６２を引き上げ、基板６１の貫通孔６３上に２層のグラフェン薄膜層を浮遊させ、前記湿式転写法を繰り返すことで多層グラフェン薄膜が作製され、最終的に基板貫通孔に浮遊した多層グラフェン薄膜を構成する。
湿式転写法のほか、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）やポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの弾力性、粘着性を有する材質をキャリア層（ｃａｒｒｉｅｒ ｌａｙｅｒ）とする乾式転写法を選択し、先ずＰＭＭＡ被覆膜にＰＶＡやＰＤＭＳ弾力性付きキャリア層を形成し、それから、弾性付きキャリア層をグラフェン薄膜とＰＭＭＡ被覆膜とともに基板の貫通孔にスタンピング（ｓｔａｍｐ）してグラフェン薄膜の転写を完了する；次に、ＰＭＭＡ被覆膜を除去しなければならない場合は、５００℃条件下でアニール工程を再実行し、ＰＭＭＡ被覆膜をグラフェン薄膜から除去してもよい。
図９は本発明において複合ターゲットの基板であるシリコンチップ基板を示す模式図である；図１０は本発明において複合ターゲット材の基板である銅箔基板を示す模式図である；図９に示すように、本実施例の基板は例えば、厚さ約２５０μｍのシリコンチップ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｈｉｐ）基板２０であっても良く、前記シリコンチップ基板２０に直径１００μｍ〜５００μｍの貫通孔２２が多数分布するか、図１０に示すように、本実施例の基板は例えば、かなりの厚さの銅箔基板３０であっても良く、前記銅箔基板３０には貫通孔３２が一つしか開設されていないが、基板の材質はシリコンチップや銅箔に限らず、かなりの剛性を持ち、適切な支持力を与えることができ、グラフェン転移過程で使用された化学物質と反応しない材料であれば、例えばよく見られるステンレス薄板などを基板として利用してもよい。
図１１は本発明で提案する浮遊グラフェン複合ターゲットの模式図である。本発明に基づき最終的に作製する浮遊グラフェン複合ターゲットは図１１に示すようになる。本発明で提案する浮遊グラフェン複合ターゲット１００は、基板１０２の貫通孔１０４及び、貫通孔周囲の基板１０６にグラフェン薄膜１０８が付着する。全体のグラフェン薄膜１０８は、基板１０２の貫通孔１０４を跨ぎ、一部のグラフェン薄膜１０８は、基板１０２の貫通孔１０４に浮遊し、浮遊グラフェン複合ターゲット１００を形成する（或いは、フローティング式、懸垂式（ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ）グラフェン複合ターゲットとも呼ばれる）。
注目すべきは、転写法を何度も繰り返すことで、二層グラフェン薄膜、四層グラフェン薄膜、八層グラフェン薄膜、多層グラフェン薄膜などを作製することができる上、グラフェン構造体をさらに支持体（ｓｃａｆｆｏｌｄ）や、棚としてグラフェン構造体に炭素系材料薄膜、炭化水素薄膜、金属薄膜、及び例えばＰＭＭＡ薄膜などのプラスチック高分子薄膜、または有機ポリマー薄膜、金箔もしくは銅箔めっき膜などを形成し、グラフェン構造体、基板などと共に複合ターゲットを構成し、イオン化した後に陽子、イオンなどの粒子を放出することができる。グラフェン薄膜の厚さはＣＶＤプロセスで簡単かつ精確に制御することができる。グラフェン薄膜層の総厚は多層グラフェン薄膜の積層数により簡単かつ精確に制御ことができる。
図１２は本発明の複合ターゲット材の各製造工程を示すフローチャートである；以上のように、本発明で開示する複合型ターゲットの製造プロセスは、大別すると、グラフェン薄膜の成長を提供する銅箔搭載板をクリーニングし、その後、RTCVDを実施することで銅箔搭載板に、原子層の厚さに近い１ｎｍの超薄型な単一層のグラフェン薄膜を成長する工程と、続いてスピンコート方式でグラフェン薄膜にＰＭＭＡ被覆膜を形成する工程と、その後、電解気泡法を実施してグラフェン薄膜に付着した銅箔搭載板を除去する工程と、その後、一回または複数回の転写法を実施し、基板とグラフェン薄膜またはその上に形成された他の任意の材料薄膜とを共同で最終的な複合ターゲットを構成する工程とを含む。
基板に形成されたグラフェン薄膜の構造を同時に検出するため、合成したグラフェン薄膜を走査電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ， ＳＥＭ）で走査し、一連のＳＥＭ画像を取得する。ＳＥＭ画像はグラフェン薄膜の構造を示すことができるほか、画像の内容によって構造体中に不純物、割れ、折り畳め、隙間、不連続構造などの欠陥が発見できる；図１３は、単層浮遊グラフェン構造体が直径５００μｍ貫通孔に浮遊したＳＥＭ像を示す。図１３に示す画像は、ほぼ均一で汚染されていない薄膜構造体を示唆している。
図１４は、直径５００μｍの貫通孔に浮遊する四層浮遊グラフェン構造体（４Ｌ−ＳＬＧ）のＳＥＭ像である；図１５は図１４に示す四層浮遊グラフェン構造体の端部の拡大ＳＥＭ像である。図１５から四層浮遊グラフェンとシリコン基板との境界や、境界にシリコン基板の連続破断帯としわ構造などが明らかに示されており、また、浮遊グラフェン薄膜がシリコン基板に対して相対的に非常に平坦であることをも示している。
基板に形成されたグラフェン薄膜の具体的な形態構造の特徴（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）を検出するため、さらに合成したグラフェン薄膜を非接触原子間力顕微鏡（ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ， ＡＦＭ）で走査し、一連の走査ＡＦＭ画像を取得する。ＡＦＭ走査によって特定の軸線、または三次元空間におけるグラフェン薄膜構造体の原子尺度の表面形状と寸法を精確に測定することができる；図１６は、貫通孔に浮遊する単層浮遊グラフェン構造体（ＳＬＧ）のＡＦＭ画像を示す図である；図１７は、貫通孔に浮遊する四層浮遊グラフェン構造体（４Ｌ−ＳＬＧ）のＳＥＭ画像を示す図である。図１６と図１７において、ＡＦＭはグラフェン構造体が貫通孔の境界に浮遊する位置を選択して走査し、横軸は横軸におけるサンプルの距離（単位：μｍ）を示し、縦軸は縦軸におけるサンプルの高さ（単位：ナノ（ｎｍ）を示す。
グラフェン成分の存在及びその特性を検証するため、合成されたグラフェン薄膜に対してラマン分光法（Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析を行う。典型的なグラフェンのラマン指紋画像は１５８０ｃｍ−１に位置するＧ帯域と２６８０ｃｍ−１に位置する２Ｄ帯域を含む。図１８に示すラマン分光画像は、四層浮遊グラフェン構造体（４Ｌ−ＳＬＧ）に沿って直径２５０μｍの貫通孔を横切る軸線に沿ってラマン分光法分析を行って獲得したものである。図１８に示す画像によると、本発明に基づく四層浮遊グラフェン構造体のラマン分光には、典型的なＧ帯域と２Ｄ帯域が含まれており、それによって本発明で開示するプロセスで作製した物質はグラフェン成分を含むことが確認される。Ｇ帯域と２Ｄ帯域のほか、図１８のラマン分光には１３５０ｃｍ−１に位置するＤ帯域と２４５０ｃｍ−１に位置するＤ＋Ｄ''帯域も僅かに含まれる。そのうちＤ帯域はＧ帯域よりも相対的に低いため、本発明に基づき作製するグラフェン薄膜が高度に結晶化（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｉｔｙ）していることを示唆している。従って、欠陥密度（ｄｅｆｅｃｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）が相対的に低い。一方、２Ｄ帯域とＧ帯域の比が１未満であるので、サンプルは多層グラフェン構造であり、２Ｄ帯域とＧ帯域は大きさが近い帯域幅、強度特性、および高度な類似性を示唆しており、本発明に基づき作製するグラフェン薄膜は広範囲の均一性（ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）を有することを示唆している。
図１９は本発明で開示する単層浮遊グラフェン構造体の光学顕微鏡画像を示す図である；図２０は本発明で開示する単層浮遊グラフェン構造体のＳＥＭ像を示す図である；図２１は本発明で開示する単層浮遊グラフェン構造体の特定位置の接平面（切断面）におけるラマン分光の画像である；図２２は、図１９に示す単層浮遊グラフェン薄膜上に３ｎｍ金薄膜（Ａｕ ｆｏｉｌ）を堆積することにより構成した複合構造の光学顕微鏡画像を示す図である；図２３は、図１９に示す単層浮遊グラフェン薄膜上に３ｎｍ金薄膜を堆積することにより構成した複合構造のＳＥＭ画像を示し、その右上隅の挿入画像は金ナノ粒子の組成形態を示す；図２４は、図１９に示す単層浮遊グラフェン薄膜上に３ｎｍ金薄膜を堆積することにより構成した複合構造の、特定位置の接平面（切断面）におけるラマン分光画像を示す図である。
図２５は、本発明で開示する四層浮遊グラフェン薄膜構造体の光学顕微鏡画像を示す図である；図２６は、本発明で開示する四層浮遊グラフェン薄膜構造体のＳＥＭ画像を示す図である；図２７は本発明で開示する四層浮遊グラフェン薄膜構造体の特定位置の接平面（切断面）におけるラマン分光画像を示す図である；図２８は、図２５に示す四層浮遊グラフェン薄膜上に、１２ｎｍのＰＭＭＡ薄膜をスピンコートすることにより構成した複合構造の光学顕微鏡画像を示す図である；図２９は、図２５に示す四層浮遊グラフェン薄膜上に、１２ｎｍのＰＭＭＡ薄膜をスピンコートすることにより構成した複合構造のＳＥＭ画像を示す図である；図３０は、図２５に示す四層浮遊グラフェン薄膜上に、１２ｎｍのＰＭＭＡ薄膜をスピンコートすることにより構成した複合構造の、特定位置の接平面（切断面）におけるラマン分光画像を示す図である；図３１は、図２５に示す四層浮遊グラフェン薄膜上に３ｎｍ金薄膜を堆積することにより構成した複合構造の光学顕微鏡画像を示す図である；図３２は、図２５に示す四層浮遊グラフェン薄膜上に３ｎｍ金薄膜を堆積することにより構成した複合構造のＳＥＭ画像を示す図であり、その右上隅の挿入画像は金ナノ粒子の組成形態を示す；図３３は、図２５に示す四層浮遊グラフェン薄膜上に３ｎｍ金薄膜を堆積することにより構成した複合構造の、特定位置の接平面（切断面）におけるラマン分光画像を示す図である。
図３４は、本発明で開示するレーザー航跡場の検出方式を示す模式図である；図３５は、本発明で開示する粒子検出スタックを示す模式図である；本発明は、高エネルギー粒子の存在とエネルギー値などを含む、レーザー航跡場の高エネルギー粒子に対する検出の為に、標準Ｔｈｏｍｓｏｎ放物線分光器（ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）を用いる；粒子検出配置２００は、高エネルギーレーザー放射器２０２、本発明で開示する複合ターゲット２０４、複合粒子検出スタック２５０、ｔｈｏｍｓｏｎピンホール２０６、電磁界２０８、マイクロチャンネルプレート（ｍｉｃｒｏ ｃｈａｎｎｅｌ ｐｌａｔｅ， ＭＣＰ）２１０などを備える。高エネルギーレーザー放射器は、ダブルプラズマミラー式（ｄｏｕｂｌｅ ｐｌａｓｍａ−ｍｉｒｒｏｒ， ＤＰＭ）形状のＶｕｌｃａｎ Ｐｅｔａｗａｔｔ高エネルギーレーザーに設定することが好ましく、それぞれ単層グラフェン薄膜と多層グラフェン薄膜を複合ターゲット２０４とすることが好ましい。複合ターゲットの厚さはグラフェン薄膜の転写回数によって決めてもよい。各層グラフェン薄膜の厚さは約１ｎｍで、それぞれ単層グラフェン薄膜複合ターゲットと八層グラフェン薄膜複合ターゲットを作製し、Ｖｕｌｃａｎ Ｐｅｔａｗａｔｔ高エネルギーレーザーを通して複合ターゲットに高エネルギー粒子ビームを放射させることができる。
複合ターゲットとＴｈｏｍｓｏｎピンホールの間には、図３５に示すような複合粒子検出スタック２５０が配置されており、複合粒子検出スタック２５０は、複数層の放射変色フィルム（Ｒａｄｉｏｃｈｒｏｍｉｃ Ｆｉｌｍｓ， ＲＣＦｓ）２５２のスタック配列、複数枚のアルミ板２５４、複数層のＣＲ−３９検出板（ＴＡＳＴＲＡＫ）２５６のスタック配列、複合粒子検出スタック２５０の先端に配置された保護アルミ箔２５８などが備えられる。ＲＣＦｓは色信号で高エネルギーのイオンを明らかに示し、イオンがＲＣＦｓを通過するとき、イオンの持つエネルギーの大きさによってＲＣＦｓに異なる色信号を残し、イオンのエネルギーが高いほどより多層なＲＣＦｓを透過することができ、各層のＲＣＦｓを分析することで、イオンの分布方式と持つエネルギーを明確に把握することができる；ＣＲ−３９検出板は陽子のイオンサンプルと炭素イオンサンプルをキャプチャすることができる。イオンがＣＲ−３９検出板を通過すると、異なる種類のイオンによってＣＲ−３９検出板に異なる種類と大きさの穴が残り、ＣＲ−３９検出板に残っている穴の種類と大きさを分析することで、検出されたイオンの種類を推測することができ、イオンのエネルギーが高いほどより多層なＣＲ−３９検出板を透過することができ、ＣＲ−３９検出板２５６の間に挿入されたアルミ板２５４は余分な粒子エネルギーを吸収することができる；また、質量電荷比（ｃｈａｒｇｅ−ｔｏ−ｍａｓｓ ｒａｔｉｏ）が異なる各種粒子は、最終的にＭＣＰに異なるラジアンの放物線軌跡を残すことになる。
本発明で提案した単層グラフェンターゲット材は、厚さが約１ｎｍ〜２ｎｍで、ほぼ１原子層に近く、レーザー駆動イオン加速（ｌａｓｅｒ−ｄｒｉｖｅｎ ｉｏｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ， ＬＩＡ）技術分野においては現在、より薄いＬＩＡターゲットがない。本発明で提案した単層グラフェンターゲットは（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｔ）ＬＩＡ技術分野において現在、最も薄いターゲットである。本発明で提案した単層グラフェンターゲットは、ターゲットの最小厚さの理論値よりもさらに薄いにも関わらず、本発明のあらゆる測定結果、単層LSGターゲットの耐久性が検証され、ＤＰＭ形状のＶｕｌｃａｎ Ｐｅｔａｗａｔｔ高エネルギーレーザーの衝突にも耐えられることを証明した。
図３６〜図３８は、本発明で開示する複合ターゲットから放射する粒子が第４層ＣＲ−３９検知板に残っていたホールの画像を示す図である；図３６は、レーザーエネルギーが５３８Ｊ（ジュール）である、かつ八層グラフェン薄膜をターゲットとして採用した場合に、第４層のＣＲ−３９検出板に残ったホールの画像を示す図である；図３７は、レーザーエネルギーが５３２Ｊで、かつレーザービームに向かう前端材料として八層グラフェン薄膜を採用し、及び、後端材料として８ｎｍのＰＭＭＡを採用して複合ターゲットを構成した場合に、第４層のＣＲ−３９検出板に残ったホールの画像を示す図である；図３８は、レーザーエネルギーが７１１Ｊで、かつレーザービームに向かう前端材料として８ｎｍのＰＭＭＡを採用し、及び、八層グラフェン薄膜を採用し、後端材料として複合ターゲットを構成した場合に、第４層のＣＲ−３９検出板に残ったホールの画像を示す図である。
図３９と図４２は、本発明で開示する複合ターゲットの放射する各種粒子がＭＣＰに形成する放物線軌跡画像を示す図である；図４０、図４１、図４３、図４４は、本発明で開示する複合ターゲットから放射する粒子が各層のＣＲ−３９検出板に残ったホールの画像を示す図である；図３９は、８層グラフェン薄膜複合ターゲットから放射する陽子（Ｐ）と、様々な価数の炭素イオン（Ｃ）がＭＣＰに形成する様々なラジアンの放物線軌跡を示す；図４０は、八層グラフェン薄膜複合ターゲットから放射する陽子（Ｐ）と、様々な価数の炭素イオン（Ｃ）が第１層ＣＲ−３９検出板に残ったホールの画像を示す図である；図４１は、八層グラフェン薄膜複合ターゲットから放射する陽子（Ｐ）と、様々な価数の炭素イオン（Ｃ）が第２層ＣＲ−３９検出板に残ったホールの画像を示す図である。
図４２は、四層グラフェン薄膜複合ターゲットから放射する陽子（Ｐ）と、様々な価数の炭素イオン（Ｃ）がＭＣＰに形成する放物線軌跡を示す図である；図４３は、四層グラフェン薄膜と３ｎｍの金薄膜で複合ターゲットを構成した場合に、放射する陽子（Ｐ）と、様々な価数の炭素イオン（Ｃ）が第１層ＣＲ−３９検出板に残ったホールの画像を示しているが、しかし、図４３に示す第１層ＣＲ−３９検出板には、金原子によるホールは認められなかった。図４４は、四層グラフェン薄膜と３ｎｍ金薄膜で複合ターゲットを構成した場合に、放射する陽子（Ｐ）と、様々な価数の炭素イオン（Ｃ）が第２層ＣＲ−３９検出板に残ったホールの画像を示しているが、しかし、図４４に示す第２層ＣＲ−３９検出板には金原子によるホールは認められなかった。
要約すると、本発明で開示するグラフェン薄膜は、支持体として他の任意の材料薄膜を搭載して複合ターゲットを構成することができるほか、グラフェン薄膜自体が単独でイオン放射ターゲットとしてもよく、前記任意の材料薄膜は例えば、ＰＭＭＡ、炭化水素系薄膜（Ｃ−Ｈ ｂａｓｅｄ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ）、金属薄膜、貴金属薄膜、白金系薄膜（Ａｕ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ）、高分子ポリマー薄膜、有機プラスチック薄膜、ナノカーボンチューブアレイ薄膜、或いはＺｎＯナノカラムアレイ薄膜などであっても良く、斯かる任意材料のナノ薄膜は例えば、ＣＶＤ、ＡＬＤ、ＰＶＤなどの方式でLSGに形成することができる。
本発明の検出結果によると、多層グラフェン薄膜は支持体として他の材料薄膜を搭載して共にイオン放射複合ターゲットを構成するのに非常に適しており、単層グラフェン薄膜と金薄膜を結合してイオン放射複合ターゲットを構成すれば、高エネルギーレーザーによる衝突後、重イオン（ｈｅａｖｙ ｉｏｎ）及び高Ｚイオン（ｈｉｇｈ Ｚ ｉｏｎ）を放射することができる。
本発明で開示するLSGとＰＭＭＡ薄膜から成る複合ターゲットは、イオン化してから高エネルギーかつ高密度の炭素イオンを発生することができ、多層グラフェン薄膜ターゲットに対してより高いイオン流量（ｉｏｎ ｆｌｕｘ）を発生することができる。さらに本発明で提案するイオン発生複合ターゲットは、高強度レーザープレパルスに対するターゲットの耐性を効果的に高め、高エネルギー炭素イオンの発生効率を大幅に高めることができる上、高原子質量粒子の加速と高電荷値に繋がるメカニズムを提供することができる。
実施例１：イオン放射技術に応用されるイオン発生複合ターゲットであり、貫通孔を含む基板と、１ｎｍ〜３ｎｍの厚さと４００μｍを超える長辺を有し、イオン化されて陽子または炭素イオンのいずれかを放出する、基板上配置されて貫通孔を横切るグラフェン薄膜とを備えるイオン発生複合ターゲット。
実施例２：実施例1記載のイオン発生複合ターゲットであり、さらに、基板に配置され、貫通孔を横切る、各層のグラフェン薄膜が厚さ１ｎｍ〜３ｎｍで、４００μｍを超える長辺を有する多層グラフェン薄膜であり、前記イオン発生複合ターゲットは、前記グラフェン薄膜層の上に設けられ、厚さが２０ｎｍ未満で、イオン化されて陽子または炭素イオンのいずれかを放出する炭素系材料薄膜と、前記グラフェン薄膜層の上に設けられ、厚さが２０ｎｍ未満で、イオン化されて陽子または炭素イオンのいずれかを放出する炭化水素薄膜と、前記グラフェン薄膜層の上に設けられ、厚さが１ｎｍ〜４ｎｍで、イオン化されて陽子または炭素イオンのいずれかを放出する金属薄膜とを含む請求項１記載のイオン発生複合ターゲット。
実施例３：レーザー駆動イオン加速装置であり、レーザービームを発射するレーザーと、レーザービームが通過する貫通孔を有する基板と、基板に配置され、前記貫通孔を横切る、厚さ１ｎｍ〜３ｎｍで、４００μｍを超える長辺を有し、イオン化されて陽子または炭素イオンのいずれかを放出するイオン発生複合ターゲットを備える複合ターゲットを特徴とするレーザー駆動イオン加速装置。
実施例４：実施例３記載のレーザー駆動イオン加速装置であり、前記複合ターゲットはグラフェン薄膜を前端としてレーザービームに最初に接触するように配置されること、及び、前記複合ターゲットは前記炭素系材料薄膜を前端としてレーザービームに最初に接触するように配置され、複合ターゲットは金属材料薄膜を前端としてレーザービームに最初に接触するように配置されることを特徴とする実施例３記載のレーザー駆動イオン加速装置。
実施例５：実施例３記載のレーザー駆動イオン加速装置であり、前記複合ターゲットが表面法線とレーザービームとのなす角度は０°〜６０°の間になるように配置されることを特徴とする実施例３記載のレーザー駆動イオン加速装置。
Claims (3)
- イオン放射技術に応用されるイオン発生複合ターゲットであり、貫通孔を含む基板と、１ｎｍ〜３ｎｍの厚さと４００μｍを超える長辺を有し、イオン化されて陽子または炭素イオンのいずれかを放出する、基板上配置されて貫通孔を横切るグラフェン薄膜とを備えるイオン発生複合ターゲット。
- 請求項1記載のイオン発生複合ターゲットであり、さらに、基板に配置され、貫通孔を横切る、各層のグラフェン薄膜が厚さ１ｎｍ〜３ｎｍで、４００μｍを超える長辺を有する多層グラフェン薄膜であり、前記イオン発生複合ターゲットは、前記グラフェン薄膜層の上に設けられ、厚さが２０ｎｍ未満で、イオン化されて陽子または炭素イオンのいずれかを放出する炭素系材料薄膜と、前記グラフェン薄膜層の上に設けられ、厚さが２０ｎｍ未満で、イオン化されて陽子または炭素イオンのいずれかを放出する炭化水素薄膜と、前記グラフェン薄膜層の上に設けられ、厚さが１ｎｍ〜４ｎｍで、イオン化されて陽子または炭素イオンのいずれかを放出する金属薄膜とを含む請求項１記載のイオン発生複合ターゲット。
- レーザー駆動イオン加速装置であり、レーザービームを発射するレーザーと、レーザービームが通過する貫通孔を有する基板と、基板に配置され、前記貫通孔を横切る、厚さ１ｎｍ〜３ｎｍで、４００μｍを超える長辺を有し、イオン化されて陽子または炭素イオンのいずれかを放出するイオン発生複合ターゲットを備える複合ターゲットを特徴とするレーザー駆動イオン加速装置。
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