JP4068283B2 - レーザプラズマｘ線発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却して液体化または固体化した希ガスまたは化学的に不活性で室温ではガス状のクライオ（低温）材をクライオターゲットとしこのクライオターゲットに高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光を集光照射して生じた高温高密度プラズマからパルスＸ線を発生するレーザプラズマＸ線発生装置に関し、特に、高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光の照射でも連続して安定した高い平均出力のパルスＸ線を発生することができるレーザプラズマＸ線発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高い尖頭パワーを有するパルスレーザ光を直径１００μｍ以下の点に集光して、これを固体ターゲットに照射することにより高温高密度のレーザプラズマが生成され、このレーザプラズマから高い輝度のパルスＸ線がレーザプラズマＸ線として放射されることは１９７０年代から知られている。そして、レーザ光のパルスエネルギーが向上すると共にその物理的特性の調査が開始された。
【０００３】
レーザプラズマＸ線の応用については、１９７４年、早くも医療応用として、米国特許明細書「Ｐ．Ｊ．Ｍａｌｌｏｚｚｉ ｅｔａｌ；Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ４，０５８，４８６号（Ｎｏｖ．１５，１９７７）」、および文献「Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．４５，ｐｐ．１８９１（１９７４）」に開示または提案されている。また、１９７８年にはＤ．Ｊ．ＮａｇｅｌのグループがＸ線リソグラフィー用光源への応用が可能であることを米国特許明細書「Ｄ．Ｊ．Ｎａｇｅｌ ｅｔａｌ；Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ ４，１８４，０７８号（Ｊａｎ．１９８０）」に開示している。その後、レーザ核融合研究の一部としてレーザプラズマＸ線は精力的に研究され、Ｘ線のスペクトル強度に対するレーザ波長、強度依存性またはターゲット元素依存性などが明らかにされた。特に、入射レーザのエネルギーからＸ線エネルギーへの全変換効率は数パーセントから１０パーセントと極めて大きいことが判明し、数１００Ｈｚの高い繰り返し回数が可能でかつ高エネルギーのパルスＹＡＧレーザの実現など、レーザ技術の進展に伴い高い繰り返しによる高平均出力を有するレーザプラズマＸ線の実用化に対する開発が行われた。
【０００４】
入射レーザが集光してプラズマを発生するターゲットとしては、米国特許明細書「Ｊ．Ｍ．Ｆｏｒｓｙｔｈ ｅｔａｌ；Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ ４，７００，３７１号（Ｏｃｔ．１３，１９８７）」に開示される円筒回転ドラムターゲットまたはテープターゲットがある。しかし、これらのターゲットはいずれも銅Ｃｕ、アルミニウムＡｌ、金Ａｕなどの金属を主体とする固体材料であるため，レーザ加熱によって蒸発した集光点近傍の材料が周囲のチャンバー壁内面や放射されるレーザプラズマＸ線を集める高価なＸ線鏡の表面に堆積し、かつ飛散した微粒子がＸ線鏡の表面に損傷を与えるなどの問題がある。そのため短時間運転の研究用光源としてのみ使用されている。すなわち、Ｘ線鏡の表面に堆積付着したターゲット材の固体材料はＸ線を強く吸収するため、鏡の反射率が減少し、使用できるＸ線の実効強度が時間と共に低下するためである。従って、定期的に高価なＸ線鏡を交換する必要がある。
【０００５】
また，ターゲットとして使用される回転ドラムまたはテープはそれ自体にレーザ光が繰り返し集光照射されるため、これらのターゲットはいずれも蒸発磨耗することにより寿命が短く、頻繁に交換する必要がある。
【０００６】
従来、この種のレーザプラズマＸ線発生装置では、上述した問題を解決する方法として，化学的に不活性で室温ではガス状態の物質、例えば希ガスを冷却して液体化または固体化したクライオ材をクライオターゲット層に形成して用いている。
【０００７】
例えば、図９に示されるような、冷却して液体化または固体化したクライオ材によるクライオターゲットを連続供給する装置が、特開平１-６３４９号公報（ 特許番号第２６１４４５７号）に開示されている。この装置により、漸く長時間運転の実用に耐えうるレーザプラズマＸ線発生装置の目処がついた。
【０００８】
すなわち、図９に示されるように、真空チャンバー１１１０内部には連続移動する回転無端ベルト１１２２を有するベルトコンベア１１２１が備えられ、液体化または固体化したクライオ材が供給路１１３１から回転無端ベルト１１２２の表面上に連続的に供給されて付着しクライオターゲット層１１３２を形成する。
【０００９】
一方、パルスレーザ光１１４１は、入射口１１４２から真空チャンバー１１１０内に入射し、移動する回転無端ベルト１１２２表面上に付着したクライオターゲット層１１３２に集光照射点１１４３を形成する。従って、集光照射点１１４３においてクライオターゲット層１１３２のクライオ材がプラズマ化してパルスＸ線１１４５を放射し、パルスＸ線１１４５はＸ線射出口１１４４を介して外部に取り出される。
【００１０】
この集光照射点１１４３でプラズマ化して穴をあけたクライオターゲット層１１３２には移動する回転無端ベルト１１２２の表面上にクライオ材の供給路１１３１からクライオ材が連続して供給され、クライオターゲット層１１３２が復旧する。
【００１１】
また、上述とは別のレーザプラズマＸ線発生装置では、例えば、図１０に示されるような装置が特開平９−３０６６９３号公報に開示されている。
【００１２】
すなわち、真空チャンバー１２１０の内部には、液体ヘリウムなどの冷却媒体１２１１により冷却されたターゲット１２３２が備えられる一方、希ガスまたは水などによるプラズマ発生用ガス１２３１が導入される。従って、冷却されたターゲット１２１１の表面にプラズマ発生用ガス１２３１が吸着され固体または液体のガス吸着層１２３２が形成される。一方、レーザ光１２４１は、レーザ光導入窓１２４２を介してガス吸着層１２３２上に集光照射され、ガス吸着層１２３２はガスプラズマ１２４３を形成してＸ線を発生する。この際、ターゲット１２１１上におけるレーザ光１２４１の集光照射点は固定されているうえ、ターゲット１２１１は移動しないので、レーザ光１１２４１はターゲット１２１１の同一点を集光照射し続ける。
【００１３】
この公開公報では、ガスプラズマ１２４３の発生によりガス吸着層１２３２の表面には穴が生じるが、ターゲット１２１１が冷却されているため、プラズマ発生用ガス１２３１がこの穴に吸着されるので、ガス吸着層１２３２は常に平面性が保持され、ターゲット１２１１には傷は付かない。また、液状のガス吸着層１２３２により埋められ平面性を保持することができると記載されている。更に、上述したレーザプラズマＸ線発生装置は、真空チャンバー内のレーザ集光照射点から噴出したクライオ材またはプラズマ発生用ガスのガス分子は化学的に不活性であり、また微粒子などのクラスターも極めて不安定なため、室温に保たれた真空チャンバー内における内壁面またはＸ線鏡などのＸ線光学素子の表面に堆積することがないと記載されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した回転無端ベルトを用いてクライオターゲット層をレーザ集光点に運搬するレーザプラズマＸ線発生装置では、次のような問題点がある。
【００１５】
第１の問題点は、回転無端ベルトは、極低温の回転体と接する際のみに冷却されるが、極低温において屈曲と延伸との作用を受けるため、回転無端ベルトの寿命が短縮されることであり、更に、供給されるクライオ材の付着面の温度を安定した低温に保持することが困難なことである。
【００１６】
第２の問題点は、クライオ材の供給路から供給を受けて回転無端ベルトに付着形成されるクライオターゲット層では表面に沿っての厚さにおいて均一性が得難いので、クライオターゲット層の表面の法線方向に対するレーザ光の集光照射点の持つ相対位置が面の場所により所定の位置から外れることがあり、発生するＸ線の強度が安定しないことである。
【００１７】
第３の問題点は、クライオ材供給路から供給されるクライオ材が回転無端ベルトに付着する効率が悪く密度の比較的高いクライオ材ガスがレーザ集光点近傍にも存在することになるので、発生したＸ線がクライオ材ガス自身に再吸収され、Ｘ線の発生効率を低減させることである。
【００１８】
また、冷却媒体により冷却されたターゲットにプラズマ発生用ガスを吸着させてガス吸着層を形成するレーザプラズマＸ線発生装置にも次の問題点がある。
【００１９】
すなわち、第４の問題点として、上記第３の問題点と同様、真空チャンバー内のプラズマ発生用ガスが冷却されたターゲット近辺で、特にレーザ光の集光照射点近傍に存在することになるので、発生したＸ線がプラズマ発生用ガス自身に再吸収され、Ｘ線の発生効率を低減させることである。
【００２０】
また、第５の問題点として、レーザ光により発生した穴にプラズマ発生用ガスが吸着されることによりまたは周囲の液状吸着ガスの流入により、平面性を修復することができるが、修復には有限の時間がかかるため、レーザ光のパルス間隔が１０ｍｓｅｃ以下、すなわちパルス繰り返し周波数１００Ｈｚ以上では穴が成長し、ターゲットの損傷を避けることができないことである。従って、高平均出力動作に対して使用することができないということである。
【００２１】
一方、修復速度を短縮するためには真空チャンバー内部のプラズマ発生用ガスの圧力（密度）を増加させればよいが、上記第４の問題点のみならず、入射レーザ光自身がレーザ光の集光照射点に到達する前に真空チャンバー内部のプラズマ発生用ガスに吸収されてガス放電を引き起こすため、レーザ光の集光照射点にガスプラズマを発生することができなくなる。
【００２２】
更に、第６の問題点として、上記二つのレーザプラズマＸ線発生装置に共通した問題は、クライオターゲット層またはガス吸着層のレーザ光の集光照射点からプラズマ発生によって気化されたクライオ材ガスの量が高繰り返しパルスの動作では無視できない量となり、大きな排気量を有する真空ポンプを用いない限り上記第４の問題を引き起こすことになる。
【００２３】
本発明の課題は、このような問題点を解決し、レーザ光の集光照射によりプラズマを発生するクライオターゲット層に覆われる回転無端ベルト、またはガス吸着層に覆われるターゲットの交換を不要とし、かつ高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光の照射でも連続して安定した高い平均出力のパルスＸ線を発生することができるレーザプラズマＸ線発生装置を提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明によるレーザプラズマＸ線発生装置は、冷却して液体化および固体化の少なくとも一方となった化学的に不活性で室温ではガス状のクライオ材をクライオターゲットとしこのクライオターゲットに高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光を集光照射して生じたプラズマからパルスＸ線を発生するレーザプラズマＸ線発生装置において、回転軸を有しかつ前記クライオターゲットの表面として熱伝導率のよい円筒形側面および前記回転軸に垂直面を成す一つの底面の少なくとも一方を有する回転体と、前記回転軸を駆動して前記回転体を回転させる回転駆動機構と、前記回転体の前記表面にクライオターゲット層を形成するために前記クライオ材を供給するターゲット供給機構と、前記回転体の少なくとも前記表面を、供給された前記クライオ材が所定の厚さの前記クライオターゲット層に形成可能な極低温にするため、前記回転体の内部、外部、または内部外部の両面から冷却する冷却手段と、所定の間隔を有する間隙をもって前記回転体を囲み当該間隙に前記クライオ材の注入を受けて閉じ込める固定壁と、を備え、前記所定の間隔は、前記回転体の周囲温度を含む環境条件を設定して、回転する前記回転体の円筒形表面に付着した前記クライオ材をほぼ均一の厚さに形成するように設定されている。
【００２５】
このように、回転体を回転させることによって再生されたクライオターゲット層をパルスレーザ光の集光照射点へ連続的に供給することができる。従って、熱伝導率のよい回転体を極低温に冷却して回転体表面にクライオターゲット層を形成する際、回転体の回転速度、回転体表面の温度、回転体表面に供給するクライオ材の供給量などの設定によりクライオターゲット層の厚さを適切に設定できる。また、回転体の回転によりパルスレーザの集光照射点位置を逐次移動できるので、パルスレーザの集光点に生じるプラズマによる回転体の損傷を防止することができる。
【００２６】
また、更に、前記回転軸と前記クライオターゲットの表面でパルスレーザ光を集光照射する点との両者を面内に含む平面と前記集光照射する点で前記回転体の表面に接する接平面との交叉によって交叉個所の軌跡に形成される直線に平行な方向に前記回転軸を前記回転体と共に往復移動させる軸駆動機構を備えることにより、新に形成されたクライオターゲット層を集光照射点に常に供給できると共に集光照射点に生じるプラズマによる回転体の損傷をより効果的に防止できる。
【００２７】
一方、更に、間隙をもって前記回転体を囲み前記間隙に前記クライオ材の注入を受けて閉じ込める固定壁を備えることにより、前記回転体の周囲温度を含む環境条件を設定して、回転する前記回転体の円筒形表面に付着した前記クライオ材を前記クライオターゲット層としてほぼ均一の厚さに形成している。従って、回転体の表面に液体化状態または固体化状態のクライオターゲット層を安定に形成することができると共にパルスレーザの集光照射点にプラズマを常に同様な安定した条件で発生することができる。
【００２８】
また、上述の冷却手段が回転体の表面温度をクライオ材の液化点以下に維持する一方、固定壁の温度を最低でクライオ材の液化点に維持する保温構造を有することにより、より安定したクライオターゲット層を形成することができる。
【００２９】
また、固定壁は入射するパルスレーザ光が集光するクライオターゲット層の集光照射点近傍では発生するパルスＸ線を外部へ放射する開口部を有し、かつ、この開口部は集光照射点の近傍周囲で固定壁内部から気化したクライオ材の流出を妨げるように開口部からクライオターゲット層の表面に接する縁に至る範囲に形成された仕切壁を備えることにより、クライオ材ガスが集光照射点の近傍に拡散することを防ぐので、放射されたＸ線がクライオ材ガスに再吸収されることがない。
【００３０】
また、上述の固定壁に連結して前記回転体の回転軸に対し垂直方向に移動し、その移動により前記回転体の表面との間隙を、前記回転体の表面に形成される前記クライオターゲット層の厚さ分に調整・保持するように、調整可能な層厚調整壁を備えることにより、クライオターゲット層を更に安定した厚さに形成することができ、従って、パルスレーザ光の焦点に対する前記クライオターゲット層表面の相対位置を正確にかつ安定して保持することができる。
【００３１】
更に、Ｘ線を放射する希ガスなどの原子番号１０以上の重元素によるクライオ材に原子番号１０未満の軽元素を混合してクライオターゲット層を形成することにより、クライオターゲット層を形成するクライオ材が気化してもＸ線を主に吸収する重元素の量を減らすことになる。一方、軽元素によるＸ線の吸収は相対的に小さい。従って、プラズマの発生によって気化したクライオ材ガス自身が、真空排気が不十分なためにＸ線の放射経路に残留してＸ線を減衰させることを防止することができる。
【００３２】
この場合、軽元素を混合しても、プラズマの温度が重元素のみの場合より高温になるため、結果として重元素からのＸ線量は減少せず、Ｘ線量は適切な混合比では重元素のみの場合よりもむしろ増加する。
【００３３】
また、重元素により構成される材料成分のモル混合比は軽元素により構成される材料成分の数パーセントから５０パーセントが好ましく、各材料成分の供給量、周囲温度を含む環境条件の設定に基づいてモル混合比の値を調整してクライオターゲット層が形成されている。
【００３４】
また、上述した冷却手段の具体的な構成の一つは、中空構造を有する前記回転体を冷却槽として前記回転軸を同軸とする導入管および排気管を備え、前記冷却槽は、前記回転体を内部から冷却するため、前記導入管を介して注入される低温液化ガスを極低温流体として貯蓄し、前記排気管が前記冷却槽で気化した低温液化ガスを排気している。また、この種の冷却手段は、前記導入管に前記冷却槽内の先端にノズルを有し、前記導入管を介して注入される液体の低温液化ガスが極低温流体として前記冷却槽内の前記ノズルから放出される際に気化・断熱膨張して発生する極低温ガス流により冷却槽である前記回転体の内壁を冷却する一方、前記排気管が気化した低温液化ガスを排気することが望ましい。更に、冷却手段は、前記回転体を外部から冷却する場合、前記回転体回転軸の軸方向である重力方向の底部側半分以上の表面範囲を密閉格納する冷却槽と極低温流体の導入管および排気管とを備え、前記冷却槽は前記導入管を介して注入される低温液化ガスを極低温流体として貯蓄し、前記排気管が前記冷却槽で気化した低温液化ガスを排気することでもよい。
【００３５】
また、前記クライオターゲットを前記回転軸に垂直面を成す一つの底面とした際には、前記回転体が円盤形状を有しても同様な効果を得ることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３７】
図１は本発明の実施の一形態を示す説明用の縦断面概要図である。
【００３８】
図１のレーザプラズマＸ線発生装置では、真空チャンバー１０、円筒形の回転体１１、回転体１１の回転軸１２，１３およびこの回転軸受け１４，１５、回転体１１の回転および移動を駆動する回転駆動機構１６および軸方向駆動機構１７、回転体１１の冷却手段として極低温流体２１、導入管２２および排気管２３、ターゲット供給機構３０としてターゲット材であるクライオ材３１、回収槽３２、供給路３３、クライオターゲット層３４、および排気装置３５、並びに、レーザプラズマＸ線を発生する手段としてパルスレーザ光４１、レーザ集光機構４２、レーザ入射口４３、集光照射点４４、パルスＸ線４５、Ｘ線鏡４６、およびＸ線出射口４７が示されている。
【００３９】
真空チャンバー１０の内部に円筒形表面を有し中空で冷却槽となる熱導電率のよい回転体１１が水平面に垂直な回転軸１２，１３を有し、回転軸１２，１３は真空チャンバー１０に設けられた回転軸受け１４，１５により支持されている。回転軸１２，１３は熱伝導係数の小さい材質が好ましく、また回転軸受け１４，１５は磁気軸受けが望ましいが、それらに限定されることはない。
【００４０】
上部の回転軸１２は、回転軸受け１４の先端部分である真空チャンバー１０の外部に、回転体１１を回転させるモータおよび駆動歯車を含む回転駆動機構１６、並びに回転体１１を回転軸方向に往復移動させるモータおよび駆動歯車を含む軸方向駆動機構１７それぞれにより駆動されている。
【００４１】
また、回転軸１２は、液体窒素、液体アルゴンまたは液体ヘリウムなどの低温液化ガスを極低温流体２１として回転体１１の中空内部に外部から導入する導入管２２を中心軸位置に、かつ極低温流体２１の気化ガスを排出回収する排気管２３を導入管２２の周囲に同軸状にそれぞれ備えている。従って、極低温流体２１は、導入管２２により導入されて回転体１１内部の中空内部に液体として蓄積され、回転体１１の熱伝導を利用して回転体１１の円筒形表面をクライオターゲットとなるクライオ材３１の液化温度以下に冷却する。極低温流体２１の気化ガスは排気管２３により排出される。
【００４２】
一方、クライオ材３１はレーザプラズマを発生させるレーザ光の集光照射対象であるターゲットの材料である。クライオ材３１は液体化されて回収槽３２に外部から補給されると共に内部に貯蔵され、供給路３３により冷却された回転体１１の表面に供給されて液体化または固体化の状態でクライオターゲット層３４を形成する。クライオターゲット層３４が１０μｍ〜ほぼ５００μｍの厚さに形成されるように、回転体１１の回転速度、円筒形表面の温度、円筒形表面に供給するクライオ材３１の供給量などの環境条件が設定される。
【００４３】
また、クライオターゲット層３４がプラズマ化された際にガス状となったクライオ材３１は、排気装置３５により真空チャンバー１０の外へ排出回収され、クライオ材３１の回収槽３２へ送られ、冷却により再液体化または再固体化されて引き続き真空チャンバー１０内の回転体１１の表面に供給路３３を介して再度供給される。更に、排気装置３５は、真空チャンバー１０の内部を１３３×１０−３Ｐａ以下の圧力に保持するように稼動している。
【００４４】
他方、パルスレーザ光４１はレーザ集光機構４２を介して真空チャンバー１０のレーザ入射口４３から照射されクライオターゲット層３４の集光照射点４４に到達する。次いで、集光照射点４４で発生したプラズマから生じたパルスＸ線４５がＸ線鏡４６によりＸ線出射口４７から射出される。
【００４５】
このように、回転体１１を回転させることによってクライオターゲット層３４をパルスレーザ光４１の集光照射点４４へ連続的に供給することができ、更に回転軸１２、１３を回転体１１と共に回転軸と同一方向に往復移動させることにより、回転体１１の円筒形表面の軸方向に対する往復移動の範囲において新に形成されたクライオターゲット層３４を集光照射点４４に常に供給できることになる。従って、熱伝導率のよい回転体１１を極低温に冷却して円筒形表面にクライオターゲット層３４を形成する際、回転体１１の回転速度、円筒形表面の温度、円筒形表面に供給するクライオ材３１の供給量などの設定によりクライオターゲット層３４の厚さを適切に形成することができる。また、回転体１１の回転および軸方向の往復移動によりパルスレーザ光４１の集光照射点４４の位置を逐次移動できるので、パルスレーザ光４１の集光照射点４４の位置に生じるプラズマによる回転体１１の損傷を防止することができる。
【００４６】
次に、図２および図３に図１を併せ参照して、クライオターゲット層３４を均一の厚さに安定して形成できる実施の一形態について説明する。
【００４７】
図２が図１と相違する点は、固定壁５１が設けられたことである。
【００４８】
固定壁５１は、間隙をもって円筒形の回転体１１を囲み、この間隙にクライオ材３１の注入を受けて閉じ込めるものであり、効率のよい円筒形状を有している。また、表面温度をガス液化点以下に冷却された回転体１１の表面上に液体化状態または固体化状態の厚さ１０μｍ〜５００μｍのクライオターゲット層３４を形成するため、固定壁５１は、クライオ材３１の液化点とほぼ同じかまたはそれより高い温度に保つ必要がある。従って、固定壁５１は室温である外気に触れている真空チャンバー１０に結合する構造を有しており、必要であればこのような温度を保持するため保温構造として保温器５２が設けられる。上記説明では固定壁を円筒形としたが、円筒形に限定されるものではない。
【００４９】
回転体１１の円筒形表面がクライオ材３１を充分に液体化または固体化する温度に冷却された後、クライオ材３１のガスは、供給路３６により固定壁５１に開けられた供給口から固定壁５１と回転体１１の表面との間の空間に導入供給され、冷却された回転体１１の表面にクライオターゲット層３４を１０μｍから約５００μｍの厚さで形成する。この際、固定壁５１内部におけるクライオ材３１のガスの圧力は、例えば、１３３×１０−３Ｐａ〜１３３×１０＋２Ｐａの範囲に保ちつつ、クライオ材３１の供給路３６の途中に配置されたバルブと回転体１１の表面温度との調整により付着速度を選択する。回転体１１の表面に供給するクライオ材３１はガスであると説明したが液体化されていてもよい。
【００５０】
更に、図２において複数のターゲット供給機構を設け、ターゲット供給機構それぞれから温度、バルブなどを調整して異なる種類の元素の混合比を調整したクライオ材を回転体に供給しクライオターゲット層を形成することができる。すなわち、Ｘ線を放射する希ガスなどの原子番号１０以上の重元素、例えばアルゴンＡｒ、クリプトンＫｒ、キセノンＸｅなどによるクライオ材に原子番号１０未満の軽元素による、例えば水Ｈ２Ｏ、炭酸ガスＣＯ２などを混合してクライオターゲット層を形成することができる。勿論、クライオターゲット層に用いる元素は例示した上記元素に限定されるものではない。
【００５１】
この構成により、クライオターゲット層を形成するクライオ材が気化してもＸ線を主に吸収する重元素の量を減らすことになる。一方、軽元素によるＸ線の吸収は相対的に小さい。従って、プラズマの発生によって気化したクライオ材ガス自身が、真空排気が不十分なためにＸ線の放射経路に残留してＸ線を減衰させることを防止することができる。
【００５２】
この場合、軽元素を混合しても、クライオターゲット層に用いられる軽元素から発生するＸ線の放射量は極めて少量で、その分がプラズマの加熱に有効に使われる。従って、プラズマの温度が重元素のみの場合より高温になるため、結果として重元素からのＸ線量は減少せず、Ｘ線量は適切な混合比では重元素のみの場合よりもむしろ増加する。
【００５３】
また、重元素により構成される材料成分のモル混合比は軽元素により構成される材料成分の数パーセントから５０パーセントが好ましく、各材料成分の供給量、周囲温度を含む環境条件の設定に基づいてモル混合比の値を調整してクライオターゲット層が形成されている。
【００５４】
また、図３に示されるように、パルスレーザ光４１の集光照射点４４近傍では、パルスレーザ光４１が固定壁５１に干渉されずに集光照射点４４に到達し、かつ発生するパルスＸ線４５が固定壁５１に妨げられることなく外部に放射されるように、固定壁５１は、集光照射点４４を中心として０．５ｃｍから５ｃｍ以下の半径を有する開口部５３を備え、更に、回転体１１の表面と固定壁５１との間に閉じ込めたクライオ材３１のガスが開口部５３から流出しないようにクライオターゲット層３４の表面に接する縁を持った仕切壁５４を設けている。
【００５５】
クライオターゲット層３４へ入射されるパルスレーザ光４１の光源は、高い尖頭パワーと高い繰り返し型のパルスレーザ光源であり、一実施例においては、レーザ波長１μｍ、パルスエネルギー０.７Ｊ〜１.０J、 パルス幅１５ｎｓｅｃ 、および繰り返し周波数３００Ｈｚ〜３０００Ｈｚのパルスレーザ光を放射している。パルスレーザ光４１はクライオターゲット層３４の表面に集光照射点４４として約１００μｍの集光径で集光照射される。この場合、クライオターゲット層３４の表面上でのレーザ強度は約１０１２Ｗ／ｃｍ２となる。
【００５６】
この光強度ではプラズマ化したクライオ材からＸ線が放射され、入射レーザエネルギーから放射Ｘ線エネルギーへの変換効率は波長１１ｎｍのＸ線を強く放射するキセノンクライオターゲットの場合、Ａ．Ｓｈｉｍｏｕｒａ、Ｓ．Ａｍａｎｏ、Ｓ．Ｍｉｙａｍｏｔｏ、および Ｔ．Ｍｏｃｈｉｚｕｋｉによる報告書「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．７２，ｐｐ．１６４（１９９８）」に示されるように、約１％／ｎｍ／ステラジアンであることが実験的に見い出されている。従って、１ｎｍの波長幅と３ステラジアンの立体角で放射Ｘ線をＸ線鏡４６によってビームとして取り出せばＸ線平均出力として９Ｗ〜９０Ｗの出力が得られる。
【００５７】
パルスレーザを繰り返し周波数３００Ｈｚ〜３０００Ｈｚで動作させ、安定なパルスＸ線４５を得るには１パルス毎に新しいクライオターゲット層３４の面を照射する必要がある。
【００５８】
そのため、クライオターゲット層３４の面上での集光照射点から次の集光照射点までの距離を５００μｍにすると、半径Ｒ（ｃｍ）を有する回転体１１の回転速度として毎分の回転数が「１５０／Ｒ」回〜「１５００／Ｒ」回となる。この半径Ｒを７.５ｃｍとすると毎分の回転数は２０回〜２００回であればよい。
【００５９】
パルスレーザ光４１の集光照射により集光照射点４４を中心にクライオターゲットのクライオ材３１が気化した後にはクライオターゲット層３４にクレーター状の痕跡が発生する。この痕跡に再度、または繰り返してレーザ光を集光照射する場合にはプラズマの生成が不安定になったり、極端な場合、クライオターゲット層３４の底までクレーターの穴が貫通し、回転体１１の表面を直接、加熱して蒸発させてしまう。
【００６０】
従って、回転体１１を回転軸１２，１３により回転させるだけでなく回転の軸方向へ往復移動させることによってクライオターゲット層３４の表面の同じ場所を短時間内に重複してパルスレーザ光４１が照射しないようにしている。クレーター状の痕跡には回転中に固定壁５１の内側間隙に存在するクライオ材のガスが直ちに付着して修復される。
【００６１】
次に、図４に図２を併せ参照して層厚調整壁５５について説明する。
【００６２】
層厚調整壁５５は、固定壁５１に連結し回転体１１の回転軸に対し垂直方向に移動可能で、回転体１１の円筒形表面との間隙をクライオターゲット層３４の厚さ分に調整することにより、クライオターゲット層３４を更に安定した厚さに形成できる。すなわち、供給路３６から回転体１１の表面に供給されたクライオ材３１は、厚めの厚さを回転体表面に沿ってほぼ均一に有するクライオターゲット層３４Ａを形成する。このクライオターゲット層３４Ａは、回転によって移動する際に層厚調整壁５５のエッジにより表面を削り取られて所定の厚さを有するクライオターゲット層３４Ｂが得られるように制御される。
【００６３】
また、回転体１１の回転軸１２方向に対する層厚調整壁５５の長さは、回転体１１の長さまであればよいが、回転体１１の軸方向に対する往復移動範囲がカバーできるだけであってもよい。
【００６４】
次に、図５に図１を併せ参照して上述とは別の冷却手段について説明する。
【００６５】
図１と相違する点は、回転体１１の内部空間である冷却槽において、導入管２２の先端にノズル２４を設け、極低温流体２１を放出噴射させることにより断熱膨張した気化ガスによる極低温ガス流２５を発生させていることである。極低温流体２１は、液体窒素、液体アルゴン、または液体ヘリウム等の低温液化ガス、またはこれら元素の低温高圧ガスでもよい。これら低温流体がノズル２４から放出されることにより断熱膨張する際に発生する極低温ガス流２５が回転体１１の内壁を冷却することにより熱伝導を利用して回転体１１の表面を冷却することができる。
【００６６】
次に、図６に図１を併せ参照して上述とは別の冷却手段について説明する。
【００６７】
図６が図１と相違する点は、回転体６１が中空である必要はなく、少なくとも円筒形表面が熱伝導率のよい材質であればよく、かつ、冷却手段が回転体６１において回転軸６２，６３の軸方向である重力方向の底部側半分以上の表面範囲を冷却していることである。この結果、回転体６１の天井部側の表面部分をクライオ材７１の液化点以下まで極低温化することができる。冷却手段は、極低温流体８１を内部に貯えて内部に浸された回転体６１を直接冷却する冷却槽８２と極低温流体８１を供給する導入管８３および気化ガスを排気回収する排気管８４により構成されている。
【００６８】
図６においては、真空チャンバー６０の内部で、回転体６１の底部側半分以上が冷却槽８２の内部に挿入され、内部に貯蔵されている極低温流体８１に直接浸っている。真空チャンバー６０の内部に露出する回転体６１の表面には、クライオ材７１が供給されてクライオターゲット層７４が形成される。クライオ材７１を供給するターゲット供給機構７０およびパルスレーザ光４１が集光照射点４４に照射されてプラズマおよびパルスＸ線４５を発生するレーザプラズマＸ線発生の機構それぞれについては図１とほぼ同様である。
【００６９】
クライオターゲット層７４が形成される真空チャンバー６０の部分と、極低温流体８１を貯蔵する冷却槽８２とはクライオ材７１と極低温流体８１との混合を避けるため、隔壁８５が設けられている。
【００７０】
図６では、真空チャンバー内に隔壁をもって冷却槽が備えられるように示されているが、両者が別個のチャンバーで隔壁により結合される構成でもよい。また、真空チャンバー内で図２に示したような固定壁を設けることもできる。
【００７１】
次に、図７を参照して、パルスレーザ光１４１の集光照射点１４４が図２とは異なる実施の一形態について説明する。
【００７２】
図７に示されるレーザプラズマＸ線発生装置のＸ線連続発生部分では、パルスレーザ光１４１によりレーザプラズマＸ線を発生する手段、真空チャンバー１１０、円筒形の回転体１１１、回転体１１１の回転軸１１２、回転体１１１の回転を駆動する回転駆動機構１１６、回転体１１１の回転軸と垂直方向に回転軸を駆動する回転軸駆動機構１１７、回転体１１１の冷却手段、クライオターゲット層１３４となるクライオ材を回転体１１１に供給するターゲット供給機構１３０、並びに固定壁１５１が備えられている。
【００７３】
図７が図２と相違する点は、パルスレーザ光１４１の集光照射点１４４を円筒形の回転体１１１の底面表面とし、この集光照射点１４４の位置に固定壁１５１の開口部を設けていることである。また他の一つの点は、回転体１１１を回転させる機構、例えばモータおよび駆動歯車を含む回転駆動機構１１６に加えて更に回転体１１１を回転軸と垂直方向に往復移動させる回転軸駆動機構１１７を設けていることである。この結果、パルスレーザ光１４１の集光照射点１４４を円筒形の回転体１１１の底面表面で広範囲に移動させることができる。この場合の回転軸駆動機構１１７は、例えばＯ（オー）リングシールを用いて真空チャンバー１１０と結合される。
【００７４】
このように、回転体１１１を回転させることによってクライオターゲット層１３４をパルスレーザ光１４１の集光照射点１４４に連続的に供給することができ、更に回転軸１１２を回転体１１１と共に回転軸に垂直方向に往復移動させることにより、円筒形の回転体１１１における底面の往復移動の範囲において表面に新に形成されたクライオターゲット層１３４を集光照射点１４４に常に供給できることになる。
【００７５】
従って、熱伝導率のよい回転体１１１を極低温に冷却して円筒形表面にクライオターゲット層１３４を形成する際、回転体１１１の回転速度、円筒形底面の表面温度、円筒形底面の表面に供給するクライオ材の供給量などの設定によりクライオターゲット層１３４の厚さを適切に形成することができる。また、回転体１１１の回転および回転軸に垂直な方向の往復移動によりパルスレーザ光１４１の集光照射点１４４の位置を逐次移動できるので、集光照射点１４４に生じるプラズマによる回転体１１１の損傷を防止することができる。
【００７６】
次に、図８を参照して、図７に円盤状のターゲット部材を追加した場合の実施の一形態について説明する。
【００７７】
図８が図７と相違する点は、円筒形の回転体２１１の底面表面に熱伝導率のよい円盤状のターゲット部材２１９を密着させて、内部空間を冷却槽とする回転体２１１およびターゲット部材２１９の熱伝導を利用して回転体２１１と共にターゲット部材２１９の表面を、クライオターゲット層２３４を形成するクライオ材の液化温度以下に冷却することである。このため、関連する固定壁２５１などの形状が相違している。このような相違点を除き、同一名称で下二桁に同一番号符号を付与された構成要素の機能については図７を参照した説明と同一でありその説明は省略する。
【００７８】
上記説明では、円盤状のターゲット部材は回転体に密着させて設けるとしたが一体化した一つの内部空間を有する回転体であってもよい。
【００７９】
このように、上記記載では、図面それぞれを参照し適切な条件を示して説明しているが、図示され説明された形状大きさおよび相互位置などの構成並びに組み合わせについては、環境条件と共に相互に関連があるが上述した機能を満たす限り自由であり、本発明は上記記載に限定されるものではない。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、極低温流体などにより冷却された熱伝導効率のよい回転体の円筒形表面を、側面または裏面を問わずクライオターゲット層形成の基板とすると共に、回転体の回転および回転軸の往復移動によりクライオ材の供給をクライオターゲット層上で移送するため、回転体の表面を損傷することがなく、従って、回転体の交換は不必要になるという効果がある。
【００８１】
また、クライオターゲット層の基板となる回転体表面の温度は回転体表面が極低温流体などにより直接冷却されるので容易に一定温度にでき、従って、安定なターゲット層の形成と保持とが可能になるという効果がある。
【００８２】
また、固定壁がクライオターゲット層を内部に閉じ込めることによりクライオターゲットとなるクライオ材を極めて効率良くかつ均一に回転体表面に凝縮付着させることが可能となり、更に仕切壁を持つ開口部を設けることによってクライオターゲット層を形成しつつパルスレーザ光を高い周波数の繰り返しで集光照射できるので、レーザパルス光に呼応して半永久的にパルスＸ線を準連続的に発生させることができる。また仕切壁によってクライオ材ガスがパルスレーザ光の集光照射点近傍または放射されるパルスＸ線の光路に拡散するのを防止できるので，発生したパルスＸ線がクライオ材ガス自身により再吸収されることにより実効利用できるパルスＸ線の強度が低下するということがないという効果を得ることができる。
【００８３】
上述の如く，本発明により、安定したクライオターゲット層の形成および移送により、クライオターゲット層を表面に形成する基板構造体の交換を不要とし、クライオ材ガス自身によるパルスＸ線の再吸収の問題を解決するものであり、高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光の照射でも連続して安定した高い平均出力のパルスＸ線を発生すると共に構造が簡単で半永久的な寿命を持つ低コストで実用的なレーザプラズマＸ線発生装置の提供を可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示す縦断面概要図である。
【図２】図１に固定壁を追加した実施の一形態を示す縦断面概要図である。
【図３】図２における部分断面概要図である。
【図４】図２に層厚調整壁を追加した実施の一形態を示す横断面概要図である。
【図５】本発明による図１，２とは別の冷却手段における実施の一形態を示す縦断面概要図である。
【図６】図５とも別の冷却手段における実施の一形態を示す縦断面概要図である。
【図７】図１または図２と異なる実施の一形態を示す縦断面概要図である。
【図８】図７に円盤状のターゲット部材を追加した場合の実施の一形態を示す縦断面概要図である。
【図９】従来の一例を示す説明図である。
【図１０】従来の図９とは別の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０、６０、１１０、２１０ 真空チャンバー
１１、６１、１１１、２１１ 回転体
１２、１３、６２、６３、１１２、２１２ 回転軸
１４、１５、６４、６５ 回転軸受け
１６、１１６ 回転駆動機構
１７、１１７ 回転軸駆動機構
２１、８１ 極低温流体
２２、８３ 導入管
２３、８４ 排気管
３０、７０、１３０、２３０ ターゲット供給機構
３１、７１ クライオ材
３２、７２ 回収槽
３３、７３ 供給路
３４、７４、１３４、２３４ クライオターゲット層
３５、１３５ 排気装置
４１、１４１ パルスレーザ光
４２ レーザ集光機構
４３、１４３ レーザ入射口
４４、１４４ 集光照射点
４５ パルスＸ線
４６、１４６ Ｘ線鏡
４７、１４７ Ｘ線出射口
５１、１５１、２５１ 固定壁
５２ 保温器
５３、２５３ 開口部
５４ 仕切壁
５５ 層厚調整壁
８２ 冷却槽
８５ 隔壁
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却して液体化または固体化した希ガスまたは化学的に不活性で室温ではガス状のクライオ（低温）材をクライオターゲットとしこのクライオターゲットに高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光を集光照射して生じた高温高密度プラズマからパルスＸ線を発生するレーザプラズマＸ線発生装置に関し、特に、高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光の照射でも連続して安定した高い平均出力のパルスＸ線を発生することができるレーザプラズマＸ線発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高い尖頭パワーを有するパルスレーザ光を直径１００μｍ以下の点に集光して、これを固体ターゲットに照射することにより高温高密度のレーザプラズマが生成され、このレーザプラズマから高い輝度のパルスＸ線がレーザプラズマＸ線として放射されることは１９７０年代から知られている。そして、レーザ光のパルスエネルギーが向上すると共にその物理的特性の調査が開始された。
【０００３】
レーザプラズマＸ線の応用については、１９７４年、早くも医療応用として、米国特許明細書「Ｐ．Ｊ．Ｍａｌｌｏｚｚｉ ｅｔａｌ；Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ４，０５８，４８６号（Ｎｏｖ．１５，１９７７）」、および文献「Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．４５，ｐｐ．１８９１（１９７４）」に開示または提案されている。また、１９７８年にはＤ．Ｊ．ＮａｇｅｌのグループがＸ線リソグラフィー用光源への応用が可能であることを米国特許明細書「Ｄ．Ｊ．Ｎａｇｅｌ ｅｔａｌ；Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ ４，１８４，０７８号（Ｊａｎ．１９８０）」に開示している。その後、レーザ核融合研究の一部としてレーザプラズマＸ線は精力的に研究され、Ｘ線のスペクトル強度に対するレーザ波長、強度依存性またはターゲット元素依存性などが明らかにされた。特に、入射レーザのエネルギーからＸ線エネルギーへの全変換効率は数パーセントから１０パーセントと極めて大きいことが判明し、数１００Ｈｚの高い繰り返し回数が可能でかつ高エネルギーのパルスＹＡＧレーザの実現など、レーザ技術の進展に伴い高い繰り返しによる高平均出力を有するレーザプラズマＸ線の実用化に対する開発が行われた。
【０００４】
入射レーザが集光してプラズマを発生するターゲットとしては、米国特許明細書「Ｊ．Ｍ．Ｆｏｒｓｙｔｈ ｅｔａｌ；Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ ４，７００，３７１号（Ｏｃｔ．１３，１９８７）」に開示される円筒回転ドラムターゲットまたはテープターゲットがある。しかし、これらのターゲットはいずれも銅Ｃｕ、アルミニウムＡｌ、金Ａｕなどの金属を主体とする固体材料であるため，レーザ加熱によって蒸発した集光点近傍の材料が周囲のチャンバー壁内面や放射されるレーザプラズマＸ線を集める高価なＸ線鏡の表面に堆積し、かつ飛散した微粒子がＸ線鏡の表面に損傷を与えるなどの問題がある。そのため短時間運転の研究用光源としてのみ使用されている。すなわち、Ｘ線鏡の表面に堆積付着したターゲット材の固体材料はＸ線を強く吸収するため、鏡の反射率が減少し、使用できるＸ線の実効強度が時間と共に低下するためである。従って、定期的に高価なＸ線鏡を交換する必要がある。
【０００５】
また，ターゲットとして使用される回転ドラムまたはテープはそれ自体にレーザ光が繰り返し集光照射されるため、これらのターゲットはいずれも蒸発磨耗することにより寿命が短く、頻繁に交換する必要がある。
【０００６】
従来、この種のレーザプラズマＸ線発生装置では、上述した問題を解決する方法として，化学的に不活性で室温ではガス状態の物質、例えば希ガスを冷却して液体化または固体化したクライオ材をクライオターゲット層に形成して用いている。
【０００７】
例えば、図９に示されるような、冷却して液体化または固体化したクライオ材によるクライオターゲットを連続供給する装置が、特開平１-６３４９号公報（ 特許番号第２６１４４５７号）に開示されている。この装置により、漸く長時間運転の実用に耐えうるレーザプラズマＸ線発生装置の目処がついた。
【０００８】
すなわち、図９に示されるように、真空チャンバー１１１０内部には連続移動する回転無端ベルト１１２２を有するベルトコンベア１１２１が備えられ、液体化または固体化したクライオ材が供給路１１３１から回転無端ベルト１１２２の表面上に連続的に供給されて付着しクライオターゲット層１１３２を形成する。
【０００９】
一方、パルスレーザ光１１４１は、入射口１１４２から真空チャンバー１１１０内に入射し、移動する回転無端ベルト１１２２表面上に付着したクライオターゲット層１１３２に集光照射点１１４３を形成する。従って、集光照射点１１４３においてクライオターゲット層１１３２のクライオ材がプラズマ化してパルスＸ線１１４５を放射し、パルスＸ線１１４５はＸ線射出口１１４４を介して外部に取り出される。
【００１０】
この集光照射点１１４３でプラズマ化して穴をあけたクライオターゲット層１１３２には移動する回転無端ベルト１１２２の表面上にクライオ材の供給路１１３１からクライオ材が連続して供給され、クライオターゲット層１１３２が復旧する。
【００１１】
また、上述とは別のレーザプラズマＸ線発生装置では、例えば、図１０に示されるような装置が特開平９−３０６６９３号公報に開示されている。
【００１２】
すなわち、真空チャンバー１２１０の内部には、液体ヘリウムなどの冷却媒体１２１１により冷却されたターゲット１２３２が備えられる一方、希ガスまたは水などによるプラズマ発生用ガス１２３１が導入される。従って、冷却されたターゲット１２１１の表面にプラズマ発生用ガス１２３１が吸着され固体または液体のガス吸着層１２３２が形成される。一方、レーザ光１２４１は、レーザ光導入窓１２４２を介してガス吸着層１２３２上に集光照射され、ガス吸着層１２３２はガスプラズマ１２４３を形成してＸ線を発生する。この際、ターゲット１２１１上におけるレーザ光１２４１の集光照射点は固定されているうえ、ターゲット１２１１は移動しないので、レーザ光１１２４１はターゲット１２１１の同一点を集光照射し続ける。
【００１３】
この公開公報では、ガスプラズマ１２４３の発生によりガス吸着層１２３２の表面には穴が生じるが、ターゲット１２１１が冷却されているため、プラズマ発生用ガス１２３１がこの穴に吸着されるので、ガス吸着層１２３２は常に平面性が保持され、ターゲット１２１１には傷は付かない。また、液状のガス吸着層１２３２により埋められ平面性を保持することができると記載されている。更に、上述したレーザプラズマＸ線発生装置は、真空チャンバー内のレーザ集光照射点から噴出したクライオ材またはプラズマ発生用ガスのガス分子は化学的に不活性であり、また微粒子などのクラスターも極めて不安定なため、室温に保たれた真空チャンバー内における内壁面またはＸ線鏡などのＸ線光学素子の表面に堆積することがないと記載されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した回転無端ベルトを用いてクライオターゲット層をレーザ集光点に運搬するレーザプラズマＸ線発生装置では、次のような問題点がある。
【００１５】
第１の問題点は、回転無端ベルトは、極低温の回転体と接する際のみに冷却されるが、極低温において屈曲と延伸との作用を受けるため、回転無端ベルトの寿命が短縮されることであり、更に、供給されるクライオ材の付着面の温度を安定した低温に保持することが困難なことである。
【００１６】
第２の問題点は、クライオ材の供給路から供給を受けて回転無端ベルトに付着形成されるクライオターゲット層では表面に沿っての厚さにおいて均一性が得難いので、クライオターゲット層の表面の法線方向に対するレーザ光の集光照射点の持つ相対位置が面の場所により所定の位置から外れることがあり、発生するＸ線の強度が安定しないことである。
【００１７】
第３の問題点は、クライオ材供給路から供給されるクライオ材が回転無端ベルトに付着する効率が悪く密度の比較的高いクライオ材ガスがレーザ集光点近傍にも存在することになるので、発生したＸ線がクライオ材ガス自身に再吸収され、Ｘ線の発生効率を低減させることである。
【００１８】
また、冷却媒体により冷却されたターゲットにプラズマ発生用ガスを吸着させてガス吸着層を形成するレーザプラズマＸ線発生装置にも次の問題点がある。
【００１９】
すなわち、第４の問題点として、上記第３の問題点と同様、真空チャンバー内のプラズマ発生用ガスが冷却されたターゲット近辺で、特にレーザ光の集光照射点近傍に存在することになるので、発生したＸ線がプラズマ発生用ガス自身に再吸収され、Ｘ線の発生効率を低減させることである。
【００２０】
また、第５の問題点として、レーザ光により発生した穴にプラズマ発生用ガスが吸着されることによりまたは周囲の液状吸着ガスの流入により、平面性を修復することができるが、修復には有限の時間がかかるため、レーザ光のパルス間隔が１０ｍｓｅｃ以下、すなわちパルス繰り返し周波数１００Ｈｚ以上では穴が成長し、ターゲットの損傷を避けることができないことである。従って、高平均出力動作に対して使用することができないということである。
【００２１】
一方、修復速度を短縮するためには真空チャンバー内部のプラズマ発生用ガスの圧力（密度）を増加させればよいが、上記第４の問題点のみならず、入射レーザ光自身がレーザ光の集光照射点に到達する前に真空チャンバー内部のプラズマ発生用ガスに吸収されてガス放電を引き起こすため、レーザ光の集光照射点にガスプラズマを発生することができなくなる。
【００２２】
更に、第６の問題点として、上記二つのレーザプラズマＸ線発生装置に共通した問題は、クライオターゲット層またはガス吸着層のレーザ光の集光照射点からプラズマ発生によって気化されたクライオ材ガスの量が高繰り返しパルスの動作では無視できない量となり、大きな排気量を有する真空ポンプを用いない限り上記第４の問題を引き起こすことになる。
【００２３】
本発明の課題は、このような問題点を解決し、レーザ光の集光照射によりプラズマを発生するクライオターゲット層に覆われる回転無端ベルト、またはガス吸着層に覆われるターゲットの交換を不要とし、かつ高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光の照射でも連続して安定した高い平均出力のパルスＸ線を発生することができるレーザプラズマＸ線発生装置を提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明によるレーザプラズマＸ線発生装置は、冷却して液体化および固体化の少なくとも一方となった化学的に不活性で室温ではガス状のクライオ材をクライオターゲットとしこのクライオターゲットに高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光を集光照射して生じたプラズマからパルスＸ線を発生するレーザプラズマＸ線発生装置において、回転軸を有しかつ前記クライオターゲットの表面として熱伝導率のよい円筒形側面および前記回転軸に垂直面を成す一つの底面の少なくとも一方を有する回転体と、前記回転軸を駆動して前記回転体を回転させる回転駆動機構と、前記回転体の前記表面にクライオターゲット層を形成するために前記クライオ材を供給するターゲット供給機構と、前記回転体の少なくとも前記表面を、供給された前記クライオ材が所定の厚さの前記クライオターゲット層に形成可能な極低温にするため、前記回転体の内部、外部、または内部外部の両面から冷却する冷却手段と、所定の間隔を有する間隙をもって前記回転体を囲み当該間隙に前記クライオ材の注入を受けて閉じ込める固定壁と、を備え、前記所定の間隔は、前記回転体の周囲温度を含む環境条件を設定して、回転する前記回転体の円筒形表面に付着した前記クライオ材をほぼ均一の厚さに形成するように設定されている。
【００２５】
このように、回転体を回転させることによって再生されたクライオターゲット層をパルスレーザ光の集光照射点へ連続的に供給することができる。従って、熱伝導率のよい回転体を極低温に冷却して回転体表面にクライオターゲット層を形成する際、回転体の回転速度、回転体表面の温度、回転体表面に供給するクライオ材の供給量などの設定によりクライオターゲット層の厚さを適切に設定できる。また、回転体の回転によりパルスレーザの集光照射点位置を逐次移動できるので、パルスレーザの集光点に生じるプラズマによる回転体の損傷を防止することができる。
【００２６】
また、更に、前記回転軸と前記クライオターゲットの表面でパルスレーザ光を集光照射する点との両者を面内に含む平面と前記集光照射する点で前記回転体の表面に接する接平面との交叉によって交叉個所の軌跡に形成される直線に平行な方向に前記回転軸を前記回転体と共に往復移動させる軸駆動機構を備えることにより、新に形成されたクライオターゲット層を集光照射点に常に供給できると共に集光照射点に生じるプラズマによる回転体の損傷をより効果的に防止できる。
【００２７】
一方、更に、間隙をもって前記回転体を囲み前記間隙に前記クライオ材の注入を受けて閉じ込める固定壁を備えることにより、前記回転体の周囲温度を含む環境条件を設定して、回転する前記回転体の円筒形表面に付着した前記クライオ材を前記クライオターゲット層としてほぼ均一の厚さに形成している。従って、回転体の表面に液体化状態または固体化状態のクライオターゲット層を安定に形成することができると共にパルスレーザの集光照射点にプラズマを常に同様な安定した条件で発生することができる。
【００２８】
また、上述の冷却手段が回転体の表面温度をクライオ材の液化点以下に維持する一方、固定壁の温度を最低でクライオ材の液化点に維持する保温構造を有することにより、より安定したクライオターゲット層を形成することができる。
【００２９】
また、固定壁は入射するパルスレーザ光が集光するクライオターゲット層の集光照射点近傍では発生するパルスＸ線を外部へ放射する開口部を有し、かつ、この開口部は集光照射点の近傍周囲で固定壁内部から気化したクライオ材の流出を妨げるように開口部からクライオターゲット層の表面に接する縁に至る範囲に形成された仕切壁を備えることにより、クライオ材ガスが集光照射点の近傍に拡散することを防ぐので、放射されたＸ線がクライオ材ガスに再吸収されることがない。
【００３０】
また、上述の固定壁に連結して前記回転体の回転軸に対し垂直方向に移動し、その移動により前記回転体の表面との間隙を、前記回転体の表面に形成される前記クライオターゲット層の厚さ分に調整・保持するように、調整可能な層厚調整壁を備えることにより、クライオターゲット層を更に安定した厚さに形成することができ、従って、パルスレーザ光の焦点に対する前記クライオターゲット層表面の相対位置を正確にかつ安定して保持することができる。
【００３１】
更に、Ｘ線を放射する希ガスなどの原子番号１０以上の重元素によるクライオ材に原子番号１０未満の軽元素を混合してクライオターゲット層を形成することにより、クライオターゲット層を形成するクライオ材が気化してもＸ線を主に吸収する重元素の量を減らすことになる。一方、軽元素によるＸ線の吸収は相対的に小さい。従って、プラズマの発生によって気化したクライオ材ガス自身が、真空排気が不十分なためにＸ線の放射経路に残留してＸ線を減衰させることを防止することができる。
【００３２】
この場合、軽元素を混合しても、プラズマの温度が重元素のみの場合より高温になるため、結果として重元素からのＸ線量は減少せず、Ｘ線量は適切な混合比では重元素のみの場合よりもむしろ増加する。
【００３３】
また、重元素により構成される材料成分のモル混合比は軽元素により構成される材料成分の数パーセントから５０パーセントが好ましく、各材料成分の供給量、周囲温度を含む環境条件の設定に基づいてモル混合比の値を調整してクライオターゲット層が形成されている。
【００３４】
また、上述した冷却手段の具体的な構成の一つは、中空構造を有する前記回転体を冷却槽として前記回転軸を同軸とする導入管および排気管を備え、前記冷却槽は、前記回転体を内部から冷却するため、前記導入管を介して注入される低温液化ガスを極低温流体として貯蓄し、前記排気管が前記冷却槽で気化した低温液化ガスを排気している。また、この種の冷却手段は、前記導入管に前記冷却槽内の先端にノズルを有し、前記導入管を介して注入される液体の低温液化ガスが極低温流体として前記冷却槽内の前記ノズルから放出される際に気化・断熱膨張して発生する極低温ガス流により冷却槽である前記回転体の内壁を冷却する一方、前記排気管が気化した低温液化ガスを排気することが望ましい。更に、冷却手段は、前記回転体を外部から冷却する場合、前記回転体回転軸の軸方向である重力方向の底部側半分以上の表面範囲を密閉格納する冷却槽と極低温流体の導入管および排気管とを備え、前記冷却槽は前記導入管を介して注入される低温液化ガスを極低温流体として貯蓄し、前記排気管が前記冷却槽で気化した低温液化ガスを排気することでもよい。
【００３５】
また、前記クライオターゲットを前記回転軸に垂直面を成す一つの底面とした際には、前記回転体が円盤形状を有しても同様な効果を得ることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３７】
図１は本発明の実施の一形態を示す説明用の縦断面概要図である。
【００３８】
図１のレーザプラズマＸ線発生装置では、真空チャンバー１０、円筒形の回転体１１、回転体１１の回転軸１２，１３およびこの回転軸受け１４，１５、回転体１１の回転および移動を駆動する回転駆動機構１６および軸方向駆動機構１７、回転体１１の冷却手段として極低温流体２１、導入管２２および排気管２３、ターゲット供給機構３０としてターゲット材であるクライオ材３１、回収槽３２、供給路３３、クライオターゲット層３４、および排気装置３５、並びに、レーザプラズマＸ線を発生する手段としてパルスレーザ光４１、レーザ集光機構４２、レーザ入射口４３、集光照射点４４、パルスＸ線４５、Ｘ線鏡４６、およびＸ線出射口４７が示されている。
【００３９】
真空チャンバー１０の内部に円筒形表面を有し中空で冷却槽となる熱導電率のよい回転体１１が水平面に垂直な回転軸１２，１３を有し、回転軸１２，１３は真空チャンバー１０に設けられた回転軸受け１４，１５により支持されている。回転軸１２，１３は熱伝導係数の小さい材質が好ましく、また回転軸受け１４，１５は磁気軸受けが望ましいが、それらに限定されることはない。
【００４０】
上部の回転軸１２は、回転軸受け１４の先端部分である真空チャンバー１０の外部に、回転体１１を回転させるモータおよび駆動歯車を含む回転駆動機構１６、並びに回転体１１を回転軸方向に往復移動させるモータおよび駆動歯車を含む軸方向駆動機構１７それぞれにより駆動されている。
【００４１】
また、回転軸１２は、液体窒素、液体アルゴンまたは液体ヘリウムなどの低温液化ガスを極低温流体２１として回転体１１の中空内部に外部から導入する導入管２２を中心軸位置に、かつ極低温流体２１の気化ガスを排出回収する排気管２３を導入管２２の周囲に同軸状にそれぞれ備えている。従って、極低温流体２１は、導入管２２により導入されて回転体１１内部の中空内部に液体として蓄積され、回転体１１の熱伝導を利用して回転体１１の円筒形表面をクライオターゲットとなるクライオ材３１の液化温度以下に冷却する。極低温流体２１の気化ガスは排気管２３により排出される。
【００４２】
一方、クライオ材３１はレーザプラズマを発生させるレーザ光の集光照射対象であるターゲットの材料である。クライオ材３１は液体化されて回収槽３２に外部から補給されると共に内部に貯蔵され、供給路３３により冷却された回転体１１の表面に供給されて液体化または固体化の状態でクライオターゲット層３４を形成する。クライオターゲット層３４が１０μｍ〜ほぼ５００μｍの厚さに形成されるように、回転体１１の回転速度、円筒形表面の温度、円筒形表面に供給するクライオ材３１の供給量などの環境条件が設定される。
【００４３】
また、クライオターゲット層３４がプラズマ化された際にガス状となったクライオ材３１は、排気装置３５により真空チャンバー１０の外へ排出回収され、クライオ材３１の回収槽３２へ送られ、冷却により再液体化または再固体化されて引き続き真空チャンバー１０内の回転体１１の表面に供給路３３を介して再度供給される。更に、排気装置３５は、真空チャンバー１０の内部を１３３×１０−３Ｐａ以下の圧力に保持するように稼動している。
【００４４】
他方、パルスレーザ光４１はレーザ集光機構４２を介して真空チャンバー１０のレーザ入射口４３から照射されクライオターゲット層３４の集光照射点４４に到達する。次いで、集光照射点４４で発生したプラズマから生じたパルスＸ線４５がＸ線鏡４６によりＸ線出射口４７から射出される。
【００４５】
このように、回転体１１を回転させることによってクライオターゲット層３４をパルスレーザ光４１の集光照射点４４へ連続的に供給することができ、更に回転軸１２、１３を回転体１１と共に回転軸と同一方向に往復移動させることにより、回転体１１の円筒形表面の軸方向に対する往復移動の範囲において新に形成されたクライオターゲット層３４を集光照射点４４に常に供給できることになる。従って、熱伝導率のよい回転体１１を極低温に冷却して円筒形表面にクライオターゲット層３４を形成する際、回転体１１の回転速度、円筒形表面の温度、円筒形表面に供給するクライオ材３１の供給量などの設定によりクライオターゲット層３４の厚さを適切に形成することができる。また、回転体１１の回転および軸方向の往復移動によりパルスレーザ光４１の集光照射点４４の位置を逐次移動できるので、パルスレーザ光４１の集光照射点４４の位置に生じるプラズマによる回転体１１の損傷を防止することができる。
【００４６】
次に、図２および図３に図１を併せ参照して、クライオターゲット層３４を均一の厚さに安定して形成できる実施の一形態について説明する。
【００４７】
図２が図１と相違する点は、固定壁５１が設けられたことである。
【００４８】
固定壁５１は、間隙をもって円筒形の回転体１１を囲み、この間隙にクライオ材３１の注入を受けて閉じ込めるものであり、効率のよい円筒形状を有している。また、表面温度をガス液化点以下に冷却された回転体１１の表面上に液体化状態または固体化状態の厚さ１０μｍ〜５００μｍのクライオターゲット層３４を形成するため、固定壁５１は、クライオ材３１の液化点とほぼ同じかまたはそれより高い温度に保つ必要がある。従って、固定壁５１は室温である外気に触れている真空チャンバー１０に結合する構造を有しており、必要であればこのような温度を保持するため保温構造として保温器５２が設けられる。上記説明では固定壁を円筒形としたが、円筒形に限定されるものではない。
【００４９】
回転体１１の円筒形表面がクライオ材３１を充分に液体化または固体化する温度に冷却された後、クライオ材３１のガスは、供給路３６により固定壁５１に開けられた供給口から固定壁５１と回転体１１の表面との間の空間に導入供給され、冷却された回転体１１の表面にクライオターゲット層３４を１０μｍから約５００μｍの厚さで形成する。この際、固定壁５１内部におけるクライオ材３１のガスの圧力は、例えば、１３３×１０−３Ｐａ〜１３３×１０＋２Ｐａの範囲に保ちつつ、クライオ材３１の供給路３６の途中に配置されたバルブと回転体１１の表面温度との調整により付着速度を選択する。回転体１１の表面に供給するクライオ材３１はガスであると説明したが液体化されていてもよい。
【００５０】
更に、図２において複数のターゲット供給機構を設け、ターゲット供給機構それぞれから温度、バルブなどを調整して異なる種類の元素の混合比を調整したクライオ材を回転体に供給しクライオターゲット層を形成することができる。すなわち、Ｘ線を放射する希ガスなどの原子番号１０以上の重元素、例えばアルゴンＡｒ、クリプトンＫｒ、キセノンＸｅなどによるクライオ材に原子番号１０未満の軽元素による、例えば水Ｈ２Ｏ、炭酸ガスＣＯ２などを混合してクライオターゲット層を形成することができる。勿論、クライオターゲット層に用いる元素は例示した上記元素に限定されるものではない。
【００５１】
この構成により、クライオターゲット層を形成するクライオ材が気化してもＸ線を主に吸収する重元素の量を減らすことになる。一方、軽元素によるＸ線の吸収は相対的に小さい。従って、プラズマの発生によって気化したクライオ材ガス自身が、真空排気が不十分なためにＸ線の放射経路に残留してＸ線を減衰させることを防止することができる。
【００５２】
この場合、軽元素を混合しても、クライオターゲット層に用いられる軽元素から発生するＸ線の放射量は極めて少量で、その分がプラズマの加熱に有効に使われる。従って、プラズマの温度が重元素のみの場合より高温になるため、結果として重元素からのＸ線量は減少せず、Ｘ線量は適切な混合比では重元素のみの場合よりもむしろ増加する。
【００５３】
また、重元素により構成される材料成分のモル混合比は軽元素により構成される材料成分の数パーセントから５０パーセントが好ましく、各材料成分の供給量、周囲温度を含む環境条件の設定に基づいてモル混合比の値を調整してクライオターゲット層が形成されている。
【００５４】
また、図３に示されるように、パルスレーザ光４１の集光照射点４４近傍では、パルスレーザ光４１が固定壁５１に干渉されずに集光照射点４４に到達し、かつ発生するパルスＸ線４５が固定壁５１に妨げられることなく外部に放射されるように、固定壁５１は、集光照射点４４を中心として０．５ｃｍから５ｃｍ以下の半径を有する開口部５３を備え、更に、回転体１１の表面と固定壁５１との間に閉じ込めたクライオ材３１のガスが開口部５３から流出しないようにクライオターゲット層３４の表面に接する縁を持った仕切壁５４を設けている。
【００５５】
クライオターゲット層３４へ入射されるパルスレーザ光４１の光源は、高い尖頭パワーと高い繰り返し型のパルスレーザ光源であり、一実施例においては、レーザ波長１μｍ、パルスエネルギー０.７Ｊ〜１.０J、 パルス幅１５ｎｓｅｃ 、および繰り返し周波数３００Ｈｚ〜３０００Ｈｚのパルスレーザ光を放射している。パルスレーザ光４１はクライオターゲット層３４の表面に集光照射点４４として約１００μｍの集光径で集光照射される。この場合、クライオターゲット層３４の表面上でのレーザ強度は約１０１２Ｗ／ｃｍ２となる。
【００５６】
この光強度ではプラズマ化したクライオ材からＸ線が放射され、入射レーザエネルギーから放射Ｘ線エネルギーへの変換効率は波長１１ｎｍのＸ線を強く放射するキセノンクライオターゲットの場合、Ａ．Ｓｈｉｍｏｕｒａ、Ｓ．Ａｍａｎｏ、Ｓ．Ｍｉｙａｍｏｔｏ、および Ｔ．Ｍｏｃｈｉｚｕｋｉによる報告書「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．７２，ｐｐ．１６４（１９９８）」に示されるように、約１％／ｎｍ／ステラジアンであることが実験的に見い出されている。従って、１ｎｍの波長幅と３ステラジアンの立体角で放射Ｘ線をＸ線鏡４６によってビームとして取り出せばＸ線平均出力として９Ｗ〜９０Ｗの出力が得られる。
【００５７】
パルスレーザを繰り返し周波数３００Ｈｚ〜３０００Ｈｚで動作させ、安定なパルスＸ線４５を得るには１パルス毎に新しいクライオターゲット層３４の面を照射する必要がある。
【００５８】
そのため、クライオターゲット層３４の面上での集光照射点から次の集光照射点までの距離を５００μｍにすると、半径Ｒ（ｃｍ）を有する回転体１１の回転速度として毎分の回転数が「１５０／Ｒ」回〜「１５００／Ｒ」回となる。この半径Ｒを７.５ｃｍとすると毎分の回転数は２０回〜２００回であればよい。
【００５９】
パルスレーザ光４１の集光照射により集光照射点４４を中心にクライオターゲットのクライオ材３１が気化した後にはクライオターゲット層３４にクレーター状の痕跡が発生する。この痕跡に再度、または繰り返してレーザ光を集光照射する場合にはプラズマの生成が不安定になったり、極端な場合、クライオターゲット層３４の底までクレーターの穴が貫通し、回転体１１の表面を直接、加熱して蒸発させてしまう。
【００６０】
従って、回転体１１を回転軸１２，１３により回転させるだけでなく回転の軸方向へ往復移動させることによってクライオターゲット層３４の表面の同じ場所を短時間内に重複してパルスレーザ光４１が照射しないようにしている。クレーター状の痕跡には回転中に固定壁５１の内側間隙に存在するクライオ材のガスが直ちに付着して修復される。
【００６１】
次に、図４に図２を併せ参照して層厚調整壁５５について説明する。
【００６２】
層厚調整壁５５は、固定壁５１に連結し回転体１１の回転軸に対し垂直方向に移動可能で、回転体１１の円筒形表面との間隙をクライオターゲット層３４の厚さ分に調整することにより、クライオターゲット層３４を更に安定した厚さに形成できる。すなわち、供給路３６から回転体１１の表面に供給されたクライオ材３１は、厚めの厚さを回転体表面に沿ってほぼ均一に有するクライオターゲット層３４Ａを形成する。このクライオターゲット層３４Ａは、回転によって移動する際に層厚調整壁５５のエッジにより表面を削り取られて所定の厚さを有するクライオターゲット層３４Ｂが得られるように制御される。
【００６３】
また、回転体１１の回転軸１２方向に対する層厚調整壁５５の長さは、回転体１１の長さまであればよいが、回転体１１の軸方向に対する往復移動範囲がカバーできるだけであってもよい。
【００６４】
次に、図５に図１を併せ参照して上述とは別の冷却手段について説明する。
【００６５】
図１と相違する点は、回転体１１の内部空間である冷却槽において、導入管２２の先端にノズル２４を設け、極低温流体２１を放出噴射させることにより断熱膨張した気化ガスによる極低温ガス流２５を発生させていることである。極低温流体２１は、液体窒素、液体アルゴン、または液体ヘリウム等の低温液化ガス、またはこれら元素の低温高圧ガスでもよい。これら低温流体がノズル２４から放出されることにより断熱膨張する際に発生する極低温ガス流２５が回転体１１の内壁を冷却することにより熱伝導を利用して回転体１１の表面を冷却することができる。
【００６６】
次に、図６に図１を併せ参照して上述とは別の冷却手段について説明する。
【００６７】
図６が図１と相違する点は、回転体６１が中空である必要はなく、少なくとも円筒形表面が熱伝導率のよい材質であればよく、かつ、冷却手段が回転体６１において回転軸６２，６３の軸方向である重力方向の底部側半分以上の表面範囲を冷却していることである。この結果、回転体６１の天井部側の表面部分をクライオ材７１の液化点以下まで極低温化することができる。冷却手段は、極低温流体８１を内部に貯えて内部に浸された回転体６１を直接冷却する冷却槽８２と極低温流体８１を供給する導入管８３および気化ガスを排気回収する排気管８４により構成されている。
【００６８】
図６においては、真空チャンバー６０の内部で、回転体６１の底部側半分以上が冷却槽８２の内部に挿入され、内部に貯蔵されている極低温流体８１に直接浸っている。真空チャンバー６０の内部に露出する回転体６１の表面には、クライオ材７１が供給されてクライオターゲット層７４が形成される。クライオ材７１を供給するターゲット供給機構７０およびパルスレーザ光４１が集光照射点４４に照射されてプラズマおよびパルスＸ線４５を発生するレーザプラズマＸ線発生の機構それぞれについては図１とほぼ同様である。
【００６９】
クライオターゲット層７４が形成される真空チャンバー６０の部分と、極低温流体８１を貯蔵する冷却槽８２とはクライオ材７１と極低温流体８１との混合を避けるため、隔壁８５が設けられている。
【００７０】
図６では、真空チャンバー内に隔壁をもって冷却槽が備えられるように示されているが、両者が別個のチャンバーで隔壁により結合される構成でもよい。また、真空チャンバー内で図２に示したような固定壁を設けることもできる。
【００７１】
次に、図７を参照して、パルスレーザ光１４１の集光照射点１４４が図２とは異なる実施の一形態について説明する。
【００７２】
図７に示されるレーザプラズマＸ線発生装置のＸ線連続発生部分では、パルスレーザ光１４１によりレーザプラズマＸ線を発生する手段、真空チャンバー１１０、円筒形の回転体１１１、回転体１１１の回転軸１１２、回転体１１１の回転を駆動する回転駆動機構１１６、回転体１１１の回転軸と垂直方向に回転軸を駆動する回転軸駆動機構１１７、回転体１１１の冷却手段、クライオターゲット層１３４となるクライオ材を回転体１１１に供給するターゲット供給機構１３０、並びに固定壁１５１が備えられている。
【００７３】
図７が図２と相違する点は、パルスレーザ光１４１の集光照射点１４４を円筒形の回転体１１１の底面表面とし、この集光照射点１４４の位置に固定壁１５１の開口部を設けていることである。また他の一つの点は、回転体１１１を回転させる機構、例えばモータおよび駆動歯車を含む回転駆動機構１１６に加えて更に回転体１１１を回転軸と垂直方向に往復移動させる回転軸駆動機構１１７を設けていることである。この結果、パルスレーザ光１４１の集光照射点１４４を円筒形の回転体１１１の底面表面で広範囲に移動させることができる。この場合の回転軸駆動機構１１７は、例えばＯ（オー）リングシールを用いて真空チャンバー１１０と結合される。
【００７４】
このように、回転体１１１を回転させることによってクライオターゲット層１３４をパルスレーザ光１４１の集光照射点１４４に連続的に供給することができ、更に回転軸１１２を回転体１１１と共に回転軸に垂直方向に往復移動させることにより、円筒形の回転体１１１における底面の往復移動の範囲において表面に新に形成されたクライオターゲット層１３４を集光照射点１４４に常に供給できることになる。
【００７５】
従って、熱伝導率のよい回転体１１１を極低温に冷却して円筒形表面にクライオターゲット層１３４を形成する際、回転体１１１の回転速度、円筒形底面の表面温度、円筒形底面の表面に供給するクライオ材の供給量などの設定によりクライオターゲット層１３４の厚さを適切に形成することができる。また、回転体１１１の回転および回転軸に垂直な方向の往復移動によりパルスレーザ光１４１の集光照射点１４４の位置を逐次移動できるので、集光照射点１４４に生じるプラズマによる回転体１１１の損傷を防止することができる。
【００７６】
次に、図８を参照して、図７に円盤状のターゲット部材を追加した場合の実施の一形態について説明する。
【００７７】
図８が図７と相違する点は、円筒形の回転体２１１の底面表面に熱伝導率のよい円盤状のターゲット部材２１９を密着させて、内部空間を冷却槽とする回転体２１１およびターゲット部材２１９の熱伝導を利用して回転体２１１と共にターゲット部材２１９の表面を、クライオターゲット層２３４を形成するクライオ材の液化温度以下に冷却することである。このため、関連する固定壁２５１などの形状が相違している。このような相違点を除き、同一名称で下二桁に同一番号符号を付与された構成要素の機能については図７を参照した説明と同一でありその説明は省略する。
【００７８】
上記説明では、円盤状のターゲット部材は回転体に密着させて設けるとしたが一体化した一つの内部空間を有する回転体であってもよい。
【００７９】
このように、上記記載では、図面それぞれを参照し適切な条件を示して説明しているが、図示され説明された形状大きさおよび相互位置などの構成並びに組み合わせについては、環境条件と共に相互に関連があるが上述した機能を満たす限り自由であり、本発明は上記記載に限定されるものではない。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、極低温流体などにより冷却された熱伝導効率のよい回転体の円筒形表面を、側面または裏面を問わずクライオターゲット層形成の基板とすると共に、回転体の回転および回転軸の往復移動によりクライオ材の供給をクライオターゲット層上で移送するため、回転体の表面を損傷することがなく、従って、回転体の交換は不必要になるという効果がある。
【００８１】
また、クライオターゲット層の基板となる回転体表面の温度は回転体表面が極低温流体などにより直接冷却されるので容易に一定温度にでき、従って、安定なターゲット層の形成と保持とが可能になるという効果がある。
【００８２】
また、固定壁がクライオターゲット層を内部に閉じ込めることによりクライオターゲットとなるクライオ材を極めて効率良くかつ均一に回転体表面に凝縮付着させることが可能となり、更に仕切壁を持つ開口部を設けることによってクライオターゲット層を形成しつつパルスレーザ光を高い周波数の繰り返しで集光照射できるので、レーザパルス光に呼応して半永久的にパルスＸ線を準連続的に発生させることができる。また仕切壁によってクライオ材ガスがパルスレーザ光の集光照射点近傍または放射されるパルスＸ線の光路に拡散するのを防止できるので，発生したパルスＸ線がクライオ材ガス自身により再吸収されることにより実効利用できるパルスＸ線の強度が低下するということがないという効果を得ることができる。
【００８３】
上述の如く，本発明により、安定したクライオターゲット層の形成および移送により、クライオターゲット層を表面に形成する基板構造体の交換を不要とし、クライオ材ガス自身によるパルスＸ線の再吸収の問題を解決するものであり、高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光の照射でも連続して安定した高い平均出力のパルスＸ線を発生すると共に構造が簡単で半永久的な寿命を持つ低コストで実用的なレーザプラズマＸ線発生装置の提供を可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示す縦断面概要図である。
【図２】図１に固定壁を追加した実施の一形態を示す縦断面概要図である。
【図３】図２における部分断面概要図である。
【図４】図２に層厚調整壁を追加した実施の一形態を示す横断面概要図である。
【図５】本発明による図１，２とは別の冷却手段における実施の一形態を示す縦断面概要図である。
【図６】図５とも別の冷却手段における実施の一形態を示す縦断面概要図である。
【図７】図１または図２と異なる実施の一形態を示す縦断面概要図である。
【図８】図７に円盤状のターゲット部材を追加した場合の実施の一形態を示す縦断面概要図である。
【図９】従来の一例を示す説明図である。
【図１０】従来の図９とは別の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０、６０、１１０、２１０ 真空チャンバー
１１、６１、１１１、２１１ 回転体
１２、１３、６２、６３、１１２、２１２ 回転軸
１４、１５、６４、６５ 回転軸受け
１６、１１６ 回転駆動機構
１７、１１７ 回転軸駆動機構
２１、８１ 極低温流体
２２、８３ 導入管
２３、８４ 排気管
３０、７０、１３０、２３０ ターゲット供給機構
３１、７１ クライオ材
３２、７２ 回収槽
３３、７３ 供給路
３４、７４、１３４、２３４ クライオターゲット層
３５、１３５ 排気装置
４１、１４１ パルスレーザ光
４２ レーザ集光機構
４３、１４３ レーザ入射口
４４、１４４ 集光照射点
４５ パルスＸ線
４６、１４６ Ｘ線鏡
４７、１４７ Ｘ線出射口
５１、１５１、２５１ 固定壁
５２ 保温器
５３、２５３ 開口部
５４ 仕切壁
５５ 層厚調整壁
８２ 冷却槽
８５ 隔壁
Claims (4)
- 冷却して液体化および固体化の少なくとも一方となった化学的に不活性で室温ではガス状のクライオ材をクライオターゲットとしこのクライオターゲットに高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光を集光照射して生じたプラズマからパルスＸ線を発生するレーザプラズマＸ線発生装置において、
回転軸を有しかつ前記クライオターゲットの表面として熱伝導率のよい円筒形側面および前記回転軸に垂直面を成す一つの底面の少なくとも一方を有する回転体と、
前記回転軸を駆動して前記回転体を回転させる回転駆動機構と、
前記回転体の表面にクライオターゲット層を形成するために前記クライオ材を供給するターゲット供給機構と、
前記回転体の少なくとも前記表面を、供給された前記クライオ材が所定の厚さの前記クライオターゲット層に形成可能な極低温にするために、前記回転体表面の内部、外部、または内部外部の両面から冷却する冷却手段と、
前記回転体の速度、周囲温度を含む環境条件を設定して、回転する前記回転体の円筒形表面に付着した前記クライオ材をほぼ均一の厚さに形成するように設定される間隔を有する間隙をもって前記回転体を囲み当該間隙に前記クライオ材の注入を受けて閉じ込める固定壁と、
前記冷却手段が前記回転体の表面温度を前記クライオ材の液化点以下に維持すると共に前記固定壁の温度を最低で前記クライオ材の液化点に維持する保温構造と、
固定壁に連結して前記回転体の回転軸に対し垂直方向に移動し、前記回転体の表面との間隙を、前記回転体の表面に形成される前記クライオターゲット層の厚さ分に調整・保持するように、調整可能な層厚調整壁と、を備え、
前記固定壁は入射する前記パルスレーザ光が集光する前記クライオターゲット層の集光照射点の近傍では発生するパルスＸ線を外部へ放射する開口部を有し、かつこの開口部は前記集光照射点の近傍周囲で固定壁内部から気化したクライオ材の流出を妨げるように前記開口部から前記クライオターゲット層の表面に接する縁に至る範囲に形成された仕切壁を更に備えることを特徴とするレーザプラズマＸ線発生装置。 - 請求項１において、クライオ材は、２種類以上の材料成分を有する混合材であり、材料成分の少なくとも一つは原子番号１０以上の重い元素であり、他の材料成分に少なくとも一つの原子番号１０未満の軽い元素を更に含む構成を有することを特徴とするレーザプラズマＸ線発生装置。
- 請求項２において、重い元素により構成される材料成分のモル混合比は、前記軽い元素により構成される材料成分の数パーセントから５０パーセントであり、各材料成分の供給量、周囲温度を含む予め設定された環境条件に基づいて前記モル混合比の値を調整して前記クライオターゲット層を形成することを特徴とするレーザプラズマＸ線発生装置。
- 請求項１において、回転体は中空構造を有し、冷却手段は、前記回転体の表面を内部から冷却するため、前記回転体の中空部分を冷却槽として前記回転軸を同軸とする導入管および排気管を備え、前記冷却槽は前記導入管を介して注入される低温液化ガスを極低温流体として貯蓄し、前記排気管が前記冷却槽で気化した低温液化ガスを排気することを特徴とするレーザプラズマＸ線発生装置。
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