JP4102180B2 - 高速粒子発生方法及び高速粒子発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルスレーザー光を高速粒子発生ターゲットに照射することにより高速粒子を発生させる高速粒子発生方法及び高速粒子発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パルスレーザー光を高速粒子発生ターゲットに照射して高速粒子を発生させる高速粒子発生装置では、効率良く高速粒子を発生させるため、ターゲット面の微小なスポットにレーザー光を集光させる必要がある。しかし、高強度なレーザー光は、出力されるレーザー光自体がすでに歪んでいる場合が多く、また、伝搬中に生じる波面の乱れによりビーム径が拡がるほか、高強度なレーザー光による光学系の熱変形によっても波面が歪み、結果として集光点（集光する位置）におけるレーザー光のスポット径を小さくすることができない。
【０００３】
従来、レーザー光を微小なスポットに集光して光強度を高めるために、レーザー光の波面を揃える波面補償制御が行われている。例えば、下記非特許文献１には、高強度レーザーの光路中にＨｅ−Ｎｅレーザーを基準光源として設置し、この基準光源から発せられたレーザー光の波面を波面センサで計測し、それを基準波面として記憶しておき、次に、チタンサファイアレーザーからのレーザー光の波面がこの基準波面と一致するようにレーザー光の波面を補償する技術が記載されている。
【０００４】
【非特許文献１】
Katsuaki Akaoka et al.,「Closed loop wavefront correction of Ti :sapphire Chirped Pulse Amplification laser beam」,SPIE,Vol.326 5,29‐30.January.1998,p.219‐225
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の波面補償方法では、集光位置（通常は光学系の焦点に集光する）におけるレーザー光のスポット径（光の広がり範囲の外径）を充分に小さくすることができず、充分な光強度を得ることができないため、高速粒子を効率良く発生させることができないという問題を有する。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、パルスレーザー光を高速粒子発生ターゲット面の微小なスポットに集光させることにより、高速粒子を効率良く発生させることができる高速粒子発生方法及び高速粒子発生装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高速粒子発生方法は、パルスレーザー光発生手段より発したパルスレーザー光を照射光学系により所定の集光ポイントに集光し、当該所定の集光ポイントにセットされた高速粒子発生ターゲットに照射することにより高速粒子を発生させる高速粒子発生方法において、（１）所定の集光ポイントから基準光を発し、基準光の波面を波面計測手段により計測し、この計測した波面を基準波面として記憶する第１ステップと、（２）パルスレーザー光発生手段により発せられて所定の集光ポイントを通過したパルスレーザー光の波面を波面計測手段により計測する第２ステップと、（３）パルスレーザー光発生手段より発したパルスレーザー光の波面を基準波面に基づいて補償する第３ステップとを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る高速粒子発生方法によれば、高速粒子発生ターゲットがセットされるべき所定の集光ポイントから発せられた基準光の波面が計測されて基準波面として記憶される一方で、パルスレーザー光発生手段により発せられて上記の所定の集光ポイントを通過したパルスレーザー光の波面が計測される。そして、パルスレーザー光発生手段により発せられるパルスレーザー光の波面が基準波面に基づいて補償されるので、パルスレーザー光を上記の所定の集光ポイントにおいて微小なスポットに集光でき、結果として上記の所定の集光ポイントにセットされる高速粒子発生ターゲットに照射することができる。よって、高速粒子を効率良く発生させることが可能となる。
【０００９】
本発明に係る高速粒子発生装置は、（１）パルスレーザー光が照射されてレーザープラズマが生成されることにより高速粒子を発生させる高速粒子発生ターゲットと、（２）パルスレーザー光を発生するパルスレーザー光発生手段と、（３）パルスレーザー光の波面を補償する波面補償手段と、（４）波面補償手段により波面が補償されたパルスレーザー光を所定の集光ポイントに集光して高速粒子発生ターゲットに照射する照射光学系とを備え、波面補償手段は、（５）パルスレーザー光を反射または屈折させる光学素子の光学作用部を変形可能に構成した可変形光学系と、（６）所定の集光ポイントから基準光を発する基準光源と、（７）基準光及び所定の集光ポイントを通過したパルスレーザー光それぞれの波面を計測する波面計測手段と、（８）波面計測手段により計測された基準光の波面を基準波面として記憶する記憶手段と、（９）波面計測手段により計測されたパルスレーザー光の波面と基準波面とに基づいて光学作用部を変形させることにより、パルスレーザー光の波面を補償する可変形光学系制御手段と、（１０）基準光が基準光源から発せられる位置を所定の集光ポイントに、高速粒子発生ターゲットを所定の集光ポイントを含む平面上に、それぞれ移動させる移動手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る高速粒子発生装置によれば、基準光源により所定の集光ポイント（高速粒子発生ターゲットがセットされるべき位置）から発せられた基準光の波面が基準波面として記憶手段により記憶される。そして、パルスレーザー光発生手段から発せられて上記の集光ポイントを通過したパルスレーザー光の波面も計測されるので、このパルスレーザー光の波面と記憶手段に記憶されている基準波面とに基づいて光学素子の光学作用部を可変形制御することにより、パルスレーザー光の波面が補償される。従って、移動手段により所定の集光ポイントを含む平面上に高速粒子発生ターゲットを移動させることで、微小なスポットに集光させたパルスレーザー光を照射することができ、高速粒子を効率良く発生させることができる。
【００１１】
本発明に係る高速粒子発生装置は、（１）パルスレーザー光が照射されてレーザープラズマが生成されることにより高速粒子を発生させる高速粒子発生ターゲットと、（２）パルスレーザー光を発生するパルスレーザー光発生手段と、（３）パルスレーザー光の波面を補償する波面補償手段と、（４）波面補償手段により波面が補償されたパルスレーザー光を所定の集光ポイントに集光して高速粒子発生ターゲットに照射する照射光学系とを備え、波面補償手段は、（５）パルスレーザー光を反射または屈折させる光学素子の光学作用部を変形可能に構成した可変形光学系と、（６）パルスレーザー光が通過することにより所定の集光ポイントから基準光を発するピンホールを有する基準光生成手段と、（７）基準光及び所定の集光ポイントを通過したパルスレーザー光それぞれの波面を計測する波面計測手段と、（８）波面計測手段により計測された基準光の波面を基準波面として記憶する記憶手段と、（９）波面計測手段により計測されたパルスレーザー光の波面と基準波面とに基づいて光学作用部を変形させることにより、パルスレーザー光の波面を補償する可変形光学系制御手段と、（１０）基準光生成手段及び高速粒子発生ターゲットそれぞれを所定の集光ポイントを含む平面上に移動させる移動手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る高速粒子発生装置によれば、基準光生成手段により所定の集光ポイント（高速粒子発生ターゲットがセットされるべき位置）から発せられた基準光の波面が基準波面として記憶手段により記憶される。そして、パルスレーザー光発生手段から発せられて上記の集光ポイントを通過したパルスレーザー光の波面も計測されるので、このパルスレーザー光の波面と記憶手段に記憶されている基準波面とに基づいて光学素子の光学作用部を可変形制御することにより、パルスレーザー光の波面が補償される。従って、移動手段により所定の集光ポイントを含む平面上に高速粒子発生ターゲットを移動させることで、微小なスポットに集光させたパルスレーザー光を照射することができ、高速粒子を効率良く発生させることができる。
【００１３】
また、本発明に係る高速粒子発生装置は、高速粒子発生ターゲットが膜状のターゲット部材の表面に構成され、ターゲット部材にはパルスレーザー光を通過させる開放部及びピンホールが形成され、開放部を通過したパルスレーザー光の波面が波面計測手段により計測されることが好適である。この場合、パルスレーザー光を通過させる開放部及びピンホールが高速粒子発生ターゲットと同一のターゲット部材に形成されているので、基準光及びパルスレーザー光それぞれの波面の計測並びにパルスレーザー光の波面の補償を高い位置精度で行うことが出来る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る高速粒子発生装置１の全体構成を、図１を用いて説明する。
【００１６】
図１に示す通り、高速粒子発生装置１は、高ピークパワーのパルスレーザー光Ｌ１を発生するパルスレーザー光発生部（パルスレーザー光発生手段）１０と、パルスレーザー光Ｌ１の波面を補償する波面補償部（波面補償手段）２０と、パルスレーザー光Ｌ１を集光して照射する照射光学系３０と、パルスレーザー光Ｌ１が照射されて高速粒子を発生させるターゲット部４０とを備えている。
【００１７】
パルスレーザー光発生部１０は、例えば、波長８００ｎｍ、パルス幅１３０ｆｓ、最大エネルギー２００ｍＪを有する高ピークパワーのパルスレーザー光Ｌ１を出力するチタンサファイアレーザー等が好適に用いられる。また、パルスレーザー光発生部１０は、図示しない再生増幅器とマルチパス増幅器とを備えている。
【００１８】
波面補償部２０は、このパルスレーザー光発生部１０から出力されたパルスレーザー光Ｌ１の波面を補償して、照射光学系３０に出力する。
【００１９】
照射光学系３０は、波面補償部２０から入射したパルスレーザー光Ｌ１をパルス圧縮するグレーティング対３０１と、パルス圧縮されたパルスレーザー光Ｌ１を反射して軸はずし放物面鏡３０３に出力する反射鏡３０２と、反射鏡３０２により反射されて入射したパルスレーザー光Ｌ１を集光してターゲット部４０に照射する軸はずし放物面鏡３０３とを備えている。
【００２０】
ターゲット部４０は、高エネルギーの電子やイオンなどの高速粒子や高エネルギーの放射性同位元素などを生成するものであり、高速粒子発生ターゲット４００及び同位体生成部４１０を備えている。高速粒子発生ターゲット４００は、パルスレーザー光Ｌ１が集光されて照射されることによりターゲット表面にレーザープラズマが生成され、このレーザープラズマから高エネルギー電子やイオンなどの高速粒子が生成される。なお、この高速粒子発生ターゲット４００の詳細については後述する。
【００２１】
同位体生成部４１０は、反応部４１１、材料供給部４１２及び生成物貯蔵部４１３を備えている。材料供給部４１２は、放射性同位体生成材料を反応部４１１に供給する。反応部４１１は、高速粒子発生ターゲット４００から生成された高速粒子をさらに材料供給部４１２から供給された放射性同位体生成材料に衝突させて原子核反応を起し、種々の放射性同位体を得るものである。生成物貯蔵部４１３は、反応部４１１で得られた放射性同位体を回収して貯蔵するものである。
【００２２】
なお、ターゲット部４０は、移動機構２５０によりパルスレーザー光Ｌ１の光軸ＯＡ１と垂直な矢印Ａ１方向及び矢印Ａ２方向に往復直線移動することができる。
【００２３】
パルスレーザー光Ｌ１の波面を補償する波面補償部２０は、パルスレーザー光Ｌ１を反射させる形状可変鏡２４２の反射面２４４が変形可能に構成された可変形光学系２４０と、基準光Ｌ２を発生する基準光源部（基準光源）２００と、基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれを平行光線束にするコリメータ部２０６ａと、基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれの波面の計測を行う波面計測部（波面計測手段）２１０と、基準光Ｌ２の波面を記憶する記憶部（記憶手段）２２０と、基準光Ｌ２の波面とパルスレーザー光Ｌ１の波面とに基づいてパルスレーザー光Ｌ１の波面を補償する制御部（可変形光学系制御手段）２３０と、基準光源部２００、コリメータ部２０６ａ及びターゲット部４０を移動させる移動機構（移動手段）２５０とを備えている。
【００２４】
基準光源部２００は、基準光Ｌ２を出力するものであり、ＬＤ（レーザーダイオード）光源２０１、単一モードの光ファイバ２０２及び基準光出力部２０５ａを備えている。ＬＤ光源２０１は、パルスレーザー光Ｌ１と略同一波長（７８０〜８３０ｎｍ）のレーザー光（基準光Ｌ２）を発生するものである。単一モードの光ファイバ２０２は、ＬＤ光源２０１から発せられた基準光Ｌ２を出射ポイントＰ２まで導光するものである。基準光出力部２０５ａは、光ファイバ２０２によって導かれた基準光Ｌ２の出力ポイントＰ２を移動させるためのものであり、この基準光出力部２０５ａは、移動機構２５０により矢印Ａ１及びＡ２方向に往復直線移動することが可能になっている。
【００２５】
コリメータ部２０６ａは、コリメータレンズ２１１を備えている。コリメータレンズ２１１は、基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれを平行な光線束にするものである。なお、このコリメータ部２０６ａは、移動機構２５０により矢印Ａ１及びＡ２方向に往復直線移動することが可能になっている。
【００２６】
波面計測部２１０は、基準光源部２００から出力された基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれの波面を計測するものであり、結像レンズ２１２及び波面センサ２１３を備えている。結像レンズ２１２は、コリメータ部２０６ａから入射した基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれを波面センサ２１３上で結像させるものである。また、波面センサ２１３は、基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれの波面を計測するものであり、例えば、シャックハートマン型センサ等が好適に用いられる。なお、この波面センサ２１３の詳細については後述する。
【００２７】
なお、この波面計測部２１０は、移動機構２５０により基準光出力部２０５ａ及びコリメータ部２０６ａそれぞれがパルスレーザー光Ｌ１の光路上に移動されて配置された状態で基準光Ｌ２の波面を計測し、コリメータ部２０６ａのみがパルスレーザー光Ｌ１の光路上に配置された状態でパルスレーザー光Ｌ１の波面を計測する。
【００２８】
記憶部２２０は、波面センサ２１３により計測された基準光Ｌ２の波面を基準波面として記憶するものであり、例えば、ハードディスクや光ディスク等が好適に用いられる。
【００２９】
制御部２３０は、波面計測部２１０により計測されたパルスレーザー光Ｌ１の波面と記憶部２２０に記憶されている基準波面とに基づいて、パルスレーザー光Ｌ１の波面が基準波面と一致するように形状可変鏡２４２の反射面２４４の形状を変形することにより、パルスレーザー光Ｌ１の波面を補償するものであり、例えば、コンピュータ等が好適に用いられる。
【００３０】
可変形光学系２４０は、パルスレーザー光Ｌ１を反射させる反射面２４４の形状が変形可能に構成された形状可変鏡２４２及び駆動部２４１を備えている。形状可変鏡２４２は、薄い反射面２４４の下部に２次元的に配列されたアクチュエータ２４３を備え、このアクチュエータ２４３が駆動部２４１により駆動されることにより反射面２４４の形状が変形される。また、駆動部２４１は、制御部２３０からの制御データに応じてアクチュエータ２４３を駆動する。形状可変鏡２４２には、例えば、バイモルフ型のデフォーマブルミラー等が好適に用いられる。
【００３１】
移動機構２５０は、基準光出力部２０５ａ、コリメータ部２０６ａ及びターゲット部４０それぞれを矢印Ａ１及びＡ２方向に往復直線移動させるものである。
【００３２】
なお、照射光学系３０、高速粒子発生部４０、光ファイバ２０２、基準光出力部２０５ａ、コリメータ部２０６ａ及び移動機構２５０は、ステンレス製などの真空チャンバー５００内に収められている。真空チャンバー５００には、ゲートバルブ５１０及び真空ポンプ５２０が接続されており、この真空ポンプ５２０により真空チャンバー５００内が真空状態（約１×１０-3Ｐａ）に保持される。また、真空チャンバー５００は、レーザー光を透過するため反射防止膜を施した石英製のビューポート５３０を有している。
【００３３】
次に、図２を参照して、第１実施形態に係る高速粒子発生装置１の動作について説明するとともに、高速粒子発生方法についても説明する。
【００３４】
ステップＳ１００では、図３に示すように、基準光出力部２０５ａ及びコリメータ部２０６ａそれぞれが、基準光Ｌ２の光軸ＯＡ２とパルスレーザー光Ｌ１の光軸ＯＡ１とが一致するように矢印Ａ１方向に移動機構２５０により移動されて配置される。このとき、基準光Ｌ２の出射ポイントＰ２は、パルスレーザー光Ｌ１の集光ポイントＰ１と一致する位置に配置される。
【００３５】
次に、パルスレーザー光Ｌ１と略同一波長の基準光Ｌ２がＬＤ光源２０１により発せられ、光ファイバ２０２により出射ポイントＰ２へ導かれて出力される。この光ファイバ２０２から出力された基準光Ｌ２は、コリメータレンズ２１１により平行光束にされ、結像レンズ２１２により波面センサ上で結像されて波面センサ２１３によりその波面が計測される。
【００３６】
ここで、波面センサ２１３について説明する。図４に示すように、例えば、シャックハルトマン法を利用した波面センサ２１３は、光学系の瞳位置にレンズアレイ６０１を置き、個々のレンズ６０２で像を結んでそれらをＣＣＤカメラで取り込み、それぞれのスポットの位置変化から波面の傾きを測定する。ここで、焦点スポットの位置変化は、入射波面ｍの局所的な傾きに依存する。そこで、全てのスポット位置の測定をすることにより入射波面ｍの傾斜を測定することができる。
【００３７】
図２に戻って全体処理の説明を続けると、波面センサ２１３で計測された基準光Ｌ２の波面は、基準波面として記憶部２２０により記憶される。なお、この基準波面の計測データは、基準光源部２００、コリメータ部２０６ａ及び波面計測部２１０それぞれの位置関係が一定であれば変化しない。よって、基準光Ｌ２の波面の計測は、上記の位置関係が変化しなければ、高速粒子を発生させる度毎に実施する必要は無い。
【００３８】
次に、ステップＳ１１０では、基準光出力部２０５ａが移動機構２５０により矢印Ａ２方向に移動されてパルスレーザー光Ｌ１の光路上から外される。一方、図５に示されるようにコリメータ部２０６ａは、光路上に残される。さらに、パルスレーザー光Ｌ１の入射により波面センサ２１３が破損することを防止するために、必要に応じて、ＮＤフィルタ（減衰フィルタ）２１５がパルスレーザー光Ｌ１の光路上に追加して配置される。
【００３９】
次に、パルスレーザー光発生部１０からパルスレーザー光Ｌ１が出力される。このパルスレーザー光Ｌ１は、形状可変鏡２４２により反射され、グレーティング対３０１によりパルス圧縮され、反射鏡３０２により反射されて軸はずし放物面鏡３０３に出力される。軸はずし放物面鏡３０３に入射したパルスレーザー光Ｌ１は、軸はずし放物面鏡３０３により集光ポイントＰ１で一度集光された後、ＮＤフィルタ２１５によりエネルギーが減衰されて波面センサ２１３に入射される。そして、波面センサ２１３によりパルスレーザー光Ｌ１の波面が計測される。
【００４０】
波面センサ２１３により計測されたパルスレーザー光Ｌ１の波面の計測データは、記憶部２２０を介して制御部２３０に出力される。そして、パルスレーザー光Ｌ１の波面と記憶部２２０に記憶されている基準波面とが一致するように制御部２３０により演算が行われて制御データが算出される。そして、この制御データに応じて形状可変鏡２４２に付設されているアクチュエータ２４３が駆動部２４１により駆動され、形状可変鏡２４２の反射面２４４の形状が変形される。ここで、形状可変鏡２４２には、電極数３１個、アパーチャー径５０ｍｍ、ストローク２０μｍ（ピークバレル）のバイモルフ型のデフォーマブルミラーを用いた。
【００４１】
以上により、パルスレーザー光Ｌ１の波面が基準光Ｌ２の波面（基準波面）と一致するように補償される。
【００４２】
ステップＳ１２０では、移動機構２５０によりコリメータ部２０６ａ及びＮＤフィルタ２１５が矢印Ａ２方向に移動されてパルスレーザー光Ｌ１の光路上から外される。そして、図６に示すように、ターゲット部４０が移動機構２５０により矢印Ａ２方向に移動され、パルスレーザー光Ｌ１の光路上に配置される。このとき、高速粒子発生ターゲット４００は、集光ポイントＰ１を含む平面上に配置されるので、パルスレーザー光Ｌ１の集光ポイントＰ１が高速粒子発生ターゲット４００面上に来る。
【００４３】
次に、高ピークパワーのパルスレーザー光Ｌ１がパルスレーザー光発生部１０により出力される。このパルスレーザー光Ｌ１は、形状可変鏡２４２に入射し、その波面が形状可変鏡２４２により補償されて出力される。形状可変鏡２４２から出力されたパルスレーザー光Ｌ１は、グレーティング対３０１によりパルス圧縮され、反射鏡３０２により反射されて軸はずし放物面鏡３０３に出力される。そして、軸はずし放物面鏡３０３により集光されて高速粒子発生ターゲット４００に照射される。ここで、高強度レーザーＬ１の波面は、形状可変鏡２４２により集光ポイントＰ１において基準波面と一致するように補償されているので、高速粒子発生ターゲット４００面上で微小なスポット（直径約１０μｍ）に集光される。
【００４４】
そして、集光されたパルスレーザー光Ｌ１が照射された高速粒子発生ターゲット４００は、ターゲット表面にレーザープラズマが生成され、このレーザープラズマから高エネルギー電子やイオンなどの高速粒子が生成される。
【００４５】
ここで、高速粒子の発生メカニズムについて説明する。高ピークパワーのパルスレーザー光Ｌ１が高速粒子発生ターゲット４００に集光して照射されるとターゲット面上にレーザープラズマが生成される。パルスレーザー光Ｌ１は、このプラズマ中を伝搬する時にプラズマ波を形成し、このプラズマ波により電子が加速される。また、強いポンデラモーティブ力によりパルスレーザー光Ｌ１の伝搬方向及びその逆方向に電子が加速される。この時、高速粒子発生ターゲット４００が十分に薄いと加速電子がターゲットから放出される。また、電子の高エネルギー成分により形成される静電場によってイオンが引き出され、高エネルギーイオンがビーム状にパルスレーザー光Ｌ１の伝搬方向及びその逆方向に放出される。
【００４６】
全体処理の説明に戻ると、高速粒子発生ターゲット４００から生成された高エネルギーイオンなどの高速粒子は反応部４１１に飛翔し、反応部４１１において材料供給部４１２から供給された放射性同位体生成材料に衝突して原子核反応を起す。その結果、種々の放射性同位体を得ることができる。また、反応部４１１で得られた放射性同位体は、生成物貯蔵部４１３により回収されて貯蔵される。
【００４７】
以上のように、本実施形態に係る高速粒子発生方法によれば、基準光Ｌ２の出射ポイントＰ２、パルスレーザー光Ｌ１の集光ポイントＰ１及び高速粒子発生ターゲット４００面の位置それぞれが一致するように移動手段２５０により移動される構成とすることにより、パルスレーザー光Ｌ１の波面が、基準光Ｌ２の波面（基準波面）に基づいて高速粒子発生ターゲット４００面上の集光ポイントＰ１において基準波面と一致するように補償される。よって、パルスレーザー光Ｌ１が高速粒子発生ターゲット４００面上の微小なスポット（約直径１０μｍ）に集光され、高い集光強度（約１０18Ｗ／ｃｍ2）を得ることができるので、高速粒子を効率良く発生させることが可能となる。
【００４８】
（第２実施形態）
次に、図７を参照して、本発明に係る高速粒子発生装置の第２実施形態について説明する。なお、図７において第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。
【００４９】
本実施形態が第１実施形態と異なるのは、コリメータ部２０６ｂ及びターゲット部４０ｂの構造並びに波面計測部２１０及び反応部４１０の配置である。
【００５０】
コリメータ部２０６ｂは、コリメータレンズ２１１に加えて反射鏡２１６を備えている点で、また、ターゲット部４０ｂは、同位体生成部４１０を有しておらず、高速粒子発生ターゲット４００のみを備える点で第１実施形態と異なっている。さらに、波面検出部２１０は、コリメータ部２０６ｂに対して基準光Ｌ２またはパルスレーザー光Ｌ１が反射鏡２１６により反射される方向（図面では右側）に配置され、反応部４１０は、集光ポイントＰ１を通過したパルスレーザー光Ｌ１が直進する方向（図面では下側）に固定されて配置されており、この点で第１実施形態と異なっている。
【００５１】
高速粒子発生装置２によれば、基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれの波面を計測するときに、光路上に移動されて配置されたコリメータ部２０６ｂに入射した基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれは、反射鏡２１６により波面計測部２１０の方向へ反射される。そして、反射鏡２１６により反射された基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれは、波面計測部２１０に入射され、波面センサ２１３により波面が計測される。
【００５２】
次に、高速粒子を発生させるときには、コリメータ部２０６ｂが移動機構２５０により矢印Ａ２方向に移動され、代わりに、高速粒子発生ターゲット４００のみを備えるターゲット部４０ｂがパルスレーザー光Ｌ１の光路上へ移動されて配置される。そして、集光されたパルスレーザー光Ｌ１が高速粒子発生ターゲット４００に照射されて、高速粒子が発生する。
【００５３】
ここで、真空チャンバー５００内に配置される反応部４１０は、真空時の極低圧と大気圧との圧力差に耐える構造であることが必要とされるために非常に重量の重いものとなる。従って、この反応部４１０を移動させるためには移動機構も大規模なものとなる。
【００５４】
しかし、高速粒子発生装置２によれば、上記の構成とすることにより、反応部４１０を固定して配置することが可能となるので、移動機構２５０を簡易なものにすることが可能となる。
【００５５】
（第３実施形態）
次に、図８及び図９を用いて、本発明に係る高速粒子発生装置の第３実施形態について説明する。
【００５６】
本実施形態が第１実施形態と異なるのは、ＬＤ光源２０１の代わりにピンホール４０１及び開放部４０２を有する基準光生成部（基準光生成手段）２０３を用いた点である。
【００５７】
基準光生成部２０３は、強度を充分に低下させたパルスレーザー光Ｌ１をピンホール４０１に入射することにより基準光Ｌ２を生成するものである。これは、レーザー光が微小なピンホール４０１を通過するときに回折で生じる理想的な球面波を基準波面として利用するものである。
【００５８】
本実施形態に係る高速粒子発生装置３によれば、強度を充分に低下させたパルスレーザー光Ｌ１をピンホール４０１に入射することにより生成された基準光Ｌ２を用いて基準波面が計測される。次に、基準波面生成部２０３が移動機構２５０により矢印Ａ２方向に移動され、開放部４０２がパルスレーザー光Ｌ１の光軸ＯＡ１上に配置され、パルスレーザー光Ｌ１の波面が計測される。
【００５９】
高速粒子を発生させるときには、基準光源生成部２０３が移動機構２５０により矢印Ａ２方向に移動され、代わりに、ターゲット部４０がパルスレーザー光Ｌ１の光路上へ移動されて配置される。そして、集光されたパルスレーザー光Ｌ１が高速粒子発生ターゲット４００に照射されて、高速粒子が発生する。
【００６０】
このように、高速粒子発生装置３によれば、ピンホール４０１を有する基準光生成部２０３を用いることにより、簡易に基準光Ｌ２を得ることが可能となる。
【００６１】
（第４実施形態）
次に、図１０及び図１１を用いて、本発明に係る高速粒子発生装置の第４実施形態について説明する。
【００６２】
本実施形態が第３実施形態と異なるのは、ピンホール４０１及び開放部４０２を高速粒子発生ターゲット膜（ターゲット部材）４０３に形成した点並びにピンホール４０１及び開放部４０２の移動に往復平行移動式の移動機構２５０に代えて巻き取り式の移動機構２５０ｂを用いた点である。
【００６３】
図１１に示すように、高速粒子発生ターゲット膜４０３は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等の含ハロゲン有機化合物を主成分とする帯状の多孔質膜が好適に用いられる。そして、この帯状の多孔質膜の中央部に長手方向に沿って、例えば、重水素化されたポリスチレン等の有機化合物が含浸され、ストライプ状の高速粒子発生ターゲット４００が形成されている。さらに、高速粒子発生ターゲット膜４０３には、高速粒子発生ターゲット４００と同一直線上にパルスレーザー光Ｌ１を通過させる開放部４０２及び基準波面を生成するためのピンホール４０１が形成されている。
【００６４】
高速粒子発生ターゲット４００は、ガイド部４０４により所定の平面上（この実施形態では光軸ＯＡ１と直交する平面）に保持される。一方、円柱形状をした移動機構２５０ｂは、図示しない駆動機構により矢印Ａ４方向に回転されることにより高速粒子発生ターゲット膜４０３を巻き取る。これにより、高速粒子発生ターゲット４００、ピンホール４０１及び開放部４０２は、矢印Ａ３方向（高速粒子発生ターゲット４００の長手方向）に移動される。
【００６５】
高速粒子発生装置４によれば、移動機構２５０ｂによりピンホール４０１がパルスレーザー光Ｌ１の光軸ＯＡ１上に配置されて基準光Ｌ２の波面が計測され、移動機構２５０ｂにより開放部４０２がパルスレーザー光Ｌ１の光軸ＯＡ１上に配置されてパルスレーザー光Ｌ１の波面が計測される。そして、移動機構２５０ｂにより高速粒子発生ターゲット４００がパルスレーザー光Ｌ１の光軸ＯＡ１上に配置されて高速粒子が生成される。
【００６６】
高速粒子発生ターゲット４００にパルスレーザー光Ｌ１が照射されたとき、その照射領域には穴が開き、同じ照射領域は再度使用することができない。しかし、移動機構２５０ｂにより高速粒子発生ターゲット４００を巻き取り、高速粒子発生ターゲット４００を矢印Ａ３方向に移動させることにより、新しいターゲット面がセットされる。
【００６７】
高速粒子発生装置４によれば、高速粒子発生ターゲット４００面と同一平面上に形成されたピンホール４０１及び開放部４０２を用いてパルスレーザー光Ｌ１及び基準光Ｌ２それぞれの波面の計測並びにパルスレーザー光Ｌ１の波面の補償が行われるので、パルスレーザー光Ｌ１の波面の補償を高い位置精度で行うことが可能となる。
【００６８】
（第５実施形態）
次に、図１２を参照して、本発明に係る高速粒子発生装置の第５実施形態について説明する。
【００６９】
本実施形態が上記の第２実施形態と異なるのは、ＬＤ光源２０１の代わりに、ストライプ状のターゲット領域４００と同一直線上にピンホール４０１及び開放部４０２が形成された高速粒子発生ターゲット膜４０３を用いた点である。
【００７０】
このような構成とすることにより、反応部４１０を固定して配置することができるので、移動機構２５０が不要となり、構成を簡易化することが可能となる。また、パルスレーザー光Ｌ１の波面の補償を高い位置精度で行うことが可能となる。
【００７１】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、効率良く高速粒子を発生させるためには、次のような方法も効果的である。すなわち、形状可変鏡２４２の反射面２４４の形状を変化させ、そのときのパルスレーザー光Ｌ１の波面を記憶するとともに、反応部４１０で得られる生成物の量を計測する。そして、より多くの生成物が得られる波面の条件を検索することにより、最適なパルスレーザー光Ｌ１の波面条件を取得する。そして、この最適な波面を基準波面として記憶し、パルスレーザー光Ｌ１の波面をこの基準波面と一致させるように波面補償を行う。これにより、効率良く高速粒子を発生させることができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、パルスレーザー光を高速粒子発生ターゲット面の微小なスポットに集光させることにより、高速粒子を効率良く発生させることができる高速粒子発生方法及び高速粒子発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る高速粒子発生装置の全体構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る高速粒子発生方法の全体処理を示す図である。
【図３】基準波面計測処理における配置を示す図である。
【図４】シャックハルトマン法の基本原理を示す図である。
【図５】パルスレーザー光の波面補償処理における配置を示す図である。
【図６】高速粒子発生処理における配置を示す図である。
【図７】第２実施形態に係る高速粒子発生装置の全体構成を示す図である。
【図８】第３実施形態に係る高速粒子発生装置の全体構成を示す図である。
【図９】第３実施形態に係る高速粒子発生装置に用いられる基準光生成部を示す図である。
【図１０】第４実施形態に係る高速粒子発生装置の全体構成を示す図である。
【図１１】第４実施形態に係る高速粒子発生装置に使用される高速粒子発生ターゲットを示す図である。
【図１２】第５実施形態に係る高速粒子発生装置の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１，２，３，４，５…高速粒子発生装置、１０…パルスレーザー光発生部、２０…波面補償部、３０…照射光学系、４０，４０ｂ…ターゲット部、２００…基準光源部、２０３…基準光生成部、２１０…波面計測部、２１３…波面センサ、２２０…記憶部、２３０…制御部、２４０…可変形光学系、２４２…形状可変鏡、２５０，２５０ｂ…移動機構、４００…高速粒子発生ターゲット、４０１…ピンホール、４０２…開放部、４０３…高速粒子発生ターゲット膜、Ｐ１…集光ポイント、Ｌ１…パルスレーザー光、Ｌ２…基準光。
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルスレーザー光を高速粒子発生ターゲットに照射することにより高速粒子を発生させる高速粒子発生方法及び高速粒子発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パルスレーザー光を高速粒子発生ターゲットに照射して高速粒子を発生させる高速粒子発生装置では、効率良く高速粒子を発生させるため、ターゲット面の微小なスポットにレーザー光を集光させる必要がある。しかし、高強度なレーザー光は、出力されるレーザー光自体がすでに歪んでいる場合が多く、また、伝搬中に生じる波面の乱れによりビーム径が拡がるほか、高強度なレーザー光による光学系の熱変形によっても波面が歪み、結果として集光点（集光する位置）におけるレーザー光のスポット径を小さくすることができない。
【０００３】
従来、レーザー光を微小なスポットに集光して光強度を高めるために、レーザー光の波面を揃える波面補償制御が行われている。例えば、下記非特許文献１には、高強度レーザーの光路中にＨｅ−Ｎｅレーザーを基準光源として設置し、この基準光源から発せられたレーザー光の波面を波面センサで計測し、それを基準波面として記憶しておき、次に、チタンサファイアレーザーからのレーザー光の波面がこの基準波面と一致するようにレーザー光の波面を補償する技術が記載されている。
【０００４】
【非特許文献１】
Katsuaki Akaoka et al.,「Closed loop wavefront correction of Ti :sapphire Chirped Pulse Amplification laser beam」,SPIE,Vol.326 5,29‐30.January.1998,p.219‐225
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の波面補償方法では、集光位置（通常は光学系の焦点に集光する）におけるレーザー光のスポット径（光の広がり範囲の外径）を充分に小さくすることができず、充分な光強度を得ることができないため、高速粒子を効率良く発生させることができないという問題を有する。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、パルスレーザー光を高速粒子発生ターゲット面の微小なスポットに集光させることにより、高速粒子を効率良く発生させることができる高速粒子発生方法及び高速粒子発生装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高速粒子発生方法は、パルスレーザー光発生手段より発したパルスレーザー光を照射光学系により所定の集光ポイントに集光し、当該所定の集光ポイントにセットされた高速粒子発生ターゲットに照射することにより高速粒子を発生させる高速粒子発生方法において、（１）所定の集光ポイントから基準光を発し、基準光の波面を波面計測手段により計測し、この計測した波面を基準波面として記憶する第１ステップと、（２）パルスレーザー光発生手段により発せられて所定の集光ポイントを通過したパルスレーザー光の波面を波面計測手段により計測する第２ステップと、（３）パルスレーザー光発生手段より発したパルスレーザー光の波面を基準波面に基づいて補償する第３ステップとを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る高速粒子発生方法によれば、高速粒子発生ターゲットがセットされるべき所定の集光ポイントから発せられた基準光の波面が計測されて基準波面として記憶される一方で、パルスレーザー光発生手段により発せられて上記の所定の集光ポイントを通過したパルスレーザー光の波面が計測される。そして、パルスレーザー光発生手段により発せられるパルスレーザー光の波面が基準波面に基づいて補償されるので、パルスレーザー光を上記の所定の集光ポイントにおいて微小なスポットに集光でき、結果として上記の所定の集光ポイントにセットされる高速粒子発生ターゲットに照射することができる。よって、高速粒子を効率良く発生させることが可能となる。
【０００９】
本発明に係る高速粒子発生装置は、（１）パルスレーザー光が照射されてレーザープラズマが生成されることにより高速粒子を発生させる高速粒子発生ターゲットと、（２）パルスレーザー光を発生するパルスレーザー光発生手段と、（３）パルスレーザー光の波面を補償する波面補償手段と、（４）波面補償手段により波面が補償されたパルスレーザー光を所定の集光ポイントに集光して高速粒子発生ターゲットに照射する照射光学系とを備え、波面補償手段は、（５）パルスレーザー光を反射または屈折させる光学素子の光学作用部を変形可能に構成した可変形光学系と、（６）所定の集光ポイントから基準光を発する基準光源と、（７）基準光及び所定の集光ポイントを通過したパルスレーザー光それぞれの波面を計測する波面計測手段と、（８）波面計測手段により計測された基準光の波面を基準波面として記憶する記憶手段と、（９）波面計測手段により計測されたパルスレーザー光の波面と基準波面とに基づいて光学作用部を変形させることにより、パルスレーザー光の波面を補償する可変形光学系制御手段と、（１０）基準光が基準光源から発せられる位置を所定の集光ポイントに、高速粒子発生ターゲットを所定の集光ポイントを含む平面上に、それぞれ移動させる移動手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る高速粒子発生装置によれば、基準光源により所定の集光ポイント（高速粒子発生ターゲットがセットされるべき位置）から発せられた基準光の波面が基準波面として記憶手段により記憶される。そして、パルスレーザー光発生手段から発せられて上記の集光ポイントを通過したパルスレーザー光の波面も計測されるので、このパルスレーザー光の波面と記憶手段に記憶されている基準波面とに基づいて光学素子の光学作用部を可変形制御することにより、パルスレーザー光の波面が補償される。従って、移動手段により所定の集光ポイントを含む平面上に高速粒子発生ターゲットを移動させることで、微小なスポットに集光させたパルスレーザー光を照射することができ、高速粒子を効率良く発生させることができる。
【００１１】
本発明に係る高速粒子発生装置は、（１）パルスレーザー光が照射されてレーザープラズマが生成されることにより高速粒子を発生させる高速粒子発生ターゲットと、（２）パルスレーザー光を発生するパルスレーザー光発生手段と、（３）パルスレーザー光の波面を補償する波面補償手段と、（４）波面補償手段により波面が補償されたパルスレーザー光を所定の集光ポイントに集光して高速粒子発生ターゲットに照射する照射光学系とを備え、波面補償手段は、（５）パルスレーザー光を反射または屈折させる光学素子の光学作用部を変形可能に構成した可変形光学系と、（６）パルスレーザー光が通過することにより所定の集光ポイントから基準光を発するピンホールを有する基準光生成手段と、（７）基準光及び所定の集光ポイントを通過したパルスレーザー光それぞれの波面を計測する波面計測手段と、（８）波面計測手段により計測された基準光の波面を基準波面として記憶する記憶手段と、（９）波面計測手段により計測されたパルスレーザー光の波面と基準波面とに基づいて光学作用部を変形させることにより、パルスレーザー光の波面を補償する可変形光学系制御手段と、（１０）基準光生成手段及び高速粒子発生ターゲットそれぞれを所定の集光ポイントを含む平面上に移動させる移動手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る高速粒子発生装置によれば、基準光生成手段により所定の集光ポイント（高速粒子発生ターゲットがセットされるべき位置）から発せられた基準光の波面が基準波面として記憶手段により記憶される。そして、パルスレーザー光発生手段から発せられて上記の集光ポイントを通過したパルスレーザー光の波面も計測されるので、このパルスレーザー光の波面と記憶手段に記憶されている基準波面とに基づいて光学素子の光学作用部を可変形制御することにより、パルスレーザー光の波面が補償される。従って、移動手段により所定の集光ポイントを含む平面上に高速粒子発生ターゲットを移動させることで、微小なスポットに集光させたパルスレーザー光を照射することができ、高速粒子を効率良く発生させることができる。
【００１３】
また、本発明に係る高速粒子発生装置は、高速粒子発生ターゲットが膜状のターゲット部材の表面に構成され、ターゲット部材にはパルスレーザー光を通過させる開放部及びピンホールが形成され、開放部を通過したパルスレーザー光の波面が波面計測手段により計測されることが好適である。この場合、パルスレーザー光を通過させる開放部及びピンホールが高速粒子発生ターゲットと同一のターゲット部材に形成されているので、基準光及びパルスレーザー光それぞれの波面の計測並びにパルスレーザー光の波面の補償を高い位置精度で行うことが出来る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る高速粒子発生装置１の全体構成を、図１を用いて説明する。
【００１６】
図１に示す通り、高速粒子発生装置１は、高ピークパワーのパルスレーザー光Ｌ１を発生するパルスレーザー光発生部（パルスレーザー光発生手段）１０と、パルスレーザー光Ｌ１の波面を補償する波面補償部（波面補償手段）２０と、パルスレーザー光Ｌ１を集光して照射する照射光学系３０と、パルスレーザー光Ｌ１が照射されて高速粒子を発生させるターゲット部４０とを備えている。
【００１７】
パルスレーザー光発生部１０は、例えば、波長８００ｎｍ、パルス幅１３０ｆｓ、最大エネルギー２００ｍＪを有する高ピークパワーのパルスレーザー光Ｌ１を出力するチタンサファイアレーザー等が好適に用いられる。また、パルスレーザー光発生部１０は、図示しない再生増幅器とマルチパス増幅器とを備えている。
【００１８】
波面補償部２０は、このパルスレーザー光発生部１０から出力されたパルスレーザー光Ｌ１の波面を補償して、照射光学系３０に出力する。
【００１９】
照射光学系３０は、波面補償部２０から入射したパルスレーザー光Ｌ１をパルス圧縮するグレーティング対３０１と、パルス圧縮されたパルスレーザー光Ｌ１を反射して軸はずし放物面鏡３０３に出力する反射鏡３０２と、反射鏡３０２により反射されて入射したパルスレーザー光Ｌ１を集光してターゲット部４０に照射する軸はずし放物面鏡３０３とを備えている。
【００２０】
ターゲット部４０は、高エネルギーの電子やイオンなどの高速粒子や高エネルギーの放射性同位元素などを生成するものであり、高速粒子発生ターゲット４００及び同位体生成部４１０を備えている。高速粒子発生ターゲット４００は、パルスレーザー光Ｌ１が集光されて照射されることによりターゲット表面にレーザープラズマが生成され、このレーザープラズマから高エネルギー電子やイオンなどの高速粒子が生成される。なお、この高速粒子発生ターゲット４００の詳細については後述する。
【００２１】
同位体生成部４１０は、反応部４１１、材料供給部４１２及び生成物貯蔵部４１３を備えている。材料供給部４１２は、放射性同位体生成材料を反応部４１１に供給する。反応部４１１は、高速粒子発生ターゲット４００から生成された高速粒子をさらに材料供給部４１２から供給された放射性同位体生成材料に衝突させて原子核反応を起し、種々の放射性同位体を得るものである。生成物貯蔵部４１３は、反応部４１１で得られた放射性同位体を回収して貯蔵するものである。
【００２２】
なお、ターゲット部４０は、移動機構２５０によりパルスレーザー光Ｌ１の光軸ＯＡ１と垂直な矢印Ａ１方向及び矢印Ａ２方向に往復直線移動することができる。
【００２３】
パルスレーザー光Ｌ１の波面を補償する波面補償部２０は、パルスレーザー光Ｌ１を反射させる形状可変鏡２４２の反射面２４４が変形可能に構成された可変形光学系２４０と、基準光Ｌ２を発生する基準光源部（基準光源）２００と、基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれを平行光線束にするコリメータ部２０６ａと、基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれの波面の計測を行う波面計測部（波面計測手段）２１０と、基準光Ｌ２の波面を記憶する記憶部（記憶手段）２２０と、基準光Ｌ２の波面とパルスレーザー光Ｌ１の波面とに基づいてパルスレーザー光Ｌ１の波面を補償する制御部（可変形光学系制御手段）２３０と、基準光源部２００、コリメータ部２０６ａ及びターゲット部４０を移動させる移動機構（移動手段）２５０とを備えている。
【００２４】
基準光源部２００は、基準光Ｌ２を出力するものであり、ＬＤ（レーザーダイオード）光源２０１、単一モードの光ファイバ２０２及び基準光出力部２０５ａを備えている。ＬＤ光源２０１は、パルスレーザー光Ｌ１と略同一波長（７８０〜８３０ｎｍ）のレーザー光（基準光Ｌ２）を発生するものである。単一モードの光ファイバ２０２は、ＬＤ光源２０１から発せられた基準光Ｌ２を出射ポイントＰ２まで導光するものである。基準光出力部２０５ａは、光ファイバ２０２によって導かれた基準光Ｌ２の出力ポイントＰ２を移動させるためのものであり、この基準光出力部２０５ａは、移動機構２５０により矢印Ａ１及びＡ２方向に往復直線移動することが可能になっている。
【００２５】
コリメータ部２０６ａは、コリメータレンズ２１１を備えている。コリメータレンズ２１１は、基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれを平行な光線束にするものである。なお、このコリメータ部２０６ａは、移動機構２５０により矢印Ａ１及びＡ２方向に往復直線移動することが可能になっている。
【００２６】
波面計測部２１０は、基準光源部２００から出力された基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれの波面を計測するものであり、結像レンズ２１２及び波面センサ２１３を備えている。結像レンズ２１２は、コリメータ部２０６ａから入射した基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれを波面センサ２１３上で結像させるものである。また、波面センサ２１３は、基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれの波面を計測するものであり、例えば、シャックハートマン型センサ等が好適に用いられる。なお、この波面センサ２１３の詳細については後述する。
【００２７】
なお、この波面計測部２１０は、移動機構２５０により基準光出力部２０５ａ及びコリメータ部２０６ａそれぞれがパルスレーザー光Ｌ１の光路上に移動されて配置された状態で基準光Ｌ２の波面を計測し、コリメータ部２０６ａのみがパルスレーザー光Ｌ１の光路上に配置された状態でパルスレーザー光Ｌ１の波面を計測する。
【００２８】
記憶部２２０は、波面センサ２１３により計測された基準光Ｌ２の波面を基準波面として記憶するものであり、例えば、ハードディスクや光ディスク等が好適に用いられる。
【００２９】
制御部２３０は、波面計測部２１０により計測されたパルスレーザー光Ｌ１の波面と記憶部２２０に記憶されている基準波面とに基づいて、パルスレーザー光Ｌ１の波面が基準波面と一致するように形状可変鏡２４２の反射面２４４の形状を変形することにより、パルスレーザー光Ｌ１の波面を補償するものであり、例えば、コンピュータ等が好適に用いられる。
【００３０】
可変形光学系２４０は、パルスレーザー光Ｌ１を反射させる反射面２４４の形状が変形可能に構成された形状可変鏡２４２及び駆動部２４１を備えている。形状可変鏡２４２は、薄い反射面２４４の下部に２次元的に配列されたアクチュエータ２４３を備え、このアクチュエータ２４３が駆動部２４１により駆動されることにより反射面２４４の形状が変形される。また、駆動部２４１は、制御部２３０からの制御データに応じてアクチュエータ２４３を駆動する。形状可変鏡２４２には、例えば、バイモルフ型のデフォーマブルミラー等が好適に用いられる。
【００３１】
移動機構２５０は、基準光出力部２０５ａ、コリメータ部２０６ａ及びターゲット部４０それぞれを矢印Ａ１及びＡ２方向に往復直線移動させるものである。
【００３２】
なお、照射光学系３０、高速粒子発生部４０、光ファイバ２０２、基準光出力部２０５ａ、コリメータ部２０６ａ及び移動機構２５０は、ステンレス製などの真空チャンバー５００内に収められている。真空チャンバー５００には、ゲートバルブ５１０及び真空ポンプ５２０が接続されており、この真空ポンプ５２０により真空チャンバー５００内が真空状態（約１×１０-3Ｐａ）に保持される。また、真空チャンバー５００は、レーザー光を透過するため反射防止膜を施した石英製のビューポート５３０を有している。
【００３３】
次に、図２を参照して、第１実施形態に係る高速粒子発生装置１の動作について説明するとともに、高速粒子発生方法についても説明する。
【００３４】
ステップＳ１００では、図３に示すように、基準光出力部２０５ａ及びコリメータ部２０６ａそれぞれが、基準光Ｌ２の光軸ＯＡ２とパルスレーザー光Ｌ１の光軸ＯＡ１とが一致するように矢印Ａ１方向に移動機構２５０により移動されて配置される。このとき、基準光Ｌ２の出射ポイントＰ２は、パルスレーザー光Ｌ１の集光ポイントＰ１と一致する位置に配置される。
【００３５】
次に、パルスレーザー光Ｌ１と略同一波長の基準光Ｌ２がＬＤ光源２０１により発せられ、光ファイバ２０２により出射ポイントＰ２へ導かれて出力される。この光ファイバ２０２から出力された基準光Ｌ２は、コリメータレンズ２１１により平行光束にされ、結像レンズ２１２により波面センサ上で結像されて波面センサ２１３によりその波面が計測される。
【００３６】
ここで、波面センサ２１３について説明する。図４に示すように、例えば、シャックハルトマン法を利用した波面センサ２１３は、光学系の瞳位置にレンズアレイ６０１を置き、個々のレンズ６０２で像を結んでそれらをＣＣＤカメラで取り込み、それぞれのスポットの位置変化から波面の傾きを測定する。ここで、焦点スポットの位置変化は、入射波面ｍの局所的な傾きに依存する。そこで、全てのスポット位置の測定をすることにより入射波面ｍの傾斜を測定することができる。
【００３７】
図２に戻って全体処理の説明を続けると、波面センサ２１３で計測された基準光Ｌ２の波面は、基準波面として記憶部２２０により記憶される。なお、この基準波面の計測データは、基準光源部２００、コリメータ部２０６ａ及び波面計測部２１０それぞれの位置関係が一定であれば変化しない。よって、基準光Ｌ２の波面の計測は、上記の位置関係が変化しなければ、高速粒子を発生させる度毎に実施する必要は無い。
【００３８】
次に、ステップＳ１１０では、基準光出力部２０５ａが移動機構２５０により矢印Ａ２方向に移動されてパルスレーザー光Ｌ１の光路上から外される。一方、図５に示されるようにコリメータ部２０６ａは、光路上に残される。さらに、パルスレーザー光Ｌ１の入射により波面センサ２１３が破損することを防止するために、必要に応じて、ＮＤフィルタ（減衰フィルタ）２１５がパルスレーザー光Ｌ１の光路上に追加して配置される。
【００３９】
次に、パルスレーザー光発生部１０からパルスレーザー光Ｌ１が出力される。このパルスレーザー光Ｌ１は、形状可変鏡２４２により反射され、グレーティング対３０１によりパルス圧縮され、反射鏡３０２により反射されて軸はずし放物面鏡３０３に出力される。軸はずし放物面鏡３０３に入射したパルスレーザー光Ｌ１は、軸はずし放物面鏡３０３により集光ポイントＰ１で一度集光された後、ＮＤフィルタ２１５によりエネルギーが減衰されて波面センサ２１３に入射される。そして、波面センサ２１３によりパルスレーザー光Ｌ１の波面が計測される。
【００４０】
波面センサ２１３により計測されたパルスレーザー光Ｌ１の波面の計測データは、記憶部２２０を介して制御部２３０に出力される。そして、パルスレーザー光Ｌ１の波面と記憶部２２０に記憶されている基準波面とが一致するように制御部２３０により演算が行われて制御データが算出される。そして、この制御データに応じて形状可変鏡２４２に付設されているアクチュエータ２４３が駆動部２４１により駆動され、形状可変鏡２４２の反射面２４４の形状が変形される。ここで、形状可変鏡２４２には、電極数３１個、アパーチャー径５０ｍｍ、ストローク２０μｍ（ピークバレル）のバイモルフ型のデフォーマブルミラーを用いた。
【００４１】
以上により、パルスレーザー光Ｌ１の波面が基準光Ｌ２の波面（基準波面）と一致するように補償される。
【００４２】
ステップＳ１２０では、移動機構２５０によりコリメータ部２０６ａ及びＮＤフィルタ２１５が矢印Ａ２方向に移動されてパルスレーザー光Ｌ１の光路上から外される。そして、図６に示すように、ターゲット部４０が移動機構２５０により矢印Ａ２方向に移動され、パルスレーザー光Ｌ１の光路上に配置される。このとき、高速粒子発生ターゲット４００は、集光ポイントＰ１を含む平面上に配置されるので、パルスレーザー光Ｌ１の集光ポイントＰ１が高速粒子発生ターゲット４００面上に来る。
【００４３】
次に、高ピークパワーのパルスレーザー光Ｌ１がパルスレーザー光発生部１０により出力される。このパルスレーザー光Ｌ１は、形状可変鏡２４２に入射し、その波面が形状可変鏡２４２により補償されて出力される。形状可変鏡２４２から出力されたパルスレーザー光Ｌ１は、グレーティング対３０１によりパルス圧縮され、反射鏡３０２により反射されて軸はずし放物面鏡３０３に出力される。そして、軸はずし放物面鏡３０３により集光されて高速粒子発生ターゲット４００に照射される。ここで、高強度レーザーＬ１の波面は、形状可変鏡２４２により集光ポイントＰ１において基準波面と一致するように補償されているので、高速粒子発生ターゲット４００面上で微小なスポット（直径約１０μｍ）に集光される。
【００４４】
そして、集光されたパルスレーザー光Ｌ１が照射された高速粒子発生ターゲット４００は、ターゲット表面にレーザープラズマが生成され、このレーザープラズマから高エネルギー電子やイオンなどの高速粒子が生成される。
【００４５】
ここで、高速粒子の発生メカニズムについて説明する。高ピークパワーのパルスレーザー光Ｌ１が高速粒子発生ターゲット４００に集光して照射されるとターゲット面上にレーザープラズマが生成される。パルスレーザー光Ｌ１は、このプラズマ中を伝搬する時にプラズマ波を形成し、このプラズマ波により電子が加速される。また、強いポンデラモーティブ力によりパルスレーザー光Ｌ１の伝搬方向及びその逆方向に電子が加速される。この時、高速粒子発生ターゲット４００が十分に薄いと加速電子がターゲットから放出される。また、電子の高エネルギー成分により形成される静電場によってイオンが引き出され、高エネルギーイオンがビーム状にパルスレーザー光Ｌ１の伝搬方向及びその逆方向に放出される。
【００４６】
全体処理の説明に戻ると、高速粒子発生ターゲット４００から生成された高エネルギーイオンなどの高速粒子は反応部４１１に飛翔し、反応部４１１において材料供給部４１２から供給された放射性同位体生成材料に衝突して原子核反応を起す。その結果、種々の放射性同位体を得ることができる。また、反応部４１１で得られた放射性同位体は、生成物貯蔵部４１３により回収されて貯蔵される。
【００４７】
以上のように、本実施形態に係る高速粒子発生方法によれば、基準光Ｌ２の出射ポイントＰ２、パルスレーザー光Ｌ１の集光ポイントＰ１及び高速粒子発生ターゲット４００面の位置それぞれが一致するように移動手段２５０により移動される構成とすることにより、パルスレーザー光Ｌ１の波面が、基準光Ｌ２の波面（基準波面）に基づいて高速粒子発生ターゲット４００面上の集光ポイントＰ１において基準波面と一致するように補償される。よって、パルスレーザー光Ｌ１が高速粒子発生ターゲット４００面上の微小なスポット（約直径１０μｍ）に集光され、高い集光強度（約１０18Ｗ／ｃｍ2）を得ることができるので、高速粒子を効率良く発生させることが可能となる。
【００４８】
（第２実施形態）
次に、図７を参照して、本発明に係る高速粒子発生装置の第２実施形態について説明する。なお、図７において第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。
【００４９】
本実施形態が第１実施形態と異なるのは、コリメータ部２０６ｂ及びターゲット部４０ｂの構造並びに波面計測部２１０及び反応部４１０の配置である。
【００５０】
コリメータ部２０６ｂは、コリメータレンズ２１１に加えて反射鏡２１６を備えている点で、また、ターゲット部４０ｂは、同位体生成部４１０を有しておらず、高速粒子発生ターゲット４００のみを備える点で第１実施形態と異なっている。さらに、波面検出部２１０は、コリメータ部２０６ｂに対して基準光Ｌ２またはパルスレーザー光Ｌ１が反射鏡２１６により反射される方向（図面では右側）に配置され、反応部４１０は、集光ポイントＰ１を通過したパルスレーザー光Ｌ１が直進する方向（図面では下側）に固定されて配置されており、この点で第１実施形態と異なっている。
【００５１】
高速粒子発生装置２によれば、基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれの波面を計測するときに、光路上に移動されて配置されたコリメータ部２０６ｂに入射した基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれは、反射鏡２１６により波面計測部２１０の方向へ反射される。そして、反射鏡２１６により反射された基準光Ｌ２及びパルスレーザー光Ｌ１それぞれは、波面計測部２１０に入射され、波面センサ２１３により波面が計測される。
【００５２】
次に、高速粒子を発生させるときには、コリメータ部２０６ｂが移動機構２５０により矢印Ａ２方向に移動され、代わりに、高速粒子発生ターゲット４００のみを備えるターゲット部４０ｂがパルスレーザー光Ｌ１の光路上へ移動されて配置される。そして、集光されたパルスレーザー光Ｌ１が高速粒子発生ターゲット４００に照射されて、高速粒子が発生する。
【００５３】
ここで、真空チャンバー５００内に配置される反応部４１０は、真空時の極低圧と大気圧との圧力差に耐える構造であることが必要とされるために非常に重量の重いものとなる。従って、この反応部４１０を移動させるためには移動機構も大規模なものとなる。
【００５４】
しかし、高速粒子発生装置２によれば、上記の構成とすることにより、反応部４１０を固定して配置することが可能となるので、移動機構２５０を簡易なものにすることが可能となる。
【００５５】
（第３実施形態）
次に、図８及び図９を用いて、本発明に係る高速粒子発生装置の第３実施形態について説明する。
【００５６】
本実施形態が第１実施形態と異なるのは、ＬＤ光源２０１の代わりにピンホール４０１及び開放部４０２を有する基準光生成部（基準光生成手段）２０３を用いた点である。
【００５７】
基準光生成部２０３は、強度を充分に低下させたパルスレーザー光Ｌ１をピンホール４０１に入射することにより基準光Ｌ２を生成するものである。これは、レーザー光が微小なピンホール４０１を通過するときに回折で生じる理想的な球面波を基準波面として利用するものである。
【００５８】
本実施形態に係る高速粒子発生装置３によれば、強度を充分に低下させたパルスレーザー光Ｌ１をピンホール４０１に入射することにより生成された基準光Ｌ２を用いて基準波面が計測される。次に、基準波面生成部２０３が移動機構２５０により矢印Ａ２方向に移動され、開放部４０２がパルスレーザー光Ｌ１の光軸ＯＡ１上に配置され、パルスレーザー光Ｌ１の波面が計測される。
【００５９】
高速粒子を発生させるときには、基準光源生成部２０３が移動機構２５０により矢印Ａ２方向に移動され、代わりに、ターゲット部４０がパルスレーザー光Ｌ１の光路上へ移動されて配置される。そして、集光されたパルスレーザー光Ｌ１が高速粒子発生ターゲット４００に照射されて、高速粒子が発生する。
【００６０】
このように、高速粒子発生装置３によれば、ピンホール４０１を有する基準光生成部２０３を用いることにより、簡易に基準光Ｌ２を得ることが可能となる。
【００６１】
（第４実施形態）
次に、図１０及び図１１を用いて、本発明に係る高速粒子発生装置の第４実施形態について説明する。
【００６２】
本実施形態が第３実施形態と異なるのは、ピンホール４０１及び開放部４０２を高速粒子発生ターゲット膜（ターゲット部材）４０３に形成した点並びにピンホール４０１及び開放部４０２の移動に往復平行移動式の移動機構２５０に代えて巻き取り式の移動機構２５０ｂを用いた点である。
【００６３】
図１１に示すように、高速粒子発生ターゲット膜４０３は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等の含ハロゲン有機化合物を主成分とする帯状の多孔質膜が好適に用いられる。そして、この帯状の多孔質膜の中央部に長手方向に沿って、例えば、重水素化されたポリスチレン等の有機化合物が含浸され、ストライプ状の高速粒子発生ターゲット４００が形成されている。さらに、高速粒子発生ターゲット膜４０３には、高速粒子発生ターゲット４００と同一直線上にパルスレーザー光Ｌ１を通過させる開放部４０２及び基準波面を生成するためのピンホール４０１が形成されている。
【００６４】
高速粒子発生ターゲット４００は、ガイド部４０４により所定の平面上（この実施形態では光軸ＯＡ１と直交する平面）に保持される。一方、円柱形状をした移動機構２５０ｂは、図示しない駆動機構により矢印Ａ４方向に回転されることにより高速粒子発生ターゲット膜４０３を巻き取る。これにより、高速粒子発生ターゲット４００、ピンホール４０１及び開放部４０２は、矢印Ａ３方向（高速粒子発生ターゲット４００の長手方向）に移動される。
【００６５】
高速粒子発生装置４によれば、移動機構２５０ｂによりピンホール４０１がパルスレーザー光Ｌ１の光軸ＯＡ１上に配置されて基準光Ｌ２の波面が計測され、移動機構２５０ｂにより開放部４０２がパルスレーザー光Ｌ１の光軸ＯＡ１上に配置されてパルスレーザー光Ｌ１の波面が計測される。そして、移動機構２５０ｂにより高速粒子発生ターゲット４００がパルスレーザー光Ｌ１の光軸ＯＡ１上に配置されて高速粒子が生成される。
【００６６】
高速粒子発生ターゲット４００にパルスレーザー光Ｌ１が照射されたとき、その照射領域には穴が開き、同じ照射領域は再度使用することができない。しかし、移動機構２５０ｂにより高速粒子発生ターゲット４００を巻き取り、高速粒子発生ターゲット４００を矢印Ａ３方向に移動させることにより、新しいターゲット面がセットされる。
【００６７】
高速粒子発生装置４によれば、高速粒子発生ターゲット４００面と同一平面上に形成されたピンホール４０１及び開放部４０２を用いてパルスレーザー光Ｌ１及び基準光Ｌ２それぞれの波面の計測並びにパルスレーザー光Ｌ１の波面の補償が行われるので、パルスレーザー光Ｌ１の波面の補償を高い位置精度で行うことが可能となる。
【００６８】
（第５実施形態）
次に、図１２を参照して、本発明に係る高速粒子発生装置の第５実施形態について説明する。
【００６９】
本実施形態が上記の第２実施形態と異なるのは、ＬＤ光源２０１の代わりに、ストライプ状のターゲット領域４００と同一直線上にピンホール４０１及び開放部４０２が形成された高速粒子発生ターゲット膜４０３を用いた点である。
【００７０】
このような構成とすることにより、反応部４１０を固定して配置することができるので、移動機構２５０が不要となり、構成を簡易化することが可能となる。また、パルスレーザー光Ｌ１の波面の補償を高い位置精度で行うことが可能となる。
【００７１】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、効率良く高速粒子を発生させるためには、次のような方法も効果的である。すなわち、形状可変鏡２４２の反射面２４４の形状を変化させ、そのときのパルスレーザー光Ｌ１の波面を記憶するとともに、反応部４１０で得られる生成物の量を計測する。そして、より多くの生成物が得られる波面の条件を検索することにより、最適なパルスレーザー光Ｌ１の波面条件を取得する。そして、この最適な波面を基準波面として記憶し、パルスレーザー光Ｌ１の波面をこの基準波面と一致させるように波面補償を行う。これにより、効率良く高速粒子を発生させることができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、パルスレーザー光を高速粒子発生ターゲット面の微小なスポットに集光させることにより、高速粒子を効率良く発生させることができる高速粒子発生方法及び高速粒子発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る高速粒子発生装置の全体構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る高速粒子発生方法の全体処理を示す図である。
【図３】基準波面計測処理における配置を示す図である。
【図４】シャックハルトマン法の基本原理を示す図である。
【図５】パルスレーザー光の波面補償処理における配置を示す図である。
【図６】高速粒子発生処理における配置を示す図である。
【図７】第２実施形態に係る高速粒子発生装置の全体構成を示す図である。
【図８】第３実施形態に係る高速粒子発生装置の全体構成を示す図である。
【図９】第３実施形態に係る高速粒子発生装置に用いられる基準光生成部を示す図である。
【図１０】第４実施形態に係る高速粒子発生装置の全体構成を示す図である。
【図１１】第４実施形態に係る高速粒子発生装置に使用される高速粒子発生ターゲットを示す図である。
【図１２】第５実施形態に係る高速粒子発生装置の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１，２，３，４，５…高速粒子発生装置、１０…パルスレーザー光発生部、２０…波面補償部、３０…照射光学系、４０，４０ｂ…ターゲット部、２００…基準光源部、２０３…基準光生成部、２１０…波面計測部、２１３…波面センサ、２２０…記憶部、２３０…制御部、２４０…可変形光学系、２４２…形状可変鏡、２５０，２５０ｂ…移動機構、４００…高速粒子発生ターゲット、４０１…ピンホール、４０２…開放部、４０３…高速粒子発生ターゲット膜、Ｐ１…集光ポイント、Ｌ１…パルスレーザー光、Ｌ２…基準光。
Claims (4)
- パルスレーザー光発生手段より発したパルスレーザー光を照射光学系により所定の集光ポイントに集光し、当該所定の集光ポイントにセットされた高速粒子発生ターゲットに照射することにより高速粒子を発生させる高速粒子発生方法において、
前記所定の集光ポイントから基準光を発し、前記基準光の波面を波面計測手段により計測し、この計測した前記波面を基準波面として記憶する第１ステップと、
前記パルスレーザー光発生手段により発せられて前記所定の集光ポイントを通過した前記パルスレーザー光の波面を前記波面計測手段により計測する第２ステップと、
前記パルスレーザー光発生手段より発した前記パルスレーザー光の波面を前記基準波面に基づいて補償する第３ステップと、
を備える、
ことを特徴とする高速粒子発生方法。 - パルスレーザー光が照射されてレーザープラズマが生成されることにより高速粒子を発生させる高速粒子発生ターゲットと、
前記パルスレーザー光を発生するパルスレーザー光発生手段と、
前記パルスレーザー光の波面を補償する波面補償手段と、
前記波面補償手段により波面が補償された前記パルスレーザー光を所定の集光ポイントに集光して高速粒子発生ターゲットに照射する照射光学系と、
を備え、
前記波面補償手段は、
前記パルスレーザー光を反射または屈折させる光学素子の光学作用部を変形可能に構成した可変形光学系と、
前記所定の集光ポイントから基準光を発する基準光源と、
前記基準光及び前記所定の集光ポイントを通過した前記パルスレーザー光それぞれの波面を計測する波面計測手段と、
前記波面計測手段により計測された前記基準光の波面を基準波面として記憶する記憶手段と、
前記波面計測手段により計測された前記パルスレーザー光の波面と前記基準波面とに基づいて前記光学作用部を変形させることにより、前記パルスレーザー光の波面を補償する可変形光学系制御手段と、
前記基準光が前記基準光源から発せられる位置を前記所定の集光ポイントに、前記高速粒子発生ターゲットを前記所定の集光ポイントを含む平面上に、それぞれ移動させる移動手段と、
を有する、
ことを特徴とする高速粒子発生装置。 - パルスレーザー光が照射されてレーザープラズマが生成されることにより高速粒子を発生させる高速粒子発生ターゲットと、
前記パルスレーザー光を発生するパルスレーザー光発生手段と、
前記パルスレーザー光の波面を補償する波面補償手段と、
前記波面補償手段により波面が補償された前記パルスレーザー光を所定の集光ポイントに集光して高速粒子発生ターゲットに照射する照射光学系と、
を備え、
前記波面補償手段は、
前記パルスレーザー光を反射または屈折させる光学素子の光学作用部を変形可能に構成した可変形光学系と、
前記パルスレーザー光が通過することにより前記所定の集光ポイントから基準光を発するピンホールを有する基準光生成手段と、
前記基準光及び前記所定の集光ポイントを通過した前記パルスレーザー光それぞれの波面を計測する波面計測手段と、
前記波面計測手段により計測された前記基準光の波面を基準波面として記憶する記憶手段と、
前記波面計測手段により計測された前記パルスレーザー光の波面と前記基準波面とに基づいて前記光学作用部を変形させることにより、前記パルスレーザー光の波面を補償する可変形光学系制御手段と、
前記基準光生成手段及び前記高速粒子発生ターゲットそれぞれを前記所定の集光ポイントを含む平面上に移動させる移動手段と、
を有する、
ことを特徴とする高速粒子発生装置。 - 前記高速粒子発生ターゲットは膜状のターゲット部材の表面に構成され、
前記ターゲット部材には前記パルスレーザー光を通過させる開放部及び前記ピンホールが形成され、
前記開放部を通過した前記パルスレーザー光の波面が前記波面計測手段により計測される、
ことを特徴とする請求項３に記載の高速粒子発生装置。
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