JP4641139B2 - 高エネルギー粒子の発生方法および高エネルギー粒子発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光線を利用した高エネルギー粒子の発生方法および高エネルギー粒子発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物質や材料の状態を測定する方法として、短時間パルスのイオンビームや電子、陽電子ビームあるいはＸ線などの高エネルギー粒子を測定対象物に照射し、その後の測定対象物の過渡的な特性変化を計測する方法や、その高エネルギー粒子の透過イメージを分析する方法がある。そして、これらの方法で使用する高エネルギー粒子を発生させる手段として、従来は原子炉や加速器を使用していた。
【０００３】
ところで、原子炉や加速器を使用して高エネルギー粒子を発生させるには、大掛かりな設備や装置類が必要であり、しかも高度な専門知識も必要となる。このため、より簡便な方法としてレーザ光線を金属箔やプラスチックフィルム等のターゲットの表面に瞬間的に集光することで高エネルギー粒子を発生させる方法が提案されている（特開２００２−１０７４９９号公報）。
【０００４】
かかる高エネルギー粒子の発生方法では、ターゲットとして金属箔やプラスチックフィルム等の薄膜を使用する場合、通常、厚さが２０μｍ以下の極めて薄いものを採用する。そして、このように極めて薄いターゲットを支持枠に貼り付けてぴんと張り、レーザ光線の集光位置にターゲットを正確に配置するようにしてターゲットの面精度（ターゲットの厚さ方向の精度で、レーザ光線の集光位置にターゲットの表面を合わせる精度）や位置精度（ターゲットの表面に沿う方向の精度で、ターゲットの所定部分にレーザ光線を当てる精度）を確保することが考えられている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１０７４９９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ターゲットの薄膜を支持枠に貼り付け支持する方法では、支持枠が大きくなるとターゲットが弛みやすくなるので、あまり大きな支持枠を採用することができず、したがって大きな薄膜をターゲットとして使用することができなかった。このため１枚のターゲットに対してレーザ光線を照射できる回数が数回程度に限られ、ターゲット交換せずに続けることができるレーザ光線の照射回数（ショット数）が数回程度に限られてしまい、この回数を多くしたいとの要請があった。
【０００７】
また、高エネルギー粒子を発生させるためにはレーザ光線をターゲット表面に正確に集光させる必要がある。このためターゲットを交換する際、新しいターゲットをレーザ光線の集光位置にターゲットの厚さ方向１００μｍ以下の誤差で位置決めしなければならない。しかもターゲットの交換を迅速に行うためにはターゲットを素早く動かして位置決めを行う必要がある。
【０００８】
本発明は、続けて繰り返すことができる照射回数を大幅に増加させることができると共に、ターゲットの正確な位置決めが容易な高エネルギー粒子の発生方法および高エネルギー粒子発生装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために請求項１記載の高エネルギー粒子の発生方法は、巻き取り可能なテープ状のターゲットに、瞬間的な照射でターゲットの電離が可能なエネルギーのレーザ光線を繰り返し照射し、レーザ光線を照射する毎にターゲットを所定距離だけ巻き取ってレーザ光線が当たる部分をずらすとともに、ターゲットのレーザ光線が当たる部分の送り出し側の位置と巻き取り側の位置を２つの位置決め基準部に当ててターゲットの送り出し側スプールにクラッチ機構による回転抵抗力を与えた状態で巻き取り側スプールを駆動することで位置決め基準部の間にターゲットのレーザ光線が当たる部分をぴんと張り、巻き取り側スプールを停止させた状態で照射を行うものである。
【００１０】
高エネルギーのレーザ光線をターゲットに照射すると、ターゲットから高エネルギーの粒子が発生する。ターゲットはテープ状を成しており、巻き取り可能である。レーザ光線を照射して高エネルギー粒子を発生させた後、ターゲットを所定距離だけ巻き取ることで別の部分にレーザ光線を当てることができる。レーザ光線の照射とターゲットの巻き取りを繰り返し行うことで、続けて繰り返し高エネルギー粒子を発生させることができる。テープ状のターゲットは長尺であり、ターゲット交換を行うことなく、１本のターゲットに対して何度も繰り返しレーザ光線を照射することができる。
【００１１】
高エネルギー粒子を発生させるためにはターゲット上にレーザ光線を正確に集光させる必要があるが、ターゲットのレーザ光線が当たる部分の周辺の弛みを取ってぴんと張り、位置決め基準部に当てることで、レーザ光線の集光位置にターゲットを正確に配置することができる。また、ターゲットの材料を変えることで、異なる種類の高エネルギー粒子を発生させることができる。
【００１２】
また、請求項２記載の高エネルギー粒子の発生方法は、ターゲットをその幅方向に移動させるものである。ターゲットをその幅方向に移動させることで、レーザ光線を１度当てた部分から幅方向にずらして当てることができる。即ち、ターゲットを単に巻き取るのみではレーザ光線を当てる部分を１列分しか取ることができないが、ターゲットを幅方向にも移動させることで、レーザ光線を当てる部分を複数列にわたって取ることができる。
【００１３】
また、請求項３記載の高エネルギー粒子の発生方法は、送り出し側スプールと巻き取り側スプールのいずれにもなり得るスプールを一対設け、ターゲットを他方のスプールから一方のスプールに巻き取りながらレーザ光線の照射を行うと共に、一方のスプールから他方のスプールに巻き取りながらレーザ光線の照射を行うものである。したがって、ターゲットを往復移動させて使用することができる。
【００１４】
また、請求項４記載の高エネルギー粒子の発生方法は、レーザ光線がターゲットに当たる位置の当該ターゲットを挟んだ裏側から高エネルギー粒子を取り出すものである。
【００１５】
高エネルギー粒子はターゲットのレーザ光線照射側の面よりもその裏面側に多く発生するので、ターゲットの裏側から高エネルギー粒子を取り出すことで、より多くの高エネルギー粒子を利用することができる。
【００１６】
また、請求項５記載の高エネルギー粒子の発生方法は、レーザ光線がターゲットに当たる位置の周囲をマスキングしながらレーザ光線の照射を行うものである。したがって、ターゲットの照射領域を制限することができ、目的の部分以外の部分にレーザ光線が当たるのを防止することができる。
【００１７】
また、請求項６記載の高エネルギー粒子の発生方法は、ターゲットに付着した水分及び油分を除去しながらレーザ光線の照射を行うものである。
【００１８】
目的の高エネルギー粒子を発生させるためにターゲットの材料を選択しても、そのターゲットに水分や油分が付着していると目的としない高エネルギー粒子も数多く発生する。ターゲットに付着した水分や油分を除去することで、目的の高エネルギー粒子をより多く発生させることができる。
【００１９】
さらに、請求項７記載の高エネルギー粒子発生装置は、巻き取り可能なテープ状のターゲットと、瞬間的な照射でターゲットの電離が可能なエネルギーのレーザ光線をターゲットに繰り返し照射して高エネルギー粒子を発生させるレーザ光線照射手段と、レーザ光線照射手段がレーザ光線を照射する毎にターゲットを巻き取ってレーザ光線が当たる部分をずらす巻き取り手段と、ターゲットのレーザ光線が当たる部分の周辺の弛みを取る弛み除去手段と、ターゲットのレーザ光線が当たる部分の周辺を位置決めする位置決め手段を備え、巻き取り手段はターゲットが巻かれている送り出し側スプールとターゲットを巻き取る巻き取り側スプールとを有し、弛み除去手段は送り出し側スプールにクラッチ機構によって回転抵抗力を付与するものであり、位置決め手段はターゲットのレーザ光線が当たる部分の送り出し側の位置と巻き取り側の位置を支持する２つの位置決め基準部を有し、レーザ光線照射手段は、ターゲットを位置決め基準部に当てて弛み除去手段が送り出し側スプールに回転抵抗力を与えた状態で巻き取り手段がターゲットを所定距離だけ巻き取ることで位置決め基準部の間にターゲットのレーザ光線が当たる部分をぴんと張り停止させた状態で照射を行なうものである。
【００２０】
レーザ光線照射手段によって高エネルギーのレーザ光線をターゲットに照射すると、ターゲットから高エネルギーの粒子が発生する。ターゲットはテープ状を成しており、巻き取り可能である。レーザ光線を照射して高エネルギー粒子を発生させた後、巻き取り手段によってターゲットを所定距離だけ巻き取ることでターゲットの別の部分にレーザ光線を当てることができ、繰り返し高エネルギー粒子を発生させることができる。テープ状のターゲットは長尺であり、ターゲット交換を行うことなく、１本のターゲットを使用して何度も繰り返しレーザ光線を照射することができる。
【００２１】
高エネルギー粒子を発生させるためにはターゲット上にレーザ光線を正確に集光させる必要があるが、弛み除去手段によってターゲットのレーザ光線が当たる部分の周辺の弛みを取ってぴんと張り、位置決め手段によって位置決めすることで、レーザ光線の集光位置にターゲットを正確に配置することができる。また、ターゲットの材料を変えることで、異なる種類の高エネルギー粒子を発生させることができる。
【００２２】
また、請求項８記載の高エネルギー粒子発生装置は、ターゲットをその幅方向に移動させる幅方向移動手段を備えるものである。したがって、幅方向移動手段によってターゲットを幅方向に移動させることでレーザ光線が当たる部分を幅方向にずらすことができる。ターゲットを単に巻き取るのみではレーザ光線を当てる部分を１列分しか取ることができないが、幅方向移動手段によってターゲットを幅方向にも移動させることで、レーザ光線を当てる部分を複数列取ることができる。
【００２３】
また、請求項９記載の高エネルギー粒子発生装置は、巻き取り手段が送り出し側スプールと巻き取り側スプールのいずれにもなり得るスプールを一対備えており、他方のスプールに巻かれているターゲットを一方のスプールで巻き取り可能であり、一方のスプールに巻かれているターゲットを他方のスプールで巻き取り可能としている。したがって、ターゲットを往復させて使用することができる。
【００２４】
また、請求項１０記載の高エネルギー粒子発生装置は、レーザ光線がターゲットに当たる位置の当該ターゲットを挟んだ裏側に高エネルギー粒子の取り出し口を設けたものである。
【００２５】
高エネルギー粒子はターゲットのレーザ光線照射側の面よりもその裏面側により多く発生するので、ターゲットの裏側に取り出し口を設けることでより多くの高エネルギー粒子を利用することができる。
【００２６】
また、請求項１１記載の高エネルギー粒子発生装置は、レーザ光線がターゲットに当たる位置の周囲を覆うマスクを備えるものである。したがって、マスクによってターゲットの照射領域を制限することができ、目的の部分以外の部分にレーザ光線が当たるのを防止することができる。
【００２７】
また、請求項１２記載の高エネルギー粒子発生装置は、ターゲットに付着した水分及び油分を除去する水分等除去手段を備えるものである。
【００２８】
目的の高エネルギー粒子を発生させるためにターゲットの材料を選択しても、そのターゲットに水分や油分が付着していると目的以外の高エネルギー粒子も数多く発生する。水分等除去手段によってターゲットに付着した水分や油分を除去することで、目的の高エネルギー粒子をより多く発生させることができる。
【００２９】
また、請求項１３記載の高エネルギー粒子発生装置は、一対のスプールの各々について、当該スプールを回転させる駆動源と当該スプールの回転抵抗力を発生させる抵抗発生手段とを同軸上に配置し、一方のスプールに設けた駆動源および他方のスプールに設けた抵抗発生手段と他方のスプールに設けた駆動源および一方のスプールに設けた抵抗発生手段とを選択的に作動させるものである。
【００３０】
したがって、一方のスプールに設けた駆動源および他方のスプールに設けた抵抗発生手段を作動させると、一方のスプールが巻き取り側スプールとなり、ターゲットを他方のスプールから一方のスプールに移動させることができる。このとき、送り出し側スプールとなる他方のスプールの抵抗発生手段が回転抵抗力を発生させるので、ターゲットの弛みが防止され、正確に位置決めされる。
【００３１】
逆に、他方のスプールに設けた駆動源および一方のスプールに設けた抵抗発生手段を作動させると、他方のスプールが巻き取り側スプールとなり、ターゲットを一方のスプールから他方のスプールに移動させることができる。このとき、送り出し側スプールとなる一方のスプールの抵抗発生手段が回転抵抗力を発生させるので、ターゲットの弛みが防止され、正確に位置決めされる。
【００３２】
また、駆動源と抵抗発生手段をスプールと同軸上に配置しているので、装置の小型化が可能である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００３４】
図１〜図３に本発明を適用した高エネルギー粒子発生装置の実施形態の一例を示す。この高エネルギー粒子発生装置は、巻き取り可能なテープ状のターゲット１と、瞬間的な照射でターゲット１の電離が可能なエネルギーのレーザ光線２をターゲット１に繰り返し照射して高エネルギー粒子３を発生させるレーザ光線照射手段４と、レーザ光線照射手段４がレーザ光線２を照射する毎にターゲット１を巻き取ってレーザ光線２が当たる部分１ａをずらす巻き取り手段５と、ターゲット１のレーザ光線２が当たる部分１ａの周辺の弛みを取る弛み除去手段６と、ターゲット１のレーザ光線２が当たる部分１ａの周辺を位置決めする位置決め手段７を備えたものである。この高エネルギー粒子発生装置は、例えばレーザ光線照射手段４を除き、真空容器８内に収容され真空中で使用される。
【００３５】
ターゲット１はテープ状を成しており長尺である。ターゲット１の材料は、発生させる高エネルギー粒子３の種類に応じて適宜選択される。このターゲット１は巻き取り手段５によって巻き取られ移動する。ターゲット１をテープ状にすることで、ターゲット１の全面積を増やすことができ、レーザ光線２の照射に使用できる部分（レーザ光線２が当たる部分１ａ）の数を多く取ることができる。このため、ターゲット交換を行わずに続けて繰り返すことができるレーザ照射の回数を増やすことができる。
【００３６】
ターゲット１は、例えば銅テープである。ただし、銅テープに限るものではなく、その他の金属テープ、樹脂テープ等をターゲット１として使用しても良い。ターゲット１の材料を適宜選択することで、高エネルギー粒子３として、短時間パルスのイオンビームや電子、陽電子ビームあるいはＸ線等を発生させることができる。また、ターゲット１の厚さは例えば５μｍである。ただし、ターゲット１の厚さは５μｍに限るものではないことは勿論である。
【００３７】
巻き取り手段５は、例えば一対のスプール９，１０と駆動源１１より構成されている。駆動源１１は、例えばステッピングモータである。駆動源１１はフレーム１２に固定されており、その出力軸１１ａには一方のスプール９が取り付けられている。
【００３８】
弛み除去手段６は、例えば回転軸２９の回転抵抗力を発生させるクラッチ機構（以下、クラッチ機構６という）で、フレーム１２に固定されている。クラッチ機構６は、駆動源１１から離れた位置に固定されている。回転軸２９には他方のスプール１０が取り付けられている。一対のスプール９，１０のうち、駆動源１１の出力軸１１ａに取り付けられたスプール９が巻き取り側スプールとなり、回転軸２９に取り付けられたスプール１０が送り出し側スプールとなる。つまり、送り出し側スプール１０に巻き取られているターゲット１を巻き取り側スプール９によって巻き取ることで、ターゲット１を移動させる。
【００３９】
位置決め手段７は、例えば２本の支持棒（以下、支持棒７という）である。支持棒７はレーザ光線２がターゲット１に当たる位置１３、換言するとレーザ光線２を集光させる位置（以下、集光位置１３という）の上下両側に設けられており、ターゲット１を集光位置１３に導いている。支持棒７のターゲット１を導く部分が位置決め基準部７ａである。支持棒７はフレーム１２の側面に固定されている。２本の支持棒７は、例えば２ｃｍの間隔をあけて設けられている。ただし、２本の支持棒７の間隔は２ｃｍに限るものではないことは勿論である。
【００４０】
ターゲット１にレーザ光線２を照射することで発生する高エネルギー粒子３は、照射側の面とは反対側の面からより多く発生する。本実施形態では、レーザ光線２がターゲット１に当たる位置（集光位置）１３のターゲット１を挟んだ裏側に高エネルギー粒子３の取り出し口１４を設けている。即ち、位置決め手段７を２本の支持棒７によって構成することで、ターゲット１の裏側に取り出し口１４となる空きスペースを確保し、この部分からの高エネルギー粒子３の射出を妨げないようにしている。このため、発生した高エネルギー粒子３をより多く取り出すことができ、高エネルギー粒子３の利用効率を高めている。
【００４１】
レーザ光線照射手段４は、例えば２ＴＷ出力のチャープパルス増幅（ＣＰＡ）技術を用いたチタン：サファイアレーザ装置である。このレーザ装置は、例えばパルス幅６０フェムト秒で１２０ミリジュール程度のエネルギーを有するレーザ光線２を、例えば直径１０ミクロン程度の大きさに集光してターゲット１に照射することができる。即ち、このレーザ装置では、発振器で発生させたレーザ光線をパルス幅拡張器でパルス幅の拡張を行った後、増幅器で増幅し、さらにパルス幅圧縮器でパルス幅を圧縮することでピークパワーを増加させている。そして、この様にして発生させた超短パルスでピークパワーの大きなレーザ光線２を例えば軸外し放物面ミラー１５によって集光し、ターゲット１に照射する。例えば、発振器で発生させたパルス時間幅が２０フェムト秒、レーザエネルギーが６ナノジュールのレーザ光線をパルス幅拡張器によってパルス時間幅が３００ピコ秒、レーザエネルギーが３ナノジュールのレーザ光線にした後、増幅器でパルス時間幅が３００ピコ秒、レーザエネルギーが２４０ミリジュールのレーザ光線にし、さらにパルス幅圧縮器によってパルス時間幅が６０フェムト秒、レーザエネルギーが１２０ミリジュールのレーザ光線２に変換する。このようにパルス時間幅を圧縮することで、レーザ光線２のピーク出力を２ＴＷにすることができる。
【００４２】
パルス幅がピコ秒程度よりも短いレーザ光線２をターゲット１の表面に瞬間的に集光すると、高エネルギーかつ超短時間パルス（例えば数１０ｆｓ程度の短パルス）の高エネルギー粒子３が発生する。
【００４３】
例えば、レーザ集光時に発生する高エネルギー粒子３の温度（エネルギー）を求める式を数式１に示す。
【数１】
ここで、Ｔhotは発生する粒子の温度、ｍは粒子の質量、ｃは光の速度、Ｉはレーザ光線２の単位面積当たりの出力、λはレーザの波長である。
【００４４】
数式１によると、例えば薄膜のターゲット１に対してレーザ光線２をＩ＝１０１９Ｗ／ｃｍ２に集光して照射した場合には、波長８００ｎｍのレーザ光線２によって０．７ＭｅＶの高エネルギー電子を発生させることができる。また、レーザ光線２にプレパルスがなければ、レーザ光線２は非常に急峻な境界面を照射することになり、いわゆるバーネル加熱機構により数式１で記述されるようなポンデラ・モーティブ・ポテンシャル以上のエネルギーまで電子を加速することができる。
【００４５】
この高エネルギー粒子発生装置は、レーザ光線２がターゲット１に当たる位置１３の周囲を覆うマスク１６を備えており、ターゲット１の目的の部分以外の部分にレーザ光線２が当たるのを防止している。
【００４６】
レーザ光線照射手段４によって出射されたレーザ光線２は、例えば軸外し放物面ミラー１５によってターゲット１に集光させる。軸外し放物面ミラー１５は、例えばアルミブロックを所定形状に切削加工し、金コーティングを施すことで製造される。軸外し放物面ミラー１５は安価である一方、反射面の切削加工の跡が原因で、レーザ集光パターンは線状のプロファイルが重畳したパターンとなる。図４に軸外し放物面ミラー１５を用いてレーザ光線２を集光させた場合の照射跡を示す。ターゲット１の厚さが薄い場合はこのような線状のプロファイル１７によって容易にテープ（ターゲット１）が切断されてしまう。マスク１６によって照射領域を制限することで、このような切断や、皺の発生を防止することができる。この結果、ターゲット１の面積を有効に利用することが可能となる。
【００４７】
本発明では、以下のようにして高エネルギー粒子３を発生させる。即ち、巻き取り可能なテープ状のターゲット１に、瞬間的な照射でターゲット１の電離が可能なエネルギーのレーザ光線２を繰り返し照射し、レーザ光線２を照射する毎にターゲット１を巻き取ってレーザ光線２が当たる部分１ａをずらすとともに、ターゲット１のレーザ光線２が当たる部分１ａの周辺の弛みを取りながら且つ部分１ａの周辺を位置決め基準部７ａに当てながら照射を行うものである。
【００４８】
図５に基づいて説明すると、ターゲット１にレーザ光線２を照射し高エネルギー粒子３を発生させた（ステップ５１）後、ターゲット１を所定距離だけ巻き取りレーザ光線２が当たる部分１ａをずらす（ステップ５２）。ステップ５１と５２を繰り返し行うことで、図６に示すように、多数のレーザ光線２が当たる部分１ａがターゲット１の長手方向に少しずつ間隔をおきながら１本の長い列となり、１本の長いターゲット１を使い切るまで繰り返し高エネルギー粒子３を発生させることができる。
【００４９】
レーザ光線照射手段４は瞬間的な照射で高エネルギー粒子３を発生させることができるエネルギーのレーザ光線２を出射可能であると共に、瞬間的な照射を極短時間の間隔で繰り返し行うことができる。また、巻き取り手段５によってテープ状のターゲット１を若干距離だけ巻き取ることでターゲット１を移動させることができるので、ターゲット１のレーザ光線２が当たる部分１ａを素早くずらすことができる。これらのため、ステップ５１と５２を短時間で繰り返し行うことができ、間欠的に続けて高エネルギー粒子３を発生させることができる。しかも、ターゲット１は１本の長いテープであり、続けて何回も高エネルギー粒子３を発生させることができる。
【００５０】
巻き取り手段５がターゲット１を巻き取る際、弛み除去手段であるクラッチ機構６が送り出し側スプール１０に回転抵抗力を付与している。したがって、２本の支持棒７間にターゲット１をぴんと張ることができ、ターゲット１のレーザ光線２が当たる部分１ａの周辺の弛みを取りながらレーザ照射を行うことができる。また、ターゲット１を２本の支持棒７間にぴんと張ることで、ターゲット１が支持棒７の位置決め基準部７ａに当たりターゲット１の厚さ方向に正確に位置決めされる。
【００５１】
また、巻き取り手段５の駆動源１１としてステッピングモータを使用しているので、ターゲット１を正確に所定距離だけ巻き取りことができ、レーザ光線２をターゲット１の所定部分に正確に当てることができる。
【００５２】
発生した高エネルギー粒子３は、レーザ光線２がターゲット１に当たる位置１３の当該ターゲット１を挟んだ裏側から取り出される。レーザ光線２が当たった部分の裏面側から高エネルギー粒子３が最も多く発生するので、位置１３のターゲット１を挟んだ裏側から高エネルギー粒子３を取り出すようにすることで、効率よく高エネルギー粒子３を取り出すことができる。
【００５３】
また、マスク１６を備えることで、レーザ光線２がターゲット１に当たる位置１３の周囲をマスキングしながらレーザ光線２の照射を行うことができ、照射領域を制限して目的の部分以外の部分にレーザ光線２が当たるのを防止することができる。
【００５４】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００５５】
例えば、上述の説明では、巻き取り手段５はターゲット１を他方のスプール１０から一方のスプール９に巻き取るものであったが、必ずしもこの構成に限るものではなく、他方のスプール１０に巻かれているターゲット１を一方のスプール９で巻き取り可能にし、一方のスプール９に巻かれているターゲット１を他方のスプール１０で巻き取り可能にしても良い。即ち、ターゲット１を他方のスプール１０から一方のスプール９に巻き取りながらレーザ光線２の照射を行うと共に、一方のスプール９から他方のスプール１０に巻き取りながらレーザ光線２の照射を行うようにしても良い。換言すれば、ターゲット１を往復移動させるようにしても良い。なお、ターゲット１を往復させる回数は、１往復に限るものではなく、１．５往復又は２往復以上させるようにしても良い。
【００５６】
この場合、例えば図７に示すように、一対のスプール９，１０の各々について、当該スプール９，１０を回転させる駆動源１１と当該スプール９，１０の回転抵抗力を発生させる抵抗発生手段とを同軸上に配置し、一方のスプール９に設けた駆動源１１および他方のスプール１０に設けた抵抗発生手段と他方のスプール１０に設けた駆動源１１および一方のスプール９に設けた抵抗発生手段とを選択的に作動させるようにすることが好ましい。本実施形態では、駆動源１１として回転軸を両側に突出させるステッピングモータを使用し、一側に突出する回転軸１１ａにスプール９，１０を取り付け、他側に突出する回転軸（図示せず）に抵抗発生手段を取り付けている。抵抗発生手段は、例えば駆動源１１の他側に突出する回転軸の回転抵抗力を発生させるクラッチ機構６である。即ち、抵抗発生手段であるクラッチ機構６によって弛み除去手段を構成している。
【００５７】
一方のスプール９に設けた駆動源１１および他方のスプール１０に設けたクラッチ機構６を作動させると、一方のスプール９が巻き取り側スプールとなり、ターゲット１を他方のスプール１０から一方のスプール９に移動させることができる。このとき、送り出し側スプールとなる他方のスプール１０の抵抗発生手段（クラッチ機構６）が回転抵抗力を発生させるので、ターゲット１の弛みを防止して２本の支持棒７間にぴんと張ることができ、また、ターゲット１を位置決め基準部７ａに当てるのでターゲット１を集光位置１３に正確に位置決めすることができる。
【００５８】
また、他方のスプール１０に設けた駆動源１１および一方のスプール９に設けたクラッチ機構６を作動させると、他方のスプール１０が巻き取り側スプールとなり、ターゲット１を一方のスプール９から他方のスプール１０に移動させることができる。このとき、送り出し側スプールとなる一方のスプール９の抵抗発生手段（クラッチ機構６）が回転抵抗力を発生させるので、ターゲット１の弛みを防止して２本の支持棒７間にぴんと張ることができ、また、ターゲット１を位置決め基準部７ａに当てるので、ターゲット１を集光位置１３に正確に位置決めすることができる。
【００５９】
また、駆動源１１の同軸上にスプール９、１０と抵抗発生手段を直接配置すると、いわゆるカセットテープメカニズムのようなテープ走行系を安定化させるための複雑なメカニズムが不要となり、高エネルギー粒子発生装置を小型化、単純化できる。
【００６０】
また、例えば図８及び図９に示すように、ターゲット１をその幅方向に移動させる幅方向移動手段１８を備えても良い。即ち、ターゲット１をその幅方向に移動させるようにしても良い。本実施形態では、フレーム１２を移動させることでターゲット１を移動させるようにしている。この場合、レーザ光線照射手段４と軸外し放物面ミラー１５については移動させないので、マスク１６も移動させない。幅方向移動手段１８は、例えばターゲット１の幅方向に沿って敷設されたガイドレール２０と、ガイドレール２０に案内されて移動するスライダ２１と、スライダ２１を移動させる駆動源２２を備えており、フレーム１２はスライダ２１上に載置され固定されている。駆動源２２は、例えばステッピングモータであり、スクリュウ２５を回転させることでスライダ２１をガイドレール２０上で往復移動させることができる。ステッピングモータ２２が停止している場合にはスライダ２１は静止している。ステッピングモータ２２を所定パルス分だけ正転又は逆転させることで、スライダ２１を一方向又は他方向に所定距離だけ移動させることができ、ターゲット１をその幅方向に所定距離だけ移動させることができる。
【００６１】
ターゲット１を往復移動可能にすると共に、幅方向にも移動可能にした場合のレーザ照射の概念を図１０に示す。例えば、ターゲット１を図中Ａ方向に移動させながらターゲット１の右寄り部分にレーザ光線２を照射し、その後、ターゲット１を図中Ｂ方向に戻しながらターゲット１の左寄り部分にレーザ光線２を照射する。このようにすることで、１本のターゲット１を使用して２列のレーザ照射を行うことができる。このため、１本のターゲット１に対するレーザ光線２の照射回数を大幅に増やすことができ、ターゲット１を有効に利用することができると共に、続けて繰り返すことができるレーザ照射回数を大幅に増加させることができ、使い勝手を向上させることができる。
【００６２】
このように、ターゲット１を往復移動可能（双方向駆動）にすると共に、幅方向にも移動可能にすることで、ターゲット１を長さ方向に１列分使い果たしてもターゲット１を幅方向に少しだけ移動させることで別の新しい列を使うことができる。このため、ターゲット１の巻き取り方向を反転させるだけでレーザ光線２の照射を素早く再開することができると共に、ターゲット１の長さ方向だけでなく、幅方向についてもレーザ照射領域を拡張することができる。
【００６３】
また、ターゲット１を往復移動可能ではあるが、幅方向移動手段１８を備えていない場合のレーザ照射の概念を図１１に示す。例えば、幅が狭く複数列にわたるレーザ照射を行うことができないターゲット１を使用する場合等には、幅方向移動手段１８の設置を省略しても良い。例えば、ターゲット１を図中Ａ方向に移動させてレーザ照射を行った後、ターゲット１を図中Ｂ方向に戻しながら、既にレーザ光線２を当てた部分の間にレーザ光線２を当てることができる。このため、例えばターゲット１の巻き取り距離（照射ピッチ）をあまり短くすることができない場合等であってもレーザ光線２が当たる部分１ａのピッチを小さくすることでき、ターゲット１を有効利用することができる。
【００６４】
さらに、ターゲット１を幅方向移動可能ではあるが、往復移動させることができない場合のレーザ照射の概念を図１２に示す。例えば、ターゲット１の右寄りの部分（右側列）にレーザ光線２を当て、次に左寄りの部分（左側列）にレーザ光線２を当てた後、ターゲット１を１ピッチ送り、左寄りの部分と右寄りの部分にレーザ光線２を当てる。この場合にも、ターゲット１を有効利用することができる。
【００６５】
なお、図１０及び図１２の例では、レーザ光線２が当たる部分１ａを左右の列で幅方向に並べていたが、レーザ光線２が当たる部分１ａを左右の列でずらすようにしても良い。
【００６６】
また、上述の説明では、レーザ光線２を集光するために軸外し放物面ミラー１５を使用していたが、軸外し放物面ミラー１５に代えて、例えば集光レンズを使用しても良い。なお、レーザ光線２の出力が大きい場合には、軸外し放物面ミラー１５の使用が好ましい。
【００６７】
また、上述の説明ではマスク１６を備えていたが、例えば軸外し放物面ミラー１５を高価な誘電体多層膜ミラーに替えたり、集光レンズを使用する場合等にはマスク１６の設置を省略しても良い。
【００６８】
また、上述の説明では、弛み除去手段６としてクラッチ機構を使用し、ターゲット１を巻き取り側スプール９に巻き取る際、送り出し側スプール１０に回転抵抗力を付与することでターゲット１の弛みを除去するようにしていたが、クラッチ機構６以外の手段を使用して送り出し側スプール１０に回転抵抗力を付与しても良い。また、送り出し側スプール１０に回転抵抗力を付与する代わりに、例えば各スプール９，１０間の集光位置１３よりも送り出し側スプール１０に近い位置でターゲット１にその移動の抵抗力を付与することで、ターゲット１の弛みを除去するようにしても良い。さらには、これらの方法以外の方法でターゲット１の弛みを除去してぴんと張るようにしても良い。
【００６９】
また、ターゲット１に付着した水分及び油分を除去する水分等除去手段１９を設けても良い。即ち、ターゲット１に付着した水分及び油分を除去しながらレーザ光線２の照射を行うようにしても良い。ターゲット１の表面には空気中の水分や図示しない真空ポンプの潤滑油等が付着しており、最も軽い元素である水素がより多く高エネルギー粒子３として加速されると考えられる。このため、水分等除去手段１９を設けて水分や油分を除去することで、ターゲット１から目的の高エネルギー粒子３をより多く発生させることができる。かかる除去手段１９としては、例えば図１３に示すように、２本の支持棒７のうち上流側の支持棒７、換言すると送り出し側となるスプールに近い方の支持棒７にヒータ電源２３から通電を行い、当該支持棒７をヒータにすることが考えられる。
【００７０】
なお、図１３の実施形態では、各スプール９，１０毎に駆動源１１を備えておりターゲット１を往復移動させることができるので、スイッチ２４を設けており、ターゲット１の移動方向に応じてヒータにする支持棒７を切り換えることができる。
【００７１】
上流側の支持棒７をヒータにすることで、ターゲット１を加熱して表面に付着した水分や油分を除去することができる。ただし、この方法に限るものではなく、例えば支持棒７とは別にヒータを設けても良く、ヒータ以外の方法でターゲット１表面の水分や油分を除去するようにしても良い。
【００７２】
【実施例】
本発明ではターゲット１の少なくともレーザ光線２が当たる部分１ａの周辺をぴんと張り、弛みを除去すると共に位置決め基準部７ａに当てることが必要である。ターゲット１をぴんと張りながら巻き取り側スプールによって確実に巻き取るためには、駆動源１１の回転出力と抵抗発生手段の回転抵抗力の関係が重要になる。駆動源１１としてステッピングモータを、抵抗発生手段としてクラッチ機構６を採用した場合のこれらの力の設定の仕方を説明する。
【００７３】
表１に、ステッピングモータ１１のモータ駆動電圧と、クラッチ機構６が発生させる回転抵抗力即ちトルク設定値を変化させた場合のターゲット１（テープ）の奥行き方向（ターゲット１の厚さ方向）誤差を示す。ステッピングモータ１１のモータ駆動電圧によって回転出力が決まる。
【表１】
表１からも明らかなように、クラッチ機構６のトルク設定値を一定（０．６ｋｇｆ・ｃｍ）にした場合、テープ表面の奥行き方向誤差はステッピングモータ駆動電圧を低くするほど小さくなる。しかしモータ駆動電圧が低すぎる（６Ｖ以下）とステッピングモータ１１が脱調する（巻き取り側スプールを回転駆動することができなくなる）ので、この場合は８Ｖが最適値となる。
【００７４】
一方、モータ駆動電圧を一定（上述の実験で求めた最適値である８Ｖ）にした場合、テープ表面の奥行き方向誤差はクラッチ機構６のトルク設定値を大きくしたほうが小さくなる。本実験ではクラッチ機構６のトルク設定値を大きくしてもステッピングモータ１１が脱調することはなかったが、トルクの増加量に対して誤差の減少量が小さいこと、ターゲット１の照射跡にかかる張力が大きくなりターゲット１が切断し易くなる可能性があることからトルク設定値は０．６ｋｇｆ・ｃｍが最適となる。
【００７５】
また、高エネルギープロトンの発生実験を行い、ターゲット１のレーザ光線照射側の面よりもその裏面側に、より多くの高エネルギー粒子３が発生することを確認した。プロトンは最も軽い元素であるため加速の効果が最も顕著であり十分なフラックスが期待できる。
【００７６】
実験では、図１に示すように、ターゲット１の表面側（レーザ照射側）に対向する位置と裏面側の取り出し口１４に対向する位置に、高エネルギーイオンを計測するためのフィルタ２５，２７とディテクタ２６，２８を設置した。フィルタ２５，２７として、ポリエチレンテレフタレートフィルム（例えばマイラー：duPont社の商品名）を使用した。また、ディテクタ２６，２８として固体飛跡検出器を使用し、その固体飛跡検出器用プラスチック板としてバリオトラック（BARYOTRAK-P(CR)、長瀬ランダウア株式会社の商品名）を使用した。フィルタ２５，２７はそれぞれ重ねて使用したが、重ねる枚数を部分的に変えて使用した。即ち、０枚（フィルタが無い）〜７枚重ねの領域を作った。これらの領域に対応してディテクタ２６，２８の状態を観察することで、発生した高エネルギープロトンのエネルギーを識別できるようにした。
【００７７】
レーザ光線照射手段４からパルスエネルギー１２０ｍＪ、パルス幅６０ｆｓ、波長８００ｎｍのレーザ光線２を出射し、軸外し放物面ミラー１５を用いて厚さ５μｍの銅テープ（ターゲット１）に集光させた。レーザ光線２の単位面積当たりの出力は５ｅ１８Ｗ／ｃｍ２となる。
【００７８】
ターゲット１の裏面側に設置したディテクタ２８では、１ＭｅＶ以上の高エネルギープロトンが観測された。また、エネルギーの大小にかかわらず全体的に多くの高エネルギープロトンが観測された。これに対し、ターゲット１の表面側に設置したディテクタ２６で観測された高エネルギープロトンの最大エネルギーは、１００〜３５０ｋｅＶ程度であった。また、高エネルギープロトンはあまり多く観測されなかった。これらの結果、ターゲット１の裏面側から高エネルギー粒子３を取り出すことが、高エネルギー粒子３の効率的な利用に繋がることが確認できた。なお、銅テープの表面には空気中の水分や真空ポンプの潤滑油などが付着しており、検出された高エネルギープロトンは最も軽い元素である水素が加速されたものであると考えられる。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の高エネルギー粒子の発生方法では、巻き取り可能なテープ状のターゲットに、瞬間的な照射でターゲットの電離が可能なエネルギーのレーザ光線を繰り返し照射し、レーザ光線を照射する毎にターゲットを所定距離だけ巻き取ってレーザ光線が当たる部分をずらすとともに、ターゲットのレーザ光線が当たる部分の送り出し側の位置と巻き取り側の位置を２つの位置決め基準部に当ててターゲットの送り出し側スプールにクラッチ機構による回転抵抗力を与えた状態で巻き取り側スプールを駆動することで位置決め基準部の間にターゲットのレーザ光線が当たる部分をぴんと張り、巻き取り側スプールを停止させた状態で照射を行うようにしているので、続けて繰り返すことができるレーザ光線の照射回数を大幅に増加させることができると共に、ターゲットの位置決めを迅速に且つ容易に行うことができる。これらのため、高エネルギー粒子の発生方法の実用性を高めることができる。
【００８０】
また、請求項２記載の高エネルギー粒子の発生方法では、ターゲットをその幅方向に移動させるようにしているので、レーザ光線を複数列にわたり照射することができ、ターゲットを有効に利用することができる。このため経済的であり、また発生方法の実用性をより一層高めることができる。
【００８１】
また、請求項３記載の高エネルギー粒子の発生方法では、送り出し側スプールと巻き取り側スプールのいずれにもなり得るスプールを一対設け、ターゲットを他方のスプールから一方のスプールに巻き取りながらレーザ光線の照射を行うと共に、一方のスプールから他方のスプールに巻き取りながらレーザ光線の照射を行うようにしているので、ターゲットを往復させてレーザ光線の照射回数をさらに増加させることができ、ターゲットを有効に利用することができる。このため経済的であり、また発生方法の実用性をより一層高めることができる。
【００８２】
また、請求項４記載の高エネルギー粒子の発生方法では、レーザ光線がターゲットに当たる位置の当該ターゲットを挟んだ裏側から高エネルギー粒子を取り出すようにしているので、発生した高エネルギー粒子をより多く取り出すことができ、高エネルギー粒子の効率的な利用が可能になる。
【００８３】
また、請求項５記載の高エネルギー粒子の発生方法では、レーザ光線がターゲットに当たる位置の周囲をマスキングしながらレーザ光線の照射を行うようにしているので、ターゲットの目的の部分以外の部分にレーザ光線が当たるのを防止することができる。このため、ターゲットの切断や皺の発生を防止することができ、ターゲットが途中で使用できなくなることを防止することができる。
【００８４】
また、請求項６記載の高エネルギー粒子の発生方法では、ターゲットに付着した水分及び油分を除去しながらレーザ光線の照射を行うようにしているので、ターゲットから発生する高エネルギー粒子の割合を高めることができ、目的の高エネルギー粒子を効率よく発生させることができる。
【００８５】
さらに、請求項７記載の高エネルギー粒子発生装置では、巻き取り可能なテープ状のターゲットと、瞬間的な照射でターゲットの電離が可能なエネルギーのレーザ光線をターゲットに繰り返し照射して高エネルギー粒子を発生させるレーザ光線照射手段と、レーザ光線照射手段がレーザ光線を照射する毎にターゲットを巻き取ってレーザ光線が当たる部分をずらす巻き取り手段と、ターゲットのレーザ光線が当たる部分の周辺の弛みを取る弛み除去手段と、ターゲットのレーザ光線が当たる部分の周辺を位置決めする位置決め手段を備え、巻き取り手段はターゲットが巻かれている送り出し側スプールとターゲットを巻き取る巻き取り側スプールとを有し、弛み除去手段は送り出し側スプールにクラッチ機構によって回転抵抗力を付与するものであり、位置決め手段はターゲットのレーザ光線が当たる部分の送り出し側の位置と巻き取り側の位置を支持する２つの位置決め基準部を有し、レーザ光線照射手段は、ターゲットを位置決め基準部に当てて弛み除去手段が送り出し側スプールに回転抵抗力を与えた状態で巻き取り手段がターゲットを所定距離だけ巻き取ることで位置決め基準部の間にターゲットのレーザ光線が当たる部分をぴんと張り停止させた状態で照射を行なうようにしているので、続けて繰り返すことができるレーザ光線の照射回数を大幅に増加させることができると共に、ターゲットの位置決めを迅速に且つ容易に行うことができる。これらのため、実用性の高い高エネルギー粒子発生装置を提供することができる。
【００８６】
また、請求項８記載の高エネルギー粒子発生装置では、ターゲットをその幅方向に移動させる幅方向移動手段を備えているので、レーザ光線を複数列にわたり照射することができ、ターゲットを有効に利用することができる。このため経済的であり、また高エネルギー粒子発生装置の実用性をより一層高めることができる。
【００８７】
また、請求項９記載の高エネルギー粒子発生装置では、巻き取り手段は送り出し側スプールと巻き取り側スプールのいずれにもなり得るスプールを一対備え、他方のスプールに巻かれているターゲットを一方のスプールで巻き取り可能であり、一方のスプールに巻かれているターゲットを他方のスプールで巻き取り可能であるので、ターゲットを往復させてレーザ光線の照射回数をさらに増加させることができ、ターゲットを有効に利用することができる。このため経済的であり、また高エネルギー粒子発生装置の実用性をより一層高めることができる。
【００８８】
また、請求項１０記載の高エネルギー粒子発生装置では、レーザ光線がターゲットに当たる位置の当該ターゲットを挟んだ裏側に高エネルギー粒子の取り出し口を設けているので、発生した高エネルギー粒子をより多く取り出すことができ、高エネルギー粒子の効率的な利用が可能になる。
【００８９】
また、請求項１１記載の高エネルギー粒子発生装置では、レーザ光線がターゲットに当たる位置の周囲を覆うマスクを備えているので、ターゲットの目的の部分以外の部分にレーザ光線が当たるのを防止することができる。このため、ターゲットの切断や皺の発生を防止することができ、ターゲットが途中で使用できなくなることを防止することができる。
【００９０】
また、請求項１２記載の高エネルギー粒子発生装置では、ターゲットに付着した水分及び油分を除去する水分等除去手段を備えているので、ターゲットから発生する高エネルギー粒子の割合を高めることでき、目的の高エネルギー粒子を効率よく発生させることができる。
【００９１】
さらに、請求項１３記載の高エネルギー粒子発生装置では、一対のスプールの各々について、当該スプールを回転させる駆動源と当該スプールの回転抵抗力を発生させる抵抗発生手段とを同軸上に配置し、一方のスプールに設けた駆動源および他方のスプールに設けた抵抗発生手段と他方のスプールに設けた駆動源および一方のスプールに設けた抵抗発生手段とを選択的に作動させるので、装置を大型化させることなく、ターゲットを往復移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した高エネルギー粒子発生装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の高エネルギー粒子発生装置の装置本体をターゲットの裏側からみた概略構成図である。
【図３】図１の高エネルギー粒子発生装置の装置本体をターゲットの側方からみた概略構成図である。
【図４】軸外し放物面ミラーを用いてレーザ光線を集光させた場合の照射跡を示す図である。
【図５】本発明を適用した高エネルギー粒子の発生方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。
【図６】ターゲットを一方向に移動させながらレーザ照射を行う場合の概念図である。
【図７】本発明を適用した高エネルギー粒子発生装置の第２の実施形態を示し、その装置本体をターゲットの裏側からみた概略構成図である。
【図８】本発明を適用した高エネルギー粒子発生装置の第３の実施形態を示し、その幅方向移動手段をターゲットの裏側からみた概略構成図である。
【図９】本発明を適用した高エネルギー粒子発生装置の第３の実施形態を示し、その幅方向移動手段のをターゲットの側方からみた概略構成図である。
【図１０】ターゲットを往復移動させながら幅方向にも移動させてレーザ照射を行う場合の概念図である。
【図１１】ターゲットを往復移動させながらレーザ照射を行う場合の概念図である。
【図１２】ターゲットを一方向に移動させながら幅方向にも移動させてレーザ照射を行う場合の概念図である。
【図１３】本発明を適用した高エネルギー粒子発生装置の第４の実施形態を示し、その装置本体をターゲットの裏側からみた概略構成図である。
【符号の説明】
１ ターゲット
１ａ レーザ光線が当たる部分
２ レーザ光線
３ 高エネルギー粒子
４ レーザ光線照射手段
５ 巻き取り手段
６ クラッチ機構（弛み除去手段、抵抗発生手段）
７ 位置決め手段
７ａ 位置決め基準部
９，１０ スプール
１１ ステッピングモータ（駆動源）
１３ 集光位置（レーザ光線がターゲットに当たる位置）
１４ 高エネルギー粒子の取り出し口
１６ マスク
１９ 水分等除去手段
１８ 幅方向移動手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光線を利用した高エネルギー粒子の発生方法および高エネルギー粒子発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物質や材料の状態を測定する方法として、短時間パルスのイオンビームや電子、陽電子ビームあるいはＸ線などの高エネルギー粒子を測定対象物に照射し、その後の測定対象物の過渡的な特性変化を計測する方法や、その高エネルギー粒子の透過イメージを分析する方法がある。そして、これらの方法で使用する高エネルギー粒子を発生させる手段として、従来は原子炉や加速器を使用していた。
【０００３】
ところで、原子炉や加速器を使用して高エネルギー粒子を発生させるには、大掛かりな設備や装置類が必要であり、しかも高度な専門知識も必要となる。このため、より簡便な方法としてレーザ光線を金属箔やプラスチックフィルム等のターゲットの表面に瞬間的に集光することで高エネルギー粒子を発生させる方法が提案されている（特開２００２−１０７４９９号公報）。
【０００４】
かかる高エネルギー粒子の発生方法では、ターゲットとして金属箔やプラスチックフィルム等の薄膜を使用する場合、通常、厚さが２０μｍ以下の極めて薄いものを採用する。そして、このように極めて薄いターゲットを支持枠に貼り付けてぴんと張り、レーザ光線の集光位置にターゲットを正確に配置するようにしてターゲットの面精度（ターゲットの厚さ方向の精度で、レーザ光線の集光位置にターゲットの表面を合わせる精度）や位置精度（ターゲットの表面に沿う方向の精度で、ターゲットの所定部分にレーザ光線を当てる精度）を確保することが考えられている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１０７４９９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ターゲットの薄膜を支持枠に貼り付け支持する方法では、支持枠が大きくなるとターゲットが弛みやすくなるので、あまり大きな支持枠を採用することができず、したがって大きな薄膜をターゲットとして使用することができなかった。このため１枚のターゲットに対してレーザ光線を照射できる回数が数回程度に限られ、ターゲット交換せずに続けることができるレーザ光線の照射回数（ショット数）が数回程度に限られてしまい、この回数を多くしたいとの要請があった。
【０００７】
また、高エネルギー粒子を発生させるためにはレーザ光線をターゲット表面に正確に集光させる必要がある。このためターゲットを交換する際、新しいターゲットをレーザ光線の集光位置にターゲットの厚さ方向１００μｍ以下の誤差で位置決めしなければならない。しかもターゲットの交換を迅速に行うためにはターゲットを素早く動かして位置決めを行う必要がある。
【０００８】
本発明は、続けて繰り返すことができる照射回数を大幅に増加させることができると共に、ターゲットの正確な位置決めが容易な高エネルギー粒子の発生方法および高エネルギー粒子発生装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために請求項１記載の高エネルギー粒子の発生方法は、巻き取り可能なテープ状のターゲットに、瞬間的な照射でターゲットの電離が可能なエネルギーのレーザ光線を繰り返し照射し、レーザ光線を照射する毎にターゲットを所定距離だけ巻き取ってレーザ光線が当たる部分をずらすとともに、ターゲットのレーザ光線が当たる部分の送り出し側の位置と巻き取り側の位置を２つの位置決め基準部に当ててターゲットの送り出し側スプールにクラッチ機構による回転抵抗力を与えた状態で巻き取り側スプールを駆動することで位置決め基準部の間にターゲットのレーザ光線が当たる部分をぴんと張り、巻き取り側スプールを停止させた状態で照射を行うものである。
【００１０】
高エネルギーのレーザ光線をターゲットに照射すると、ターゲットから高エネルギーの粒子が発生する。ターゲットはテープ状を成しており、巻き取り可能である。レーザ光線を照射して高エネルギー粒子を発生させた後、ターゲットを所定距離だけ巻き取ることで別の部分にレーザ光線を当てることができる。レーザ光線の照射とターゲットの巻き取りを繰り返し行うことで、続けて繰り返し高エネルギー粒子を発生させることができる。テープ状のターゲットは長尺であり、ターゲット交換を行うことなく、１本のターゲットに対して何度も繰り返しレーザ光線を照射することができる。
【００１１】
高エネルギー粒子を発生させるためにはターゲット上にレーザ光線を正確に集光させる必要があるが、ターゲットのレーザ光線が当たる部分の周辺の弛みを取ってぴんと張り、位置決め基準部に当てることで、レーザ光線の集光位置にターゲットを正確に配置することができる。また、ターゲットの材料を変えることで、異なる種類の高エネルギー粒子を発生させることができる。
【００１２】
また、請求項２記載の高エネルギー粒子の発生方法は、ターゲットをその幅方向に移動させるものである。ターゲットをその幅方向に移動させることで、レーザ光線を１度当てた部分から幅方向にずらして当てることができる。即ち、ターゲットを単に巻き取るのみではレーザ光線を当てる部分を１列分しか取ることができないが、ターゲットを幅方向にも移動させることで、レーザ光線を当てる部分を複数列にわたって取ることができる。
【００１３】
また、請求項３記載の高エネルギー粒子の発生方法は、送り出し側スプールと巻き取り側スプールのいずれにもなり得るスプールを一対設け、ターゲットを他方のスプールから一方のスプールに巻き取りながらレーザ光線の照射を行うと共に、一方のスプールから他方のスプールに巻き取りながらレーザ光線の照射を行うものである。したがって、ターゲットを往復移動させて使用することができる。
【００１４】
また、請求項４記載の高エネルギー粒子の発生方法は、レーザ光線がターゲットに当たる位置の当該ターゲットを挟んだ裏側から高エネルギー粒子を取り出すものである。
【００１５】
高エネルギー粒子はターゲットのレーザ光線照射側の面よりもその裏面側に多く発生するので、ターゲットの裏側から高エネルギー粒子を取り出すことで、より多くの高エネルギー粒子を利用することができる。
【００１６】
また、請求項５記載の高エネルギー粒子の発生方法は、レーザ光線がターゲットに当たる位置の周囲をマスキングしながらレーザ光線の照射を行うものである。したがって、ターゲットの照射領域を制限することができ、目的の部分以外の部分にレーザ光線が当たるのを防止することができる。
【００１７】
また、請求項６記載の高エネルギー粒子の発生方法は、ターゲットに付着した水分及び油分を除去しながらレーザ光線の照射を行うものである。
【００１８】
目的の高エネルギー粒子を発生させるためにターゲットの材料を選択しても、そのターゲットに水分や油分が付着していると目的としない高エネルギー粒子も数多く発生する。ターゲットに付着した水分や油分を除去することで、目的の高エネルギー粒子をより多く発生させることができる。
【００１９】
さらに、請求項７記載の高エネルギー粒子発生装置は、巻き取り可能なテープ状のターゲットと、瞬間的な照射でターゲットの電離が可能なエネルギーのレーザ光線をターゲットに繰り返し照射して高エネルギー粒子を発生させるレーザ光線照射手段と、レーザ光線照射手段がレーザ光線を照射する毎にターゲットを巻き取ってレーザ光線が当たる部分をずらす巻き取り手段と、ターゲットのレーザ光線が当たる部分の周辺の弛みを取る弛み除去手段と、ターゲットのレーザ光線が当たる部分の周辺を位置決めする位置決め手段を備え、巻き取り手段はターゲットが巻かれている送り出し側スプールとターゲットを巻き取る巻き取り側スプールとを有し、弛み除去手段は送り出し側スプールにクラッチ機構によって回転抵抗力を付与するものであり、位置決め手段はターゲットのレーザ光線が当たる部分の送り出し側の位置と巻き取り側の位置を支持する２つの位置決め基準部を有し、レーザ光線照射手段は、ターゲットを位置決め基準部に当てて弛み除去手段が送り出し側スプールに回転抵抗力を与えた状態で巻き取り手段がターゲットを所定距離だけ巻き取ることで位置決め基準部の間にターゲットのレーザ光線が当たる部分をぴんと張り停止させた状態で照射を行なうものである。
【００２０】
レーザ光線照射手段によって高エネルギーのレーザ光線をターゲットに照射すると、ターゲットから高エネルギーの粒子が発生する。ターゲットはテープ状を成しており、巻き取り可能である。レーザ光線を照射して高エネルギー粒子を発生させた後、巻き取り手段によってターゲットを所定距離だけ巻き取ることでターゲットの別の部分にレーザ光線を当てることができ、繰り返し高エネルギー粒子を発生させることができる。テープ状のターゲットは長尺であり、ターゲット交換を行うことなく、１本のターゲットを使用して何度も繰り返しレーザ光線を照射することができる。
【００２１】
高エネルギー粒子を発生させるためにはターゲット上にレーザ光線を正確に集光させる必要があるが、弛み除去手段によってターゲットのレーザ光線が当たる部分の周辺の弛みを取ってぴんと張り、位置決め手段によって位置決めすることで、レーザ光線の集光位置にターゲットを正確に配置することができる。また、ターゲットの材料を変えることで、異なる種類の高エネルギー粒子を発生させることができる。
【００２２】
また、請求項８記載の高エネルギー粒子発生装置は、ターゲットをその幅方向に移動させる幅方向移動手段を備えるものである。したがって、幅方向移動手段によってターゲットを幅方向に移動させることでレーザ光線が当たる部分を幅方向にずらすことができる。ターゲットを単に巻き取るのみではレーザ光線を当てる部分を１列分しか取ることができないが、幅方向移動手段によってターゲットを幅方向にも移動させることで、レーザ光線を当てる部分を複数列取ることができる。
【００２３】
また、請求項９記載の高エネルギー粒子発生装置は、巻き取り手段が送り出し側スプールと巻き取り側スプールのいずれにもなり得るスプールを一対備えており、他方のスプールに巻かれているターゲットを一方のスプールで巻き取り可能であり、一方のスプールに巻かれているターゲットを他方のスプールで巻き取り可能としている。したがって、ターゲットを往復させて使用することができる。
【００２４】
また、請求項１０記載の高エネルギー粒子発生装置は、レーザ光線がターゲットに当たる位置の当該ターゲットを挟んだ裏側に高エネルギー粒子の取り出し口を設けたものである。
【００２５】
高エネルギー粒子はターゲットのレーザ光線照射側の面よりもその裏面側により多く発生するので、ターゲットの裏側に取り出し口を設けることでより多くの高エネルギー粒子を利用することができる。
【００２６】
また、請求項１１記載の高エネルギー粒子発生装置は、レーザ光線がターゲットに当たる位置の周囲を覆うマスクを備えるものである。したがって、マスクによってターゲットの照射領域を制限することができ、目的の部分以外の部分にレーザ光線が当たるのを防止することができる。
【００２７】
また、請求項１２記載の高エネルギー粒子発生装置は、ターゲットに付着した水分及び油分を除去する水分等除去手段を備えるものである。
【００２８】
目的の高エネルギー粒子を発生させるためにターゲットの材料を選択しても、そのターゲットに水分や油分が付着していると目的以外の高エネルギー粒子も数多く発生する。水分等除去手段によってターゲットに付着した水分や油分を除去することで、目的の高エネルギー粒子をより多く発生させることができる。
【００２９】
また、請求項１３記載の高エネルギー粒子発生装置は、一対のスプールの各々について、当該スプールを回転させる駆動源と当該スプールの回転抵抗力を発生させる抵抗発生手段とを同軸上に配置し、一方のスプールに設けた駆動源および他方のスプールに設けた抵抗発生手段と他方のスプールに設けた駆動源および一方のスプールに設けた抵抗発生手段とを選択的に作動させるものである。
【００３０】
したがって、一方のスプールに設けた駆動源および他方のスプールに設けた抵抗発生手段を作動させると、一方のスプールが巻き取り側スプールとなり、ターゲットを他方のスプールから一方のスプールに移動させることができる。このとき、送り出し側スプールとなる他方のスプールの抵抗発生手段が回転抵抗力を発生させるので、ターゲットの弛みが防止され、正確に位置決めされる。
【００３１】
逆に、他方のスプールに設けた駆動源および一方のスプールに設けた抵抗発生手段を作動させると、他方のスプールが巻き取り側スプールとなり、ターゲットを一方のスプールから他方のスプールに移動させることができる。このとき、送り出し側スプールとなる一方のスプールの抵抗発生手段が回転抵抗力を発生させるので、ターゲットの弛みが防止され、正確に位置決めされる。
【００３２】
また、駆動源と抵抗発生手段をスプールと同軸上に配置しているので、装置の小型化が可能である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００３４】
図１〜図３に本発明を適用した高エネルギー粒子発生装置の実施形態の一例を示す。この高エネルギー粒子発生装置は、巻き取り可能なテープ状のターゲット１と、瞬間的な照射でターゲット１の電離が可能なエネルギーのレーザ光線２をターゲット１に繰り返し照射して高エネルギー粒子３を発生させるレーザ光線照射手段４と、レーザ光線照射手段４がレーザ光線２を照射する毎にターゲット１を巻き取ってレーザ光線２が当たる部分１ａをずらす巻き取り手段５と、ターゲット１のレーザ光線２が当たる部分１ａの周辺の弛みを取る弛み除去手段６と、ターゲット１のレーザ光線２が当たる部分１ａの周辺を位置決めする位置決め手段７を備えたものである。この高エネルギー粒子発生装置は、例えばレーザ光線照射手段４を除き、真空容器８内に収容され真空中で使用される。
【００３５】
ターゲット１はテープ状を成しており長尺である。ターゲット１の材料は、発生させる高エネルギー粒子３の種類に応じて適宜選択される。このターゲット１は巻き取り手段５によって巻き取られ移動する。ターゲット１をテープ状にすることで、ターゲット１の全面積を増やすことができ、レーザ光線２の照射に使用できる部分（レーザ光線２が当たる部分１ａ）の数を多く取ることができる。このため、ターゲット交換を行わずに続けて繰り返すことができるレーザ照射の回数を増やすことができる。
【００３６】
ターゲット１は、例えば銅テープである。ただし、銅テープに限るものではなく、その他の金属テープ、樹脂テープ等をターゲット１として使用しても良い。ターゲット１の材料を適宜選択することで、高エネルギー粒子３として、短時間パルスのイオンビームや電子、陽電子ビームあるいはＸ線等を発生させることができる。また、ターゲット１の厚さは例えば５μｍである。ただし、ターゲット１の厚さは５μｍに限るものではないことは勿論である。
【００３７】
巻き取り手段５は、例えば一対のスプール９，１０と駆動源１１より構成されている。駆動源１１は、例えばステッピングモータである。駆動源１１はフレーム１２に固定されており、その出力軸１１ａには一方のスプール９が取り付けられている。
【００３８】
弛み除去手段６は、例えば回転軸２９の回転抵抗力を発生させるクラッチ機構（以下、クラッチ機構６という）で、フレーム１２に固定されている。クラッチ機構６は、駆動源１１から離れた位置に固定されている。回転軸２９には他方のスプール１０が取り付けられている。一対のスプール９，１０のうち、駆動源１１の出力軸１１ａに取り付けられたスプール９が巻き取り側スプールとなり、回転軸２９に取り付けられたスプール１０が送り出し側スプールとなる。つまり、送り出し側スプール１０に巻き取られているターゲット１を巻き取り側スプール９によって巻き取ることで、ターゲット１を移動させる。
【００３９】
位置決め手段７は、例えば２本の支持棒（以下、支持棒７という）である。支持棒７はレーザ光線２がターゲット１に当たる位置１３、換言するとレーザ光線２を集光させる位置（以下、集光位置１３という）の上下両側に設けられており、ターゲット１を集光位置１３に導いている。支持棒７のターゲット１を導く部分が位置決め基準部７ａである。支持棒７はフレーム１２の側面に固定されている。２本の支持棒７は、例えば２ｃｍの間隔をあけて設けられている。ただし、２本の支持棒７の間隔は２ｃｍに限るものではないことは勿論である。
【００４０】
ターゲット１にレーザ光線２を照射することで発生する高エネルギー粒子３は、照射側の面とは反対側の面からより多く発生する。本実施形態では、レーザ光線２がターゲット１に当たる位置（集光位置）１３のターゲット１を挟んだ裏側に高エネルギー粒子３の取り出し口１４を設けている。即ち、位置決め手段７を２本の支持棒７によって構成することで、ターゲット１の裏側に取り出し口１４となる空きスペースを確保し、この部分からの高エネルギー粒子３の射出を妨げないようにしている。このため、発生した高エネルギー粒子３をより多く取り出すことができ、高エネルギー粒子３の利用効率を高めている。
【００４１】
レーザ光線照射手段４は、例えば２ＴＷ出力のチャープパルス増幅（ＣＰＡ）技術を用いたチタン：サファイアレーザ装置である。このレーザ装置は、例えばパルス幅６０フェムト秒で１２０ミリジュール程度のエネルギーを有するレーザ光線２を、例えば直径１０ミクロン程度の大きさに集光してターゲット１に照射することができる。即ち、このレーザ装置では、発振器で発生させたレーザ光線をパルス幅拡張器でパルス幅の拡張を行った後、増幅器で増幅し、さらにパルス幅圧縮器でパルス幅を圧縮することでピークパワーを増加させている。そして、この様にして発生させた超短パルスでピークパワーの大きなレーザ光線２を例えば軸外し放物面ミラー１５によって集光し、ターゲット１に照射する。例えば、発振器で発生させたパルス時間幅が２０フェムト秒、レーザエネルギーが６ナノジュールのレーザ光線をパルス幅拡張器によってパルス時間幅が３００ピコ秒、レーザエネルギーが３ナノジュールのレーザ光線にした後、増幅器でパルス時間幅が３００ピコ秒、レーザエネルギーが２４０ミリジュールのレーザ光線にし、さらにパルス幅圧縮器によってパルス時間幅が６０フェムト秒、レーザエネルギーが１２０ミリジュールのレーザ光線２に変換する。このようにパルス時間幅を圧縮することで、レーザ光線２のピーク出力を２ＴＷにすることができる。
【００４２】
パルス幅がピコ秒程度よりも短いレーザ光線２をターゲット１の表面に瞬間的に集光すると、高エネルギーかつ超短時間パルス（例えば数１０ｆｓ程度の短パルス）の高エネルギー粒子３が発生する。
【００４３】
例えば、レーザ集光時に発生する高エネルギー粒子３の温度（エネルギー）を求める式を数式１に示す。
【数１】
【００４４】
数式１によると、例えば薄膜のターゲット１に対してレーザ光線２をＩ＝１０１９Ｗ／ｃｍ２に集光して照射した場合には、波長８００ｎｍのレーザ光線２によって０．７ＭｅＶの高エネルギー電子を発生させることができる。また、レーザ光線２にプレパルスがなければ、レーザ光線２は非常に急峻な境界面を照射することになり、いわゆるバーネル加熱機構により数式１で記述されるようなポンデラ・モーティブ・ポテンシャル以上のエネルギーまで電子を加速することができる。
【００４５】
この高エネルギー粒子発生装置は、レーザ光線２がターゲット１に当たる位置１３の周囲を覆うマスク１６を備えており、ターゲット１の目的の部分以外の部分にレーザ光線２が当たるのを防止している。
【００４６】
レーザ光線照射手段４によって出射されたレーザ光線２は、例えば軸外し放物面ミラー１５によってターゲット１に集光させる。軸外し放物面ミラー１５は、例えばアルミブロックを所定形状に切削加工し、金コーティングを施すことで製造される。軸外し放物面ミラー１５は安価である一方、反射面の切削加工の跡が原因で、レーザ集光パターンは線状のプロファイルが重畳したパターンとなる。図４に軸外し放物面ミラー１５を用いてレーザ光線２を集光させた場合の照射跡を示す。ターゲット１の厚さが薄い場合はこのような線状のプロファイル１７によって容易にテープ（ターゲット１）が切断されてしまう。マスク１６によって照射領域を制限することで、このような切断や、皺の発生を防止することができる。この結果、ターゲット１の面積を有効に利用することが可能となる。
【００４７】
本発明では、以下のようにして高エネルギー粒子３を発生させる。即ち、巻き取り可能なテープ状のターゲット１に、瞬間的な照射でターゲット１の電離が可能なエネルギーのレーザ光線２を繰り返し照射し、レーザ光線２を照射する毎にターゲット１を巻き取ってレーザ光線２が当たる部分１ａをずらすとともに、ターゲット１のレーザ光線２が当たる部分１ａの周辺の弛みを取りながら且つ部分１ａの周辺を位置決め基準部７ａに当てながら照射を行うものである。
【００４８】
図５に基づいて説明すると、ターゲット１にレーザ光線２を照射し高エネルギー粒子３を発生させた（ステップ５１）後、ターゲット１を所定距離だけ巻き取りレーザ光線２が当たる部分１ａをずらす（ステップ５２）。ステップ５１と５２を繰り返し行うことで、図６に示すように、多数のレーザ光線２が当たる部分１ａがターゲット１の長手方向に少しずつ間隔をおきながら１本の長い列となり、１本の長いターゲット１を使い切るまで繰り返し高エネルギー粒子３を発生させることができる。
【００４９】
レーザ光線照射手段４は瞬間的な照射で高エネルギー粒子３を発生させることができるエネルギーのレーザ光線２を出射可能であると共に、瞬間的な照射を極短時間の間隔で繰り返し行うことができる。また、巻き取り手段５によってテープ状のターゲット１を若干距離だけ巻き取ることでターゲット１を移動させることができるので、ターゲット１のレーザ光線２が当たる部分１ａを素早くずらすことができる。これらのため、ステップ５１と５２を短時間で繰り返し行うことができ、間欠的に続けて高エネルギー粒子３を発生させることができる。しかも、ターゲット１は１本の長いテープであり、続けて何回も高エネルギー粒子３を発生させることができる。
【００５０】
巻き取り手段５がターゲット１を巻き取る際、弛み除去手段であるクラッチ機構６が送り出し側スプール１０に回転抵抗力を付与している。したがって、２本の支持棒７間にターゲット１をぴんと張ることができ、ターゲット１のレーザ光線２が当たる部分１ａの周辺の弛みを取りながらレーザ照射を行うことができる。また、ターゲット１を２本の支持棒７間にぴんと張ることで、ターゲット１が支持棒７の位置決め基準部７ａに当たりターゲット１の厚さ方向に正確に位置決めされる。
【００５１】
また、巻き取り手段５の駆動源１１としてステッピングモータを使用しているので、ターゲット１を正確に所定距離だけ巻き取りことができ、レーザ光線２をターゲット１の所定部分に正確に当てることができる。
【００５２】
発生した高エネルギー粒子３は、レーザ光線２がターゲット１に当たる位置１３の当該ターゲット１を挟んだ裏側から取り出される。レーザ光線２が当たった部分の裏面側から高エネルギー粒子３が最も多く発生するので、位置１３のターゲット１を挟んだ裏側から高エネルギー粒子３を取り出すようにすることで、効率よく高エネルギー粒子３を取り出すことができる。
【００５３】
また、マスク１６を備えることで、レーザ光線２がターゲット１に当たる位置１３の周囲をマスキングしながらレーザ光線２の照射を行うことができ、照射領域を制限して目的の部分以外の部分にレーザ光線２が当たるのを防止することができる。
【００５４】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００５５】
例えば、上述の説明では、巻き取り手段５はターゲット１を他方のスプール１０から一方のスプール９に巻き取るものであったが、必ずしもこの構成に限るものではなく、他方のスプール１０に巻かれているターゲット１を一方のスプール９で巻き取り可能にし、一方のスプール９に巻かれているターゲット１を他方のスプール１０で巻き取り可能にしても良い。即ち、ターゲット１を他方のスプール１０から一方のスプール９に巻き取りながらレーザ光線２の照射を行うと共に、一方のスプール９から他方のスプール１０に巻き取りながらレーザ光線２の照射を行うようにしても良い。換言すれば、ターゲット１を往復移動させるようにしても良い。なお、ターゲット１を往復させる回数は、１往復に限るものではなく、１．５往復又は２往復以上させるようにしても良い。
【００５６】
この場合、例えば図７に示すように、一対のスプール９，１０の各々について、当該スプール９，１０を回転させる駆動源１１と当該スプール９，１０の回転抵抗力を発生させる抵抗発生手段とを同軸上に配置し、一方のスプール９に設けた駆動源１１および他方のスプール１０に設けた抵抗発生手段と他方のスプール１０に設けた駆動源１１および一方のスプール９に設けた抵抗発生手段とを選択的に作動させるようにすることが好ましい。本実施形態では、駆動源１１として回転軸を両側に突出させるステッピングモータを使用し、一側に突出する回転軸１１ａにスプール９，１０を取り付け、他側に突出する回転軸（図示せず）に抵抗発生手段を取り付けている。抵抗発生手段は、例えば駆動源１１の他側に突出する回転軸の回転抵抗力を発生させるクラッチ機構６である。即ち、抵抗発生手段であるクラッチ機構６によって弛み除去手段を構成している。
【００５７】
一方のスプール９に設けた駆動源１１および他方のスプール１０に設けたクラッチ機構６を作動させると、一方のスプール９が巻き取り側スプールとなり、ターゲット１を他方のスプール１０から一方のスプール９に移動させることができる。このとき、送り出し側スプールとなる他方のスプール１０の抵抗発生手段（クラッチ機構６）が回転抵抗力を発生させるので、ターゲット１の弛みを防止して２本の支持棒７間にぴんと張ることができ、また、ターゲット１を位置決め基準部７ａに当てるのでターゲット１を集光位置１３に正確に位置決めすることができる。
【００５８】
また、他方のスプール１０に設けた駆動源１１および一方のスプール９に設けたクラッチ機構６を作動させると、他方のスプール１０が巻き取り側スプールとなり、ターゲット１を一方のスプール９から他方のスプール１０に移動させることができる。このとき、送り出し側スプールとなる一方のスプール９の抵抗発生手段（クラッチ機構６）が回転抵抗力を発生させるので、ターゲット１の弛みを防止して２本の支持棒７間にぴんと張ることができ、また、ターゲット１を位置決め基準部７ａに当てるので、ターゲット１を集光位置１３に正確に位置決めすることができる。
【００５９】
また、駆動源１１の同軸上にスプール９、１０と抵抗発生手段を直接配置すると、いわゆるカセットテープメカニズムのようなテープ走行系を安定化させるための複雑なメカニズムが不要となり、高エネルギー粒子発生装置を小型化、単純化できる。
【００６０】
また、例えば図８及び図９に示すように、ターゲット１をその幅方向に移動させる幅方向移動手段１８を備えても良い。即ち、ターゲット１をその幅方向に移動させるようにしても良い。本実施形態では、フレーム１２を移動させることでターゲット１を移動させるようにしている。この場合、レーザ光線照射手段４と軸外し放物面ミラー１５については移動させないので、マスク１６も移動させない。幅方向移動手段１８は、例えばターゲット１の幅方向に沿って敷設されたガイドレール２０と、ガイドレール２０に案内されて移動するスライダ２１と、スライダ２１を移動させる駆動源２２を備えており、フレーム１２はスライダ２１上に載置され固定されている。駆動源２２は、例えばステッピングモータであり、スクリュウ２５を回転させることでスライダ２１をガイドレール２０上で往復移動させることができる。ステッピングモータ２２が停止している場合にはスライダ２１は静止している。ステッピングモータ２２を所定パルス分だけ正転又は逆転させることで、スライダ２１を一方向又は他方向に所定距離だけ移動させることができ、ターゲット１をその幅方向に所定距離だけ移動させることができる。
【００６１】
ターゲット１を往復移動可能にすると共に、幅方向にも移動可能にした場合のレーザ照射の概念を図１０に示す。例えば、ターゲット１を図中Ａ方向に移動させながらターゲット１の右寄り部分にレーザ光線２を照射し、その後、ターゲット１を図中Ｂ方向に戻しながらターゲット１の左寄り部分にレーザ光線２を照射する。このようにすることで、１本のターゲット１を使用して２列のレーザ照射を行うことができる。このため、１本のターゲット１に対するレーザ光線２の照射回数を大幅に増やすことができ、ターゲット１を有効に利用することができると共に、続けて繰り返すことができるレーザ照射回数を大幅に増加させることができ、使い勝手を向上させることができる。
【００６２】
このように、ターゲット１を往復移動可能（双方向駆動）にすると共に、幅方向にも移動可能にすることで、ターゲット１を長さ方向に１列分使い果たしてもターゲット１を幅方向に少しだけ移動させることで別の新しい列を使うことができる。このため、ターゲット１の巻き取り方向を反転させるだけでレーザ光線２の照射を素早く再開することができると共に、ターゲット１の長さ方向だけでなく、幅方向についてもレーザ照射領域を拡張することができる。
【００６３】
また、ターゲット１を往復移動可能ではあるが、幅方向移動手段１８を備えていない場合のレーザ照射の概念を図１１に示す。例えば、幅が狭く複数列にわたるレーザ照射を行うことができないターゲット１を使用する場合等には、幅方向移動手段１８の設置を省略しても良い。例えば、ターゲット１を図中Ａ方向に移動させてレーザ照射を行った後、ターゲット１を図中Ｂ方向に戻しながら、既にレーザ光線２を当てた部分の間にレーザ光線２を当てることができる。このため、例えばターゲット１の巻き取り距離（照射ピッチ）をあまり短くすることができない場合等であってもレーザ光線２が当たる部分１ａのピッチを小さくすることでき、ターゲット１を有効利用することができる。
【００６４】
さらに、ターゲット１を幅方向移動可能ではあるが、往復移動させることができない場合のレーザ照射の概念を図１２に示す。例えば、ターゲット１の右寄りの部分（右側列）にレーザ光線２を当て、次に左寄りの部分（左側列）にレーザ光線２を当てた後、ターゲット１を１ピッチ送り、左寄りの部分と右寄りの部分にレーザ光線２を当てる。この場合にも、ターゲット１を有効利用することができる。
【００６５】
なお、図１０及び図１２の例では、レーザ光線２が当たる部分１ａを左右の列で幅方向に並べていたが、レーザ光線２が当たる部分１ａを左右の列でずらすようにしても良い。
【００６６】
また、上述の説明では、レーザ光線２を集光するために軸外し放物面ミラー１５を使用していたが、軸外し放物面ミラー１５に代えて、例えば集光レンズを使用しても良い。なお、レーザ光線２の出力が大きい場合には、軸外し放物面ミラー１５の使用が好ましい。
【００６７】
また、上述の説明ではマスク１６を備えていたが、例えば軸外し放物面ミラー１５を高価な誘電体多層膜ミラーに替えたり、集光レンズを使用する場合等にはマスク１６の設置を省略しても良い。
【００６８】
また、上述の説明では、弛み除去手段６としてクラッチ機構を使用し、ターゲット１を巻き取り側スプール９に巻き取る際、送り出し側スプール１０に回転抵抗力を付与することでターゲット１の弛みを除去するようにしていたが、クラッチ機構６以外の手段を使用して送り出し側スプール１０に回転抵抗力を付与しても良い。また、送り出し側スプール１０に回転抵抗力を付与する代わりに、例えば各スプール９，１０間の集光位置１３よりも送り出し側スプール１０に近い位置でターゲット１にその移動の抵抗力を付与することで、ターゲット１の弛みを除去するようにしても良い。さらには、これらの方法以外の方法でターゲット１の弛みを除去してぴんと張るようにしても良い。
【００６９】
また、ターゲット１に付着した水分及び油分を除去する水分等除去手段１９を設けても良い。即ち、ターゲット１に付着した水分及び油分を除去しながらレーザ光線２の照射を行うようにしても良い。ターゲット１の表面には空気中の水分や図示しない真空ポンプの潤滑油等が付着しており、最も軽い元素である水素がより多く高エネルギー粒子３として加速されると考えられる。このため、水分等除去手段１９を設けて水分や油分を除去することで、ターゲット１から目的の高エネルギー粒子３をより多く発生させることができる。かかる除去手段１９としては、例えば図１３に示すように、２本の支持棒７のうち上流側の支持棒７、換言すると送り出し側となるスプールに近い方の支持棒７にヒータ電源２３から通電を行い、当該支持棒７をヒータにすることが考えられる。
【００７０】
なお、図１３の実施形態では、各スプール９，１０毎に駆動源１１を備えておりターゲット１を往復移動させることができるので、スイッチ２４を設けており、ターゲット１の移動方向に応じてヒータにする支持棒７を切り換えることができる。
【００７１】
上流側の支持棒７をヒータにすることで、ターゲット１を加熱して表面に付着した水分や油分を除去することができる。ただし、この方法に限るものではなく、例えば支持棒７とは別にヒータを設けても良く、ヒータ以外の方法でターゲット１表面の水分や油分を除去するようにしても良い。
【００７２】
【実施例】
本発明ではターゲット１の少なくともレーザ光線２が当たる部分１ａの周辺をぴんと張り、弛みを除去すると共に位置決め基準部７ａに当てることが必要である。ターゲット１をぴんと張りながら巻き取り側スプールによって確実に巻き取るためには、駆動源１１の回転出力と抵抗発生手段の回転抵抗力の関係が重要になる。駆動源１１としてステッピングモータを、抵抗発生手段としてクラッチ機構６を採用した場合のこれらの力の設定の仕方を説明する。
【００７３】
表１に、ステッピングモータ１１のモータ駆動電圧と、クラッチ機構６が発生させる回転抵抗力即ちトルク設定値を変化させた場合のターゲット１（テープ）の奥行き方向（ターゲット１の厚さ方向）誤差を示す。ステッピングモータ１１のモータ駆動電圧によって回転出力が決まる。
【表１】
【００７４】
一方、モータ駆動電圧を一定（上述の実験で求めた最適値である８Ｖ）にした場合、テープ表面の奥行き方向誤差はクラッチ機構６のトルク設定値を大きくしたほうが小さくなる。本実験ではクラッチ機構６のトルク設定値を大きくしてもステッピングモータ１１が脱調することはなかったが、トルクの増加量に対して誤差の減少量が小さいこと、ターゲット１の照射跡にかかる張力が大きくなりターゲット１が切断し易くなる可能性があることからトルク設定値は０．６ｋｇｆ・ｃｍが最適となる。
【００７５】
また、高エネルギープロトンの発生実験を行い、ターゲット１のレーザ光線照射側の面よりもその裏面側に、より多くの高エネルギー粒子３が発生することを確認した。プロトンは最も軽い元素であるため加速の効果が最も顕著であり十分なフラックスが期待できる。
【００７６】
実験では、図１に示すように、ターゲット１の表面側（レーザ照射側）に対向する位置と裏面側の取り出し口１４に対向する位置に、高エネルギーイオンを計測するためのフィルタ２５，２７とディテクタ２６，２８を設置した。フィルタ２５，２７として、ポリエチレンテレフタレートフィルム（例えばマイラー：duPont社の商品名）を使用した。また、ディテクタ２６，２８として固体飛跡検出器を使用し、その固体飛跡検出器用プラスチック板としてバリオトラック（BARYOTRAK-P(CR)、長瀬ランダウア株式会社の商品名）を使用した。フィルタ２５，２７はそれぞれ重ねて使用したが、重ねる枚数を部分的に変えて使用した。即ち、０枚（フィルタが無い）〜７枚重ねの領域を作った。これらの領域に対応してディテクタ２６，２８の状態を観察することで、発生した高エネルギープロトンのエネルギーを識別できるようにした。
【００７７】
レーザ光線照射手段４からパルスエネルギー１２０ｍＪ、パルス幅６０ｆｓ、波長８００ｎｍのレーザ光線２を出射し、軸外し放物面ミラー１５を用いて厚さ５μｍの銅テープ（ターゲット１）に集光させた。レーザ光線２の単位面積当たりの出力は５ｅ１８Ｗ／ｃｍ２となる。
【００７８】
ターゲット１の裏面側に設置したディテクタ２８では、１ＭｅＶ以上の高エネルギープロトンが観測された。また、エネルギーの大小にかかわらず全体的に多くの高エネルギープロトンが観測された。これに対し、ターゲット１の表面側に設置したディテクタ２６で観測された高エネルギープロトンの最大エネルギーは、１００〜３５０ｋｅＶ程度であった。また、高エネルギープロトンはあまり多く観測されなかった。これらの結果、ターゲット１の裏面側から高エネルギー粒子３を取り出すことが、高エネルギー粒子３の効率的な利用に繋がることが確認できた。なお、銅テープの表面には空気中の水分や真空ポンプの潤滑油などが付着しており、検出された高エネルギープロトンは最も軽い元素である水素が加速されたものであると考えられる。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の高エネルギー粒子の発生方法では、巻き取り可能なテープ状のターゲットに、瞬間的な照射でターゲットの電離が可能なエネルギーのレーザ光線を繰り返し照射し、レーザ光線を照射する毎にターゲットを所定距離だけ巻き取ってレーザ光線が当たる部分をずらすとともに、ターゲットのレーザ光線が当たる部分の送り出し側の位置と巻き取り側の位置を２つの位置決め基準部に当ててターゲットの送り出し側スプールにクラッチ機構による回転抵抗力を与えた状態で巻き取り側スプールを駆動することで位置決め基準部の間にターゲットのレーザ光線が当たる部分をぴんと張り、巻き取り側スプールを停止させた状態で照射を行うようにしているので、続けて繰り返すことができるレーザ光線の照射回数を大幅に増加させることができると共に、ターゲットの位置決めを迅速に且つ容易に行うことができる。これらのため、高エネルギー粒子の発生方法の実用性を高めることができる。
【００８０】
また、請求項２記載の高エネルギー粒子の発生方法では、ターゲットをその幅方向に移動させるようにしているので、レーザ光線を複数列にわたり照射することができ、ターゲットを有効に利用することができる。このため経済的であり、また発生方法の実用性をより一層高めることができる。
【００８１】
また、請求項３記載の高エネルギー粒子の発生方法では、送り出し側スプールと巻き取り側スプールのいずれにもなり得るスプールを一対設け、ターゲットを他方のスプールから一方のスプールに巻き取りながらレーザ光線の照射を行うと共に、一方のスプールから他方のスプールに巻き取りながらレーザ光線の照射を行うようにしているので、ターゲットを往復させてレーザ光線の照射回数をさらに増加させることができ、ターゲットを有効に利用することができる。このため経済的であり、また発生方法の実用性をより一層高めることができる。
【００８２】
また、請求項４記載の高エネルギー粒子の発生方法では、レーザ光線がターゲットに当たる位置の当該ターゲットを挟んだ裏側から高エネルギー粒子を取り出すようにしているので、発生した高エネルギー粒子をより多く取り出すことができ、高エネルギー粒子の効率的な利用が可能になる。
【００８３】
また、請求項５記載の高エネルギー粒子の発生方法では、レーザ光線がターゲットに当たる位置の周囲をマスキングしながらレーザ光線の照射を行うようにしているので、ターゲットの目的の部分以外の部分にレーザ光線が当たるのを防止することができる。このため、ターゲットの切断や皺の発生を防止することができ、ターゲットが途中で使用できなくなることを防止することができる。
【００８４】
また、請求項６記載の高エネルギー粒子の発生方法では、ターゲットに付着した水分及び油分を除去しながらレーザ光線の照射を行うようにしているので、ターゲットから発生する高エネルギー粒子の割合を高めることができ、目的の高エネルギー粒子を効率よく発生させることができる。
【００８５】
さらに、請求項７記載の高エネルギー粒子発生装置では、巻き取り可能なテープ状のターゲットと、瞬間的な照射でターゲットの電離が可能なエネルギーのレーザ光線をターゲットに繰り返し照射して高エネルギー粒子を発生させるレーザ光線照射手段と、レーザ光線照射手段がレーザ光線を照射する毎にターゲットを巻き取ってレーザ光線が当たる部分をずらす巻き取り手段と、ターゲットのレーザ光線が当たる部分の周辺の弛みを取る弛み除去手段と、ターゲットのレーザ光線が当たる部分の周辺を位置決めする位置決め手段を備え、巻き取り手段はターゲットが巻かれている送り出し側スプールとターゲットを巻き取る巻き取り側スプールとを有し、弛み除去手段は送り出し側スプールにクラッチ機構によって回転抵抗力を付与するものであり、位置決め手段はターゲットのレーザ光線が当たる部分の送り出し側の位置と巻き取り側の位置を支持する２つの位置決め基準部を有し、レーザ光線照射手段は、ターゲットを位置決め基準部に当てて弛み除去手段が送り出し側スプールに回転抵抗力を与えた状態で巻き取り手段がターゲットを所定距離だけ巻き取ることで位置決め基準部の間にターゲットのレーザ光線が当たる部分をぴんと張り停止させた状態で照射を行なうようにしているので、続けて繰り返すことができるレーザ光線の照射回数を大幅に増加させることができると共に、ターゲットの位置決めを迅速に且つ容易に行うことができる。これらのため、実用性の高い高エネルギー粒子発生装置を提供することができる。
【００８６】
また、請求項８記載の高エネルギー粒子発生装置では、ターゲットをその幅方向に移動させる幅方向移動手段を備えているので、レーザ光線を複数列にわたり照射することができ、ターゲットを有効に利用することができる。このため経済的であり、また高エネルギー粒子発生装置の実用性をより一層高めることができる。
【００８７】
また、請求項９記載の高エネルギー粒子発生装置では、巻き取り手段は送り出し側スプールと巻き取り側スプールのいずれにもなり得るスプールを一対備え、他方のスプールに巻かれているターゲットを一方のスプールで巻き取り可能であり、一方のスプールに巻かれているターゲットを他方のスプールで巻き取り可能であるので、ターゲットを往復させてレーザ光線の照射回数をさらに増加させることができ、ターゲットを有効に利用することができる。このため経済的であり、また高エネルギー粒子発生装置の実用性をより一層高めることができる。
【００８８】
また、請求項１０記載の高エネルギー粒子発生装置では、レーザ光線がターゲットに当たる位置の当該ターゲットを挟んだ裏側に高エネルギー粒子の取り出し口を設けているので、発生した高エネルギー粒子をより多く取り出すことができ、高エネルギー粒子の効率的な利用が可能になる。
【００８９】
また、請求項１１記載の高エネルギー粒子発生装置では、レーザ光線がターゲットに当たる位置の周囲を覆うマスクを備えているので、ターゲットの目的の部分以外の部分にレーザ光線が当たるのを防止することができる。このため、ターゲットの切断や皺の発生を防止することができ、ターゲットが途中で使用できなくなることを防止することができる。
【００９０】
また、請求項１２記載の高エネルギー粒子発生装置では、ターゲットに付着した水分及び油分を除去する水分等除去手段を備えているので、ターゲットから発生する高エネルギー粒子の割合を高めることでき、目的の高エネルギー粒子を効率よく発生させることができる。
【００９１】
さらに、請求項１３記載の高エネルギー粒子発生装置では、一対のスプールの各々について、当該スプールを回転させる駆動源と当該スプールの回転抵抗力を発生させる抵抗発生手段とを同軸上に配置し、一方のスプールに設けた駆動源および他方のスプールに設けた抵抗発生手段と他方のスプールに設けた駆動源および一方のスプールに設けた抵抗発生手段とを選択的に作動させるので、装置を大型化させることなく、ターゲットを往復移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した高エネルギー粒子発生装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の高エネルギー粒子発生装置の装置本体をターゲットの裏側からみた概略構成図である。
【図３】図１の高エネルギー粒子発生装置の装置本体をターゲットの側方からみた概略構成図である。
【図４】軸外し放物面ミラーを用いてレーザ光線を集光させた場合の照射跡を示す図である。
【図５】本発明を適用した高エネルギー粒子の発生方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。
【図６】ターゲットを一方向に移動させながらレーザ照射を行う場合の概念図である。
【図７】本発明を適用した高エネルギー粒子発生装置の第２の実施形態を示し、その装置本体をターゲットの裏側からみた概略構成図である。
【図８】本発明を適用した高エネルギー粒子発生装置の第３の実施形態を示し、その幅方向移動手段をターゲットの裏側からみた概略構成図である。
【図９】本発明を適用した高エネルギー粒子発生装置の第３の実施形態を示し、その幅方向移動手段のをターゲットの側方からみた概略構成図である。
【図１０】ターゲットを往復移動させながら幅方向にも移動させてレーザ照射を行う場合の概念図である。
【図１１】ターゲットを往復移動させながらレーザ照射を行う場合の概念図である。
【図１２】ターゲットを一方向に移動させながら幅方向にも移動させてレーザ照射を行う場合の概念図である。
【図１３】本発明を適用した高エネルギー粒子発生装置の第４の実施形態を示し、その装置本体をターゲットの裏側からみた概略構成図である。
【符号の説明】
１ ターゲット
１ａ レーザ光線が当たる部分
２ レーザ光線
３ 高エネルギー粒子
４ レーザ光線照射手段
５ 巻き取り手段
６ クラッチ機構（弛み除去手段、抵抗発生手段）
７ 位置決め手段
７ａ 位置決め基準部
９，１０ スプール
１１ ステッピングモータ（駆動源）
１３ 集光位置（レーザ光線がターゲットに当たる位置）
１４ 高エネルギー粒子の取り出し口
１６ マスク
１９ 水分等除去手段
１８ 幅方向移動手段
Claims (13)
- 巻き取り可能なテープ状のターゲットに、瞬間的な照射で前記ターゲットの電離が可能なエネルギーのレーザ光線を繰り返し照射し、レーザ光線を照射する毎に前記ターゲットを所定距離だけ巻き取ってレーザ光線が当たる部分をずらすとともに、前記ターゲットのレーザ光線が当たる部分の送り出し側の位置と巻き取り側の位置を２つの位置決め基準部に当てて前記ターゲットの送り出し側スプールにクラッチ機構による回転抵抗力を与えた状態で巻き取り側スプールを駆動することで前記位置決め基準部の間に前記ターゲットのレーザ光線が当たる部分をぴんと張り、前記巻き取り側スプールを停止させた状態で前記照射を行うことを特徴とする高エネルギー粒子の発生方法。
- 前記ターゲットをその幅方向に移動させることを特徴とする請求項１記載の高エネルギー粒子の発生方法。
- 前記送り出し側スプールと前記巻き取り側スプールのいずれにもなり得るスプールを一対設け、前記ターゲットを他方のスプールから一方のスプールに巻き取りながらレーザ光線の照射を行うと共に、一方のスプールから他方のスプールに巻き取りながらレーザ光線の照射を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の高エネルギー粒子の発生方法。
- レーザ光線が前記ターゲットに当たる位置の当該ターゲットを挟んだ裏側から高エネルギー粒子を取り出すことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高エネルギー粒子の発生方法。
- レーザ光線が前記ターゲットに当たる位置の周囲をマスキングしながらレーザ光線の照射を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高エネルギー粒子の発生方法。
- 前記ターゲットに付着した水分及び油分を除去しながらレーザ光線の照射を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の高エネルギー粒子の発生方法。
- 巻き取り可能なテープ状のターゲットと、瞬間的な照射で前記ターゲットの電離が可能なエネルギーのレーザ光線を前記ターゲットに繰り返し照射して高エネルギー粒子を発生させるレーザ光線照射手段と、前記レーザ光線照射手段がレーザ光線を照射する毎に前記ターゲットを巻き取って前記レーザ光線が当たる部分をずらす巻き取り手段と、前記ターゲットのレーザ光線が当たる部分の周辺の弛みを取る弛み除去手段と、前記ターゲットのレーザ光線が当たる部分の周辺を位置決めする位置決め手段を備え、前記巻き取り手段は前記ターゲットが巻かれている送り出し側スプールと前記ターゲットを巻き取る巻き取り側スプールとを有し、前記弛み除去手段は前記送り出し側スプールにクラッチ機構によって回転抵抗力を付与するものであり、前記位置決め手段は前記ターゲットのレーザ光線が当たる部分の送り出し側の位置と巻き取り側の位置を支持する２つの位置決め基準部を有し、前記レーザ光線照射手段は、前記ターゲットを前記位置決め基準部に当てて前記弛み除去手段が前記送り出し側スプールに回転抵抗力を与えた状態で前記巻き取り手段が前記ターゲットを所定距離だけ巻き取ることで前記位置決め基準部の間に前記ターゲットのレーザ光線が当たる部分をぴんと張り停止させた状態で照射を行なうことを特徴とする高エネルギー粒子発生装置。
- 前記ターゲットをその幅方向に移動させる幅方向移動手段を備えることを特徴とする請求項７記載の高エネルギー粒子発生装置。
- 前記巻き取り手段は前記送り出し側スプールと前記巻き取り側スプールのいずれにもなり得るスプールを一対備え、他方のスプールに巻かれているターゲットを一方のスプールで巻き取り可能であり、一方のスプールに巻かれているターゲットを他方のスプールで巻き取り可能であることを特徴とする請求項７又は８記載の高エネルギー粒子発生装置。
- レーザ光線が前記ターゲットに当たる位置の当該ターゲットを挟んだ裏側に高エネルギー粒子の取り出し口を設けたことを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の高エネルギー粒子発生装置。
- レーザ光線が前記ターゲットに当たる位置の周囲を覆うマスクを備えることを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載の高エネルギー粒子発生装置。
- 前記ターゲットに付着した水分及び油分を除去する水分等除去手段を備えることを特徴とする請求項７から１１のいずれかに記載の高エネルギー粒子発生装置。
- 前記一対のスプールの各々について、当該スプールを回転させる駆動源と当該スプールの回転抵抗力を発生させる抵抗発生手段とを同軸上に配置し、一方のスプールに設けた駆動源および他方のスプールに設けた抵抗発生手段と他方のスプールに設けた駆動源および一方のスプールに設けた抵抗発生手段とを選択的に作動させることを特徴とする請求項９記載の高エネルギー粒子発生装置。
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