JP4953243B2 - イオン加速方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光を物質（ターゲット）に照射してイオンを発生させると共に発生したイオンを加速するイオン加速方法及びイオン加速装置に関する。

低密度（空隙率が４０〜９９．９９）の薄い（０．３ｍｍ以下）導電性ターゲットに高強度（１０^１６Ｗ／ｃｍ^２以上）のレーザー光を照射することにより前記ターゲットの裏面から高速イオンを放出させるイオン放出方法及び装置が提案されている。

特開２００６−２４４８６３号公報

このような高速イオン放出方法及び装置によるイオン加速においては、レーザー光のエネルギーを効率良くイオン加速に利用することができることが望まれる。すなわち、レーザー光のエネルギーを効率良くイオン加速に利用することができれば、装置を小型化することが容易になる。

本発明の１つの目的は、ターゲットに照射するレーザー光がもつエネルギーを効率良くイオン加速に利用することができるイオン加速方法及び装置を実現することにある。

ターゲットにレーザー光を照射することにより該ターゲットから高エネルギーのイオンを放出させるためには、照射したレーザー光のエネルギーをイオン加速に有効に利用することが必要である。

ターゲットに入射したレーザー光のエネルギーを電子に伝達してプラズマ状態とする際にレーザー光の群速度を０とすることにより、レーザー光のエネルギーの略１００％が電子に伝達される。実際には、レーザー光のエネルギーが少し残るようにする。そして、多量のエネルギーが伝達された電子をレーザー光の残りの低いエネルギーで前方に漸次的に加速してイオンを引き出すようにすると、レーザー光のエネルギーをイオン加速に有効に利用することができる。

具体的には、
本発明は、ターゲットに照射されて該ターゲットに入射したレーザー光の伝播速度を０にまで減速させることにより、レーザー光のエネルギーの殆どを前記ターゲットの電子に伝達させる。

ターゲットにおける入射したレーザー光の群速度が０に減速する位置までの該ターゲットの前段部分の電子（物質）密度に対して該前段部分に後続する後段部分の電子（物質）密度を小さくする。このような電子密度は、ターゲットを構成する物質の密度を固体密度の１０^−２〜１０^−３程度にすることにより実現することができる。

ターゲットに照射するレーザー光は、先端部分から後端部分に向かって漸次的に強くなり、後端部分は急峻に減衰する形態のパルス状であり、そのパルス長寸法は、ターゲットに入射して伝播するレーザー光の群速度が０になるまでの該レーザー光の伝播距離である前記前段部分の厚さ寸法と等しくする。

本発明によれば、ターゲットに照射したレーザー光がもつエネルギーを効率良くイオン加速に利用することができるイオン加速方法及び装置を実現することができる。これにより、レーザー光発生装置の負荷が軽くなって該レーザー光発生装置の小型化が可能になり、また、イオン加速部分も小型化することができるようになる。

本発明は、レーザー光をターゲットに照射することによりイオンを加速して前記ターゲットから放出させるイオン加速装置において、
前記ターゲットは、物質密度が固体密度の１０^−２〜１０^−３の物質で構成することにより、レーザー光を照射する前段部分の電子密度を臨界条件とし、前記前段部分に後続する後段部分の電子密度が漸次に減少する構成とし、
前記レーザー光発生装置は、先端から後端に向かって漸増するエネルギー分布のパルス状のレーザー光を発生し、前記ターゲットの前記前段部分にレーザー光を照射して該前段部分に入射したレーザー光の群速度を該前段部分において０にまで減速させることによりレーザー光のエネルギーを電子に伝達し、エネルギーが伝達された前記電子を前記前段部分に後続する後段部分により漸次的に加速して該電子によりイオンを加速して該後段部分から放出させるように構成することが好ましい。

この実施例のレーザー加速において、レーザー光を照射してイオンを放出させるターゲットは、レーザー光照射により入射して伝播するレーザー光の群速度を０にまで減速させる電子（物質）密度の前段部分と、前記前段部分に後続するように位置して前記前段部分の電子（物質）密度に対して漸減するような電子（物質）密度分布の後段部分を備え、入射したレーザー光が伝播する方向の前記前段部分の厚さ寸法は入射したレーザー光がパンプデプリート（ｐｕｍｐ−ｄｅｐｌｅｔｅ：減衰）する距離に等しくなると共にレーザー光のパルス長寸法とも等しくなるように構成し、前記後段部分の厚さ寸法は前記前段部分よりも著しく厚い寸法（１０倍程度）とすることにより該後段部分においてイオンを漸次的に加速するように構成する。このような電子密度のターゲットは、ターゲットを構成する物質の密度を固体密度の１０^−２〜１０^−３程度にすることにより実現することができる。

前記ターゲットに照射するレーザー光の強度は、パルス状であって、エネルギー分布がその先端部分から後端部分に向かって漸次的に強くなって後端部分で約１０^２０Ｗ／ｃｍ^２の強度となり、この後端部分で急峻に減衰するパルス形態とする構成である。

図１は、本発明のイオン加速装置の原理説明図であり、１はレーザー光発生装置、２はターゲット、３はレーザー光発生装置１からターゲット２に照射するレーザー光、４はターゲット２から放出するイオンである。

ターゲット２は、入射して播するレーザー光２のエネルギーを電子に受け取ってプラズマ状態とするように機能する比較的高電子（物質）密度の前段部分２ａと、多量のエネルギーを受け取ってプラズマ状態になった電子を後端方向に向けて漸次的に加速することにより該電子に引きずられるイオンを漸次的に加速する比較的低電子（物質）密度の後段部分２ｂを備える。このようなターゲット２は、その物質密度が固体密度の１０^−２〜１０^−３程度の構造物とすることによって実現することができる。

具体的には、図２に示すように、レーザー光発生装置１から照射されて入射したレーザー光３を速度０にまで減速させる前段部分２ａにおけるレーザー光伝播路部分は、比較的に高い電子密度（例えば、プラズマまたは物質中の電子密度を臨界条件にすれば良く、非相対論的レーザー強度で光学領域の場合には、１０^２１ｃｃ程度、１０^２０Ｗ／ｃｍ^２の相対論的レーザー強度では１０^２２／ｃｃまで高くなる）であり、
その後方に位置して前記前段部分２ａで発生した電子を加速することにより該電子に引きずられてイオンが加速する後段部分２ｂにおけるイオン加速路部分は、前記前段部分２ａよりも低い電子密度で後端に向かって該電子密度が漸減（例えば、物質中の電子密度が１０^２１／ｃｃ程度から１０^１９／ｃｃ程度に減少）するように構成する。

また、入射して伝播するレーザー光２の伝播方向に対して直角（横）方向の電子密度は、レーザー光２の伝播路及びイオン加速路部分に対して漸次的に高くなるように構成する。この密度のくぼみの大きさ（半径をＲとして）は、Ｌ_ｌ（レーザーの照射の集光幅）の二乗をレーザーの波長λで割った幅にとる。すなわち、Ｒ＝Ｌ_ｌ ^２／λとなるように構成する。

前記後段部分２ｂの電子密度（物質密度）は、連続的に漸減させるように構成することが望ましいが、この実施例１では、ターゲット２の後端方向に向かって段階的に減少させるように構成する。

前記レーザー光発生装置１は、パルス状のレーザー光３を繰り返し発生させてターゲット２に照射する装置であり、ターゲット２に照射するパルス状のレーザー光３の強度は、図３に示すように、パルスの先端部分（強度０）から後端部分に向かって漸次的に強くなって該後端部分で１０^２０Ｗ／ｃｍ^２程度の強度となり、この後端部分で急峻に減衰して切れるよな形態に制御する。

このように構成したイオン加速装置において、レーザー光発生装置１は、発生したパルス状のレーザー光３をターゲット２に照射する。ターゲット２に照射されて該ターゲット２の前段部分２ａ内に入射したレーザー光２は該前段部分２ａ内を後段部分２ｂに向かって伝播する。このとき、この前段部分２ａのプラズマ（または物質中の電子）密度が臨界条件（非相対論的レーザー強度で光学領域の場合には、１０^２１ｃｃ程度、１０^２０Ｗ／ｃｍ^２の相対論的レーザー強度では１０^２２／ｃｃまで高くなる）となるように構成すると、レーザー光３の群速度を０にすることができる。

そこで、このレーザー光３の群速度が０になる前段部分２ａのレーザー光伝播方向の厚さ寸法Ｌ_ｌとレーザー光３がパンプデプリートする伝播距離（ｐｕｍｐ−ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ：レーザー光減衰距離）Ｌ_ｄを等しく（Ｌ_ｌ＝Ｌ_ｄ）し、且つ、
レーザー光減衰距離Ｌ_ｄとレーザー光のパルス長寸法Ｌ_{ｐｕｌｓｅ}を等しく（Ｌ_ｄ＝Ｌ_{ｐｕｌｓｅ}）し、
レーザー光３の群速度が０になる前段部分２ａの厚さ寸法Ｌ_ｌとレーザー光３のパルス長寸法Ｌ_{ｐｕｌｓｅ}を等しく（Ｌ_ｌ＝Ｌ_{ｐｕｌｓｅ}）すると、
レーザー光３は、前段部分２ａの後端で止まり、エネルギーの略１００％をターゲット２中の電子へ伝達することになる。実際には、レーザー光３のエネルギーが少し残るようにする。このことにより、多量のエネルギーが伝達された電子は、残った低いエネルギーによって後方（後段部分２ｂの方向）に向かって加速され始める。

エネルギーが先端から漸次的に増強し、後端で急峻に終端する形態のパルス状のレーザー光３は、このような電子加速に好適である。

ターゲット２の前段部分２ａの後端で速度が０になったレーザー光３と比較的に低いエネルギーまで加速された電子は、後続する後段部分２ｂで漸次的に加速する。そして、このように比較的低いエネルギーで加速された電子に引きずられてイオンが引き出されて加速する。

ターゲット２の後段部分２ｂは、レーザー光伝播方向の厚さ寸法Ｌ_ｓを前段部分２ａのレーザー光伝播方向の厚さ寸法Ｌ_ｌよりも著しく厚い寸法（Ｌ_ｓ≫Ｌ_ｌ）にすると共に前端から後端に向かって電子密度が漸次的に低下（１０^２１／ｃｃから１０^１９／ｃｃに低下）する。このことにより、ターゲット２の後段部分２ｂ内を伝播するレーザー光３は、漸次的にその群速度を上げ、従って、励起されるパルス後方の電場（主に静電場）の位相速度を０（≪ｃ）から上げて高速ｃに近づけていく。そして、励起された静電場を形成する電子は、レーザー光３の群速度の上昇に伴って速度が高速ｃに達してエネルギーを高めていく。

当初０に近い速度で電子にすがりついていたイオンは、これに伴って断熱（漸次）的に加速され、レーザー光３のエネルギーによるイオンの効率的な加速が実現する。

このようなターゲット２の厚み寸法Ｌ（Ｌ_ｌ＋Ｌ_ｓ）は、最大で１ｍｍが好ましい。

図４は、前記ターゲット２の構成を示す分解斜視図である。

前述したような電子密度分布をもつターゲット２は、例えば、次のようにして作成することができる。

極細ファイバーを物質密度が固体密度の１０^−２〜１０^−３で厚さが前記レーザー光減衰距離Ｌ_ｄに等しい不織布の形態にすると共にレーザー光３の伝播路部分のプラズマ（または物質中の電子）密度が臨界条件となるように形成して前記前段部分２ａとし、この前段部分２ａに後続する後段部分２ｂはレーザー光３の伝播路部分のプラズマ（または物質中の電子）密度が前端から後端に向かって漸減するように不織布で形成する。

具体的には、前段部分２ａは、極細繊維部材の集合体である１枚の不織布２ａ_１の形態で形成し、後段部分２ｂは、電子密度が異なる（少なくなる）複数枚の不織布２ｂ_１，２ｂ_２，２ｂ_３……の形態で形成し、これらを順次に重合して外周縁を枠体２ｃ_１，２ｃ_２で支持することにより一体化するようにして作製する。

織布を使用して構成する場合には、前段部分２ａは、複数枚の薄い織布を織目方向を変えて重合して１つのブロックの形態で形成し、後段部分２ｂは、薄い複数枚の織布を織目方向を変えて重合して形成した電子密度が異なる（少なくなる）複数ブロックの形態で形成し、これらのブロックを順次に重合して外周縁部を枠体で支持して一体化するようにして作製する。

図５は、前述したイオン加速装置を採用して構成したイオン照射装置の全体構成を示す概略図である。

レーザー光発生装置１は、パルス状のレーザー光３を繰り返し発生して発出する。反射鏡５ａ〜５ｃは、レーザー光発生装置１から発出したレーザー光３をターゲット２に照射するように導く。反射鏡５ｃは、集光鏡の形態であって、レーザー光３がターゲット２の前端面に焦点を結ぶように集光する。

ターゲット２は、前述したように、照射されて入射したレーザー光３の伝播速度を０にまで減速させてそのエネルギーを該ターゲット２の電子に伝達してプラズマ化すると共に前記電子を比較的に低いエネルギーまで加速する比較的に高電子密度の前段部分（２ａ）を前記レーザー光３が照射される前端面となるように設置する。そして、前記前段部分２ａの低いエネルギーで加速された電子を後段部分（２ｂ）において更に漸次的に加速することによりイオン４を加速して後端面から放出するように構成する。

前記反射鏡５ａ〜５ｃは、真空状態に排気する多関節マニピュレータの関節部内に配置してレーザー光透過窓からレーザー光３を受入れ、ターゲット２を多関節マニピュレータの先端部内に配置して該ターゲット２から放出されたイオンビーム４をイオン透過窓から外部に放射するように構成することにより、がん治療のために患部にイオンを照射するのに好適なイオン照射装置を実現することができる。

本発明の原理説明図である。 本発明の実施例１におけるターゲットの密度の分布を示す密度分布図である。 本発明の実施例１におけるパルス状のレーザー光のエネルギー形態を示す模式図である。 本発明の実施例１におけるターゲットの構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施例１であるイオン照射装置の全体構成を示す概略図である。

符号の説明

１…レーザー光発生装置、２…ターゲット、２ａ…前段部分、２ｂ…後段部分、２ｃ…枠体、３…レーザー光、４…イオン、５ａ〜５ｃ…反射鏡。

Claims (7)

1. レーザー光をターゲットに照射することによりイオンを加速して前記ターゲットから放出させるイオン加速方法において、
   レーザー光を照射する前段部分の電子密度を臨界条件とし、前記前段部分に後続する後段部分の電子密度が漸次に減少する構成のターゲットを使用し、
   前記ターゲットの前記前段部分にレーザー光を照射して該前段部分に入射したレーザー光の群速度を該前段部分において０にまで減速させることによりレーザー光のエネルギーを電子に伝達し、エネルギーが伝達された前記電子を前記前段部分に後続する後段部分により漸次的に加速して該電子によりイオンを加速して該後段部分から放出させることを特徴とするイオン加速方法。
2. 請求項１において、前記ターゲットに照射するレーザー光は、先端から後端に向かって漸増するエネルギー分布のパルス状であり、先端から後端までのパルス長と前記前段部分のレーザー光伝播方向の厚み寸法を等しくすることを特徴とするイオン加速方法。
3. レーザー光をターゲットに照射することによりイオンを加速して前記ターゲットから放出させるイオン加速装置において、
   前記ターゲットは、レーザー光を照射する前段部分の電子密度を臨界条件とし、前記前段部分に後続する後段部分の電子密度が漸次に減少する構成とし、
   前記レーザー光発生装置は、前記ターゲットの前記前段部分にレーザー光を照射して該前段部分に入射したレーザー光の群速度を該前段部分において０にまで減速させることによりレーザー光のエネルギーを電子に伝達させ、エネルギーが伝達された前記電子を前記前段部分に後続する後段部分により漸次的に加速して該電子によりイオンを加速して該後段部分から放出させるように構成したことを特徴とするイオン加速装置。
4. 請求項３において、前記ターゲットは、物質密度が固体密度の１０^−２〜１０^−３の物質で構成したことを特徴とするイオン加速装置。
5. 請求項３において、前記ターゲットは、前記前段部分の電子密度を１０^２１／ｃｃ、前記後段部分の電子密度を１０^２１／ｃから１０^１９／ｃｃ程度に漸減する物質で構成したことを特徴とするイオン加速装置。
6. 請求項３〜５の１項において、前記ターゲットは、繊維部材の集合体で構成したことを特徴とするイオン加速装置。
7. 請求項３〜６の１項において、前記レーザー光発生装置は、先端から後端に向かって漸増するエネルギー分布のパルス状のレーザー光を発生する構成であることを特徴とするイオン加速装置。

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