JP4996376B2 - Laser plasma ion source target and laser plasma ion generator - Google Patents
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Description
本発明は、レーザプラズマイオン源用ターゲットおよびレーザプラズマイオン発生装置に関するものである。 The present invention relates to a target for a laser plasma ion source and a laser plasma ion generator.
レーザプラズマイオン発生装置は、レーザプラズマイオン源用ターゲット（以下では単に「ターゲット」という場合がある。）に高強度で短パルスのレーザ光を照射し、このレーザ光照射によりターゲット外部に電子雲を生じさせ、この電子雲とターゲット表面との間に電場を発生させて、該電場によりターゲットからイオンを放出させるものである（特許文献１および非特許文献１，２を参照）。 The laser plasma ion generator irradiates a target for a laser plasma ion source (hereinafter sometimes simply referred to as “target”) with a high-intensity, short-pulse laser beam, and an electron cloud is formed outside the target by this laser beam irradiation. An electric field is generated between the electron cloud and the target surface, and ions are emitted from the target by the electric field (see Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2).
このようなレーザプラズマイオン発生装置は、例えば、ポジトロン断層イメージング（ＰＥＴ:Positron Emission Tomography）装置による生態検査で用いられる短寿命放射性同位体（１８Ｆなど）を含む薬剤（例えば、ブドウ糖類似物質であるフルオロデオキシグルコース（ＦＤＧ））を生成する際に用いられる。すなわち、レーザプラズマイオン発生装置で放出されたイオンを別の原子に衝突させることで、その原子を陽電子放出不安定核である短寿命放射性同位体に転換することができる。 Such a laser plasma ion generator is, for example, a drug (for example, glucose-like substance) containing a short-lived radioisotope (such as 18 F) used in ecological examination using a positron emission tomography (PET) apparatus. Used in producing fluorodeoxyglucose (FDG)). That is, by colliding ions emitted by the laser plasma ion generator with another atom, the atom can be converted into a short-lived radioactive isotope that is an unstable positron emitting nucleus.
このような用途の場合、陽子や重陽子がよく用いられるが、ターゲットからイオンを高速に放出することが好ましく、また、重陽子を用いた方が閾値の低い反応を起こすことができる。すなわち、陽子より重陽子を放出するのが好ましい。また、陽子や重イオン（炭素）は、粒子線癌治療に用いられているが、治療効果は陽子よりも炭素の方が大きい。ゆえに、この意味においても、レーザプラズマイオン発生装置においては、重イオンを放出することが好ましい。なお、重イオンとは、陽子より質量数が大きい陽イオンを意味し、例えば重陽子や炭素イオン等である。 In such applications, protons and deuterons are often used. However, it is preferable to release ions from the target at a high speed, and a reaction with a lower threshold can be caused by using deuterons. That is, it is preferable to release deuterons from protons. Protons and heavy ions (carbon) are used for the treatment of particle beam cancer, but carbon has a greater therapeutic effect than protons. Therefore, also in this sense, it is preferable to emit heavy ions in the laser plasma ion generator. In addition, a heavy ion means a cation with a mass number larger than a proton, for example, a deuteron, a carbon ion, etc.
特許文献１および非特許文献１，２それぞれには、陽子より重陽子を（更に重イオンを）高効率に放出することを意図した技術が記載されている。特許文献１に開示されたターゲットは、含ハロゲン有機化合物を主成分とする薄膜に、重水素化された有機化合物を主成分とする層が積層されたものである。特許文献１には、このようなターゲットを用いることで重陽子を高効率に放出できることが記載されている。 Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2 each describe a technique intended to release deuterons (and heavy ions) more efficiently than protons. The target disclosed in Patent Document 1 is obtained by laminating a layer mainly containing a deuterated organic compound on a thin film mainly containing a halogen-containing organic compound. Patent Document 1 describes that deuterons can be released with high efficiency by using such a target.
非特許文献１には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の薄膜をターゲットとして用いることで重イオンを高効率に放出できることが記載されている。また、非特許文献２には、ターゲットを加熱することで該ターゲットから水素を除去し、その後に該ターゲットにレーザ光を照射することで重イオンを高効率に放出できることが記載されている。
ところで、レーザ光照射によりターゲットからイオンを放出する際に重イオンの加速の妨げとなるのは、主に、次の２つの原因に因る。第１の原因は、ターゲット物質に元々成分として或いは表面の不純物として含まれている水素が重イオンより先に加速されて、その水素が加速電場のポテンシャルエネルギを消費してしまうという問題である。また、第２の原因は、加速に対する応答が遅い重イオンが超短パルスレーザ光の照射時間（例えば１００ｆｓ程度）内に電場からエネルギを受け取ることができないという問題である。 By the way, it is mainly due to the following two causes that acceleration of heavy ions is hindered when ions are emitted from the target by laser light irradiation. The first cause is a problem that hydrogen originally contained as a component or a surface impurity in the target material is accelerated before heavy ions, and the hydrogen consumes potential energy of the acceleration electric field. The second cause is that heavy ions that are slow in response to acceleration cannot receive energy from the electric field within the irradiation time of ultrashort pulse laser light (for example, about 100 fs).
特許文献１および非特許文献１，２の何れに記載された技術も、上記の第１の原因に対する対策として、レーザ光照射の際に水素が放出されるのを抑制して、重イオンを高効率に放出できるようにしたものである。しかし、上記の第２の原因に対する対策は為されておらず、ターゲットから放出されるイオンの加速は充分ではない。 In the techniques described in Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2, as a countermeasure against the first cause, the release of hydrogen during laser light irradiation is suppressed, and heavy ions are increased. It is designed to be released efficiently. However, no countermeasure against the second cause is taken, and acceleration of ions emitted from the target is not sufficient.
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、重イオンを加速して更に高速に放出することができるレーザプラズマイオン源用ターゲットおよびレーザプラズマイオン発生装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a laser plasma ion source target and a laser plasma ion generator capable of accelerating heavy ions and releasing them at a higher speed. And
本発明に係るレーザプラズマイオン源用ターゲットは、レーザ光照射に伴って生じる電子雲と表面との間に電場を発生させ該電場によりイオンを放出するものであって、表面において電場の不均一を生じさせる構造を有することを特徴とする。このレーザプラズマイオン源用ターゲットにレーザ光が照射されると、このレーザ光照射に伴って飛び出した電子により電子雲が生じ、この電子雲と表面との間に電場が発生して、該電場によりイオンが放出される。ターゲットの表面において電場の不均一を生じさせる構造が設けられていることにより、電場が大きい領域が生じて、これにより重イオンが加速されて更に高速に放出され得る。表面において電場の不均一を生じさせる構造は、形状に基づくものであってもよいし、誘電率または伝導率の分布に基づくものであってもよい。 The target for a laser plasma ion source according to the present invention generates an electric field between an electron cloud generated by laser light irradiation and the surface, and emits ions by the electric field. It has the structure to produce. When this laser plasma ion source target is irradiated with laser light, an electron cloud is generated by the electrons that have jumped out with this laser light irradiation, and an electric field is generated between the electron cloud and the surface. Ions are released. By providing a structure that causes non-uniformity of the electric field on the surface of the target, a region where the electric field is large is generated, whereby heavy ions can be accelerated and released at a higher speed. The structure causing the non-uniformity of the electric field on the surface may be based on the shape, or based on the dielectric constant or conductivity distribution.
本発明に係るレーザプラズマイオン源用ターゲットは、表面に突起構造を有し、この構造により表面において電場の不均一を生じさせるのが好適である。本発明に係るレーザプラズマイオン源用ターゲットは、表面に毛羽立たせた繊維構造を有し、この構造により表面において電場の不均一を生じさせるのが好適である。本発明に係るレーザプラズマイオン源用ターゲットは、表面にカーボンナノチューブが付着した構造を有し、この構造により表面において電場の不均一を生じさせるのが好適である。また、本発明に係るレーザプラズマイオン源用ターゲットは、基板の第１主面に形成された突起構造を有し、この構造により第１主面において電場の不均一を生じさせるとともに、放出すべきイオンを含む物質の層が第１主面に形成され、金属層が基板の第１主面または該第１主面の反対側に位置する第２主面に形成されているのが好適である。 The target for a laser plasma ion source according to the present invention preferably has a protruding structure on the surface, and this structure preferably causes non-uniform electric fields on the surface. The target for a laser plasma ion source according to the present invention has a fiber structure that is fluffed on the surface, and it is preferable that an uneven electric field is generated on the surface by this structure. The target for a laser plasma ion source according to the present invention has a structure in which carbon nanotubes are attached to the surface, and it is preferable that this structure causes nonuniform electric fields on the surface. The target for a laser plasma ion source according to the present invention has a protruding structure formed on the first main surface of the substrate. This structure causes nonuniform electric fields on the first main surface and should be emitted. It is preferable that the layer of the substance containing ions is formed on the first main surface, and the metal layer is formed on the first main surface of the substrate or the second main surface located on the opposite side of the first main surface . .
本発明に係るレーザプラズマイオン発生装置は、(1) レーザ光を出力する光源と、(2)この光源から出力されるレーザ光が照射され、このレーザ光照射に伴って生じる電子雲と表面との間に電場を発生させ該電場によりイオンを放出する上記の本発明に係るレーザプラズマイオン源用のターゲットと、を備えることを特徴とする。このレーザプラズマイオン発生装置によれば、光源から出力されたレーザ光はレーザプラズマイオン源用ターゲットに照射される。このレーザ光照射に伴って飛び出した電子により電子雲が生じ、この電子雲と表面との間に電場が発生して、該電場によりイオンが放出される。ターゲットの表面において電場の不均一を生じさせる構造が設けられていることにより、電場が大きい領域が生じて、これにより重イオンが加速されて更に高速に放出され得る。 The laser plasma ion generator according to the present invention comprises: (1) a light source that outputs laser light; and (2) an electron cloud and a surface that are irradiated with the laser light output from the light source, and are generated along with the laser light irradiation. And a target for the laser plasma ion source according to the present invention, which generates an electric field between the two and emits ions by the electric field. According to this laser plasma ion generator, the laser beam output from the light source is irradiated to the laser plasma ion source target. An electron cloud is generated by the electrons ejected by the laser light irradiation, an electric field is generated between the electron cloud and the surface, and ions are emitted by the electric field. By providing a structure that causes non-uniformity of the electric field on the surface of the target, a region where the electric field is large is generated, whereby heavy ions can be accelerated and released at a higher speed.
本発明に係るレーザプラズマイオン発生装置は、(1) レーザ光を出力する光源と、(2)この光源から出力されるレーザ光が照射され、このレーザ光照射に伴って生じる電子雲と表面との間に電場を発生させ該電場によりイオンを放出するレーザプラズマイオン源用のターゲットと、(3) そのターゲットへのレーザ光照射の前に、そのターゲットの表面の当該レーザ光照射領域において電場の不均一を生じさせる構造を形成する電場不均一構造形成手段と、を備えることを特徴とする。このレーザプラズマイオン発生装置によれば、ターゲットへのレーザ光照射の前に、電場不均一構造形成手段により、そのターゲットの表面の当該レーザ光照射領域において電場の不均一を生じさせる構造が形成される。そして、光源から出力されたレーザ光はレーザプラズマイオン源用ターゲットに照射される。このレーザ光照射に伴って飛び出した電子により電子雲が生じ、この電子雲と表面との間に電場が発生して、該電場によりイオンが放出される。ターゲットの表面において電場の不均一を生じさせる構造が設けられていることにより、電場が大きい領域が生じて、これにより重イオンが加速されて更に高速に放出され得る。 The laser plasma ion generator according to the present invention comprises: (1) a light source that outputs laser light; and (2) an electron cloud and a surface that are irradiated with the laser light output from the light source, and are generated along with the laser light irradiation. A target for a laser plasma ion source that generates an electric field between the target and emits ions by the electric field, and (3) before irradiation of the target with laser light, the electric field in the laser light irradiation region of the surface of the target And an electric field non-uniform structure forming means for forming a structure causing non-uniformity. According to this laser plasma ion generator, before the target is irradiated with the laser beam, the electric field non-uniform structure forming means forms a structure that causes the non-uniformity of the electric field in the laser beam irradiation region on the surface of the target. The The laser beam output from the light source is irradiated to the laser plasma ion source target. An electron cloud is generated by the electrons ejected by the laser light irradiation, an electric field is generated between the electron cloud and the surface, and ions are emitted by the electric field. By providing a structure that causes non-uniformity of the electric field on the surface of the target, a region where the electric field is large is generated, whereby heavy ions can be accelerated and released at a higher speed.
このレーザプラズマイオン発生装置に含まれる電場不均一構造形成手段は、ターゲットの表面の当該レーザ光照射領域において電場の不均一を生じさせる構造を、機械的，化学的または光学的な手段により形成し得る。当該構造を光学的な手段により形成する場合、電場不均一構造形成手段は、(a) 光源から出力されるレーザ光の一部を分岐して取り出す第１分岐部と、(b) この第１分岐部により分岐されて取り出されたレーザ光を２分岐する第２分岐部と、(c)この第２分岐部により２分岐されたレーザ光をターゲットのレーザ光照射領域において干渉させる干渉光学系と、を含むのが好適である。この場合、干渉光学系により形成される干渉縞により、ターゲットの表面のレーザ光照射領域において電場の不均一を生じさせる構造を形成することができる。 The electric field inhomogeneous structure forming means included in the laser plasma ion generator forms a structure that causes electric field inhomogeneity in the laser light irradiation region of the target surface by mechanical, chemical or optical means. obtain. When the structure is formed by optical means, the electric field non-uniform structure forming means includes: (a) a first branch portion for branching out a part of the laser beam output from the light source; A second branching unit for bifurcating the laser beam branched and extracted by the branching unit; and (c) an interference optical system for causing the laser beam bifurcated by the second branching unit to interfere in the laser beam irradiation region of the target. Are preferably included. In this case, it is possible to form a structure that causes nonuniformity of the electric field in the laser light irradiation region on the surface of the target by the interference fringes formed by the interference optical system.
本発明によれば、重イオンを加速して更に高速に放出することができる。 According to the present invention, heavy ions can be accelerated and released at a higher speed.
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良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。 The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図１は、第１実施形態に係るレーザプラズマイオン源用ターゲット１０の構成および動作を示す図である。また、図２は、比較例のレーザプラズマイオン源用ターゲット１０Ａの構成および動作を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing the configuration and operation of a laser plasma ion source target 10 according to the first embodiment. FIG. 2 is a diagram showing the configuration and operation of a target 10A for a laser plasma ion source of a comparative example.
図２に示されるように、比較例のターゲット１０Ａは、両主面が平坦である薄膜からなり、レーザ光９１の照射に伴って飛び出した電子により電子雲９２を生じ、この電子雲９２と表面との間に電場９３を発生させ、該電場９３によりイオンを放出する。この図でターゲット１０Ａと電子雲９２との間に示された矢印は電気力線を示している。この電気力線は、ターゲット１０Ａと電子雲９２との間で互いに平行になっている。 As shown in FIG. 2, the target 10 </ b> A of the comparative example is formed of a thin film having both main surfaces flat, and an electron cloud 92 is generated by electrons that have jumped out with the irradiation of the laser beam 91. An electric field 93 is generated between them and ions are emitted by the electric field 93. In this figure, the arrow shown between the target 10A and the electron cloud 92 indicates electric lines of force. The lines of electric force are parallel to each other between the target 10A and the electron cloud 92.
これに対して、図１に示されるように、本実施形態のターゲット１０は、両主面が略平坦である薄膜からなるものの、一方の主面に突起構造１１を有している。このターゲット１０も、レーザ光９１の照射に伴って飛び出した電子により電子雲９２を生じ、この電子雲９２と表面との間に電場９３を発生させ、該電場９３によりイオンを放出する。しかし、図１と対比して判るように、矢印で示された電気力線は、ターゲット１０と電子雲９２との間で互いに平行になっておらず、突起構造１１の先端の付近で密になっている。すなわち、電場９３が不均一となっている。 On the other hand, as shown in FIG. 1, the target 10 of the present embodiment has a protruding structure 11 on one main surface, although both main surfaces are made of a thin film that is substantially flat. The target 10 also generates an electron cloud 92 due to electrons that have jumped out with the irradiation of the laser light 91, generates an electric field 93 between the electron cloud 92 and the surface, and emits ions by the electric field 93. However, as can be seen in contrast to FIG. 1, the electric lines of force indicated by the arrows are not parallel to each other between the target 10 and the electron cloud 92, and are dense near the tip of the protruding structure 11. It has become. That is, the electric field 93 is not uniform.
なお、ターゲット１０，１０Ａに照射されるレーザ光９１は、高強度で短パルスのレーザ光であり、例えば、パルスエネルギが１００ｍＪ以上であり、パルス幅が１００ｆｓ以下であり、ピーク出力は１ＴＷ以上である。また、波長が８００μｍである。また、このレーザ光９１は、例えば、軸はずし放物面鏡により集光されてターゲットに照射され、照射時のスポット径が１０μｍ程度であり光強度が１０１８Ｗ／ｃｍ２である。 The laser beam 91 irradiated to the targets 10 and 10A is a high-intensity and short-pulse laser beam. For example, the pulse energy is 100 mJ or more, the pulse width is 100 fs or less, and the peak output is 1 TW or more. is there. The wavelength is 800 μm. Further, the laser beam 91 is collected by, for example, an off-axis parabolic mirror and irradiated onto the target, and the spot diameter at the time of irradiation is about 10 μm and the light intensity is 10 18 W / cm 2 .
電子雲とターゲット表面との間に発生した電場により、イオンが放出され加速される。そのときのイオンの加速度は、電場の強度およびイオンの比電荷（電荷量と質量との比）により決まる。素電荷を単位とし、また、陽子の質量を単位とすると、陽子の比電荷は１であり、重陽子の比電荷は０.５である。イオンの比電荷が小さいほど、該イオンの加速度は小さい。ターゲットから放出されるイオンの加速が有効に起こるのは、パルスレーザ光の持続時間（すなわち、パルス幅の時間）に限られるので、加速が小さく動き始めるのが遅い重イオンは、放出速度が遅い。 Ions are released and accelerated by the electric field generated between the electron cloud and the target surface. The acceleration of the ions at that time is determined by the intensity of the electric field and the specific charge of the ions (ratio of charge amount to mass). When the elementary charge is used as the unit and the proton mass is used as the unit, the proton specific charge is 1, and the deuteron specific charge is 0.5. The smaller the specific charge of an ion, the smaller the acceleration of the ion. Since the acceleration of ions emitted from the target is effective only during the duration of the pulse laser beam (ie, the pulse width time), heavy ions whose acceleration starts to move slowly and have a low emission rate are slow. .
しかし、図２に示される比較例に対して、図１に示される本実施形態では、突起構造１１の先端の付近では電場が大きくなっており、この電場を利用することで、短時間のうちに重イオンが電場からポテンシャルエネルギを効率よく獲得でき、重イオンをも高速に放出することができる。 However, in contrast to the comparative example shown in FIG. 2, in the present embodiment shown in FIG. 1, the electric field is large in the vicinity of the tip of the protruding structure 11. In addition, heavy ions can efficiently acquire potential energy from an electric field, and heavy ions can also be released at high speed.
なお、図１では、説明の簡明のため突起構造１１をひとつだけ描いたが、ターゲット１０の表面に分布する重イオンを加速電場の中に置くために、複数の突起１１をターゲット１０表面に分布させる。また、以降に示す全ての実施形態において突起構造のスケールは例えば２００ｎｍ以下である。 In FIG. 1, only one protrusion structure 11 is drawn for simplicity of explanation. However, in order to place heavy ions distributed on the surface of the target 10 in the acceleration electric field, a plurality of protrusions 11 are distributed on the surface of the target 10. Let Moreover, in all the embodiments described below, the scale of the protrusion structure is, for example, 200 nm or less.
図３は、第２実施形態に係るレーザプラズマイオン源用ターゲット２０の構成および製造方法を示す図である。この図に示されるターゲット２０は、表面に毛羽立たせた繊維構造を有し、この構造により表面において電場の不均一を生じさせるものである。ターゲット２０は、例えば、ＰＴＦＥテープ２１からなり、以下のようにして製造される。 FIG. 3 is a diagram showing a configuration and a manufacturing method of the laser plasma ion source target 20 according to the second embodiment. The target 20 shown in this figure has a fiber structure that is fluffed on the surface, and this structure causes nonuniform electric fields on the surface. The target 20 is made of, for example, a PTFE tape 21 and is manufactured as follows.
同図（ａ）に示されるように、巻かれていたＰＴＦＥテープ２１は、その一端から順に重水素化ポリスチレンのトルエン溶液２２に浸漬され、この溶液２２を含浸したＰＴＦＥテープ２３として再び巻かれる。溶液２２を含浸したＰＴＦＥテープ２３は、トルエンが揮発する前に再び巻かれる。溶液２２は、例えば重水素化ポリスチレン２ｇにトルエン４０ｍＬを加えたものである。 As shown in FIG. 2A, the wound PTFE tape 21 is dipped in a toluene solution 22 of deuterated polystyrene in order from one end, and is wound again as a PTFE tape 23 impregnated with the solution 22. The PTFE tape 23 impregnated with the solution 22 is wound again before the toluene volatilizes. The solution 22 is obtained by adding 40 mL of toluene to 2 g of deuterated polystyrene, for example.
続いて、同図（ｂ）に示されるように、溶液２２を含浸したＰＴＦＥテープ２３は巻かれた状態のまま加熱処理されてトルエンが揮発され、これにより、重水素化ポリスチレンを含浸したＰＴＦＥテープ２４が巻かれた状態で得られる。このとき、ＰＴＦＥテープ２４は、巻かれた状態であって、各層の面が互いに癒着している。 Subsequently, as shown in FIG. 5B, the PTFE tape 23 impregnated with the solution 22 is heated while being wound to volatilize toluene, whereby the PTFE tape impregnated with deuterated polystyrene. 24 is obtained in a wound state. At this time, the PTFE tape 24 is in a wound state, and the surfaces of the layers are adhered to each other.
そして、同図（ｃ）に示されるように、重水素化ポリスチレンを含浸したＰＴＦＥテープ２４は、巻かれて各層の面が互いに癒着している状態から、その癒着が剥がされて、これにより、本実施形態に係るターゲット２０が製造される。同図（ｄ）に示されるように、ターゲット２０は、癒着が剥がされる際に表面の繊維２５が切断されており、表面に毛羽立たせた繊維構造を突起構造として有している。 And as shown in the figure (c), the PTFE tape 24 impregnated with deuterated polystyrene is wound and the adhesion is peeled off from the state where the surfaces of the layers are adhered to each other. The target 20 according to this embodiment is manufactured. As shown in FIG. 4D, the target 20 has a fiber structure in which the surface fibers 25 are cut when the adhesion is peeled off and the surface is fluffed as a protruding structure.
このような本実施形態に係るターゲット２０は、表面に毛羽立たせた繊維構造を有することにより、表面において電場の不均一を生じさせることができ、重イオンを加速して更に高速に放出することができる。なお、表面に毛羽立たせた繊維構造を有するターゲット２０は、同図（ｃ）では再び巻かれているが、癒着が剥がされた後に再び巻かれることなくレーザ光が照射されてもよい。すなわち、使用直前まで、重水素化ポリスチレンを含浸したＰＴＦＥテープ２４が巻かれた状態とされていて、使用の際（すなわち、レーザ光照射の際）に、重水素化ポリスチレンを含浸したＰＴＦＥテープ２４の一端から順次に癒着が剥がされて本実施形態に係るターゲット２０とされてレーザ光が照射されてもよい。 Such a target 20 according to the present embodiment has a fiber structure that is fluffed on the surface, so that an electric field nonuniformity can be generated on the surface, and heavy ions can be accelerated and released at a higher speed. it can. In addition, although the target 20 which has the fiber structure made fluffed on the surface is wound again in the same figure (c), after the adhesion is peeled off, the laser beam may be irradiated without being wound again. That is, until just before use, the PTFE tape 24 impregnated with deuterated polystyrene is wound, and the PTFE tape 24 impregnated with deuterated polystyrene during use (that is, upon laser light irradiation). The adhesion may be peeled off sequentially from one end of the substrate, and the target 20 according to the present embodiment may be irradiated with the laser beam.
図４は、第２実施形態に係るレーザプラズマイオン源用ターゲット２０を用いて重イオンを放出させた結果を示す図である。また、図５は、比較例のレーザプラズマイオン源用ターゲットを用いて重イオンを放出させた結果を示す図である。比較例のターゲットは、上記のターゲット２０の製造方法において、重水素化ポリスチレンのトルエン溶液２２に浸漬したＰＴＦＥテープ２１に対して、テープ面同士が癒着しないように例えばヒータ上を通過させるなどして、トルエンを揮発させた後に、そのテープを再び巻いたものであり、表面に毛羽立たせた繊維構造を有していない。 FIG. 4 is a view showing a result of emitting heavy ions using the laser plasma ion source target 20 according to the second embodiment. FIG. 5 is a diagram showing the result of emitting heavy ions using the laser plasma ion source target of the comparative example. The target of the comparative example is, for example, passed over a heater so that the tape surfaces do not adhere to the PTFE tape 21 immersed in the toluene solution 22 of deuterated polystyrene in the above target 20 manufacturing method. After the toluene is volatilized, the tape is wound again and does not have a fluffy fiber structure on the surface.
本実施形態および比較例それぞれでは、レーザ光照射条件は互いに同じである。レーザープラズマから飛来したイオンをトムソンパラボラ型イオンエネルギ分析器によりイオンの種類およびエネルギで弁別し、ＣＲ-３９と呼ばれる透明なプラスチック板にイオンを照射して得られたものである。図４および図５それぞれは、イオンがＣＲ-３９の高分子の鎖を切断することで生じた孔をエッチング処理で拡大したものを顕微鏡で観察したものである。大きい孔はエネルギ２.８７ＭｅＶの６価炭素イオンに対応し、小さい孔はエネルギ０.４８ＭｅＶの重陽子に対応する。 In this embodiment and each of the comparative examples, the laser light irradiation conditions are the same. Ions obtained from laser plasma were obtained by discriminating ions by type and energy using a Thomson parabolic ion energy analyzer and irradiating the transparent plastic plate called CR-39 with ions. Each of FIGS. 4 and 5 is obtained by observing, with a microscope, a hole formed by etching a polymer chain of ions CR-39 and enlarged by etching. Large pores correspond to hexavalent carbon ions with an energy of 2.87 MeV, and small pores correspond to a deuteron with an energy of 0.48 MeV.
図５に示される比較例に対して、図４に示される本実施形態では、多くの重イオンが発生していることが明らかである。 In contrast to the comparative example shown in FIG. 5, it is clear that many heavy ions are generated in the present embodiment shown in FIG.
図６は、第３実施形態に係るレーザプラズマイオン源用ターゲット３０の構成および製造方法を示す図である。この図に示されるターゲット３０は、表面にカーボンナノチューブが付着した構造を有し、この構造により表面において電場の不均一を生じさせるものである。ターゲット３０は、例えば、金属薄膜テープからなり、以下のようにして製造される。 FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration and a manufacturing method of the target 30 for a laser plasma ion source according to the third embodiment. The target 30 shown in this figure has a structure in which carbon nanotubes are attached to the surface, and this structure causes nonuniform electric fields on the surface. The target 30 is made of, for example, a metal thin film tape, and is manufactured as follows.
同図に示されるように、巻かれていた金属薄膜テープ３１は、その一端から順に重水素化ポリスチレンのトルエン溶液３２に浸漬される。溶液３２は、例えば重水素化ポリスチレン２ｇにトルエン４０ｍＬを加えたものに更にカーボンナノチューブが混濁させたものである。金属薄膜テープは切れ易いので、溶液３２に浸漬された後の金属薄膜テープ３３は、ヒータ３９により加熱処理されてトルエンが揮発され、これにより、本実施形態に係るターゲット３０が製造される。このようにして製造されるターゲット３０は、金属薄膜テープの表面に重水素化ポリスチレンが塗布され、且つ、その表面にカーボンナノチューブを突起構造として有するものである。例えば、金属薄膜テープ３１はタンタルやチタンからなり、その厚さは例えば５μｍ程度である。 As shown in the figure, the wound metal thin film tape 31 is immersed in a toluene solution 32 of deuterated polystyrene in order from one end thereof. The solution 32 is, for example, a mixture of 2 g of deuterated polystyrene with 40 mL of toluene and further turbidity of carbon nanotubes. Since the metal thin film tape is easy to cut, the metal thin film tape 33 after being immersed in the solution 32 is heat-treated by the heater 39 to volatilize toluene, whereby the target 30 according to the present embodiment is manufactured. The target 30 manufactured in this way has a deuterated polystyrene coated on the surface of a metal thin film tape, and has carbon nanotubes as a protruding structure on the surface. For example, the metal thin film tape 31 is made of tantalum or titanium and has a thickness of about 5 μm, for example.
このような本実施形態に係るターゲット３０は、表面にカーボンナノチューブが付着した構造を有することにより、表面において電場の不均一を生じさせることができ、重イオンを加速して更に高速に放出することができる。なお、表面にカーボンナノチューブが付着した構造を有するターゲット３０は、同図では再び巻かれているが、トルエン揮発の後に再び巻かれることなくレーザ光が照射されてもよい。すなわち、使用直前まで、金属薄膜テープ３１を溶液３２に浸漬することなく、使用の際（すなわち、レーザ光照射の際）に、金属薄膜テープ３１が一端から順次に溶液３２に浸漬されトルエンが揮発されて本実施形態に係るターゲット３０とされてレーザ光が照射されてもよい。 Such a target 30 according to the present embodiment has a structure in which carbon nanotubes are attached to the surface, so that electric field nonuniformity can be generated on the surface, and heavy ions are accelerated and released at a higher speed. Can do. In addition, although the target 30 which has the structure where the carbon nanotube adhered to the surface is wound again in the same figure, a laser beam may be irradiated without being wound again after toluene volatilization. That is, the metal thin film tape 31 is immersed in the solution 32 sequentially from one end and the toluene is volatilized before use, without immersing the metal thin film tape 31 in the solution 32. Then, the target 30 according to the present embodiment may be irradiated with the laser beam.
また、本実施形態では、金属薄膜テープが用いられていることから、その金属薄膜に含まれる自由電子がレーザ光照射により電子雲となって、強い電場が形成されて、イオンの加速を促すという効果もある。 In addition, in this embodiment, since a metal thin film tape is used, free electrons contained in the metal thin film become an electron cloud by laser light irradiation, and a strong electric field is formed to accelerate ions. There is also an effect.
図７は、第４実施形態に係るレーザプラズマイオン源用ターゲット４０の構成および製造方法を示す図である。この図に示されるターゲット４０は、基板の第１主面に形成された突起構造を有し、この構造により第１主面において電場の不均一を生じさせるとともに、放出すべきイオンを含む物質の層が第１主面に形成され、金属層が基板の第１主面または第２主面に形成されている。ターゲット４０は、例えば、シリコン単結晶基板からなり、以下のようにして製造される。 FIG. 7 is a diagram showing a configuration and a manufacturing method of the laser plasma ion source target 40 according to the fourth embodiment. The target 40 shown in this figure has a protruding structure formed on the first main surface of the substrate. This structure causes non-uniformity of the electric field on the first main surface, and also includes a substance containing ions to be emitted. The layer is formed on the first main surface, and the metal layer is formed on the first main surface or the second main surface of the substrate. The target 40 is made of, for example, a silicon single crystal substrate, and is manufactured as follows.
同図（ａ）に示されるように例えば厚さ１００μｍ以下のシリコン単結晶基板４１が用意され、この基板４１に対して異方性エッチングが施されて、同図（ｂ）に示されるように基板４２の第１主面に突起構造４３が形成されたものが製造される。そして、同図（ｃ）に示されるように、基板４２の第１主面に、放出すべきイオンを含む物質の層４４が形成され、基板４２の第２主面に、自由電子を供給するための金属層４５が形成される。これにより、本実施形態に係るターゲット４０が製造される。例えば、放出すべきイオンを含む物質の層４４は重水素化ポリスチレンを蒸着したものからなり、金属層４５は金からなる。 As shown in FIG. 6A, for example, a silicon single crystal substrate 41 having a thickness of 100 μm or less is prepared, and anisotropic etching is performed on the substrate 41, as shown in FIG. The substrate 42 having the protrusion structure 43 formed on the first main surface is manufactured. Then, as shown in FIG. 4C, a layer 44 of a substance containing ions to be emitted is formed on the first main surface of the substrate 42, and free electrons are supplied to the second main surface of the substrate 42. A metal layer 45 is formed. Thereby, the target 40 according to the present embodiment is manufactured. For example, the layer 44 of the substance containing ions to be released is made by depositing deuterated polystyrene, and the metal layer 45 is made of gold.
このような本実施形態に係るターゲット４０は、基板４２の第１主面に突起構造４３が形成された構造を有することにより、表面において電場の不均一を生じさせることができ、重イオンを加速して更に高速に放出することができる。また、放出すべきイオンを含む物質の層４４が基板４２の第１主面に形成されていることにより、多くの重イオンが放出され得るという効果もある。さらに、自由電子を供給するための金属層４５が基板４２の第２主面に形成されていることにより、その自由電子がレーザ光照射により電子雲となって、強い電場が形成され、イオンの加速を促すという効果もある。 Such a target 40 according to the present embodiment has a structure in which the protrusion structure 43 is formed on the first main surface of the substrate 42, so that the electric field can be non-uniform on the surface and accelerate heavy ions. Thus, it can be released at a higher speed. In addition, since the layer 44 of the substance containing ions to be released is formed on the first main surface of the substrate 42, there is an effect that many heavy ions can be released. Further, since the metal layer 45 for supplying free electrons is formed on the second main surface of the substrate 42, the free electrons become an electron cloud by laser light irradiation, and a strong electric field is formed. It also has the effect of accelerating acceleration.
図８は、第４実施形態に係るレーザプラズマイオン源用ターゲット４０を用いた重イオン発生の様子を模式的に示す図である。この図に示されるように、光源８１から出力された高強度で短パルスのレーザ光は、軸はずし放物面鏡８２により集光されて、ターゲット４０の第２主面（突起構造４３が形成された第１主面の反対側の面）へレーザ光９１が集光照射される。このレーザ光照射に伴い、金属層４５から電子が放出され、突起構造４３が形成された第１主面の側の外部に電子雲が形成されて、この電子雲とターゲット４０との間で不均一な電場が生じる。そして、放出すべきイオンを含む物質の層４４からイオン９４が放出され、そのイオン９４は、突起構造４３の先端の付近の強い電場により加速される。なお、ターゲット４０へのレーザ光照射を行う際に、ターゲット４０を平行移動または回転移動させて、ターゲット４０上でレーザ光集光位置を走査することで、レーザ光の各パルスがターゲット４０上の異なる位置に照射するようにするのが好ましい。 FIG. 8 is a diagram schematically showing how heavy ions are generated using the laser plasma ion source target 40 according to the fourth embodiment. As shown in this figure, the high-intensity and short-pulse laser beam output from the light source 81 is condensed by an off-axis parabolic mirror 82 to form the second main surface (projection structure 43 formed on the target 40). The laser beam 91 is condensed and applied to the surface opposite to the first main surface. With this laser light irradiation, electrons are emitted from the metal layer 45, and an electron cloud is formed outside the first main surface on which the protruding structure 43 is formed. A uniform electric field is generated. Then, ions 94 are emitted from the layer 44 of the substance containing ions to be emitted, and the ions 94 are accelerated by a strong electric field near the tip of the protruding structure 43. When the target 40 is irradiated with laser light, the target 40 is moved in parallel or rotated, and the laser light condensing position is scanned on the target 40, so that each pulse of the laser light is on the target 40. It is preferable to irradiate different positions.
図９は、第５実施形態に係るレーザプラズマイオン源用ターゲット５０およびレーザプラズマイオン発生装置１の構成を示す図である。この図に示されるレーザプラズマイオン発生装置１は、ターゲット５０に加えて、光源８１、軸はずし放物面鏡８２、第１分岐部８３、第２分岐部８４およびミラーＭ１〜Ｍ９を備えている。 FIG. 9 is a diagram showing a configuration of the laser plasma ion source target 50 and the laser plasma ion generator 1 according to the fifth embodiment. In addition to the target 50, the laser plasma ion generator 1 shown in this figure includes a light source 81, an off-axis parabolic mirror 82, a first branch portion 83, a second branch portion 84, and mirrors M1 to M9. .
光源８１は、ターゲット５０に照射されるべき高強度で短パルスのレーザ光を出力する。このパルスレーザ光は例えばテラワット級である。第１分岐部８３は、光源８１から出力されるレーザ光の一部を分岐し取り出して第２分岐部８４へ出力し、残部を軸はずし放物面鏡８２へ出力する。軸はずし放物面鏡８２は、第１分岐部８３から到達したレーザ光９１を入力して、そのレーザ光９１を集光してターゲット５０の領域５２に照射する。 The light source 81 outputs a high-intensity, short-pulse laser beam to be irradiated on the target 50. This pulse laser beam is, for example, a terawatt class. The first branching unit 83 branches and takes out part of the laser light output from the light source 81 and outputs it to the second branching unit 84. The remaining part is off-axis and output to the parabolic mirror 82. The off-axis parabolic mirror 82 receives the laser beam 91 that has arrived from the first branch portion 83, condenses the laser beam 91, and irradiates the region 52 of the target 50.
第２分岐部８４は、第１分岐部８３から到達したレーザ光を２分岐して、その２分岐したレーザ光の各々をミラーＭ１，Ｍ７へ出力する。ミラーＭ１〜Ｍ６それぞれは、第２分岐部８４からミラーＭ１へ到達したレーザ光９５を順次に反射させてターゲット５０に照射する。ミラーＭ７〜Ｍ９それぞれは、第２分岐部８４からミラーＭ７へ到達したレーザ光９６を順次に反射させてターゲット５０に照射する。 The second branching unit 84 splits the laser beam that has arrived from the first branching unit 83 into two, and outputs each of the two branched laser beams to the mirrors M1 and M7. Each of the mirrors M <b> 1 to M <b> 6 sequentially reflects the laser beam 95 that has reached the mirror M <b> 1 from the second branch portion 84 and irradiates the target 50. Each of the mirrors M <b> 7 to M <b> 9 sequentially reflects the laser beam 96 that has reached the mirror M <b> 7 from the second branch portion 84 and irradiates the target 50.
このとき、第２分岐部８４からミラーＭ１〜Ｍ６を経てターゲット５０に照射されるレーザ光９５と、第２分岐部８４からミラーＭ７〜Ｍ９を経てターゲット５０に照射されるレーザ光９６とは、図１０に示されるようにターゲット５０上の共通の領域５１に照射される。また、ミラーＭ２，Ｍ３の位置が調整されることにより、ターゲット５０の領域５１に照射されるレーザ光９５，９６それぞれの光路長は互いに略等しく設定される。したがって、ターゲット５０の領域５１においてレーザ光９５，９６が干渉して干渉縞が形成される。すなわち、これらミラーＭ１〜Ｍ９は干渉光学系を構成している。 At this time, the laser beam 95 applied to the target 50 from the second branch unit 84 via the mirrors M1 to M6 and the laser beam 96 applied to the target 50 from the second branch unit 84 via the mirrors M7 to M9 are: As shown in FIG. 10, the common region 51 on the target 50 is irradiated. Further, by adjusting the positions of the mirrors M2 and M3, the optical path lengths of the laser beams 95 and 96 irradiated to the region 51 of the target 50 are set to be substantially equal to each other. Therefore, in the region 51 of the target 50, the laser beams 95 and 96 interfere to form interference fringes. That is, these mirrors M1 to M9 constitute an interference optical system.
ターゲット５０は、例えばタンタルやチタン等からなる金属薄膜テープであり、図中で矢印により示される方向に移動する。その移動方向に関し、ターゲット５０において干渉縞が形成される領域５１は、軸はずし放物面鏡８２により集光されたレーザ光９１が照射される領域５２に対して上流側に位置する。また、軸はずし放物面鏡８２により集光されたレーザ光９１がターゲット５０の一方の面に照射され、ミラーＭ６，Ｍ９からレーザ光９５，９６がターゲット５０の他方の面に照射される。 The target 50 is a metal thin film tape made of, for example, tantalum or titanium, and moves in a direction indicated by an arrow in the drawing. With respect to the moving direction, the region 51 where the interference fringes are formed in the target 50 is located upstream of the region 52 irradiated with the laser beam 91 condensed by the off-axis parabolic mirror 82. Further, the laser beam 91 condensed by the off-axis parabolic mirror 82 is irradiated on one surface of the target 50, and the laser beams 95 and 96 are irradiated on the other surface of the target 50 from the mirrors M6 and M9.
このレーザプラズマイオン発生装置１では、ターゲット５０の領域５１において干渉縞により加工されて微細突起構造が形成され、ターゲット５０の移動に伴い、その干渉縞が形成された部分が領域５２に到達して、軸はずし放物面鏡８２により集光されたレーザ光９１が領域５２に照射される。このレーザ光９１の照射により、ターゲット５０の領域５２から金属イオンが放出される。なお、ターゲット５０の領域５１において形成される干渉縞により、微細突起構造が形成されるだけでなく、ターゲット５０に付着している不純物である水素が除去され得る。 In this laser plasma ion generator 1, a fine protrusion structure is formed by processing with interference fringes in the region 51 of the target 50, and the portion where the interference fringes are formed reaches the region 52 as the target 50 moves. The laser beam 91 condensed by the off-axis parabolic mirror 82 is irradiated onto the region 52. By irradiation with the laser beam 91, metal ions are emitted from the region 52 of the target 50. Note that the interference fringes formed in the region 51 of the target 50 not only form a fine protrusion structure but also remove hydrogen that is an impurity attached to the target 50.
１…レーザプラズマイオン発生装置、１０，２０，３０，４０，５０…レーザプラズマイオン源用ターゲット、８１…光源、８２…軸はずし放物面鏡、８３…第１分岐部、８４…第２分岐部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser plasma ion generator 10, 20, 30, 40, 50 ... Target for laser plasma ion source, 81 ... Light source, 82 ... Off-axis parabolic mirror, 83 ... 1st branch part, 84 ... 2nd branch Department.
Claims (8)
A projection structure formed on a first main surface of the substrate; this structure causes non-uniformity of the electric field on the first main surface; and a layer of a substance containing ions to be emitted is formed on the first main surface. The target according to claim 1, wherein the metal layer is formed on the first main surface of the substrate or the second main surface located on the opposite side of the first main surface .
この光源から出力されるレーザ光が照射され、このレーザ光照射に伴って生じる電子雲と表面との間に電場を発生させ該電場によりイオンを放出する請求項１〜５の何れか１項に記載のレーザプラズマイオン源用のターゲットと、
を備えることを特徴とするレーザプラズマイオン発生装置。 A light source that outputs laser light;
The laser beam output from the light source is irradiated, an electric field is generated between the electron cloud generated by the laser beam irradiation and the surface, and ions are emitted by the electric field. A target for the described laser plasma ion source;
A laser plasma ion generator comprising:
この光源から出力されるレーザ光が照射され、このレーザ光照射に伴って生じる電子雲と表面との間に電場を発生させ該電場によりイオンを放出するレーザプラズマイオン源用のターゲットと、
そのターゲットへのレーザ光照射の前に、そのターゲットの表面の当該レーザ光照射領域において前記電場の不均一を生じさせる構造を形成する電場不均一構造形成手段と、
を備えることを特徴とするレーザプラズマイオン発生装置。 A light source that outputs laser light;
A target for a laser plasma ion source that is irradiated with laser light output from the light source, generates an electric field between the electron cloud generated by the laser light irradiation and the surface, and emits ions by the electric field;
An electric field non-uniform structure forming means for forming a structure that causes non-uniformity of the electric field in the laser light irradiation region on the surface of the target before laser irradiation to the target;
A laser plasma ion generator comprising:
前記光源から出力されるレーザ光の一部を分岐して取り出す第１分岐部と、
この第１分岐部により分岐されて取り出されたレーザ光を２分岐する第２分岐部と、
この第２分岐部により２分岐されたレーザ光を前記ターゲットの前記レーザ光照射領域において干渉させる干渉光学系と、
を含むことを特徴とする請求項７記載のレーザプラズマイオン発生装置。 Electric field non-uniform structure forming means,
A first branching unit for branching out a part of the laser beam output from the light source;
A second branching unit that splits the laser beam branched and extracted by the first branching unit into two;
An interference optical system for causing the laser beam branched into two by the second branching section to interfere in the laser beam irradiation region of the target;
The laser plasma ion generator according to claim 7, comprising:
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