JP6699158B2 - レーザー加速器 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ発生装置を用いた荷電粒子のレーザー加速器に関する。

数ＭｅＶから数ＧｅＶの高エネルギー粒子は学問の研究対象に留まることなく、工業や医療などの様々な分野で利用されている。このような高エネルギー粒子は線形加速器や円形加速器を用いて生成されている。線形加速器や円形加速器は、一列に並ぶ空洞共振器にマイクロ波を導入することで加速場を発生し、これにより荷電粒子を加速している。

電極間の絶縁破壊の懸念から、各空洞共振器内に発生させる電界強度には上限がある。そのため、一般的な傾向として、荷電粒子のエネルギーを高めようとすると、配列した空洞共振器の全長が長くなる。つまり、上記の加速器を用いた施設は大型化しやすい。

一方、高出力フェムト秒レーザーの実現によって、レーザー光を用いた粒子加速の研究が急速に進んでいる。レーザー加速は、レーザー光によるプラズマ波の共鳴を利用したもので、荷電粒子はプラズマ中で加速される。レーザー加速では、プラズマの長さが数ｍｍ〜数ｃｍ程度でありながら、ＭｅＶオーダー或いはそれ以上の加速が可能である。つまり、レーザー加速は、空洞共振器を用いることによる絶縁破壊の懸念を払拭すると共に、加速器の小型化に寄与する。加速器の小型化は、高エネルギー粒子源やＸ線源の小型化にも寄与する。

従来のレーザー加速器では、パルス状のガスジェットが真空槽内に噴出され、この噴出に同期してガスジェットにレーザー光が照射される。これにより、プラズマの発生とほぼ同時に当該プラズマ中の荷電粒子が加速される。特許文献１は、レーザー光を照射することでプラズマを生成すると共に、当該レーザー光によって当該プラズマ中の電子を加速する電子加速装置を開示している。

特開２０１１−２３８４３５号公報

レーザー加速器の産業への応用を考えた場合、用途に合わせて高エネルギー粒子やＸ線が十分に大きな強度をもち、長時間（数時間以上）安定に得られることが求められる。

しかしながら、レーザー加速器の開発はまだ研究段階にあり、上記の要求に対して多くの課題が残っている。例えばその課題の一つとして、ガスジェットによる真空度の低下（即ち、真空槽内の圧力の上昇）が挙げられる。ガスジェットは高速の電磁バルブを用いて真空槽内にパルス状に噴出されている。そのため、ガスジェットの噴出は、真空度に影響を及ぼし、プラズマ発生間の待機時間を長くする。これに対して、特許文献１の電子加速装置では、真空槽内にガスジェットの回収手段を設け、待機時間の短縮化を図っている。

ガスジェットの噴出が０．１〜数Ｈｚ程度の繰り返し運転であれば、排気装置の容量（排気速度）を拡大することによって、運転が可能な真空度を維持することが可能である。しかしながら、この程度の繰り返し運転では所望の平均強度を得ることが困難になる。レーザー加速器の実用化には、少なくとも１００〜数ｋＨｚの繰り返し運転が望まれ、そのための真空度を維持することが重要になる。

そこで本発明は、排気装置の容量の拡大を抑制し、高い繰り返し運転が可能なレーザー加速器の提供を目的とする。

本発明の一態様はレーザー加速器であって、単一の軸線上に延びる中心電極および前記中心電極の外周を囲むように設けられる外部電極を有し、対称面を挟んで互いに対向配置され、プラズマを発生すると共に前記プラズマを閉じ込める一対の同軸状電極を含むプラズマ発生装置と、荷電粒子を加速させるためのレーザー光を、前記一対の同軸状電極の間に閉じ込められた前記プラズマに照射するレーザー装置と、前記中心電極に熱的に接触する冷却機構と、前記プラズマの媒体としての気体を前記中心電極に向けて放出するガスノズルとを備えることを要旨とする。

本発明によれば、排気装置の容量の拡大を抑制し、高い繰り返し運転が可能なレーザー加速器を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザー装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置の概略構成図（断面図）である。 本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置の電気系統を示す図である。 図２のＩＶ−ＩＶ断面を示す図である。 本発明の一実施形態に係る保持部とその周囲の断面図である。 初期放電の経時変化の一例を示す画像である。 初期放電の経時変化の一例を示す画像である。 初期放電の発生及びその直後の状態を説明するための図である。 本発明の一実施形態の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るレーザー加速器について添付図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示すように、本実施形態のレーザー加速器は、レーザー装置１０と、プラズマ発生装置２０とを備えている。後述するように、プラズマ発生装置２０は、プラズマ３を発生し、プラズマ３を閉じ込める一対の同軸状電極２１、２１を有する。レーザー装置１０は、プラズマ発生装置２０によって形成された（換言すれば閉じ込められた）プラズマ３にレーザー光１１を照射する。

まず、レーザー装置１０について説明する。本実施形態のレーザー装置１０は、短パルスで大強度のレーザー光１１を発生する高出力レーザーである。即ち、レーザー装置１０は、プラズマ３内の荷電粒子（即ち電子或いはイオン）を加速するための、プラズマ波の共鳴的な励起が可能なパルス幅と強度（エネルギー）をもつレーザー光１１を出力する。このような条件を満たすレーザー装置としては、例えばフェムト秒レーザーが挙げられる。フェムト秒レーザーとは、パルス放射時間（パルス幅）が数フェムト秒（ｆｓ）以上で１ピコ秒（ｐｓ）未満である、極短パルスレーザである。

レーザー装置１０は、プラズマ発生装置２０によるプラズマ３の発生に同期して、レーザー光１１を発生し、出力する。この同期には、例えば、プラズマ発生装置２０内のレーザー装置４０に入力するトリガー信号を用いることができる。レーザー装置１０から発せられたレーザー光１１は、集光ミラー１２によってプラズマ３に向けて収束する。なお、集光ミラー１２の代わりに、レンズ（図示せず）を用いてもよい。

後述するように、プラズマ発生装置２０によって形成されたプラズマ３は、プラズマ媒体６を成分に含む高温のプラズマであり、そのサイズは数ｍｍ程度である。プラズマ３に照射されたレーザー光１１は、プラズマ３のプラズマ波を励起し、この励起に起因してプラズマ３内の荷電粒子群４（電子群及びイオン群（プラズマ媒体６のイオンを含む））が、プラズマ３から見てレーザー光１１の出射方向に加速され、プラズマ３から放出される。

（プラズマ発生装置）
次に、プラズマ発生装置２０について説明する。図２は、プラズマ発生装置２０を示す概略構成図（断面図）であり、図３はプラズマ発生装置２０の電気系統を示す図である。これらの図に示すように、本実施形態のプラズマ発生装置２０は、一対の同軸状電極２１、２１と、各同軸状電極２１に対して個別に設けられるリザーバ２６と、電圧印加装置３０と、レーザー装置４０とを備える。なお、図２において右側の同軸状電極２１は、左側の同軸状電極２１と同一の構成であるため、詳細な図示を省略する。

一対の同軸状電極２１、２１は、図示しない真空槽内において対称面１に対して互いに対称な位置に設置されている。具体的には、対称面１を挟んで一定の間隔を隔てて設置され、先端側（面状放電２ｂが放出される側）が互いに対向している。同軸状電極２１、２１は、プラズマ媒体６を含むプラズマ３を発生すると共に、両者の間に当該プラズマ３を閉じ込める。同軸状電極２１、２１の間に閉じ込められたプラズマ３は加熱され、その密度も上昇する。なお、高温のプラズマ３からは、極端紫外光を含むプラズマ光８が放射される。

本実施形態のプラズマ媒体６は、リザーバ２６から保持部２５（後述）に供給可能な低融点金属（低融点合金）であり、その組成は、必要なイオン種に応じて適宜選択される。プラズマ媒体６は、例えばＬｉ、Ｓｎ、Ｂｉなどである。

各同軸状電極２１は、中心電極２２と、中心電極２２の外周を囲むように設けられる複数の外部電極２３と、絶縁体２４とを備える。図２および図４に示すように、中心電極２２は、各同軸状電極２１に共通する単一の軸線Ｚ−Ｚを中心軸（以下、この軸を中心軸Ｚと称する）として、この中心軸Ｚ上に延びる棒状の導電体であり、直径は例えば５ｍｍである。中心電極２２は、対称面１に面する先端部２２ａと、中心軸Ｚの周りに形成された側面２２ｂとを有する。なお、側面２２ｂには後述の保持部２５が設けられている。中心電極２２は高温プラズマに対して耐熱性を有する材料を用いて形成される。このような材料は、例えばタングステンやモリブデン等の高融点金属である。

先端部２２ａは、対称面１に対向する半球状の曲面を有する。ただし、対称面１に対向する面の形状は曲面に限られず、単なる平面でもよい。また、中心軸Ｚに沿って窪んだ凹部（図示せず）を設けてもよい。

図２に示すように、外部電極２３は、中心電極２２の中心軸Ｚと平行に延びる棒状の導電体であり、直径は例えば３ｍｍである。また、図４に示すように、中心電極２２と一定の間隔（例えば２．５ｍｍ）を隔てながら、中心電極２２の周方向に沿って角度θ毎に複数配置されている。換言すると、各外部電極２３は中心電極２２と平行に配置され、中心電極２２の周囲を囲んでいる。図４に示す例では、６本の外部電極２３が中心電極２２の周りで６０°毎に配置されている。

図４に示すように、各外部電極２３は、その軸方向に垂直な面において、中心電極２２との距離が最短となる部位Ｇを１点だけ含む断面を有する。このような形状の断面は、例えば円である。ただし、外部電極２３の断面形状は円形に限られず、少なくとも中心電極２２に対向する面が、中心電極２２に向かって突出する曲面を有していればよい。また、何れの場合も、部位Ｇが中心電極２２の周りで角度θ毎に配置される。

外部電極２３は中心電極２２の周りで等間隔に設置されることが望ましい。例えば、加工や組み立ての観点から、各外部電極２３は中心電極２２に対して回転対称な位置に設置されることが望ましい。ただし、本発明はこのような配列に限定されない。また、外部電極２３の数も６本に限定されず、中心電極２２及び外部電極２３の大きさや形状、両者の間隔などに応じて適宜設定される。なお、外部電極２３は中心電極２２を中心軸とした円筒状（管状）の電極であってもよい。ただし、面状放電２ｂ（後述）の形成の容易性を考慮すると、外部電極２３を複数の棒状電極で構成することが望ましい。

なお、外部電極２３は、中心電極２２と同じく、高温プラズマに対して耐熱性をもつ導電材料を用いて形成される。また、対称面１に対向する外部電極２３の端面は曲面、平面の何れでもよい。

中心電極２２の周りに複数の外部電極２３をこのように配置することで、図２に示す面状放電２ｂに至る初期放電２ａ（図８参照）を、各外部電極２３と中心電極２２との間で発生させることができる。即ち、各部位Ｇを放電経路に含む初期放電２ａを優先的に発生させることで、当該初期放電２ａを中心電極２２の全周に亘って発生させることが可能になり、環状の面状放電２ｂの形成が容易になる。

絶縁体２４は例えばセラミックを用いて形成され、中心電極２２と外部電極２３の各基部を支持して両者の間隔を規定すると共にその間を電気的に絶縁する。絶縁体２４は例えば円盤状に形成され、中心電極２２及び外部電極２３を支持する孔や溝等の構造を有する。

図４に示すように、保持部２５は、中心電極２２の側面２２ｂに形成される。保持部２５は、外部電極２３の部位Ｇと対向し、且つ、レーザー光４１の照射位置を含む位置に位置する。本実施形態では、保持部２５も中心軸Ｚを挟んだ２か所に形成されている。

保持部２５は、中心電極２２の側面２２ｂに開口部２５ａを有する凹状に形成され、その内側にプラズマ媒体６を保持する。即ち、保持部２５は、側面２２ｂから中心電極２２の径方向内方に向けて窪んでおり、プラズマ媒体６は保持部２５内に留まっている。例えば図５に示すように、保持部２５は中心電極２２の側面２２ｂに開口部２５ａを有し、側面２２ｂから中心電極２２の径方向内方に向けて延伸する孔として形成されている。保持部２５には中心電極２２の流路２２ｃが接続（連通）する。従って、プラズマ媒体６はこの流路２２ｃを介して保持部２５に供給され、保持部２５内に保持される。

保持部２５内のプラズマ媒体６は、中心電極２２の側面２２ｂよりも外部電極２３から離隔している。換言すれば、保持部２５の開口部２５ａは対称面１側に位置する縁部２５ｂを含み、中心軸Ｚに平行な中心電極２２の断面において、少なくともこの縁部２５ｂが保持部２５におけるプラズマ媒体６よりも外部電極２３に近接している。

保持部２５が孔である場合、保持部２５の内径（即ち、開口部２５ａの直径）は、（１）プラズマ媒体６が自己の表面張力によって保持部２５内に留まることができ、（２）レーザー光４１が保持部２５の周囲の側面２２ｂに当たらない値に設定される。このような値は、レーザー光４１の照射位置におけるビーム径（数百μｍ）の数倍、例えば１．５ｍｍである。

リザーバ２６は各同軸状電極２１に対して個別に設けられる。図２に示すように、リザーバ２６は中心電極２２の基部を支持すると共に、内部に形成した空間２６ａにプラズマ媒体６を貯留する。この空間２６ａは、中心電極２２の流路２２ｃを介して保持部２５に連通している。また、リザーバ２６はヒータ２７を搭載している。ヒータ２７は、例えば熱媒体（油）循環式のヒータや電熱式のヒータで構成され、空間２６ａ内のプラズマ媒体６を溶融すると共に、中心電極２２の温度をプラズマ媒体６が溶融する温度に維持する。従って、プラズマ媒体６が流路２２ｃを介して保持部２５に流出したときも、保持部２５はプラズマ媒体６を溶融した状態で保持することができる。なお、保持部２５におけるプラズマ媒体６の表面６ａの位置を調整するため、空間２６ａ内のプラズマ媒体６に対して正圧や負圧を与える加圧装置を設けてもよい。この場合、表面６ａの位置調整が容易になる。

なお、耐熱性や導電性に支障のない限り、中心電極２２をプラズマ媒体６を含む材料で構成してもよい。或いは、保持部２５として、中心電極２２の側面２２ｂに固形のプラズマ媒体６を埋設（装着）してもよい。これらの場合は、リザーバ２６やヒータ２７を省略してもよい。

次に、本実施形態のプラズマ発生装置２０における電気系統について説明する。図３に示すように、プラズマ発生装置２０は各同軸状電極２１に接続する電圧印加装置３０を備える。電圧印加装置３０は、各同軸状電極２１に同極性の放電電圧を印加する。

電圧印加装置３０は、高圧電源３１を備える。高圧電源３１の出力側は、同軸状電極２１の中心電極２２に接続し、この中心電極２２に対応する外部電極２３よりも高い正の放電電圧（例えば５ｋＶ）を印加する。従って、外部電極２３が接地されている場合は、中心電極２２の電位は正になる。

上述の通り、各中心電極２２の周囲には複数の外部電極２３が設けられている。理想的な面状放電２ｂを得るには、全ての外部電極２３と中心電極２２との間で、放電が発生する必要がある。しかも、これらの放電が、中心電極２２の周りで空間的に等間隔に分布していることが望ましい。このため本実施形態の各外部電極２３は、中心電極２２に対向する面を曲面にして、優先的に放電する箇所を規定している。しかしながら、放電箇所を固定し、後述するレーザー光４１を各中心電極２２の保持部２５に同時に照射したとしても、各外部電極２３と中心電極２２との間の放電を厳密に同時に発生させることは困難であり、実際には各放電の発生タイミングに多少のずれが生じる。高圧電源３１から供給される放電エネルギーは最初に発生した放電に対して優先的に費やされる傾向があり、この場合は複数の放電を略同時に発生させることが困難になる。

そこで、本実施形態の電圧印加装置３０は、放電電圧の放電エネルギーを外部電極２３毎に蓄積するエネルギー蓄積回路３２を備えている。エネルギー蓄積回路３２は、例えば図３に示すように中心電極２２と各外部電極２３との間を個別に接続する複数のコンデンサＣで構成される。各コンデンサＣは、放電のピーク時に１０ｋＡ程度の放電電流を流すことが可能な静電容量を持ち、高圧電源３１の各出力側及び各コモン側に接続される。

このように、放電エネルギーを蓄積するコンデンサＣを外部電極２３毎に設けることで、全ての外部電極２３において放電を発生させることができる。即ち、最初に発生した放電によって多くの放電エネルギーが消費されることを防止でき、中心電極２２の全周に亘って発生する理想的な面状放電２ｂを得ることができる。

さらに、本実施形態の電圧印加装置３０は、放電電流が帰還することを阻止する放電電流阻止回路３３を備えてもよい。放電電流阻止回路３３は、例えば図３に示すように各外部電極２３と電圧印加装置３０（具体的には高圧電源３１のコモン側）との間を接続するインダクタＬで構成される。インダクタＬは、放電電流に対して十分に高いインピーダンスを有するため、中心電極２２及び外部電極２３を経由した放電電流を、その発生源であるエネルギー蓄積回路３２に戻すことができる。つまり、各コンデンサＣに蓄積された放電エネルギーが、当該コンデンサＣに直結した外部電極２３以外の外部電極２３に供給されることを防止するため、中心電極２２の周方向における放電の発生分布に偏りが生じることを防止できる。

上述の通り、本実施形態のプラズマ発生装置２０はレーザー装置４０を備える。レーザー装置４０は、各同軸状電極２１の中心電極２２の表面にレーザー光４１を照射することで、プラズマ３の媒体を放出させると共にプラズマ３の初期放電２ａを発生させる。レーザー装置４０は例えばＹＡＧレーザーであり、アブレーションを行うために基本波の二倍波を短パルスのレーザー光４１として出力する。レーザー光４１は、ビームスプリッタ（ハーフミラー）等の光学素子によって分岐し、各中心電極２２の保持部２５に照射される。レーザー光４１が照射された保持部２５では、レーザー光４１のアブレーションによって、プラズマ媒体６が中性ガス又はイオンとなって放出される。

一方、レーザー光４１の照射時には、既に電圧印加装置３０による放電電圧が、各同軸状電極２１の中心電極２２と外部電極２３の間に印加されている。従って、アブレーションが発生すると、中心電極２２と各外部電極２３間の初期放電２ａが誘発され、この放電によって面状放電２ｂ（図８参照）が形成される。

なお、初期放電２ａの発生箇所は、レーザー光４１の照射領域及びその近傍に制限される可能性がある。従って、レーザー光４１は中心軸Ｚの周方向に沿って間隔を置いて、複数且つ同時に照射することが好ましく、その数は少なくとも２箇所である。

これは、初期放電２ａの発生領域が、中心電極２２の軸を基点に１８０度以上の開き角があった実験結果に基づいている。この実験結果の一例を図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す。図６（ａ）
〜（ｃ）は４個のＣＣＤを有する高速度カメラで測定したものである。図６（ａ）〜図６（ｃ）は、５ｋＶの放電電圧が印加された中心電極‐外部電極間の放電分布の経時変化を示す画像である。図６（ａ）は最初の放電の発生から１００ｎｓ後の状態、図６（ｂ）は最初の放電の発生から３００ｎｓ後の状態、図６（ｃ）は最初の放電の発生から５００ｎｓ後の状態を示している。各画像における蓄積時間（露光時間）は１００ｎｓである。図中白い個所はプラズマが生成し発光していることを示す。なお、最初の放電を誘発するために、中心電極と外部電極の間の絶縁体の一箇所に対してレーザーアブレーションを行っている。しかしながら、このような放電の経時変化は、図１に示す保持部２５に対するレーザーアブレーションでも同様に得られる。

図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す時間変化から判るように、レーザー光の照射点は１点のみであるにも関わらず、アブレーションに誘発された放電が発生し、当該放電がレーザー光の照射点から時計回り及び反時計回りにそれぞれ概ね９０度に亘って拡大していることが確認できる。その結果、少なくとも写真中央と右側の計４本の外部電極のそれぞれと、中心電極との間で十分な放電が発生していることが確認できる。つまり、放電は、当該放電を誘発する現象（図６（ａ）〜図６（ｃ）においてはレーザーアブレーション）が発生した箇所に最も近接した外部電極と中心電極との間だけでなく、その遠方に位置する外部電極と中心電極との間にも発生する。即ち、放電エネルギーを付与した複数の外部電極を中心電極の周りに配置することで、中心電極の円周方向において放電を局在させることなく、全体に拡大させることができる。

図７は、中心電極を挟んだ絶縁体の二箇所に対してレーザーアブレーションを行った後の放電の経時変化を示し、図６（ｂ）に対応している。この図に示すように、初期放電は環状に分布する放電（後述の面状放電２ｂ）に成長する。なお、この結果を考慮すると、照射箇所の数が少ないほど中心電極２２に対して回転対称な位置にレーザー光４１を照射することが望ましい。なお、複数のレーザー光の同時照射は、ビームスプリッタ及びミラー等の光学素子を用いて光路長を合わせた複数の光路を形成することで容易に達成できる。

上述の通り、本実施形態のプラズマ発生装置２０では、真空槽（図示せず）内に一対の同軸状電極２１が設けられる。一対の同軸状電極２１は、対称面１を挟んで互いに対向配置される。一方、真空槽内は、プラズマ３の発生に適した温度及び圧力に保持される。また、放電前の各同軸状電極２１には、電圧印加装置３０により同極性の放電電圧が印加される。

各同軸状電極２１に放電電圧が印加された状態で、レーザー光４１が各同軸状電極２１の保持部２５に同時に照射される。この照射によるアブレーションによって、保持部２５に留まっていたプラズマ媒体６が、中性ガス又はイオンとなって放出される。また、このアブレーションによって、中心電極２２と各外部電極２３の間で初期放電２ａが発生する。

その後、初期放電２ａは、アブレーションによって放出されたプラズマ媒体６を取り込みつつ、中心電極２２の全周に亘って分布し、面状放電２ｂに成長する。面状放電２ｂは、自己磁場によって同軸状電極２１から排出される方向（即ち、対称面１に向かう方向）に移動する。このときの面状放電２ｂは、中心軸Ｚから見て略環状に分布する。なお、面状放電とは、２次元的に広がる面状の放電電流のことであり、電流シート又はプラズマシートとも呼ばれている。

面状放電２ｂが同軸状電極２１の先端に達すると、面状放電２ｂの放電電流の出発点は強制的に中心電極２２の円周側面から先端部２２ａに移行する。換言すれば、放電電流は先端部２２ａから集中的に流れ出す。この電流集中によるピンチ効果によって先端部２２ａ周辺の電流密度は急激に上昇し、一対の面状放電２ｂの間に挟まれていた先端部２２ａ周辺のプラズマ媒体６は高温になり、且つその密度も上昇する。

さらに、この現象は対称面１を挟んだ各同軸状電極２１で進行するため、プラズマ媒体６は、一方の同軸状電極２１から他方の同軸状電極２１に向かって押し出される。その結果、プラズマ媒体６は、中心軸Ｚに沿う両方向からの電磁的圧力を受けて各同軸状電極２１が対向する中間位置（即ち、中心電極２２の対称面１）に移動し、プラズマ媒体６を成分とする単一のプラズマ３が形成される。

上述の通り、面状放電２ｂが発生している間は各中心電極２２の先端部２２ａに各面状放電２ｂの電流が集中する。従って、先端部２２ａ周辺には、プラズマ３に対して中心軸Ｚに向かうピンチ効果が働き、プラズマ３の温度上昇及び密度上昇が進行する。即ち、プラズマ媒体６の電離が進行する。その結果、プラズマ３からは極端紫外光を含むプラズマ光８が放射される。この状態において、電圧印加装置３０は、プラズマ３の発光エネルギーに相当するエネルギーを供給し続ける。このエネルギー供給により、プラズマ３の密度と温度が維持される。なお、プラズマ３の密度は１０^１７〜１０^２０／ｃｍ^３であり、この値は電圧印加装置３０によってプラズマ３に投入されるエネルギーに応じて調整できる。

上述したプラズマ３の密度は、レーザー加速のターゲットとして使用される炭素薄膜等の固体の密度（１０^２１〜１０^２２／ｃｍ^３）に比べて低い。従って、本実施形態によれば、従来のターゲットを用いた場合と比べて、ターゲットによるレーザー光の散乱を抑えることができる。また、荷電粒子の平均自由行程を長くすることが可能である。換言すれば、加速される荷電粒子と他の粒子との衝突確率を低減できる。従って、レーザー光によって加速される電子やイオンの個数を増加させ、これらの散乱やエネルギー損失を低下させることができる。即ち、効率の良いレーザー加速が達成できる。

ここで初期放電２ａの発生及びその直後の状態について説明する。図８はその説明図である。上述した一連の過程の内、レーザー光４１を保持部２５に照射した直後の状態では、プラズマ媒体６の放出場所と初期放電２ａの発生場所とが一致している。つまり、レーザー光４１を照射した直後の初期放電２ａは、図８において点線で示すようにプラズマ媒体６を起点として外部電極２３に流れている。初期放電２ａの電流７が保持部２５内のプラズマ媒体６を経由している間は、電流７によるプラズマ媒体６の加熱が持続する。そのため、この過熱によるプラズマ媒体６の蒸発が促進される。冒頭に述べた通り、プラズマ媒体６の過剰な蒸発は、十分な強度の極端紫外光が得られるプラズマ媒体６の価数分布の維持を困難にする可能性がある。

また、初期放電２ａの電流７がプラズマ媒体６を経由している間は、電流７によるプラズマ媒体６の流動、即ち、エレクトロマイグレーションが発生しやすい。エレクトロマイグレーションが発生している間は、開口部２５ａにおいてプラズマ媒体６が部分的に隆起し、隆起したプラズマ媒体６が開口部２５ａから溢流する可能性がある。プラズマの溢流は保持部２５内のプラズマ媒体６の過剰な減少を引き起こす。また、溢流したプラズマ媒体６が面状放電２ｂの経路上に付着した場合には、異常放電が発生し、これによりプラズマ媒体６が更に飛散するので、同軸状電極２１が汚染され、装置全体の動作が不安定になる可能性がある。

しかしながら、本実施形態の保持部２５では、中心軸Ｚに平行な中心電極２２の断面において、開口部２５ａの縁部２５ｂが保持部２５内のプラズマ媒体６よりも外部電極２３に近接している。つまり、保持部２５の内周面（内側面）は、プラズマ媒体６の流動を阻止する壁として機能する。また、放電電圧の印加時において、縁部２５ｂ‐外部電極２３間の電場は、プラズマ媒体６の表面６ａ‐外部電極２３間の電場よりも強い。さらに、中心電極２２の抵抗値はプラズマ媒体６の抵抗値よりも低い。しかも、中心電極２２とプラズマ媒体６との間には材質の違いによる接触抵抗も存在する。従って、初期放電２ａが発生した後、初期放電２ａの起点は、プラズマ媒体６の表面６ａから開口部２５ａの縁部２５ｂへ速やかに移動する。この起点の速やかな移動によって、初期放電２ａの電流７がプラズマ媒体６中を流れる時間が短くなる。

このように電流７がプラズマ媒体６中を流れる時間が短縮されるので、電流７によるプラズマ媒体６の加熱が抑制される。従って、電流７によるプラズマ媒体６の過剰な蒸発とエレクトロマイグレーションの成長が抑制される。その結果、保持部２５におけるプラズマ媒体６の量及び形状を安定に保ち、プラズマ媒体６の飛散による同軸状電極２１の汚染を抑制することができる。また、プラズマ３の生成時に適切な量のプラズマ媒体を安定に供給することができ、所望の価数分布が得られる。そして、このプラズマ３に、レーザー装置１０からのレーザー光１１が照射され、プラズマ３内の荷電粒子群４が加速され、放出される。この時の運動エネルギーはレーザー光の強度に依存するが、ＭｅＶ以上のエネルギーをもつ荷電粒子を得ることが可能である。

上述の通り、本実施形態では、極端紫外光が放出される程度の温度且つ密度のプラズマが生成され、このプラズマに大強度のレーザー光が照射される。その結果、プラズマ内の荷電粒子がレーザー光の光路に沿って加速され、プラズマから荷電粒子が放出される。

本実施形態では、プラズマの発生源として上述のプラズマ発生装置２０を用いている。レーザー加速器が稼働している間、プラズマ３に供給されるプラズマ媒体６は、液体或いは固体の状態で保持部２５に保持されている。つまり、レーザー光４１によって照射されるまで、プラズマ媒体６は真空槽内に放出されない。換言すれば、プラズマ３の生成に関わることのないプラズマ媒体６の不要な放出が抑制され、真空度の悪化（圧力の上昇）が抑えられる。従って、排気装置の容量の拡大を抑制しつつ、高い繰り返し運転でレーザー加速器を稼働できる。

また、プラズマ３の生成はプラズマ発生装置２０が行っている。即ち、プラズマ３の生成に加速用のレーザー装置１０は寄与しない。従って、レーザー装置１０のレーザー光１１は、プラズマ媒体６の電離に寄与せず、そのエネルギーの全てを粒子加速に費やすことができる。つまり、粒子加速に対するレーザー光１１のエネルギー効率が良い。

上述の通り、プラズマ発生装置２０によって得られるプラズマ３の温度や密度は、極端紫外光が得られるほどの値になる。つまり、プラズマ媒体６の組成やプラズマ発生装置２０の設定条件（例えば放電電圧）を適宜設定することによって、プラズマ３内に高い価数のイオンを生成することができる。本実施形態のレーザー加速器は、このようなイオンを加速させることができる。従って、例えば重イオンを効率良く加速させることができる。

プラズマ発生装置２０によって得られるプラズマ３は可視光も放出する。従って、ガスターゲットに比べ、レーザー光１１のアライメント（光軸調整）が容易である。

なお、図９に示すように、中心電極２２の直径は、対称面１（先端部２２ａ）に向かうに連れて小さくなっていてもよい。この場合、中心軸Ｚに直交する面において中心電極２２に最も近接している外部電極２３の部位Ｇは、中心軸Ｚとの距離が対称面１に向かうに連れて小さくなるように形成されてもよい。例えば、この図に示すように、中心電極２２は、先端部２２ａを頂角にもつ略円錐状に形成されてもよい。また、外部電極２３が棒状に形成されている場合、外部電極２３は、対称面１に近づくに連れて中心軸Ｚに近づくように、中心軸Ｚに対して傾斜する。なお、図９に示す例では、中心電極２２との間隔は一定である。しかしながら、この間隔は対称面１に近づくほど小さくてもよい。

また、中心電極２２へのレーザー光４１の照射に干渉しない限り、外部電極２３は中心軸Ｚを中心とする筒状に形成されていてもよい。ただし、この場合は、初期放電２ａが最初の経路の周囲に優先的に持続する可能性が高まるものの、プラズマ３の発生は可能である。

また、プラズマ媒体６の適切な保持と初期放電２ａや面状放電２ｂへの供給が可能な限り、保持部２５の形状及び寸法は変更可能である。例えば、保持部２５は、中心電極２２の径方向内方に窪み、且つ、中心電極２２の周方向に環状に延伸してもよい。また、保持部２５の開口部２５ａのサイズは、流路２２ｃの内径より大きくてもよい。

また、プラズマ媒体６の適切な保持と初期放電２ａや面状放電２ｂへの供給が可能な限り、保持部２５は、流路２２ｃから側面２２ｂへの液状のプラズマ媒体６の流動を許容しつつ、プラズマ媒体６を貯留する多孔質体（図示せず）を含んでもよい。多孔質体は無数の隙間を含んでおり、その隙間に液状のプラズマ媒体６が留まる。多孔質体は、例えばタングステンのような高融点金属で形成される。

また、レーザー装置４０で初期放電２ａを誘発する代わりに、中心電極２２或いは外部電極２３と電圧印加装置３０との間にギャップスイッチ（図示せず）を挿入し、このギャップスイッチ内のトリガー放電によって初期放電２ａを誘発してもよい。

なお、上述の実施形態では、保持部２５に保持されたプラズマ媒体６のレーザーアブレーションによってプラズマ媒体６を真空中に放出していた。しかしながら、プラズマ媒体６は中心電極２２の先端部２２ａに、板、粒、層などの形態で設けられていてもよい。或いは、中心電極２２全体をプラズマ媒体６で形成してもよい。これらは、例えば、プラズマ媒体６の特性（高い融点や粘性等）或いはレーザー光４１に求められるエネルギーの増大等によって、レーザーアブレーションではプラズマ媒体６の十分な放出量が得にくい場合に適用できる。また、プラズマ媒体６の流動による懸念が無い場合、保持部２５内のプラズマ媒体６は側面２２ｂまで満たされていてもよい。

対称面１上にプラズマ３が閉じ込められている間、中心電極２２の先端部２２ａは高温のプラズマ３に曝されている。プラズマ媒体６が先端部２２ａに設けられた場合、プラズマ３の形成に伴ってプラズマ媒体６が蒸発し、プラズマ３に供給される。従って、プラズマ媒体６を含むプラズマが生成され、プラズマ媒体６のイオンを加速することが可能になる。また、プラズマ媒体６が対称面１上のプラズマ３に直接供給されるので、プラズマ媒体６を効率良く利用できる。

プラズマ媒体６が先端部２２ａに設けられる場合、保持部２５に保持される物質は、初期放電２ａを生じさせるものであれば、プラズマ媒体６と異なっていてもよい。また、中心電極２２の材質によっては、保持部２５を設けることなく初期放電２ａの発生が可能である。その場合は、保持部２５、リザーバ２６及びヒータ２７を省いてもよい。

また、プラズマ媒体６（即ちレーザー加速で取り出されるイオン種）が常温で気体の場合、保持部２５、流路２２ｃ及びヒータ２７を省き、その代りに、リザーバ２６を中心電極２２の冷却機構（図示せず）として用い、更に、中心電極２２に向けて開口するプラズマ媒体６のガスノズル（図示せず）を設けてもよい。この場合、リザーバ２６は液体窒素や液体ヘリウムなどの低温の液体を貯留し、上述のように中心電極２２に熱的に接触するように構成される。リザーバ２６が中心電極２２を冷却している間、気体のプラズマ媒体６がガスノズルから中心電極２２の側面２２ｂ（特にレーザー光４１の照射点）に向けて放出される。この放出量は、ガスノズルに設けられたバルブ（図示せず）によって調整される。ガスノズルからのプラズマ媒体６は中心電極２２の側面２２ｂに付着し、側面２２ｂ上で固化或いは液化する。その後、固化或いは液化したプラズマ媒体６に向けてレーザー光４１が照射され、プラズマ媒体６のレーザーアブレーションが行われる。その後の過程は上述の実施形態と同様である。冷却された中心電極２２がプラズマ媒体６を保持するので、プラズマ媒体６が気体であっても、真空槽内の悪化（圧力の上昇）を抑えることができ、プラズマ媒体６のイオンを加速させることができる。なお、プラズマ媒体６が中心電極２２の加熱によって蒸発しやすい物質の場合でも、このような冷却機構を用いることで、過剰な蒸発を抑えつつ、プラズマ媒体６のイオンを加速させることができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１…対称面、２ａ…初期放電、２ｂ…面状放電、３…プラズマ、４…荷電粒子群、６…プラズマ媒体、１０…レーザー装置、２０…プラズマ発生装置、２１…同軸状電極、２２…中心電極、２３…外部電極、２４…絶縁体、２５…保持部、３０…電圧印加装置、３１…高圧電源、４０…レーザー装置、

Claims (2)

1. 単一の軸線上に延びる中心電極および前記中心電極の外周を囲むように設けられる外部電極を有し、対称面を挟んで互いに対向配置され、プラズマを発生すると共に前記プラズマを閉じ込める一対の同軸状電極を含むプラズマ発生装置と、
   荷電粒子を加速させるためのレーザー光を、前記一対の同軸状電極の間に閉じ込められた前記プラズマに照射するレーザー装置と、
   前記中心電極に熱的に接触する冷却機構と、
   前記プラズマの媒体としての気体を前記中心電極に向けて放出するガスノズルと
   を備えることを特徴とするレーザー加速器。
2. 前記レーザー装置は、フェムト秒レーザーであることを特徴とする請求項１に記載のレーザー加速器。