JP7095196B2

JP7095196B2 - イオン加速方法

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Publication number: JP7095196B2
Application number: JP2016051832A
Authority: JP
Inventors: 祐仁福田; 泰明岸本; 隆太郎松井
Original assignee: NATIONAL INSTITUTES FOR QUANTUM AND RADIOLOGICALSCIENCE AND TECHNOLOGY
Current assignee: NATIONAL INSTITUTES FOR QUANTUM AND RADIOLOGICALSCIENCE AND TECHNOLOGY
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2036-03-16
Also published as: JP2017168275A

Description

本発明は、イオンを高エネルギーに加速して出力するイオン加速方法に関する。

イオン（プロトン：陽子を含む）を加速したイオンビームを試料に照射して加工、成膜、分析、医療行為等を行う各種の技術が知られている。こうした技術においては、高エネルギー、高強度のイオンビームを安定して発生させることが必要である。一般に高エネルギーのイオンビームを発生して照射する装置においては、特にイオンを高エネルギーに加速する機構にシンクロトロンやサイクロトロン等の大規模な設備を必要とするため、装置全体が大型化する。従って、特に医療用途等にはこうしたイオンビーム照射装置は有効であることは明らかであるにもかかわらず、充分に普及しているとは言い難い状況にある。

こうした状況の中で、小型化の可能なイオンビーム照射装置の一種として、レーザー駆動型の加速機構（レーザープラズマ加速）を用いたものが知られている。レーザー駆動型のイオンビーム照射装置は、例えば特許文献１、２に記載されているように、プロトンや所望のイオンを多く発生することのできるターゲットを高強度の超短パルスレーザー光で照射し、これを蒸発させてプラズマ化する。このプラズマ中では、まず質量の軽い電子が加速されて高エネルギーとなり、この加速された電子の作る電界によって質量の重いプロトンやイオンが加速される。このプロトンやイオンが高エネルギーのビームとなって試料に照射される。従来の加速器で用いられる加速電界は材料の絶縁耐圧等で制限されるために上限値が小さくなるのに対し、このプラズマ中で得られる加速電界はこれよりも桁違いに強くなるため、短い距離で高エネルギーの加速をすることができる。このため、このレーザー駆動型のイオンビーム照射装置は、従来より用いられている大型の加速器等と比べて装置全体を大幅にコンパクト化でき、医療用等、様々な分野への応用が期待されている。

例えば医療用においては、特定の位置、深さに存在する患部に対してのみ集中的に高エネルギーのイオンビームを照射することが要求される。特定の位置にイオンビームを照射するためには、これを指向性の高いビームとして生成することが必要である。また、特定の深さの患部に対して効果を及ぼすためには、そのエネルギーを単色（エネルギースペクトルがデルタ関数的である）とすることが必要である。このため、レーザー駆動型のイオンビーム照射装置におけるこれらの特性を従来の大型の加速器と同等に近づけるための努力がなされている。

このために有効な技術として、レーザーで照射されてプラズマ発生源となるターゲットを、通常の気体や固体ではなく、クラスターガスとする技術が非特許文献１、特許文献３、４に記載されている。クラスターガスは、粒子状の塊となった原子・分子の集合体（クラスター）が気体中に分散した構成のガスであり、通常の気体と固体の中間的な性質をもつ。このクラスターガスは、ノズルからこれらの混合ガスを真空中に噴出させ、断熱膨張させることによって得られる。

特に、非特許文献１、特許文献３、４に記載の技術においては、レーザー光の照射条件を調整することにより、クラスターガス中におけるプラズマ密度分布を最適化し、イオンビームのエネルギー、指向性を高めている。また、非特許文献２においては、８０Ｊのエネルギーのレーザー光をマイクロコーンターゲットに照射することによって水素イオン（陽子）を６７．５ＭｅＶまで加速する技術が記載されている。

このようなイオン加速装置（イオンビーム照射装置）によって、指向性が高く、高強度のイオンビームを得ることができる。

「ＥｎｅｒｇｙＩｎｃｒｅａｓｅｉｎＭｕｌｔｉ－ＭｅＶＩｏｎＡｃｃｅｌｌｅｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆａＳｈｏｒｔＰｕｌｓｅＬａｓｅｒｗｉｔｈａＣｌｕｓｔｅｒ－ＧａｓＴａｒｇｅｔ」、Ｙ．Ｆｕｋｕｄａ、Ａ．Ｙａ．Ｆａｅｎｏｖ、Ｍ．Ｔａｍｐｏ、Ｔ．Ａ．Ｐｉｋｕｚ、Ｔ．Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｍ．Ｋａｎｄｏ、Ｙ．Ｈａｙａｓｈｉ、Ａ．Ｙｏｇｏ、Ｈ．Ｓａｋａｋｉ、Ｔ．Ｋａｍｅｓｈｕｍａ、Ａ．Ｓ．Ｐｉｒｏｚｈｋｏｖ、Ｋ．Ｏｇｕｒａ、Ｍ．Ｍｏｒｉ、Ｔ．Ｚｈ．Ｅｓｉｒｋｅｐｏｖ、Ｊ．Ｋｏｇａ、Ａ．Ｓ．Ｂｏｌｄａｒｅｖ、Ｖ．Ａ．Ｇａｓｉｌｏｖ、Ａ．Ｉ．Ｍａｇｕｎｏｖ、Ｔ．Ｙａｍａｕｃｈｉ、Ｒ．Ｋｏｄａｍａ、Ｐ．Ｒ．Ｂｏｌｔｏｎ、Ｙ．Ｋａｔｏ、Ｔ．Ｔａｊｉｍａ、Ｈ．ＤａｉｄｏａｎｄＳ．Ｖ．Ｂｕｌａｎｏｖ、ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ、１０３巻、１６５００２頁（２００９年）「ＩｎｃｒｅａｓｅｄＬａｓｅｒ－ＡｃｃｅｌｅｒａｔｅｄＰｒｏｔｏｎＥｎｅｇｉｅｓＶｉａＤｉｒｅｃｔＬａｓｅｒ－Ｌｉｇｈｔ－ＰｒｅｓｓｕｒｅＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｓｉｎＭｉｃｒｏｃｏｎｅＴａｒｇｅｔｓ」、Ｓ．Ａ．Ｇａｉｌｌａｒｄ、Ｔ．Ｋｌｕｇｅ、Ｋ．Ａ．Ｆｌｉｐｐｏ、Ｍ．Ｂｕｓｓｍａｎｎ、Ｂ．Ｇａｌｌ、Ｔ．Ｌｏｃｋａｒｄ、Ｍ．Ｇｅｉｓｓｅｌ、Ｄ．Ｔ．Ｏｆｆｅｒｍａｎｎ、Ｍ．Ｓｃｈｏｌｌｍｅｉｅｒ、Ｙ．Ｓｅｎｔｏｋｕ、ａｎｄＴ．Ｅ．Ｃｏｗａｎ、ＰｈｙｓｉｃｓｏｆＰｌａｓｍａｓ、１８巻、０５６７１０頁（２０１１年）

特開２００６－２４４８６３号公報特開２００８－１９８５６６号公報特開２０１２－１１９０６５号公報特開２０１４－２２３５０号公報

特に単色性に関しては、従来の大型の加速器においては、原理的に単色のイオン（プロトン）ビームしか得られないために問題がないのに対して、レーザープラズマ加速によるイオンビームの単色性は低かった。すなわち、このイオンビームにおいては、エネルギースペクトルにおける広がりが大きく、例えば医療用に用いるためには、この広がりを更に小さくすることが要求された。

すなわち、レーザー駆動型の加速機構を用いて、充分に高い単色性のイオンビームを得ることは困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明のイオン加速方法は、ガス中において前記ガスの分子からなる粒子状のクラスターが分散されたクラスターガスを噴出させ、前記クラスターガスに対し、パルスレーザー光を照射することによって前記クラスターガスをプラズマ化し、前記クラスターを構成する原子をイオン化して加速するイオン加速方法であって、前記クラスター中において、前記クラスターに前記パルスレーザー光が照射された際に前記クラスター内に生じる衝撃波による圧縮によって前記クラスターの中心でイオン密度が高まった第１領域と、前記クラスターにおける前記第１領域の外側において前記クラスターのクーロン爆発による前記イオン密度が前記第１領域よりも小さくなった第２領域とを形成し、前記第１領域が圧縮されて前記第１領域における前記イオン密度が高まるタイミングと、前記第１領域における電子の相対論的効果によって前記パルスレーザー光に対する前記第１領域の光透過率が低下するタイミングと、
を一致させるように前記パルスレーザー光を前記クラスターガスに照射することを特徴とする。
本発明のイオン加速方法は、前記ガスを水素とし、前記パルスレーザー光の波長を６５０ｎｍ～１１００ｎｍの範囲、前記クラスターの平均粒径を８００ｎｍ～３０００ｎｍの範囲、前記パルスレーザー光のピークパワーを３．０×１０^２１Ｗ／ｃｍ^２以上かつ１．０×１０^２４Ｗ／ｃｍ^２以下、パルス長を１５ｆｓ～２００ｆｓの範囲とすることを特徴とする。
本発明のイオン加速方法は、前記パルスレーザー光の発振と前記クラスターガスの形成を同期させ、かつ前記パルスレーザー光の発振周波数と前記クラスターガスの形成の繰り返し周波数を一致させることを特徴とする。
本発明のイオン加速方法は、冷却された前記ガスをノズルから真空中に噴出させることによって前記クラスターガスを生成することを特徴とする。
本発明のイオン加速方法は、前記ノズルに至るまでの前記ガスの流れのオン・オフの制御を行うバルブの動作を前記パルスレーザー光の発振と同期させることを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、レーザー駆動型の加速機構を用いて、単色性の高いイオンビームを得ることができる。

本発明の実施の形態に係るイオン加速装置の構成の概要を示す図である。本発明の実施の形態に係るイオン加速装置における水素クラスターガス生成装置の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態に係るイオン加速装置においてパルスレーザー光照射後の水素クラスター中のイオン密度の空間分布を計算した結果である。本発明の実施の形態に係るイオン加速装置においてパルスレーザー光照射後の水素クラスター中のイオンエネルギーの空間分布を計算した結果である。本発明の実施の形態に係るイオン加速装置によって得られたプロトンビームのエネルギースペクトルを計算した結果である。パルスレーザー光のパルス長、ピークパワーを一定とし、水素クラスターの半径を変えた場合において算出されたプロトンビームのエネルギースペクトルである。パルスレーザー光のパルス長、水素クラスターの半径を一定とし、パルスレーザー光のピークパワーを変えた場合において算出されたプロトンビームのエネルギースペクトルである。

以下、本発明の実施の形態に係るイオン加速方法において用いられるイオン加速装置について説明する。図１は、このイオン加速装置１０の構成を示す図である。この図において、左はその全体を示す構成図であり、右はその一部（点線で囲まれた部分）の拡大図である。この構成は、特許文献３、４に記載された構成と同様であり、クラスターガスの組成とレーザー光の照射条件が異なる。

レーザー光（パルスレーザー光）２０は、レーザー光源から発せられ、水素クラスターガス３０中のクラスターや分子をプラズマ化する。このため、レーザー光２０は、水素クラスターガス３０内やその近傍で集光するような構成とされる。レーザー光源としては、集光光学系２１によって集光された状態で水素クラスターガス３０をプラズマ化できるだけの高強度の超短パルスレーザー光を発するものを用いることができる。この点は特許文献３、４、非特許文献１に記載のものと同様である。具体的には、レーザー光源として、チタンサファイアレーザー、ガラスレーザー等を用いることができる。チタンサファイアレーザーの場合、波長が６５０ｎｍ～１１００ｎｍの範囲のレーザー光２０を得ることができる。ガラスレーザーの場合、波長が９００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲のレーザー光２０を得ることができる。集光光学系２１としては、軸外し放物面鏡等の非球面の集光鏡等を用いることができる。レーザー光２０は短いパルス長、短い間隔で繰り返し発せられ、後述するように、その照射（発振）タイミングは水素クラスターガス３０の生成と同期して制御される。

水素クラスターガス生成装置４０から真空中にガスが噴出される。このガスは、純水素であり、これが真空中に噴出される際の断熱膨張による急激な温度低下によりＨ_２が固体化し、Ｈ_２分子３１からなる気体中に微小な粒子状の水素クラスター（クラスター）３２が分散された柱状の形態の水素クラスターガス３０となる。このガスが噴出される空間は真空ポンプ（図示せず）によって排気されるため、ガスが噴出された状態においても、安定して水素クラスターガス３０が生成される程度の真空度は維持される。ここでは、特に水素クラスター３２に高強度のレーザー光２０が照射されることによって、水素クラスター３２でレーザープラズマ加速が起こり、水素原子のイオン（プロトン）がイオンビーム５０としてレーザー光２０の進行方向に発生する。この点については、水素クラスターガス生成装置４０を除き、非特許文献１、特許文献３、４と同様である。

図２は、この水素クラスターガス３０を生成する水素クラスターガス生成装置４０の構成を模式的に示す図である。図２に示されるように、冷凍機４１が連結され、かつ伝熱式のヒーター４２が設けられ、温度センサ４３が装着された水素ガス導入部４４中に、原料ガス（水素ガス）が導入される。冷凍機４１とヒーター４２によって水素ガス導入部４４、ノズル４５、電磁バルブ（バルブ）４７の温度を低温で制御することができ、これによって、内部の原料ガスの温度を低温（３．５Ｋ～３００Ｋ）で制御することができる。

真空排気される減圧雰囲気中において、円錐形状の内面をもつノズル４５が、図２中の下側において、開口径Ｄであり水素ガスを噴出する水素クラスター噴出口４６を囲むように設けられる。水素ガス導入部４４から水素クラスター噴出口４６までの原料ガスの流れは、図２における破線矢印で示され、この流れのオン・オフは、開閉動作の繰り返し制御が可能な電磁バルブ（バルブ）４７によって制御される。この構成によって、Ｈ_２分子３１からなるガス中に多数のＨ_２分子が凝集してナノ粒子化した水素クラスター３２が分散した水素クラスターガス３０が形成され、図２における上側に噴射される。特に、レーザー光２０が一定の繰り返し周波数で超短パルスとして発振されるのに対応して、水素クラスターガス３０の形成もレーザー光２０の照射と同期させて行うことができる。

この構成において、原料ガスの圧力、水素ガス導入部４４の温度、水素クラスター噴出口４６の径Ｄ、ノズル４５のテーパ角θを調整することによって、水素クラスターガス３０の特性を制御することができる。特に、後述するように、本発明においては水素クラスター３２の粒径の制御が重要となる。これに対して、この構成では、この粒径の分布を制御し、特にその粒径分布を制御することができる。具体的には、水素ガスの圧力を６ＭＰａ、温度２５Ｋ、Ｄ＝６０μｍ、θ=４５度で、半径が１００～９００ｎｍ中の範囲内の３点をピークとする粒径分布をもつ水素クラスター３２を得ることができることが、水素クラスターガス３０に対するＭｉｅ散乱法による測定によって確認された。この際、電磁バルブ４７の開閉動作は最大１ｋＨｚの応答周波数で制御することができるため、この周波数以下の繰り返し周波数で水素クラスターガス３０（水素クラスター３２）を生成することができる。この際、図１において水素クラスターガス３０が生成される減圧雰囲気の排気速度を高めることによって、電磁バルブ４７の応答周波数を上限として水素クラスターガス３０（水素クラスター３２）生成の繰り返し周波数を高めることができる。

上記の構成により、レーザー光２０が照射されると、水素クラスターガス３０中の特に水素クラスター３２がプラズマ化することにより電子が生成され、電子は相対論効果により前方に加速される。水素クラスター３２は正に帯電するためクーロン爆発を起こすが、この前方加速された電子によってプラズマ中に前方方向に強度の片寄りを持つ加速電場構造が形成され、イオン（プロトン）は非等方的なクーロン爆発を起こし加速される。これによって、高エネルギーのイオン（プロトン）はやや前方に放出される。しかし、この際、加速されるイオン（プロトン）は水素クラスター３２の表面に存在していたのか、それとも水素クラスター３２の中心付近に存在していたのかにより加速電場から受ける電場強度が異なるため、イオン（プロトン）のエネルギー分布はブロードになる。従って、加速されるイオン（プロトン）の単色性を高めるためには、水素クラスター３２中においてレーザープラズマ加速に寄与するイオン（プロトン）を空間的に狭い範囲に集中させることが有効である。

この際、水素クラスター３２にレーザー光２０が照射された際の水素クラスター３２中のイオン密度の分布、イオン（プロトン）エネルギーの空間分布を、プラズマの三次元シミュレータＥＰＩＣ３Ｄ（「ＡＰａｒａｄｉｇｍｏｆＫｉｎｅｔｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＩｎｃｌｕｄｉｎｇＡｔｏｍｉｃａｎｄＲｅｌａｘａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｅｓ：ａＳｕｄｄｅｎＥｖｅｎｔｉｎａＬｉｇｈｔｎｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓ」、Ｙ．ＫｉｓｈｉｍｏｔｏａｎｄＴ．Ｍａｓａｋｉ、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｌａｓｍａＰｈｙｓｉｃｓ、７２巻、９７１頁（２００６年））によって調べた。図３は、この場合のレーザー光２０照射後の半径８００ｎｍの水素クラスター３２中のイオン密度の空間分布を示す図である。ここでは、レーザー光２０は、波長が８１０ｎｍ（チタンサファイアレーザーに相当）、直線偏光、パルス長４０ｆｓ、パルスのピークパワー（尖頭エネルギー面密度）は１．０×１０^２２Ｗ／ｃｍ^２とされた。ここで、レーザー光２０は超短パルスレーザー光であるため、パルスが尖頭エネルギーに達するまでの立ち上がり時間はパルス長の約１／２であり、ここでは、パルス状のレーザー光２０の強度が水素クラスター３２の中心で最大となる時刻の約４ｆｓ前における状態が示されている。レーザー光２０の伝搬方向は図における縦軸方向上向きである。この結果より、水素クラスター３２の中心近くには水素クラスター３２内に生じる衝撃波による圧縮によってイオン密度の高い領域（第１領域３２Ａ）が生成され、この領域を取り囲んで水素クラスター３２のクーロン爆発によるこれよりもイオン密度の低い領域（第２領域３２Ｂ）が形成されることが明らかである。

この理由は、以下のように説明できる。まず、水素クラスター３２は、レーザー光２０の照射によってパルス状のレーザー光２０のピークに達するよりもだいぶ早い時点でプラズマ化される。周知のように、プラズマ中にレーザー光が侵入する場合、プラズマ中においては電磁波（レーザー光）の伝搬を抑制するように電子が運動し、このプラズマの電子密度ｎがレーザー光２０の波長で決まる臨界密度ｎｃ以上であると、レーザー光２０はプラズマの内部に侵入することができない。しかし、そのプラズマ最表面のスキン長１００ｎｍ程度の薄い領域まではレーザー光２０の侵入は許される。このため、少なくとも上記の大きさの水素クラスター３２においては、レーザー光２０は中心部付近までは侵入できない。

ただし、この照射によって、水素クラスター３２の内部においては、内向きの衝撃波が発生する。衝撃波は電子とイオンで構成されており、これによって、水素クラスター３２の中心近くに電子密度とイオン密度の双方の高い領域が生成される。図３では、水素クラスター３２の中心近くにイオン密度の高い第１領域３２Ａが生成されていることが確認できる。一方、水素クラスター３２内で最表面のスキン長程度の深さでレーザー光２０による電場によって電子が剥ぎ取られた領域では、イオン（プロトン）は斥力によってクーロン爆発を起こし、この向きは前記の衝撃波とは逆に外向きとなる。このため、外側のイオン密度の低い第２領域３２Ｂが生成される。なお、クーロン爆発によってもイオンは加速されるが、そのエネルギーは本発明によるレーザープラズマ加速によるものと比べて低く、イオン（プロトン）のエネルギー分布はブロードであり、かつ指向性はほとんどない。水素クラスター３２全体としての圧縮（イオン圧縮）の度合いは、内向きの衝撃波と外向きのクーロン爆発の程度で定まる。また、このように第１領域３２Ａ、第２領域３２Ｂが形成されるタイムスケール、あるいは衝撃波による圧縮、クーロン爆発の起こるタイムスケールは、長短パルスレーザー光である前記のレーザー光２０におけるパルス長（４０ｆｓ）と同様の短いタームスケールとなる。

図４は、レーザー光２０の強度が水素クラスター３２の中心で最大となる時刻の約３３ｆｓ後における、図３に対応したプロトンエネルギーの空間分布である。前記の通り、水素クラスター３２の前方側（レーザー光２０の進行方向側）において、レーザープラズマ加速によって特に高いエネルギーをもったプロトンが生成されることが確認できる（点線で囲んだ領域）。また、水素クラスター３２の外側の表皮全体において生成され、前方側よりも低いエネルギーをもった領域は、クーロン爆発により生成される。

ここで、レーザー光２０の強度が低い場合には前記の通りレーザー光２０のプラズマ中の伝搬は抑制されるものの、高強度の超短パルスレーザー光であるレーザー光２０が照射される場合、プラズマ中の電子の速度は光速に近づき相対論的効果が発生するため、異なる状況が発生する。この場合、電子の速度上昇が光速を上限として抑制され、電子の質量が増加し、プラズマ中の電磁波の伝搬を抑制できる程度に電子が運動することが不可能となるため、プラズマ中の電磁波の伝搬が抑制されなくなる。このため、前記の臨界密度ｎｃに代わり、この場合の臨界密度は電子のローレンツ因子をγとしてγｎｃ（γ＞＞１）に上昇する。すなわち、パルスの立ち上がり時においてレーザー光２０のパワーが上昇して臨界密度が相対論的なγｎｃまで上昇するため、レーザー光２０はプラズマ中を透過することができる、すなわち、プラズマが透明化する。このため、レーザー光２０は水素クラスター３２の中心部にまで侵入する。

このため、レーザー光２０の照射による水素クラスター３２内のイオン圧縮によって第１領域３２Ａが中心付近で圧縮されそのイオン密度が高まるタイミングと、その第１領域３２Ａにおけるプラズマが透明化するタイミングとを一致させた場合には、中心付近に圧縮されて集中した第１領域３２Ａにおける電子、イオン（プロトン）が、レーザー光２０の強い電場に曝され、このうち電子は相対論効果により前方に加速される。この前方加速された電子によって第１領域３２Ａには前方方向に局在した加速電場構造が形成され、特に効率的にレーザープラズマ加速を起こすことができる。この際、水素クラスター３２の中心付近の第１領域３２Ａに局在した電子、イオンのみがレーザープラズマ加速に寄与するため、発生するイオン（プロトン）ビームの単色性を高めることができる。上記の原理より、こうした現象は、クラスターターゲットを用いたレーザープラズマ加速に特有である。

図５は、前記のＥＰＩＣ３Ｄを用いて、こうした場合に得られるプロトンのエネルギースペクトルを算出した結果の一例である。約１１０ＭｅＶ以下のエネルギーをもつ広い分布は、前記の水素クラスター３２中におけるクーロン爆発に対応する。一方、２２０ＭｅＶのエネルギーにおいては、鋭いピークが見られる。このピークの半値幅は、例えば特許文献４の図５に記載されたイオンのピークと比べて、大幅に小さくなっていることが明らかである。すなわち、単色性が大幅に向上する。

このような、第１領域３２Ａにおけるイオン密度が高まるタイミングと、第１領域３２Ａにおけるプラズマの透明化のタイミングは、レーザー光２０の照射条件と、水素クラスター３２の大きさ（平均粒径）で調整することができる。後者は、前記の通り、クラスターガス生成装置７０を用いて調整可能である。レーザー光２０の照射条件としては、レーザー光２０（パルス）の出力、立ち上がり時間がある。ここで、レーザー光２０の出力としては、パルス（超短パルス）のピークパワー（尖頭値）をとることができる。また、前記の通り、このパルスは超短パルスであるために、立ち上がり時間は実質的にパルス長の１／２とすることができる。すなわち、このタイミングは、水素クラスター３２の粒径、レーザー光２０のピークパワー、パルス長によって制御することができる。

このタイミング制御において最も影響が大きいのは、水素クラスター３２の大きさ（粒径）である。図２の水素クラスターガス生成装置４０によって生成される水素クラスター３２の粒径は実際には一様ではなく分布をもつが、その分布のピークとなる粒径を制御することができる。図６は、前記のＥＰＩＣ３Ｄを用いて、レーザー光２０のパルス長を４０ｆｓ、ピークパワーを１．０×１０^２２Ｗ／ｃｍ^２とした場合において、水素クラスター３２の半径Ｒを４００ｎｍ、６００ｎｍ、８００ｎｍ、１０００ｎｍとした場合において得られる、図５に対応したエネルギースペクトルである。これ以外のパラメータは上記と同様である。この結果より、Ｒが８００ｎｍの場合において２２０ＭｅＶ付近で鋭いピークが観測され。Ｒがこれより小さな場合、大きな場合共に、こうしたピークは観測されない。これは、前記の通り、レーザー光２０の照射に際して、水素クラスター３２においては内向きの衝撃波と外向きのクーロン爆発が同時に発生することを考慮して、以下の通りに説明できる。

まず、Ｒが最適な範囲よりも小さな場合には、外向きのクーロン爆発の影響が内向きの衝撃波の影響よりも大きくなる。このため、前記のように、水素クラスター３２の中心付近でイオン密度が高い第１領域３２Ａは形成されにくくなる。このため、第１の領域３２Ａにおけるレーザープラズマ加速は発生しにくくなり、その代わりに、クーロン爆発によるエネルギースペクトル中の低エネルギー側の成分が顕著となる。なお、この場合のプロトンのエネルギーは、「ＨｉｇｈＥｎｅｒｇｙＩｏｎｓＧｅｎｅｒａｔｅｄｂｙＬａｓｅｒＤｒｉｖｅｎＣｏｕｌｏｍｂＥｘｐｌｏｓｉｏｎｏｆＣｌｕｓｔｅｒ」、Ｋ．Ｎｉｓｈｉｈａｒａ、Ｈ．Ａｍｉｔａｎｉ、Ｍ．Ｍｕｒａｋａｍｉ、Ｓ．Ｖ．ＢｕｌａｎｏｂｖａｎｄＴ．Ｚｈ．Ｅｓｉｒｋｅｐｏｖｃ、ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｉｎＰｈｙｓｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＡ、４６４巻、９８頁（２００１年）と矛盾しない範囲である。

一方、Ｒが最適な範囲よりも大きな場合には、逆に、内向きの衝撃波の影響が外向きのクーロン爆発の影響よりも大きくなる。ただし、第１領域３２Ａにおけるプラズマの透明化が起こるタイミングと第１領域３２Ａが最圧縮されるタイミングとがずれ、充分に圧縮されていない第１領域３２Ａに対してレーザー光２０が照射される。このため、前記のように、エネルギースペクトルにおけるレーザープラズマ加速による高エネルギー側の成分は存在しているが、その広がりは大きい。すなわち、レーザープラズマ加速は発生するが、単色性が悪い。このため、Ｒは８００ｎｍをほぼその中心とした４００～１５００ｎｍの範囲（平均粒径は、その２倍である８００ｎｍ～３０００ｎｍ）の範囲）が好ましい。

このような最適範囲が存在するという点については、レーザー光２０のピークパワーについても同様である。図７は、Ｒを８００ｎｍと固定し、レーザー光２０のピークパワーを２×１０^２１Ｗ／ｃｍ^２、３×１０^２１Ｗ／ｃｍ^２、４×１０^２１Ｗ／ｃｍ^２、１×１０^２２Ｗ／ｃｍ^２とした場合の図６と同様の結果を示す。ただし、このシミュレーションは二次元で行ったため、ピークパワーが１×１０^２２Ｗ／ｃｍ^２の場合においても高エネルギー側成分の単色性は低くなっている。

この結果より、前記のＲが大きな場合と同様に、ピークパワーが小さい場合にも、単色性は劣化することが確認できる。これは、前記のＲが大きな場合と同様に、第１領域３２Ａ中におけるプラズマの透明化が起こるタイミングと第１領域３２Ａが最圧縮されるタイミングとがずれるために、レーザープラズマ加速による高エネルギー成分は生成されても、その単色性は低くなっている。この結果より、ピークパワーは、水素クラスター３２においてプラズマの透明化が起こる閾値である３×１０^２１Ｗ／ｃｍ^２以上とすることが好ましい。また、ピークパワーが１×１０^２４Ｗ／ｃｍ^２を超えると、放射減衰の効果が顕著となり、イオンがレーザー光で直接加速される効果が現れ始める。このため、ピークパワーは１×１０^２４Ｗ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。

レーザー光２０の立ち上がり時間についても、同様に考えることができる。すなわち、ピークパワーが一定で立ち上がり時間が最適な範囲の下限よりも短くなった場合、水素クラスター３２に吸収されるエネルギーは小さくなるため、前記のピークパワーが低い場合と同様である。また、上記のような超短パルスレーザー光を用いることによって第１領域３２Ａ、第２領域３２Ｂが形成されるため、図３のような状態を実現するためには、立ち上がり時間の上限値も存在する。前記の通り、超短パルスレーザー光においては、立ち上がり時間はパルス長の１／２とすることができ、こうした最適な立ち上がり時間は、７．５ｆｓ～１００ｆｓであり、これに対応した最適なパルス長の範囲はその２倍の１５ｆｓ～２００ｆｓ程度となる。

すなわち、水素で構成されたクラスターに対して超短パルスレーザー光を照射してプロトンビームを生成する際に、上記の条件とすることが、図５に示されたような単色性の高いプロトンビームを得るためには好ましい。図４に示されるように、図５における２２０ＭｅＶのピークの成分はレーザー光２０の進行方向に沿った強い指向性をもつのに対して、図５におけるクーロン爆発による低エネルギー側の成分は指向性がない。また、この低エネルギー側の成分はレーザープラズマ加速による２２０ＭｅＶのピークから低エネルギー側で明確に分離されているため、分離は容易である。また、一般に、粒子線癌治療において用いられるプロトンビームのエネルギーは６０～２５０ＭｅＶの範囲内であるため、図５の特性はこうした用途には特に好ましい。

また、図５の特性において、Ｅ＝２２０ＭｅＶのピークの半値幅をΔＥとすると、単色化率ΔＥ／Ｅの値は、約０．０７となる。従来の加速器（シンクロトロン、サイクロトロン等）における同程度のエネルギーのプロトンビームのΔＥ／Ｅは通常は０．０１程度であるため、上記の構成により、単色性を従来の加速器に近づけることができる。

また、上記においては、単一の水素クラスター３２に対してレーザー光２０が１回照射された場合について説明された。この際の２２０ＭｅＶのピークに対応したイオン（プロトン）数は１０^７個程度となる。プロトンビームを癌治療に用いる場合に必要な吸収線量を１Ｇｙとすると、このプロセスを１０Ｈｚで２８６秒間行うことにより、この吸収線量が得られる。前記の通り、クラスターガス生成装置７０においては、電磁バルブ４７を用いて水素クラスター３２の生成のオン・オフを、超短パルスレーザー光の発振の繰り返し周波数に同期させることができる。この条件は、レーザー光源の発振周波数と、クラスターガス生成装置７０による水素クラスターガス３０の繰り返し生成可能な周波数を、それぞれ上記の値とすることによって実現できる。

上記においては、ガスとして水素を使用し、プロトンビームを生成する場合について説明した。しかしながら、クラスター中で同様のメカニズムを発生させることによって、他の原子からなるガスを用いて、この原子のイオンビームを単色性の高い状態で生成することができることは明らかである。すなわち、上記のイオン加速方法は、プロトンビームを生成する場合だけでなく、他のイオンビームを生成する場合においても有効である。この際、前記の通り、単色性を高めることは、特に医療用途（癌治療等）においては有効である。

また、特許文献４に記載されるような、パルスレーザー光の集光位置（集光光学系）やクラスターガスの生成タイミングの調整も同時に行うことができる。

１０イオン加速装置
２０レーザー光（パルスレーザー光）
２１集光光学系
３０水素クラスターガス
３１水素（Ｈ_２）分子
３２水素クラスター（クラスター）
４０水素クラスターガス生成装置
４１冷凍機
４２ヒーター
４３温度センサ
４４水素ガス導入部
４５ノズル
４６水素クラスター噴出口
４７電磁バルブ（バルブ）
５０イオンビーム（プロトンビーム）

Claims

粒子状のクラスターが分散されたクラスターガスに対してパルスレーザー光を照射し、前記クラスターをプラズマ化し、前記クラスターを構成する原子をイオン化して加速するイオン加速方法であって、
前記クラスターガスは、冷却されたガスをノズルから真空中に噴出させることによって生成されたものであり、
前記パルスレーザー光の照射により、
前記クラスター内に、前記パルスレーザー光の照射によりクラスター内に生じる衝撃波による圧縮によってクラスター中心でイオン密度が高まった第１領域と、
前記第１領域の外側において前記クラスターのクーロン爆発により前記イオン密度が前記第１領域よりも小さくなった第２領域と、を形成し、且つ、
前記第１領域のプラズマを透明化し、
前記第１領域で前記パルスレーザー光の照射によりクラスター内に生じる衝撃波による圧縮によってクラスター中心でイオン密度が高まるタイミングと前記第１領域のプラズマを透明化するタイミングとを一致させることを特徴とするイオン加速方法。
前記ガスを水素とし、前記パルスレーザー光の波長を６５０ｎｍ～１１００ｎｍの範囲、前記クラスターの平均粒径を８００ｎｍ～３０００ｎｍの範囲、前記パルスレーザー光のピークパワーを３．０×１０^２１Ｗ／ｃｍ^２以上かつ１．０×１０^２４Ｗ／ｃｍ^２以下、パルス長を１５ｆｓ～２００ｆｓの範囲とすることを特徴とする請求項１に記載のイオン加速方法。
前記パルスレーザー光の発振と前記クラスターガスの形成を同期させ、かつ前記パルスレーザー光の発振周波数と前記クラスターガスの形成の繰り返し周波数を一致させることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン加速方法。
前記ノズルに至るまでの前記ガスの流れのオン・オフの制御を行うバルブの動作を前記パルスレーザー光の発振と同期させることを特徴とする請求項３に記載のイオン加速方法。