WO2016056639A1

WO2016056639A1 - 荷電粒子放射方法及びその装置並びにｘ線発生方法及びその装置

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Publication number: WO2016056639A1
Application number: PCT/JP2015/078691
Authority: WO
Inventors: 石田稔幸
Original assignee: 株式会社Ｂｓｒ
Priority date: 2014-10-08
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2016-04-14
Also published as: EP3209097B1; US10398014B2; EP3209097A1; EP3209097A4; JPWO2016056639A1; JP6661149B2; US20170303379A1

Abstract

　強誘電体へ紫外光を照射して、該強誘電体に安定して電位を発生させる。　紫外光を受光して電位差を発生させる強誘電体の紫外光受光面へ該強誘電体を透過しない波長の紫外光照射し、前記強誘電体の荷電粒子放射面から荷電粒子を放射させる荷電粒子放射方法において、ピークパワーを１ＭＷ以上としたパルス状の紫外光を前記紫外光受光面へ照射する。紫外光のパルス幅をいわゆるピコ秒（１×１０^－９秒未満）とし、紫外光パルスをファイバで伝達可能とする。

Description

荷電粒子放射方法及びその装置並びにＸ線発生方法及びその装置

　この発明は荷電粒子放射方法及びその装置並びにＸ線発生方法及びその装置に関する。

　本発明者らは、制御された紫外光を強誘電体に照射すると、強誘電体から電子等の荷電粒子が放射されることを見出した。そこで、本発明者らはその一つの応用として、特許文献１において、強誘電体に紫外光を照射することにより強誘電体から金属片に対して荷電粒子を放射させ、もって、金属片からＸ線を放出する方式の新規なＸ線発生装置を提案している。

ＷＯ　２０１０／１１６７０９　Ａ１ WO　２０１２／００５３３８　Ａ１ WO　２０１３／０３５８２３　Ａ１ＷＯ　２０１３／０５８３４２　Ａ１ＷＯ　２０１４／０６５２８４　Ａ１ Kisa et al. Extended Abstracts (The 70th Autumn Meeting, 2009); The Japan Society of Applied Physics No. 2 10p-ZM-14

　上記の特許文献１～５に記載の発明において、Ｘ線の発生が安定しなかった。
　この発明の一つの目的は、紫外光を受光して電位差を発生させる強誘電体の紫外光受光面へ該強誘電体を透過しない波長の紫外光照射し、強誘電体の荷電粒子放射面から荷電粒子を放射させる荷電粒子放射方法において、荷電粒子の放射を安定させ、もってＸ線の発生を安定させることにある。

　本発明者は上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねてきた。その結果、下記本発明に想到した。即ち、この発明の1つの局面は、次のように規定される。
　　紫外光を受光して電位差を発生させる強誘電体の紫外光受光面へ該強誘電体を透過しない波長の紫外光照射し、前記強誘電体の荷電粒子放射面から荷電粒子を放射させる荷電粒子放射方法において、
　ピークパワーを１ＭＷ以上としたパルス状の紫外光を前記紫外光受光面へ照射する、荷電粒子放射方法。
　このように規定される荷電粒子放射方法によれば、１ＭＷ以上の強いピークパワーのパルスを照射したとき、その照射に呼応して荷電粒子放射面から荷電粒子が放射される。この荷電粒子が金属片へ照射されるとこの金属片からＸ線が放出される。

　強誘電体に紫外光を照射すると紫外光受光面とその反対側の面（荷電粒子放射面）との間に電位差が生じることが知られている。このとき、荷電粒子放射面がマイナスになるので、この荷電粒子放射面に存在する電子には反発力がかかる。
　本発明者の検討によれば、荷電粒子放射面をマイナスにすることのみではそこから電子を安定して放出させることはできなかった。換言すれば、電子の放出を制御できなかった。
　例えば、特許文献５に示したように、強誘電体へ紫外光レーザ（連続光）を照射すると、紫外光照射面と荷電粒子放射面との間に安定した電位差が生じる。しかしながら、荷電粒子放射面からの電子の放射、ひいてはＸ線の発生は見られなかった。
　本発明者は、上記と特許文献１などにおいてＸ線の発生に成功したときとの相違が、強誘電体の荷電粒子放出面の電位の変化にあることに気が付いた。即ち、後者の場合は強誘電体の荷電粒子放出面の電位が徐々に変化していることに気が付いた。
　そこで、荷電粒子放出面の電位に変化を与える方策として、ピークパワーの高い紫外光パルスを照射してみたところ、紫外光パルスの照射に呼応して電子が放出され、もって紫外光パルスの照射に呼応してＸ線が発生した。即ち、ピークパワーを１Ｍ（メガ）Ｗ以上としたパルス状の紫外光を前記紫外光受光面へ照射することにより、Ｘ線の発生を制御可能となる。

　ピークパワーが１ＭＷ未満の紫外光パルスでは、これを紫外光受光面へ照射しても強誘電体の荷電粒子放射面から荷電粒子が放射されないか、もしく放射されたとしても安定し難い。
　ピークパワーは５０MW以上としてもよい。ピークパワーは１００MW以上としてもよい。
　ピークパワーが１ＭＷ以上の紫外光パルスを紫外光受光面へ照射することにより荷電粒子放射面から荷電粒子が放出されてＸ線の発生を惹起する理由は、現在のところ、かかる強いピークパワーの紫外線の照射にともない荷電粒子放射面の電位が変化し（若しくは振動し）、その結果、荷電粒子放射面から電子が離脱しやすくなったためと予想している。また、光音響効果も影響しているのではないかと考えられる。

　今後の検討にもよるが次のような仮説も考えている。強誘電体を透過しない波長の紫外光が強誘電体の電気双極子の負極が現れる面（紫外光受光面）へ照射されると、強誘電体における電子自体が励起される。励起された電子の影響は強誘電体の電気双極子の正極が現れる面（荷電粒子放射面）に伝播しその電位を低下させる。ここで、Ｘ線を発生するのに十分な量の電子を荷電粒子放射面から離脱させるには、その面に何らかの刺激が必要となり、その刺激として、この発明で提案する、ピークパワーを１Ｍ（メガ）Ｗ以上としたパルス状の紫外光を照射することが挙げられる。このような高ピークパワーの紫外光をパルス状に強誘電体の紫外光受光面へ照射すると、荷電粒子放射面において電位が激しく振動し、また光音響効果も作用して、荷電粒子放射面に吸着されている電子が脱離する。
　脱離した電子は、荷電粒子放射面のつくる電界によってこれから離れる方向に付勢される。
　なお、紫外光により励起された強誘電体の電子は強誘電体の格子振動にも影響を与え、強誘電体を昇温させることもある。この昇温により、いわゆる焦電効果が生じて強誘電体の荷電粒子放射面の電位の低下が生じることがある。この昇温が生じなくても、強誘電体を透過しない波長の紫外光をその紫外光受光面へ照射したとき、強誘電体の当該両面の間に電位差が生じる。

図１はこの発明の実施の形態のＸ線発生装置の構成を模式的に示す断面図である。図２は紫外光パルスのピークパワーの違いに対する発生Ｘ線発生量の比較を示すチャートである。図３は低ピークパワーの紫外光パルスの照射とこれへ高ピークパワーの紫外光パルスを重ねて照射したときのＸ線発生量の比較を示すチャートである。図４は低ピークパワーの紫外光パルスへ重ねて照射する高ピークパワーの紫外光パルスのピークパワーを変化させたときのＸ線発生量の比較を示すチャートである。

　以下、本発明の複数の実施形態について説明する。
　実施の形態のＸ線発生装置１の構成を図１に模式的に示す。
　このＸ線発生装置１は強誘電体１０、銅箔２０及び筐体３０を備える。
　強誘電体１０にはＬｉＮｂＯ_３やＬｉＴａＯ_３等の焦電体を用いることができる。例えばＬｉＮｂＯ_３の結晶体内では正電荷（Ｌｉ^＋、Ｎｂ^５＋）の重心と負電荷（Ｏ^２－）の重心とが一致しないため、定常状態でも分極していて、この電荷量と等量で異符号の電荷が結晶表面に吸着しているために、常時は電気的に中和されている。
　強誘電体１０では電気双極子が一方に揃えられおり、その負極側を紫外光受光面１１とし、その正極側を荷電粒子放射面１３とする。
　強誘電体１０の形状は電気双極子の負極側の面（即ち、紫外光受光面）と同正極側の面（即ち、荷電粒子放射面）とが得られれば、筐体３０に合わせて任意に設計可能である。紫外光受光面１１と荷電粒子放射面１３との間隔も目的とする強誘電体１０の電位差に応じて任意に設計できる。
　石英ガラスなどの紫外光を透過する誘電性の支持板１５に紫外光受光面１１を貼り付けることが好ましい。
　支持板１５は強誘電体１０に対する外部熱影響を遮断する作用もあり、そのためには支持板１５の厚さは１．０ｍｍ以上とすることが好ましい。厚さの上限は特に限定されないが、紫外光パルスの透過に影響をしない範囲で、任意に選択できる。支持版１５には、また、強誘電体１０に蓄積された熱を外部へ放出する作用もある。

　銅箔２０はこれに荷電粒子が照射されてＸ線を放出する。銅箔２０の代わりに、Ｘ線を放出可能な任意の金属片を用いることができる。Ｘ線を透過し、かつ真空を維持できる保護シート２１（例えばポリイミドシート）で銅箔２０の表面を支持することが好ましい。
　銅箔２０はアースされる。
　この銅箔２０を引出し電極と見立てれば、図１の装置は荷電粒子放射装置となることがわかる。

　筐体３０にはポリプロピレンからなるパイプ採用した。勿論、筐体３０の材質は真空を維持できる材料であれば、他の樹脂材料、金属材料及びセラミック材料等、任意のものを選択できる。
　絶縁性の材料、特に樹脂材料を選択したときは、荷電粒子放射面１３から放射された荷電粒子によりその内周面がチャージアップされることを防止するため、当該内周面に導電材料からなる保護膜３１を形成することが好ましい。
　筐体３０を金属等の導電材料で形成し、その内部へ強誘電体１０を挿着するときは、強誘電体１０の紫外光受光面１１と荷電粒子放射面１３とが短絡しないように、筐体３０と強誘電体１０との間に絶縁層を介在させる。また、筐体３０と銅箔２０との間も絶縁する。
　筐体３０は強誘電体１０の少なくとも荷電粒子放出面１３を被覆してこれが真空の空間へ露出するようにすればよい。この場合、強誘電体１０の他の部位、即ち周面及び紫外線受光面１１（支持板１５を備える場合も含む）は大気中に存在することとなるので、これらが真空内に存在する構成よりも、強誘電体１０の冷却効果が向上する。

　筐体３０の一端は支持板１５で被覆され、その他端は銅箔２０で被覆され、その結果筐体３０の内部空間は外部から気密に遮断される。筐体３０の内部を真空にするため、実施の形態では筐体３０に貫通孔（図示せず）をあけて真空ポンプで真空引きをしている。
　筐体３０の内部空間にはイソブチルアルコール等の還元性ガスを導入することが好ましい。荷電粒子放射面から放射される荷電粒子を補充するためである。
　強誘電体の荷電粒子放射面からは専ら電子が放射されるが、その他、荷電粒子放射面に吸着されていた若しくはその表面に存在していたマイナスイオン物質も放射される。

　強誘電体１０の紫外光受光面１１には、支持板１５を介して、強誘電体１０を透過しない波長の紫外光が照射される。
　この発明では、ピークパワーが１ＭＷ以上であるパルス状の紫外光ＵＶ１が照射される。
　ここにパルス紫外光ＵＶ１のパルス幅を１×１０^－９秒未満、いわゆるピコ秒とすると、ピークパワーが大きくても、パルスあたりのエネルギーが小さくなるので、汎用的な紫外光用ファイバを通すことができる。

　図１の例では、上記紫外光ＵＶ１に重ねて紫外光ＵＶ２が照射される。紫外光ＵＶ２はピークパワーが１００ｋＷ以下のパルス状の紫外光若しくは連続光である。この紫外光ＵＶ２を照射することにより、強誘電体１０の荷電粒子放射面の電位が低下するが、この紫外光ＵＶ２のみではＸ線を発生させる程度に高いエネルギーを有する荷電粒子は荷電粒子放射面から放出されないものとする。
　紫外光ＵＶ１及び紫外光ＵＶ２ともに紫外光照射面１１に対して垂直に照射すること好ましい。紫外光照射面１１において同一のポイントへ紫外光ＵＶ１と紫外光ＵＶ２とを照射するときは、ピークパワーが１ＭＷ以上のパルス紫外光ＵＶ１を紫外光照射面へ実質的に垂直に照射することが好ましい。

　紫外光を照射したとき強誘電体の両面（紫外光受光面と荷電粒子放射面、以下同じ）に生じる電位差は、強誘電体の材料及び厚さ（紫外光受光面と荷電粒子放射面の距離、以下同じ）が等しいとき、照射された紫外光のパワー（Ｗ／時間）に依存すると考えられる。
　照射される紫外光のパワーが十分に大きいと、強誘電体が加熱され、いわゆる焦電効果によりその荷電粒子放射面から荷電粒子が放射される場合があると予想される。

以下、この発明の実施例について説明する。
　図１に示すＸ線装置において、強誘電体１０として直径約１０ｍｍ、幅約６ｍｍの円盤状ＬｉＴａＯ_３を用い、厚さ１ｍｍの合成石英板１５の表面にその紫外光受光面１１を高真空用接着剤（商品名：Torrseal）を用いて張り付けた。
　筐体３０には内径が約１2ｍｍのポリプロピレン製のパイプを用い、その内周面には導電性塗料からなる保護膜３１を塗布により形成した。銅箔０の厚さは約１０μｍであり、その該表面にはポリイミド製の保護シート２１を貼付けた。銅箔２０はアースされており、筐体３０に対しては絶縁性を維持して固定される。
　強誘電体１０の荷電粒子放射面１３と銅箔２０との距離は４．５ｍｍ、筐体２０内を４×１０^－１Ｐａまで真空ポンプにより減圧した。

　かかるＸ線発生装置１の強誘電体１０に対し、波長が２６６ｎｍの紫外光を、パルスエネルギー１０ｍＪ、パルス幅５０ｐｓｅｃのパルスで照射した。この時の、レーザパワーは１００ｍＷであり、各パルスのピークパワーは２００ＭＷとなる。結果を図２（Ａ）に示す。
　同様に、強誘電体１０へ２６６ｎｍ波長の紫外光を、パルスエネルギー９μＪ、パルス幅２０ｎｓｅｃのパルスで照射したときの結果を図２（Ｂ）に示す。この時、レーザパワーは１８０ｍＷであり、パルスのピークパワーは４５０Ｗである。
　図２（Ａ）に比べて、図２（Ｂ）にはより大きなレーザパワーが入力されているので、強誘電体１０にはより大きな電位差が生じている。しかしながら、図２（Ｂ）の条件ではピークパワーが不十分なため、Ｘ線の発生がほとんどみられない。
　強誘電体１０へ２６６ｎｍ波長の紫外光を、パルスエネルギー１６．５μＪ、パルス幅２０ｎｓｅｃのパルスで照射したときの結果を図２（Ｃ）に示す。この時、レーザパワーは３３０ｍＷであり、パルスのピークパワーは８２５Ｗである。
　図２（Ｃ）のようにレーザパワーが強くなると、いわゆる焦電効果が生じてＸ線が発生するものと考える。

　図１のＸ線発生装置において、紫外光ＵＶ１にパルス幅５０ｐｓｅｃの紫外光パルスを用い、紫外光ＵＶ２にパルス幅２０ｎｓｅｃの紫外光パルスを用い、各紫外光の強さを変化させたときのＸ線の発生量（線量）を図３に示す。
　図３（Ａ）と図３（Ｂ）とにおいて総レーザパワーが弱いにもかかわらず（それぞれ、１８０ｍＷと１７８ｍＷ）、強いピークパワーの紫外線ＵＶ１が照射された図３（Ｂ）の例では、わずかであるがＸ線の発生がみられた。なお、紫外光ＵＶ１（ピコ２８ｍＷ）のピークパワーは約５０ＭＷである。紫外光ＵＶ２（ナノ１８０ｍＷ）のピークパワーは１ｋＷに満たない。
　紫外光ＵＶ２のパワーを増大して総レーザパワーを大きくしたときの、紫外光ＵＶ１の有無の影響を図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）に示す。これらの結果より、ピークパワーが大きなピコ秒レーザを照射することにより、Ｘ線の発生量が格段に増大することがわかる。なお、紫外光ＵＶ２（ナノ３３０ｍＷ、３００ｍＷ）のピークパワーは１ｋＷに満たない。

　図３（Ｂ）と図３（Ｄ）との比較から、総レーザパワーを大きくしたときＸ線の発生量が増大することがわかる。これは、総レーザパワーを大きくすると、強誘電体の両面間に生じる電位差が大きくなることに起因すると考えられる。
　これにより、予め強誘電体の両面間に電位差を生じさせておけば（補助昇圧という）、強誘電体の荷電粒子放射面から荷電粒子を効率よく離脱させされることがわかる。
　図３の例では、補助昇圧時に低いピークパワーの紫外光パルスを用いたが、強誘電体を透過しない波長の紫外光の連続光を用いることができる。また、加熱による焦電効果を利用して強誘電体の両面間に電位差を生じさせてもよい。補助昇圧する際、強誘電体の荷電粒子放射面から荷電粒子が離脱しないようにレーザパワーや加熱量を制御することが好ましい。

　補助昇圧を行った強誘電体に対して、同じタイミング（補助昇圧開始後10分後）に高いピークパワーの紫外光パルスを照射したときのＸ線の発生態様を図４に示す。
　なお、図４（Ａ）のピークパワーは２０ＭＷ、図４（Ｂ）のピークパワーは４０ＭＷ、図４（Ｃ）のピークパワーは５６ＭＷである。
　図４の結果から、照射する紫外光パルスのピークパワーが大きくなればなるほど、強誘電体の荷電粒子放射面から効率よく荷電粒子が脱離することがわかる。

　この発明は、上記発明の実施形態および実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
　上記の各実施形態および各実施例のそれぞれの特徴的構成を、実現可能な範囲で組み合わせても良い。
　この発明のＸ線発生装置により発生されたＸ線は、人体の治療に利用することができる。例えば、食道がん、胃がん、大腸がん、肝臓がん、胆嚢がん、膵臓がん、乳がん、喉頭がん、頭頸部がん、卵巣がん、子宮頸がん、子宮内膜がん、腎細胞がん、膀胱がん、前立腺がん、精巣腫瘍、肺がん、縦隔腫瘍、骨・柔部腫瘍、皮膚がん、悪性黒色腫、脳腫瘍、白血病、悪性リンパ腫等に対する放射線治療として利用できる。
　また、この発明のＸ線発生装置及び荷電粒子放射装置は細型化できるので、カテーテルや内視鏡に組み込むことができる。
　この発明のＸ線発生装置はＸ線の波長がそろっており、また放射角も小さいので、微細材料の表面処理に好適に利用できる。この発明の電子線発生装置も材料の表面処理に適用可能である。
　この発明のＸ線発生装置を非破壊検査装置若しくは医療用観察装置のＸ線原として利用できる。

Claims

　紫外光を受光して電位差を発生させる強誘電体の紫外光受光面へ該強誘電体を透過しない波長の紫外光照射し、前記強誘電体の荷電粒子放射面から荷電粒子を放射させる荷電粒子放射方法において、
　ピークパワーを１ＭＷ以上としたパルス状の紫外光を前記紫外光受光面へ照射する、荷電粒子放射方法。
　前記パルス状の紫外光のパルス幅は１×１０^－９秒未満である、請求項１に記載の荷電粒子放射方法。
　前記パルス状の紫外光はファイバを介して前記強誘電体の紫外光受光面に照射される、請求項２に記載の荷電粒子放射方法。
　前記パルス状の紫外光を照射する前に、前記強誘電体の前記紫外光受光面と前記荷電粒子放射面との間に電位差を生じさせる、請求項１に記載の荷電粒子放射方法。
　前記強誘電体の前記紫外光受光面へピークパワーが１００ｋＷ以下のパルス状の紫外光を照射して前記強誘電体の前記紫外光受光面と前記荷電粒子放射面との間に電位差を生じさせる、請求項４に記載の荷電粒子放射方法。
　前記強誘電体の前記紫外光受光面へ紫外光の連続光を照射して前記強誘電体の前記紫外光受光面と前記荷電粒子放射面との間に電位差を生じさせる、請求項４に記載の荷電粒子放射方法。
　前記荷電粒子放射面から荷電粒子が放射されないように前記強誘電体を昇温して前記強誘電体の前記紫外光受光面と前記荷電粒子放射面との間に電位差を生じさせる、請求項４に記載の荷電粒子放射方法。
　請求項１～請求項７のいずれかに記載の荷電粒子放射方法により放射された荷電粒子を金属片に照射し、該金属片からＸ線を発生させる、Ｘ線発生方法。
　紫外光を受光して電位差を発生させる強誘電体であって、紫外光受光面と荷電粒子放射面とを備える強誘電体と、
　該強誘電体の紫外光受光面へ前記強誘電体を透過しない波長の紫外光を照射する光源と、
　前記強誘電体の荷電粒子放射面に対向して配置される金属片であって、前記荷電粒子放射面から放射される荷電粒子を受けてＸ線を放出する金属片と、を備え、
　前記光源はピークパワーを１ＭＷ以上としたパルス状の紫外光を前記紫外光受光面へ照射する、
　Ｘ線発生装置。
　前記パルス状の紫外光のパルス幅は１×１０^－９秒未満である、請求項９に記載のＸ線発生装置。
　前記強誘電体の前記紫外光受光面と前記荷電粒子放射面との間に電位差を生じさせる補助昇圧装置が更に備えられる、請求項９に記載のＸ線発生装置。
　紫外光を受光して電位差を発生させる強誘電体であって、紫外光受光面と荷電粒子放射面とを備える強誘電体と、
　該強誘電体の紫外光受光面へ前記強誘電体を透過しない波長の紫外光を照射する光源と、
　前記強誘電体の荷電粒子放射面に対向して配置される引出し電極と、を備え、
　前記光源はピークパワーを１ＭＷ以上としたパルス状の紫外光を前記紫外光受光面へ照射する、
　荷電粒子放射装置。
　前記パルス状の紫外光のパルス幅は１×１０^－９秒未満である、請求項１２に記載の荷電粒子放射装置。
　前記強誘電体の前記紫外光受光面と前記荷電粒子放射面との間に電位差を生じさせる補助昇圧装置が更に備えられる、請求項１２に記載の荷電粒子線放射装置。