(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザー駆動陽子線を利用する小型の薄層放射化装置を提供する。【解決手段】高強度レーザー発生装置２と真空容器３とから構成されていてレーザー駆動陽子線を発生させる陽子線発生部１０と、陽子線を放射化対象５に衝突させて薄層放射化する放射化部２０と、を具備するレーザー駆動陽子線を用いる薄層放射化装置。高強度レーザー発生装置２は、１０１７Ｗ／ｃｍ２〜１０２２Ｗ／ｃｍ２のレーザー強度を有する高強度レーザー光を発生させる。真空容器３は、高強度レーザー光を導入するレーザー光導入部３１と、高強度レーザー光を集光する集光ミラー１１と、集光ミラー１１によって収束されるレーザー光が衝突するターゲット１２と、ターゲット１２から発散する陽子線の軌道上に設けられたデブリシールド１３と、レーザー駆動陽子線１７を大気中に取り出すための取り出し窓３３と、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高強度レーザー発生装置と真空容器とから構成されていてレーザー駆動陽子線を発生させる陽子線発生部と、陽子線を放射化対象に衝突させて薄層放射化する放射化部と、を具備するレーザー駆動陽子線を用いる薄層放射化装置であって、
当該高強度レーザー発生装置は、中心波長が約８００〜１１００ｎｍ、２０ｆｓ〜５００ｆｓの超高強度極短パルスレーザー発生装置であり、
当該真空容器は、当該高強度レーザー光を導入するレーザー光導入部と、当該高強度レーザー光を集光する集光ミラーと、当該集光ミラーによって収束されるレーザー光が衝突するターゲットと、当該ターゲットから発散する陽子線の軌道上に設けられたデブリシールドと、レーザー駆動陽子線を大気中に取り出すための取り出し窓と、を具備し、
１０１７Ｗ／ｃｍ２〜１０２２Ｗ／ｃｍ２の集光強度で、１ｐｓ〜１００ｎｓのパルス幅を有する陽子線を発生させることを特徴とするレーザー駆動陽子線利用薄層放射化装置。
【請求項２】
前記真空容器の前記取り出し窓には、所望のエネルギー成分を遮断するフィルターがさらに設けられている、請求項１に記載のレーザー駆動陽子線利用薄層放射化装置。
【請求項３】
前記真空容器の前記取り出し窓には、前記陽子線のビーム形状を放射化対象に整合させるビーム形状制御板がさらに設けられている、請求項１又は２に記載のレーザー駆動陽子線利用薄層放射化装置。
【請求項４】
前記デブリシールドは、１対の巻き取りリール間に架設された薄膜ポリイミドである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザー駆動陽子線利用薄層放射化装置。
【請求項５】
前記ターゲットは、１対の巻き取りリール間に架設された薄膜形状のチタン、タングステン、銅、ステンレス、アルミニウム、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド又はポリアミドである、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザー駆動陽子線利用薄層放射化装置。
【請求項６】
前記ターゲットへのレーザー光の衝突位置を制御するターゲット位置制御機構をさらに具備する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザー駆動陽子線利用薄層放射化装置。
【請求項７】
前記ターゲット位置制御機構は、回転移動機構及び平行移動機構を具備し、
当該回転移動機構は、１対の巻き取りリール間に架設された薄膜形状のターゲットを載置するターゲット載置台と、ターゲット照射位置を垂直回転中心軸として当該ターゲット載置台を回転させる回転ステージと、ターゲット照射位置を水平回転中心軸として当該ターゲット載置台を回転させるゴニオステージと、を具備し、
当該平行移動機構は、当該回転移動機構を載置するステージと、当該ステージをレーザー光の伝播方向に対して平行移動させる平行駆動装置と、を具備する、請求項６に記載のレーザー駆動陽子線利用薄層放射化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄層放射化装置、特にレーザーで発生させた荷電粒子（陽子）を用いる薄層放射化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄層放射化とは、表面層から２００μｍ程度の深さまで放射化、すなわち放射性同位元素を生成することをいう。薄層放射化は、機械部品の摩耗速度の測定に利用されている（薄層放射化による摩耗測定）。薄層放射化による摩耗測定は、実際の運転条件で運転しながら、非接触で連続的に摩耗量が計測でき、測定感度・精度が高く、短時間で測定できるので、開発費の削減に大きく寄与する。薄層放射化による摩耗測定は、摩耗を伴う機械部品の耐久試験であり、予め機械部品の摩耗が予想される部位に、荷電粒子線（たとえば、陽子線、重水素線など）を照射して核反応を引き起こし放射化することによって、放射性核種を含有するトレーサーとする。トレーサーを放射線検出器で計測することによって、放射化した部位の摩耗量のデータが得られる。
【０００３】
従来の薄層放射化は、サイクロトロン加速器を用いて生成させた荷電粒子線を用いている。サイクロトロン加速器から得られるエネルギー粒子は、単色で、ビームの発散角が非常に小さいペンシルビーム形状（サイクロトロン出口のビームの発散角は約０．５度）を有している。このため、広い面積の被検物を放射化するためには荷電粒子線を空間的に広げる必要があり、荷電粒子線の軌道を制御するための電磁石などを用いてビーム径を広げていた。また、荷電粒子線の固体内での飛行距離はエネルギーと固体の種類によって異なる。このため、所望の被検物の深さ方向に放射性同位元素の密度分布を付与するには、加速器で加速するエネルギーを調節したり、厚さの異なる減速材を用いて荷電粒子線のエネルギーを調節したりする等の作業が必要である。また、サイクロトロン加速器は、装置全体が放射線管理の必要な装置であるため、装置を収納する部屋が必要で装置全体が大型となり、装置寿命後の取り扱いが煩雑である。さらに、サイクロトロンの重量は２０トン程度であり、建屋の耐荷重を大きくする必要がある。
【０００４】
一方、本出願人は、放射線管理の必要な部分を著しく小型化できるレーザー駆動陽子線を用いる陽子線治療装置を提案している（特許文献１）。しかし、この陽子線治療装置は、人体の深部の癌組織にてエネルギーを完全に失うように陽子線を照射するように構成されており、表面層から２００μｍ程度の薄層を放射化するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−０２２９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のサイクロトロン加速器を用いる薄層放射化装置に替わる小型の薄層放射化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、レーザー駆動陽子線を用いる薄層放射化装置が提供される。レーザー駆動陽子線とは、超高強度極短パルスレーザーをターゲットに照射することにより発生する陽子線をいう。レーザー駆動陽子線は、従来の加速器から得られる陽子線に比べ、短いパルス幅を持ち、高い直進性を示すという特性を有する。本発明の薄層放射化装置では、２０ｆｓ〜５００ｆｓの超高強度極短パルスレーザーを用いて発生させた１ｐｓ〜１００ｎｓのパルス幅を有する陽子線を利用する。
【０００８】
本発明の装置は、中心波長が約８００〜１１００ｎｍ、２０ｆｓ〜５００ｆｓの超高強度極短パルスレーザー発生装置と、当該レーザー発生装置からのレーザー光を集光する集光ミラー、当該集光ミラーによって収束されるレーザー光が衝突するターゲット、及び当該ターゲットから発散する陽子線の軌道上に設けられたデブリシールドを内包し、当該デブリシールドを通過した後の陽子線を大気中に取り出すための取り出し窓を具備する真空容器と、当該取り出し窓からの陽子線を衝突させる放射化対象の位置を制御する位置制御部と、を具備し、１０１７Ｗ／ｃｍ２〜１０２２Ｗ／ｃｍ２の集光強度で、１ｐｓ〜１００ｎｓのパルス幅を有する陽子線を発生させる。
【０００９】
本発明の薄層放射化装置で用いることができるレーザー発生装置としては、チタンサファイア結晶を用いたチャープパルス増幅型レーザーあるいは光パラメトリックチャープパルス増幅型レーザーを好ましく挙げることができる。最終増幅器には、ガラス増幅器を使用してもよい。
【００１０】
本発明の薄層放射化装置では、１０１７Ｗ／ｃｍ２〜１０２２Ｗ／ｃｍ２の集光強度を有する高強度レーザーを利用するために、ターゲットに衝突した後の陽子線は、頂角が２０度の発散角を有する発散性のビーム形状となる。
【００１１】
前記ターゲットは、集光ミラーによって集められたレーザー光を衝突させて、薄層放射化に必要な２〜３０ＭｅＶ、好ましくは１０〜３０ＭｅＶの陽子線を発生させる。たとえば、レーザー増幅器全てがチタンサファイア結晶を用いたレーザーの場合には約１２ＭｅＶ、最終増幅器だけガラスを用いた場合には約３０ＭｅＶの陽子線を発生させることができる。ターゲットとしては、ショット毎に新しいターゲットにレーザー光が衝突するように、巻き取りリール間に架設された薄膜ターゲットであることが好ましい。また、ターゲットの材質としては、表面に水など水素を含む物質を吸着しているか、内部に水素を含有しているか、あるいは水素を成分として含有する材質であり、テープなどの薄膜形状に加工できるものであればよいが、薄膜状のアルミニウム、チタン、タングステン、銅、ステンレスなどの金属、又はマイラー（登録商標：ポリエチレンテレフタレート）、ポリイミド、ポリアミドなどの有機物を好ましく用いることができる。
【００１２】
前記デブリシールドは、ターゲットに衝突したレーザー光が集光してレーザー強度が最も強くなる部分がプラズマとなって広がり、プラズマの膨張によりターゲットの集光点周囲が飛び散ることによって発生するデブリが取り出し窓に付着することを遮蔽する。発生するデブリの形状は不定であるが、例えばターゲットとして銅を用いる場合には数十μｍ程度の大きさとなり、０．８μｍのアルミニウム膜を破る程度の衝突エネルギーを有する。このようなデブリが取り出し窓に付着し続けると、陽子線の透過の妨げとなる。デブリシールドは、陽子線の発散角に渡って陽子線の軌道を塞ぐように設けることができればよく、巻き取りリール間に架設されたテープ状シールド、あるいはショット毎に新しいシールドがターゲットのレーザー衝突位置に面するように構成されている円盤状シールドが好ましい。また、シールドの材質としてはテープなどの薄膜形状に加工しても引っ張り強度が高い材質であればよいが、ポリイミドなどを好ましく使用することができる。また、デブリの衝突エネルギーを考慮して、例えばポリイミドを使用する場合には７．５μｍ程度の厚みとすることが好ましい。
【００１３】
また、前記真空容器の取り出し窓に、陽子線の低エネルギー成分を除去するフィルターを設けることが好ましい。
【００１４】
また、前記取り出し窓に、陽子線のビーム形状を制御するビーム形状制御板を設けることが好ましい。レーザー駆動陽子線のビーム形状は発散するので、放射化対象に衝突させるビーム形状を制限することが必要になるためである。ビーム形状制御板は、所望の薄層放射化が可能となるビーム形状が得られるように薄板に所望の穴を設けるなどして製作することができる。例えば、幅１０ｍｍ×長１ｍｍの穴を５ｍｍ間隔で３個、あるいは幅１ｍｍ×長１０ｍｍの穴を５ｍｍ間隔で５個以上設けるなど、薄層放射化に所望の陽子線のビーム形状となるよう任意に設計することができる。また穴の面積は０．１〜１０ｃｍ２が好ましい。穴の面積が０．１ｃｍ２未満であると放射化量の検出が困難となり、１０ｃｍ２を超えると照射範囲の均一性を維持することが困難となる。また、ビーム形状制御板に設ける穴をパターン化することで、機械部品などの形状に合わせた所望のパターンの陽子線を放射化対象に衝突させることができる。
【００１５】
また、ターゲットへのレーザー光の衝突位置を制御するターゲット位置制御機構をさらに具備することが好ましい。好ましい実施態様において、ターゲット位置制御機構は、回転移動機構及び平行移動機構を具備する。回転移動機構は、１対の巻き取りリール間に架設された薄膜形状のターゲットを載置するターゲット載置台と、ターゲット照射位置を垂直回転中心軸としてターゲット載置台を回転させる回転ステージと、ターゲット照射位置を水平回転中心軸としてターゲット載置台を回転させるゴニオステージと、を具備する。平行移動機構は、回転移動機構を載置するステージと、ステージをレーザー光の伝播方向に対して平行移動させる平行駆動装置と、を具備する。
【００１６】
さらに、取り出し窓と放射化対象との間に陽子線の照射密度を制御する磁石、たとえば４重極磁石などを設けてもよい。磁石を用いる場合には、１個では陽子線が発散するので水平方向と垂直方向の陽子線の広がりを制御するために２個以上を用いることが好ましい。
【００１７】
本発明の薄層放射化装置で放射化することができる放射化対象としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉを１種以上含む金属又は合金を好ましく挙げることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の薄層放射化装置は、高強度レーザー発生装置を用いるレーザー駆動陽子線を利用するので、レーザー発生装置を含む陽子線発生部の平面の大きさを４ｍ×５ｍ程度（レーザー発生装置を含まない大きさは５０ｃｍ×５０ｃｍ程度）、５００ｋｇ以下と小型化することができる。
【００１９】
また、本発明の薄層放射化装置では、高強度レーザー発生装置からの高強度レーザーをターゲットに衝突させて、発散角を有する陽子線を発生させるため、従来のサイクロトロン加速器で必要であった荷電粒子線を発散させる装置が不要となる。さらに、このように陽子線は空間的に拡大するため、ビームエネルギーを時間的に変化させることが不要となり、従来必要であった電磁石も不要となる。
【００２０】
また、レーザー伝播方向に対してターゲット位置を平行移動させることにより、高エネルギー領域のカットオフエネルギーを制御し、所望の放射化深さに応じた陽子線を放射化対象に照射できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の薄層放射化装置の概略説明図である。
【図２】図２は、レーザー駆動陽子線のスペクトルの一例を示す。
【図３】図３は、高エネルギー領域のカットオフを制御したレーザー駆動陽子線のスペクトルの一例を示す。実線はカットオフ前、点線はカットオフ後のスペクトルを示す。
【図４】図４は、陽子線の低エネルギー領域をフィルターで遮断した場合に、放射化対象に到達する陽子線のエネルギー領域を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明の薄層放射化装置に用いるビーム形状制御板の一例を示す。
【図６】図６は、ターゲットへのレーザー光照射位置を制御するターゲット駆動機構の概略斜視図である。
【図７】図７は、ターゲット駆動機構の概略平面図である。
【実施形態】
【００２２】
添付図面を参照しながら本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２３】
図１は、本発明の薄層放射化装置の概略構成図である。本発明の薄層放射化装置１は、高強度レーザー発生装置２と真空容器３とから構成される陽子線発生部１０と、陽子線を放射化対象５に衝突させて薄層放射化する放射化部２０と、を具備する。
【００２４】
高強度レーザー発生装置２は、チタンサファイア結晶を用いたチャープパルス増幅型レーザーあるいは光パラメトリックチャープパルス増幅型レーザーであり、中心波長が約８００ｎｍの短パルス高強度レーザーで、パルス幅が２０ｆｓ〜５００ｆｓ、集光強度が１０１７Ｗ／ｃｍ２〜１０２２Ｗ／ｃｍ２を実現できるレーザー装置である。
【００２５】
真空容器３には、高強度レーザー発生装置２からの１０１７Ｗ／ｃｍ２〜１０２２Ｗ／ｃｍ２のレーザー強度を有する高強度レーザー光Ｌを導入するレーザー光導入部３１と、真空容器内部で発生するレーザー駆動陽子線１７を大気中に取り出すための取り出し窓３３とが設けられている。真空容器３内部には、高強度レーザー発生装置２からのレーザー光を集光する集光ミラー１１、当該集光ミラー１１によって収束されるレーザー光Ｌ１が衝突するターゲット１２が設置されている。図１において、ターゲット１２は、２個の巻き取りリール１４及び１４’間に架設されたテープ状ターゲットとして示されている。ターゲット１２にレーザー光が衝突するターゲット照射位置１６の位置を変動することによって、ターゲットから放射される陽子線１７のエネルギースペクトルのカットオフエネルギーを制御することができる。たとえば、レーザー伝播方向に対してターゲット１２の位置を平行に移動させて集光点から離すと図３の実線で示されるスペクトルを点線で示されるスペクトルへと、陽子線のエネルギーを調節することができる。このようなターゲット１２のターゲット照射位置１６を変動させるターゲット駆動機構４０を図６及び図７に示す。ターゲット駆動機構４０は、２個の巻き取りリール１４及び１４’間に架設されたターゲット１２を載置するターゲット載置台４１と、ターゲット載置台４１の位置を回転移動させるターゲット回転機構と、ターゲット載置台４１を一軸方向に平行移動させるターゲット一軸平行移動機構と、を具備する。ターゲット回転機構は、ターゲット１２へのレーザー光Ｌ１の入射角度を調節する。ターゲット回転機構は、一軸平行移動ステージ４７の上に設けられ、ターゲット照射位置１６を垂直回転軸中心として回転する回転ステージ４５と、ターゲット照射位置を水平回転中心軸として回転するゴニオステージ４６と、を具備する。ターゲット１２のターゲット照射位置１６に衝突したレーザー光Ｌ１は、ターゲット１２から陽子線１７として垂直に放出されるため、ターゲット１２を回転させることによって、レーザー光Ｌ１の入射角度を変え、陽子線１７の放出方向を変えることができる。ターゲット一軸平行移動機構は、図７に示すように、ターゲット載置台４１及びターゲット回転機構を載置するステージ４７と、ステージ４７をＸ軸方向にのみ平行移動させる駆動装置４２と、駆動装置４２とは逆の方向にステージを引っ張るバネ（図示せず）とを具備する。ステージ４７の移動量は±１０ｍｍ程度である。例えば、駆動装置４２を作用させてステージ４７を前後に平行移動させることによって、ターゲット１２のターゲット照射位置１６を、レーザー光Ｌ１が伝播するレーザー伝播軸４３に対して前後に数μｍ単位で平行移動させることができる。
【００２６】
さらに、真空容器３内部には、ターゲット１２から発散する陽子線ビーム１７の軌道上に設けられたデブリシールド１３が設置されている。ターゲット１２と同様に、デブリシールド１３は、２個の巻き取りリール１５及び１５’間に架設されたテープ状デブリシールドとして示されている。ターゲット１２上のターゲット照射位置１６にてテープ状ターゲットに衝突した高強度レーザー光は、高密度のプラズマを発生させ、プラズマ中で生成した電子による電場によってターゲット近傍の陽子線が加速される。加速された陽子線は２０度の発散角を有する発散性ビーム１７となり、取り出し窓３３から大気中に取り出される。レーザー光Ｌ１がターゲット１２に衝突する際に発生するプラズマが膨張することによって、周りの部分が衝撃を受けて飛び散りデブリを発生させる。デブリシールド１３は、デブリが取り出し窓３３に到達しないように遮断する作用をする。
【００２７】
取り出し窓３３の外部には、不要なエネルギー帯域の陽子線を遮断するフィルター１８、フィルター１８を通過した陽子線のビーム形状を制御するビーム形状制御板１９が取り付けられている。フィルター１８は、陽子線の低エネルギー領域を遮断するものであることが好ましい。フィルターの素材としては放射化が小さいアルミニウムを好ましく用いることができる。遮断できるエネルギー領域はフィルターの素材と厚みとで調節することができる。例えば厚さ４０μｍのアルミニウム製フィルターを用いると２ＭｅＶ以下の低エネルギー領域の陽子線を遮断することができる。さらに低いエネルギー領域の陽子線を遮断するためには、フィルターの厚みを更に薄くする。ビーム形状制御板１９は、放射化対象５に到達させる陽子線のビーム形状を制御する。例えば、図５に示すように、中央に楕円形の穴１９Ａを設けた場合には、図１に示すように発散性ビームの中央部１７Ａのみが放射化対象５に到達することになる。あるいは、所望のパターンに穴を設けて放射化対象に到達するビーム形状にパターンを付与することもできる。ビーム形状制御板１９の材質としては、放射化が小さいアルミニウムを好ましく用いることができる。
【００２８】
放射化部２０は、放射化対象５を載置し且つ放射化対象５の位置及び傾きを制御する位置制御部２１を具備する。位置制御部２１は、回転、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向への移動、陽子線伝播軸を中心とする回転及びあおり方向への移動の６軸方向位置制御を可能とする通常の制御機構を用いることができる。
【実施例】
【００２９】
図１に示す薄層放射化装置を用いて、高さ２５ｍｍ×幅２５ｍｍ×厚み３ｍｍのＢＮ（窒化ホウ素）片を放射化対象サンプルとして、薄層放射化を行った。波長８００ｎｍのレーザー光で、集光強度３×１０１９Ｗ／ｃｍ２、パルス幅３４ｆｓ、最大エネルギー４ＭｅＶ、発散角（頂角）２０度の陽子線が発生した。薄層放射化後、ＢＮ片をＧＳＯ（Ｇｄ２ＳｉＯ５（Ｃｅ））放射線検出器で観察したところ、１１ベクレルの１１Ｃが確認できた。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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