(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザー駆動放射線発生システムにおいて高密度プラズマを生成した際に反射してレーザーシステムの上流に戻る戻り光による光学素子の損傷を防止するプラズマシャッター形成装置および形成方法を提供する。【解決手段】レーザーパルス５をターゲット２に照射して高密度プラズマ３を生成させることにより放射線を発生、加速させるシステムにおいて、高密度プラズマ３に吸収されないでシステム上流への戻り光４となったレーザーパルスを遮断するためにプラズマシャッター１１を形成する装置であって、プラズマシャッター用ターゲット１０と、プラズマシャッター用レーザー照射部を有し、前記プラズマシャッター用レーザー照射部からのレーザーパルスをプラズマシャッター用ターゲット１０に照射して高密度プラズマを生成させプラズマシャッター１１を形成し、戻り光４となったレーザーパルスを遮断させる。【選択図】図１
2011108641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーパルスをターゲットに照射して高密度プラズマを生成させることにより放射線を発生、加速させるシステムにおいて、前記高密度プラズマに吸収されないでシステム上流への戻り光となったレーザーパルスを遮断するためにプラズマシャッターを形成する装置であって、
プラズマシャッターを形成するために配置されるプラズマシャッター用ターゲットと、
前記プラズマシャッター用ターゲットにレーザーパルスを照射するためのプラズマシャッター用レーザー照射部を有し、
前記プラズマシャッター用レーザー照射部からのレーザーパルスを前記プラズマシャッター用ターゲットに照射して高密度プラズマを生成させプラズマシャッターを形成し、前記の戻り光となったレーザーパルスを遮断させることを特徴とするプラズマシャッター形成装置。
【請求項２】
プラズマシャッターを形成する高密度プラズマの密度が１０１７〜１０２３ｃｍ−３であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマシャッター形成装置。
【請求項３】
レーザーパルスをターゲットに照射して高密度プラズマを生成させることにより放射線を発生、加速させるシステムにおいて、前記高密度プラズマに吸収されないでシステム上流への戻り光となったレーザーパルスを遮断するためにプラズマシャッターを形成する方法であって、
プラズマシャッター用レーザーパルスをプラズマシャッター用ターゲットに照射して高密度プラズマを生成させプラズマシャッターを形成し、前記の戻り光となったレーザーパルスを遮断させることを特徴とするプラズマシャッター形成方法。
【請求項４】
プラズマシャッターを形成する高密度プラズマの密度が１０１７〜１０２３ｃｍ−３であることを特徴とする請求項３に記載のプラズマシャッター形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターゲットにレーザーパルスを照射して粒子線（陽子、イオン等）、Ｘ線、テラヘルツ波等の放射線を発生させる際に、戻り光となったレーザーパルスを効果的に遮断するプラズマシャッターを形成する装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザー光をターゲットに照射して、陽子線や炭素イオン線等の粒子線を発生させて、人体患部に照射して診断や治療を行う技術が急速に進んでいる。本出願人は、特許文献１において、放射線医によるフィードバックの掛かった治療と診断をリアルタイムに同一フロアで実現することを可能とする粒子線治療装置を提案した。
【０００３】
この粒子線治療装置は、粒子線発生部を極めてコンパクト化して、診断支援部（ＰＥＴ、Ｘ線ＣＴやＭＲＩ、超音波検査装置）と同一フロアに設置して使用することができ、医療現場に直接配置して診断および診療に使用することができる。図４に、この粒子線治療装置における粒子線発生部の構成例を模式的に示す。
【０００４】
図４の陽子線発生機構は、所要の陽子線を得るためのレーザー光２５を発生するレーザー装置２１と、発生したレーザー光２５を複数のレンズならびにミラー等の光学部品により伝送するレーザービーム伝送装置２２と、伝送されたレーザー光２５を陽子線発生ターゲットに焦点合わせするレーザービーム集光部２３と、レーザービーム集光部２３で焦点合わせ等を行ったレーザー光２５をターゲットに照射し、ターゲットから所望の陽子線２６を発生させる陽子線発生部２４を備える。
【０００５】
この例は、陽子線発生機構を構成するレーザー装置２１〜陽子線発生部２４の具体的な構成、特に、陽子線発生ターゲットである薄膜テープターゲットにレーザー光２５を照射して陽子線２６を発生させる陽子線発生部２４の部分を詳細に示したものである。
【０００６】
レーザービーム集光部２３を構成する集光ミラー２３ａの寸法は、約２００ｍｍ程度であり、非常に小型の陽子線発生機構を実現するのに好都合である。特に小型化を実現するための技術的要素は、陽子線発生部２４として、薄膜テープターゲット２４ａを採用し、レーザー光２５を陽子線発生用ターゲットである薄膜テープターゲット２４ａに照射し、陽子線２６を発生させることを実用化した点である。前記薄膜テープターゲット２４ａは、テープ供給リール２４ｂに巻回収容したものをテープ巻取りリール２４ｃに巻き取るように移送し、レーザー光照射位置では該レーザー光照射位置を挾んで設置した２本の回転ロール２４ｄに当接して位置決めする構成である。
【０００７】
上記構成において、レーザー装置２１によって必要なパワーおよびビーム径等のレーザー光２５を発生させる。発生したレーザー光２５は、レーザービーム伝送部２２とレーザービーム集光部２３を通して薄膜テープターゲット２４ａのテープターゲット照射位置Ｐに焦点を合わせ照射される。レーザー光２５の照射によりプラズマが生成される。その際、レーザー光２５はプラズマには５０％程度吸収され、残りのレーザー光２５は戻り光となり、レーザーシステムの上流側に戻り光として戻る。
【０００８】
一方、最近では小型の医療用レーザー駆動陽子線発生装置の陽子線生成用レーザーの開発も進められており、そのためにはエネルギーのピーク強度をより高めたレーザーパルスが必要である。このようなレーザーパルスを得るために、チャープパルス増幅（以下、ＣＰＡと称する）法が用いられている。図５に、ＣＰＡ法を用いた従来のレーザー駆動陽子線発生装置の構成を模式的に示す。なお、ＣＰＡ法は、上記の図４に示した装置にも適用可能である。
【０００９】
図５において、１は圧力が１Ｐａ以下の空間であり、１’は１Ｐａより高い圧力空間であり、大気圧も含む。２は陽子線を発生、加速するための陽子線発生用ターゲット、３はレーザー生成プラズマ、４は戻り光、５は陽子線発生用レーザーパルス、６はミラーやレンズからなる集光光学素子、７は偏光板などからなる光学素子、８は回折格子とレーザー反射光学素子を含むパルス圧縮器、９はレーザー透過光学素子である。
【００１０】
図示しないレーザーパルス発生装置から出射された陽子線発生用レーザーパルス５は、レーザー透過光学素子９より高真空部１に入射し、回折格子とレーザー反射光光学素子を含むパルス圧縮器８、光学素子７、集光光学素子６からなる光学系を通り、陽子線発生用ターゲット２に集光する。陽子線発生用レーザーパルス５が陽子線発生用ターゲット２に集光すると高密度のレーザー生成プラズマ３が生成される。そのとき、陽子線発生用レーザーパルス５はレーザー生成プラズマ３に５０％程度吸収され、残りのレーザーパルスは戻り光４としてレーザーシステムの上流（回折格子とレーザー反射光学素子を含むパルス圧縮器から発振器）まで戻る。
【００１１】
以上のようにして、従来のレーザー駆動粒子線発生装置においては、陽子やイオンが生成、加速され治療や診断に供されてきた。ところが、この種の従来の装置においては、プラズマを生成したときの戻り光がレーザーシステムの上流に戻るため、光学素子の損傷を招くといった問題があった。特に、ＣＰＡ法を用いたレーザーシステムでは、パルス圧縮器における回折格子とレーザー反射光学素子の損傷が深刻な問題であった。
【００１２】
そこで、従来、戻り光対策として、ファラデー素子やポッケルスセルなどの偏光を利用した光学素子を用いる手法を採用していた。
【００１３】
しかしながら、ファラデー素子やポッケルスセルなどの光学素子は、大型化が困難であるため、レーザーパルスのビーム径が大きくなる回折格子とレーザー反射光学素子を含むパルス圧縮器の直後にこれらの光学素子を導入することが困難である。ファラデー素子ではダメージ閾値とＣＰＡ法を用いた場合のパルス幅伸長の観点からもその導入は困難である。さらに、ポッケルスセルは電気信号をトリガー源としているため立ち上がり時間が最短でも約５０ｐｓ程度となり、戻り光を遮断するには不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００８−２２９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたものであり、レーザー駆動放射線発生システムにおいて高密度プラズマを生成した際に反射してレーザーシステムの上流に戻る戻り光による光学素子の損傷を防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するため、第１に、レーザーパルスをターゲットに照射して高密度プラズマを生成させることにより放射線を発生、加速させるシステムにおいて、前記高密度プラズマに吸収されないでシステム上流への戻り光となったレーザーパルスを遮断するためにプラズマシャッターを形成する装置であって、プラズマシャッターを形成するために配置されるプラズマシャッター用ターゲットと、前記プラズマシャッター用ターゲットにレーザーパルスを照射するためのプラズマシャッター用レーザー照射部を有し、前記プラズマシャッター用レーザー照射部からのレーザーパルスを前記プラズマシャッター用ターゲットに照射して高密度プラズマを生成させプラズマシャッターを形成し、前記の戻り光となったレーザーパルスを遮断させることを特徴とするプラズマシャッター形成装置を提供する。
【００１７】
また、第２に、上記第１の発明において、プラズマシャッターを形成する高密度プラズマの密度が１０１７〜１０２３ｃｍ−３であることを特徴とするプラズマシャッター形成装置を提供する。
【００１８】
また、第３に、レーザーパルスをターゲットに照射して高密度プラズマを生成させることにより放射線を発生、加速させるシステムにおいて、前記高密度プラズマに吸収されないでシステム上流への戻り光となったレーザーパルスを遮断するためにプラズマシャッターを形成する方法であって、プラズマシャッター用レーザーパルスをプラズマシャッター用ターゲットに照射して高密度プラズマを生成させプラズマシャッターを形成し、前記の戻り光となったレーザーパルスを遮断させることを特徴とするプラズマシャッター形成方法を提供する。
【００１９】
さらに、第４に、上記第３の発明において、プラズマシャッターを形成する高密度プラズマの密度が１０１７〜１０２３ｃｍ−３であることを特徴とするプラズマシャッター形成方法を提供する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、上記構成ないし手法を採用したので、レーザー駆動放射線発生システムにおいて高密度プラズマを生成した際に反射してレーザーシステムの上流に戻る戻り光をプラズマシャッターにより吸収および反射させて遮断する。したがって、戻り光による光学素子の損傷を防止することが可能となる。
【００２１】
ここでは放射線は、たとえば粒子線、Ｘ線、テラヘルツ波等も含むものである。また粒子線は、たとえば陽子線、炭素イオン線などのイオン線および中性子線、電子線を含むものである。なおＸ線は波長０．０１〜１５０ｎｍ、テラヘルツ波は波長１μｍ以上の電磁波である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマシャッター形成装置を備えたレーザー駆動陽子線発生システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】レーザー生成プラズマの成長時間と持続時間およびプラズマシャッター使用可能領域の関係例を示す図である。
【図３】光学遅延素子の一例を模式的に示す図である。
【図４】従来の粒子線治療装置における陽子線発生機構の構成を模式的に示す図である。
【図５】ＣＰＡ法を用いた従来のレーザー駆動陽子線発生装置の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明について詳述する。
【００２４】
本発明は、レーザーパルスをターゲットに照射して高密度プラズマを生成させることにより放射線を発生させるレーザー駆動放射線発生システムにおいて、前記高密度プラズマに吸収されないでシステム上流への戻り光となったレーザーパルスを遮断するためにプラズマシャッターを形成する装置に係り、プラズマシャッターを形成するために配置されるプラズマシャッター用ターゲットと、前記プラズマシャッター用ターゲットにレーザーパルスを照射するためのプラズマシャッター用レーザー照射部を有し、前記プラズマシャッター用レーザー照射部からのレーザーパルスを前記プラズマシャッター用ターゲットに照射して高密度プラズマを生成させプラズマシャッターを形成し、前記の戻り光となったレーザーパルスを遮断させることを特徴とするものである。
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマシャッター形成装置を備えたレーザー駆動陽子線発生システムの構成を模式的に示す図である。図１において、図３と同様な要素には同じ符号を付してある。
【００２６】
陽子線発生用ターゲット２は、レーザー生成プラズマ３を生成し、陽子を発生、加速するためのものであり、典型的には固体が使用される。たとえば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃ、Ｔｉ、Ｗ、ポリエチレン系高分子材料等が好適に使用される。これらは図４の装置で説明したようにテープ状で使用することができるので好ましい。それ以外では、アルカリ金属、アルカリ土類金属および放射性物質を除く、常温で固体状態が維持できる物質を使用することができる。ただし、毒性が高いＣｄ、Ａｓ、ＴｅおよびＴｌは使用を差し控えることが望ましい。また、希ガスを冷却して生成可能なクライオターゲット（特開２００３−３０３６９６号公報（特許第３７５９０８９号））も使用することができる。気体ターゲットを用いる際は、細管に背圧を掛けたノズルを用いる。さらに、液滴ターゲット（特開２００４−２３５１５８号公報（特許第３９４３０８９号））やクラスターターゲットも使用することができる。
【００２７】
レーザー生成プラズマ３は、陽子線発生用レーザーパルス５を陽子線発生用ターゲット２に照射した際にその表面で生成される高密度プラズマである。レーザー生成プラズマ３は、陽子線発生用レーザーパルス５のパルス幅の時間だけ存在し、その持続時間は、陽子線発生用レーザープラズマ５の時間幅に依存し、その成長時間は約１ｐｓ程度と非常に速い時間で成長可能である。レーザー生成プラズマ３の密度は１０１７〜１０２３ｃｍ−３程度である。レーザー生成プラズマ３が生成される際に吸収されないレーザーパルスは５０％程度であり、吸収されないレーザーパルスは戻り光４として反射される。
【００２８】
陽子線発生用レーザーパルス５は、図示しないレーザー装置から出射し、本実施形態の光学系でＣＰＡ増幅される。陽子線発生用ターゲット２に照射される陽子線発生用レーザーパルス５の強度は１０１５〜１０２３Ｗｃｍ−２程度、エネルギーは０．０１〜１０Ｊ／ｐｕｌｓｅ程度、パルス幅は１０ｆｓ〜２０ｎｓ程度、繰り返しは０．１〜１０００Ｈｚ程度である。レーザーとしては、ＣＰＡ増幅できるレーザーでイッテルビウムヤグ（Ｙｂ：ＹＡＧ）レーザー、チタンサファイア（Ｔｉ：sapphire）レーザー、ネオジウムガラス（Ｎｄ：glass）レーザー、クリプトンフロライド（ＫｒＦ）レーザーおよび色素レーザーを用いることができ、またネオジウムヤグ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザーや炭酸ガス（ＣＯ２）レーザーなども場合によっては用いることができる。
【００２９】
集光光学素子６は、陽子線発生用レーザーパルス５を陽子線発生用ターゲット２の面上の照射点に集光させるもので、ミラーやレンズを用いることができる。
【００３０】
光学素子７は、陽子線発生用レーザーパルス５を偏光させるために使用され、回折格子とレーザー反射光学素子を含むパルス圧縮器８は、ＣＰＡ増幅におけるパルス圧縮のために使用され、レーザー透過光学素子９は、陽子線発生用レーザーパルス５を入射させるために使用される。また、右側のレーザー反射光学素子１６は陽子線発生用レーザーパルス５の光路の向きを変更させる役割を行う。
【００３１】
プラズマシャッター用ターゲット１０は、プラズマシャッター形成装置を構成する一要素であり、高密度プラズマよりなるプラズマシャッター１１を形成するためのものであり、ターゲット材料としては、陽子線発生用ターゲット２で用いるものと同様なものを使用することができる。プラズマシャッター用ターゲット１０は、陽子線発生用ターゲット２と集光光学素子６との間の任意の場所に設置することができ、陽子線発生用レーザーの光路を高密度プラズマが遮断できる位置に設置する。図１に示すようにプラズマシャッター用レーザー入射方向から陽子線発生用レーザー照射方向に向かって陽子線発生用レーザーを跨いだ任意の位置に設置可能である。その設置箇所は１箇所でもよいし、複数箇所でもよい。また、集光光学素子６と回折格子とレーザー反射光学素子を含むパルス圧縮器８の間に設置してもよい。プラズマシャッター用ターゲット１０の一例を示すと、１ｃｍ×１ｃｍ、厚さ１００ｎｍ以上のものを使用することができ、戻り光４が遮断できる場合はこのサイズでなくてもよい。
【００３２】
プラズマシャッター１１は、プラズマシャッター用レーザーパルス１２をプラズマシャッター用ターゲット１０に照射した際にその表面で生成される高密度プラズマである。プラズマシャッター１１を構成する高密度プラズマも、レーザー生成プラズマ３と同様に、プラズマシャッター用レーザーパルス１２のパルス幅の時間だけ存在し、その持続時間は、プラズマシャッター用レーザーパルス１２の時間幅に依存し、その成長時間は約１ｐｓ程度と非常に短い時間で成長可能である。プラズマの密度は１０１７〜１０２３ｃｍ−３の間で制御可能であり、プラズマ密度は、レーザー光を用いた干渉計による回折縞のシフトにより測定可能である。この密度領域のプラズマは、戻り光４を十分吸収することで遮断することが可能である。図２に、プラズマシャッター１１の生成時間と持続時間およびプラズマシャッター使用可能領域の関係例を示す。プラズマシャッター１１が約１ｐｓ程度で成長し、戻り光４を遮断できる密度になった後、２０ｎｓ程度持続する。
【００３３】
プラズマシャッター用レーザーパルス１２は、上記した図示しないレーザー装置から出射されたレーザーパルスの一部を分岐させたものを用いることができ、プラズマシャッター１１を形成するため、レンズ等からなるプラズマシャッター用集光光学素子１３により集光され、プラズマシャッター用ターゲット１０に照射される。この場合、チャープパルス増幅（ＣＰＡ）レーザーシステムにおいて回折格子とレーザー反射光学素子を含むパルス圧縮器８を用いてパルス圧縮する直前のレーザーパルスの一部を取り出して使用することが望ましい。プラズマシャッター用レーザーパルス１２の照射強度は約１０９〜１０２３Ｗｃｍ−２、エネルギーは０．１ｍＪ／ｐｕｌｓｅ以上、パルス幅は１０ｆｓ以上、繰り返しは陽子線発生用レーザーパルス５と同じ繰り返しであれば適宜の値のものを利用できる。プラズマシャッター用レーザーパルス１２の集光レーザービーム直径は、点集光の場合１０〜５００μｍ程度、線集光の場合は幅２０μｍ、長さ０．５〜３ｍｍ程度とすることができるが、戻り光４が十分遮断されるのであれば、このサイズに限定されない。
【００３４】
プラズマシャッター用レーザーパルス１２として、上記した図示しないレーザー装置から出射されたレーザー光の一部を用いるために、レーザー光はレーザー光分割光学素子（ビームスプリッター）１４で分割され、光学遅延素子１５で陽子線発生用レーザーパルス５とのタイミングを調整するため光学遅延された後、ミラー等からなるレーザー反射光学素子１６で光路の向きを変更されて、プラズマシャッター用集光光学素子１３へと導かれる。図３に光学遅延素子１５の一例を模式的に示す。この例は、ステージの上にミラーを設置し、ステージをレールの上で矢印方向に動かし、光路の短長をつけることでシャッター用レーザーパルス１２の到着時間を変えるものである。ミラーを用いる代わりにプリズム等を用いてもよい。
【００３５】
なお、プラズマシャッター用レーザーパルス１２、時間的に０．５ｎｓ程度のジッターで別のレーザーシステムを同期動作できる場合は、これを用いることも可能である。すなわち、たとえばＣＰＡレーザーシステムの発振器レーザー光を高速のフォトダイオードで検出して電気信号を作り出し、その信号の一部を分周した電気信号を用いてプラズマシャッター用レーザーを外部トリガーで動作させる。このときのレーザーエネルギー、集光強度、パルス幅は、上記の一部取り出した場合と同じ条件である。
【００３６】
プラズマシャッター１１は、陽子線発生用レーザーパルス５が陽子線発生用ターゲット２に照射される際にはその光路を妨げない。陽子線発生用レーザーパルス５が陽子線発生用ターゲット２に到達したとき、プラズマシャッター用レーザーパルス１２がプラズマシャッター用ターゲット１０に照射されて、高密度のプラズマが生成され、プラズマシャッター１１が形成される。陽子線発生用レーザーパルス５が陽子線発生用ターゲット３に集光されてプラズマが生成したときから、プラズマシャッター用レーザー１２がプラズマシャッター用ターゲット１０に集光される時間差は−１ｎｓ〜１ｎｓ程度の時間領域である。しかし戻り光を防ぐことができれば、この時間領域に限定されない。
【００３７】
したがって、プラズマシャッター１１は、陽子線発生用レーザーパルス５を陽子線発生用ターゲット２に集光した際に生成するプラズマに吸収されないレーザーパルスによる戻り光４を効果的に遮断することができる。これにより、戻り光４による光学素子（回折格子とレーザー反射光学素子を含むパルス圧縮器、ミラーや波長板など）への損傷を低減させることが可能となる。
【符号の説明】
【００３８】
１    １Ｐａ以下の圧力空間
１’  １Ｐａより高い圧力空間
２    陽子線発生用ターゲット
３    レーザー生成プラズマ
４    戻り光
５    陽子線発生用レーザーパルス
６    集光光学素子
７    光学素子
８    回折格子とレーザー反射光学素子を含むパルス圧縮器
９    レーザー透過光学素子
１０    プラズマシャッター用ターゲット
１１    プラズマシャッター
１２    プラズマシャッター用レーザーパルス
１３    プラズマシャッター用集光光学素子
１４    レーザー光分割光学素子
１５    光学遅延素子
１６    レーザー反射光学素子
【図１】
2011108641.tif 000003
【図４】
2011108641.tif 000004
【図５】
2011108641.tif 000005
【図２】
2011108641.tif 000006
【図３】
2011108641.tif 000007