(57)【要約】【課題】高速粒子の発生状態をリアルタイムでモニタすることにより、効率良く高速粒子を発生させることが可能な高速粒子発生装置を提供する。【解決手段】真空チャンバ６０内に設置されたターゲット３０に対し、レーザ光源１０から出力されたレーザ光Ｌ１を、集光光学系２０によって集光しつつ照射する。これにより、陽子などの高速粒子Ｐが発生し、ターゲット３０から放出される。また、レーザ光Ｌ１の集光照射に伴うターゲット３０からのプラズマ発光Ｌ２を光計測装置４０で計測し、その計測信号を解析装置５０で解析して高速粒子Ｐの発生状態を評価する。そして、その解析結果に基づいて光学系移動機構２５、ターゲット移動機構３５を介して集光光学系２０、ターゲット３０を制御して、ターゲット３０での高速粒子Ｐの発生状態をフィードバック制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定強度のレーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光を集光しつつ照射することによって高速粒子を発生・放出するターゲットと、
前記レーザ光源から出力された前記レーザ光を前記ターゲットへと集光させる集光光学系と、
前記レーザ光の照射に伴って前記ターゲットで発生した光を計測して計測信号を出力する光計測手段と、
前記光計測手段からの前記計測信号に基づいて、前記ターゲットでの前記高速粒子の発生状態についての解析を行う解析手段と、
前記解析手段での解析結果に基づいて前記レーザ光源、前記ターゲット、及び前記集光光学系の少なくとも１つを制御することによって、前記ターゲットでの前記高速粒子の発生状態を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする高速粒子発生装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記ターゲット、または前記集光光学系の移動を制御する移動機構であることを特徴とする請求項１記載の高速粒子発生装置。
【請求項３】
前記集光光学系は、軸外し放物面鏡を有することを特徴とする請求項１または２記載の高速粒子発生装置。
【請求項４】
前記光計測手段は、前記ターゲットで発生した光を分光して計測する分光器を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の高速粒子発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、陽子などの粒子をターゲットから高速で放出させる高速粒子発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高強度のレーザ光を真空中でターゲットに照射することにより、電子、陽子、重陽子などの粒子をターゲットから高速で放出させる高速粒子源を実現することができる（例えば、非特許文献１、２参照）。また、このような高速粒子源は、同位体生成などの様々な装置に応用可能である。
【０００３】
そのような応用の一例としては、ＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置による診断に用いられる放射線同位体の生成装置がある。ＰＥＴ診断では、陽電子を放出する１１Ｃ、１３Ｎ、１５Ｏなどの短寿命の放射線同位体を含む薬剤が用いられている。これらの放射線同位体は、例えば、高速陽子による（ｐ，ｎ）反応や高速重陽子による（ｄ，ｎ）反応などを利用して生成することができる。
【０００４】
放射線同位体の生成には、主にサイクロトロン加速器から供給される高速陽子ビームなどが用いられる。このようにサイクロトロンを用いる場合、装置が大型であり、かつ、大掛かりな放射線遮蔽設備が必要となるため、ＰＥＴ診断を広く普及させる上で問題がある。これに対して、高速粒子源であるサイクロトロン加速器を、高強度レーザ光を利用した上記の高速粒子発生装置へと置き換えることにより、放射線遮蔽設備を含めた装置の小型化が可能となる。
【０００５】
【非特許文献１】
Ａ．Ｍａｋｓｉｍｃｈｕｋ，  Ｓ．Ｇｕ，  Ｋ．Ｆｌｉｐｐｏ，  ａｎｄ  Ｄ．Ｕｍｓｔａｄｔｅｒ，  ”Ｆｏｒｗａｒｄ  Ｉｏｎ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ  Ｄｒｉｖｅｎ  ｂｙ  ａ  Ｈｉｇｈ−Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｌａｓｅｒ”，  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．８４，  ｐｐ．４１０８−４１１１  （２０００）．
【非特許文献２】
Ｉ．Ｓｐｅｎｃｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ｌａｓｅｒ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐｒｏｔｏｎ  ｂｅａｍｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｈｏｒｔ−ｌｉｖｅｄ  ｐｏｓｉｔｒｏｎ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｒａｄｉｏｉｓｏｔｏｐｅｓ”，  Ｎｕｃｌ．  Ｉｎｓｔ．  ａｎｄ  Ｍｅｔｈ．  ｉｎ  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｓ．  Ｂ  Ｖｏｌ．１８３，  ｐｐ．４４９−４５８  （２００１）．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
高強度レーザ光を利用して高速粒子を発生させるには、ターゲットに対してレーザ光を充分小さい領域に集光して照射することが重要である。ターゲットに照射されるレーザ光の集光状態、またはそれによる高速粒子の発生状態をモニタする構成として、拡大光学系及びＣＣＤカメラを用いてレーザ光の集光状態を観察する構成がある。しかしながら、この構成では、レーザ光の集光点にターゲット材料を設置した場合、その集光点を直接に観察することができない。
【０００７】
また、ＣＲ−３９プラスチックを用いた固体軌跡検出器によって、発生した高速粒子を計測する構成が用いられている。すなわち、軌跡検出器のプラスチックに高速粒子が入射すると、その内部に目に見えない傷を残す。その後、アルカリ溶液中で数時間プラスチックをエッチングすると、上記した高速粒子による傷が優先的にエッチングされて、エッチピットとして現れる。これにより、高速粒子の発生状態を評価することができる。しかしながら、この構成では、リアルタイムで高速粒子の発生状態をモニタすることができない。
【０００８】
また、高速粒子に磁場を印加して、磁場によって曲げられた粒子の軌道から粒子のエネルギーを測定するトムソン・パラボラ型イオン分析器を用いる構成も考えられるが、内部に強力な磁石を有する装置であるため、操作性が悪いという問題がある。
【０００９】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、高速粒子の発生状態をモニタすることにより、効率良く高速粒子を発生させることが可能な高速粒子発生装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による高速粒子発生装置は、（１）所定強度のレーザ光を出力するレーザ光源と、（２）レーザ光を集光しつつ照射することによって高速粒子を発生・放出するターゲットと、（３）レーザ光源から出力されたレーザ光をターゲットへと集光させる集光光学系と、（４）レーザ光の照射に伴ってターゲットで発生した光を計測して計測信号を出力する光計測手段と、（５）光計測手段からの計測信号に基づいて、ターゲットでの高速粒子の発生状態についての解析を行う解析手段と、（６）解析手段での解析結果に基づいてレーザ光源、ターゲット、及び集光光学系の少なくとも１つを制御することによって、ターゲットでの高速粒子の発生状態を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
レーザ光源からの高強度レーザ光を集光しつつターゲットに照射すると、ターゲット材料がプラズマ化し、レーザ光とは異なる波長のプラズマ発光が生じる。このプラズマ発光は、レーザ光の集光状態及び高速粒子の発生状態に依存して強度や波長などが変化する。上記した高速粒子発生装置では、光計測手段によってこのようなターゲットからの光を計測している。これにより、高速粒子の発生状態、例えば発生量などをリアルタイムでモニタすることができる。そして、そのモニタ結果を利用して発生装置のフィードバック制御を行うことにより、安定的に効率良く高速粒子を発生させることが可能となる。
【００１２】
ここで、制御手段は、ターゲット、または集光光学系の移動を制御する移動機構であることが好ましい。このような構成によれば、ターゲットでの高速粒子の発生状態を好適にフィードバック制御することができる。また、集光光学系としては、軸外し放物面鏡を用いることが好ましい。
【００１３】
また、光計測手段は、ターゲットで発生した光を分光して計測する分光器を有する構成としても良い。これにより、ターゲットで発生した光の波長によるスペクトル強度を計測することができ、ターゲットでの高速粒子の発生状態を確実にモニタすることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による高速粒子発生装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１５】
図１は、本発明による高速粒子発生装置の一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。本実施形態による高速粒子発生装置は、電子、陽子、重陽子、あるいはそれ以外のイオンなどの高速粒子を発生させるものであり、レーザ光源１０と、集光光学系２０と、ターゲット３０とを備えている。また、ターゲット３０に対して、光計測装置４０と、解析装置５０とが設置されている。
【００１６】
レーザ光源１０は、高速粒子の発生に用いられる所定波長、所定強度のレーザ光Ｌ１を出力する光源装置である。このレーザ光Ｌ１としては、好ましくは、高ピークパワーの超短パルスレーザ光などのパルスレーザ光が用いられる。また、ターゲット３０は、高速粒子Ｐを発生させるためのものであり、発生させる粒子の種類などに応じて選択された所定材料によって形成される。また、このターゲット３０は、所定の真空度が保持された真空チャンバ６０内に設置される。
【００１７】
レーザ光源１０とターゲット３０との間には、集光光学系２０が設置されている。レーザ光源１０から出力されたレーザ光Ｌ１は、集光光学系２０によって集光されつつターゲット３０へと照射される。そして、このレーザ光Ｌ１の集光照射によってターゲット３０で高速粒子Ｐが発生し、外部へと放出される。また、このとき、レーザ光Ｌ１の照射に伴ってターゲット３０においてターゲット材料がプラズマ化し、レーザ光Ｌ１とは異なる波長のプラズマ発光Ｌ２が生じる。
【００１８】
このレーザ光Ｌ１の照射に伴うターゲット３０のプラズマ発光Ｌ２に対し、光計測装置４０と、解析装置５０とが設置されている。光計測装置４０は、プラズマ発光によってターゲット３０で発生した光Ｌ２を計測し、その計測結果を示す計測信号を出力する。また、光計測装置４０からの計測信号は、解析装置５０へと入力されている。
【００１９】
解析装置５０は、光計測装置４０から入力された計測信号に基づいて、ターゲット３０でのレーザ光Ｌ１の集光状態、及びそれによる高速粒子Ｐの発生状態についての解析を行う。具体的には、解析装置５０は、光計測装置４０で計測されたターゲット３０からの光Ｌ２の強度や波長スペクトルなどを評価し、その結果を用いて高速粒子Ｐの発生状態を評価する解析を行う。そして、その解析結果に応じて、ターゲット３０、及び集光光学系２０などの装置各部を制御することによって高速粒子Ｐの発生状態をフィードバック制御するための制御信号を出力する。
【００２０】
本実施形態においては、集光光学系２０、ターゲット３０に対して、それぞれ光学系移動機構２５、ターゲット移動機構３５が設置されている。また、移動機構２５、３５には、それぞれ解析装置５０からの制御信号が入力されている。光学系移動機構２５は、解析装置５０からの制御信号にしたがって集光光学系２０の位置の設定及び移動を制御する。また、ターゲット移動機構３５は、解析装置５０からの制御信号にしたがってターゲット３０の位置の設定及び移動を制御する。これにより、光計測装置４０によるモニタ結果に基づいて、ターゲット３０での高速粒子Ｐの発生状態がフィードバック制御される。
【００２１】
上記した実施形態による高速粒子発生装置の効果について説明する。
【００２２】
図１に示した高速粒子発生装置においては、レーザ光源１０からのレーザ光Ｌ１を集光しつつターゲット３０に照射することによって高速粒子Ｐを発生させると同時に、それに伴うプラズマ発光によってターゲット３０で発生した光Ｌ２を光計測装置４０によって計測している。
【００２３】
ここで、このようなプラズマ発光による光Ｌ２は、ターゲット３０へのレーザ光Ｌ１の集光状態、及び高速粒子Ｐの発生状態に依存して変化する。例えば、レーザ光Ｌ１のターゲット３０への集光密度が高ければ、生成されるプラズマ発光Ｌ２の強度は大きくなる。また、ターゲット３０で発生するプラズマのエネルギー状態に依存して、プラズマ発光Ｌ２の波長（色）が変化する。
【００２４】
したがって、このようなターゲット３０からの光Ｌ２を光計測装置４０で計測し、その発光強度や発光波長（発光色）をモニタすることにより、ターゲット３０での高速粒子Ｐの発生量などの発生状態をリアルタイムでモニタすることができる。そして、そのモニタ結果を利用し、解析装置５０、及び移動機構２５、３５を介して発生装置のフィードバック制御を行うことにより、安定的に効率良く高速粒子Ｐを発生させることが可能となる。
【００２５】
なお、この高速粒子Ｐの発生状態の具体的なフィードバック制御方法については、高速粒子発生装置の構成や用途に応じて様々な方法で行うことができる。例えば、高速粒子Ｐの強度が重要な場合には、より強いプラズマ発光が得られるようにフィードバック制御を行う。また、高速粒子Ｐのエネルギー分布等が重要な場合には、最適な発光スペクトルが得られるようにフィードバック制御を行う。
【００２６】
また、レーザ光源１０とターゲット３０との間に設置される集光光学系２０については、図１においてはターゲット３０とともに真空チャンバ６０内に配置しているが、この集光光学系２０については、その一部または全部を真空チャンバ６０外に設置しても良い。
【００２７】
図２は、図１に示した高速粒子発生装置の具体的な一実施例を示す構成図である。以下、本高速粒子発生装置の構成について、図１及び図２を参照しつつ説明する。
【００２８】
本実施例においては、高強度のレーザ光源１０としてＴｉ：サファイアレーザ１１を用い、Ｔｉ：サファイアレーザ１１から出力される波長８００ｎｍ、パルス幅５０ｆｓ、出力パワー１００ｍＪ、ピーク出力２ＴＷのパルスレーザ光を高速粒子発生用のレーザ光Ｌ１として用いている。また、ターゲット３０として、所定のターゲット材料からなるターゲットフィルム３１が真空チャンバ６０内に設置されている。ターゲット材料としては、例えばアルミニウム膜、ＣＨ膜（例えば、厚さ１．５〜２０μｍ）などが用いられる。このターゲットフィルム３１は、ターゲットホルダ３２によって保持されている。
【００２９】
また、レーザ光Ｌ１を集光する集光光学系２０として、例えば、真空度１×１０−６Ｔｏｒｒ（１．３３×１０−４Ｐａ）以下に真空排気された真空チャンバ６０内の所定位置に軸外し放物面鏡２１が設置されている。このように軸外し放物面鏡２１を用いることにより、レーザ光Ｌ１をターゲットフィルム３１上の所定位置へと好適に集光することができる。このとき、例えば、１×１０１８Ｗ／ｃｍ２の集光密度が得られる。また、真空チャンバ６０外に配置されているＴｉ：サファイアレーザ１１と軸外し放物面鏡２１との間にある真空チャンバ６０の外壁部分は、レーザ光Ｌ１を透過するガラス窓６１となっている。
【００３０】
レーザ１１から出力されたレーザ光Ｌ１は、ガラス窓６１を透過して真空チャンバ６０内へと入射し、軸外し放物面鏡２１によって反射される。そして、軸外し放物面鏡２１で反射されたレーザ光Ｌ１が集光されつつターゲットフィルム３１へと照射されることにより、高速粒子Ｐが発生してターゲットフィルム３１から放出される。ここで、レーザ１１からの高強度レーザ光を空気中で集光した場合、空気がプラズマ化されてしまうため高い集光密度を得ることができないが、上記のようにターゲットフィルム３１が真空チャンバ６０内に配置されていればこのような問題は生じない。
【００３１】
レーザ光Ｌ１の集光照射に伴ってターゲットフィルム３１で発生したプラズマ発光Ｌ２は、真空チャンバ６０内で広がって放出される。これに対して、真空チャンバ６０の外壁の所定位置に、プラズマ発光Ｌ２を透過するガラス窓６２が設けられている。また、真空チャンバ６０の外部には、プラズマ発光Ｌ２を計測する光計測装置４０として、光入力用の光ファイバ４２を有する分光計測装置４１が設置されている。
【００３２】
ターゲットフィルム３１で発生したプラズマ発光Ｌ２の一部は、ガラス窓６２を透過して真空チャンバ６０の外部へと出射される。そして、出射された光Ｌ２は、集光レンズ６３によって光ファイバ４２の入力端へと集光され、光ファイバ４２を介して分光計測装置４１に入力される。
【００３３】
分光計測装置４１は、光を分光するプリズムや回折格子などの分光素子と、分光された光成分を検出する光検出器とを有する分光器であり、光ファイバ４２を介して入力されたプラズマ発光Ｌ２の波長によるスペクトル強度を計測して計測信号を出力する。このような分光器を用いることにより、ターゲットでの高速粒子の発生状態を確実にモニタすることができる。この分光計測装置４１からの計測信号は、高速粒子Ｐの発生状態について解析する解析装置５０であるパーソナルコンピュータ（ＰＣ）５１へと入力されている。
【００３４】
本実施形態においては、軸外し放物面鏡２１に対する光学系移動機構２５として、電動傾きステージ２６が設けられている。傾きステージ２６は、レーザ光Ｌ１の光軸に対する軸外し放物面鏡２１の傾きを制御することによって、ターゲットフィルム３１に対するパルスレーザ光Ｌ１の集光状態を制御する。また、ターゲットホルダ３２によって保持されたターゲットフィルム３１に対するターゲット移動機構３５として、電動ＸＹＺステージ３６及び駆動モータ３７が設けられている。なお、駆動モータ３７は、図２に示すように真空チャンバ６０外に配置されている。
【００３５】
図３は、図２に示した高速粒子発生装置に用いられるターゲット移動機構の具体的な構成を示す斜視図である。ターゲットフィルム３１及びターゲットホルダ３２は、支持部３２ａを介してＸＹＺステージ３６上に固定されている。また、ターゲットホルダ３２は中空ベアリングを有し、ベルト３９を介して回転可能となっている。ＸＹＺステージ３６は、そのＸ方向、Ｙ方向（水平方向）、及びＺ方向（垂直方向）の位置を制御することによって、レーザ光Ｌ１に対するターゲットフィルム３１の位置の設定及び移動を制御する。また、駆動モータ３７は、回転軸３７ａによって駆動モータ３７（図２参照）に接続された回転リング３８を回転させることにより、ベルト３９を介してターゲットホルダ３２及びターゲットフィルム３１を回転する。
【００３６】
ＰＣ５１は、分光計測装置４１からの計測信号に基づいて、ターゲットフィルム３１での高速粒子Ｐの発生状態について解析し、その解析結果に応じた制御信号を出力する。傾きステージ２６は、ＰＣ５１から入力された制御信号にしたがって軸外し放物面鏡２１の移動を機械的に制御する。また、ＸＹＺステージ３６、及び駆動モータ３７は、ＰＣ５１から入力された制御信号にしたがってターゲットホルダ３２及びターゲットフィルム３１の移動を機械的に制御する。これにより、ターゲットフィルム３１での高速粒子Ｐの発生状態がフィードバック制御される。
【００３７】
本発明による高速粒子発生装置は、上記した実施形態及び実施例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、レーザ光源１０からターゲット３０へとレーザ光Ｌ１を導く集光光学系２０としては、軸外し放物面鏡以外にも集光レンズなどを用いても良く、あるいは複数の光学素子を組み合わせて用いても良い。
【００３８】
また、ターゲット３０での高速粒子Ｐの発生状態をフィードバック制御するための制御手段については、図１では、集光光学系２０に対する光学系移動機構２５と、ターゲット３０に対するターゲット移動機構３５とを備える構成を示している。これにより、ターゲット３０へのレーザ光Ｌ１の集光状態を容易に制御することができる。ただし、これらの制御手段については、機械的な移動機構に限らず他の制御手段を用いても良い。
【００３９】
また、このような制御手段については、レーザ光源１０に対してレーザ光Ｌ１の出力条件を制御する制御手段を設けてフィードバック制御を行う構成としても良い。一般には、レーザ光源、ターゲット、及び集光光学系の少なくとも１つを制御する制御手段を設けることにより、光計測装置４０及び解析装置５０と併せて、ターゲットでの高速粒子の発生状態のフィードバック制御を実現することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明による高速粒子発生装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、レーザ光源からのレーザ光を集光光学系によって集光しつつターゲットに照射することにより高速粒子を発生させるとともに、レーザ光の集光照射に伴うターゲットからの発光を光計測手段で計測する構成によれば、高速粒子の発生量などの発生状態をリアルタイムでモニタすることができる。そして、そのモニタ結果を解析手段で解析して発生装置のフィードバック制御を行うことにより、安定的に効率良く高速粒子を発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高速粒子発生装置の一実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】図１に示した高速粒子発生装置の具体的な一実施例を示す構成図である。
【図３】図２に示した高速粒子発生装置に用いられるターゲット移動機構の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…レーザ光源、１１…Ｔｉ：サファイアレーザ、２０…集光光学系、２１…軸外し放物面鏡、２５…光学系移動機構、２６…傾きステージ、３０…ターゲット、３１…ターゲットフィルム、３２…ターゲットホルダ、３２ａ…支持部、３５…ターゲット移動機構、３６…ＸＹＺステージ、３７…駆動モータ、３７ａ…回転軸、３８…回転リング、３９…ベルト、４０…光計測装置、４１…分光計測装置、４２…光ファイバ、５０…解析装置、５１…パーソナルコンピュータ、６０…真空チャンバ、６１、６２…ガラス窓、６３…集光レンズ。
【図１】
2004325198.tif 000003
【図２】
2004325198.tif 000004
【図３】
2004325198.tif 000005