(57)【要約】 【課題】  低強度レーザ光を用いて硬Ｘ線を発生すること。【解決手段】  容器３内の真空室２に、メタノールまたは水などの液滴４を滴下し、この液滴４をターゲットとして、１×１０１４〜１×１０１７Ｗ／ｃｍ２のパルス状レーザ光６を照射する。レーザ光のパルス幅５×１０−１５〜１００×１０−１２secであり、レーザ光の波長０．５〜１１μｍであり、液滴４の直径０．５〜５０μｍφである。真空室２は１０−３×１０−５Torrである。レーザ光は液滴内で全反射し、５０〜２００ｋｅＶの高速電子を有するプラズマを形成し、０．１ＭｅＶ〜１ＧｅＶの指向性を有する硬Ｘ線が発生される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１×１０１４〜１〜１０１７Ｗ／ｃｍ２のパルス状レーザ光を、液滴に照射して、そのレーザ光を液滴内で全反射させてプラズマを形成することによって、硬Ｘ線を発生する方法。
【請求項２】
低圧力の真空室を形成する容器と、
液滴を真空室内に供給する液滴供給源と、
レーザ源であって、１×１０１４〜１×１０１７Ｗ／ｃｍ２のパルス状レーザ光を、真空室内で液滴に照射し、これによってレーザ光が液滴内で全反射してプラズマを形成し、硬Ｘ線を発生させるレーザ源とを含むことを特徴とする硬Ｘ線発生装置。
【請求項３】
レーザ源は、レーザ光を、波長０．５〜１１μｍ、およびパルス幅５×１０−１５〜１００×１０−１２secで発生することを特徴とする請求項２記載の硬Ｘ線発生装置。
【請求項４】
液滴供給源は、メタノール、水、アセトン、クロロホルム、ヨウ化メチル、四塩化鉛、および水溶性染料のグループから選ばれた１または複数から成る液滴を供給することを特徴とする請求項２または３記載の硬Ｘ線発生装置。
【請求項５】
液滴供給源は、直径０．５〜５０μｍφの球状液滴を供給することを特徴とする請求項２〜４のうちの１つに記載の硬Ｘ線発生装置。
【請求項６】
真空室の圧力は、１０−３〜１０−５Torrであることを特徴とする請求項２〜５のうちの１つに記載の硬Ｘ線発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス状の高輝度の硬いＸ線（硬Ｘ線と略称することがある）またはγ線を発生して被検査体の診断などを行うことができる方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、放射線撮影装置は医療用放射線撮影、工業用非破壊放射線撮影等の分野で使用されている。これらの撮影装置では、Ｘ線の光源として電子を金属ターゲットに照射して発生する制動Ｘ線もしくは特性Ｘ線が用いられている。これらのＸ線の輝度は低く、厚さ１ｃｍの金属部品の内部観察には１０分から１時間程度の長い露光時間が必要である。そのため、たとえば自動車の生産ラインや電化製品の製造ライン内で数秒から１回の露光もしくは数回以内での検査は不可能である。従来のＸ線管から発生するＸ線は金属の内部構造を観察できる波長であるが、輝度が低いために数ｃｍ厚さの物質を観察するのに数十分以上の露光時間を必要とする。これは実用的ではない。
【０００３】
高輝度のＸ線光源としてのシンクロトロン放射光がある。この装置は大型設備であり、建物自体にも規制があり、工場のラインでの使用は到底、不可能である。上記Ｘ線光源は、その光源サイズが大きく、得られる像の空間分解能が悪い。
【０００４】
さらに他の先行技術として、レーザプラズマ軟Ｘ線を用いたＸ線顕微鏡装置もしくは評価装置が提案されている（特開平７−１２８５００、特開平８−３０４３１１）。これらの先行技術の装置は、１０8Ｗ／ｃｍ2から１０13Ｗ／ｃｍ2までのレーザ光の照射強度で発生したせいぜい１０〜２０ｋｅＶ未満の軟Ｘ線を用いており、波長が比較的長く、輝度は不充分である。このような先行技術では、レーザ光がターゲット材料に照射されることによって、プラズマが発生し、熱的に電子が動くことによって、Ｘ線が発生される。このようなＸ線は、指向性を持たず、したがって単位面積当りのＸ線の強度を高めることができず、上述のように輝度が不充分である。レーザプラズマ軟Ｘ線では、波長１ｎｍ以上の軟Ｘ線が主体である。そのため、Ｘ線の透過力が弱く、サブミリ以下の薄い高分子材料および生体等しか観察することができないので、利用範囲が小さい。
【０００５】
この問題を解決するために、本件出願人は特開２０００−３１４８００（特願平１１−１２３００５）および特開２０００−３４８８９５（特願平１１−１５４２８３）を提案した。これらの先行技術は、１０１８〜１０２２Ｗ／ｃｍ２のパルス状レーザ光を、固体のターゲット材料、たとえば金属、合成樹脂、１８Ｋ未満の極低温状態の水素Ｈなどに照射し、これによって指向性を有する硬Ｘ線またはγ線を発生する構成を開示する。これらの先行技術の新たな問題は、高強度を有するレーザ光を必要とすることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、低強度を有するレーザ光を用いて硬Ｘ線を発生するための方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、１×１０１４〜１〜１０１７Ｗ／ｃｍ２のパルス状レーザ光を、液滴に照射して、そのレーザ光を液滴内で全反射させてプラズマを形成することによって、硬Ｘ線を発生する方法である。
【０００８】
また本発明は、低圧力の真空室を形成する容器と、
液滴を真空室内に供給する液滴供給源と、
レーザ源であって、１×１０１４〜１×１０１７Ｗ／ｃｍ２のパルス状レーザ光を、真空室内で液滴に照射し、これによってレーザ光が液滴内で全反射してプラズマを形成し、硬Ｘ線を発生させるレーザ源とを含むことを特徴とする硬Ｘ線発生装置である。
【０００９】
本発明に従えば、前述の先行技術に比べてたとえば１０−１〜１０−４倍の低強度を有するパルス状レーザ光を用いて、たとえば０．１ＭｅＶ〜１ＧｅＶの指向性を有する硬Ｘ線またはγ線を発生することができる。
【００１０】
パルス幅の短いレーザ光からの強い光にさらされた材質は、イオン化しプラズマとなる。この状態は、室温に比べてはるかに高い温度で、荷電粒子から構成される。温度の高い状態では、プラズマの様々なメカニズムにより、光は吸収され、電子の温度を上げる。このようにしてエネルギを得た電子のことを「高速電子」と呼ぶ。こうした高速電子は、プラズマ中に存在する場合、エネルギを他のプラズマ構成物質に与えるか、プラズマ中から飛び出して電子のパルスとなる。プラズマ中で、エネルギを与える場合は、高速電子は連続な波長のＸ線を放射する。高速電子のエネルギが充分高い場合、こうした放射は、硬Ｘ線もしくはγ線となる。
【００１１】
したがって、こうしたプラズマは、硬Ｘ線やγ線源として使うことができる。先行技術における課題は、（１）高速電子を出すためには、高い強度を持つレーザ光が必要なこと、（２）ターゲット材料は、レーザ光の照射によって削れていき、そのゴミが周囲の機器に悪い影響を与えること、（３）しばしば内部・外部から装置を設定し直すことなく、連続で運転する能力がないこと、（４）実際の応用に使うために線源の繰返し率が低いこと、などが挙げられる。本発明は、上述の課題（１）〜（４）の全てを解決する。本発明では、ゴミの問題が全く生じない液滴をたとえば連続的に落とし、常に新しい液滴がレーザ光に当たるようにする。液滴は、高い繰返し率で落とし、レーザ光のパルス繰返し率に対応して供給することができる。本発明の最も重要な効果は、超短パルスレーザ光の強度が、従来の線源を達成するのに必要なレーザ光から比べてたとえば１０００倍以上も低いものですむことである。
【００１２】
レーザ光の強度は、１×１０１４〜１×１０１７Ｗ／ｃｍ２であり、このパルス状レーザ光が液滴に照射されることによって、液滴内でプラズマが発生され、１〜１０４ｋｅＶの高速電子を有するプラズマが形成され、この高速電子は、たとえば５０〜２００ｋｅＶであってもよい。
【００１３】
液滴の中で、何度も散乱を繰返すことにより実効的強度を増す物理の法則を用いる。これは、光のフィードバックにより、液滴内部に光を閉じこめることを用いる。この法則に従う光の挙動は、外部から与えられた場に比べて内部の電界が増強される共鳴キャビティに似ている。キャビティに蓄えられたパワーの指標としてキャビティのＱファクタを定義する。Ｑが大きくなればなるほど、蓄えられるエネルギは大きくなり、キャビティ内の内部のレーザ光の強度は、増加する。１Ｗ（ワット）の光パワーが外部から液滴に加えられた場合、高いＱを持つ液滴キャビティ内では、光強度は１００Ｗもしくは１０００Ｗ以上にも達する。どのくらい強度が増加するかは、液滴の形状、サイズ、成分などに依存する。本発明では、入射レーザ光の強度を低く設定し、液滴に照射する効果で、局部的に光の内部像倍を行い、強度を増加させることができる。
【００１４】
本発明に従えば、必要なレーザ光の強度は、従来の方法に比べて１００００倍以上小さくてすむ。こうした強度では、レーザ光を発生する装置は、充分な高い繰返し率が可能である。つまり、数ｋＨｚの繰返し率を実現することができる。これは、従来の線源で使用していたレーザ光から比べて少なくとも１００倍の繰返しに対応する。
【００１５】
また本発明は、レーザ源は、レーザ光を、波長０．５〜１１μｍ、およびパルス幅５×１０−１５〜１００×１０−１２secで発生することを特徴とする。
【００１６】
レーザ源から発生されるレーザ光の波長は、前述のように０．５〜１１μｍであり、好ましくは０．５〜１．１μｍであり、さらに好ましくは０．７８〜０．８２μｍである。レーザ光のパルス幅は、前述のように５×１０−１５〜１０×１０−１２secであり、好ましくは３０×１０−１５〜１５０×１０−１５secであり、さらに好ましくは１００×１０−１５secである。
【００１７】
このレーザ光の強度は、前述のように１×１０１４〜１×１０１７Ｗ／ｃｍ２であるが、好ましくは５×１０１４〜１×１０１６Ｗ／ｃｍ２である。このような前述の先行技術に比べて低い強度のレーザ光は、液滴内に入射されて全反射され、これによって高強度のレーザ光となる。この高強度のレーザ光は、その光の圧力が大きいので、レーザ光の圧力によって、ターゲット材料である液滴の電子が加速され、相対性理論の領域での現象が生じる。電子が加速されることによって、電子の軌道が変わり、これによって指向性を持った硬いＸ線またはγ線がターゲット材料から発生される。
【００１８】
レーザ光は、パルス状であり、したがって高強度のレーザ光を発生することが比較的容易に可能である。このようなパルス状レーザ光は、レーザ源から、たとえば約０．０００３（＝１／３６００）〜１０Ｈｚまたはそれ以上の繰返しレートで発生することができる。
【００１９】
１回もしくは数回以内の露光時間で数ｃｍ厚さの物質を観察するためには、波長１ｎｍ以下の短波長で輝度が高い硬Ｘ線またはγ線を発生させる必要がある。これを実現するために、パルス幅がフェムト秒からピコ秒、エネルギがサブジュールから数百ｋジュールの高強度レーザ装置からのレーザ光を、ターゲット材料となる液滴に、集光照射し、高密度で高温のプラズマを生成する。集光スポット径は、１〜５０μｍを用い、このスポット径は、得られる像の空間分解能力を決定する。これより波長１Å以下の短波長で輝度が高い硬Ｘ線またはγ線を発生させる。これを光源とすることにより、１回もしくは数回以内の露光で数ｃｍ厚さの物質を観察することが実現される。
【００２０】
本発明に従えば、被検査体として、厚さが数μｍから数ｃｍにわたる金属、合成樹脂、セラミックス、高分子、生体の内部構造、内部組織を、フェムト秒からナノ秒の短時間で観察できる、広い分野の材料解析、欠陥検査、医療診断等に使用できる装置が実現される。
【００２１】
レーザ源からのレーザ光が、ターゲット材料に照射される空間は、容器内の真空室であり、したがってレーザ光が気体またはその他の物質に照射されてレーザ光の強度が減衰されたり、不所望な硬Ｘ線またはγ線が発生するなどの問題は生じない。
【００２２】
また本発明は、液滴供給源は、メタノール、水、アセトン、クロロホルム、ヨウ化メチル、四塩化鉛、および水溶性染料のグループから選ばれた１または複数から成る液滴を供給することを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、液滴供給源は、直径０．５〜５０μｍφの球状液滴を供給することを特徴とする。
【００２４】
また本発明は、真空室の圧力は、１０−３〜１０−５Torrであることを特徴とする。
液滴は、メタノールまたは水であってもよい。
【００２５】
液滴の直径は、前述のように０．５〜５０μｍφであり、好ましくは１０〜３０μｍφである。真空室の圧力は、前述の値よりもさらに低くてもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、比較的低強度のパルス状レーザ光を用いて、高輝度で、短波長の硬Ｘ線またはγ線を発生することができ、したがって硬Ｘ線またはγ線の透過力が大きく、各種の被検査体の硬Ｘ線またはγ線の透過像を得ることができ、非破壊検査を容易に行うことができるようになる。ここで発生する硬Ｘ線またはγ線は、指向性を有するので、単位面積当りの強度を高くし、このことによってもまた、被検査体の透過力を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は本発明の実施の一形態の硬Ｘ線発生装置１の全体の構成を示すブロック図であり、図２は硬Ｘ線発生装置１の一部の簡略化した斜視図である。この硬Ｘ線発生装置１は基本的に、低圧力の真空室２を形成する容器３と、真空室２内に液滴４を供給する液滴供給源５と、真空室２内で液滴４にレーザ光６を照射するレーザ源７とを含む。容器３には真空ポンプ８が接続され、真空室２を低圧力、たとえば１０−３〜１０−５Torrに保つ。液滴４にパルス状レーザ光６が照射されることによって、硬Ｘ線９またはγ線が発生され、Ｘ線診断装置１１に導かれる。容器２には、透過窓１２が設けられ、この透過窓１２は、硬Ｘ線９およびγ線の減衰率が小さい材料、たとえばアルミニウムまたはベリリウムなどの金属材料などから成り、発生された硬Ｘ線が透過し、Ｘ線診断装置１１に導かれる。
【００２８】
Ｘ線診断装置１１では、透過窓１２を透過した硬Ｘ線９が被検査体１３に照射され、その透過像は、検出手段１４によって検出される。検出手段１４は、被検査体１３の硬Ｘ線の透過像を、２次元検出面で検出し、たとえば写真フィルムであってもよく、または硬Ｘ線の強度に対応した発光強度で発光する発光板と、その発光板の光を受光して２次元検出面で発光画像を検出する撮像手段、たとえばＣＣＤ（電荷結合素子）を含む撮像手段とを含んで構成されてもよい。さらにこうして得られる硬Ｘ線は、Ｘ線応用機器１５で各種の用途に用いられてもよい。
【００２９】
レーザ源７は、パルス状レーザ光を発生する装置１７と、そのレーザ光を集光する集光レンズ１８とを含む。容器３には、レーザ光６のビーム出口筒３４が設けられる。
【００３０】
容器３の真空室２には、落下する各液滴４にレーザ光６が照射されるターゲット領域２１に臨んで、光学系２２が配置される。この光学系２２を含む液滴検出手段２３では、光学系２２の働きによって、ターゲット領域２１を下方に通過する液滴４を、ＣＣＤなどによって実現される液滴検出手段２３の検出面上に結像する。光学系２２は、たとえば顕微鏡対物レンズなどによって実現することができる。
【００３１】
図３は、硬Ｘ線発生装置１の電気的構成を示すブロック図である。液滴検出手段２３の出力は、マイクロコンピュータなどによって実現される処理回路２４に与えられ、これによって処理回路２４は、液滴供給源５およびレーザ源７の動作を制御し、ターゲット領域２１で落下している液滴に、パルス状レーザ光６を照射する。レーザ光６のターゲット領域２１におけるビーム径は、液滴４の直径以上であり、そのためレーザ光６が液滴４に確実に照射される。
【００３２】
図４は硬Ｘ線発生装置１の簡略化した縦断面図であり、図５は図４に示される硬Ｘ線発生装置１の簡略化した水平断面図である。容器３の真空室２を低圧力にするための真空ポンプ８は、ターボ分子ポンプ２６と、ターボポンプ２７と、低温冷却するクライオポンプ２８などとを含む。
【００３３】
ターゲット領域２１の直下方には、上方に開口した鉛直軸線を有する筒体３１が真空室２に臨んで配置される。この筒体３１の上端部は、ミリメートルのオーダの受入れ口３０を有し、液滴を受けることができる。筒体３１の下部には、前述のターボポンプ２７が接続され、またリペラプレートシステム３２およびＭＣＰ／チャネルトロン検出器システム３３が接続される。
【００３４】
図６は液滴供給源５の簡略化した断面図であり、図７は液滴供給源５の一部の具体的な構成を示す断面図である。ノズルであるガラスなどから成るキャピラリ３６は、支持部材３７を気密に挿通し、このキャピラリ３６のノズル孔３８は、容器３の真空室２に臨む。容器３と支持部材３７との間には、可撓性を有する蛇腹３９が連結され、これによってキャピラリ３６の軸線４１のほぼ鉛直方向と、その鉛直方向に対して傾斜する揺動角変位とが、真空室２の気密性を保ったままで可能となる。蛇腹３９は、その全体の形状が筒状であり、蛇腹３９の軸線がキャピラリ３６の軸線４１にほぼ一致して揺動角変位し、また上下に昇降伸縮することができる。
【００３５】
容器３の上部には、円弧状の案内レール４３が固定される。支持部材３７の上部は、案内部材４４に連結され、この案内部材４４は、案内レール４３に沿って図７の左右に移動して調整することができる。案内レール４３の円弧状の案内軸線４５は、キャピラリ３６の軸線４１を含む鉛直な図７の紙面内で、ノズル孔３８の先端位置を中心とする円の一部を成す。キャピラリ３６、したがってノズル孔３８は、そのほかの運動をすることができるように、設けられてもよい。
【００３６】
容器３には、駆動源４７が固定される。この駆動源４７は、キャピラリ３６を揺動角変位する。駆動源４７は、ピエゾ結晶などの圧電素子によって実現されてもよい。駆動源４７には、交流電源４８から、ＭＨｚオーダの高周波電力が供給されて、キャピラリ３６が角変位振動される。この交流電源４８の周波数、振幅などは、前述の図３の処理回路２４によって制御される。
【００３７】
キャピラリ３６の上端部は、可撓管５１を介してその上方のタンク５２に接続される。タンク５２には、液滴４のための液体５３が貯留され、供給管５４から補充される。交流電源４８は、たとえば１ＭＨｚの周波数を有してもよく、駆動源４７によってキャピラリ３６のノズル孔３８は、たとえば１μsecの時間に２０μｍの変位量となる速度で振動されてもよい。これによって液滴は、直径０．５〜５０μｍφの球状で、ノズル孔３８から落下される。
【００３８】
図８は、キャピラリ３６を駆動源４７によって振動するときにおける球状液滴４が製造される状態を示す断面図である。キャピラリ３６のノズル孔３８の内径はＤ０であり、駆動源４７によるキャピラリ３６の振動によって、液体４ａには、交流電源４８の周波数、振幅に対応する上下の距離λ１をあけて直径Ｄｉのくびれ部４ｂが形成され、ノズル孔３８から下方に距離Ｌをあけて下方では、参照符４ｃで示されるように上下に細長い液滴となり、さらに落下することによって、参照符４の球状となる。この液滴４の直径は、Ｄｐで示される。液滴４の直径Ｄｐは、前述のように０．５〜５０μｍφであり、たとえば１０〜３０μｍφであってもよく、さらに１０〜２０μｍφであってもよい。
【００３９】
図９は、本件発明者の実験による駆動源４７を駆動する交流電源４８の周波数と、製造される液滴４の直径Ｄｐとの関係を示すグラフである。交流電源４８の周波数を高くするにつれて、液滴４の直径Ｄｐが小さくなるように変化する。したがって液滴４の直径Ｄｐを適切に選ぶことによって、レーザ光６を照射したとき、液滴４内でプラズマが発生し、硬Ｘ線が効率よく発生するように、調整して設定することができることが判る。たとえばこの周波数は、７００〜１０００ｋＨｚの範囲で、選ばれてもよい。
【００４０】
本発明を、本件発明者の実験に関連して、述べる。本件発明者のひとつの実験によれば、液滴がメタノールから成り、粒径１５μｍφを有し、この液滴は、フェムト秒ｆｓ（１０−１５sec）オーダのパルス状レーザ光を、効率よく吸収し、そのレーザ光のエネルギ８×１０１４Ｗ／ｃｍ２で、高速電子温度３６ｋｅＶが得られた。エネルギ５０〜２００ｋｅＶのＸ線は、メタノールから成る粒径１５μｍφの液滴に、強度が３×１０１５Ｗ／ｃｍ２を有しパルス幅１００ｆｓであるパルス状レーザ光を照射して得られる。この液滴がターゲットである場合、高速電子温度は３６ｋｅＶにもなる。比較のために述べると、固体合成樹脂材料をターゲットとした場合、同様な高速電子温度を得るには３倍以上の強度のレーザ光を必要とする。液滴から発生されるＸ線は、同一強度のレーザ光で固体合成樹脂から発生されるＸ線強度の少なくとも２桁以上大きい。レーザ光の強度３×１０１５Ｗ／ｃｍ２以下の強度で、液滴から、Ｘ線が５０〜２００ｋｅＶで得られたが、合成樹脂をターゲットとしたとき、発生されるＸ線を検出することはできないほど小さかった。
【００４１】
ターゲットである液滴４は、１０μｍキャピラリ（前述の図７参照）からメタノールを押し出すことによって発生され、このキャピラリ３６は、ピエゾ結晶である圧電素子から成る駆動源４７を用いて１ＭＨｚで駆動される。液滴４の大きさは、一様である。液滴にピコ秒ストローブ光を照射し、ＣＣＤ（電荷結合素子）２３を有するカメラで２０倍の顕微鏡対物レンズから成る光学系２２（前述の図２参照）を用い、液滴の像を捕らえ、構造依存共振（morphological dependent resonances（略称ＭＤＲ））を観察する。
【００４２】
図１０（ａ）は、１５μｍφのメタノール液滴４のＸ線発生スペクトラムを示すとともに、さらに参考のために用いられた２５μｍのスリットの像と、液滴４を示し、レーザ光の強度７×１０１４Ｗ／ｃｍ２である。ＭＤＲ測定において、液滴は蛍光染料を含んで落下され、その蛍光スペクトラムは、入射光に直角な方向で測定される。液滴の微小キャビティ内の光は、全反射し、或るモードのみが、そのキャビティの構造、したがって液滴の正確な大きさに依存する。
【００４３】
容器３の真空室２には、液滴４が噴射され、その真空室２は、２０００Ｌ／ｓターボ分子ポンプで真空引きされ、クライオポンプ２８で低圧力１０−５Torrに保たれる。１００ｆｓパルス状レーザ光は、集光レンズ１８によって１０１５Ｗ／ｃｍ２を達成する。
【００４４】
この図１０（ａ）における実線は、プラズマ中の電子がマクスウェル分布である仮定したときに、近似される指数関数を示す。すなわち図１０（ａ）は、１５μｍメタノール液滴が８×１０１４Ｗ／ｃｍ２で照射されたときにおけるＸ線発生強度を示す図である。実線は３７ｋｅＶ温度の電子がマクスウェル分布をしたものと仮定したときのデータの最小２乗法近似を示す。嵌込み写真は液滴の流れの画像であり、液滴のサイズを決定するために正確な２０μｍスリットの画像を示す。エネルギを５０ｋｅＶ以上とし、透過窓１２の材料であるガラスまたはアルミニウムの透過による修正を無視することができる。
【００４５】
これに対して図１０（ｂ）は、固体合成樹脂ターゲットのＸ線発生スペクトラムを示し、Ｘ線強度２×１０１５Ｗ／ｃｍ２である。高速電子温度３１ｋｅＶを示す。すなわち図１０（ｂ）は、固体合成樹脂ターゲットに、同様なパルス状レーザ光を、２．５×１０１５Ｗ／ｃｍ２で、ｐ偏光された光を垂直に対して入射角θ＝４５°で照射したときにおけるＸ線放射強度を示す図である。実線は、３１ｋｅＶ温度の電子がマクスウェル分布をすると仮定したときのデータの最小２乗法近似を示す。これに対して図１０（ａ）の液滴では、高速電子温度３６ｋｅＶである。図１０（ｂ）の固体ターゲットを用いる先行技術では、本発明に比べて、レーザ強度は、２×１０１５［Ｗ／ｃｍ２］／１×１０１４［Ｗ／ｃｍ２］≒３倍必要であることが判る。すなわち本発明では、必要とするパルス状レーザ光の強度は、先行技術に比べて低くてすむ。
【００４６】
図１１（ａ）は、液滴プラズマと固体合成樹脂ターゲットとによって得られるＸ線強度を示し、パルス状レーザ光の強度２．８×１０１５Ｗ／ｃｍ２である。この強度では、液滴プラズマは、固体合成樹脂プラズマに比べてＸ線は２５０倍大きい。実験では、液滴噴射の数μｍの空間ジッタにかかわらず、レーザ光の焦点の中心付近に液滴を維持するために、焦点サイズ３０μｍに保ち、焦点サイズは、液滴サイズよりも大きい。
【００４７】
図１１（ｂ）は、液滴と固体ターゲットに照射される入射エネルギの関数であるＸ線強度を示す。すなわち図１１は、１５μｍメタノール液滴ターゲット（黒丸で示す）と固体合成樹脂ターゲット（白抜き四角で示す）の入射強度とパルスエネルギの関数として硬Ｘ線発生強度を示す図である。液滴は、３０μｍ焦点スポットよりも小さく、レーザ光と衝突し、液滴には、入射されるレーザ光の１１％の入射パワーが硬Ｘ線発生のために用いられる。図１１における液滴と固体の各データは同一数のレーザ照射で平均化され、検出の立体角を修正してある。液滴からのＸ線発生は、固体ターゲットに比べてきわめて効率がよいことが判る。
【００４８】
液滴は、球状キャビティであり、液滴の中心から極に至るにつれて、入射光の入射角θは０°〜９０°変化し、偏光は、ｓからｐに変化する。そのため平坦な固体ターゲットに比べて大きく異なり、光を散乱させる。液滴キャビティ内に入り込み、球状表面から散乱するフィールドは、平坦な固体ターゲットから散乱、反射する光とは異なり、これによってレーザエネルギがプラズマを生成させる。液滴は、その液滴内に入り込んだ光を集束する。球状キャビティは、Ｑファクタを、１０６にも大きく保つ。そのため、入射強度は、液滴表面で２桁以上、増大される。
【００４９】
図１２は、液滴４内へのパルス状レーザ光の入射強度に対して液滴４内での強度分布が相対的に高められる状態を示す本件発明者による計算結果を示す図である。すなわち図１２は、液滴キャビティ内で、入射する絶対値２乗法電界に対する内部の演算した比を示し、Lorentz−Mie理論を用いて液滴に入射する平面波に関して演算したものである。矢印はレーザ進行方向を示す。図１２では、レーザ光入射の前後の両方向に沿って明るい集光スポットが示され、レーザ光の入射エネルギＥ０に対する液滴４内のエネルギＥの各２乗の比｜Ｅ｜２／｜Ｅ０｜２が１を超える領域が存在することが判る。したがって液滴の小さい領域に光が集束することは、キャビティ内に進行する場の発展的な相互作用に起因する。キャビティ内の光の集束は、キャビティの大きさと入射光の波長との関数である。本件発明者によれば、強度の増大は、液滴の表面付近で約６０倍である。
【００５０】
液滴内の光の集束と強度の向上によって、ナノ次元の臨界密度プラズマ“ホットスポット”が得られ、１０１２Ｗ／ｃｍ２の強度であっても、集光された領域から硬Ｘ線が放射されることになる。１０１４Ｗ／ｃｍ２の強度では、集光効果によってエネルギ密度は３×１０３Ｊ／ｃｍ３にもなり、入射エネルギの９５％まで吸収され、効率よくプラズマを生成するのに役立つ。１０１２Ｗ／ｃｍ２以上の強度では、ナノ次元ホットスポットは、臨界密度で、数が増大し、液滴表面に散圧する。集束されたスポットのエネルギ密度は高められ、入射エネルギが１０１２Ｗ／ｃｍ２であっても、臨界密度でプラズマを生成させ、そのパルス状レーザ光の残余のエネルギは、プラズマホットスポットの電子を加熱する。したがってホットスポットの表面を形成するプラズマ表皮部は、レーザエネルギをさらに吸収し、高速電子温度の向上に役立つ。共鳴吸収のような衝突のないメカニズムが、液滴の表面の領域で、高い強度で生じる。したがって光を反射する臨界密度層とは異なり、臨界密度ホットスポットによって、電子の効果的な加熱が達成される。
球状液滴４の表面から散乱されるＸ線は、リプルがあり、一様ではない。
【００５１】
図１３は、液滴４の表面に分散した場の本件発明者によるLorentz−Mie演算結果を示す。すなわち図１３は、球状液滴から拡散される硬Ｘ線強度の角度プロットを示す。太線は１５μｍ液滴の角度分散プロットであり、細線は１μｍ液滴のものである。矢印はレーザ進行方向を示す。入射方向（０°）とその逆方向（１８０°）に沿って分散された場は、垂直方向に比べて大変大きい。液滴表面の一様でない場は、液滴表面での真空加熱に大いに効果的である。この一様でない場の表面によって、レーザエネルギは、プラズマを拡大させるだけでなく、その垂直方向に沿って振動する電子と効率よく結合する。これによってレーザエネルギは液滴プラズマに効率よく結合される。
【００５２】
図１３はまた、１μｍおよび１０μｍの直径を有する液滴４内で、レーザ光が液滴４の中心に向かって入射したときに生じる本件発明者の演算結果による電場を示す。図１３に示されるように、表面の一様でない場は、１５μｍの液滴では、１μｍの液滴に比べて、大きい。液滴プラズマでは、真空加熱が、平面固体表面で形成されるプラズマの場合に比べて、さらに効率がよい。リプルのある表面によって、高速電子の大部分が得られ、Ｘ線強度が高められる。Ｘ線強度を高めるには、一様でない表面よりも、一様でない場が、効率的である。
【００５３】
液滴内の熱領域では、高密度プラズマを形成することができ、共鳴吸収によってレーザエネルギを効率よく吸収することができ、高速電子を発生する。前述の先行技術に比べて、同一レーザ光強度では、本発明の液滴プラズマ強度は、２桁以上大きい。液滴に１１％のエネルギが入射されても、２×１０１５Ｗ／ｃｍ２以下の強度でさえ、硬Ｘ線発生が効率よく行われる。液滴は、レンズと同様に、光を集束して強度とエネルギ密度を増大させる。これによってレーザエネルギを効率よく結合して大きなＸ線放射強度を生じる。表面の場は、大きくリプル化され、一様ではない。
【００５４】
本発明は、主として硬Ｘ線に関して説明されたが、γ線に関しても、同様に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の一形態の硬Ｘ線発生装置１の全体の構成を示すブロック図である。
【図２】硬Ｘ線発生装置１の一部の簡略化した斜視図である。
【図３】硬Ｘ線発生装置１の電気的構成を示すブロック図である。
【図４】硬Ｘ線発生装置１の簡略化した縦断面図である。
【図５】図４に示される硬Ｘ線発生装置１の簡略化した水平断面図である。
【図６】液滴供給源５の簡略化した断面図である。
【図７】液滴供給源５の一部の具体的な構成を示す断面図である。
【図８】キャピラリ３６を駆動源４７によって振動するときにおける球状液滴４が製造される状態を示す断面図である。
【図９】本件発明者の実験による駆動源４７を駆動する交流電源４８の周波数と、製造される液滴４の直径Ｄｐとの関係を示すグラフである。
【図１０】本件発明者の実験によるメタノール液滴のターゲットと固体合成樹脂のターゲットとのＸ線発生スペクトラムを示す図である。
【図１１】液滴プラズマメタノール液滴のターゲットと固体合成樹脂のターゲットとのパルス状レーザ光の入射強度と、発生される硬Ｘ線発生強度とを示す本件発明者の実験結果の図である。
【図１２】液滴にパルス状レーザ光が入射されたとき、液滴４内で、強度が高められる状態を示す計算結果を示す図である。
【図１３】本件発明者の実験による球状液滴にパルス状レーザ光が入射されたときにおける液滴４内の硬Ｘ線強度が高められる状態を示す計算結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  硬Ｘ線発生装置
２  真空室
３  容器  
４  液滴
５  液滴供給源
６  レーザ光
７  レーザ源
８  真空ポンプ
９  硬Ｘ線
１７  パルス状レーザ光発生装置
１８  集光レンズ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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