イオン加速方法、イオン加速装置、及び、イオンビーム照射装置、医療用イオンビーム照射装置
【課題】レーザー駆動型の加速機構を用いて、指向性が高い高エネルギーのイオンビームを安定して得る。
【解決手段】レーザー光２０は、レーザー光源から発せられ、クラスターガス３０中で集光するような構成とされる。ノズル４０は真空中に設置され、その先端部から真空中にガスが噴出できる構成とされる。このガスは、ヘリウムと２酸化炭素の混合ガスであり、これが真空中に噴出される際の断熱膨張による急激な温度低下によりクラスターガス３０となる。クラスターガス３０中においては、Ｈｅ原子３１からなるガス中に、多数のＣＯ２分子が凝集してナノ粒子化したＣＯ２クラスター３２が分散した形態となる。集光点を、クラスターガス３０中の後方とすることが好ましい。高エネルギー電子生成のピークを越え、バブル構造が生成され、かつＸ線も発生している、手前側から見て開口の８０〜１００％の位置が最も好ましい。
【解決手段】レーザー光２０は、レーザー光源から発せられ、クラスターガス３０中で集光するような構成とされる。ノズル４０は真空中に設置され、その先端部から真空中にガスが噴出できる構成とされる。このガスは、ヘリウムと２酸化炭素の混合ガスであり、これが真空中に噴出される際の断熱膨張による急激な温度低下によりクラスターガス３０となる。クラスターガス３０中においては、Ｈｅ原子３１からなるガス中に、多数のＣＯ２分子が凝集してナノ粒子化したＣＯ２クラスター３２が分散した形態となる。集光点を、クラスターガス３０中の後方とすることが好ましい。高エネルギー電子生成のピークを越え、バブル構造が生成され、かつＸ線も発生している、手前側から見て開口の８０〜１００％の位置が最も好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望のイオンを高エネルギーに加速して出力するイオン加速方法、イオン加速装置に関する。また、これを用いたイオンビーム照射装置、医療用イオンビーム照射装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン（プロトン：陽子を含む）を加速したイオンビームを試料に照射して加工、成膜、分析、医療行為等を行う各種の技術が知られている。こうした技術においては、高エネルギー、高強度のイオンビームを安定して発生させることが必要である。一般に高エネルギーのイオンビームを発生して照射する装置においては、特にイオンを高エネルギーに加速する機構に大がかりな設備を必要とするため、装置全体が大型化する。従って、特に医療用途等にはこうしたイオンビーム照射装置は有効であることは明らかであるにもかかわらず、充分に普及しているとは言い難い状況にある。
【０００３】
こうした状況の中で、小型化の可能なイオンビーム照射装置の一種として、レーザー駆動型の加速機構を用いたものが知られている。レーザー駆動型のイオンビーム照射装置は、例えば特許文献１、２に記載されているように、陽子や所望のイオンを多く発生することのできるターゲットを高強度の超短パルスレーザー光で照射し、これを蒸発させてプラズマ化する。このプラズマ中では、まず質量の軽い電子が加速されて高エネルギーとなり、この加速された電子の作る電界によって重い陽子やイオンが加速される。この陽子やイオンが高エネルギーのビームとなって試料に照射される。従来の加速器で用いられる加速電界は材料の絶縁耐圧等で制限されるために上限値が小さくなるのに対し、このプラズマ中で得られる加速電界はこれよりも桁違いに強くなるため、短い距離で高エネルギーの加速をすることができる。このため、このレーザー駆動型のイオンビーム照射装置は、従来より用いられている大型の加速器等と比べて装置全体を大幅にコンパクト化でき、医療用等、様々な分野への応用が期待されている。
【０００４】
例えば医療用においては、特定の位置、深さに存在する患部に対してのみ集中的に高エネルギーのイオンを照射することが要求される。このためには、単色の（エネルギースペクトルがデルタ関数的である）高エネルギーイオンビームを高い指向性で得ることが必要である。このため、レーザー駆動型のイオンビーム照射装置におけるこれらの特性を従来の大型の加速器と同等以上とするための努力がなされている。
【０００５】
このために有効な技術として、レーザーで照射されてプラズマ発生源となるターゲットを、通常の気体や固体ではなく、クラスターガスとする技術が非特許文献１に記載されている。クラスターガスは、粒子状の塊となった原子・分子の集合体（クラスター）が気体中に分散した構成のガスであり、通常の気体と固体の中間的な性質をもつ。ここでは、このクラスターガスとしてＨｅ中にＣＯ２クラスターが分散したものを用い、特に高エネルギーのヘリウム（Ｈｅ）、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）イオンが得られることが示された。このクラスターガスは、ノズルからこれらの混合ガスを真空中に噴出させ、断熱膨張させることによって得られる。
【０００６】
このイオン加速装置（イオンビーム照射装置）によって、指向性が高く、高強度のイオンビームを得ることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ Ｍｕｌｔｉ−ＭｅＶ Ｉｏｎ Ａｃｃｅｌｌｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｓｈｏｒｔ Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ａ Ｃｌｕｓｔｅｒ−Ｇａｓ Ｔａｒｇｅｔ」、Ｙ．Ｆｕｋｕｄａ、Ａ．Ｙａ．Ｆａｅｎｏｖ、Ｍ．Ｔａｍｐｏ、Ｔ．Ａ．Ｐｉｋｕｚ、Ｔ．Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｍ．Ｋａｎｄｏ、Ｙ．Ｈａｙａｓｈｉ、Ａ．Ｙｏｇｏ、Ｈ．Ｓａｋａｋｉ、Ｔ．Ｋａｍｅｓｈｕｍａ、Ａ．Ｓ．Ｐｉｒｏｚｈｋｏｖ、Ｋ．Ｏｇｕｒａ、Ｍ．Ｍｏｒｉ、Ｔ．Ｚｈ．Ｅｓｉｒｋｅｐｏｖ、Ｊ．Ｋｏｇａ、Ａ．Ｓ．Ｂｏｌｄａｒｅｖ、Ｖ．Ａ．Ｇａｓｉｌｏｖ、Ａ．Ｉ．Ｍａｇｕｎｏｖ、Ｔ．Ｙａｍａｕｃｈｉ、Ｒ．Ｋｏｄａｍａ、Ｐ．Ｒ．Ｂｏｌｔｏｎ、Ｙ．Ｋａｔｏ、Ｔ．Ｔａｊｉｍａ、Ｈ．Ｄａｉｄｏ ａｎｄ Ｓ．Ｖ．Ｂｕｌａｎｏｖ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１０３巻、１６５００２頁（２００９年）
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２４４８６３号公報
【特許文献２】特開２００８−１９８５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、通常の気体や固体と異なり、クラスターガスは時間的、空間的に制限された領域において形成される。このため、クラスターガスターゲットを用いて、安定して高エネルギーのイオンビームを得ることは困難であった。
【００１０】
すなわち、レーザー駆動型の加速機構を用いて、指向性が高い高エネルギーのイオンビームを安定して得ることは困難であった。
【００１１】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明のイオン加速方法は、ノズルから第１成分のガスと第２成分のガスの混合ガスが真空中に噴出されることによって前記第２成分のガスの分子からなるクラスターが前記第１成分のガス中に分散した形態で前記ノズルから柱状に形成されたクラスターガスに対し、前記混合ガスの噴出方向と略垂直の方向からパルスレーザー光を照射することによって前記クラスターガスをプラズマ化し、前記クラスターガスを構成する原子をイオン化して加速するイオン加速方法であって、前記クラスターガス中における前記クラスターの密度を２．０×１０８〜２．０×１０１０ｃｍ−３の範囲とし、前記パルスレーザー光を、前記柱状に形成されたクラスターガスにおいて照射側から見て後方８０〜１００％の位置で集光させることを特徴とする。
本発明のイオン加速方法は、前記柱状に形成されたクラスターガスにおける前記パルスレーザー光の透過率を５〜１０％の範囲とすることを特徴とする。
本発明のイオン加速方法は、前記混合ガスの噴出時間を０．０１〜１０ｍｓとし、前記噴出時間に対応して形成された前記クラスターガスの生成タイミングにおける生成時から前記噴出時間の１０〜２０％の範囲において前記パルスレーザー光を前記柱状に形成されたクラスターガスに照射することを特徴とする。
本発明のイオン加速方法において、前記第１成分のガスはＨｅであり、前記第２成分のガスはＣＯ２であることを特徴とする。
本発明のイオン加速装置は、クラスターガスにパルスレーザー光を照射し、前記クラスターガスをプラズマ化し、前記クラスターガスを構成する原子をイオン化して加速するイオン加速装置であって、第１成分のガスと第２成分のガスの混合ガスを真空中に噴出し、前記第２成分のガスの分子からなるクラスターが前記第１成分のガス中に分散した柱状の形態とされた前記クラスターガスを生成するノズルと、前記パルスレーザー光を発振するレーザー光源と、前記パルスレーザー光を予め設定された集光点で集光するように前記クラスターガスに照射させる集光光学系と、を具備し、前記クラスターガス中における前記クラスターの密度を２．０×１０８〜２．０×１０１０ｃｍ−３の範囲とし、前記集光点を、前記柱状の形態とされたクラスターガスにおいて照射側から見て後方８０〜１００％の位置とすることを特徴とする。
本発明のイオン加速装置は、前記柱状の形態とされたクラスターガスにおける前記パルスレーザー光の透過率を５〜１０％の範囲とすることを特徴とする。
本発明のイオン加速装置は、前記混合ガスの噴出時間を０．０１〜１０ｍｓとし、前記噴出時間に対応して形成された前記クラスターガスの生成タイミングにおける生成時から前記噴出時間の１０〜２０％の範囲において前記パルスレーザー光を前記柱状に形成されたクラスターガスに照射することを特徴とする。
本発明のイオン加速装置において、前記第１成分のガスはＨｅであり、前記第２成分のガスはＣＯ２であることを特徴とする。
本発明のイオンビーム照射装置は、前記イオン加速装置によって加速されたイオンを試料に対して照射する構成を具備することを特徴とする。
本発明の医療用イオンビーム照射装置は、前記イオン加速装置によって加速されたイオンを患部に対して照射する構成を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は以上のように構成されているので、レーザー駆動型の加速機構を用いて、指向性が高い高エネルギーのイオンビームを安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係るイオン加速装置の構成の概要を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るイオン加速装置における、ノズルのＯＮ・ＯＦＦ制御、クラスターガス生成量、及びパルスレーザー光の出力のタイミングを示す図である。
【図３】混合ガス（クラスターガス）を用いた場合と、純Ｈｅガスを用いた場合のノズルからの噴出されるガスの分布を、プローブ光をクラスターガスに照射しシャドウグラフ法により測定した結果である。
【図４】レーザー光照射時のバブル構造を、プローブ光をクラスターガスに照射せずに光学観察した結果である。
【図５】バブル構造の発生確率、高エネルギー電子の発生確率、及びＸ線強度の集光点位置依存性を実測した結果である。
【図６】レーザー光が照射された際のクラスターガス中における電子密度分布（ａ）、磁場強度分布（ｂ）、光軸方向の電界強度分布（ｃ）、電子とイオンの加速エネルギー分布（ｄ）、のシミュレーション結果である。（ａ）中の白線は、レーザー照射前の初期電子密度分布を示している。
【図７】レーザー光透過率とイオンエネルギーとの関係のシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態に係るイオン加速装置について説明する。図１は、このイオン加速装置１０の構成を示す図である。この図において、左はその全体を示す構成図であり、右はその一部（点線で囲まれた部分）の拡大図である。この構成は、非特許文献１に記載された構成と同様である。
【００１６】
レーザー光（パルスレーザー光）２０は、レーザー光源から発せられ、クラスターガス（ターゲット）３０中で集光するような構成とされる。レーザー光源としては、集光光学系２１によって集光された状態でクラスターガス３０をプラズマ化できるだけの高強度の超短パルスレーザー光を発するものを用いることができる。この点は特許文献１、２、非特許文献１に記載のものと同様である。具体的には、レーザー光源として、ガラスレーザー、チタンサファイアレーザー等を用いることができる。集光光学系２１としては、軸外し放物面鏡等の非球面の集光鏡等を用いることができる。集光光学系２１によって設定される集光点の位置については後述する。レーザー光２０は短い間隔でパルス的に発せられ、その照射（発振）タイミングはクラスターガス３０の生成と同期して制御される。
【００１７】
ノズル４０は真空中に設置され、その先端部から真空中にガスが噴出できる構成とされる。このガスは、ヘリウム（第１成分のガス：Ｈｅ）と２酸化炭素（第２成分のガス：ＣＯ２）の混合ガスであり、これが真空中に噴出される際の断熱膨張による急激な温度低下によりＣＯ２が固体化し、Ｈｅ中にＣＯ２のクラスターが分散された柱状の形態のクラスターガス３０となる。このガスが噴出される空間は真空ポンプ（図示せず）によって排気されるため、ガスが噴出された状態においても、安定してクラスターガスが生成される程度の真空度は維持される。この点についても非特許文献１と同様である。また、ガスの噴出は連続的に行われるのではなく、パルス的に行われる。このため、この噴出タイミングとレーザー光２０による照射タイミングは同期して制御される。図１の右側に示されるように、混合ガスの噴出方向とレーザー光２０の入射方向とは略垂直とされる。レーザー光２０の光軸方向においてノズル４０を可動とすることにより、クラスターガス３０中におけるレーザー光２０の集光点の位置を制御することができる。
【００１８】
図１の右側に示されるように、クラスターガス３０中においては、Ｈｅ原子３１からなるガス中に、多数のＣＯ２分子が凝集してナノ粒子化したＣＯ２クラスター３２が分散した形態となる。ノズル４０から離れた箇所ではＨｅ原子３１、ＣＯ２クラスター３２は熱運動によって分散して低密度化するために、ノズル４０の開口の近傍におけるクラスターガス３０中でレーザー光２０が集光され、特に高強度となる箇所が設定される。
【００１９】
また、ノズル４０の開（ＯＮ）閉（ＯＦＦ）タイミング、集光点におけるクラスターガス３０の生成量、レーザー光２０の出力のタイミングチャートを図２（ａ）〜（ｃ）に示す。
【００２０】
ここで、集光点におけるクラスターガス３０の生成状況（ｂ）は、ノズル４０の開閉のタイミング（ａ）から、ノズル４０から集光点までの距離をガスが流れるのに要する時間だけ遅延している。この遅延時間は、ノズル４０と集光点までの距離とガス流の速度で決まる。これらの間の距離が長ければこの遅延時間は長くなる。
【００２１】
ノズル４０がＯＮとされる時間は、典型的には０．０１〜１０ｍｓ程度であり、そのＯＮ・ＯＦＦは外部からの信号により制御される。クラスターガス３０のＯＮは、レーザー光２０の出力（ｃ）と同期するように制御され、実際には上記の遅延時間を考慮した上で、ノズル４０のＯＮ・ＯＦＦ（時刻ｔ１、ｔ２）とレーザー光２０の出力（時刻ｔ３、ｔ４）とが同期するように制御される。レーザー光２０の出力は、非特許文献１に記載されたように、高強度の主パルスと、主パルスよりも低強度であり主パルスに先行するプレパルスとからなる。プレパルスと主パルスの時間差（ｔ４とｔ３の時間差）は、１〜１０００ｐｓ程度（例えば１５０ｐｓ程度）とされる。また、プレパルス、主パルス共に、その半値幅は３〜１０００ｆｓ程度（例えば４０ｆｓ）である。これらのレーザー光２０のタイミングに関する時間は、前記のノズル４０がＯＮとされている時間と比べて無視できる程度の長さである。
【００２２】
この構成により、非特許文献１に記載されるように、クラスターガス３０中のＨｅ原子３１、ＣＯ２クラスター３２が共に分解してプラズマ化することにより電子が生成され、加速される。この加速された電子によってプラズマ中に電磁場構造が形成され、イオンを加速する高強度の電界が形成される。図１に示されるように、この電界により、プラズマ中で生成された炭素（Ｃ）イオン５１、酸素（Ｏ）イオン５２、ヘリウム（Ｈｅ）イオン５３が高エネルギー化したイオンビーム５０が生成される。
【００２３】
発明者は、このクラスターガス３０がレーザー光２０で照射される際の状況を実験的に解析し、特にその集光点の位置を最適化することにより、出力されるイオンの高エネルギー化が可能であることを知見した。クラスターガス３０においては、レーザー光２０の進行方向における集光点の位置が変わることにより、内部でのプラズマの形成状況、電子の加速状況、イオンの加速状況が変化する。このため、加速されたイオンのエネルギー分布等は、集光点の位置によって異なる。
【００２４】
図３は、２ｍｍ径の開口をもつノズル４０から６０ｂａｒの圧力でＨｅ９０％、ＣＯ２１０％の混合ガスを噴出した際のクラスターガス３０の２次元分布（上段）、そのレーザー光２０の進行方向における電子密度分布（中段）をシャドウグラフ法によって調べた結果である。ここで、プローブ光をクラスターガス３０に照射し、この照射と反対側から観察をしている。同時に、混合ガスではなく１００％のＨｅを用いた場合の噴出ガスの２次元分布（下段）も示している。図３上段、中段に示されるように、上記の混合ガスを用いた場合には、ノズル４０の開口（２ｍｍ）よりもやや広がってクラスターガス３０は生成されるが、その分布の半値幅は、この開口（２ｍｍ）に対応している。
【００２５】
クラスターガス３０中におけるＣＯ２クラスターの密度（ｃｍ−３）をＤ、クラスターガス３０中におけるＣＯ２分子の密度（ｃｍ−３）をρ、ＣＯ２固体におけるＣＯ２密度をＳ（ｃｍ−３）、ＣＯ２クラスター半径をｒ（ｃｍ）とすると、ＣＯ２クラスター密度ＤとＣＯ２クラスター半径ｒの関係は以下の式で表される。
【００２６】
【数１】
【００２７】
ρやＳの値については、非特許文献１や「Ｇａｓ−Ｃｌｕｓｔｅｒ Ｔａｒｇｅｔｓ ｆｏｒ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ：Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ」、Ａ．Ｓ．Ｂｏｌｄａｒｅｖ、Ｖ．Ａ．Ｇａｓｉｌｏｖ、Ａ．Ｙａ．Ｆａｅｎｏｖ、Ｙ．Ｆｕｋｕｄａ、 ａｎｄ Ｋ．Ｙａｍａｋａｗａ、Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、７７巻、０８３１１２頁（２００６年）に示されている。例えば、６０ａｔｍの混合ガス（Ｈｅ９０％、ＣＯ２１０％）においては、ρ＝１．８×１０１８ｃｍ−３、Ｓ＝２．１×１０２２ｃｍ−３であるため、（１）式より、ｒ＝（２×１０−５／Ｄ）１／３となる。
【００２８】
非特許文献１では、発生したイオンビームを固体飛跡検出器（ＣＲ３９）で受けてその飛跡を２次元画像化して評価をしている。加速されたイオンのエネルギー分布等は、集光点の位置に依存するが、高エネルギーイオン発生の最適位置をＣＲ３９により高精度で評価を行うことは困難であるため、以下の測定結果からイオンをより高効率で高エネルギー化できる条件を検討した。ここでは、Ｄ＝３．０×１０９ｃｍ−３（ｒ＝０．２μｍ）とされたこのクラスターガス３０に対してレーザー光２０を照射し、その集光点をレーザー光２０の光軸方向で変えた際の、放出されるＸ線強度を測定した。ここで、測定したＸ線は、６価の酸素イオン（Ｏ６＋）のヘリウムベータ（Ｈｅβ）、７価の酸素イオン（Ｏ７＋）のライマンアルファ（Ｌｙα）線に対応する、それぞれ、６６５．７ ｅＶ、６５３．７ ｅＶのエネルギーをもつものであり、これらＸ線の強度比は生成されたプラズマの密度に対応する。ただし、これらＸ線は、高エネルギー電子のランダムな衝突励起により発生する特性Ｘ線であるため、Ｘ線発生方向に指向性はなく、ここで検出されたＸ線はクラスターガス３０の全体から発せられたものである。
【００２９】
同時に、レーザー光２０の１回の照射毎に高エネルギー電子（５ ＭｅＶ以上のエネルギーをもつ電子）が放出される確率を調べた。また、この際に、クラスターガス３０中の微細構造を、プローブ光をクラスターガス３０に照射せずに光学的に観察した結果、空洞（バブル）が発生していることがあることがわかった。このバブル発生確率も同時に測定した。図４は、このバブルを観察した例である。ここで、２つの破線で囲まれた領域（幅２ｍｍ）が、上記のノズル４０の開口に対応する。バブルはクラスターガス３０の後半に多く発生しているのが明らかである。
【００３０】
上記の測定結果を図５に示す。２つの破線は、図４と同様にノズル４０の開口を示す。Ｘ線強度は、集光点をクラスターガス３０から外した場合（開口前方３５％、および、後方５０％の位置）において最大となっている。この理由は、集光点（最も光強度が高くなる点）から外れた箇所においても、レーザー光２０の強度がプラズマ化を起こすのに充分な強度であり、かつ、Ｘ線発生のための衝突励起の断面積が最大となっているためである。このＸ線強度と５ＭｅＶ以上の高エネルギー電子放出確率との間には、逆相関関係が見られる。これは、クラスターガス３０の中心部に集光した場合は、発生した電子のエネルギーが大きすぎてＸ線発生のための衝突励起の断面積が著しく低下するためである。
【００３１】
一方、高エネルギー電子は、手前側から見て開口の３０〜８０％の箇所で特に高い確率で得られ、開口を外れた箇所ではその確率はほぼ零である。ただし、この確率分布は、この開口の中心に対して対称ではなく、やや後方寄りである。
【００３２】
また、バブル構造は、手前側から見て開口の１０％の箇所よりも手前側では見られない。一方、開口の１００％よりも更に１００％程度後方の箇所においてもバブル構造は見られる。
【００３３】
上記の構成においては、質量が軽い電子がまず加速され、高エネルギー電子が生成される。これにより、プラズマ中で電磁場構造が形成され強い電界（急激なポテンシャル変化）が生ずる。電子よりも重いイオンは、その後でこの電界により加速され、高エネルギーのイオンとなる。この際、バブル構造中においては高電界が存在し、かつイオンに対する散乱源も存在しない。このため、高エネルギー電子が生成される領域の末端に近く、かつバブル構造が多く形成される箇所が存在する場合は、特にイオンを安定して高エネルギー化する際に有利である。また、プラズマ化が起こり、加速されるイオンが生成されることが必要であることも明らかである。
【００３４】
上記の点を考慮すると、集光点を、クラスターガス３０中の後方とすることが好ましいことが明らかである。特に、図４の結果から、高エネルギー電子生成のピークを越え、バブル構造が生成され、かつＸ線も発生している、手前側から見て開口の８０〜１００％の位置が最も好ましい。
【００３５】
また、レーザー光２０の照射方向に対して強い加速電界が生ずることは、イオンの指向性が高まることも意味する。すなわち、集光点を上記の位置に設定することにより、高い指向性も得られる。
【００３６】
この範囲内となっている９５％の位置に集光点を設定した場合のクラスターガス３０におけるレーザー光２０の透過率は７％となっていた。この透過率は、レーザー光２０がクラスターガス３０で吸収されずにそのまま透過した割合となる。この吸収されたエネルギーの一部がイオンのエネルギーに転換されるため、この吸収率が小さい（透過率が大きい）場合には電子やイオンのエネルギーも小さくなるため好ましくない。
【００３７】
更に、図６は、非特許文献１に示された、レーザー光２０が照射された際のクラスターガス３０中における電子密度分布（ａ）、磁場強度分布（ｂ）、光軸方向の電界強度分布（ｃ）、電子とイオンの加速エネルギー分布（ｄ）、のシミュレーション結果である。（ａ）中の白線は、レーザー照射前の初期電子密度分布を示している。ここで、（ａ）〜（ｃ）においては横軸がレーザー光２０の光軸方向（右方向が照射方向）である。特に、この磁場（ｂ）は光軸方向を巻回する渦状に生成され、この磁場が消滅する際に生成される電界が加速電界となり、これが図６（ｃ）における７０＜ｘ＜９０μｍにおける高強度の電界に反映される。すなわち、この磁気渦の発生がイオンの加速において重要な役割を果たす。この磁気渦は、電子分布（ａ）によって生成されるが、特に電子密度が緩やかに減少する領域（（ａ）における６５〜８２μｍの箇所）で発生する。図６（ｂ）（ｃ）より、この磁気渦の発生個所付近で軸方向の非常に強い加速電界が形成される。
【００３８】
このため、効率的にイオン加速を行うためには、この磁気渦が形成される位置の調整が重要となり、与えられた電子密度分布に対して、この位置に磁気渦が生成されるように集光点を設定することが必要である。この磁気渦をレーザー光２０の照射側からみて９５％程度の位置に設定することがイオンの加速にとって有効であることがシミュレーションによって示された。この位置を前方とした場合には、レーザー光２０のクラスターガス３０における透過率は低くなり、後方とした場合には透過率は高くなる。前記の９５％程度の位置に対応する透過率は５〜１０％となる。この磁気渦の設定位置と透過率との関係は、ガス種等に依存せずに成立する。
【００３９】
図７は、レーザー光透過率とイオンエネルギーとの関係のシミュレーション結果である。レーザー光２０の透過率は５〜１０％のとき、前記の９５％程度の位置に磁気渦が生成され、イオンの高エネルギー化に有利であることが示された。
【００４０】
また、上記の検討は、レーザー光２０の照射の空間的制限についてのものである。図２に示されたように、実際にはクラスターガス３０は時間的に制限されて形成される。このため、クラスターガス３０の生成タイミング（図２（ｂ））とレーザー光２０の照射タイミング（図２（ｃ））を同期させることが必要である。
【００４１】
クラスターガス３０が生成されている時間は、図２に示されたとおり、ノズル４０がＯＮとされている時間とほぼ等しく、０．０１〜１０ｍｓ程度（例えば１ｍｓ）である。この時間が短いと、充分な量のクラスターガス３０が形成されなくなるため、充分な強度のイオンビームが生成されにくくなる。この時間が長いと、混合ガスが噴出される背景の真空度が劣化するため、ガスの断熱膨張が充分に行われなくなり、クラスターガス３０中のＣＯ２クラスター３２は形成されにくくなる。この時間は、レーザー光２０におけるプレパルスと主パルスの間隔、プレパルスと主パルスの半値幅や、プラズマが生成される時間、電子やイオンがクラスターガス３０から放出されるまでの時間等と比べて桁違いに長い。このため、クラスターガス３０中において前記のようにＨｅ原子３１とＣＯ２クラスター３２が形成されている限りにおいて、この照射タイミングは任意である。
【００４２】
このＯＮとされた時間が長い場合の真空度の劣化は、真空チャンバーの構成や使用している真空ポンプの排気速度等に依存するが、ノズル４０がオンとされた期間の末期においては、背景の真空度が劣化することは明らかである。このため、実際には安定したクラスターガス３０が形成されるのは、ノズル４０がオンとされた期間における初期であると考えることができる。例えば、ノズル４０がＯＮとされてからＯＦＦとされるまでの間の期間の初期１０〜２０％程度の期間にレーザー光２０を照射することが好ましい。
【００４３】
なお、上記の例では、Ｄ＝３．０×１０９ｃｍ−３としたが、２．０×１０８〜２．０×１０１０ｃｍ−３の範囲としても同様である。
【００４４】
上記の構成においては、ＨｅとＣＯ２の混合ガスを用い、ＣＯ２クラスターが形成されたクラスターガスを用いた場合について説明した。しかしながら、他の構成の混合ガスを用い、他のクラスター種を形成した場合においても、同様である。
【００４５】
上記のイオン加速装置においては、レーザー光の集光位置（集光光学系）、混合ガスを噴出するノズルの開閉タイミング等を制御することによって、高品質のイオンビームを得ることができる。このため、従来より知られるレーザー駆動型のイオン加速装置と装置構成自身を大きく変えずにこれを実現することができる。従って、他の種類の加速装置と比べて装置全体を小型化することが可能であり、医療用等、様々な分野への応用が可能である。
【００４６】
このため、このイオン加速装置によって加速されたイオンを試料に照射する構成とすれば、各種のイオンをイオンビームとして照射するイオンビーム照射装置とすることができる。従来のイオンビーム照射装置においては、イオンを加速するサイクロトロンや高周波空洞等を用いた機構が大型化するために、装置全体を小型化することが困難であった。これに対し、このイオンビーム照射装置においては、上記のとおり、この加速機構を小型化することが可能であるため、装置全体を小型化することができる。従って、このイオンビーム照射装置を各種の施設、例えば医療施設等に導入することも容易であり、医療用イオンビーム照射装置として特に好ましく用いることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０ イオン加速装置
２０ レーザー光（パルスレーザー光）
２１ 集光光学系
３０ クラスターガス（ターゲット）
３１ ヘリウム（Ｈｅ）原子
３２ ＣＯ２クラスター
４０ ノズル
５０ イオンビーム
５１ 炭素（Ｃ）イオン
５２ 酸素（Ｏ）イオン
５３ ヘリウム（Ｈｅ）イオン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望のイオンを高エネルギーに加速して出力するイオン加速方法、イオン加速装置に関する。また、これを用いたイオンビーム照射装置、医療用イオンビーム照射装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン（プロトン：陽子を含む）を加速したイオンビームを試料に照射して加工、成膜、分析、医療行為等を行う各種の技術が知られている。こうした技術においては、高エネルギー、高強度のイオンビームを安定して発生させることが必要である。一般に高エネルギーのイオンビームを発生して照射する装置においては、特にイオンを高エネルギーに加速する機構に大がかりな設備を必要とするため、装置全体が大型化する。従って、特に医療用途等にはこうしたイオンビーム照射装置は有効であることは明らかであるにもかかわらず、充分に普及しているとは言い難い状況にある。
【０００３】
こうした状況の中で、小型化の可能なイオンビーム照射装置の一種として、レーザー駆動型の加速機構を用いたものが知られている。レーザー駆動型のイオンビーム照射装置は、例えば特許文献１、２に記載されているように、陽子や所望のイオンを多く発生することのできるターゲットを高強度の超短パルスレーザー光で照射し、これを蒸発させてプラズマ化する。このプラズマ中では、まず質量の軽い電子が加速されて高エネルギーとなり、この加速された電子の作る電界によって重い陽子やイオンが加速される。この陽子やイオンが高エネルギーのビームとなって試料に照射される。従来の加速器で用いられる加速電界は材料の絶縁耐圧等で制限されるために上限値が小さくなるのに対し、このプラズマ中で得られる加速電界はこれよりも桁違いに強くなるため、短い距離で高エネルギーの加速をすることができる。このため、このレーザー駆動型のイオンビーム照射装置は、従来より用いられている大型の加速器等と比べて装置全体を大幅にコンパクト化でき、医療用等、様々な分野への応用が期待されている。
【０００４】
例えば医療用においては、特定の位置、深さに存在する患部に対してのみ集中的に高エネルギーのイオンを照射することが要求される。このためには、単色の（エネルギースペクトルがデルタ関数的である）高エネルギーイオンビームを高い指向性で得ることが必要である。このため、レーザー駆動型のイオンビーム照射装置におけるこれらの特性を従来の大型の加速器と同等以上とするための努力がなされている。
【０００５】
このために有効な技術として、レーザーで照射されてプラズマ発生源となるターゲットを、通常の気体や固体ではなく、クラスターガスとする技術が非特許文献１に記載されている。クラスターガスは、粒子状の塊となった原子・分子の集合体（クラスター）が気体中に分散した構成のガスであり、通常の気体と固体の中間的な性質をもつ。ここでは、このクラスターガスとしてＨｅ中にＣＯ２クラスターが分散したものを用い、特に高エネルギーのヘリウム（Ｈｅ）、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）イオンが得られることが示された。このクラスターガスは、ノズルからこれらの混合ガスを真空中に噴出させ、断熱膨張させることによって得られる。
【０００６】
このイオン加速装置（イオンビーム照射装置）によって、指向性が高く、高強度のイオンビームを得ることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ Ｍｕｌｔｉ−ＭｅＶ Ｉｏｎ Ａｃｃｅｌｌｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｓｈｏｒｔ Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ａ Ｃｌｕｓｔｅｒ−Ｇａｓ Ｔａｒｇｅｔ」、Ｙ．Ｆｕｋｕｄａ、Ａ．Ｙａ．Ｆａｅｎｏｖ、Ｍ．Ｔａｍｐｏ、Ｔ．Ａ．Ｐｉｋｕｚ、Ｔ．Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｍ．Ｋａｎｄｏ、Ｙ．Ｈａｙａｓｈｉ、Ａ．Ｙｏｇｏ、Ｈ．Ｓａｋａｋｉ、Ｔ．Ｋａｍｅｓｈｕｍａ、Ａ．Ｓ．Ｐｉｒｏｚｈｋｏｖ、Ｋ．Ｏｇｕｒａ、Ｍ．Ｍｏｒｉ、Ｔ．Ｚｈ．Ｅｓｉｒｋｅｐｏｖ、Ｊ．Ｋｏｇａ、Ａ．Ｓ．Ｂｏｌｄａｒｅｖ、Ｖ．Ａ．Ｇａｓｉｌｏｖ、Ａ．Ｉ．Ｍａｇｕｎｏｖ、Ｔ．Ｙａｍａｕｃｈｉ、Ｒ．Ｋｏｄａｍａ、Ｐ．Ｒ．Ｂｏｌｔｏｎ、Ｙ．Ｋａｔｏ、Ｔ．Ｔａｊｉｍａ、Ｈ．Ｄａｉｄｏ ａｎｄ Ｓ．Ｖ．Ｂｕｌａｎｏｖ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１０３巻、１６５００２頁（２００９年）
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２４４８６３号公報
【特許文献２】特開２００８−１９８５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、通常の気体や固体と異なり、クラスターガスは時間的、空間的に制限された領域において形成される。このため、クラスターガスターゲットを用いて、安定して高エネルギーのイオンビームを得ることは困難であった。
【００１０】
すなわち、レーザー駆動型の加速機構を用いて、指向性が高い高エネルギーのイオンビームを安定して得ることは困難であった。
【００１１】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明のイオン加速方法は、ノズルから第１成分のガスと第２成分のガスの混合ガスが真空中に噴出されることによって前記第２成分のガスの分子からなるクラスターが前記第１成分のガス中に分散した形態で前記ノズルから柱状に形成されたクラスターガスに対し、前記混合ガスの噴出方向と略垂直の方向からパルスレーザー光を照射することによって前記クラスターガスをプラズマ化し、前記クラスターガスを構成する原子をイオン化して加速するイオン加速方法であって、前記クラスターガス中における前記クラスターの密度を２．０×１０８〜２．０×１０１０ｃｍ−３の範囲とし、前記パルスレーザー光を、前記柱状に形成されたクラスターガスにおいて照射側から見て後方８０〜１００％の位置で集光させることを特徴とする。
本発明のイオン加速方法は、前記柱状に形成されたクラスターガスにおける前記パルスレーザー光の透過率を５〜１０％の範囲とすることを特徴とする。
本発明のイオン加速方法は、前記混合ガスの噴出時間を０．０１〜１０ｍｓとし、前記噴出時間に対応して形成された前記クラスターガスの生成タイミングにおける生成時から前記噴出時間の１０〜２０％の範囲において前記パルスレーザー光を前記柱状に形成されたクラスターガスに照射することを特徴とする。
本発明のイオン加速方法において、前記第１成分のガスはＨｅであり、前記第２成分のガスはＣＯ２であることを特徴とする。
本発明のイオン加速装置は、クラスターガスにパルスレーザー光を照射し、前記クラスターガスをプラズマ化し、前記クラスターガスを構成する原子をイオン化して加速するイオン加速装置であって、第１成分のガスと第２成分のガスの混合ガスを真空中に噴出し、前記第２成分のガスの分子からなるクラスターが前記第１成分のガス中に分散した柱状の形態とされた前記クラスターガスを生成するノズルと、前記パルスレーザー光を発振するレーザー光源と、前記パルスレーザー光を予め設定された集光点で集光するように前記クラスターガスに照射させる集光光学系と、を具備し、前記クラスターガス中における前記クラスターの密度を２．０×１０８〜２．０×１０１０ｃｍ−３の範囲とし、前記集光点を、前記柱状の形態とされたクラスターガスにおいて照射側から見て後方８０〜１００％の位置とすることを特徴とする。
本発明のイオン加速装置は、前記柱状の形態とされたクラスターガスにおける前記パルスレーザー光の透過率を５〜１０％の範囲とすることを特徴とする。
本発明のイオン加速装置は、前記混合ガスの噴出時間を０．０１〜１０ｍｓとし、前記噴出時間に対応して形成された前記クラスターガスの生成タイミングにおける生成時から前記噴出時間の１０〜２０％の範囲において前記パルスレーザー光を前記柱状に形成されたクラスターガスに照射することを特徴とする。
本発明のイオン加速装置において、前記第１成分のガスはＨｅであり、前記第２成分のガスはＣＯ２であることを特徴とする。
本発明のイオンビーム照射装置は、前記イオン加速装置によって加速されたイオンを試料に対して照射する構成を具備することを特徴とする。
本発明の医療用イオンビーム照射装置は、前記イオン加速装置によって加速されたイオンを患部に対して照射する構成を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は以上のように構成されているので、レーザー駆動型の加速機構を用いて、指向性が高い高エネルギーのイオンビームを安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係るイオン加速装置の構成の概要を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るイオン加速装置における、ノズルのＯＮ・ＯＦＦ制御、クラスターガス生成量、及びパルスレーザー光の出力のタイミングを示す図である。
【図３】混合ガス（クラスターガス）を用いた場合と、純Ｈｅガスを用いた場合のノズルからの噴出されるガスの分布を、プローブ光をクラスターガスに照射しシャドウグラフ法により測定した結果である。
【図４】レーザー光照射時のバブル構造を、プローブ光をクラスターガスに照射せずに光学観察した結果である。
【図５】バブル構造の発生確率、高エネルギー電子の発生確率、及びＸ線強度の集光点位置依存性を実測した結果である。
【図６】レーザー光が照射された際のクラスターガス中における電子密度分布（ａ）、磁場強度分布（ｂ）、光軸方向の電界強度分布（ｃ）、電子とイオンの加速エネルギー分布（ｄ）、のシミュレーション結果である。（ａ）中の白線は、レーザー照射前の初期電子密度分布を示している。
【図７】レーザー光透過率とイオンエネルギーとの関係のシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態に係るイオン加速装置について説明する。図１は、このイオン加速装置１０の構成を示す図である。この図において、左はその全体を示す構成図であり、右はその一部（点線で囲まれた部分）の拡大図である。この構成は、非特許文献１に記載された構成と同様である。
【００１６】
レーザー光（パルスレーザー光）２０は、レーザー光源から発せられ、クラスターガス（ターゲット）３０中で集光するような構成とされる。レーザー光源としては、集光光学系２１によって集光された状態でクラスターガス３０をプラズマ化できるだけの高強度の超短パルスレーザー光を発するものを用いることができる。この点は特許文献１、２、非特許文献１に記載のものと同様である。具体的には、レーザー光源として、ガラスレーザー、チタンサファイアレーザー等を用いることができる。集光光学系２１としては、軸外し放物面鏡等の非球面の集光鏡等を用いることができる。集光光学系２１によって設定される集光点の位置については後述する。レーザー光２０は短い間隔でパルス的に発せられ、その照射（発振）タイミングはクラスターガス３０の生成と同期して制御される。
【００１７】
ノズル４０は真空中に設置され、その先端部から真空中にガスが噴出できる構成とされる。このガスは、ヘリウム（第１成分のガス：Ｈｅ）と２酸化炭素（第２成分のガス：ＣＯ２）の混合ガスであり、これが真空中に噴出される際の断熱膨張による急激な温度低下によりＣＯ２が固体化し、Ｈｅ中にＣＯ２のクラスターが分散された柱状の形態のクラスターガス３０となる。このガスが噴出される空間は真空ポンプ（図示せず）によって排気されるため、ガスが噴出された状態においても、安定してクラスターガスが生成される程度の真空度は維持される。この点についても非特許文献１と同様である。また、ガスの噴出は連続的に行われるのではなく、パルス的に行われる。このため、この噴出タイミングとレーザー光２０による照射タイミングは同期して制御される。図１の右側に示されるように、混合ガスの噴出方向とレーザー光２０の入射方向とは略垂直とされる。レーザー光２０の光軸方向においてノズル４０を可動とすることにより、クラスターガス３０中におけるレーザー光２０の集光点の位置を制御することができる。
【００１８】
図１の右側に示されるように、クラスターガス３０中においては、Ｈｅ原子３１からなるガス中に、多数のＣＯ２分子が凝集してナノ粒子化したＣＯ２クラスター３２が分散した形態となる。ノズル４０から離れた箇所ではＨｅ原子３１、ＣＯ２クラスター３２は熱運動によって分散して低密度化するために、ノズル４０の開口の近傍におけるクラスターガス３０中でレーザー光２０が集光され、特に高強度となる箇所が設定される。
【００１９】
また、ノズル４０の開（ＯＮ）閉（ＯＦＦ）タイミング、集光点におけるクラスターガス３０の生成量、レーザー光２０の出力のタイミングチャートを図２（ａ）〜（ｃ）に示す。
【００２０】
ここで、集光点におけるクラスターガス３０の生成状況（ｂ）は、ノズル４０の開閉のタイミング（ａ）から、ノズル４０から集光点までの距離をガスが流れるのに要する時間だけ遅延している。この遅延時間は、ノズル４０と集光点までの距離とガス流の速度で決まる。これらの間の距離が長ければこの遅延時間は長くなる。
【００２１】
ノズル４０がＯＮとされる時間は、典型的には０．０１〜１０ｍｓ程度であり、そのＯＮ・ＯＦＦは外部からの信号により制御される。クラスターガス３０のＯＮは、レーザー光２０の出力（ｃ）と同期するように制御され、実際には上記の遅延時間を考慮した上で、ノズル４０のＯＮ・ＯＦＦ（時刻ｔ１、ｔ２）とレーザー光２０の出力（時刻ｔ３、ｔ４）とが同期するように制御される。レーザー光２０の出力は、非特許文献１に記載されたように、高強度の主パルスと、主パルスよりも低強度であり主パルスに先行するプレパルスとからなる。プレパルスと主パルスの時間差（ｔ４とｔ３の時間差）は、１〜１０００ｐｓ程度（例えば１５０ｐｓ程度）とされる。また、プレパルス、主パルス共に、その半値幅は３〜１０００ｆｓ程度（例えば４０ｆｓ）である。これらのレーザー光２０のタイミングに関する時間は、前記のノズル４０がＯＮとされている時間と比べて無視できる程度の長さである。
【００２２】
この構成により、非特許文献１に記載されるように、クラスターガス３０中のＨｅ原子３１、ＣＯ２クラスター３２が共に分解してプラズマ化することにより電子が生成され、加速される。この加速された電子によってプラズマ中に電磁場構造が形成され、イオンを加速する高強度の電界が形成される。図１に示されるように、この電界により、プラズマ中で生成された炭素（Ｃ）イオン５１、酸素（Ｏ）イオン５２、ヘリウム（Ｈｅ）イオン５３が高エネルギー化したイオンビーム５０が生成される。
【００２３】
発明者は、このクラスターガス３０がレーザー光２０で照射される際の状況を実験的に解析し、特にその集光点の位置を最適化することにより、出力されるイオンの高エネルギー化が可能であることを知見した。クラスターガス３０においては、レーザー光２０の進行方向における集光点の位置が変わることにより、内部でのプラズマの形成状況、電子の加速状況、イオンの加速状況が変化する。このため、加速されたイオンのエネルギー分布等は、集光点の位置によって異なる。
【００２４】
図３は、２ｍｍ径の開口をもつノズル４０から６０ｂａｒの圧力でＨｅ９０％、ＣＯ２１０％の混合ガスを噴出した際のクラスターガス３０の２次元分布（上段）、そのレーザー光２０の進行方向における電子密度分布（中段）をシャドウグラフ法によって調べた結果である。ここで、プローブ光をクラスターガス３０に照射し、この照射と反対側から観察をしている。同時に、混合ガスではなく１００％のＨｅを用いた場合の噴出ガスの２次元分布（下段）も示している。図３上段、中段に示されるように、上記の混合ガスを用いた場合には、ノズル４０の開口（２ｍｍ）よりもやや広がってクラスターガス３０は生成されるが、その分布の半値幅は、この開口（２ｍｍ）に対応している。
【００２５】
クラスターガス３０中におけるＣＯ２クラスターの密度（ｃｍ−３）をＤ、クラスターガス３０中におけるＣＯ２分子の密度（ｃｍ−３）をρ、ＣＯ２固体におけるＣＯ２密度をＳ（ｃｍ−３）、ＣＯ２クラスター半径をｒ（ｃｍ）とすると、ＣＯ２クラスター密度ＤとＣＯ２クラスター半径ｒの関係は以下の式で表される。
【００２６】
【数１】
【００２７】
ρやＳの値については、非特許文献１や「Ｇａｓ−Ｃｌｕｓｔｅｒ Ｔａｒｇｅｔｓ ｆｏｒ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ：Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ」、Ａ．Ｓ．Ｂｏｌｄａｒｅｖ、Ｖ．Ａ．Ｇａｓｉｌｏｖ、Ａ．Ｙａ．Ｆａｅｎｏｖ、Ｙ．Ｆｕｋｕｄａ、 ａｎｄ Ｋ．Ｙａｍａｋａｗａ、Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、７７巻、０８３１１２頁（２００６年）に示されている。例えば、６０ａｔｍの混合ガス（Ｈｅ９０％、ＣＯ２１０％）においては、ρ＝１．８×１０１８ｃｍ−３、Ｓ＝２．１×１０２２ｃｍ−３であるため、（１）式より、ｒ＝（２×１０−５／Ｄ）１／３となる。
【００２８】
非特許文献１では、発生したイオンビームを固体飛跡検出器（ＣＲ３９）で受けてその飛跡を２次元画像化して評価をしている。加速されたイオンのエネルギー分布等は、集光点の位置に依存するが、高エネルギーイオン発生の最適位置をＣＲ３９により高精度で評価を行うことは困難であるため、以下の測定結果からイオンをより高効率で高エネルギー化できる条件を検討した。ここでは、Ｄ＝３．０×１０９ｃｍ−３（ｒ＝０．２μｍ）とされたこのクラスターガス３０に対してレーザー光２０を照射し、その集光点をレーザー光２０の光軸方向で変えた際の、放出されるＸ線強度を測定した。ここで、測定したＸ線は、６価の酸素イオン（Ｏ６＋）のヘリウムベータ（Ｈｅβ）、７価の酸素イオン（Ｏ７＋）のライマンアルファ（Ｌｙα）線に対応する、それぞれ、６６５．７ ｅＶ、６５３．７ ｅＶのエネルギーをもつものであり、これらＸ線の強度比は生成されたプラズマの密度に対応する。ただし、これらＸ線は、高エネルギー電子のランダムな衝突励起により発生する特性Ｘ線であるため、Ｘ線発生方向に指向性はなく、ここで検出されたＸ線はクラスターガス３０の全体から発せられたものである。
【００２９】
同時に、レーザー光２０の１回の照射毎に高エネルギー電子（５ ＭｅＶ以上のエネルギーをもつ電子）が放出される確率を調べた。また、この際に、クラスターガス３０中の微細構造を、プローブ光をクラスターガス３０に照射せずに光学的に観察した結果、空洞（バブル）が発生していることがあることがわかった。このバブル発生確率も同時に測定した。図４は、このバブルを観察した例である。ここで、２つの破線で囲まれた領域（幅２ｍｍ）が、上記のノズル４０の開口に対応する。バブルはクラスターガス３０の後半に多く発生しているのが明らかである。
【００３０】
上記の測定結果を図５に示す。２つの破線は、図４と同様にノズル４０の開口を示す。Ｘ線強度は、集光点をクラスターガス３０から外した場合（開口前方３５％、および、後方５０％の位置）において最大となっている。この理由は、集光点（最も光強度が高くなる点）から外れた箇所においても、レーザー光２０の強度がプラズマ化を起こすのに充分な強度であり、かつ、Ｘ線発生のための衝突励起の断面積が最大となっているためである。このＸ線強度と５ＭｅＶ以上の高エネルギー電子放出確率との間には、逆相関関係が見られる。これは、クラスターガス３０の中心部に集光した場合は、発生した電子のエネルギーが大きすぎてＸ線発生のための衝突励起の断面積が著しく低下するためである。
【００３１】
一方、高エネルギー電子は、手前側から見て開口の３０〜８０％の箇所で特に高い確率で得られ、開口を外れた箇所ではその確率はほぼ零である。ただし、この確率分布は、この開口の中心に対して対称ではなく、やや後方寄りである。
【００３２】
また、バブル構造は、手前側から見て開口の１０％の箇所よりも手前側では見られない。一方、開口の１００％よりも更に１００％程度後方の箇所においてもバブル構造は見られる。
【００３３】
上記の構成においては、質量が軽い電子がまず加速され、高エネルギー電子が生成される。これにより、プラズマ中で電磁場構造が形成され強い電界（急激なポテンシャル変化）が生ずる。電子よりも重いイオンは、その後でこの電界により加速され、高エネルギーのイオンとなる。この際、バブル構造中においては高電界が存在し、かつイオンに対する散乱源も存在しない。このため、高エネルギー電子が生成される領域の末端に近く、かつバブル構造が多く形成される箇所が存在する場合は、特にイオンを安定して高エネルギー化する際に有利である。また、プラズマ化が起こり、加速されるイオンが生成されることが必要であることも明らかである。
【００３４】
上記の点を考慮すると、集光点を、クラスターガス３０中の後方とすることが好ましいことが明らかである。特に、図４の結果から、高エネルギー電子生成のピークを越え、バブル構造が生成され、かつＸ線も発生している、手前側から見て開口の８０〜１００％の位置が最も好ましい。
【００３５】
また、レーザー光２０の照射方向に対して強い加速電界が生ずることは、イオンの指向性が高まることも意味する。すなわち、集光点を上記の位置に設定することにより、高い指向性も得られる。
【００３６】
この範囲内となっている９５％の位置に集光点を設定した場合のクラスターガス３０におけるレーザー光２０の透過率は７％となっていた。この透過率は、レーザー光２０がクラスターガス３０で吸収されずにそのまま透過した割合となる。この吸収されたエネルギーの一部がイオンのエネルギーに転換されるため、この吸収率が小さい（透過率が大きい）場合には電子やイオンのエネルギーも小さくなるため好ましくない。
【００３７】
更に、図６は、非特許文献１に示された、レーザー光２０が照射された際のクラスターガス３０中における電子密度分布（ａ）、磁場強度分布（ｂ）、光軸方向の電界強度分布（ｃ）、電子とイオンの加速エネルギー分布（ｄ）、のシミュレーション結果である。（ａ）中の白線は、レーザー照射前の初期電子密度分布を示している。ここで、（ａ）〜（ｃ）においては横軸がレーザー光２０の光軸方向（右方向が照射方向）である。特に、この磁場（ｂ）は光軸方向を巻回する渦状に生成され、この磁場が消滅する際に生成される電界が加速電界となり、これが図６（ｃ）における７０＜ｘ＜９０μｍにおける高強度の電界に反映される。すなわち、この磁気渦の発生がイオンの加速において重要な役割を果たす。この磁気渦は、電子分布（ａ）によって生成されるが、特に電子密度が緩やかに減少する領域（（ａ）における６５〜８２μｍの箇所）で発生する。図６（ｂ）（ｃ）より、この磁気渦の発生個所付近で軸方向の非常に強い加速電界が形成される。
【００３８】
このため、効率的にイオン加速を行うためには、この磁気渦が形成される位置の調整が重要となり、与えられた電子密度分布に対して、この位置に磁気渦が生成されるように集光点を設定することが必要である。この磁気渦をレーザー光２０の照射側からみて９５％程度の位置に設定することがイオンの加速にとって有効であることがシミュレーションによって示された。この位置を前方とした場合には、レーザー光２０のクラスターガス３０における透過率は低くなり、後方とした場合には透過率は高くなる。前記の９５％程度の位置に対応する透過率は５〜１０％となる。この磁気渦の設定位置と透過率との関係は、ガス種等に依存せずに成立する。
【００３９】
図７は、レーザー光透過率とイオンエネルギーとの関係のシミュレーション結果である。レーザー光２０の透過率は５〜１０％のとき、前記の９５％程度の位置に磁気渦が生成され、イオンの高エネルギー化に有利であることが示された。
【００４０】
また、上記の検討は、レーザー光２０の照射の空間的制限についてのものである。図２に示されたように、実際にはクラスターガス３０は時間的に制限されて形成される。このため、クラスターガス３０の生成タイミング（図２（ｂ））とレーザー光２０の照射タイミング（図２（ｃ））を同期させることが必要である。
【００４１】
クラスターガス３０が生成されている時間は、図２に示されたとおり、ノズル４０がＯＮとされている時間とほぼ等しく、０．０１〜１０ｍｓ程度（例えば１ｍｓ）である。この時間が短いと、充分な量のクラスターガス３０が形成されなくなるため、充分な強度のイオンビームが生成されにくくなる。この時間が長いと、混合ガスが噴出される背景の真空度が劣化するため、ガスの断熱膨張が充分に行われなくなり、クラスターガス３０中のＣＯ２クラスター３２は形成されにくくなる。この時間は、レーザー光２０におけるプレパルスと主パルスの間隔、プレパルスと主パルスの半値幅や、プラズマが生成される時間、電子やイオンがクラスターガス３０から放出されるまでの時間等と比べて桁違いに長い。このため、クラスターガス３０中において前記のようにＨｅ原子３１とＣＯ２クラスター３２が形成されている限りにおいて、この照射タイミングは任意である。
【００４２】
このＯＮとされた時間が長い場合の真空度の劣化は、真空チャンバーの構成や使用している真空ポンプの排気速度等に依存するが、ノズル４０がオンとされた期間の末期においては、背景の真空度が劣化することは明らかである。このため、実際には安定したクラスターガス３０が形成されるのは、ノズル４０がオンとされた期間における初期であると考えることができる。例えば、ノズル４０がＯＮとされてからＯＦＦとされるまでの間の期間の初期１０〜２０％程度の期間にレーザー光２０を照射することが好ましい。
【００４３】
なお、上記の例では、Ｄ＝３．０×１０９ｃｍ−３としたが、２．０×１０８〜２．０×１０１０ｃｍ−３の範囲としても同様である。
【００４４】
上記の構成においては、ＨｅとＣＯ２の混合ガスを用い、ＣＯ２クラスターが形成されたクラスターガスを用いた場合について説明した。しかしながら、他の構成の混合ガスを用い、他のクラスター種を形成した場合においても、同様である。
【００４５】
上記のイオン加速装置においては、レーザー光の集光位置（集光光学系）、混合ガスを噴出するノズルの開閉タイミング等を制御することによって、高品質のイオンビームを得ることができる。このため、従来より知られるレーザー駆動型のイオン加速装置と装置構成自身を大きく変えずにこれを実現することができる。従って、他の種類の加速装置と比べて装置全体を小型化することが可能であり、医療用等、様々な分野への応用が可能である。
【００４６】
このため、このイオン加速装置によって加速されたイオンを試料に照射する構成とすれば、各種のイオンをイオンビームとして照射するイオンビーム照射装置とすることができる。従来のイオンビーム照射装置においては、イオンを加速するサイクロトロンや高周波空洞等を用いた機構が大型化するために、装置全体を小型化することが困難であった。これに対し、このイオンビーム照射装置においては、上記のとおり、この加速機構を小型化することが可能であるため、装置全体を小型化することができる。従って、このイオンビーム照射装置を各種の施設、例えば医療施設等に導入することも容易であり、医療用イオンビーム照射装置として特に好ましく用いることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０ イオン加速装置
２０ レーザー光（パルスレーザー光）
２１ 集光光学系
３０ クラスターガス（ターゲット）
３１ ヘリウム（Ｈｅ）原子
３２ ＣＯ２クラスター
４０ ノズル
５０ イオンビーム
５１ 炭素（Ｃ）イオン
５２ 酸素（Ｏ）イオン
５３ ヘリウム（Ｈｅ）イオン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルから第１成分のガスと第２成分のガスの混合ガスが真空中に噴出されることによって前記第２成分のガスの分子からなるクラスターが前記第１成分のガス中に分散した形態で前記ノズルから柱状に形成されたクラスターガスに対し、前記混合ガスの噴出方向と略垂直の方向からパルスレーザー光を照射することによって前記クラスターガスをプラズマ化し、前記クラスターガスを構成する原子をイオン化して加速するイオン加速方法であって、
前記クラスターガス中における前記クラスターの密度を２．０×１０８〜２．０×１０１０ｃｍ−３の範囲とし、
前記パルスレーザー光を、前記柱状に形成されたクラスターガスにおいて照射側から見て後方８０〜１００％の位置で集光させることを特徴とするイオン加速方法。
【請求項２】
前記柱状に形成されたクラスターガスにおける前記パルスレーザー光の透過率を５〜１０％の範囲とすることを特徴とする請求項１に記載のイオン加速方法。
【請求項３】
前記混合ガスの噴出時間を０．０１〜１０ｍｓとし、前記噴出時間に対応して形成された前記クラスターガスの生成タイミングにおける生成時から前記噴出時間の１０〜２０％の範囲において前記パルスレーザー光を前記柱状に形成されたクラスターガスに照射することを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン加速方法。
【請求項４】
前記第１成分のガスはＨｅであり、前記第２成分のガスはＣＯ２であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のイオン加速方法。
【請求項５】
クラスターガスにパルスレーザー光を照射し、前記クラスターガスをプラズマ化し、前記クラスターガスを構成する原子をイオン化して加速するイオン加速装置であって、
第１成分のガスと第２成分のガスの混合ガスを真空中に噴出し、前記第２成分のガスの分子からなるクラスターが前記第１成分のガス中に分散した柱状の形態とされた前記クラスターガスを生成するノズルと、
前記パルスレーザー光を発振するレーザー光源と、
前記パルスレーザー光を予め設定された集光点で集光するように前記クラスターガスに照射させる集光光学系と、を具備し、
前記クラスターガス中における前記クラスターの密度を２．０×１０８〜２．０×１０１０ｃｍ−３の範囲とし、
前記集光点を、前記柱状の形態とされたクラスターガスにおいて照射側から見て後方８０〜１００％の位置とすることを特徴とするイオン加速装置。
【請求項６】
前記柱状の形態とされたクラスターガスにおける前記パルスレーザー光の透過率を５〜１０％の範囲とすることを特徴とする請求項５に記載のイオン加速装置。
【請求項７】
前記混合ガスの噴出時間を０．０１〜１０ｍｓとし、前記噴出時間に対応して形成された前記クラスターガスの生成タイミングにおける生成時から前記噴出時間の１０〜２０％の範囲において前記パルスレーザー光を前記柱状に形成されたクラスターガスに照射することを特徴とする請求項５又は６に記載のイオン加速装置。
【請求項８】
前記第１成分のガスはＨｅであり、前記第２成分のガスはＣＯ２であることを特徴とする請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載のイオン加速装置。
【請求項９】
請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載のイオン加速装置によって加速されたイオンを試料に対して照射する構成を具備することを特徴とするイオンビーム照射装置。
【請求項１０】
請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載のイオン加速装置によって加速されたイオンを患部に対して照射する構成を具備することを特徴とする医療用イオンビーム照射装置。
【請求項１】
ノズルから第１成分のガスと第２成分のガスの混合ガスが真空中に噴出されることによって前記第２成分のガスの分子からなるクラスターが前記第１成分のガス中に分散した形態で前記ノズルから柱状に形成されたクラスターガスに対し、前記混合ガスの噴出方向と略垂直の方向からパルスレーザー光を照射することによって前記クラスターガスをプラズマ化し、前記クラスターガスを構成する原子をイオン化して加速するイオン加速方法であって、
前記クラスターガス中における前記クラスターの密度を２．０×１０８〜２．０×１０１０ｃｍ−３の範囲とし、
前記パルスレーザー光を、前記柱状に形成されたクラスターガスにおいて照射側から見て後方８０〜１００％の位置で集光させることを特徴とするイオン加速方法。
【請求項２】
前記柱状に形成されたクラスターガスにおける前記パルスレーザー光の透過率を５〜１０％の範囲とすることを特徴とする請求項１に記載のイオン加速方法。
【請求項３】
前記混合ガスの噴出時間を０．０１〜１０ｍｓとし、前記噴出時間に対応して形成された前記クラスターガスの生成タイミングにおける生成時から前記噴出時間の１０〜２０％の範囲において前記パルスレーザー光を前記柱状に形成されたクラスターガスに照射することを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン加速方法。
【請求項４】
前記第１成分のガスはＨｅであり、前記第２成分のガスはＣＯ２であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のイオン加速方法。
【請求項５】
クラスターガスにパルスレーザー光を照射し、前記クラスターガスをプラズマ化し、前記クラスターガスを構成する原子をイオン化して加速するイオン加速装置であって、
第１成分のガスと第２成分のガスの混合ガスを真空中に噴出し、前記第２成分のガスの分子からなるクラスターが前記第１成分のガス中に分散した柱状の形態とされた前記クラスターガスを生成するノズルと、
前記パルスレーザー光を発振するレーザー光源と、
前記パルスレーザー光を予め設定された集光点で集光するように前記クラスターガスに照射させる集光光学系と、を具備し、
前記クラスターガス中における前記クラスターの密度を２．０×１０８〜２．０×１０１０ｃｍ−３の範囲とし、
前記集光点を、前記柱状の形態とされたクラスターガスにおいて照射側から見て後方８０〜１００％の位置とすることを特徴とするイオン加速装置。
【請求項６】
前記柱状の形態とされたクラスターガスにおける前記パルスレーザー光の透過率を５〜１０％の範囲とすることを特徴とする請求項５に記載のイオン加速装置。
【請求項７】
前記混合ガスの噴出時間を０．０１〜１０ｍｓとし、前記噴出時間に対応して形成された前記クラスターガスの生成タイミングにおける生成時から前記噴出時間の１０〜２０％の範囲において前記パルスレーザー光を前記柱状に形成されたクラスターガスに照射することを特徴とする請求項５又は６に記載のイオン加速装置。
【請求項８】
前記第１成分のガスはＨｅであり、前記第２成分のガスはＣＯ２であることを特徴とする請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載のイオン加速装置。
【請求項９】
請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載のイオン加速装置によって加速されたイオンを試料に対して照射する構成を具備することを特徴とするイオンビーム照射装置。
【請求項１０】
請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載のイオン加速装置によって加速されたイオンを患部に対して照射する構成を具備することを特徴とする医療用イオンビーム照射装置。
【図２】
【図７】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１１９０６５（Ｐ２０１２−１１９０６５Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６４８３３（Ｐ２０１０−２６４８３３）
【出願日】平成２２年１１月２９日（２０１０．１１．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度及び平成２０年度文部科学省「先端融合領域イノベーション創出拠点の形成「光医療産業バレー」拠点創出」（委託業務）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２９日（２０１０．１１．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度及び平成２０年度文部科学省「先端融合領域イノベーション創出拠点の形成「光医療産業バレー」拠点創出」（委託業務）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
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