説明

レーザー駆動の小型・高コントラスト・コヒーレントX線発生装置及びその発生方法

【課題】
レーザー光のコントラストを改善し、適切なターゲット条件を選ぶことにより、高速電子発生を抑制し、高輝度でコヒーレント、高コントラストのX線を発生させる装置及び方法。
【解決手段】
真空ポンプを備えた真空槽内に、パルス圧縮器、集光ミラー、ガス供給装置、偏向磁石及びレーザー阻止X線透過窓を設け、真空槽を真空ポンプにより真空に保ち、この真空槽内のパルス圧縮器に真空槽外部からレーザー光を導入してパルス圧縮器によりパルス幅をフェトム秒に圧縮した後、集光ミラーによりガス供給装置より発生させるガスジェットターゲットに集光させ、このターゲットの位置をレーザー進行方向に調整することにより高速電子の発生を伴わないX線発生に最適な地点でX線を発生させる、高速電子発生を伴わない、高強度でコヒーレント、高コントラストのX線を発生させる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザープラズマ硬X線発生装置に属するもので、その性能をコントラスト及び強度の点で更に改良したレーザー駆動の小型・高コントラスト・コヒーレントX線発生装置及びその発生方法に関するものである。
【0002】
又、本発明は、このような高輝度でコヒーレント、高コントラストのX線を発生できる小型のX線源、及びこのX線源を用いて明瞭なX線像を撮影可能な撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【0003】
従来から、レーザープラズマ硬X線源としては、固体、ガス、クラスター、液滴が用いられてきた。しかし、これらのX線源では、興味ある特性X線の他に高速電子に起因する制動放射連続X線が同時に発生し、バックグランドレベルが高くなるという問題があった。又、シンクロトロン放射からのX線は、X線の高いコントラストを持つが、大型の放射光装置が必要であるという問題があった(例えば、特許文献1及び2)。上記特性X線とは、原子の電子軌道準位間の遷移によって発生するX線のことで、元素に特有な波長を持つものである。
【0004】
更に、クリプトンのクラスターターゲットを用いたレーザープラズマX線の報告であるが、本発明とは、X線コントラストが、Fig.2の様に悪い、変換効率が低い点で異なる(例えば、非特許文献1)。
【0005】
又、固体ターゲット(Mo,Ag,La)を用いた場合のレーザープラズマX線のスペクトルを紹介している、本発明とは、X線コントラストが、Fig.3の様に悪い、点で異なる(例えば、非特許文献2)。
【0006】
更に又、固体ターゲットを用いた場合のレーザープラズマX線に関する報告であるが、本発明とは、X線コントラストが悪い(Fig.1)、Kαへの変換効率が悪い(2x10-5)点で異なる(非特許文献3)。
【特許文献1】特開平11-160499「レーザープラズマX線発生装置」
【特許文献2】特開2006-172898「レーザープラズマX線発生装置」
【非特許文献1】R.C. Issac et al., “Ultra hard x rays from krypton clusters heated by intense laser fields”, Physics of Plasmas 11, 7, pp. 3491-3496 (2004)
【非特許文献2】L. M. Chen et al., “High resolution hard x-ray spectroscopy of femtosecond laser-produced plasmas with a CZT detector”, Review of Scientific Instruments, 74, 12, pp.5035-5038 (2003).
【非特許文献3】Bixue Hou et al., “Dependence of hard x-ray yield on laser pulse parameters in the wavelength-cubed regime”, Applied Physics Letters 84, 13, pp. 2259-2261 (2004).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の装置は、レーザー光のコントラストを改善し、適切なターゲット条件を選ぶことにより、高速電子発生を抑制し、高強度でコヒーレント、高コントラストのX線を発生できる小型のX線源であるレーザー駆動の高コントラスト単色高強度コヒーレントX線発生装置を提供すること、及びこのX線源を用いて明瞭なX線像を撮影可能な撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、図1に示されるように、真空ポンプを備えた真空槽内に、パルス圧縮器、集光ミラー、アルゴンガス供給装置、偏向磁石及びレーザー阻止X線透過窓を設け、真空槽を真空ポンプにより真空に保ち、この真空槽内のパルス圧縮器に真空槽外部からレーザー光を導入してパルス圧縮器によりパルス幅をフェトム秒に圧縮した後、集光ミラーによりガス供給装置より発生させるガスジェットターゲットに集光させ、このターゲットの位置をレーザー進行方向に調整することにより高速電子の発生を伴わないX線発生に最適な地点でX線を発生させ、更にこのX線からその他の電子を除去して撮影試料及びX線撮像装置を保護するのために偏向磁石を設置して電子を曲げてX線のみ取り出すことからなる、高速電子発生を抑制した、高強度でコヒーレント、高コントラストのX線を発生させるものである。
【0009】
本発明においては、得られたX線が単一のX線により構成され、不要なX線を含まないために、高コントラストで明瞭なX線像が得られる。
【発明の効果】
【0010】
本発明のX線発生装置は、旧来のレーザープラズマ線発生装置と比較して、高エネルギー電子の制動放射に伴う不要なX線の発生を抑制し、必要なX線をコントラスト良く得ることができるので、X線の発生効率が良い。又、シンクロトロン放射を利用したX線源に比べて装置は大幅に小さく、短パルスのX線が得られる。このX線を試料の観察に用いる場合、試料への不要なX線の照射が少ないので、試料への損傷、被爆が少ない。更に、不溶なX線を含まないので、X線像のコントラストが良くなり、明瞭な像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
本発明では図1に示される以下のような構造を持つX線発生装置を用いる。真空槽1内は、真空ポンプ2により真空に保たれる。この真空槽内に導入されたレーザー光3は、パルス圧縮器4によりパルス幅がフェトム秒に圧縮された後、反射型の集光ミラー5によりガス供給装置6により発生されるガスジェットターゲット7上に集光される。ガスの密度は、本発明の装置及び手法では、ガスジェットターゲットの位置をレーザー進行方向に調整することにより高速電子発生を伴わない集光装置を選択して使用する。
【0012】
通常は、高速電子発生が起きる点の前後に、2つのX線発生に最適な地点が存在する。本発明の装置では、高速電子発生を伴わないが、後に説明するX線撮像装置又は試料の保護のために電子9(レーザー照射に伴い発生する高速電子)を曲げる偏向磁石8を設置する。このようにして、X線10がレーザーの進行方向に生成される。
【0013】
ここで、レーザー光の持つプリパルスをその集光した際の集光強度がガスをイオン化しない程度に低減することが重要である。ここで、レーザーの「プリパルス」とは、フェトム秒レーザーのシステムに起因して発生する。主パルスに時間的に先行するパルス光を意味する(図2参照)。又、この主パルスとプリパルスの強度比をレーザーのコントラスト比と呼ぶ。
【0014】
又、レーザーのパワーP,プラズマ密度neは、レーザーがプラズマ中で自己集束を起こす、条件P=16.2(ncr/ne)GWを満たすようにする。ここで、ncrは臨界プラズマ密度で、レーザーの波長λを用いて、
ncr=π/(2.8×10−13×λ[cm])[cm―13]と表される。
【0015】
加えて、真空とガスの境界を際立たせ、ガスとの相互作用を高めるために、超音速で噴出されるガスジェットターゲットを用いることが必要である。本発明の装置では、このように、高速電子の発生を抑制し、ガスの特性X線にエネルギーを集中した単色なX線を発生できるという特徴を持っている。
【0016】
このようにして発生するX線は、用いたガス原子の準位によって決まる単色のX線であり、次のコヒーレントである。
時間コヒーレント:Tcをコヒーレント時間、Δfをスペクトル幅とすれば、TcΔf〜1決まる時間内においてコヒーレントである。
【0017】
空間コヒーレント:Lc=(波長)×(X線源と検出器の距離)で決まるコヒーレント長においてコヒーレントである。
更に、本発明(請求項2)でのX線透過像又は位相コントラスト像を取得するには、図1に示されるように、レーザー光の透過を阻止し、X線を透過させる窓11の後に、試料12を置き、透過したX線をX線撮像装置13により取得する。
【0018】
このようにして得られたX線源は、単一のX線により構成されるため、明瞭な像が得られるのが本発明の装置の特徴である。位相コントラスト像を取得するには、上記式で与えられるLcが撮像装置の分解能以上になるように適切に距離を選ぶ必要がある。
【実施例】
【0019】
以下に実際の実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。図1で示した構成で実験を行った。レーザーには、中心波長800 nm、パルス幅 70 fs(半値全幅)、エネルギー200 mJのチタンサファイアレーザーを用いた。コントラスト比は、106以上が達成されている。ガスは、Arガスを、リザーバ圧力4 MPaをかけた高速のガスバルブを用いて、真空中内にガスを供給した。反射型ミラーとして、金がコートされた焦点距離645mmの軸外し放物面鏡を用いた。レーザーの集光強度は、(6-9)x1017W/cm2であった。従来例に比べて、ピークを持ったX線(Ka線)以外のバックグラウンドX線強度が低い、高コントラストのX線が生成されていることを実証した。
【0020】
さらに、X線撮像装置としてイメージングプレートを使用し、蜘蛛の位相コントラスト像を撮影した。図3に示したように、高コントラストで蜘蛛の内部が撮影できることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明のX発生装置の構成を示す図である。
【図2】フェトム秒レーザーのパルスの時間構造を示す図である。
【図3】本装置の実施例で撮影された蜘蛛の位相コントラスト像を示す図である。
【符号の説明】
【0022】
1:真空槽
2:真空ポンプ
3:レーザー
4:パルス圧縮器
5:集光ミラー
6:ガス供給装置
7:ガスジェツトターゲット
8:偏向磁石
9:電子
10:X線
11:レーザー阻止、X線透過窓
12:試料
13:X線撮像装置

【特許請求の範囲】
【請求項1】
フェトム秒レーザーをガス中に集光することによってアルゴンガスの特性X線を発生させるレーザープラズマX線発生装置であって、レーザーのコントラスト比(主パルスープリパルスの強度比)が高く、ガスが超音速のガスバルブによって供給される、高コントラスト、単色、コヒーレントのX線を発生できる小型のX線発生装置。
【請求項2】
発生するX線を試料に照射し、そのX線透過像又は位相コントラスト像を取得する請求項1記載の装置。
【請求項3】
真空ポンプを備えた真空槽内に、パルス圧縮器、集光ミラー、ガス供給装置、偏向磁石及びレーザー阻止X線透過窓を設け、真空槽を真空ポンプにより真空に保ち、この真空槽内のパルス圧縮器に真空槽外部からレーザー光を導入してパルス圧縮器によりパルス幅をフェトム秒に圧縮した後、集光ミラーによりガス供給装置より発生させるガスジェットターゲットに集光させ、このターゲットの位置をレーザー進行方向に調整することにより高速電子の発生を伴わないX線発生に最適な地点でX線を発生させることからなる、高速電子発生を伴わない、高輝度でコヒーレント、高コントラストのX線を発生させる方法。
【請求項4】
ガスターゲットにおける高速電子発生を抑制した集光位置として、高速電子発生が起きる点の前後に存在するX線発生に最適な地点を選択する、請求項3記載の方法。
【請求項5】
真空ポンプを備えた真空槽内に、パルス圧縮器、集光ミラー、ガス供給装置、偏向磁石及びレーザー阻止X線透過窓を設け、真空槽を真空ポンプにより真空に保ち、この真空槽内のパルス圧縮器に真空槽外部からレーザー光を導入してパルス圧縮器によりパルス幅をフェトム秒に圧縮した後、集光ミラーによりガス供給装置より発生させるガスジェットターゲットに集光させ、このターゲットの位置をレーザー進行方向に調整することにより高速電子の発生を抑制しX線発生に最適な地点でX線を発生させ、更にこのX線からその他の発生電子を除去して撮影試料及びX線撮像装置を保護するために偏向磁石を設置して電子を曲げてX線のみ取り出すことからなる、高輝度でコヒーレント、高コントラストのX
線を発生させる方法。
【請求項6】
ガスターゲットにおける高速電子発生を抑制した集光位置として、高速電子発生が起きる点の前後に存在するX線発生に最適な地点を選択し、且つ発生X線からその他の発生電子を除去して撮影試料及びX線撮像装置を保護するために偏向磁石を設置してその電子を曲げてX線のみを取り出すことからなる、請求項3記載の方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2008−277204(P2008−277204A)
【公開日】平成20年11月13日(2008.11.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−122045(P2007−122045)
【出願日】平成19年5月7日(2007.5.7)
【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)】