Ｘ線発生装置
【課題】光電子やプラズマを発生させることなく光電界電離現象を利用し電子を放出させる電子発生技術を採用することにより、レーザー装置を小型化および低コスト化するとともに、電極の熱エネルギーによるダメージを軽減してデブリの発生を抑制することを可能にしたＸ線発生装置を提供する。
【解決手段】パルスレーザー光２を出射するレーザー光源１と、パルスレーザー光２が照射されることにより電子を放出する陰極４と、陰極４から放出した電子６が加速されて衝突することによりＸ線９を放出する陽極５と、 陰極４および陽極５を収容する真空容器７と、を備えるＸ線発生装置において、レーザー光源１は、パルス幅が１０−１２秒以下のパルスレーザー光２を出射し、陰極４から光電界電離により電子を放出させることを特徴とするＸ線発生装置である。
【解決手段】パルスレーザー光２を出射するレーザー光源１と、パルスレーザー光２が照射されることにより電子を放出する陰極４と、陰極４から放出した電子６が加速されて衝突することによりＸ線９を放出する陽極５と、 陰極４および陽極５を収容する真空容器７と、を備えるＸ線発生装置において、レーザー光源１は、パルス幅が１０−１２秒以下のパルスレーザー光２を出射し、陰極４から光電界電離により電子を放出させることを特徴とするＸ線発生装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超短パルスレーザーのレーザー光を利用したＸ線発生装置に関し、特に、医療診断装置、非破壊検査装置、Ｘ線顕微鏡、半導体基板の露光装置などの分野に利用されるＸ線発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＸ線管等でパルス状のＸ線を発生させる場合は、一般的に電子源として熱電子源が使用されているが、これに用いられる電子・電気的な回路の制約から繰り返し周波数は低く、電極を冷却する装置が必要であった。
このような電極に対する熱的影響を緩和する電子発生技術として、パルスレーザーを使用して光電効果によって光電子を発生させ、光電子をターゲットに衝突させることによってＸ線を発生させるX線発生装置が知られている。
【０００３】
ここで、光電効果について説明する。固体表面から、電子を１つ取り出すのに必要な最小のエネルギーである仕事関数Φは、電子数Ｎのときの表面の自由エネルギーをＦ（Ｎ）とすると、
【０００４】
【数１】
と表すことができる。ここでは、μを電子の化学ポテンシャル、Ｖ（∞）は取り出した表面の外部ポテンシャルである。外部ポテンシャルが定義される位置は、格子間隔に比べて表面の十分な遠方にあるが、結晶面のサイズよりは小さい。このため、仕事関数は結晶面方位に依存した量になる。また、図７に示すように、金属の仕事関数Φはフェルミ面の準位から測った外部ポテンシャルの位置であり、電気親和力や光電子放出の閾値エネルギーに等しい。ラング（Ｌａｎｇ）とコーン（Ｋｏｈｎ）は表面のジェリウム模型に局所密度汎関数理論を適用して、金属の仕事関数を微視的な電子状態に基づいて説明した。ジェリウム模型を仮定して得られた仕事関数の理論値は、金属の仕事関数のおよその値および電子密度依存性の傾向を再現することができる
【０００５】
光電子放出は、図８に示すように、光子のエネルギーｈν (ｈ：プランク定数、ν：光子の振動数)を吸収して固体内部の電子が仕事関数Φのポテンシャル井戸から真空中に放出される現象である。したがって、振動数がν０（ｈν０＝ｅΦ）以上の光子の励起によって電子の放出が実現する。
【０００６】
図９は、代表的な金属の仕事関数とそのエネルギーに相当する光の波長を示す表である。なお、仕事関数は結晶の方位や表面状態によって変化するため、仕事関数には幅がある。
【０００７】
特許文献１には、光電効果により発生した光電子を利用することによってＸ線を放射するＸ線発生装置が開示されている。この装置は、図１０に示すように、真空容器１００内の高電圧が印加される電極１０１、１０２間の一方の電極１０１に時間幅の短いパルスレーザー光１０３を照射して、光電効果を利用して、光電子１０４を陰極１０２上に短時間に発生させ、この光電子１０４を陽極１０１に衝突させて短パルスのＸ線１０５を発生するものである。同装置は、光電効果を生じさせるために、レーザー波長が２６６ｎｍという短波長のパルスレーザー光１０３を電極１０１に対して照射して光電子１０４を発生させている。しかしながら、短波長のパルスレーザー光１０３を得るためには、パラメトリック発振や非線形光学結晶を用いる必要があり、レーザー発振装置のコストが高くなり、レーザー装置１０６が大型化するといった問題があった。また、同装置において使用されているレーザー光１０３のパルス幅は４００ｎｓである。しかし、電極１０１に照射されるパルスレーザー光１０３のパルス幅がｐｓ以上であると、レーザー光のパワーは、レーザー光１０３のエネルギー／パルス幅で表されるため、パルス幅が長いと高いパワーが必要となり、その分照射されるレーザー光１０３のエネルギーが強大となる。そのため、レーザー光１０３の照射により発生した電極１０１での熱エネルギーによるダメージが大きくなり、電極１０１が損耗してデブリが発生するという問題があった。
【０００８】
特許文献２には、レーザー誘起Ｘ線源が開示されている。このＸ線源は、図１１に示すように、容器２０１内に陽極２０２と陰極２０３とを対向させて配置し、容器２０１の壁面に形成した開口部にレーザー入射窓２０４を設け、また、容器２０１の壁面に形成した開口部にＸ線窓２０５を設けている。この構成において、陽極２０２と陰極２０３との間に電圧を印加し、レーザー入射窓２０４から陽極２０２又は陰極２０３等の照射部位２０６にレーザー光２０７を照射し、このレーザー光２０７をトリガーとしてプラズマを発生させ、陰極２０３から飛び出した電子を陽極２０２に衝突させることによってＸ線２０８を発生させ、Ｘ線窓２０５から容器２０１の外側に取出している。しかし、このレーザー誘起Ｘ線源は、陰極２０３に対してレーザー光２０７を照射してプラズマを発生させているので、陰極２０３が経時的に消耗すると共に、デブリが発生して容器２０１内が汚染される、という問題があった。
【０００９】
特許文献３には、レーザー光の照射によってプラズマを生成してＸ線を発生させるレーザープラズマＸ線源が開示されている。このレーザープラズマＸ線源は、図１２に示すように、陽極３０１に対してレーザー光３０２を照射してプラズマ３０３を発生させ、平板形状の陰極３０４と陽極３０１との間に高電圧３０５を印加して高電界を形成し、陰極３０４で発生した光電子を陽極３０１に衝突させてＸ線３０７を発生させている。しかし、このＸ線源は、特許文献１に示されたＸ線発生装置と同様に、光電子を放出させるために短波長のパルスレーザー光を使用することが必要となるため、レーザー装置が大型化し、コストが高くなるという問題があった。更に、レーザープラズマＸ線源が陽極３０１に対してレーザー光３０２を照射してプラズマ３０３を発生させているので、特許文献２に示されたレーザー誘起Ｘ線源と同様に、陽極３０１が経時的に消耗すると共に、デブリが発生して容器内が汚染される、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−１５５８９７号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４５９７号公報
【特許文献３】特開２００１−２３７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、上記の従来技術に係るＸ線発生装置の問題に鑑みてなされたものであり、従来のＸ線発生装置と全く異なる電子発生技術、即ち、光電子やプラズマを発生させることなく電子を放出させる電子発生技術を採用することにより、レーザー装置を小型化および低コスト化するとともに、電極の熱エネルギーによるダメージを軽減してデブリの発生を抑制することを可能にしたＸ線発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、パルスレーザー光を出射するレーザー光源と、前記パルスレーザー光が照射されることにより電子を放出する陰極と、該陰極から放出した電子が加速されて衝突することによりＸ線を放出する陽極と、前記陰極および前記陽極を収容する真空容器と、を備えるＸ線発生装置において、前記レーザー光源は、パルス幅が１０−１２秒以下のパルスレーザー光を出射し、前記陰極から光電界電離により電子を放出させることを特徴とするＸ線発生装置である。
請求項２記載の発明は、前記パルスレーザー光の波長が、前記陰極の構成物質の仕事関数のエネルギーに相当する光の波長よりも長いことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置である。
請求項３記載の発明は、前記レーザー光源が出射する１パルスあたりのレーザー光のフルエンスが５ｍＪ／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置である。
請求項４記載の発明は、前記レーザー光源が出射する１パルスあたりのレーザー光のフルエンスが６０ｍＪ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置である。
請求項５記載の発明は、前記レーザー光源が出射するパルス状のレーザー光を集光して焦点位置に結像させる光学素子を有し、前記光学素子は、前記陰極の被照射面上を除く領域に焦点位置を有することを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置である。
請求項６記載の発明は、前記レーザー光源が出射するパルス状のレーザー光のビーム径が１．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項５記載のＸ線発生装置である。
請求項７記載の発明は、前記レーザー光源はファイバーレーザーであることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置である。
請求項８記載の発明は、前記レーザー光源はチタンサファイアレーザーであることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置である。
請求項９記載の発明は、前記真空容器は、内圧が大気圧以下に減圧された内部空間を有する管球よりなり、前記陰極および前記陽極が前記管球に気密に封止されていることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置である
【発明の効果】
【００１３】
本発明のＸ線発生装置は、レーザー光源にパルス幅が１０−１２秒以下という超短パルスレーザー光を陰極に照射して、光電界電離という現象を生じさせることによって、陰極から電子を放出させる。よって、従来のように光電子を発生させるために短波長のパルスレーザー光を用いる必要がないため、レーザー装置を小型化することができるとともに、パルスレーザー光のエネルギーが小さくなり、陰極の損耗に伴うデブリの発生を抑制することができる。
また、陰極の構成物質の仕事関数に相当する光の波長に比べて長い波長のパルスレーザー光を使用することにより、パルスレーザー光のエネルギーが小さくなり、陰極の損耗に伴うデブリの発生を抑制することができる。
また、１パルスあたりのレーザー光のフルエンスが５〜６０ｍＪ／ｃｍ２であるため、Ｘ線を確実に発生させることができるものでありながら、レーザー光が照射される電極に対する損耗を抑制することができる。
また、パルス状のレーザー光のビーム径が１．２ｍｍ以上であるため、Ｘ線の放射当量を高いものとすることができる。
さらに、真空容器は内圧が大気圧以下に減圧された密閉空間を有する石英ガラス管よりなり、前記陰極および前記陽極が前記石英ガラス管に気密に封止されているため、真空容器の内部空間を減圧状態にするための排気手段を備える必要がないので、Ｘ線発生装置を小型かつ低コスト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るＸ線発生装置の概略構成を示す図である。
【図２】光学素子３の焦点位置が、陰極４のレーザー被照射面よりも遠方の光軸Ｘ上の位置していることを示す図である。
【図３】高強度レーザー入射時の原子のポテンシャル曲線を示す図である。
【図４】金属表面における光電界電離を説明するための図である。
【図５】実験１により得られた、レーザー光２の１パルスあたりのフルエンスに対するＸ線９の放射当量、および各フルエンスにおける陰極４の損耗の有無を示すグラフである。
【図６】実験２により得られた、レーザー光２の１パルスあたりのフルエンスに対するＸ線９の放射当量を示すグラフである。
【図７】金属の仕事関数Φがフェルミ面の準位から測った外部ポテンシャルの位置にあることを説明するための図である。
【図８】光電子放出が、光子のエネルギーｈνを吸収して固体内部の電子が仕事関数Φのポテンシャル井戸から真空中に放出される現象であることを説明するための図である。
【図９】代表的な金属の仕事関数とそのエネルギーに相当する光の波長を示す表である。
【図１０】特許文献１における、光電効果により発生した光電子を利用することによってＸ線を放射するＸ線発生装置を示す図である。
【図１１】特許文献２における、レーザー誘起Ｘ線源を示す図である。
【図１２】特許文献３における、レーザー光の照射によってプラズマを生成してＸ線を発生させるレーザープラズマＸ線源を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明者らは、パルスレーザー光を電極に照射させて電子を発生させる電子発生技術について鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
陰極に対して、パルス幅の極めて短い超短パルスレーザー光を照射すると、光電効果とは異なる光電界電離現象に基づいて電子が放出される。光電界電離現象については後に詳述するが、光電界電離現象を利用することにより、電極に照射するパルスレーザー光の波長の長短に係らず電子を発生させることができるので、光電子を発生させるために短波長のパルスレーザー光を使用しなくても済む。つまり、電子を放出させるために、従来よりも長波長（即ち、エネルギーが小）のパルスレーザー光を電極に照射した場合でも、電極から電子を放出させることができる。よって、パルスレーザー光を照射する電極の仕事関数に相当する光の波長よりも長波長のパルスレーザー光を使用することが可能となる。
【００１６】
本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、パルスレーザー光を出射するレーザー光源と、前記パルスレーザー光が照射されることにより電子を放出する陰極と、前記陰極から放出した電子が加速されて衝突することによりＸ線を放出する陽極と、前記陰極および前記陽極を収容する真空容器と、を備えるＸ線発生装置において、前記レーザー光源は、パルス幅が１０−１２秒以下のパルスレーザー光を出射し、前記陰極から光電界電離により電子を放出させることを特徴とするＸ線発生装置である。
【００１７】
本発明の一実施形態を図１〜図６を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るＸ線発生装置の概略構成を示す図である。
同図に示すように、このＸ線発生装置は、パルス状のレーザー光２を発振するレーザー光源１と、レーザー光源１から発振されたパルス状のレーザー光２を集光する光学素子３と、光学素子３により集光されたパルス状のレーザー光２が照射される陰極４と、陰極４にレーザー光２が照射されることによって陰極４から放出された電子６が衝突する陽極５と、陰極４および陽極５が所定距離を隔てて向き合った状態でこれらを収容する球状の管球７と、陰極４および陽極５に高電圧を印加して陰極４から放出される電子６を加速するための高電圧電源８とを備えている。陰極４を、正側が接地された高電圧電源８の負側に接続し、陽極５を接地し、または、図示されていないが、陰極４を接地し、陽極５を負側が接地された高電圧電源８の正側に接続する。なお、１０は実験１で使用されるサーベイメーターである。
【００１８】
レーザー光源１は、パルス幅が１０−１２秒以下のパルス状レーザー光２を発振するレーザー発振器である。レーザー発振器として、パルス幅がフェムト領域にあるフェムト秒レーザーを使用することが好ましい。パルス状のレーザー光２のパルス幅が１０−１２秒以下という超短パルスであることにより、レーザー光２が照射される陰極４におけるレーザーアブレーションが低減され、陰極４の損耗が抑制される。レーザー光源１は、例えば、ファイバーレーザー、チタンサファイアレーザー等で構成される。
【００１９】
本発明によれば、後述するように、光電界電離はパルスレーザー光の波長を問わず発生するため、パルスレーザー光の波長を任意に選択することができる。例えば、パルスレーザー光２の波長を、パルスレーザー光２が照射される陰極４を構成する物質の仕事関数のエネルギーに相当する光の波長よりも長くすることもできる。このような比較的長い波長のパルスレーザー光２を使用すれば、レーザー発振器を小型化できるとともに低コスト化することができる。
【００２０】
ここで、レーザー光源１から発振されるパルスレーザー光２のフルエンス（単位面積あたりのエネルギー量）は、１パルスあたり５〜６０ｍＪ／ｃｍ２であることが好ましい。６０ｍＪ／ｃｍ２は、パルスレーザー光２が照射される陰極４が熱的ダメージを受けないための、１パルスあたりのレーザー光のフルエンスの上限値であり、上記した特許文献に記載されているフェムトレーザーのフルエンスに比べて格段に低い。また、５ｍＪ／ｃｍ２は、Ｘ線を確実に発生させるための、１パルスあたりのレーザー光のフルエンスの下限値である。
【００２１】
また、光学素子３は、レーザー光源１から発振される、パルス幅が１０−１２秒以下のパルス状レーザー光を集光して焦点位置に結像させるために用いられ、好ましくは、色収差のないアクロマティックレンズである。光学素子３は、前記のパルス幅を有するパルス状レーザー光を集光できるものであれば、特に限定されるものではない。光学素子３の焦点位置は、図２に示すように、パルス状のレーザー光２が照射される箇所である陰極４の斜面部４１上には一致せず、陰極４のレーザー被照射面よりも遠方の光軸Ｘ上の位置に一致している。なお、図示は省略するが、光学素子３の焦点位置を陰極４のレーザー被照射面よりもレーザー光源２側に配置することもできる。光学素子３の焦点位置を上記のように配置することにより、陰極４へのダメージが軽減される。
【００２２】
発生するＸ線の出力を高いものとするため、陰極４に照射されるパルス状のレーザー光２のビーム径は、１．２ｍｍ以上であることが好ましい。ここで、ビーム径とは、パルス状のレーザー光２が陰極４上に照射される箇所での径を意味する。陰極４の被照射面におけるビーム径が小さ過ぎると、レーザー光２のフルエンスは大きいが照射面積が小さいので、トータルの電子発生量は少なくなり、また、陰極４に対するレーザーアブレーションが大きくなる。一方、陰極４の被照射面におけるビーム径が大きすぎると、レーザー光のフルエンスが小さく、陰極４から発生する電子が少ないため、トータルの電子発生量は少ない。したがって、陰極４に照射されるレーザー光２のビーム径を上記の範囲に規定することによって、レーザー光２のフルエンスと、レーザー光２の陰極４上への照射面積とが最適となり、Ｘ線の出力を向上させることができる。
【００２３】
陰極４は、レーザー光源１から発振されるレーザー光２が照射されることにより電子６を放出する。陰極４は、仕事関数の低い材料である、例えば、銅等によってロッド状に構成されている。陰極４を仕事関数の低い材料で構成することにより、パルス状のレーザー光２が照射されたときに電子６を放出し易くなる。陰極４は、レーザー光源２から発振されるパルス状レーザー光２が照射される斜面部４１を有している。斜面部４１は、レーザー光源２から発振したレーザー光２が照射されたときに、電子６を陽極５に向けて放出することのできる角度を有している。陰極４の斜面部４１と陽極５の斜面部５１とは互いに平行に形成されている。
【００２４】
陽極５は、陰極４から放出された電子６が衝突してＸ線９を発生する。陽極５は、陰極４と同じくタングステンによってロッド状に構成されている。陽極５は、陰極４から放出された電子６が衝突する斜面部５１が形成されている。斜面部５１は、陰極４から放出された電子６が衝突することのできる角度を有している。
【００２５】
管球７は、陽極５から発生したＸ線９を透過する石英ガラスにより概略球状に構成されている。陰極４および陽極５は、それぞれの一端が管球７の内部空間Ｓに突出し、それぞれの他端が管球５の外方に突出している。管球５の内部空間Ｓは、陰極４および陽極５を封止した際に所定の圧力以下に減圧される。管球５は、陰極４および陽極５が気密に封止されているので、真空ポンプ等の排気手段を備えなくても、内部空間Ｓの圧力が常に大気圧以下に減圧された状態に維持される。したがって、Ｘ線発生装置を小型かつ低コスト化することができる。
【００２６】
次に、図１に示したＸ線発生装置の動作について説明する。
まず、レーザー光源１により発振されたパルス状のレーザー光２は、光学素子３に入射し、光学素子３によって集光され、管球７の内部に配置された陰極４の斜面部４１に照射される。パルス状のレーザー光２が陰極４の斜面部４１に照射されることにより、陰極４から電子６が陽極５の斜面部５１に向けて放出される。陰極４および陽極５に接続された高電圧電源８は、陰極４と陽極５との間に、例えば、数十ｋＶの高電圧を印加し電子を加速する。加速された電子６が陽極５の斜面部４１に衝突することによってＸ線９を発生し、Ｘ線９は管球７の外部へ放出される。
【００２７】
上述のごとく、本発明のＸ線発生装置は、陰極４に対してパルス幅が１０−１２秒以下の超短パルスレーザー光２を照射することにより、光電界電離現象を発生させ、当該現象によって電子６を放出させる。即ち、本発明のＸ線発生装置においては、従来の光電効果とは全く異なる現象を発生させることにより、パルスレーザー光の波長に依存することなく、電子を放出させることができる。以下に、光電界電離現象について詳述する。
【００２８】
ここでは、まず超短パルス高強度レーザーによる光電界電離を分かりやすく説明するために、気体原子を例にとる。原子や分子にレーザー光２を照射すると、電子はレーザー光２の光電界によって力を受ける。特に、超短パルス高強度レーザーを集光すると極めて強い光電界を発生させることができる。図３は、高強度レーザー入射時の原子のポテンシャル曲線を示している。高強度レーザーの照射がないときは、原子核の陽子に起因するクーロンポテンシャル（ｃｏｕｌｏｍｂ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）１１が発生しており、このクーロンポテンシャル１１の中に電子１３は閉じ込められており、飛び飛びのエネルギー値を持つ。レーザー光２による光電界ポテンシャル（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｅｌｄ）１２が原子内のクーロンポテンシャル１１と同程度になったとき、電子１３がある一つの場所に偏るため、原子のクーロンポテンシャル１１が歪められ、効果的可能性（ｅｆｆｃｔｉｖｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）１２の状態となり、ポテンシャル障壁が薄くなるため、トンネル電離（ｔｕｎｅｌｉｎｇ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）１４が起こる。この現象におけるトンネル電離１４の状態は電離確率Ｗ（ｓ−１）によって表され、ＡＤＫ理論により求められる。
【００２９】
【数２】
ここで、Ｅａ．ｕ．は原子内で受ける電界強度であり、Ｅａ．ｕ．＝５．１×１０９Ｖｃｍ−１、Ｅは入射レーザーの電界強度、ｎｅｆｆは主量子数である。
式（２）は簡略した式ではあるが、式中に波長の因子がないため、任意の媒質に対してレーザー光の波長に依らず一定である。
【００３０】
図４を用いて金属表面における光電界電離について説明する。超短パルス高強度レーザーを金属の固体表面に照射すると非常に強い光電界を発生させることができる。この光電界が金属内のクーロンポテンシャルと同程度になったとき、クーロンポテンシャルが歪められ、仕事関数がΦからΔΦへ変化し、さらにポテンシャル障壁が薄くなり、トンネル電離が起こる。この現象は、上記の気体原子を例にした記述と同様に、光電界強度に依存し、レーザー光の波長によらない。よって、光電効果と全く違う原理で電子を放出させることができることが最大の特徴である。
【００３１】
次に、光電効果（従来のＸ線発生装置）と光電界電離（本発明のＸ線発生装置）とのそれぞれについて、銅で構成された陰極に対してパルスレーザー光を照射して電子を発生させる場合に必要となるパルスレーザー光の波長について、対比し検討する。
銅で構成された陰極に対してパルスレーザー光を照射して光電効果を発生させるためには、図９の表に示すように、２４８−２７６ｎｍという短波長のパルスレーザー光を照射することが必要とされる。一方、光電界電離の発生には、パルスレーザー光の波長に依存しない。例えば、陰極に照射するパルスレーザー光の波長が陰極構成物質の仕事関数のエネルギーに相当する波長よりも長い場合でも、光電界電離を確実に発生させることができる。
【００３２】
このように、本発明のＸ線発生装置によれば、光電界電離現象を利用して電子を放出するものであるため、比較的波長の長いパルスレーザー光を陰極に照射することにより、電子を放出させることができる。したがって、パルスレーザー光を出射するためのレーザー装置を小型化するとともに低コスト化することができる。しかも、比較的長い波長のパルスレーザー光を使用することにより、パルスレーザー光が照射される陰極に対する熱的ダメージを軽減することができるので、陰極の損耗が防止されるとともにデブリの発生を抑制することができる。
【００３３】
以下に、本発明の効果を確認するために行った実験１および実験２について説明する。
＜実験１＞
実験１は、図１に示したＸ線発生装置を用いて行った。フェムト秒レーザー光源１から出射するレーザー光２は、パルス幅 ＜１２０ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚである。この実験では、１パルスあたりのレーザー光２のフルエンスとＸ線放射当量との関係を調べるとともに、各フルエンスの値について陰極損耗の有無を調べた。フェムト秒レーザー光源２から出射したパルス幅約１００ｆｓのレーザー光２は、図２に示すように、まずｆ＝３００ｍｍのレンズ３に入射される。レーザー光２は、レンズ３で絞られながら陰極４がレンズ３から２００ｍｍの位置に設置してあるＸ線管球７に入射され、陰極４に照射される。発生したＸ線９の強度はＸ線管球７から１０ｍｍ離れた位置に設置されているサーベイメーター１０により計測される。なお、Ｘ線管球７内の陰極４と陽極５間には高圧電源８から３７ｋＶの高電圧を印加した。レーザー光２の強度は、レンズ３入射前のレーザー光路に設けた不図示のＮＤフィルターにより変化させた。
【００３４】
図５は、実験１により得られた、レーザー光２の１パルスあたりのフルエンスに対するＸ線９の放射当量、および各フルエンスにおける陰極４の損耗の有無を示すグラフである。
同図に示すように、レーザー光２の1パルスあたりのフルエンス約５ｍＪ／ｃｍ２がＸ線９を発生させるための閾値であることが分かった。また、フルエンス３５ｍＪ／ｃｍ２以上では、Ｘ線放射当量は飽和した。また、フルエンス６０ｍＪ／ｃｍ２においては、Ｘ線放射当量約１．５ｍＳｖ／ｈであるものの、実験終了後、陰極４を見ると目視でも明らかにダメージが観測された。
【００３５】
＜実験２＞
実験２は、実験１と同じように、図１に示したＸ線発生装置を用いて行った。フェムト秒レーザー光源１から出射するレーザー光２は、パルス幅 ＜１２０ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚである。この実験では、陰極４の被照射面におけるパルス状レーザー光２のビーム径（以下、ビーム径）を５通りとし、各ビーム径のレーザー光２についてフルエンスとＸ線９の放射当量との関係を調べた。フェムト秒レーザー光源１から出射したパルス幅約１００ｆｓのレーザー光は、図２に示すように、まずｆ＝３００ｍｍのレンズ３に入射される。フェムト秒レーザー光源１から出射されるパルス幅約１００ｆｓのレーザー光２のビーム径は、それぞれ０．７ｍｍ、１．２ｍｍ、２．５ｍｍ、３ｍｍ、７ｍｍの５通りとした。レーザー光２は、レンズ３で絞られながら、陰極４がレンズから１７５ｍｍの位置に設置してあるＸ線管球７に入射され、陰極４に照射される。ｆ＝３００ｍｍのレンズ３は、フルストロークが５０ｍｍの不図示のマイクロメーターの上に設置してあり、マイクロメーターを移動させレーザー光２の照射面積を変更させた。実験後、レーザー光２を照射した位置ごとにビームプロファイラーでレーザー光２のビーム径を計測し、レーザー光２のフルエンスを算出した。発生したＸ線９の強度はＸ線管球７から１０ｍｍ離した位置に設置されているサーベイメーター１０により計測した。なお、Ｘ線管球７内の陰極４と陽極５間には高圧電源８から３７ｋＶの高電圧を印加した。レーザー光２の強度を、レンズ３入射前のレーザー光路に不図示のＮＤフィルターを設置して変化させた。
【００３６】
図６は、実験２により得られた、レーザー光２の１パルスあたりのフルエンスに対するＸ線９の放射当量を示すグラフである。
同図に示すように、ビーム径が０．７ｍｍの場合は、レーザー光２の１パルスあたりのフルエンスが大きいが、Ｘ線９の放射当量が低いことが確認された。ビーム径が１．２ｍｍ〜２．５ｍｍの場合は、レーザー光２の１パルスあたりのフルエンスが大きくなるにつれて、Ｘ線放射当量が高くなることが確認された。
【符号の説明】
【００３７】
１ レーザー光源
２ レーザー光
３ 光学素子
４ 陰極
５ 陽極
６ 電子
７ 管球
８ 高電圧電源
９ Ｘ線
１０ サーベイメーター
１１ クーロンポテンシャル
１２ 光電界ポテンシャル
１３ 電子
１４ 効果的可能性
１５ トンネル電離
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超短パルスレーザーのレーザー光を利用したＸ線発生装置に関し、特に、医療診断装置、非破壊検査装置、Ｘ線顕微鏡、半導体基板の露光装置などの分野に利用されるＸ線発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＸ線管等でパルス状のＸ線を発生させる場合は、一般的に電子源として熱電子源が使用されているが、これに用いられる電子・電気的な回路の制約から繰り返し周波数は低く、電極を冷却する装置が必要であった。
このような電極に対する熱的影響を緩和する電子発生技術として、パルスレーザーを使用して光電効果によって光電子を発生させ、光電子をターゲットに衝突させることによってＸ線を発生させるX線発生装置が知られている。
【０００３】
ここで、光電効果について説明する。固体表面から、電子を１つ取り出すのに必要な最小のエネルギーである仕事関数Φは、電子数Ｎのときの表面の自由エネルギーをＦ（Ｎ）とすると、
【０００４】
【数１】
と表すことができる。ここでは、μを電子の化学ポテンシャル、Ｖ（∞）は取り出した表面の外部ポテンシャルである。外部ポテンシャルが定義される位置は、格子間隔に比べて表面の十分な遠方にあるが、結晶面のサイズよりは小さい。このため、仕事関数は結晶面方位に依存した量になる。また、図７に示すように、金属の仕事関数Φはフェルミ面の準位から測った外部ポテンシャルの位置であり、電気親和力や光電子放出の閾値エネルギーに等しい。ラング（Ｌａｎｇ）とコーン（Ｋｏｈｎ）は表面のジェリウム模型に局所密度汎関数理論を適用して、金属の仕事関数を微視的な電子状態に基づいて説明した。ジェリウム模型を仮定して得られた仕事関数の理論値は、金属の仕事関数のおよその値および電子密度依存性の傾向を再現することができる
【０００５】
光電子放出は、図８に示すように、光子のエネルギーｈν (ｈ：プランク定数、ν：光子の振動数)を吸収して固体内部の電子が仕事関数Φのポテンシャル井戸から真空中に放出される現象である。したがって、振動数がν０（ｈν０＝ｅΦ）以上の光子の励起によって電子の放出が実現する。
【０００６】
図９は、代表的な金属の仕事関数とそのエネルギーに相当する光の波長を示す表である。なお、仕事関数は結晶の方位や表面状態によって変化するため、仕事関数には幅がある。
【０００７】
特許文献１には、光電効果により発生した光電子を利用することによってＸ線を放射するＸ線発生装置が開示されている。この装置は、図１０に示すように、真空容器１００内の高電圧が印加される電極１０１、１０２間の一方の電極１０１に時間幅の短いパルスレーザー光１０３を照射して、光電効果を利用して、光電子１０４を陰極１０２上に短時間に発生させ、この光電子１０４を陽極１０１に衝突させて短パルスのＸ線１０５を発生するものである。同装置は、光電効果を生じさせるために、レーザー波長が２６６ｎｍという短波長のパルスレーザー光１０３を電極１０１に対して照射して光電子１０４を発生させている。しかしながら、短波長のパルスレーザー光１０３を得るためには、パラメトリック発振や非線形光学結晶を用いる必要があり、レーザー発振装置のコストが高くなり、レーザー装置１０６が大型化するといった問題があった。また、同装置において使用されているレーザー光１０３のパルス幅は４００ｎｓである。しかし、電極１０１に照射されるパルスレーザー光１０３のパルス幅がｐｓ以上であると、レーザー光のパワーは、レーザー光１０３のエネルギー／パルス幅で表されるため、パルス幅が長いと高いパワーが必要となり、その分照射されるレーザー光１０３のエネルギーが強大となる。そのため、レーザー光１０３の照射により発生した電極１０１での熱エネルギーによるダメージが大きくなり、電極１０１が損耗してデブリが発生するという問題があった。
【０００８】
特許文献２には、レーザー誘起Ｘ線源が開示されている。このＸ線源は、図１１に示すように、容器２０１内に陽極２０２と陰極２０３とを対向させて配置し、容器２０１の壁面に形成した開口部にレーザー入射窓２０４を設け、また、容器２０１の壁面に形成した開口部にＸ線窓２０５を設けている。この構成において、陽極２０２と陰極２０３との間に電圧を印加し、レーザー入射窓２０４から陽極２０２又は陰極２０３等の照射部位２０６にレーザー光２０７を照射し、このレーザー光２０７をトリガーとしてプラズマを発生させ、陰極２０３から飛び出した電子を陽極２０２に衝突させることによってＸ線２０８を発生させ、Ｘ線窓２０５から容器２０１の外側に取出している。しかし、このレーザー誘起Ｘ線源は、陰極２０３に対してレーザー光２０７を照射してプラズマを発生させているので、陰極２０３が経時的に消耗すると共に、デブリが発生して容器２０１内が汚染される、という問題があった。
【０００９】
特許文献３には、レーザー光の照射によってプラズマを生成してＸ線を発生させるレーザープラズマＸ線源が開示されている。このレーザープラズマＸ線源は、図１２に示すように、陽極３０１に対してレーザー光３０２を照射してプラズマ３０３を発生させ、平板形状の陰極３０４と陽極３０１との間に高電圧３０５を印加して高電界を形成し、陰極３０４で発生した光電子を陽極３０１に衝突させてＸ線３０７を発生させている。しかし、このＸ線源は、特許文献１に示されたＸ線発生装置と同様に、光電子を放出させるために短波長のパルスレーザー光を使用することが必要となるため、レーザー装置が大型化し、コストが高くなるという問題があった。更に、レーザープラズマＸ線源が陽極３０１に対してレーザー光３０２を照射してプラズマ３０３を発生させているので、特許文献２に示されたレーザー誘起Ｘ線源と同様に、陽極３０１が経時的に消耗すると共に、デブリが発生して容器内が汚染される、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−１５５８９７号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４５９７号公報
【特許文献３】特開２００１−２３７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、上記の従来技術に係るＸ線発生装置の問題に鑑みてなされたものであり、従来のＸ線発生装置と全く異なる電子発生技術、即ち、光電子やプラズマを発生させることなく電子を放出させる電子発生技術を採用することにより、レーザー装置を小型化および低コスト化するとともに、電極の熱エネルギーによるダメージを軽減してデブリの発生を抑制することを可能にしたＸ線発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、パルスレーザー光を出射するレーザー光源と、前記パルスレーザー光が照射されることにより電子を放出する陰極と、該陰極から放出した電子が加速されて衝突することによりＸ線を放出する陽極と、前記陰極および前記陽極を収容する真空容器と、を備えるＸ線発生装置において、前記レーザー光源は、パルス幅が１０−１２秒以下のパルスレーザー光を出射し、前記陰極から光電界電離により電子を放出させることを特徴とするＸ線発生装置である。
請求項２記載の発明は、前記パルスレーザー光の波長が、前記陰極の構成物質の仕事関数のエネルギーに相当する光の波長よりも長いことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置である。
請求項３記載の発明は、前記レーザー光源が出射する１パルスあたりのレーザー光のフルエンスが５ｍＪ／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置である。
請求項４記載の発明は、前記レーザー光源が出射する１パルスあたりのレーザー光のフルエンスが６０ｍＪ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置である。
請求項５記載の発明は、前記レーザー光源が出射するパルス状のレーザー光を集光して焦点位置に結像させる光学素子を有し、前記光学素子は、前記陰極の被照射面上を除く領域に焦点位置を有することを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置である。
請求項６記載の発明は、前記レーザー光源が出射するパルス状のレーザー光のビーム径が１．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項５記載のＸ線発生装置である。
請求項７記載の発明は、前記レーザー光源はファイバーレーザーであることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置である。
請求項８記載の発明は、前記レーザー光源はチタンサファイアレーザーであることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置である。
請求項９記載の発明は、前記真空容器は、内圧が大気圧以下に減圧された内部空間を有する管球よりなり、前記陰極および前記陽極が前記管球に気密に封止されていることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置である
【発明の効果】
【００１３】
本発明のＸ線発生装置は、レーザー光源にパルス幅が１０−１２秒以下という超短パルスレーザー光を陰極に照射して、光電界電離という現象を生じさせることによって、陰極から電子を放出させる。よって、従来のように光電子を発生させるために短波長のパルスレーザー光を用いる必要がないため、レーザー装置を小型化することができるとともに、パルスレーザー光のエネルギーが小さくなり、陰極の損耗に伴うデブリの発生を抑制することができる。
また、陰極の構成物質の仕事関数に相当する光の波長に比べて長い波長のパルスレーザー光を使用することにより、パルスレーザー光のエネルギーが小さくなり、陰極の損耗に伴うデブリの発生を抑制することができる。
また、１パルスあたりのレーザー光のフルエンスが５〜６０ｍＪ／ｃｍ２であるため、Ｘ線を確実に発生させることができるものでありながら、レーザー光が照射される電極に対する損耗を抑制することができる。
また、パルス状のレーザー光のビーム径が１．２ｍｍ以上であるため、Ｘ線の放射当量を高いものとすることができる。
さらに、真空容器は内圧が大気圧以下に減圧された密閉空間を有する石英ガラス管よりなり、前記陰極および前記陽極が前記石英ガラス管に気密に封止されているため、真空容器の内部空間を減圧状態にするための排気手段を備える必要がないので、Ｘ線発生装置を小型かつ低コスト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るＸ線発生装置の概略構成を示す図である。
【図２】光学素子３の焦点位置が、陰極４のレーザー被照射面よりも遠方の光軸Ｘ上の位置していることを示す図である。
【図３】高強度レーザー入射時の原子のポテンシャル曲線を示す図である。
【図４】金属表面における光電界電離を説明するための図である。
【図５】実験１により得られた、レーザー光２の１パルスあたりのフルエンスに対するＸ線９の放射当量、および各フルエンスにおける陰極４の損耗の有無を示すグラフである。
【図６】実験２により得られた、レーザー光２の１パルスあたりのフルエンスに対するＸ線９の放射当量を示すグラフである。
【図７】金属の仕事関数Φがフェルミ面の準位から測った外部ポテンシャルの位置にあることを説明するための図である。
【図８】光電子放出が、光子のエネルギーｈνを吸収して固体内部の電子が仕事関数Φのポテンシャル井戸から真空中に放出される現象であることを説明するための図である。
【図９】代表的な金属の仕事関数とそのエネルギーに相当する光の波長を示す表である。
【図１０】特許文献１における、光電効果により発生した光電子を利用することによってＸ線を放射するＸ線発生装置を示す図である。
【図１１】特許文献２における、レーザー誘起Ｘ線源を示す図である。
【図１２】特許文献３における、レーザー光の照射によってプラズマを生成してＸ線を発生させるレーザープラズマＸ線源を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明者らは、パルスレーザー光を電極に照射させて電子を発生させる電子発生技術について鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
陰極に対して、パルス幅の極めて短い超短パルスレーザー光を照射すると、光電効果とは異なる光電界電離現象に基づいて電子が放出される。光電界電離現象については後に詳述するが、光電界電離現象を利用することにより、電極に照射するパルスレーザー光の波長の長短に係らず電子を発生させることができるので、光電子を発生させるために短波長のパルスレーザー光を使用しなくても済む。つまり、電子を放出させるために、従来よりも長波長（即ち、エネルギーが小）のパルスレーザー光を電極に照射した場合でも、電極から電子を放出させることができる。よって、パルスレーザー光を照射する電極の仕事関数に相当する光の波長よりも長波長のパルスレーザー光を使用することが可能となる。
【００１６】
本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、パルスレーザー光を出射するレーザー光源と、前記パルスレーザー光が照射されることにより電子を放出する陰極と、前記陰極から放出した電子が加速されて衝突することによりＸ線を放出する陽極と、前記陰極および前記陽極を収容する真空容器と、を備えるＸ線発生装置において、前記レーザー光源は、パルス幅が１０−１２秒以下のパルスレーザー光を出射し、前記陰極から光電界電離により電子を放出させることを特徴とするＸ線発生装置である。
【００１７】
本発明の一実施形態を図１〜図６を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るＸ線発生装置の概略構成を示す図である。
同図に示すように、このＸ線発生装置は、パルス状のレーザー光２を発振するレーザー光源１と、レーザー光源１から発振されたパルス状のレーザー光２を集光する光学素子３と、光学素子３により集光されたパルス状のレーザー光２が照射される陰極４と、陰極４にレーザー光２が照射されることによって陰極４から放出された電子６が衝突する陽極５と、陰極４および陽極５が所定距離を隔てて向き合った状態でこれらを収容する球状の管球７と、陰極４および陽極５に高電圧を印加して陰極４から放出される電子６を加速するための高電圧電源８とを備えている。陰極４を、正側が接地された高電圧電源８の負側に接続し、陽極５を接地し、または、図示されていないが、陰極４を接地し、陽極５を負側が接地された高電圧電源８の正側に接続する。なお、１０は実験１で使用されるサーベイメーターである。
【００１８】
レーザー光源１は、パルス幅が１０−１２秒以下のパルス状レーザー光２を発振するレーザー発振器である。レーザー発振器として、パルス幅がフェムト領域にあるフェムト秒レーザーを使用することが好ましい。パルス状のレーザー光２のパルス幅が１０−１２秒以下という超短パルスであることにより、レーザー光２が照射される陰極４におけるレーザーアブレーションが低減され、陰極４の損耗が抑制される。レーザー光源１は、例えば、ファイバーレーザー、チタンサファイアレーザー等で構成される。
【００１９】
本発明によれば、後述するように、光電界電離はパルスレーザー光の波長を問わず発生するため、パルスレーザー光の波長を任意に選択することができる。例えば、パルスレーザー光２の波長を、パルスレーザー光２が照射される陰極４を構成する物質の仕事関数のエネルギーに相当する光の波長よりも長くすることもできる。このような比較的長い波長のパルスレーザー光２を使用すれば、レーザー発振器を小型化できるとともに低コスト化することができる。
【００２０】
ここで、レーザー光源１から発振されるパルスレーザー光２のフルエンス（単位面積あたりのエネルギー量）は、１パルスあたり５〜６０ｍＪ／ｃｍ２であることが好ましい。６０ｍＪ／ｃｍ２は、パルスレーザー光２が照射される陰極４が熱的ダメージを受けないための、１パルスあたりのレーザー光のフルエンスの上限値であり、上記した特許文献に記載されているフェムトレーザーのフルエンスに比べて格段に低い。また、５ｍＪ／ｃｍ２は、Ｘ線を確実に発生させるための、１パルスあたりのレーザー光のフルエンスの下限値である。
【００２１】
また、光学素子３は、レーザー光源１から発振される、パルス幅が１０−１２秒以下のパルス状レーザー光を集光して焦点位置に結像させるために用いられ、好ましくは、色収差のないアクロマティックレンズである。光学素子３は、前記のパルス幅を有するパルス状レーザー光を集光できるものであれば、特に限定されるものではない。光学素子３の焦点位置は、図２に示すように、パルス状のレーザー光２が照射される箇所である陰極４の斜面部４１上には一致せず、陰極４のレーザー被照射面よりも遠方の光軸Ｘ上の位置に一致している。なお、図示は省略するが、光学素子３の焦点位置を陰極４のレーザー被照射面よりもレーザー光源２側に配置することもできる。光学素子３の焦点位置を上記のように配置することにより、陰極４へのダメージが軽減される。
【００２２】
発生するＸ線の出力を高いものとするため、陰極４に照射されるパルス状のレーザー光２のビーム径は、１．２ｍｍ以上であることが好ましい。ここで、ビーム径とは、パルス状のレーザー光２が陰極４上に照射される箇所での径を意味する。陰極４の被照射面におけるビーム径が小さ過ぎると、レーザー光２のフルエンスは大きいが照射面積が小さいので、トータルの電子発生量は少なくなり、また、陰極４に対するレーザーアブレーションが大きくなる。一方、陰極４の被照射面におけるビーム径が大きすぎると、レーザー光のフルエンスが小さく、陰極４から発生する電子が少ないため、トータルの電子発生量は少ない。したがって、陰極４に照射されるレーザー光２のビーム径を上記の範囲に規定することによって、レーザー光２のフルエンスと、レーザー光２の陰極４上への照射面積とが最適となり、Ｘ線の出力を向上させることができる。
【００２３】
陰極４は、レーザー光源１から発振されるレーザー光２が照射されることにより電子６を放出する。陰極４は、仕事関数の低い材料である、例えば、銅等によってロッド状に構成されている。陰極４を仕事関数の低い材料で構成することにより、パルス状のレーザー光２が照射されたときに電子６を放出し易くなる。陰極４は、レーザー光源２から発振されるパルス状レーザー光２が照射される斜面部４１を有している。斜面部４１は、レーザー光源２から発振したレーザー光２が照射されたときに、電子６を陽極５に向けて放出することのできる角度を有している。陰極４の斜面部４１と陽極５の斜面部５１とは互いに平行に形成されている。
【００２４】
陽極５は、陰極４から放出された電子６が衝突してＸ線９を発生する。陽極５は、陰極４と同じくタングステンによってロッド状に構成されている。陽極５は、陰極４から放出された電子６が衝突する斜面部５１が形成されている。斜面部５１は、陰極４から放出された電子６が衝突することのできる角度を有している。
【００２５】
管球７は、陽極５から発生したＸ線９を透過する石英ガラスにより概略球状に構成されている。陰極４および陽極５は、それぞれの一端が管球７の内部空間Ｓに突出し、それぞれの他端が管球５の外方に突出している。管球５の内部空間Ｓは、陰極４および陽極５を封止した際に所定の圧力以下に減圧される。管球５は、陰極４および陽極５が気密に封止されているので、真空ポンプ等の排気手段を備えなくても、内部空間Ｓの圧力が常に大気圧以下に減圧された状態に維持される。したがって、Ｘ線発生装置を小型かつ低コスト化することができる。
【００２６】
次に、図１に示したＸ線発生装置の動作について説明する。
まず、レーザー光源１により発振されたパルス状のレーザー光２は、光学素子３に入射し、光学素子３によって集光され、管球７の内部に配置された陰極４の斜面部４１に照射される。パルス状のレーザー光２が陰極４の斜面部４１に照射されることにより、陰極４から電子６が陽極５の斜面部５１に向けて放出される。陰極４および陽極５に接続された高電圧電源８は、陰極４と陽極５との間に、例えば、数十ｋＶの高電圧を印加し電子を加速する。加速された電子６が陽極５の斜面部４１に衝突することによってＸ線９を発生し、Ｘ線９は管球７の外部へ放出される。
【００２７】
上述のごとく、本発明のＸ線発生装置は、陰極４に対してパルス幅が１０−１２秒以下の超短パルスレーザー光２を照射することにより、光電界電離現象を発生させ、当該現象によって電子６を放出させる。即ち、本発明のＸ線発生装置においては、従来の光電効果とは全く異なる現象を発生させることにより、パルスレーザー光の波長に依存することなく、電子を放出させることができる。以下に、光電界電離現象について詳述する。
【００２８】
ここでは、まず超短パルス高強度レーザーによる光電界電離を分かりやすく説明するために、気体原子を例にとる。原子や分子にレーザー光２を照射すると、電子はレーザー光２の光電界によって力を受ける。特に、超短パルス高強度レーザーを集光すると極めて強い光電界を発生させることができる。図３は、高強度レーザー入射時の原子のポテンシャル曲線を示している。高強度レーザーの照射がないときは、原子核の陽子に起因するクーロンポテンシャル（ｃｏｕｌｏｍｂ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）１１が発生しており、このクーロンポテンシャル１１の中に電子１３は閉じ込められており、飛び飛びのエネルギー値を持つ。レーザー光２による光電界ポテンシャル（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｅｌｄ）１２が原子内のクーロンポテンシャル１１と同程度になったとき、電子１３がある一つの場所に偏るため、原子のクーロンポテンシャル１１が歪められ、効果的可能性（ｅｆｆｃｔｉｖｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）１２の状態となり、ポテンシャル障壁が薄くなるため、トンネル電離（ｔｕｎｅｌｉｎｇ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）１４が起こる。この現象におけるトンネル電離１４の状態は電離確率Ｗ（ｓ−１）によって表され、ＡＤＫ理論により求められる。
【００２９】
【数２】
ここで、Ｅａ．ｕ．は原子内で受ける電界強度であり、Ｅａ．ｕ．＝５．１×１０９Ｖｃｍ−１、Ｅは入射レーザーの電界強度、ｎｅｆｆは主量子数である。
式（２）は簡略した式ではあるが、式中に波長の因子がないため、任意の媒質に対してレーザー光の波長に依らず一定である。
【００３０】
図４を用いて金属表面における光電界電離について説明する。超短パルス高強度レーザーを金属の固体表面に照射すると非常に強い光電界を発生させることができる。この光電界が金属内のクーロンポテンシャルと同程度になったとき、クーロンポテンシャルが歪められ、仕事関数がΦからΔΦへ変化し、さらにポテンシャル障壁が薄くなり、トンネル電離が起こる。この現象は、上記の気体原子を例にした記述と同様に、光電界強度に依存し、レーザー光の波長によらない。よって、光電効果と全く違う原理で電子を放出させることができることが最大の特徴である。
【００３１】
次に、光電効果（従来のＸ線発生装置）と光電界電離（本発明のＸ線発生装置）とのそれぞれについて、銅で構成された陰極に対してパルスレーザー光を照射して電子を発生させる場合に必要となるパルスレーザー光の波長について、対比し検討する。
銅で構成された陰極に対してパルスレーザー光を照射して光電効果を発生させるためには、図９の表に示すように、２４８−２７６ｎｍという短波長のパルスレーザー光を照射することが必要とされる。一方、光電界電離の発生には、パルスレーザー光の波長に依存しない。例えば、陰極に照射するパルスレーザー光の波長が陰極構成物質の仕事関数のエネルギーに相当する波長よりも長い場合でも、光電界電離を確実に発生させることができる。
【００３２】
このように、本発明のＸ線発生装置によれば、光電界電離現象を利用して電子を放出するものであるため、比較的波長の長いパルスレーザー光を陰極に照射することにより、電子を放出させることができる。したがって、パルスレーザー光を出射するためのレーザー装置を小型化するとともに低コスト化することができる。しかも、比較的長い波長のパルスレーザー光を使用することにより、パルスレーザー光が照射される陰極に対する熱的ダメージを軽減することができるので、陰極の損耗が防止されるとともにデブリの発生を抑制することができる。
【００３３】
以下に、本発明の効果を確認するために行った実験１および実験２について説明する。
＜実験１＞
実験１は、図１に示したＸ線発生装置を用いて行った。フェムト秒レーザー光源１から出射するレーザー光２は、パルス幅 ＜１２０ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚである。この実験では、１パルスあたりのレーザー光２のフルエンスとＸ線放射当量との関係を調べるとともに、各フルエンスの値について陰極損耗の有無を調べた。フェムト秒レーザー光源２から出射したパルス幅約１００ｆｓのレーザー光２は、図２に示すように、まずｆ＝３００ｍｍのレンズ３に入射される。レーザー光２は、レンズ３で絞られながら陰極４がレンズ３から２００ｍｍの位置に設置してあるＸ線管球７に入射され、陰極４に照射される。発生したＸ線９の強度はＸ線管球７から１０ｍｍ離れた位置に設置されているサーベイメーター１０により計測される。なお、Ｘ線管球７内の陰極４と陽極５間には高圧電源８から３７ｋＶの高電圧を印加した。レーザー光２の強度は、レンズ３入射前のレーザー光路に設けた不図示のＮＤフィルターにより変化させた。
【００３４】
図５は、実験１により得られた、レーザー光２の１パルスあたりのフルエンスに対するＸ線９の放射当量、および各フルエンスにおける陰極４の損耗の有無を示すグラフである。
同図に示すように、レーザー光２の1パルスあたりのフルエンス約５ｍＪ／ｃｍ２がＸ線９を発生させるための閾値であることが分かった。また、フルエンス３５ｍＪ／ｃｍ２以上では、Ｘ線放射当量は飽和した。また、フルエンス６０ｍＪ／ｃｍ２においては、Ｘ線放射当量約１．５ｍＳｖ／ｈであるものの、実験終了後、陰極４を見ると目視でも明らかにダメージが観測された。
【００３５】
＜実験２＞
実験２は、実験１と同じように、図１に示したＸ線発生装置を用いて行った。フェムト秒レーザー光源１から出射するレーザー光２は、パルス幅 ＜１２０ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚである。この実験では、陰極４の被照射面におけるパルス状レーザー光２のビーム径（以下、ビーム径）を５通りとし、各ビーム径のレーザー光２についてフルエンスとＸ線９の放射当量との関係を調べた。フェムト秒レーザー光源１から出射したパルス幅約１００ｆｓのレーザー光は、図２に示すように、まずｆ＝３００ｍｍのレンズ３に入射される。フェムト秒レーザー光源１から出射されるパルス幅約１００ｆｓのレーザー光２のビーム径は、それぞれ０．７ｍｍ、１．２ｍｍ、２．５ｍｍ、３ｍｍ、７ｍｍの５通りとした。レーザー光２は、レンズ３で絞られながら、陰極４がレンズから１７５ｍｍの位置に設置してあるＸ線管球７に入射され、陰極４に照射される。ｆ＝３００ｍｍのレンズ３は、フルストロークが５０ｍｍの不図示のマイクロメーターの上に設置してあり、マイクロメーターを移動させレーザー光２の照射面積を変更させた。実験後、レーザー光２を照射した位置ごとにビームプロファイラーでレーザー光２のビーム径を計測し、レーザー光２のフルエンスを算出した。発生したＸ線９の強度はＸ線管球７から１０ｍｍ離した位置に設置されているサーベイメーター１０により計測した。なお、Ｘ線管球７内の陰極４と陽極５間には高圧電源８から３７ｋＶの高電圧を印加した。レーザー光２の強度を、レンズ３入射前のレーザー光路に不図示のＮＤフィルターを設置して変化させた。
【００３６】
図６は、実験２により得られた、レーザー光２の１パルスあたりのフルエンスに対するＸ線９の放射当量を示すグラフである。
同図に示すように、ビーム径が０．７ｍｍの場合は、レーザー光２の１パルスあたりのフルエンスが大きいが、Ｘ線９の放射当量が低いことが確認された。ビーム径が１．２ｍｍ〜２．５ｍｍの場合は、レーザー光２の１パルスあたりのフルエンスが大きくなるにつれて、Ｘ線放射当量が高くなることが確認された。
【符号の説明】
【００３７】
１ レーザー光源
２ レーザー光
３ 光学素子
４ 陰極
５ 陽極
６ 電子
７ 管球
８ 高電圧電源
９ Ｘ線
１０ サーベイメーター
１１ クーロンポテンシャル
１２ 光電界ポテンシャル
１３ 電子
１４ 効果的可能性
１５ トンネル電離
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザー光を出射するレーザー光源と、
前記パルスレーザー光が照射されることにより電子を放出する陰極と、
該陰極から放出した電子が加速されて衝突することによりＸ線を放出する陽極と、
前記陰極および前記陽極を収容する真空容器と、
を備えるＸ線発生装置において、
前記レーザー光源は、パルス幅が１０−１２秒以下のパルスレーザー光を出射し、前記陰極から光電界電離により電子を放出させることを特徴とするＸ線発生装置。
【請求項２】
前記パルスレーザー光の波長が、前記陰極の構成物質の仕事関数のエネルギーに相当する光の波長よりも長いことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項３】
前記レーザー光源が出射する１パルスあたりのレーザー光のフルエンスが５ｍＪ／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項４】
前記レーザー光源が出射する１パルスあたりのレーザー光のフルエンスが６０ｍＪ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項５】
前記レーザー光源が出射するパルス状のレーザー光を集光して焦点位置に結像させる光学素子を有し、
前記光学素子は、前記陰極の被照射面上を除く領域に焦点位置を有することを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項６】
前記レーザー光源が出射するパルス状のレーザー光のビーム径が１．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項５記載のＸ線発生装置。
【請求項７】
前記レーザー光源はファイバーレーザーであることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項８】
前記レーザー光源はチタンサファイアレーザーであることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項９】
前記真空容器は、内圧が大気圧以下に減圧された内部空間を有する管球よりなり、
前記陰極および前記陽極が前記管球に気密に封止されていることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項１】
パルスレーザー光を出射するレーザー光源と、
前記パルスレーザー光が照射されることにより電子を放出する陰極と、
該陰極から放出した電子が加速されて衝突することによりＸ線を放出する陽極と、
前記陰極および前記陽極を収容する真空容器と、
を備えるＸ線発生装置において、
前記レーザー光源は、パルス幅が１０−１２秒以下のパルスレーザー光を出射し、前記陰極から光電界電離により電子を放出させることを特徴とするＸ線発生装置。
【請求項２】
前記パルスレーザー光の波長が、前記陰極の構成物質の仕事関数のエネルギーに相当する光の波長よりも長いことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項３】
前記レーザー光源が出射する１パルスあたりのレーザー光のフルエンスが５ｍＪ／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項４】
前記レーザー光源が出射する１パルスあたりのレーザー光のフルエンスが６０ｍＪ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項５】
前記レーザー光源が出射するパルス状のレーザー光を集光して焦点位置に結像させる光学素子を有し、
前記光学素子は、前記陰極の被照射面上を除く領域に焦点位置を有することを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項６】
前記レーザー光源が出射するパルス状のレーザー光のビーム径が１．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項５記載のＸ線発生装置。
【請求項７】
前記レーザー光源はファイバーレーザーであることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項８】
前記レーザー光源はチタンサファイアレーザーであることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項９】
前記真空容器は、内圧が大気圧以下に減圧された内部空間を有する管球よりなり、
前記陰極および前記陽極が前記管球に気密に封止されていることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−４９１２７（Ｐ２０１１−４９１２７Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９９１１４（Ｐ２００９−１９９１１４）
【出願日】平成２１年８月３０日（２００９．８．３０）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【出願人】（３０４０３６７４３）国立大学法人宇都宮大学 (209)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月３０日（２００９．８．３０）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【出願人】（３０４０３６７４３）国立大学法人宇都宮大学 (209)
【Ｆターム（参考）】
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