JP5384932B2 - イオンビーム用レンズとしてのレーザ照射される中空シリンダ - Google Patents

Description

本発明は、イオンビーム、特に高エネルギ陽子のビームの集束および／またはコリメートのためのシステムに関する。このシステムは、第１には、イオンビームの通過に適したレンズ本体を備えるレンズを有しており、さらには、特に静電界の発生のための手段が設けられており、この電界がレンズ本体の内側に広がって、イオンビームの集束および／またはコリメートを達成する。さらに、本発明は、イオンビームの集束および／またはコリメートのための方法に関する。

例えば電気または磁気四重極レンズによって高エネルギのイオンビームを集束させることは、知られた技術である。これら四重極は１つの平面においてのみ集束をもたらし、他の平面においては集束をもたらさないため、通常は１つのビームの経路に互に前後に多重に配置される。ここで、四重極レンズの集束効果は、磁極片において発生できる磁界によって制約される。四重極レンズの他に、やはり知られた技術である回転対称で互に配設される他の電気または磁気レンズも存在している。これら公知の技術の全てのシステムは、構造が比較的複雑であり、レーザにより誘起される陽子ビームの場合のように、広いエネルギ帯域幅を有するイオンビームに対してはあまり適していない。ここで、このようなレーザにより誘起される陽子ビームは、極めて短く（ｆｓ範囲）かつ高強度のレーザパルス（〜１０^１９ワット）で薄いホイルを照射することによって発生される。

さらに、ガボール（プラズマ）レンズも従来技術から知られた技術であり、これらの光学的な特性に関しては、高エネルギのイオンビームをプラズマ放電によって発生される軸方向の電流によって発生される方位角方向の磁界によって集束させるワイヤレンズと同等であると見なすことができる。このプラズマ放電は、レンズ本体内に配置された電極によって発生される。このようなプラズマレンズは、極めて複雑であり、このため、もっぱら重イオン物理および高エネルギ物理の研究用の装置においてのみ用途が見いだされている。このようなプラズマレンズは、例えば医療設備における実用にはあまり適していない。

したがって、本発明の目的は、操作において使い勝手がよく、単純な手段によって費用対効果の高いやり方で実現でき、大きなエネルギ帯域幅をも有している高エネルギのイオンビームについて際立った集束および／またはコリメート特性を有しているシステムを提供することにある。さらに、本目的は、高エネルギのイオンビームの集束および／またはコリメートのための簡単な方法を提供することにある。

本目的は、請求項１に記載のシステムおよび請求項１０に記載の方法によって達成される。特に好都合な実施形態の形式が、それぞれ従属請求項に記載されている。

本発明の基本的な考え方は、レンズ本体の外側に電磁放射を作用させることによって、レンズ本体を通過するイオンビームに対してコリメートおよび／または集束の効果を有するようなフイールドライン特性の特に静電界を、レンズ本体の内部に形成することにある。ここで、この点について、導電性材料で好都合に構成された中空のレンズ本体の内側のこのような電界の形成が、この現象が、ファラデー箱からよく知られている導電体の内部において電界が完全に失われるという物理法則に矛盾するにせよ、特定の条件のもとで可能であることに触れておかなければならない。この作用は、原理的には、程度ははるかに低いかもしれないが、絶縁材料の照射においても観察される。

レンズ本体内での電界の形成は、レーザにより誘起される陽子ビームの起源でもある上述の作用に基づいている。ここで、基本的に静電的である性質が、この電界に与えられる。すなわち、強力なレーザパルスの特に導電性材料の薄い箔との相互作用が、箔の内部および／または箔の表面に高いエネルギおよび密度の電子ビームおよび陽子ビームを生じさせる。これらプラズマ電子が、箔表面に対して直角に加速されて移動し、この結果として、数倍も重い陽子は追随できないため、強力な空間電荷が形成される。このようにして、１０^１２Ｖ／ｍにものぼる高い電界強度が箔の背面に現れる。これは、レンズ本体の中空体も、このような箔により形成される場合に、電子雲が中空体内に形成され、電荷が内表面に移動して、結果として、この場合には半径方向を向いた電界がシリンダ（中空体）内に形成されることになる。

この電界が、シリンダを通過するイオンビームに対して相応の作用を有し、このような作用は、この半径方向の電界の場合には集束または平衡化の効果である。高強度のレーザパルスによって照射された対象が、レーザにより誘起される熱電子の発生ゆえに正の電荷の短時間の蓄積に直面するという事実が、実験によって確認されている。実験データに基づく推定によれば、約２．５．１０^−８Ｃの電荷Ｑおよび約１０^１０Ｖ／ｍの電界が生じうることが示されている。このような電荷の蓄積に結びつけられた電界は、それだけで数ＭｅＶのエネルギを有する陽子を偏向させることができる。

この効果の程度は、壁体の厚さおよび電磁放射の質、特にエネルギ密度によって決まる。これらパラメータは、上述のように、レンズ本体内に電子雲を形成するための充分なエネルギを有する自由電子がビームによって発生されるように、調節されなければならない。この効果のために、レンズ本体の形状は、まず第１には大きな役割を果たしてはいない。したがって、レンズ本体は、必ずしも閉じたジャケット面を有する必要はない。しかしながら、壁体において均質な電荷分布をもたらすことができるように、注意を払わなければならない。したがって、多かれ少なかれ閉じた表面を取り扱うべきである。レンズ本体の構成が電界の形状を左右するため、軸対称の形状が好ましい。

本発明によって利用されるべき効果を達成するために、これは、すでに述べたように、一方では薄肉のレンズ本体を必要とし、約１０^１９Ｗ／ｃｍ^２のレーザ強度の場合には、約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの間の肉厚が薄肉であると考えられる。ここで、壁体について考えられる限界の厚さは、材料において上述の効果を達成しなければならない電磁放射の質によって定められる。所望の効果を、約１０^１９Ｗ／ｃｍ^２の強度のレーザパルスを約５０μｍの厚さのＮｉ箔に衝突させることによって達成できる。

特に良好な集束効果を維持するために、円形断面を有する中空シリンダがレンズ本体として使用されると好都合であり、外壁が高強度の短いパルスレーザで照射され、電荷の一時的な蓄積が果される。このような中空シリンダの内部において、半径方向の電界が形成される。集束効果が、例えばレーザによって横方向から照射されるシリンダが約１ｍｍの直径を有している場合に観察される。照射の結果として、正の電荷の一時的な蓄積がシリンダにおいて生じ、したがって電界が発生されて、その力線がシリンダ表面に対して直角に立ち上がる。この電界によって、イオン、特に高エネルギの陽子が、シリンダの軸の方向に偏向させられ、すなわち集束される。

一般に、本発明による形式の集束は、一般にイオンが加速にも直面することができる任意の源からの任意のイオンビームに適用可能である。しかしながら、好都合な実施形態においては、本発明によるシステムに、別途の加速部を必要とすることなく、したがってさらなる構造上の複雑さを必要とすることなく加速されたイオンを発生するイオン源を、追加で備えることができる。陽子の源として、上述のように適切なレーザビームがすでに得られるため、レーザにより誘起される陽子ビームがやはり適している。このようなイオン源によれば、好都合に操作することができ、医療における使用に適しているコンパクトなシステムを考えることが可能である。別個であるが同期されている２つのレーザを使用することも可能ではあるが、ただ１つのパルス状のレーザのビームを分割する手段を、システムに設けることが好都合である。

ここで、ビームの一部分を使用して陽子が発生され、ビームの残りの部分によってレンズの帯電が行われる。陽子のエネルギの選択を行うことができるようにするため、レンズに衝突するビーム成分を陽子を発生するビーム成分に対して特に可変で遅延させることが、好都合である。本発明によるシステムにおいては、集束およびコリメートに加えて、陽子ビームを多数の用途に合わせて調節できるよう、エネルギの選択も可能である。このやり方で、本発明は、陽子ビームを特定の用途に合わせた適切な形状にすることができるようにするための重要かつ柔軟な中間ツールを形成する。ここで、特定のエネルギの選択的な集束は、電荷の流出または電荷担体の再結合の結果として特定の時間の後に崩壊する静電界の寿命に依存して決まる。ここで、電荷の流出の速度は、レンズ本体の吊り下げの態様の関数である。すなわち、例えば極めて細いワイヤおよび真空を使用した可能な限り電気的に絶縁された吊り下げによれば、電界は、約１００ｐｓにわたってレンズ本体内に存続する。ここで、以下が当てはまる。すなわち、放電がより速やかに生じるほど、レンズはより選択的に特定のエネルギを集束させる。

一般に、薬物と同時に、特にガンの治療においては、極めて短い強力なレーザパルスを使用する陽子およびイオンの加速について、幅広くさまざまな用途が存在する。例えば、慣性核融合エネルギ、物質の等積加熱、陽子リソグラフィ、陽子ラジオグラフィ、静的または動的なシステムの内部構造の調査、ならびに強力なレーザパルスと高密度の材料との間の相互作用の際に形成される電界および／または磁界の検出、などを挙げることができる。

すでに述べたように、高エネルギの陽子が、高強度のレーザパルスと密な材料との間の相互作用において生じ、１０^１９Ｗ／ｃｍ^２を超える出力密度が達成される。ここで、陽子は、数ＭｅＶのエネルギおよび比較的小さなダイバージェンスを有する平行ビームにて箔の背面から現れる。加速は、レーザによって照射された薄い箔において生じている。陽子ビームは、対象が水素を名目上含んでいない場合でも生じる。陽子ビームは独特の特性を有しており、すなわち小さな発生源のサイズ、小さなダイバージェンス、短い持続時間、および数ＭｅＶのエネルギを有する最大１０^１２個の陽子という高い密度を有している。したがって、このような発生源は、従来からの発生源と比べて極めて有利である。しかしながら、このように発生される陽子ビームは、大きなエネルギ帯域幅を包含している。

ここで、理論モデルによって、陽子がそれ自体のエネルギを、対象の背面の空間電荷を介してレーザによって加速された高速電子によって形成される１ミクロン当たり最大１ＭｅＶにのぼる大きな電界から引き出すことが教示されている。シミュレーションから、陽子ビームの電荷が付随の電子雲によって中和されることが生じている。モデルによれば、陽子が、１ｐｓ未満のレーザパルス持続時間に従って加速される。したがって、このようなレーザにより誘起される陽子ビームを本発明によるシステム以外の手段によって集束させることは、不可能であると思われる。

本発明によるシステムのさらなる利点は、集束陽子パルスを再び発生できる比較的高速な繰り返し速度である。これは、単純に使用されるレーザの性能に依存し、出力に従って現時点において１０Ｈｚの繰り返し速度がすでに可能である。このように、このシステムは、特に医療の用途においてさらにより興味深いものとなる。

以下で、図１〜５を用いて、本発明をさらに詳しく説明する。

図１は、ほぼ５０μｍの厚さのＡｌ箔１を示しており、このＡｌ箔１に短いレーザパルス２が衝突している。適切なレーザの出力によって、箔１内の電子が移動され、箔１の背面に現れる。これら電子は、箔１の背面において負に帯電した電子雲３を形成し、したがって箔には正の電荷が残される。

パルスの持続時間に存在するこの空間電荷が、箔内に残っている陽子（ｐ）を加速し、これら陽子がビーム４として箔の背面に現れる。図２は、レーザによって発生された陽子ビームの集束のための本発明によるシステムを示している。図１に示したような構成において、約１０^１９Ｗ／ｃｍ^２の出力および約４０ｆｓ〜数ピコ秒の間のパルス持続時間を有して薄い箔５へと案内されるレーザパルス６によって、１０°〜２０°の間のダイバージェンスを有する陽子ビームが発生される。中心的な要素として、システムは、２５μｍ〜５０μｍの間の厚さのアルミニウムから形成され、中空シリンダ７の形状であって陽子ビームを通すことができるレンズ本体を備えるレンズを有している。中空シリンダ７は、約１ｍｍ〜３ｍｍの長さ、および０．５ｍｍ〜１．３ｍｍの間の直径を有している。

中空シリンダの内部に電界を発生するための手段として、さらなるレーザビーム９が与えられ、中空シリンダ８の壁体の外側へと向けられる。この場合、このレーザビーム９と前記レーザパルス６とは、同じ光源から発生され、したがって同じパルス特性を有している。一方は、同じレーザの時間遅延された部分ビーム（図示されていない）に処理されている。レーザパルス９によって中空シリンダ８内に発生される電界が、発散陽子ビーム７を陽子ビーム１０へと集束中させる。かくして、進入してくる陽子ビーム７は、集束効果にさらされ、シリンダの半径よりも小さい断面を有する平行な部分ビーム１０としてシリンダを出る。中空シリンダ８の後方で測定される陽子の流れは、集束されない場合に比べて３〜９倍高くなり、シリンダに進入する全ての陽子が集束されることを示している。

シリンダ内に発生される電界は、レーザビーム６のパルス持続時間に相当する短い持続時間にすぎないため、中空シリンダ８が帯電させられている間に中空シリンダ８を通過する陽子だけがコリメートされる。これら陽子は、箔と中空シリンダ８との間を通過するのに所定の時間を必要とするので、システムは、元の陽子ビームの幅広いエネルギスペクトルから、特定のエネルギの陽子を選択的にコリメートする。さらに、ビームのうちのコリメートされた部分のみの通過を許すマスクを出口に配置するならば、好都合である。このようにして、ガンの処置のための陽子線治療などの用途に合わせて、入射する陽子ビームのエネルギを個々にあつらえることが可能である。

図３は、レーザパルスが衝突する中空シリンダの集束効果を、２つの画像を示す図面を用いて表わしている。この目的のため、ラジオクロミックフィルムをビームの経路に挿入し、ビームを衝突させた。このようなフィルムは、それ自体の黒さの水準を、照射に応じてより重い程度、またはより軽い程度へと変化させる。図３の（ａ）は、集束されていない陽子ビームの輪郭を示しており、大きなダイバージェンス１１を有している。この場合、フィルムは、箔５したがって陽子源から約２ｍｍ離れている。対照的に、図３の（ｂ）の陽子ビームは、上述のとおり中空シリンダによって集束されており、結果として、ビームスポットの大きさが大幅に小さくなっていることで明白に気付くことができる小さなダイバージェンス１２を有している
ここで、フィルムは、箔５から約３．５ｍｍ離れて配置されている。集束効果を、個々の粒子の進路のシミュレーションに再現することができる（図４）。ここで、シリンダ内に１０^８Ｖ／ｍの半径方向の電界を仮定した。シミュレーションは、灰色の階調によって、レーザパルスによって帯電させられた中空シリンダを出る陽子ビームの中心において、強度が増加していることを示している。図の各軸の目盛りは、ビームの幅をミクロンで表わしている。図４の挿入画は、仮定によるシリンダ内の電界の分布を示している。結果として、陽子は、シリンダ内においてシリンダの軸の方向に偏向させられる。これが、シリンダの長さに応じて、図５に示されているように実験においても観察することが可能である軸上への陽子ビームのコリメートをもたらす。

ここで、以下の試験用具を、図５による測定のために用意した。すなわち、６５０μｍの内径および５０μｍの肉厚を有するシリンダである。デュラル（Ｄｕｒａｌ）（Ａｌ ９４％、Ｃｕ ４％、Ｍｇ １％）で作られており、長さは３ｍｍとした。シリンダの入り口開口を、箔５から５ｍｍ離した。

平行にされた陽子ビームを調べるために、複数のラジオクロミックフィルムからなる積層を、中空シリンダの後方約４ｃｍの距離に配置し、平行にされた陽子ビームを案内した。灰色の階調が照射の強度を明らかにしており、これについて以下が真である。すなわち、強度が大きいほど、色はより黒くなる。箔（ａ）〜（ｄ）は、後方から出発して順に並べられており、（ａ）が積層において最も後方の箔であった。詳細図は、それぞれの場合についてシリンダの内側を示している。（ａ）の場合には、特に高いエネルギの陽子について集束が生じていないことを見て取ることができる。なぜならば、このような陽子がレンズ本体を通過してから５ｐｓ後でなければ、レンズ本体に電界を生じさせるパルスがレンズ本体に衝突しないからである。この点に関し、集束効果を増幅のかたちで検出することも不可能である。陽子は、箔ｂ）に着色を残しており、これら陽子は、電界を発生するレーザパルスの衝突の１４ｐｓ後に、シリンダを通過している。集束効果を明確に見て取ることができ、集束なしのビームに対して９倍の増幅がもたらされている。３５ｐｓ後に入射する陽子の場合（箔ｃ）に、５．５倍の増幅を検出できる一方で、７２ｐｓ後に最初の箔ｄ）へと入射する低エネルギの陽子の場合には、効果はすでに弱くなっており、わずかに３．２倍である。箔ｄ）においては、中心の焦点１４を有する中空シリンダの縁１３を、明確に見て取ることができる。より低い強度の領域１５は、中空シリンダの影によって引き起こされている。これは、中空シリンダの傍らを通過したさらなる陽子の流れにさらされた領域１６によって境界付けられている。シリンダの壁体の帯電の結果として、中空シリンダの外側において、リング１７によって表わされるさらなる効果が生じている。

レーザにより誘起される陽子ビームの発生の仕組みを示している。 陽子ビームのビーム経路のレンズを示している。 検討対象の陽子ビームのダイバージェンスを示している。 シミュレーションの結果を示している。 測定の結果を示している。

Claims (12)

1. イオンビームの集束および／またはコリメートのために、前記イオンビームを通すことができるレンズ本体を備えるレンズを有しており、前記レンズ本体内に広がって前記イオンビームを集束させる静電界を発生するための手段が設けられているシステムにおいて、
   前記レンズ本体の前方には、前記イオンビームを後面から前記レンズ本体中に射出するための薄い箔が設けられており、
   前記静電界を発生するための手段は、電磁放射源を備えており、
   この電磁放射源からの放射ビームは、前記レンズ本体の壁体の外面へと導かれて、前記壁体の厚さおよび前記放射ビームのエネルギ密度に応じて、前記静電界を形成するようにレンズ本体内に自由電子による電子雲を発生し、
   前記壁体の厚さおよび前記放射ビームのエネルギ密度が、前記自由電子による前記電子雲が発生されるように選択されていることを特徴とするシステム。
2. 前記レンズ本体の壁体は、薄い金属箔により形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記レンズ本体は、自身の軸に関して対称であって両端面が開口を有している延びた中空体を有し、前記開口は、前記対称の軸と同軸であり、前記開口の一方は、前記箔の前記後面に面していることを特徴とする、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記箔は、箔の前面に入射されたレーザビームにより前記イオンビームとしての陽子ビームを誘起し、前記レーザビームのレーザ源は、イオンビームのビームの伝搬方向において前記レンズの前方に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記箔の前面に入射されるレーザビームと、前記レンズ本体の壁体の外面へと導かれるレーザビームとは、夫々、単一のレーザビームの一部分であることを特徴とする、請求項４に記載のシステム。
6. 前記レンズ本体の壁体の外面へと導かれるレーザビームを、前記箔の前面に入射されるレーザビームに対して時間について遅延させることができることを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
7. 前記レンズ本体の壁体は、１００μｍ未満の金属箔から製造されていることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記中空体の側壁が完全に閉じられていることを特徴とする、請求項３に記載のシステム。
9. 前記イオンビームは、陽子のビームであることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか１項に記載のシステム。
10. ビームの経路に置かれ、イオンビームを通すことができる開口を囲んでいるレンズ本体を有し、このレンズ本体内に前記開口を突き抜けるイオンビームを集束させる静電界が発生されるレンズによって、イオンビームの集束を行うための方法であって、
    前記静電界は、前記レンズ本体の外側に高いエネルギ密度の電磁放射を作用させることによって発生されることを特徴とする方法。
11. 前記静電界は、パルス状のレーザビームによって発生されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のシステムを使用して、レーザパルスを前記薄い箔へと入射させることにより、発生されたイオンビームを集束および／またはコリメートするための、方法。

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