JP2004301821A - Ｘ線及び高エネルギー粒子発生装置とその発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘ線や高エネルギー粒子の効率的な発生を可能とする。
【解決手段】本発明のＸ線および高エネルギー粒子発生装置は、高出力短パルスレーザ装置１と、レーザ光入射用透明窓３と出射用真空ポート９とを有し内部に集光レンズ４とターゲット５とターゲット駆動装置８とが配置され真空排気された真空容器７とから構成されており、ターゲット５がナノメートルサイズの隙間を形成する多数のカーボンナノチューブで構成され、これらのカーボンナノチューブは、レーザ光が侵入可能な表皮厚の２倍以下の外径を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光を物質に照射してプラズマ化させＸ線及び高エネルギー粒子を効率よく発生させるＸ線及び高エネルギー粒子発生装置とその発生方法に関するものである。

従来、高出力のレーザ光を固体物質に照射すると、高イオン化状態のプラズマが生成され、この高イオン化状態のプラズマの膨張・衝突・冷却過程においてＸ線及び高エネルギーイオン等が放出されることが知られている（例えば、非特許文献１及び非特許文献２参照。）。特にレーザ光として高ピーク強度の短パルスレーザ光を用いることにより、短いパルス幅のＸ線を発生させたり、より短波長の硬Ｘ線や高いエネルギーを持つ粒子を発生させられることが報告されており、これまで実験室規模の大きさの装置では実現が難しかった広いエネルギー領域に渡るＸ線パルスや高エネルギー粒子を発生できるという特徴を有している。

しかしながら、この方法には入射したレーザ光がターゲットの５０ｎｍ程度の表皮厚深さにまでしか侵入できないためにレーザ光とターゲットとの相互作用領域が制限されて、レーザ光からＸ線への変換効率や高エネルギー粒子の発生効率を大きくできないという問題があった。この低変換効率の問題を克服するためにプラズマを生成するレーザ光を単一パルスの代わりに二連パルスにしてターゲットに照射することでＸ線への変換効率を高める試みが行われた（例えば、非特許文献３参照。）が、この方法では単一パルス照射時に比べて発生するＸ線のパルス幅が数十倍にも広がってしまい、短パルスレーザ生成プラズマＸ線発生装置の特徴であるＸ線の短パルス性が損なわれてしまうという問題があった。

そこで、発生するＸ線の短パルス性を保つために、単一レーザパルス照射の条件は維持し、通常の個体ターゲットの代わりに、アルミニウムの陽極酸化に伴う自己組織化現象を利用して作製した、ナノメートルサイズの径を有する細孔が表面に垂直に多数設けられたアルミナナノホール配列ターゲットを用いたり（例えば、特許文献１参照。）、アルミナナノホール配列ターゲットを電解メッキ用のマスクにして作製した金のナノシリンダー配列ターゲットを用いたり（例えば、非特許文献４参照。）してレーザ光とプラズマの相互作用領域の拡大とプラズマの閉じ込め効果を促進して軟Ｘ線領域への変換効率を高める方法が開発された。

しかしながら、これらの方法では、製造方法上の理由によりターゲットの大面積化が困難であり、レーザ生成プラズマからのＸ線及び高エネルギー粒子発生装置のターゲットとして長時間連続して用いることは難しいという問題があった。また、使えるターゲット材料がその製造法により限定されるために、Ｘ線顕微鏡への応用に重要な波長２．３ｎｍ〜４．４ｎｍのいわゆる「水の窓」領域で強い発光線を持つカーボン材料への適用はできなかった。
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開２０００−２７７２９２号公報（第２−３頁、図２） D.J.BRADLEY et al.,"PICOSECOND X-RAY CHRONOSCOPY",Optics Communications,October 1975,volume 15,number 2,p.231-236 R.V.Volkov et al.,"Generation of hot particles in a femtosecond laser-produced plasma with the use of solid modified targets",Quantum Electronics,2001,Vol.31,No.3,p.241-246 D.Kuhlke et al.,"Soft x-ray emission from subpicosecond laser-produced plasmas",Applied Physics Letters,American Institute of Physics,22 June 1987,Vol.50,No.25,p.1785-1787 T.Nishikawa et al.,"Nanocylinder-array structure greatly increases the soft X-ray intensity generated from femtosecond-laser-produced plasma",Applied Physics B 73,18 July 2001,p.185-188

以上のように、従来のレーザ生成プラズマからのＸ線及び高エネルギー粒子発生装置では、レーザ光からの変換効率が低いという問題があった。また、変換効率向上のために、そのターゲットとして陽極酸化アルミナナノホール配列ターゲットやこれを電解メッキのマスクにして作製された金のナノシリンダー配列ターゲットを用いる方法では、Ｘ線顕微鏡への利用に重要な「水の窓」領域Ｘ線の高効率発生には使えない上に、ターゲットの作製可能面積に制限があり、長時間の連続使用が困難であるという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ターゲットにレーザ光を照射してプラズマ化させ、Ｘ線及び高エネルギー粒子を発生する装置において、単一レーザパルス照射で「水の窓」領域やＫｅＶ領域を含むＸ線や高エネルギー粒子の効率的な発生を可能とすることを目的とする。また、長時間の連続使用が可能でランニングコストの安いＸ線及び高エネルギー粒子発生装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、ターゲットにレーザ光を照射してプラズマ化させＸ線及び高エネルギー粒子を発生させるＸ線及び高エネルギー粒子発生装置において、ターゲットがナノメートルサイズの隙間を形成する多数の炭素繊維で構成されていることによって特徴づけられる。また、ターゲットは、炭素繊維により被覆された基板を備えるようにしてもよい。これらの場合、炭素繊維の一構成例は、レーザ光が侵入可能な表皮厚の２倍以下の外径を有する。

ターゲットを構成する炭素繊維の一構成例は、カーボンナノチューブである。カーボンナノチューブは、グラファイトの単層が円筒状に閉じ、かつ円筒の先端部に五員環が形成された構造を有する代表的な外径が１〜１０ｎｍの単層カーボンナノチューブや、複数のグラファイトの層が入れ子構造的に積層し、それぞれのグラファイト層が円筒状に閉じた同軸多層構造となっている代表的な外径が１０〜５０ｎｍの多層カーボンナノチューブのいずれでもよい。

また、ターゲットを構成する炭素繊維は、単層カーボンナノチューブや多層カーボンナノチューブに他のナノチューブ状繊維が混じったものでもよい。カーボンナノチューブは、基板上に無配向で形成されたものでよい。また、基板上に形成され、かつこの基板に対して垂直配向した多層カーボンナノチューブであってもよい。

また、炭素繊維は、５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の間隔で前記ナノメートルサイズの隙間を形成するようにしてもよい。また、基板は、シリコンであってもよい。

本発明のＸ線及び高エネルギー粒子発生方法は、ターゲットにレーザ光を照射してプラズマ化させＸ線及び高エネルギー粒子を発生させるＸ線及び高エネルギー粒子発生方法であって、ターゲットとして、ナノメートルサイズの隙間を形成する多数の炭素繊維で構成されているターゲットを用いることによって特徴づけられる。また、ターゲットは、炭素繊維により被覆された基板を備えるようにしてもよい。これらの場合、炭素繊維の一構成例は、レーザ光が侵入可能な表皮厚の２倍以下の外径を有する。

ターゲットを構成する炭素繊維の一構成例は、カーボンナノチューブである。カーボンナノチューブは、上記単層カーボンナノチューブや上記多層カーボンナノチューブのいずれでもよい。また、ターゲットを構成する炭素繊維は、単層カーボンナノチューブや多層カーボンナノチューブに他のナノチューブ状繊維が混じったものでもよい。カーボンナノチューブは、基板上に無配向で形成されたものでよい。また、基板上に形成され、かつこの基板に対して垂直配向した多層カーボンナノチューブであってもよい。

また、炭素繊維は、５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の間隔で前記ナノメートルサイズの隙間を形成するようにしてもよい。また、基板は、シリコンであってもよい。

本発明によれば、レーザ生成プラズマからのＸ線及び高エネルギー粒子発生装置のターゲットとして、ナノメートルサイズの隙間を形成する多数の炭素繊維で構成されているターゲットを用いることにより、プラズマ閉じ込めに伴うプラズマ同士の衝突が促進され、Ｘ線への変換効率及び高エネルギー粒子発生効率を向上する効果が得られる。また、レーザ光が侵入可能な表皮厚の２倍以下の外径を有する炭素繊維を用いることにより、個々の炭素繊維全体にレーザ光が侵入するので、入射レーザ光とターゲットとの相互作用領域が拡大する。このため、入射レーザ光とターゲットとの相互作用領域の拡大とプラズマ閉じ込めに伴う衝突促進とが相まって、Ｘ線への変換効率及び高エネルギー粒子発生効率を大幅に向上する効果が得られる。

また、本発明によれば、レーザ生成プラズマからのＸ線及び高エネルギー粒子発生装置のターゲットとして、多数の炭素繊維と、この炭素繊維が配設された基板とで構成されているターゲットを用いることにより、レーザ光照射により炭素繊維部分から効率的に発生した高エネルギー電子が、その炭素繊維が被覆された基板を構成する原子と衝突することで、基板からの特性Ｘ線の発生効率を向上させる効果が得られる。
さらに、炭素繊維を配設する基板を構成する物質を換えることで、基板を構成する原子の種類に応じた様々な波長の特性Ｘ線が得られ、使用目的に合わせて高強度Ｘ線パルスの波長を選択することができる。

また、本発明に用いるターゲットを構成する代表的な炭素繊維であるカーボンナノチューブは、安価に大量合成する技術が開発されており、長時間の連続使用に対しても低いランニングコストで利用可能という効果が得られる。
さらに、カーボンナノチューブを構成する炭素は、Ｘ線顕微鏡への利用で重要な「水の窓」Ｘ線領域に強い発光線を有するので、本発明によるＸ線及び高エネルギー粒子発生装置は、変換効率の向上によるＸ線強度の大幅な向上と相まって、容易にＸ線顕微鏡用のＸ線源として利用できるという効果が得られる。

以下に図を用いて本発明の第１の実施の形態を説明する。
図１は、本発明にかかるＸ線及び高エネルギー粒子発生装置の実施の形態を示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置は、高出力短パルスレーザ装置１と、レーザ光入射用透明窓３と出射用真空ポート９とを有し内部に集光レンズ４とターゲット５とターゲット駆動装置８とが配置され真空排気された真空容器７とから構成されている。なお、ターゲット５は真空容器７内に設置されているが、これは軟Ｘ線の空気による減衰を防ぐためであり、硬Ｘ線や高エネルギー粒子を発生させる場合には、真空容器７は必ずしも必要としない。また、集光レンズの代わりに集光ミラーを用いることもできる。

このような構成において、このＸ線及び高エネルギー粒子発生装置は、高出力短パルスレーザ装置１から出射した単一レーザパルス光２をレーザ光入射用透明窓３と集光レンズ４を通してターゲット５に照射し、レーザ光照射領域をプラズマ化させ、Ｘ線パルス及び高エネルギー粒子６を発生させる。発生したＸ線パルス及び高エネルギー粒子６は、出射用真空ポート９から取り出される。ターゲット５は、単一レーザパルス光２が照射された後、ターゲット駆動装置８により単一レーザパルス光２が未照射の領域がレーザ光照射領域に移るように微動操作され、次回の照射に備える。

この場合、高出力短パルスレーザ装置１には、波長７９０ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、パルスエネルギー６０ｍＪのレーザ光を出力するチタンサファイアレーザを用いる。レーザ光入射用透明窓３と集光レンズ４には、高出力短パルスレーザ装置１の出力するレーザ光に適合した材質の部材を選択して用いる。ターゲット５は、基板上に形成された多数のカーボンナノチューブからなる。カーボンナノチューブは、ナノメートルサイズの外径を有する炭素繊維の一形態であり、グラファイトの単層が円筒状に閉じ、かつ円筒の先端部に五員環が形成された構造を有する単層カーボンナノチューブと、複数のグラファイトの層が入れ子構造的に積層し、それぞれのグラファイト層が円筒状に閉じた同軸多層構造を有する多層カーボンナノチューブとがあるが、本実施の形態で用いるターゲットは単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブのいずれでもよい。

ターゲット駆動装置装置８は、ターゲット５を把持する機構、並びにターゲット５をレーザパルスの照射ごとに移動して照射場所を変更できる微動機構を有している。出射用真空ポート９には、フィルタとなる所望の波長領域のＸ線又は所望の高エネルギー粒子が透過可能な材質の部材を取り付けることが可能である。また、出射用真空ポート９は、取り出すＸ線又は高エネルギー粒子に合わせてフィルタとなる部材の交換が可能である。

本実施の形態では、ターゲット５として、多数の単層カーボンナノチューブが基板上に無配向に形成されたターゲット（以下、無配向単層カーボンナノチューブターゲットという）、多数の多層カーボンナノチューブが基板上に無配向に形成されたターゲット（以下、無配向多層カーボンナノチューブターゲットという）及び基板に対して多数の多層カーボンナノチューブが垂直方向に配向して形成されたターゲット（以下、垂直配向ターゲットという）のいずれかを用いる。ここで、無配向とは、ターゲットを構成する多数のカーボンナノチューブが長さ方向を特定の方向に向けて集積されていない状態を指し、通常、カーボンナノチューブ同士が絡み合っている。また、垂直配向とは、柱状に形成されたカーボンナノチューブが基板面と垂直な方向に立設されている状態を指す。

これらのカーボンナノチューブは、個々の外径がレーザ光が侵入可能な表皮厚の２倍以下となっているものを用いる。カーボンナノチューブの外径をレーザ光が侵入可能な表皮厚の２倍以下とすることにより、炭素繊維の表皮厚方向の両側からレーザ光が侵入すると、カーボンナノチューブの内部全体にレーザ光が侵入するので、カーボンナノチューブ全体が相互作用領域となる。このため、レーザ光が照射された個々のカーボンナノチューブがすべてプラズマ化するのでレーザ光が効率よくプラズマ生成に利用できるようになる。レーザ光が侵入可能な表皮厚は５０ｎｍ程度であるため、カーボンナノチューブの外径は１００ｎｍ以下であることが望ましいが、一般的な単層カーボンナノチューブや多層カーボンナノチューブは、その外径が数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度であるため、この条件を満たすことは十分可能である。

無配向単層カーボンナノチューブターゲットや無配向多層カーボンナノチューブターゲットは、カーボンナノチューブ同士が絡み合ってナノメートルサイズの隙間を形成している。また、垂直配向ターゲットは、各多層カーボンナノチューブがその長さ方向を基板面から垂直方向となるように形成され、かつ各多層カーボンナノチューブ間にナノメートルサイズの隙間を形成している。本実施の形態では、カーボンナノチューブ間の間隔が５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲となる隙間が形成されたターゲットを用いる。

このように、カーボンナノチューブ間の間隔が５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲となる隙間が形成されたターゲットを用いるのは、レーザ光によって生成されたプラズマが急激に膨張することにより、隣り合うカーボンナノチューブから生成されたプラズマ同士が衝突しあって、さらにプラズマが励起されより多くのＸ線や高エネルギー粒子が生成されるようにするためである。

この場合、カーボンナノチューブ間の間隔を５０ｎｍ以上とするのは、カーボンナノチューブ間の間隔が５０ｎｍより短いと生成されたプラズマがあまり膨張しないうちにプラズマ同士が衝突してしまうため、衝突によるエネルギーが小さく、ほとんどプラズマの励起に寄与しないためである。また、カーボンナノチューブ間の間隔を１０００ｎｍ以下とするのは、カーボンナノチューブ間の隙間が１０００ｎｍを超えるとプラズマが拡散して密度が小さくなるため、プラズマ同士が衝突してもほとんどプラズマの励起に寄与しないためである。

図２は、本実施の形態で用いるターゲットの一例を示す走査型電子顕微鏡写真であり、基板に対して垂直配向した多層カーボンナノチューブからなるターゲットの切断面を撮影したものである。図２に示すように、このターゲットは、基板面に対して垂直方向に配向した多数の多層カーボンナノチューブで構成されている。このため、図１に示したＸ線及び高エネルギー粒子発生装置において、レーザ光をターゲット５の基板面に垂直な方向から入射させることにより、各カーボンナノチューブの長さ方向がレーザ光の入射方向に対して平行な方向となるように配向集積されているターゲット５として用いることができる。

次に、レーザ光が侵入可能な表皮厚の２倍以下の外径を有する多数のカーボンナノチューブでカーボンナノチューブ間の間隔が５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の隙間を形成したターゲットを作製する方法について説明する。無配向単層カーボンナノチューブターゲットは、例えばレーザ蒸発法によって作製することができる。無配向多層カーボンナノチューブターゲットは、例えば熱ＣＶＤ法によって作製することができる。垂直配向ターゲットは、例えばプラズマＣＶＤ法によって作製することができる。

これらのターゲット作製に用いられるカーボンナノチューブの製造方法は、公知文献に開示されているので説明を省略する。レーザ蒸発法による無配向単層カーボンナノチューブの作製方法及び熱ＣＶＤ法による無配向多層カーボンナノチューブの作製方法は、例えば、コロナ社刊行の斎藤弥八、坂東俊治著「カーボンナノチューブの基礎」に開示されている。プラズマＣＶＤ法による基板に対して垂直配向した多層カーボンナノチューブの作製方法は、例えば、C.Bower et al.,Applied Physics Letters,2000,Vol.77,p.830に開示されている。これらの製造方法によれば、基板上に前述した所定範囲の間隔で形成された多数のカーボンナノチューブを安価に合成することが可能である。また、基板サイズは、製造装置の反応室の大きさで決まるため、長時間の連続使用が可能なサイズの基板を作製することも可能である。

本実施の形態では、上述した３つの製造方法により作製したカーボンナノチューブを用いたが、レーザ生成プラズマによるＸ線及び高エネルギー粒子発生装置のターゲット材料として用いられるカーボンナノチューブは、これらの製造方法によるものに限られるものではなく、他の製造方法で作製されたカーボンナノチューブであってもよい。また、ターゲット材料は、レーザ光が侵入可能な表皮厚の２倍以下の外径を有する多数のカーボン材料で構成され、これらのカーボン材料がナノメートルサイズの隙間を形成するように基板上に集積されているものであればカーボンナノチューブ以外のカーボン材料からなるものであってもよい。

図３は、図１で示したＸ線及び高エネルギー粒子発生装置によって前述した各ターゲットから発生した硬Ｘ線パルス強度を示すグラフであり、各ターゲットから発生する硬Ｘ線パルス強度のグラフが見易いように時間軸の位置をずらして表示している。図３において、ａは比較用に通常使われているカーボン板、ｂは無配向単層カーボンナノチューブターゲット、ｃは無配向多層カーボンナノチューブターゲット、ｄは垂直配向ターゲットを用いたときのデータである。

この場合、出射用真空ポート９には、図示しない軟Ｘ線カット用のベリリウムフィルタと、金を蒸着した斜め入射トロイダルミラーとが取り付けられており、単一レーザパルス光２が照射されたターゲット５から発生するＸ線のうち、１ＫｅＶ前後（この場合、０．５〜２ＫｅＶ程度）の硬Ｘ線が選択的に透過して出力される。出射用真空ポート９から出力された硬Ｘ線は、Ｘ線ストリークカメラによってそのパルス波形と強度が測定される。ここで、１ＫｅＶは波長１．２４ｎｍに相当し、０．５〜２ＫｅＶは波長２．５〜０．６ｎｍに相当する。

図３から明らかなように、硬Ｘ線発生用ターゲットとして、無配向単層カーボンナノチューブターゲット（ｂ）、無配向多層カーボンナノチューブターゲット（ｃ）及び垂直配向ターゲット（ｄ）のいずれかを用いることにより、通常のカーボン板からなるターゲット（ａ）に対してレーザ生成プラズマからの硬Ｘ線パルス強度を６〜２６倍に高めることができる。この場合、無配向単層カーボンナノチューブターゲット（ｂ）では６倍程度、無配向多層カーボンナノチューブターゲット（ｃ）では２６倍程度、垂直配向ターゲット（ｄ）では１５倍程度の硬Ｘ線パルス強度の増強効果が得られた。また、これらのターゲットにより得られる硬Ｘ線パルスのパルス幅は、図３から明らかなように、その半値幅は従来のカーボン板からなるターゲット（ａ）の場合と同等である。

さらに１ＫｅＶ以下の軟Ｘ線領域における増強効果についても調べるために、上記測定系の構成からベリリウムフィルタを取り除いて同様な測定を行った結果を図４に示す。図４は、実施の形態にかかるターゲットの軟Ｘ線時間積分強度の入射レーザパルスエネルギー依存性を示すグラフである。ここで、図４に示すグラフは、垂直配向ターゲットと通常のカーボン板からなるターゲットについて、軟Ｘ線時間積分強度の入射レーザパルスエネルギー依存性を比較したものであり、黒丸が垂直配向ターゲットのデータを示し、白丸がカーボン板からなるターゲットのデータを示す。

図４から明らかなように、図１で示したＸ線及び高エネルギー粒子発生装置のターゲットとして垂直配向ターゲットを用いることにより、通常のカーボン板からなるターゲットに対して軟Ｘ線の時間積分発生量を入射レーザパルスエネルギーに応じて４〜２０倍に高めることができる。また、同じ軟Ｘ線強度を得るのに、入射レーザパルスのエネルギーが四分の一以下で済む。

次に、波長２．３ｎｍ〜４．４ｎｍの「水の窓」領域におけるＸ線増強効果について測定した結果を図５に示す。図５は、図１のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置のターゲットとして垂直配向ターゲットを用いたときと、通常のカーボン板からなるターゲットを用いたときの「水の窓」領域におけるＸ線強度の測定結果を示すグラフである。ここで、図５に示すグラフは、垂直配向ターゲットと通常のカーボン板からなるターゲットについて、波長２．０〜４．５ｎｍのＸ線の強度を比較したものであり、実線が垂直配向ターゲットのデータを示し、破線がカーボン板からなるターゲットのデータを示す。

この測定は、図１で示したＸ線及び高エネルギー粒子発生装置の出射用真空ポート９から図示しないベリリウムフィルタを取り除き、金を蒸着した斜め入射トロイダルミラーに代えてニッケルを蒸着した斜め入射トロイダルミラーを取り付け、この斜め入射トロイダルミラーの出射方向に設置した平面結像型斜め入射分光器を用いて行った。図５から明らかなように、図１のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置のターゲットとして垂直配向ターゲットを用いることにより、通常のカーボン板からなるターゲットに対してＸ線の増強度は、波長４．０３ｎｍのピークで７倍、波長３．３７ｎｍのピークで９倍の値が得られた。

また、高エネルギー粒子の発生量の違いについても調べるために、真空容器７内に配置した図示しないＸ線ＣＣＤカメラの前面にステンレス板を配置してＸ線を検出しないようにし、高エネルギー粒子の発生に伴うＸ線ＣＣＤカメラのカウント数を計測したところ、上述したカーボンナノチューブターゲットを用いることにより、通常のカーボン板からなるターゲットに対してＸ線の場合と同様な増強効果が得られた。

Ｘ線は、上述した炭素繊維のみならず、炭素繊維を配設した基板からも発生し、炭素繊維を配設した基板からは、炭素繊維が配設されていない裸の基板よりも増強されたＸ線が発生することが次の測定結果から明らかとなった。
図６は、図１のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置によって発生したシリコン特性ＫαＸ線のスペクトル強度を示すグラフである。ここで、図６に示すグラフは、基板にシリコンを用いた垂直配向ターゲットと、カーボンナノチューブを形成しない裸のシリコン基板とからなるターゲットについて、シリコン特性のＫαＸ線の強度を比較したものであり、実線が垂直配向ターゲットのデータを示し、点線がシリコン基板のみからなるターゲットのデータを示す。この測定は、図１で示したＸ線及び高エネルギー粒子発生装置の真空容器内で発生したＸ線から、図示しないベリリウムフィルタで１ＫｅＶ以下のエネルギーを持つ光を除去し、球面マイカ結晶にて１．７４ＫｅＶのエネルギーを持つシリコンの特性ＫαＸ線を分光してＸ線ＣＣＤカメラにて観測することにより行った。

図６から明らかなように、シリコン基板の表面をカーボンナノチューブで被覆したターゲットからは、カーボンナノチューブの被覆がない裸のシリコン基板のターゲットと比べて、１０倍程度増強したシリコン特性ＫαＸ線が発生した。この原理は次のように考えられる。
レーザ光をシリコン基板の表面にカーボンナノチューブが配設されたターゲットに照射すると、カーボンナノチューブから高エネルギー電子が大量に発生し、この高エネルギー電子がカーボンナノチューブで被覆されたシリコン基板を構成するシリコン原子と衝突する。すると、そのシリコン原子からは、カーボンナノチューブから大量に発生した高エネルギー電子の作用により、より増強されたシリコン特性Ｘ線が発生する。したがって、上述したように、シリコン基板の表面にカーボンナノチューブを形成したターゲットにレーザ光を照射すると、裸のシリコン基板のターゲットよりも増強されたシリコン特性ＫαＸ線が発生すると考えられる。

したがって、炭素繊維を配設する基板を構成する物質を換えることで、基板を構成する原子の種類に応じた様々な波長の特性Ｘ線が得られ、使用目的に合わせて高強度Ｘ線パルスの波長を選択することも可能となる。

なお、上述した基板には、炭素繊維を被覆することができるのであれば、シリコン基板のみならず、各種基板を適用することができる。
また、炭素繊維は、基板上において少なくともレーザが照射される範囲に形成されていればよい。
さらに、基板サイズは、製造装置の反応室の大きさで決定される。

炭素繊維の基板への配設方法は、上述した３つの製造方法のみならず、例えば電着法、スプレー法またはスピンコーティング法など、各種公知の方法を適宜自由に利用することができる。
ここで、電着法とは、例えば、アーク放電等の方法で生成したカーボンナノチューブを、硝酸中で還流して触媒金属等の不純物を取り除き、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）等の溶媒中に入れ、超音波や界面活性剤を用いてＩＰＡ中に均一に分散させた電着溶液を作製し、基板とステンレスからなる対向電極とを、所定の間隔を空けて平行になるように電着溶液中に設置し、所定のＶの電圧を所定時間加えた後、基板を電着溶液から引き出し、乾燥させることにより、基板にカーボンナノチューブを被覆させる方法である。
また、スプレー法は、例えば、電着法の場合と同様、カーボンナノチューブをＩＰＡ等の溶媒中に均一に分散させた溶液を作製し、この溶液をエアブラシにより、所定のエア圧力でエアブラシの吹きだし口から所定の距離だけ離間した基板に吹き付けることにより基板にカーボンナノチューブを被覆させる方法である。ここで、あらかじめ基板を加熱しておいて、溶液が蒸発し易くしておいてもよい。すると、基板上には、上述した電着法や熱ＣＶＤ法の場合と同様の被膜が生成される。
さらに、スピンコーティング法は、例えば、カーボンナノチューブを分散させた有機溶媒を、高速で回転する基板に滴下させて基板上に一様に塗布した後、紫外線、電子線、赤外線（熱）等を基板に照射して有機溶媒を蒸発させることにより、基板上にカーボンナノチューブを被覆させる方法である。

また、基板上に形成する炭素繊維は、上述したようにレーザ光が侵入可能な表皮厚の２倍以下の外径を有する多数のカーボン材料で構成され、これらのカーボン材料がナノメートルサイズの隙間を形成するように基板上に集積されているものであればカーボンナノチューブ以外のカーボン材料からなるものであってもよい。

本実施の形態によれば、上述したカーボンナノチューブターゲットの持つ、レーザ光が侵入可能な表皮厚の２倍以下の外径という特徴と、ナノメートルサイズの隙間を有するという特徴とにより、発生するＸ線の短パルス性が保てる単一レーザパルス照射の条件下でも、入射レーザ光とターゲットとの相互作用領域の拡大とプラズマ閉じ込めに伴う衝突が促進されるため、レーザ光からＸ線への変換効率と高エネルギー粒子の発生効率が大幅に向上する。なお、本実施の形態では、カーボンナノチューブを代表とする炭素繊維の外径をレーザ光が侵入可能な表皮厚の２倍以下とする例について説明したが、炭素繊維の外径が表皮厚の２倍を超えると、急にＸ線や高エネルギー粒子の増強効果がなくなるものではなく、外径が大きくなるにしたがい効果が少なくなるものであるから、炭素繊維の外径が
表皮厚の２倍を超えるものがあってもよい。

以上、この発明の実施の形態であるレーザ生成プラズマからのＸ線及び高エネルギー粒子発生装置とこれに用いるターゲットについて図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、Ｘ線ミラーなどを用いてＸ線のみを外部に取り出すようにしたＸ線発生装置としてもよいし、Ｘ線を遮断し高エネルギー粒子のみを透過させるフィルタを設けて高エネルギー粒子のみを外部に取り出すようにした高エネルギー粒子発生装置としてもよい。

また、高出力短パルスレーザ装置１として、波長７９０ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、パルスエネルギー６０ｍＪのレーザ光を出力するチタンサファイアレーザを用いた例について説明したが、使用可能なレーザ光はこれに限られるものでなく、レーザ光の波長、パルス幅及びパルスエネルギーの少なくとも１つが異なる他の高出力短パルスレーザ装置１を用いても同様の効果が得られる。例えば、出力するレーザ光のパルス幅がナノ秒オーダーであったり、パルスエネルギーが数ｍＪであったりしてもよい。

本発明にかかるＸ線及び高エネルギー粒子発生装置の実施の形態を示す構成図である。 図１のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置に用いるターゲットの走査型電子顕微鏡写真である。 図１のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置によって発生した硬Ｘ線パルスの強度を示すグラフである。 図１のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置によって発生した軟Ｘ線の時間積分強度の入射レーザパルスエネルギー依存性を示すグラフである。 図１のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置のターゲットとして垂直配向ターゲットを用いたときと、通常のカーボン板からなるターゲットを用いたときの「水の窓」領域におけるＸ線強度の測定結果を示すグラフである。 図１のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置によって発生したシリコン特性ＫαＸ線のスペクトル強度を示すグラフである。

符号の説明

１…高出力短パルスレーザ装置、２…単一レーザパルス光、３…レーザ光入射用透明窓、４…集光レンズ、５…ターゲット、６…Ｘ線パルス及び高エネルギー粒子、７…真空容器、８…ターゲット駆動装置、９…出射用真空ポート。

Claims (16)

1. ターゲットにレーザ光を照射してプラズマ化させＸ線及び高エネルギー粒子を発生させるＸ線及び高エネルギー粒子発生装置において、
   前記ターゲットは、
   ナノメートルサイズの隙間を形成する多数の炭素繊維で構成されている
   ことを特徴とするＸ線及び高エネルギー粒子発生装置。
2. 前記ターゲットは、前記炭素繊維により被覆された基板を備える
   ことを特徴とする請求項１記載のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置。
3. 前記炭素繊維は、
   前記レーザ光が侵入可能な表皮厚の２倍以下の外径を有する
   ことを特徴とする請求項１または２記載のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置。
4. 前記炭素繊維は、
   カーボンナノチューブである
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置。
5. 前記カーボンナノチューブは、
   基板上に無配向で形成されている
   ことを特徴とする請求項４記載のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置。
6. 前記カーボンナノチューブは、
   基板上に形成され、かつこの基板に対して垂直配向した多層カーボンナノチューブである
   ことを特徴とする請求項４記載のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置。
7. 前記炭素繊維は、５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の間隔で前記ナノメートルサイズの隙間を形成する
   ことを特徴とする請求項１記載のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置。
8. 前記基板は、シリコンである
   ことを特徴とする請求項２記載のＸ線及び高エネルギー粒子発生装置。
9. ターゲットにレーザ光を照射してプラズマ化させＸ線及び高エネルギー粒子を発生させるＸ線及び高エネルギー粒子発生方法であって、
   前記ターゲットとして、ナノメートルサイズの隙間を形成する多数の炭素繊維で構成されているターゲットを用いる
   ことを特徴とするＸ線及び高エネルギー粒子発生方法。
10. 前記ターゲットは、前記炭素繊維により被覆された基板を備える
    ことを特徴とする請求項９記載のＸ線及び高エネルギー粒子発生方法。
11. 前記炭素繊維は、
    前記レーザ光が侵入可能な表皮厚の２倍以下の外径を有する
    ことを特徴とする請求項９または１０記載のＸ線及び高エネルギー粒子発生方法。
12. 前記炭素繊維は、
    カーボンナノチューブである
    ことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載のＸ線及び高エネルギー粒子発生方法。
13. 前記カーボンナノチューブは、
    基板上に無配向で形成されている
    ことを特徴とする請求項１２記載のＸ線及び高エネルギー粒子発生方法。
14. 前記カーボンナノチューブは、
    基板上に形成され、かつこの基板に対して垂直配向した多層カーボンナノチューブである
    ことを特徴とする請求項１２記載のＸ線及び高エネルギー粒子発生方法。
15. 前記炭素繊維は、５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の間隔で前記ナノメートルサイズの隙間を形成する
    ことを特徴とする請求項９記載のＸ線及び高エネルギー粒子発生方法。
16. 前記基板は、シリコンである
    ことを特徴とする請求項１０記載のＸ線及び高エネルギー粒子発生方法。
    

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