JP2017111867A - Laser accelerator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマ発生装置を用いた荷電粒子のレーザー加速器に関する。 The present invention relates to a charged particle laser accelerator using a plasma generator.
数ＭｅＶから数ＧｅＶの高エネルギー粒子は学問の研究対象に留まることなく、工業や医療などの様々な分野で利用されている。このような高エネルギー粒子は線形加速器や円形加速器を用いて生成されている。線形加速器や円形加速器は、一列に並ぶ空洞共振器にマイクロ波を導入することで加速場を発生し、これにより荷電粒子を加速している。 High energy particles of several MeV to several GeV are used in various fields such as industry and medicine without being limited to academic research. Such high-energy particles are generated using a linear accelerator or a circular accelerator. Linear accelerators and circular accelerators generate an acceleration field by introducing microwaves into a row of cavity resonators, thereby accelerating charged particles.
電極間の絶縁破壊の懸念から、各空洞共振器内に発生させる電界強度には上限がある。そのため、一般的な傾向として、荷電粒子のエネルギーを高めようとすると、配列した空洞共振器の全長が長くなる。つまり、上記の加速器を用いた施設は大型化しやすい。 There is an upper limit to the electric field strength generated in each cavity resonator because of the concern about the dielectric breakdown between the electrodes. Therefore, as a general tendency, when the energy of charged particles is increased, the total length of the arranged cavity resonators becomes longer. That is, facilities using the above accelerators are likely to be large.
一方、高出力フェムト秒レーザーの実現によって、レーザー光を用いた粒子加速の研究が急速に進んでいる。レーザー加速は、レーザー光によるプラズマ波の共鳴を利用したもので、荷電粒子はプラズマ中で加速される。レーザー加速では、プラズマの長さが数ｍｍ〜数ｃｍ程度でありながら、ＭｅＶオーダー或いはそれ以上の加速が可能である。つまり、レーザー加速は、空洞共振器を用いることによる絶縁破壊の懸念を払拭すると共に、加速器の小型化に寄与する。加速器の小型化は、高エネルギー粒子源やＸ線源の小型化にも寄与する。 On the other hand, with the realization of high-power femtosecond lasers, research on particle acceleration using laser light is progressing rapidly. Laser acceleration uses the resonance of plasma waves by laser light, and charged particles are accelerated in the plasma. In laser acceleration, acceleration of MeV order or more is possible while the length of plasma is about several mm to several cm. That is, laser acceleration contributes to miniaturization of the accelerator while wiping out the concern about dielectric breakdown due to the use of the cavity resonator. Downsizing of the accelerator contributes to downsizing of high energy particle sources and X-ray sources.
従来のレーザー加速器では、パルス状のガスジェットが真空槽内に噴出され、この噴出に同期してガスジェットにレーザー光が照射される。これにより、プラズマの発生とほぼ同時に当該プラズマ中の荷電粒子が加速される。特許文献１は、レーザー光を照射することでプラズマを生成すると共に、当該レーザー光によって当該プラズマ中の電子を加速する電子加速装置を開示している。 In a conventional laser accelerator, a pulsed gas jet is ejected into a vacuum chamber, and laser light is irradiated to the gas jet in synchronization with the ejection. Thereby, charged particles in the plasma are accelerated almost simultaneously with the generation of the plasma. Patent Document 1 discloses an electron acceleration device that generates plasma by irradiating laser light and accelerates electrons in the plasma by the laser light.
レーザー加速器の産業への応用を考えた場合、用途に合わせて高エネルギー粒子やＸ線が十分に大きな強度をもち、長時間（数時間以上）安定に得られることが求められる。 When considering the application of laser accelerators to the industry, it is required that high-energy particles and X-rays have a sufficiently large intensity and can be stably obtained for a long time (several hours or more).
しかしながら、レーザー加速器の開発はまだ研究段階にあり、上記の要求に対して多くの課題が残っている。例えばその課題の一つとして、ガスジェットによる真空度の低下（即ち、真空槽内の圧力の上昇）が挙げられる。ガスジェットは高速の電磁バルブを用いて真空槽内にパルス状に噴出されている。そのため、ガスジェットの噴出は、真空度に影響を及ぼし、プラズマ発生間の待機時間を長くする。これに対して、特許文献１の電子加速装置では、真空槽内にガスジェットの回収手段を設け、待機時間の短縮化を図っている。 However, the development of laser accelerators is still in the research stage, and many challenges remain for the above requirements. For example, one of the problems is a decrease in the degree of vacuum caused by a gas jet (that is, an increase in pressure in the vacuum chamber). The gas jet is jetted into the vacuum chamber using a high-speed electromagnetic valve. Therefore, the ejection of the gas jet affects the degree of vacuum and lengthens the standby time between plasma generations. On the other hand, in the electronic acceleration device of Patent Document 1, a gas jet recovery means is provided in the vacuum chamber to shorten the standby time.
ガスジェットの噴出が０．１〜数Ｈｚ程度の繰り返し運転であれば、排気装置の容量（排気速度）を拡大することによって、運転が可能な真空度を維持することが可能である。しかしながら、この程度の繰り返し運転では所望の平均強度を得ることが困難になる。レーザー加速器の実用化には、少なくとも１００〜数ｋＨｚの繰り返し運転が望まれ、そのための真空度を維持することが重要になる。 If the gas jet is repeatedly operated at about 0.1 to several Hz, it is possible to maintain the degree of vacuum that allows the operation by expanding the capacity (exhaust speed) of the exhaust device. However, it is difficult to obtain a desired average intensity in such repeated operation. For practical use of a laser accelerator, it is desired to repeat operation of at least 100 to several kHz, and it is important to maintain a vacuum for that purpose.
そこで本発明は、排気装置の容量の拡大を抑制し、高い繰り返し運転が可能なレーザー加速器の提供を目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a laser accelerator capable of suppressing the expansion of the capacity of the exhaust device and capable of high repetition operation.
本発明の一態様はレーザー加速器であって、単一の軸線上に延びる中心電極および前記中心電極の外周を囲むように設けられる外部電極を有し、対称面を挟んで互いに対向配置され、プラズマを発生すると共に前記プラズマを閉じ込める一対の同軸状電極を含むプラズマ発生装置と、荷電粒子を加速させるためのレーザー光を、前記一対の同軸状電極の間に閉じ込められた前記プラズマに照射するレーザー装置と、を備えることを要旨とする。 One aspect of the present invention is a laser accelerator, which includes a central electrode extending on a single axis and an external electrode provided so as to surround the outer periphery of the central electrode. Generating apparatus including a pair of coaxial electrodes for confining the plasma, and a laser apparatus for irradiating the plasma confined between the pair of coaxial electrodes with a laser beam for accelerating charged particles And a gist of the above.
本発明によれば、排気装置の容量の拡大を抑制し、高い繰り返し運転が可能なレーザー加速器を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the expansion of the capacity | capacitance of an exhaust apparatus can be suppressed and the laser accelerator which can perform high repetition operation can be provided.
以下、本発明の実施形態に係るレーザー加速器について添付図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, a laser accelerator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図１に示すように、本実施形態のレーザー加速器は、レーザー装置１０と、プラズマ発生装置２０とを備えている。後述するように、プラズマ発生装置２０は、プラズマ３を発生し、プラズマ３を閉じ込める一対の同軸状電極２１、２１を有する。レーザー装置１０は、プラズマ発生装置２０によって形成された（換言すれば閉じ込められた）プラズマ３にレーザー光１１を照射する。 As shown in FIG. 1, the laser accelerator of the present embodiment includes a laser device 10 and a plasma generator 20. As will be described later, the plasma generator 20 includes a pair of coaxial electrodes 21 and 21 that generate the plasma 3 and confine the plasma 3. The laser device 10 irradiates the laser beam 11 to the plasma 3 formed by the plasma generator 20 (in other words, confined).
まず、レーザー装置１０について説明する。本実施形態のレーザー装置１０は、短パルスで大強度のレーザー光１１を発生する高出力レーザーである。即ち、レーザー装置１０は、プラズマ３内の荷電粒子（即ち電子或いはイオン）を加速するための、プラズマ波の共鳴的な励起が可能なパルス幅と強度（エネルギー）をもつレーザー光１１を出力する。このような条件を満たすレーザー装置としては、例えばフェムト秒レーザーが挙げられる。フェムト秒レーザーとは、パルス放射時間（パルス幅）が数フェムト秒（ｆｓ）以上で１ピコ秒（ｐｓ）未満である、極短パルスレーザである。 First, the laser device 10 will be described. The laser device 10 of this embodiment is a high-power laser that generates a high-intensity laser beam 11 with a short pulse. That is, the laser device 10 outputs a laser beam 11 having a pulse width and intensity (energy) capable of resonance excitation of a plasma wave for accelerating charged particles (that is, electrons or ions) in the plasma 3. . An example of a laser device that satisfies such conditions is a femtosecond laser. The femtosecond laser is an ultrashort pulse laser having a pulse emission time (pulse width) of several femtoseconds (fs) or more and less than 1 picosecond (ps).
レーザー装置１０は、プラズマ発生装置２０によるプラズマ３の発生に同期して、レーザー光１１を発生し、出力する。この同期には、例えば、プラズマ発生装置２０内のレーザー装置４０に入力するトリガー信号を用いることができる。レーザー装置１０から発せられたレーザー光１１は、集光ミラー１２によってプラズマ３に向けて収束する。なお、集光ミラー１２の代わりに、レンズ（図示せず）を用いてもよい。 The laser device 10 generates and outputs a laser beam 11 in synchronization with the generation of the plasma 3 by the plasma generator 20. For this synchronization, for example, a trigger signal input to the laser device 40 in the plasma generator 20 can be used. The laser beam 11 emitted from the laser device 10 is converged toward the plasma 3 by the condenser mirror 12. A lens (not shown) may be used instead of the condenser mirror 12.
後述するように、プラズマ発生装置２０によって形成されたプラズマ３は、プラズマ媒体６を成分に含む高温のプラズマであり、そのサイズは数ｍｍ程度である。プラズマ３に照射されたレーザー光１１は、プラズマ３のプラズマ波を励起し、この励起に起因してプラズマ３内の荷電粒子群４（電子群及びイオン群（プラズマ媒体６のイオンを含む））が、プラズマ３から見てレーザー光１１の出射方向に加速され、プラズマ３から放出される。 As will be described later, the plasma 3 formed by the plasma generator 20 is a high-temperature plasma containing the plasma medium 6 as a component, and its size is about several millimeters. The laser beam 11 irradiated to the plasma 3 excites the plasma wave of the plasma 3, and the charged particle group 4 (electron group and ion group (including ions of the plasma medium 6)) in the plasma 3 due to this excitation. Is accelerated in the emission direction of the laser beam 11 when viewed from the plasma 3 and is emitted from the plasma 3.
（プラズマ発生装置）
次に、プラズマ発生装置２０について説明する。図２は、プラズマ発生装置２０を示す概略構成図（断面図）であり、図３はプラズマ発生装置２０の電気系統を示す図である。これらの図に示すように、本実施形態のプラズマ発生装置２０は、一対の同軸状電極２１、２１と、各同軸状電極２１に対して個別に設けられるリザーバ２６と、電圧印加装置３０と、レーザー装置４０とを備える。なお、図２において右側の同軸状電極２１は、左側の同軸状電極２１と同一の構成であるため、詳細な図示を省略する。
(Plasma generator)
Next, the plasma generator 20 will be described. FIG. 2 is a schematic configuration diagram (cross-sectional view) showing the plasma generator 20, and FIG. 3 is a diagram showing an electrical system of the plasma generator 20. As shown in these drawings, the plasma generator 20 of the present embodiment includes a pair of coaxial electrodes 21, 21, a reservoir 26 provided individually for each coaxial electrode 21, a voltage applying device 30, And a laser device 40. In FIG. 2, the right coaxial electrode 21 has the same configuration as the left coaxial electrode 21, and thus detailed illustration is omitted.
一対の同軸状電極２１、２１は、図示しない真空槽内において対称面１に対して互いに対称な位置に設置されている。具体的には、対称面１を挟んで一定の間隔を隔てて設置され、先端側（面状放電２ｂが放出される側）が互いに対向している。同軸状電極２１、２１は、プラズマ媒体６を含むプラズマ３を発生すると共に、両者の間に当該プラズマ３を閉じ込める。同軸状電極２１、２１の間に閉じ込められたプラズマ３は加熱され、その密度も上昇する。なお、高温のプラズマ３からは、極端紫外光を含むプラズマ光８が放射される。 The pair of coaxial electrodes 21 and 21 are installed at positions symmetrical to each other with respect to the symmetry plane 1 in a vacuum chamber (not shown). Specifically, it is installed at a certain interval across the symmetry plane 1, and the tip side (side from which the planar discharge 2 b is emitted) is opposed to each other. The coaxial electrodes 21 and 21 generate the plasma 3 including the plasma medium 6 and confine the plasma 3 therebetween. The plasma 3 confined between the coaxial electrodes 21 and 21 is heated, and its density also increases. Note that plasma light 8 including extreme ultraviolet light is emitted from the high temperature plasma 3.
本実施形態のプラズマ媒体６は、リザーバ２６から保持部２５（後述）に供給可能な低融点金属（低融点合金）であり、その組成は、必要なイオン種に応じて適宜選択される。プラズマ媒体６は、例えばＬｉ、Ｓｎ、Ｂｉなどである。 The plasma medium 6 of the present embodiment is a low melting point metal (low melting point alloy) that can be supplied from the reservoir 26 to a holding unit 25 (described later), and the composition thereof is appropriately selected according to the necessary ion species. The plasma medium 6 is, for example, Li, Sn, Bi or the like.
各同軸状電極２１は、中心電極２２と、中心電極２２の外周を囲むように設けられる複数の外部電極２３と、絶縁体２４とを備える。図２および図４に示すように、中心電極２２は、各同軸状電極２１に共通する単一の軸線Ｚ−Ｚを中心軸（以下、この軸を中心軸Ｚと称する）として、この中心軸Ｚ上に延びる棒状の導電体であり、直径は例えば５ｍｍである。中心電極２２は、対称面１に面する先端部２２ａと、中心軸Ｚの周りに形成された側面２２ｂとを有する。なお、側面２２ｂには後述の保持部２５が設けられている。中心電極２２は高温プラズマに対して耐熱性を有する材料を用いて形成される。このような材料は、例えばタングステンやモリブデン等の高融点金属である。 Each coaxial electrode 21 includes a center electrode 22, a plurality of external electrodes 23 provided so as to surround the outer periphery of the center electrode 22, and an insulator 24. As shown in FIGS. 2 and 4, the center electrode 22 has a single axis ZZ common to the coaxial electrodes 21 as a central axis (hereinafter, this axis is referred to as the central axis Z). It is a rod-shaped conductor extending on Z, and its diameter is, for example, 5 mm. The center electrode 22 has a front end portion 22a facing the symmetry plane 1 and a side surface 22b formed around the central axis Z. Note that a holding portion 25 described later is provided on the side surface 22b. The center electrode 22 is formed using a material having heat resistance against high temperature plasma. Such a material is, for example, a refractory metal such as tungsten or molybdenum.
先端部２２ａは、対称面１に対向する半球状の曲面を有する。ただし、対称面１に対向する面の形状は曲面に限られず、単なる平面でもよい。また、中心軸Ｚに沿って窪んだ凹部（図示せず）を設けてもよい。 The tip portion 22 a has a hemispherical curved surface facing the symmetry plane 1. However, the shape of the surface facing the symmetry plane 1 is not limited to a curved surface, and may be a simple plane. Moreover, you may provide the recessed part (not shown) recessed along the central axis Z. As shown in FIG.
図２に示すように、外部電極２３は、中心電極２２の中心軸Ｚと平行に延びる棒状の導電体であり、直径は例えば３ｍｍである。また、図４に示すように、中心電極２２と一定の間隔（例えば２．５ｍｍ）を隔てながら、中心電極２２の周方向に沿って角度θ毎に複数配置されている。換言すると、各外部電極２３は中心電極２２と平行に配置され、中心電極２２の周囲を囲んでいる。図４に示す例では、６本の外部電極２３が中心電極２２の周りで６０°毎に配置されている。 As shown in FIG. 2, the external electrode 23 is a rod-shaped conductor extending in parallel with the central axis Z of the central electrode 22, and has a diameter of, for example, 3 mm. As shown in FIG. 4, a plurality of the electrodes are arranged at each angle θ along the circumferential direction of the center electrode 22 while being spaced apart from the center electrode 22 by a certain distance (for example, 2.5 mm). In other words, each external electrode 23 is arranged in parallel with the center electrode 22 and surrounds the periphery of the center electrode 22. In the example shown in FIG. 4, six external electrodes 23 are arranged around the center electrode 22 every 60 °.
図４に示すように、各外部電極２３は、その軸方向に垂直な面において、中心電極２２との距離が最短となる部位Ｇを１点だけ含む断面を有する。このような形状の断面は、例えば円である。ただし、外部電極２３の断面形状は円形に限られず、少なくとも中心電極２２に対向する面が、中心電極２２に向かって突出する曲面を有していればよい。また、何れの場合も、部位Ｇが中心電極２２の周りで角度θ毎に配置される。 As shown in FIG. 4, each external electrode 23 has a cross section including only one portion G that has the shortest distance from the center electrode 22 in a plane perpendicular to the axial direction. The cross section having such a shape is, for example, a circle. However, the cross-sectional shape of the external electrode 23 is not limited to a circle, and at least the surface facing the center electrode 22 only needs to have a curved surface protruding toward the center electrode 22. In any case, the part G is arranged around the center electrode 22 at each angle θ.
外部電極２３は中心電極２２の周りで等間隔に設置されることが望ましい。例えば、加工や組み立ての観点から、各外部電極２３は中心電極２２に対して回転対称な位置に設置されることが望ましい。ただし、本発明はこのような配列に限定されない。また、外部電極２３の数も６本に限定されず、中心電極２２及び外部電極２３の大きさや形状、両者の間隔などに応じて適宜設定される。なお、外部電極２３は中心電極２２を中心軸とした円筒状（管状）の電極であってもよい。ただし、面状放電２ｂ（後述）の形成の容易性を考慮すると、外部電極２３を複数の棒状電極で構成することが望ましい。 It is desirable that the external electrodes 23 be installed at equal intervals around the center electrode 22. For example, from the viewpoint of processing and assembly, each external electrode 23 is desirably installed at a rotationally symmetric position with respect to the center electrode 22. However, the present invention is not limited to such an arrangement. Further, the number of external electrodes 23 is not limited to six, and is appropriately set according to the size and shape of the center electrode 22 and the external electrode 23, the distance between them, and the like. The external electrode 23 may be a cylindrical (tubular) electrode having the central electrode 22 as a central axis. However, considering the ease of forming the planar discharge 2b (described later), it is desirable that the external electrode 23 be composed of a plurality of rod-shaped electrodes.
なお、外部電極２３は、中心電極２２と同じく、高温プラズマに対して耐熱性をもつ導電材料を用いて形成される。また、対称面１に対向する外部電極２３の端面は曲面、平面の何れでもよい。 The external electrode 23 is formed using a conductive material having heat resistance against high-temperature plasma, like the center electrode 22. Further, the end face of the external electrode 23 facing the symmetry plane 1 may be either a curved surface or a flat surface.
中心電極２２の周りに複数の外部電極２３をこのように配置することで、図２に示す面状放電２ｂに至る初期放電２ａ（図８参照）を、各外部電極２３と中心電極２２との間で発生させることができる。即ち、各部位Ｇを放電経路に含む初期放電２ａを優先的に発生させることで、当該初期放電２ａを中心電極２２の全周に亘って発生させることが可能になり、環状の面状放電２ｂの形成が容易になる。 By arranging the plurality of external electrodes 23 around the center electrode 22 in this way, the initial discharge 2a (see FIG. 8) reaching the planar discharge 2b shown in FIG. Can be generated between. That is, by preferentially generating the initial discharge 2a including each part G in the discharge path, the initial discharge 2a can be generated over the entire circumference of the center electrode 22, and the annular planar discharge 2b. Is easy to form.
絶縁体２４は例えばセラミックを用いて形成され、中心電極２２と外部電極２３の各基部を支持して両者の間隔を規定すると共にその間を電気的に絶縁する。絶縁体２４は例えば円盤状に形成され、中心電極２２及び外部電極２３を支持する孔や溝等の構造を有する。 The insulator 24 is formed using ceramic, for example, and supports the base portions of the center electrode 22 and the external electrode 23 to define the distance between them and to electrically insulate them. The insulator 24 is formed in a disk shape, for example, and has a structure such as a hole or a groove that supports the center electrode 22 and the external electrode 23.
図４に示すように、保持部２５は、中心電極２２の側面２２ｂに形成される。保持部２５は、外部電極２３の部位Ｇと対向し、且つ、レーザー光４１の照射位置を含む位置に位置する。本実施形態では、保持部２５も中心軸Ｚを挟んだ２か所に形成されている。 As shown in FIG. 4, the holding portion 25 is formed on the side surface 22 b of the center electrode 22. The holding unit 25 is located at a position facing the part G of the external electrode 23 and including the irradiation position of the laser beam 41. In the present embodiment, the holding portions 25 are also formed at two locations across the central axis Z.
保持部２５は、中心電極２２の側面２２ｂに開口部２５ａを有する凹状に形成され、その内側にプラズマ媒体６を保持する。即ち、保持部２５は、側面２２ｂから中心電極２２の径方向内方に向けて窪んでおり、プラズマ媒体６は保持部２５内に留まっている。例えば図５に示すように、保持部２５は中心電極２２の側面２２ｂに開口部２５ａを有し、側面２２ｂから中心電極２２の径方向内方に向けて延伸する孔として形成されている。保持部２５には中心電極２２の流路２２ｃが接続（連通）する。従って、プラズマ媒体６はこの流路２２ｃを介して保持部２５に供給され、保持部２５内に保持される。 The holding part 25 is formed in a concave shape having an opening part 25 a on the side surface 22 b of the center electrode 22, and holds the plasma medium 6 inside thereof. That is, the holding portion 25 is recessed from the side surface 22 b toward the inner side in the radial direction of the center electrode 22, and the plasma medium 6 remains in the holding portion 25. For example, as shown in FIG. 5, the holding portion 25 has an opening 25 a on the side surface 22 b of the center electrode 22, and is formed as a hole extending from the side surface 22 b toward the inside in the radial direction of the center electrode 22. The flow path 22c of the center electrode 22 is connected (communication) to the holding portion 25. Accordingly, the plasma medium 6 is supplied to the holding unit 25 through the flow path 22 c and is held in the holding unit 25.
保持部２５内のプラズマ媒体６は、中心電極２２の側面２２ｂよりも外部電極２３から離隔している。換言すれば、保持部２５の開口部２５ａは対称面１側に位置する縁部２５ｂを含み、中心軸Ｚに平行な中心電極２２の断面において、少なくともこの縁部２５ｂが保持部２５におけるプラズマ媒体６よりも外部電極２３に近接している。 The plasma medium 6 in the holding unit 25 is farther from the external electrode 23 than the side surface 22 b of the center electrode 22. In other words, the opening 25a of the holding portion 25 includes an edge portion 25b positioned on the symmetry plane 1 side, and at least the edge portion 25b is a plasma medium in the holding portion 25 in the cross section of the central electrode 22 parallel to the central axis Z. 6 is closer to the external electrode 23 than 6.
保持部２５が孔である場合、保持部２５の内径（即ち、開口部２５ａの直径）は、（１）プラズマ媒体６が自己の表面張力によって保持部２５内に留まることができ、（２）レーザー光４１が保持部２５の周囲の側面２２ｂに当たらない値に設定される。このような値は、レーザー光４１の照射位置におけるビーム径（数百μｍ）の数倍、例えば１．５ｍｍである。 When the holding part 25 is a hole, the inner diameter of the holding part 25 (that is, the diameter of the opening 25a) is (1) the plasma medium 6 can remain in the holding part 25 by its surface tension, and (2) The laser beam 41 is set to a value that does not hit the side surface 22 b around the holding unit 25. Such a value is several times the beam diameter (several hundred μm) at the irradiation position of the laser light 41, for example, 1.5 mm.
リザーバ２６は各同軸状電極２１に対して個別に設けられる。図２に示すように、リザーバ２６は中心電極２２の基部を支持すると共に、内部に形成した空間２６ａにプラズマ媒体６を貯留する。この空間２６ａは、中心電極２２の流路２２ｃを介して保持部２５に連通している。また、リザーバ２６はヒータ２７を搭載している。ヒータ２７は、例えば熱媒体（油）循環式のヒータや電熱式のヒータで構成され、空間２６ａ内のプラズマ媒体６を溶融すると共に、中心電極２２の温度をプラズマ媒体６が溶融する温度に維持する。従って、プラズマ媒体６が流路２２ｃを介して保持部２５に流出したときも、保持部２５はプラズマ媒体６を溶融した状態で保持することができる。なお、保持部２５におけるプラズマ媒体６の表面６ａの位置を調整するため、空間２６ａ内のプラズマ媒体６に対して正圧や負圧を与える加圧装置を設けてもよい。この場合、表面６ａの位置調整が容易になる。 The reservoir 26 is provided individually for each coaxial electrode 21. As shown in FIG. 2, the reservoir 26 supports the base of the center electrode 22 and stores the plasma medium 6 in a space 26a formed therein. The space 26 a communicates with the holding unit 25 through the flow path 22 c of the center electrode 22. The reservoir 26 is equipped with a heater 27. The heater 27 is composed of, for example, a heat medium (oil) circulation heater or an electrothermal heater, and melts the plasma medium 6 in the space 26a and maintains the temperature of the center electrode 22 at a temperature at which the plasma medium 6 melts. To do. Therefore, even when the plasma medium 6 flows out to the holding unit 25 through the flow path 22c, the holding unit 25 can hold the plasma medium 6 in a molten state. In order to adjust the position of the surface 6a of the plasma medium 6 in the holding unit 25, a pressurizing device that applies positive pressure or negative pressure to the plasma medium 6 in the space 26a may be provided. In this case, the position of the surface 6a can be easily adjusted.
なお、耐熱性や導電性に支障のない限り、中心電極２２をプラズマ媒体６を含む材料で構成してもよい。或いは、保持部２５として、中心電極２２の側面２２ｂに固形のプラズマ媒体６を埋設（装着）してもよい。これらの場合は、リザーバ２６やヒータ２７を省略してもよい。 The center electrode 22 may be made of a material including the plasma medium 6 as long as the heat resistance and conductivity are not hindered. Alternatively, the solid plasma medium 6 may be embedded (attached) to the side surface 22 b of the center electrode 22 as the holding portion 25. In these cases, the reservoir 26 and the heater 27 may be omitted.
次に、本実施形態のプラズマ発生装置２０における電気系統について説明する。図３に示すように、プラズマ発生装置２０は各同軸状電極２１に接続する電圧印加装置３０を備える。電圧印加装置３０は、各同軸状電極２１に同極性の放電電圧を印加する。 Next, the electrical system in the plasma generator 20 of this embodiment is demonstrated. As shown in FIG. 3, the plasma generator 20 includes a voltage application device 30 connected to each coaxial electrode 21. The voltage application device 30 applies a discharge voltage having the same polarity to each coaxial electrode 21.
電圧印加装置３０は、高圧電源３１を備える。高圧電源３１の出力側は、同軸状電極２１の中心電極２２に接続し、この中心電極２２に対応する外部電極２３よりも高い正の放電電圧（例えば５ｋＶ）を印加する。従って、外部電極２３が接地されている場合は、中心電極２２の電位は正になる。 The voltage application device 30 includes a high voltage power supply 31. The output side of the high-voltage power supply 31 is connected to the center electrode 22 of the coaxial electrode 21 and applies a positive discharge voltage (for example, 5 kV) higher than the external electrode 23 corresponding to the center electrode 22. Therefore, when the external electrode 23 is grounded, the potential of the center electrode 22 is positive.
上述の通り、各中心電極２２の周囲には複数の外部電極２３が設けられている。理想的な面状放電２ｂを得るには、全ての外部電極２３と中心電極２２との間で、放電が発生する必要がある。しかも、これらの放電が、中心電極２２の周りで空間的に等間隔に分布していることが望ましい。このため本実施形態の各外部電極２３は、中心電極２２に対向する面を曲面にして、優先的に放電する箇所を規定している。しかしながら、放電箇所を固定し、後述するレーザー光４１を各中心電極２２の保持部２５に同時に照射したとしても、各外部電極２３と中心電極２２との間の放電を厳密に同時に発生させることは困難であり、実際には各放電の発生タイミングに多少のずれが生じる。高圧電源３１から供給される放電エネルギーは最初に発生した放電に対して優先的に費やされる傾向があり、この場合は複数の放電を略同時に発生させることが困難になる。 As described above, a plurality of external electrodes 23 are provided around each center electrode 22. In order to obtain an ideal sheet discharge 2b, it is necessary to generate a discharge between all the external electrodes 23 and the center electrode 22. Moreover, it is desirable that these discharges are spatially distributed at equal intervals around the center electrode 22. For this reason, each external electrode 23 of the present embodiment has a surface that faces the center electrode 22 as a curved surface to define a preferential discharge location. However, even if the discharge location is fixed and a laser beam 41 (to be described later) is simultaneously irradiated onto the holding portion 25 of each center electrode 22, it is possible to generate the discharge between each external electrode 23 and the center electrode 22 strictly at the same time. In reality, there is a slight deviation in the timing of occurrence of each discharge. The discharge energy supplied from the high-voltage power supply 31 tends to be preferentially consumed with respect to the first generated discharge. In this case, it is difficult to generate a plurality of discharges substantially simultaneously.
そこで、本実施形態の電圧印加装置３０は、放電電圧の放電エネルギーを外部電極２３毎に蓄積するエネルギー蓄積回路３２を備えている。エネルギー蓄積回路３２は、例えば図３に示すように中心電極２２と各外部電極２３との間を個別に接続する複数のコンデンサＣで構成される。各コンデンサＣは、放電のピーク時に１０ｋＡ程度の放電電流を流すことが可能な静電容量を持ち、高圧電源３１の各出力側及び各コモン側に接続される。 Therefore, the voltage application device 30 of this embodiment includes an energy storage circuit 32 that stores the discharge energy of the discharge voltage for each external electrode 23. For example, as shown in FIG. 3, the energy storage circuit 32 includes a plurality of capacitors C that individually connect the center electrode 22 and each external electrode 23. Each capacitor C has a capacitance that allows a discharge current of about 10 kA to flow at the peak of discharge, and is connected to each output side and each common side of the high-voltage power supply 31.
このように、放電エネルギーを蓄積するコンデンサＣを外部電極２３毎に設けることで、全ての外部電極２３において放電を発生させることができる。即ち、最初に発生した放電によって多くの放電エネルギーが消費されることを防止でき、中心電極２２の全周に亘って発生する理想的な面状放電２ｂを得ることができる。 Thus, by providing the capacitor C for storing discharge energy for each external electrode 23, it is possible to generate discharge in all the external electrodes 23. That is, it is possible to prevent a large amount of discharge energy from being consumed by the first generated discharge, and to obtain an ideal planar discharge 2b that occurs over the entire circumference of the center electrode 22.
さらに、本実施形態の電圧印加装置３０は、放電電流が帰還することを阻止する放電電流阻止回路３３を備えてもよい。放電電流阻止回路３３は、例えば図３に示すように各外部電極２３と電圧印加装置３０（具体的には高圧電源３１のコモン側）との間を接続するインダクタＬで構成される。インダクタＬは、放電電流に対して十分に高いインピーダンスを有するため、中心電極２２及び外部電極２３を経由した放電電流を、その発生源であるエネルギー蓄積回路３２に戻すことができる。つまり、各コンデンサＣに蓄積された放電エネルギーが、当該コンデンサＣに直結した外部電極２３以外の外部電極２３に供給されることを防止するため、中心電極２２の周方向における放電の発生分布に偏りが生じることを防止できる。 Further, the voltage application device 30 of the present embodiment may include a discharge current blocking circuit 33 that blocks the discharge current from returning. For example, as shown in FIG. 3, the discharge current blocking circuit 33 includes an inductor L that connects between each external electrode 23 and the voltage application device 30 (specifically, the common side of the high-voltage power supply 31). Since the inductor L has a sufficiently high impedance with respect to the discharge current, the discharge current that has passed through the center electrode 22 and the external electrode 23 can be returned to the energy storage circuit 32 that is the generation source thereof. That is, in order to prevent the discharge energy accumulated in each capacitor C from being supplied to the external electrode 23 other than the external electrode 23 directly connected to the capacitor C, the discharge distribution in the circumferential direction of the center electrode 22 is biased. Can be prevented.
上述の通り、本実施形態のプラズマ発生装置２０はレーザー装置４０を備える。レーザー装置４０は、各同軸状電極２１の中心電極２２の表面にレーザー光４１を照射することで、プラズマ３の媒体を放出させると共にプラズマ３の初期放電２ａを発生させる。レーザー装置４０は例えばＹＡＧレーザーであり、アブレーションを行うために基本波の二倍波を短パルスのレーザー光４１として出力する。レーザー光４１は、ビームスプリッタ（ハーフミラー）等の光学素子によって分岐し、各中心電極２２の保持部２５に照射される。レーザー光４１が照射された保持部２５では、レーザー光４１のアブレーションによって、プラズマ媒体６が中性ガス又はイオンとなって放出される。 As described above, the plasma generator 20 of this embodiment includes the laser device 40. The laser device 40 irradiates the surface of the center electrode 22 of each coaxial electrode 21 with laser light 41, thereby releasing the medium of the plasma 3 and generating the initial discharge 2a of the plasma 3. The laser device 40 is a YAG laser, for example, and outputs a double wave of the fundamental wave as a short pulse laser beam 41 in order to perform ablation. The laser beam 41 is branched by an optical element such as a beam splitter (half mirror), and is irradiated to the holding portion 25 of each center electrode 22. In the holding unit 25 irradiated with the laser beam 41, the plasma medium 6 is emitted as neutral gas or ions by ablation of the laser beam 41.
一方、レーザー光４１の照射時には、既に電圧印加装置３０による放電電圧が、各同軸状電極２１の中心電極２２と外部電極２３の間に印加されている。従って、アブレーションが発生すると、中心電極２２と各外部電極２３間の初期放電２ａが誘発され、この放電によって面状放電２ｂ（図８参照）が形成される。 On the other hand, at the time of irradiation with the laser light 41, the discharge voltage by the voltage application device 30 has already been applied between the center electrode 22 and the external electrode 23 of each coaxial electrode 21. Therefore, when ablation occurs, an initial discharge 2a between the center electrode 22 and each external electrode 23 is induced, and a planar discharge 2b (see FIG. 8) is formed by this discharge.
なお、初期放電２ａの発生箇所は、レーザー光４１の照射領域及びその近傍に制限される可能性がある。従って、レーザー光４１は中心軸Ｚの周方向に沿って間隔を置いて、複数且つ同時に照射することが好ましく、その数は少なくとも２箇所である。 In addition, the generation | occurrence | production location of the initial discharge 2a may be restrict | limited to the irradiation area | region of the laser beam 41, and its vicinity. Therefore, it is preferable to irradiate a plurality of laser beams 41 at intervals along the circumferential direction of the central axis Z, and the number thereof is at least two.
これは、初期放電２ａの発生領域が、中心電極２２の軸を基点に１８０度以上の開き角があった実験結果に基づいている。この実験結果の一例を図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す。図６（ａ）
〜（ｃ）は４個のＣＣＤを有する高速度カメラで測定したものである。図６（ａ）〜図６（ｃ）は、５ｋＶの放電電圧が印加された中心電極‐外部電極間の放電分布の経時変化を示す画像である。図６（ａ）は最初の放電の発生から１００ｎｓ後の状態、図６（ｂ）は最初の放電の発生から３００ｎｓ後の状態、図６（ｃ）は最初の放電の発生から５００ｎｓ後の状態を示している。各画像における蓄積時間（露光時間）は１００ｎｓである。図中白い個所はプラズマが生成し発光していることを示す。なお、最初の放電を誘発するために、中心電極と外部電極の間の絶縁体の一箇所に対してレーザーアブレーションを行っている。しかしながら、このような放電の経時変化は、図１に示す保持部２５に対するレーザーアブレーションでも同様に得られる。
This is based on an experimental result in which the generation region of the initial discharge 2a has an opening angle of 180 degrees or more with the axis of the center electrode 22 as a base point. An example of the experimental results is shown in FIGS. 6 (a) to 6 (c). FIG. 6 (a)
-(C) is measured with a high-speed camera having four CCDs. FIGS. 6A to 6C are images showing changes over time in the discharge distribution between the center electrode and the external electrode to which a discharge voltage of 5 kV is applied. 6A shows a state 100 ns after the first discharge, FIG. 6B shows a state 300 ns after the first discharge, and FIG. 6C shows a state 500 ns after the first discharge. Is shown. The accumulation time (exposure time) in each image is 100 ns. White parts in the figure indicate that plasma is generated and light is emitted. In order to induce the first discharge, laser ablation is performed on one place of the insulator between the center electrode and the external electrode. However, such a change with time of discharge can be similarly obtained by laser ablation with respect to the holding portion 25 shown in FIG.
図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す時間変化から判るように、レーザー光の照射点は１点のみであるにも関わらず、アブレーションに誘発された放電が発生し、当該放電がレーザー光の照射点から時計回り及び反時計回りにそれぞれ概ね９０度に亘って拡大していることが確認できる。その結果、少なくとも写真中央と右側の計４本の外部電極のそれぞれと、中心電極との間で十分な放電が発生していることが確認できる。つまり、放電は、当該放電を誘発する現象（図６（ａ）〜図６（ｃ）においてはレーザーアブレーション）が発生した箇所に最も近接した外部電極と中心電極との間だけでなく、その遠方に位置する外部電極と中心電極との間にも発生する。即ち、放電エネルギーを付与した複数の外部電極を中心電極の周りに配置することで、中心電極の円周方向において放電を局在させることなく、全体に拡大させることができる。 As can be seen from the time changes shown in FIGS. 6A to 6C, the discharge induced by ablation is generated even though the laser beam is irradiated only at one point, and this discharge is generated by the laser. It can be confirmed that each of the light has been enlarged approximately 90 degrees clockwise and counterclockwise from the light irradiation point. As a result, it can be confirmed that a sufficient discharge is generated between each of the four external electrodes in the center and the right side of the photograph and the center electrode. That is, the discharge is not only between the external electrode and the center electrode closest to the location where the phenomenon that induces the discharge (laser ablation in FIGS. It also occurs between the external electrode located at the center and the center electrode. That is, by disposing a plurality of external electrodes to which discharge energy is applied around the center electrode, it is possible to expand the entire discharge without localizing the discharge in the circumferential direction of the center electrode.
図７は、中心電極を挟んだ絶縁体の二箇所に対してレーザーアブレーションを行った後の放電の経時変化を示し、図６（ｂ）に対応している。この図に示すように、初期放電は環状に分布する放電（後述の面状放電２ｂ）に成長する。なお、この結果を考慮すると、照射箇所の数が少ないほど中心電極２２に対して回転対称な位置にレーザー光４１を照射することが望ましい。なお、複数のレーザー光の同時照射は、ビームスプリッタ及びミラー等の光学素子を用いて光路長を合わせた複数の光路を形成することで容易に達成できる。 FIG. 7 shows changes with time of discharge after laser ablation is performed on two portions of the insulator sandwiching the center electrode, and corresponds to FIG. 6B. As shown in this figure, the initial discharge grows into a circularly distributed discharge (planar discharge 2b described later). In consideration of this result, it is desirable to irradiate the laser beam 41 at a rotationally symmetric position with respect to the center electrode 22 as the number of irradiated portions is smaller. Note that simultaneous irradiation with a plurality of laser beams can be easily achieved by forming a plurality of optical paths having optical path lengths using optical elements such as a beam splitter and a mirror.
上述の通り、本実施形態のプラズマ発生装置２０では、真空槽（図示せず）内に一対の同軸状電極２１が設けられる。一対の同軸状電極２１は、対称面１を挟んで互いに対向配置される。一方、真空槽内は、プラズマ３の発生に適した温度及び圧力に保持される。また、放電前の各同軸状電極２１には、電圧印加装置３０により同極性の放電電圧が印加される。 As described above, in the plasma generator 20 of the present embodiment, a pair of coaxial electrodes 21 are provided in a vacuum chamber (not shown). The pair of coaxial electrodes 21 are disposed to face each other with the symmetry plane 1 in between. On the other hand, the inside of the vacuum chamber is maintained at a temperature and pressure suitable for generating the plasma 3. Further, a discharge voltage having the same polarity is applied to each coaxial electrode 21 before discharge by the voltage application device 30.
各同軸状電極２１に放電電圧が印加された状態で、レーザー光４１が各同軸状電極２１の保持部２５に同時に照射される。この照射によるアブレーションによって、保持部２５に留まっていたプラズマ媒体６が、中性ガス又はイオンとなって放出される。また、このアブレーションによって、中心電極２２と各外部電極２３の間で初期放電２ａが発生する。 In a state where a discharge voltage is applied to each coaxial electrode 21, the laser beam 41 is simultaneously irradiated to the holding portion 25 of each coaxial electrode 21. By this ablation by irradiation, the plasma medium 6 remaining in the holding unit 25 is discharged as neutral gas or ions. Further, by this ablation, an initial discharge 2 a is generated between the center electrode 22 and each external electrode 23.
その後、初期放電２ａは、アブレーションによって放出されたプラズマ媒体６を取り込みつつ、中心電極２２の全周に亘って分布し、面状放電２ｂに成長する。面状放電２ｂは、自己磁場によって同軸状電極２１から排出される方向（即ち、対称面１に向かう方向）に移動する。このときの面状放電２ｂは、中心軸Ｚから見て略環状に分布する。なお、面状放電とは、２次元的に広がる面状の放電電流のことであり、電流シート又はプラズマシートとも呼ばれている。 Thereafter, the initial discharge 2a is distributed over the entire circumference of the center electrode 22 while taking in the plasma medium 6 released by ablation, and grows into a planar discharge 2b. The planar discharge 2b moves in the direction discharged from the coaxial electrode 21 by the self magnetic field (that is, the direction toward the symmetry plane 1). The planar discharge 2b at this time is distributed in a substantially annular shape when viewed from the central axis Z. The sheet discharge is a sheet discharge current that spreads two-dimensionally and is also called a current sheet or a plasma sheet.
面状放電２ｂが同軸状電極２１の先端に達すると、面状放電２ｂの放電電流の出発点は強制的に中心電極２２の円周側面から先端部２２ａに移行する。換言すれば、放電電流は先端部２２ａから集中的に流れ出す。この電流集中によるピンチ効果によって先端部２２ａ周辺の電流密度は急激に上昇し、一対の面状放電２ｂの間に挟まれていた先端部２２ａ周辺のプラズマ媒体６は高温になり、且つその密度も上昇する。 When the planar discharge 2b reaches the tip of the coaxial electrode 21, the starting point of the discharge current of the planar discharge 2b is forcibly shifted from the circumferential side surface of the center electrode 22 to the tip 22a. In other words, the discharge current flows intensively from the tip 22a. Due to the pinch effect due to the current concentration, the current density around the tip portion 22a rapidly increases, the plasma medium 6 around the tip portion 22a sandwiched between the pair of planar discharges 2b becomes high temperature, and the density is also high. To rise.
さらに、この現象は対称面１を挟んだ各同軸状電極２１で進行するため、プラズマ媒体６は、一方の同軸状電極２１から他方の同軸状電極２１に向かって押し出される。その結果、プラズマ媒体６は、中心軸Ｚに沿う両方向からの電磁的圧力を受けて各同軸状電極２１が対向する中間位置（即ち、中心電極２２の対称面１）に移動し、プラズマ媒体６を成分とする単一のプラズマ３が形成される。 Further, since this phenomenon proceeds at each coaxial electrode 21 across the symmetry plane 1, the plasma medium 6 is pushed out from one coaxial electrode 21 toward the other coaxial electrode 21. As a result, the plasma medium 6 receives electromagnetic pressure from both directions along the central axis Z and moves to an intermediate position where the coaxial electrodes 21 face each other (that is, the symmetry plane 1 of the central electrode 22). A single plasma 3 having the component as a component is formed.
上述の通り、面状放電２ｂが発生している間は各中心電極２２の先端部２２ａに各面状放電２ｂの電流が集中する。従って、先端部２２ａ周辺には、プラズマ３に対して中心軸Ｚに向かうピンチ効果が働き、プラズマ３の温度上昇及び密度上昇が進行する。即ち、プラズマ媒体６の電離が進行する。その結果、プラズマ３からは極端紫外光を含むプラズマ光８が放射される。この状態において、電圧印加装置３０は、プラズマ３の発光エネルギーに相当するエネルギーを供給し続ける。このエネルギー供給により、プラズマ３の密度と温度が維持される。なお、プラズマ３の密度は１０１７〜１０２０／ｃｍ３であり、この値は電圧印加装置３０によってプラズマ３に投入されるエネルギーに応じて調整できる。 As described above, the current of each sheet discharge 2b is concentrated on the tip 22a of each center electrode 22 while the sheet discharge 2b is generated. Accordingly, a pinch effect toward the central axis Z acts on the plasma 3 around the tip 22a, and the temperature and density of the plasma 3 increase. That is, ionization of the plasma medium 6 proceeds. As a result, plasma light 8 including extreme ultraviolet light is emitted from the plasma 3. In this state, the voltage application device 30 continues to supply energy corresponding to the light emission energy of the plasma 3. By this energy supply, the density and temperature of the plasma 3 are maintained. The density of the plasma 3 is 10 17 to 10 20 / cm 3 , and this value can be adjusted according to the energy input to the plasma 3 by the voltage application device 30.
上述したプラズマ３の密度は、レーザー加速のターゲットとして使用される炭素薄膜等の固体の密度（１０２１〜１０２２／ｃｍ３）に比べて低い。従って、本実施形態によれば、従来のターゲットを用いた場合と比べて、ターゲットによるレーザー光の散乱を抑えることができる。また、荷電粒子の平均自由行程を長くすることが可能である。換言すれば、加速される荷電粒子と他の粒子との衝突確率を低減できる。従って、レーザー光によって加速される電子やイオンの個数を増加させ、これらの散乱やエネルギー損失を低下させることができる。即ち、効率の良いレーザー加速が達成できる。 The density of the plasma 3 described above is lower than the density (10 21 to 10 22 / cm 3 ) of a solid such as a carbon thin film used as a laser acceleration target. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to suppress the scattering of laser light by the target as compared with the case where a conventional target is used. Moreover, it is possible to lengthen the mean free path of charged particles. In other words, the collision probability between the charged particle to be accelerated and other particles can be reduced. Therefore, the number of electrons and ions accelerated by the laser light can be increased, and the scattering and energy loss can be reduced. That is, efficient laser acceleration can be achieved.
ここで初期放電２ａの発生及びその直後の状態について説明する。図８はその説明図である。上述した一連の過程の内、レーザー光４１を保持部２５に照射した直後の状態では、プラズマ媒体６の放出場所と初期放電２ａの発生場所とが一致している。つまり、レーザー光４１を照射した直後の初期放電２ａは、図８において点線で示すようにプラズマ媒体６を起点として外部電極２３に流れている。初期放電２ａの電流７が保持部２５内のプラズマ媒体６を経由している間は、電流７によるプラズマ媒体６の加熱が持続する。そのため、この過熱によるプラズマ媒体６の蒸発が促進される。冒頭に述べた通り、プラズマ媒体６の過剰な蒸発は、十分な強度の極端紫外光が得られるプラズマ媒体６の価数分布の維持を困難にする可能性がある。 Here, the generation of the initial discharge 2a and the state immediately after that will be described. FIG. 8 is an explanatory diagram thereof. In the state immediately after the laser beam 41 is irradiated on the holding unit 25 in the series of processes described above, the emission location of the plasma medium 6 and the generation location of the initial discharge 2a coincide. That is, the initial discharge 2a immediately after irradiation with the laser beam 41 flows to the external electrode 23 starting from the plasma medium 6 as shown by the dotted line in FIG. While the current 7 of the initial discharge 2a passes through the plasma medium 6 in the holding unit 25, the heating of the plasma medium 6 by the current 7 continues. Therefore, evaporation of the plasma medium 6 due to this overheating is promoted. As described at the beginning, excessive evaporation of the plasma medium 6 may make it difficult to maintain the valence distribution of the plasma medium 6 that can obtain sufficiently intense extreme ultraviolet light.
また、初期放電２ａの電流７がプラズマ媒体６を経由している間は、電流７によるプラズマ媒体６の流動、即ち、エレクトロマイグレーションが発生しやすい。エレクトロマイグレーションが発生している間は、開口部２５ａにおいてプラズマ媒体６が部分的に***し、***したプラズマ媒体６が開口部２５ａから溢流する可能性がある。プラズマの溢流は保持部２５内のプラズマ媒体６の過剰な減少を引き起こす。また、溢流したプラズマ媒体６が面状放電２ｂの経路上に付着した場合には、異常放電が発生し、これによりプラズマ媒体６が更に飛散するので、同軸状電極２１が汚染され、装置全体の動作が不安定になる可能性がある。 In addition, while the current 7 of the initial discharge 2a passes through the plasma medium 6, the flow of the plasma medium 6 due to the current 7, that is, electromigration is likely to occur. During electromigration, the plasma medium 6 may partially rise in the opening 25a, and the raised plasma medium 6 may overflow from the opening 25a. The plasma overflow causes an excessive decrease of the plasma medium 6 in the holding unit 25. Further, when the overflowing plasma medium 6 adheres to the path of the planar discharge 2b, an abnormal discharge occurs, and the plasma medium 6 further scatters, so that the coaxial electrode 21 is contaminated, and the entire apparatus. May become unstable.
しかしながら、本実施形態の保持部２５では、中心軸Ｚに平行な中心電極２２の断面において、開口部２５ａの縁部２５ｂが保持部２５内のプラズマ媒体６よりも外部電極２３に近接している。つまり、保持部２５の内周面（内側面）は、プラズマ媒体６の流動を阻止する壁として機能する。また、放電電圧の印加時において、縁部２５ｂ‐外部電極２３間の電場は、プラズマ媒体６の表面６ａ‐外部電極２３間の電場よりも強い。さらに、中心電極２２の抵抗値はプラズマ媒体６の抵抗値よりも低い。しかも、中心電極２２とプラズマ媒体６との間には材質の違いによる接触抵抗も存在する。従って、初期放電２ａが発生した後、初期放電２ａの起点は、プラズマ媒体６の表面６ａから開口部２５ａの縁部２５ｂへ速やかに移動する。この起点の速やかな移動によって、初期放電２ａの電流７がプラズマ媒体６中を流れる時間が短くなる。 However, in the holding unit 25 of the present embodiment, the edge 25b of the opening 25a is closer to the external electrode 23 than the plasma medium 6 in the holding unit 25 in the cross section of the central electrode 22 parallel to the central axis Z. . That is, the inner peripheral surface (inner side surface) of the holding portion 25 functions as a wall that prevents the plasma medium 6 from flowing. In addition, when a discharge voltage is applied, the electric field between the edge 25 b and the external electrode 23 is stronger than the electric field between the surface 6 a of the plasma medium 6 and the external electrode 23. Further, the resistance value of the center electrode 22 is lower than the resistance value of the plasma medium 6. Moreover, contact resistance due to the difference in material also exists between the center electrode 22 and the plasma medium 6. Therefore, after the initial discharge 2a is generated, the starting point of the initial discharge 2a quickly moves from the surface 6a of the plasma medium 6 to the edge 25b of the opening 25a. Due to the rapid movement of the starting point, the time during which the current 7 of the initial discharge 2a flows through the plasma medium 6 is shortened.
このように電流７がプラズマ媒体６中を流れる時間が短縮されるので、電流７によるプラズマ媒体６の加熱が抑制される。従って、電流７によるプラズマ媒体６の過剰な蒸発とエレクトロマイグレーションの成長が抑制される。その結果、保持部２５におけるプラズマ媒体６の量及び形状を安定に保ち、プラズマ媒体６の飛散による同軸状電極２１の汚染を抑制することができる。また、プラズマ３の生成時に適切な量のプラズマ媒体を安定に供給することができ、所望の価数分布が得られる。そして、このプラズマ３に、レーザー装置１０からのレーザー光１１が照射され、プラズマ３内の荷電粒子群４が加速され、放出される。この時の運動エネルギーはレーザー光の強度に依存するが、ＭｅＶ以上のエネルギーをもつ荷電粒子を得ることが可能である。 As described above, since the time during which the current 7 flows through the plasma medium 6 is shortened, the heating of the plasma medium 6 by the current 7 is suppressed. Accordingly, excessive evaporation of the plasma medium 6 due to the current 7 and growth of electromigration are suppressed. As a result, the amount and shape of the plasma medium 6 in the holding unit 25 can be kept stable, and contamination of the coaxial electrode 21 due to scattering of the plasma medium 6 can be suppressed. In addition, an appropriate amount of plasma medium can be stably supplied when the plasma 3 is generated, and a desired valence distribution can be obtained. The plasma 3 is irradiated with the laser beam 11 from the laser device 10, and the charged particle group 4 in the plasma 3 is accelerated and emitted. Although the kinetic energy at this time depends on the intensity of the laser beam, it is possible to obtain charged particles having an energy of MeV or higher.
上述の通り、本実施形態では、極端紫外光が放出される程度の温度且つ密度のプラズマが生成され、このプラズマに大強度のレーザー光が照射される。その結果、プラズマ内の荷電粒子がレーザー光の光路に沿って加速され、プラズマから荷電粒子が放出される。 As described above, in the present embodiment, plasma having a temperature and density sufficient to emit extreme ultraviolet light is generated, and this plasma is irradiated with high-intensity laser light. As a result, charged particles in the plasma are accelerated along the optical path of the laser light, and charged particles are emitted from the plasma.
本実施形態では、プラズマの発生源として上述のプラズマ発生装置２０を用いている。レーザー加速器が稼働している間、プラズマ３に供給されるプラズマ媒体６は、液体或いは固体の状態で保持部２５に保持されている。つまり、レーザー光４１によって照射されるまで、プラズマ媒体６は真空槽内に放出されない。換言すれば、プラズマ３の生成に関わることのないプラズマ媒体６の不要な放出が抑制され、真空度の悪化（圧力の上昇）が抑えられる。従って、排気装置の容量の拡大を抑制しつつ、高い繰り返し運転でレーザー加速器を稼働できる。 In the present embodiment, the above-described plasma generator 20 is used as a plasma generation source. While the laser accelerator is operating, the plasma medium 6 supplied to the plasma 3 is held in the holding unit 25 in a liquid or solid state. That is, the plasma medium 6 is not released into the vacuum chamber until it is irradiated with the laser light 41. In other words, unnecessary discharge of the plasma medium 6 that is not involved in the generation of the plasma 3 is suppressed, and deterioration of the degree of vacuum (pressure increase) is suppressed. Accordingly, the laser accelerator can be operated with high repetition while suppressing the expansion of the capacity of the exhaust device.
また、プラズマ３の生成はプラズマ発生装置２０が行っている。即ち、プラズマ３の生成に加速用のレーザー装置１０は寄与しない。従って、レーザー装置１０のレーザー光１１は、プラズマ媒体６の電離に寄与せず、そのエネルギーの全てを粒子加速に費やすことができる。つまり、粒子加速に対するレーザー光１１のエネルギー効率が良い。 The plasma generator 20 generates the plasma 3. In other words, the acceleration laser device 10 does not contribute to the generation of the plasma 3. Therefore, the laser beam 11 of the laser device 10 does not contribute to the ionization of the plasma medium 6 and can spend all of its energy for particle acceleration. That is, the energy efficiency of the laser beam 11 with respect to particle acceleration is good.
上述の通り、プラズマ発生装置２０によって得られるプラズマ３の温度や密度は、極端紫外光が得られるほどの値になる。つまり、プラズマ媒体６の組成やプラズマ発生装置２０の設定条件（例えば放電電圧）を適宜設定することによって、プラズマ３内に高い価数のイオンを生成することができる。本実施形態のレーザー加速器は、このようなイオンを加速させることができる。従って、例えば重イオンを効率良く加速させることができる。 As described above, the temperature and density of the plasma 3 obtained by the plasma generator 20 have values that allow extreme ultraviolet light to be obtained. In other words, ions having a high valence can be generated in the plasma 3 by appropriately setting the composition of the plasma medium 6 and the setting conditions (for example, discharge voltage) of the plasma generator 20. The laser accelerator of this embodiment can accelerate such ions. Therefore, for example, heavy ions can be accelerated efficiently.
プラズマ発生装置２０によって得られるプラズマ３は可視光も放出する。従って、ガスターゲットに比べ、レーザー光１１のアライメント（光軸調整）が容易である。 The plasma 3 obtained by the plasma generator 20 also emits visible light. Therefore, the alignment (optical axis adjustment) of the laser beam 11 is easier than the gas target.
なお、図９に示すように、中心電極２２の直径は、対称面１（先端部２２ａ）に向かうに連れて小さくなっていてもよい。この場合、中心軸Ｚに直交する面において中心電極２２に最も近接している外部電極２３の部位Ｇは、中心軸Ｚとの距離が対称面１に向かうに連れて小さくなるように形成されてもよい。例えば、この図に示すように、中心電極２２は、先端部２２ａを頂角にもつ略円錐状に形成されてもよい。また、外部電極２３が棒状に形成されている場合、外部電極２３は、対称面１に近づくに連れて中心軸Ｚに近づくように、中心軸Ｚに対して傾斜する。なお、図９に示す例では、中心電極２２との間隔は一定である。しかしながら、この間隔は対称面１に近づくほど小さくてもよい。 In addition, as shown in FIG. 9, the diameter of the center electrode 22 may become small as it goes to the symmetry plane 1 (front-end | tip part 22a). In this case, the portion G of the external electrode 23 that is closest to the center electrode 22 in a plane orthogonal to the center axis Z is formed such that the distance from the center axis Z becomes smaller as it goes toward the symmetry plane 1. Also good. For example, as shown in this figure, the center electrode 22 may be formed in a substantially conical shape having a tip 22a at the apex angle. When the external electrode 23 is formed in a rod shape, the external electrode 23 is inclined with respect to the central axis Z so as to approach the central axis Z as it approaches the symmetry plane 1. In the example shown in FIG. 9, the distance from the center electrode 22 is constant. However, this distance may be smaller as it approaches the symmetry plane 1.
また、中心電極２２へのレーザー光４１の照射に干渉しない限り、外部電極２３は中心軸Ｚを中心とする筒状に形成されていてもよい。ただし、この場合は、初期放電２ａが最初の経路の周囲に優先的に持続する可能性が高まるものの、プラズマ３の発生は可能である。 Further, the external electrode 23 may be formed in a cylindrical shape centered on the central axis Z as long as it does not interfere with the irradiation of the laser light 41 on the central electrode 22. However, in this case, although the possibility that the initial discharge 2a is preferentially sustained around the first path is increased, the plasma 3 can be generated.
また、プラズマ媒体６の適切な保持と初期放電２ａや面状放電２ｂへの供給が可能な限り、保持部２５の形状及び寸法は変更可能である。例えば、保持部２５は、中心電極２２の径方向内方に窪み、且つ、中心電極２２の周方向に環状に延伸してもよい。また、保持部２５の開口部２５ａのサイズは、流路２２ｃの内径より大きくてもよい。 Further, as long as the plasma medium 6 can be appropriately held and supplied to the initial discharge 2a and the planar discharge 2b, the shape and dimensions of the holding portion 25 can be changed. For example, the holding portion 25 may be recessed inward in the radial direction of the center electrode 22 and may be extended annularly in the circumferential direction of the center electrode 22. Further, the size of the opening 25a of the holding part 25 may be larger than the inner diameter of the flow path 22c.
また、プラズマ媒体６の適切な保持と初期放電２ａや面状放電２ｂへの供給が可能な限り、保持部２５は、流路２２ｃから側面２２ｂへの液状のプラズマ媒体６の流動を許容しつつ、プラズマ媒体６を貯留する多孔質体（図示せず）を含んでもよい。多孔質体は無数の隙間を含んでおり、その隙間に液状のプラズマ媒体６が留まる。多孔質体は、例えばタングステンのような高融点金属で形成される。 In addition, as long as the plasma medium 6 can be appropriately held and supplied to the initial discharge 2a and the planar discharge 2b, the holding unit 25 allows the liquid plasma medium 6 to flow from the flow path 22c to the side surface 22b. A porous body (not shown) for storing the plasma medium 6 may be included. The porous body includes innumerable gaps, and the liquid plasma medium 6 stays in the gaps. The porous body is made of a refractory metal such as tungsten.
また、レーザー装置４０で初期放電２ａを誘発する代わりに、中心電極２２或いは外部電極２３と電圧印加装置３０との間にギャップスイッチ（図示せず）を挿入し、このギャップスイッチ内のトリガー放電によって初期放電２ａを誘発してもよい。 Further, instead of inducing the initial discharge 2a by the laser device 40, a gap switch (not shown) is inserted between the center electrode 22 or the external electrode 23 and the voltage application device 30, and the trigger discharge in the gap switch causes An initial discharge 2a may be induced.
なお、上述の実施形態では、保持部２５に保持されたプラズマ媒体６のレーザーアブレーションによってプラズマ媒体６を真空中に放出していた。しかしながら、プラズマ媒体６は中心電極２２の先端部２２ａに、板、粒、層などの形態で設けられていてもよい。或いは、中心電極２２全体をプラズマ媒体６で形成してもよい。これらは、例えば、プラズマ媒体６の特性（高い融点や粘性等）或いはレーザー光４１に求められるエネルギーの増大等によって、レーザーアブレーションではプラズマ媒体６の十分な放出量が得にくい場合に適用できる。また、プラズマ媒体６の流動による懸念が無い場合、保持部２５内のプラズマ媒体６は側面２２ｂまで満たされていてもよい。 In the above-described embodiment, the plasma medium 6 is released into the vacuum by laser ablation of the plasma medium 6 held by the holding unit 25. However, the plasma medium 6 may be provided on the tip 22a of the center electrode 22 in the form of a plate, a grain, a layer, or the like. Alternatively, the entire center electrode 22 may be formed of the plasma medium 6. These can be applied, for example, when it is difficult to obtain a sufficient discharge amount of the plasma medium 6 by laser ablation due to characteristics of the plasma medium 6 (high melting point, viscosity, etc.) or an increase in energy required for the laser light 41. In addition, when there is no concern due to the flow of the plasma medium 6, the plasma medium 6 in the holding unit 25 may be filled up to the side surface 22b.
対称面１上にプラズマ３が閉じ込められている間、中心電極２２の先端部２２ａは高温のプラズマ３に曝されている。プラズマ媒体６が先端部２２ａに設けられた場合、プラズマ３の形成に伴ってプラズマ媒体６が蒸発し、プラズマ３に供給される。従って、プラズマ媒体６を含むプラズマが生成され、プラズマ媒体６のイオンを加速することが可能になる。また、プラズマ媒体６が対称面１上のプラズマ３に直接供給されるので、プラズマ媒体６を効率良く利用できる。 While the plasma 3 is confined on the symmetry plane 1, the tip 22 a of the center electrode 22 is exposed to the high temperature plasma 3. When the plasma medium 6 is provided at the tip portion 22 a, the plasma medium 6 evaporates with the formation of the plasma 3 and is supplied to the plasma 3. Accordingly, plasma including the plasma medium 6 is generated, and ions in the plasma medium 6 can be accelerated. Moreover, since the plasma medium 6 is directly supplied to the plasma 3 on the symmetry plane 1, the plasma medium 6 can be used efficiently.
プラズマ媒体６が先端部２２ａに設けられる場合、保持部２５に保持される物質は、初期放電２ａを生じさせるものであれば、プラズマ媒体６と異なっていてもよい。また、中心電極２２の材質によっては、保持部２５を設けることなく初期放電２ａの発生が可能である。その場合は、保持部２５、リザーバ２６及びヒータ２７を省いてもよい。 In the case where the plasma medium 6 is provided at the tip 22a, the substance held in the holding part 25 may be different from the plasma medium 6 as long as it generates the initial discharge 2a. In addition, depending on the material of the center electrode 22, the initial discharge 2 a can be generated without providing the holding portion 25. In that case, the holding unit 25, the reservoir 26, and the heater 27 may be omitted.
また、プラズマ媒体６（即ちレーザー加速で取り出されるイオン種）が常温で気体の場合、保持部２５、流路２２ｃ及びヒータ２７を省き、その代りに、リザーバ２６を中心電極２２の冷却機構（図示せず）として用い、更に、中心電極２２に向けて開口するプラズマ媒体６のガスノズル（図示せず）を設けてもよい。この場合、リザーバ２６は液体窒素や液体ヘリウムなどの低温の液体を貯留し、上述のように中心電極２２に熱的に接触するように構成される。リザーバ２６が中心電極２２を冷却している間、気体のプラズマ媒体６がガスノズルから中心電極２２の側面２２ｂ（特にレーザー光４１の照射点）に向けて放出される。この放出量は、ガスノズルに設けられたバルブ（図示せず）によって調整される。ガスノズルからのプラズマ媒体６は中心電極２２の側面２２ｂに付着し、側面２２ｂ上で固化或いは液化する。その後、固化或いは液化したプラズマ媒体６に向けてレーザー光４１が照射され、プラズマ媒体６のレーザーアブレーションが行われる。その後の過程は上述の実施形態と同様である。冷却された中心電極２２がプラズマ媒体６を保持するので、プラズマ媒体６が気体であっても、真空槽内の悪化（圧力の上昇）を抑えることができ、プラズマ媒体６のイオンを加速させることができる。なお、プラズマ媒体６が中心電極２２の加熱によって蒸発しやすい物質の場合でも、このような冷却機構を用いることで、過剰な蒸発を抑えつつ、プラズマ媒体６のイオンを加速させることができる。 Further, when the plasma medium 6 (that is, ion species extracted by laser acceleration) is a gas at normal temperature, the holding unit 25, the flow path 22c, and the heater 27 are omitted, and instead, the reservoir 26 is cooled by the cooling mechanism of the center electrode 22 (see FIG. Further, a gas nozzle (not shown) of the plasma medium 6 opening toward the center electrode 22 may be provided. In this case, the reservoir 26 stores a low-temperature liquid such as liquid nitrogen or liquid helium, and is configured to be in thermal contact with the center electrode 22 as described above. While the reservoir 26 is cooling the center electrode 22, the gaseous plasma medium 6 is discharged from the gas nozzle toward the side surface 22 b of the center electrode 22 (particularly, the irradiation point of the laser light 41). This discharge amount is adjusted by a valve (not shown) provided in the gas nozzle. The plasma medium 6 from the gas nozzle adheres to the side surface 22b of the center electrode 22, and is solidified or liquefied on the side surface 22b. Thereafter, the laser beam 41 is irradiated toward the solidified or liquefied plasma medium 6, and laser ablation of the plasma medium 6 is performed. The subsequent process is the same as in the above-described embodiment. Since the cooled center electrode 22 holds the plasma medium 6, even if the plasma medium 6 is a gas, deterioration (increase in pressure) in the vacuum chamber can be suppressed, and ions in the plasma medium 6 can be accelerated. Can do. Even when the plasma medium 6 is a substance that easily evaporates due to the heating of the center electrode 22, by using such a cooling mechanism, ions of the plasma medium 6 can be accelerated while suppressing excessive evaporation.
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, is shown by description of a claim, and also includes all the changes within the meaning and range equivalent to description of a claim.
１…対称面、２ａ…初期放電、２ｂ…面状放電、３…プラズマ、４…荷電粒子群、６…プラズマ媒体、１０…レーザー装置、２０…プラズマ発生装置、２１…同軸状電極、２２…中心電極、２３…外部電極、２４…絶縁体、２５…保持部、３０…電圧印加装置、３１…高圧電源、４０…レーザー装置、 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Symmetrical surface, 2a ... Initial discharge, 2b ... Planar discharge, 3 ... Plasma, 4 ... Charged particle group, 6 ... Plasma medium, 10 ... Laser apparatus, 20 ... Plasma generator, 21 ... Coaxial electrode, 22 ... Central electrode, 23 ... external electrode, 24 ... insulator, 25 ... holding part, 30 ... voltage applying device, 31 ... high voltage power supply, 40 ... laser device,
Claims (2)
荷電粒子を加速させるためのレーザー光を、前記一対の同軸状電極の間に閉じ込められた前記プラズマに照射するレーザー装置と、
を備えることを特徴とするレーザー加速器。 A pair of coaxial shapes having a central electrode extending on a single axis and an external electrode provided so as to surround the outer periphery of the central electrode, opposed to each other across a plane of symmetry, generating plasma and confining the plasma A plasma generator including an electrode;
A laser device for irradiating the plasma confined between the pair of coaxial electrodes with a laser beam for accelerating charged particles;
A laser accelerator comprising:
The laser accelerator according to claim 1, wherein the laser device is a femtosecond laser.
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