JP3866063B2 - Ｘ線発生方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線発生方法及びその装置に係り、特に、液体をターゲットとしてレーザーを照射することにより発生するプラズマからのＸ線発生方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パルスＸ線の物理化学への展開を考える上で、光源の汎用化小型化は必須であるが、従来のパルスＸ線発生の場合は、いずれも真空チャンバー内にある金属箔や希ガスジェットをターゲットとする手法であった。本願発明者らはこれらに代わり大気圧下で利用可能なパルスＸ線光源の開発及びその利用をめざして実験を行っている。
【０００３】
既に光励起型Ｘ線管とレーザーにより発生させたピコ秒パルスＸ線を励起光とした時の有機分子固体の蛍光挙動に関して、Ｘ線励起に特徴的な元素依存性を見い出している〔畑中他、光化学討論会２０００講演要旨集、２Ａ２９（札幌２０００）〕。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来のＸ線発生装置には真空系が付随していたり、真空封入の状態で使用されることになり、真空環境が不可欠であった。
【０００５】
従来の固体をターゲットとするレーザープラズマからのＸ線発生では、アブレーション現象のために長時間の安定なＸ線の発生ができなかった。また、ターゲットの再利用も不可能であった。
【０００６】
本発明は、上記状況に鑑みて、液体をターゲットとして空気中でレーザー光を集光照射することによりプラズマを発生させ連続Ｘ線を発生させることができるＸ線発生方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕Ｘ線発生方法において、大気中で上方から下方へ連続的に流れる電解質水溶液の流れを作り、前記大気中で上方から下方へ連続的に流れる電解質水溶液にフェムト秒レーザー光を対物レンズを介して集光照射し、下方に溜まった電解質水溶液はポンプで上方へ循環させ、前記電解質水溶液中にプラズマを発生させ、電子軌道がイオン核で曲げられる際のエネルギー損失による制動輻射として３−４０ｋｅＶの連続白色Ｘ線を発生させることを特徴とする。
【０００８】
〔２〕上記〔１〕記載のＸ線発生方法において、前記電解質水溶液の濃度を変化させることにより、Ｘ線の発光強度ならびにスペクトル形状を変えることを特徴とする。
【０００９】
〔３〕Ｘ線発生装置において、大気中で電解質水溶液の流れを供給する手段と、前記電解質水溶液を循環させるポンプと、前記大気中で前記電解質水溶液の流れにフェムト秒レーザー光を対物レンズを介して集光照射する手段と、前記電解質水溶液中にプラズマを発生させ、電子軌道がイオン核で曲げられる際のエネルギー損失による制動輻射として３−４０ｋｅＶの連続白色Ｘ線を発生させる手段とを具備することを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔３〕記載のＸ線発生装置において、前記電解質水溶液がＣｓＣｌ又はＲｂＣｌを含有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施例を示すＸ線発生装置の模式図である。
【００１３】
この図において、１は電解質水溶液を入れる容器、２はその電解質水溶液を汲み上げるポンプ、３はガラスノズル、４は溶液ジェット膜、５は電解質水溶液を回収する漏斗、６はフェムト秒レーザーパルス（Ｃｌａｒｋ ＭＸＲ.,ＣＰＡ−２００１）、１３０ｆｓ，７７５ｎｍ，１ｋＨｚ，＜１ｍＪ／ｐｕｌｓｅ、７は対物レンズ（ミツトヨＭ Ｐｌａｎ Ａｐｏ １０），ＮＡ＝０．２８、８はＧｅエネルギー分析器（ＥＧ＆Ｇ Ｏｒｔｅｃ、ＧＬＰ−２５４４０−Ｓ、感度領域３ｋｅＶ以上）、９はコンピュータ、１０はＸ線イメージインテンシファイアー（浜松ホトニクス，Ｖ７７３９Ｐ）、１１はＣＣＤカメラ（ソニー ＸＣ−７５００）、１２はストリークカメラ（浜松ホトニクス，Ｃ２８３０）である。
【００１４】
このように構成したＸ線発生装置を用いて、ＣｓＣｌ，ＲｂＣｌなどの高濃度電解質水溶液をポンプ２で循環させ、ガラスノズル３によりジェット状に噴出させたその高濃度電解質水溶液膜表面にフェムト秒レーザーパルス６を対物レンズ７を介して集光照射することによりパルスＸ線を発生させた。
【００１５】
そこで、発生するパルスＸ線のエネルギースペクトルをＧｅエネルギー分析器８により測定したところ、およそ４０ｋｅＶ以下のＸ線が発生していることがすでに明らかとなっている。
【００１６】
また、上記した電解質水溶液表面にフェムト秒レーザーパルス６を対物レンズ７を介して集光照射することにより、パルスＸ線を発生させ、そのパルスＸ線のイメージをＸ線イメージインテンシファイアー１０により撮影するとともに、ストリークカメラ１２により可視・紫外光領域においてピコ秒時間分解発光分光測定を行った。
【００１７】
この実施例によれば、大気中でのＸ線発生を可能にするとともに、水溶液をポンプで循環することで常に清浄なターゲット表面を供給することができ、また用いる水溶液も繰り返し利用することが可能となることで、長時間の安定なＸ線の発生が可能となった。
【００１８】
図２は本発明の実施結果を示す電解質の水溶液面で発生するパルスＸ線の光源像ならびにストリーク像である。
【００１９】
図２（ａ）は低濃度の塩化鉄などの水溶液の場合、図２（ｂ）は高濃度の塩化鉄などの水溶液の場合、図２（ｃ）は波長に対する経過時間特性図である。
【００２０】
図２（ａ），図２（ｂ）から明らかなように、電解質（塩化鉄など）の水溶液の濃度の増加に伴い液面内部からのＸ線強度が低下しているが、これは金属イオンなどによる再吸収がその原因と考えられる。また、図２（ｃ）に示すように、発光挙動をみると、時間の経過とともに発光ピーク波長が長波長側にシフトしていくのが観測されている。これは制動放射に基づく発光と考えられ、より早い時間域でＸ線が発生し、その後、時間とともにプラズマ温度が低下していることを示唆する結果と考えられる。
【００２１】
図３は本発明のレーザ強度に依存するＸ線放射スペクトルを示す図である。
【００２２】
この図においては、溶液６．５ｍｏｌ／Ｌ（ここで、Ｌはリットルを示している）において、レーザ強度をａ：０．４６ｍＪ／パルス、ｂ：０．４１ｍＪ／パルス、ｃ：０．３６ｍＪ／パルス、ｄ：０．３３ｍＪ／パルスの場合のＸ線放射カウントを示しており、ａの場合は電子温度Ｔｅ＝７．４ｋｅＶ、ｂの場合は電子温度Ｔｅ＝４．３ｋｅＶ、ｃの場合は電子温度Ｔｅ＝３．０ｋｅＶ、ｄの場合は電子温度Ｔｅ＝２．４ｋｅＶとなっている。なお、電子温度Ｔｅが高いと、全体平均としての電子のエネルギーが高い。
【００２３】
この図から明らかなように、レーザー光の強度を変化させることにより、Ｘ線エネルギーの強度を変えることができることがわかる。
【００２４】
図４は本発明の陽イオンＺ番号に依存するＸ線放射スペクトルを示す図である。
【００２５】
この図において、ａはＣｓＣｌの３．３ｍｏｌ／Ｌ、ｂはＲｂＣｌの４．１ｍｏｌ／ＬでのＸ線強度を示している。
【００２６】
この図から明らかなように、電解質水溶液の種類を変化させることにより、Ｘ線エネルギーの強度を変えることができることがわかる。
【００２７】
図５は本発明の溶液の濃度に依存するＸ線放射スペクトルを示す図である。
【００２８】
この図において、ＣｓＣｌの濃度、つまり、ａは６．５ｍｏｌ／Ｌ，ｂは３．３ｍｏｌ／Ｌに対するＸ線強度を示している。
【００２９】
この図から明らかなように、ＣｓＣｌ溶液の濃度が高いとＸ線放射スペクトルは高く、ＣｓＣｌ溶液の濃度が低いとＸ線放射スペクトルは低いことがわかる。つまり、溶液の濃度を変化させると、Ｘ線エネルギーの強度を変えることができることがわかる。
【００３０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３２】
（Ａ）大気中でのＸ線発生を可能にするとともに、長時間安定なパルスＸ線を供給することが可能となることから、時間分解Ｘ線回析法など、時間を要する測定法のための光源として利用が考えられ、材料開発や生物科学の分野に多大な貢献をすることができる。
【００３３】
（Ｂ）３−４０ｋｅＶの白色Ｘ線が得られる。なお、従来のＸ線発生方法では特性Ｘ線ピークが混在するが、本発明では特性Ｘ線ピークが混在しないエネルギー域で連続（白色）Ｘ線を得ることができる。
【００３４】
（Ｃ）点光源を得ることができる。
【００３５】
（Ｄ）ターゲットの劣化が無視できる。
【００３６】
（Ｅ）Ｘ線発生強度の時間安定性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示すＸ線発生装置の模式図である。
【図２】 本発明の実施結果を示す電解質の水溶液面で発生するパルスＸ線の光源像ならびにストリーク像である。
【図３】 本発明のレーザ強度に依存するＸ線発光スペクトルを示す図である。
【図４】 本発明の陽イオンＺ番号に依存するＸ線発光スペクトルを示す図である。
【図５】 本発明の溶液の濃度に依存するＸ線発光スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１ 電解質水溶液を入れる容器
２ ポンプ
３ ガラスノズル
４ 溶液ジェット膜
５ 電解質水溶液を回収する漏斗
６ フェムト秒レーザーパルス
７ 対物レンズ
８ Ｇｅ エネルギー分析器
９ コンピュータ
１０ Ｘ線イメージインテンシファイアー
１１ ＣＣＤカメラ
１２ ストリークカメラ
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線発生方法及びその装置に係り、特に、液体をターゲットとしてレーザーを照射することにより発生するプラズマからのＸ線発生方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パルスＸ線の物理化学への展開を考える上で、光源の汎用化小型化は必須であるが、従来のパルスＸ線発生の場合は、いずれも真空チャンバー内にある金属箔や希ガスジェットをターゲットとする手法であった。本願発明者らはこれらに代わり大気圧下で利用可能なパルスＸ線光源の開発及びその利用をめざして実験を行っている。
【０００３】
既に光励起型Ｘ線管とレーザーにより発生させたピコ秒パルスＸ線を励起光とした時の有機分子固体の蛍光挙動に関して、Ｘ線励起に特徴的な元素依存性を見い出している〔畑中他、光化学討論会２０００講演要旨集、２Ａ２９（札幌２０００）〕。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来のＸ線発生装置には真空系が付随していたり、真空封入の状態で使用されることになり、真空環境が不可欠であった。
【０００５】
従来の固体をターゲットとするレーザープラズマからのＸ線発生では、アブレーション現象のために長時間の安定なＸ線の発生ができなかった。また、ターゲットの再利用も不可能であった。
【０００６】
本発明は、上記状況に鑑みて、液体をターゲットとして空気中でレーザー光を集光照射することによりプラズマを発生させ連続Ｘ線を発生させることができるＸ線発生方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕Ｘ線発生方法において、大気中で上方から下方へ連続的に流れる電解質水溶液の流れを作り、前記大気中で上方から下方へ連続的に流れる電解質水溶液にフェムト秒レーザー光を対物レンズを介して集光照射し、下方に溜まった電解質水溶液はポンプで上方へ循環させ、前記電解質水溶液中にプラズマを発生させ、電子軌道がイオン核で曲げられる際のエネルギー損失による制動輻射として３−４０ｋｅＶの連続白色Ｘ線を発生させることを特徴とする。
【０００８】
〔２〕上記〔１〕記載のＸ線発生方法において、前記電解質水溶液の濃度を変化させることにより、Ｘ線の発光強度ならびにスペクトル形状を変えることを特徴とする。
【０００９】
〔３〕Ｘ線発生装置において、大気中で電解質水溶液の流れを供給する手段と、前記電解質水溶液を循環させるポンプと、前記大気中で前記電解質水溶液の流れにフェムト秒レーザー光を対物レンズを介して集光照射する手段と、前記電解質水溶液中にプラズマを発生させ、電子軌道がイオン核で曲げられる際のエネルギー損失による制動輻射として３−４０ｋｅＶの連続白色Ｘ線を発生させる手段とを具備することを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔３〕記載のＸ線発生装置において、前記電解質水溶液がＣｓＣｌ又はＲｂＣｌを含有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施例を示すＸ線発生装置の模式図である。
【００１３】
この図において、１は電解質水溶液を入れる容器、２はその電解質水溶液を汲み上げるポンプ、３はガラスノズル、４は溶液ジェット膜、５は電解質水溶液を回収する漏斗、６はフェムト秒レーザーパルス（Ｃｌａｒｋ ＭＸＲ.,ＣＰＡ−２００１）、１３０ｆｓ，７７５ｎｍ，１ｋＨｚ，＜１ｍＪ／ｐｕｌｓｅ、７は対物レンズ（ミツトヨＭ Ｐｌａｎ Ａｐｏ １０），ＮＡ＝０．２８、８はＧｅエネルギー分析器（ＥＧ＆Ｇ Ｏｒｔｅｃ、ＧＬＰ−２５４４０−Ｓ、感度領域３ｋｅＶ以上）、９はコンピュータ、１０はＸ線イメージインテンシファイアー（浜松ホトニクス，Ｖ７７３９Ｐ）、１１はＣＣＤカメラ（ソニー ＸＣ−７５００）、１２はストリークカメラ（浜松ホトニクス，Ｃ２８３０）である。
【００１４】
このように構成したＸ線発生装置を用いて、ＣｓＣｌ，ＲｂＣｌなどの高濃度電解質水溶液をポンプ２で循環させ、ガラスノズル３によりジェット状に噴出させたその高濃度電解質水溶液膜表面にフェムト秒レーザーパルス６を対物レンズ７を介して集光照射することによりパルスＸ線を発生させた。
【００１５】
そこで、発生するパルスＸ線のエネルギースペクトルをＧｅエネルギー分析器８により測定したところ、およそ４０ｋｅＶ以下のＸ線が発生していることがすでに明らかとなっている。
【００１６】
また、上記した電解質水溶液表面にフェムト秒レーザーパルス６を対物レンズ７を介して集光照射することにより、パルスＸ線を発生させ、そのパルスＸ線のイメージをＸ線イメージインテンシファイアー１０により撮影するとともに、ストリークカメラ１２により可視・紫外光領域においてピコ秒時間分解発光分光測定を行った。
【００１７】
この実施例によれば、大気中でのＸ線発生を可能にするとともに、水溶液をポンプで循環することで常に清浄なターゲット表面を供給することができ、また用いる水溶液も繰り返し利用することが可能となることで、長時間の安定なＸ線の発生が可能となった。
【００１８】
図２は本発明の実施結果を示す電解質の水溶液面で発生するパルスＸ線の光源像ならびにストリーク像である。
【００１９】
図２（ａ）は低濃度の塩化鉄などの水溶液の場合、図２（ｂ）は高濃度の塩化鉄などの水溶液の場合、図２（ｃ）は波長に対する経過時間特性図である。
【００２０】
図２（ａ），図２（ｂ）から明らかなように、電解質（塩化鉄など）の水溶液の濃度の増加に伴い液面内部からのＸ線強度が低下しているが、これは金属イオンなどによる再吸収がその原因と考えられる。また、図２（ｃ）に示すように、発光挙動をみると、時間の経過とともに発光ピーク波長が長波長側にシフトしていくのが観測されている。これは制動放射に基づく発光と考えられ、より早い時間域でＸ線が発生し、その後、時間とともにプラズマ温度が低下していることを示唆する結果と考えられる。
【００２１】
図３は本発明のレーザ強度に依存するＸ線放射スペクトルを示す図である。
【００２２】
この図においては、溶液６．５ｍｏｌ／Ｌ（ここで、Ｌはリットルを示している）において、レーザ強度をａ：０．４６ｍＪ／パルス、ｂ：０．４１ｍＪ／パルス、ｃ：０．３６ｍＪ／パルス、ｄ：０．３３ｍＪ／パルスの場合のＸ線放射カウントを示しており、ａの場合は電子温度Ｔｅ＝７．４ｋｅＶ、ｂの場合は電子温度Ｔｅ＝４．３ｋｅＶ、ｃの場合は電子温度Ｔｅ＝３．０ｋｅＶ、ｄの場合は電子温度Ｔｅ＝２．４ｋｅＶとなっている。なお、電子温度Ｔｅが高いと、全体平均としての電子のエネルギーが高い。
【００２３】
この図から明らかなように、レーザー光の強度を変化させることにより、Ｘ線エネルギーの強度を変えることができることがわかる。
【００２４】
図４は本発明の陽イオンＺ番号に依存するＸ線放射スペクトルを示す図である。
【００２５】
この図において、ａはＣｓＣｌの３．３ｍｏｌ／Ｌ、ｂはＲｂＣｌの４．１ｍｏｌ／ＬでのＸ線強度を示している。
【００２６】
この図から明らかなように、電解質水溶液の種類を変化させることにより、Ｘ線エネルギーの強度を変えることができることがわかる。
【００２７】
図５は本発明の溶液の濃度に依存するＸ線放射スペクトルを示す図である。
【００２８】
この図において、ＣｓＣｌの濃度、つまり、ａは６．５ｍｏｌ／Ｌ，ｂは３．３ｍｏｌ／Ｌに対するＸ線強度を示している。
【００２９】
この図から明らかなように、ＣｓＣｌ溶液の濃度が高いとＸ線放射スペクトルは高く、ＣｓＣｌ溶液の濃度が低いとＸ線放射スペクトルは低いことがわかる。つまり、溶液の濃度を変化させると、Ｘ線エネルギーの強度を変えることができることがわかる。
【００３０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３２】
（Ａ）大気中でのＸ線発生を可能にするとともに、長時間安定なパルスＸ線を供給することが可能となることから、時間分解Ｘ線回析法など、時間を要する測定法のための光源として利用が考えられ、材料開発や生物科学の分野に多大な貢献をすることができる。
【００３３】
（Ｂ）３−４０ｋｅＶの白色Ｘ線が得られる。なお、従来のＸ線発生方法では特性Ｘ線ピークが混在するが、本発明では特性Ｘ線ピークが混在しないエネルギー域で連続（白色）Ｘ線を得ることができる。
【００３４】
（Ｃ）点光源を得ることができる。
【００３５】
（Ｄ）ターゲットの劣化が無視できる。
【００３６】
（Ｅ）Ｘ線発生強度の時間安定性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示すＸ線発生装置の模式図である。
【図２】 本発明の実施結果を示す電解質の水溶液面で発生するパルスＸ線の光源像ならびにストリーク像である。
【図３】 本発明のレーザ強度に依存するＸ線発光スペクトルを示す図である。
【図４】 本発明の陽イオンＺ番号に依存するＸ線発光スペクトルを示す図である。
【図５】 本発明の溶液の濃度に依存するＸ線発光スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１ 電解質水溶液を入れる容器
２ ポンプ
３ ガラスノズル
４ 溶液ジェット膜
５ 電解質水溶液を回収する漏斗
６ フェムト秒レーザーパルス
７ 対物レンズ
８ Ｇｅ エネルギー分析器
９ コンピュータ
１０ Ｘ線イメージインテンシファイアー
１１ ＣＣＤカメラ
１２ ストリークカメラ
Claims (4)
- 大気中で上方から下方へ連続的に流れる電解質水溶液の流れを作り、前記大気中で上方から下方へ連続的に流れる電解質水溶液にフェムト秒レーザー光を対物レンズを介して集光照射し、下方に溜まった電解質水溶液はポンプで上方へ循環させ、前記電解質水溶液中にプラズマを発生させ、電子軌道がイオン核で曲げられる際のエネルギー損失による制動輻射として３−４０ｋｅＶの連続白色Ｘ線を発生させることを特徴とするＸ線発生方法。
- 請求項１記載のＸ線発生方法において、前記電解質水溶液の濃度を変化させることにより、Ｘ線の発光強度ならびにスペクトル形状を変えることを特徴とするＸ線発生方法。
- （ａ）大気中で電解質水溶液の流れを供給する手段と、
（ｂ）前記電解質水溶液を循環させるポンプと、
（ｃ）前記大気中で前記電解質水溶液の流れにフェムト秒レーザー光を対物レンズを介して集光照射する手段と、
（ｄ）前記電解質水溶液中にプラズマを発生させ、電子軌道がイオン核で曲げられる際のエネルギー損失による制動輻射として３−４０ｋｅＶの連続白色Ｘ線を発生させる手段とを具備することを特徴とするＸ線発生装置。 - 請求項３記載のＸ線発生装置において、前記電解質水溶液がＣｓＣｌ又はＲｂＣｌを含有することを特徴とするＸ線発生装置。
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