JP2002043670A - フォトン発生器 - Google Patents
フォトン発生器Info
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- JP2002043670A JP2002043670A JP2001117837A JP2001117837A JP2002043670A JP 2002043670 A JP2002043670 A JP 2002043670A JP 2001117837 A JP2001117837 A JP 2001117837A JP 2001117837 A JP2001117837 A JP 2001117837A JP 2002043670 A JP2002043670 A JP 2002043670A
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- JP
- Japan
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- laser
- pulse
- electron
- electron beam
- laser beam
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-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05G—X-RAY TECHNIQUE
- H05G2/00—Apparatus or processes specially adapted for producing X-rays, not involving X-ray tubes, e.g. involving generation of a plasma
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
- H05H13/04—Synchrotrons
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
- Lasers (AREA)
- X-Ray Techniques (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高輝度の高エネルギーフォトンを生じる小型
のフォトン発生器。 【解決手段】 フォトン発生器は、電子ビームを放出す
る電子銃と、レーザービームを放出するレーザーとを備
える。レーザービームは、電子ビームと繰り返し衝突
し、そこからＸ線等の高エネルギーフォトンビームを放
出する。
のフォトン発生器。 【解決手段】 フォトン発生器は、電子ビームを放出す
る電子銃と、レーザービームを放出するレーザーとを備
える。レーザービームは、電子ビームと繰り返し衝突
し、そこからＸ線等の高エネルギーフォトンビームを放
出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、米国エネルギー省
により与えられた契約番号DE-AC02-98CH10886による政
府の援助により行われた。本発明について、政府は一定
の権利を有する。本発明は、一般にＸ線の発生に関し、
より詳しくは、フォトン発生器源に関する。
により与えられた契約番号DE-AC02-98CH10886による政
府の援助により行われた。本発明について、政府は一定
の権利を有する。本発明は、一般にＸ線の発生に関し、
より詳しくは、フォトン発生器源に関する。
【０００２】
【従来の技術】Ｘ線は、医療、工業、生物化学、材料科
学に多くの用途がある。しかし、従来のＸ線を発生する
シンクロトロンは、非常に大きく高価で、そのため広い
用途に使用することができなかった。開発されたより小
さい種類のＸ線源は、レーザーシンクロトロン源（ＬＳ
Ｓ）である。ＬＳＳでは、レーザービームは、相互作用
セル内で加速された電子ビームと衝突し、コンプトン散
乱又はトムソン散乱に基づきＸ線等の高エネルギーフォ
トンビームを生じる。
学に多くの用途がある。しかし、従来のＸ線を発生する
シンクロトロンは、非常に大きく高価で、そのため広い
用途に使用することができなかった。開発されたより小
さい種類のＸ線源は、レーザーシンクロトロン源（ＬＳ
Ｓ）である。ＬＳＳでは、レーザービームは、相互作用
セル内で加速された電子ビームと衝突し、コンプトン散
乱又はトムソン散乱に基づきＸ線等の高エネルギーフォ
トンビームを生じる。
【０００３】ＬＳＳフォトン発生器で生じた高エネルギ
ーフォトンのピークフラックスと輝度は、使用する装置
の特定の構成により制限される。
ーフォトンのピークフラックスと輝度は、使用する装置
の特定の構成により制限される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って、高輝度の高エ
ネルギーフォトンを生じる小型のフォトン発生器の必要
がある。
ネルギーフォトンを生じる小型のフォトン発生器の必要
がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】フォトン発生器は、電子
ビームを放出する電子銃と、レーザービームを放出する
レーザーとを備える。レーザービームは、電子ビームと
繰り返し衝突し、そこからＸ線等の高エネルギーフォト
ンビームを放出する。
ビームを放出する電子銃と、レーザービームを放出する
レーザーとを備える。レーザービームは、電子ビームと
繰り返し衝突し、そこからＸ線等の高エネルギーフォト
ンビームを放出する。
【０００６】
【発明の実施の形態及び実施例】好適な実施例により、
別の目的と利点と共に、添付の図面を参照して、本発明
をより詳しく説明する。
別の目的と利点と共に、添付の図面を参照して、本発明
をより詳しく説明する。
【０００７】図１は、本発明の好適な実施例によるフォ
トン発生器即ち装置10の概略図である。フォトン発生器
は、ＬＳＳの改善であり、相対論的電子ビーム14を放出
するため、高エネルギー電子銃12の形の手段を備える。
レーザービーム18を放出するため、高エネルギーレーザ
ー16の形の手段が設けられる。真空にした相互作用トラ
ック即ちリング20が、電子銃とレーザーに作動的に組み
合わさり、電子ビーム14を閉ループ内を循環させ、レー
ザービーム18と繰り返し衝突し、次に電子とレーザービ
ームの衝突から高エネルギーフォトンを放出する。この
ように、高エネルギーフォトンは、コンプトン散乱又は
トムソン散乱に基づき、相対論的電子で、レーザー光を
散乱することにより発生する。結果のフォトンビーム22
は、Ｘ線、ガンマ線、可視光、紫外線光、又は他の狭帯
域電磁放射線であり、高輝度である。
トン発生器即ち装置10の概略図である。フォトン発生器
は、ＬＳＳの改善であり、相対論的電子ビーム14を放出
するため、高エネルギー電子銃12の形の手段を備える。
レーザービーム18を放出するため、高エネルギーレーザ
ー16の形の手段が設けられる。真空にした相互作用トラ
ック即ちリング20が、電子銃とレーザーに作動的に組み
合わさり、電子ビーム14を閉ループ内を循環させ、レー
ザービーム18と繰り返し衝突し、次に電子とレーザービ
ームの衝突から高エネルギーフォトンを放出する。この
ように、高エネルギーフォトンは、コンプトン散乱又は
トムソン散乱に基づき、相対論的電子で、レーザー光を
散乱することにより発生する。結果のフォトンビーム22
は、Ｘ線、ガンマ線、可視光、紫外線光、又は他の狭帯
域電磁放射線であり、高輝度である。
【０００８】図１に示す電子銃12は、高エネルギー電子
を生じリング内で散乱させるため、色々の構成を有す
る。同様に、散乱レーザー16は、高エネルギーレーザー
ビームを生じ、相互作用リング内で電子との衝突により
散乱させるため、色々の構成を有する。
を生じリング内で散乱させるため、色々の構成を有す
る。同様に、散乱レーザー16は、高エネルギーレーザー
ビームを生じ、相互作用リング内で電子との衝突により
散乱させるため、色々の構成を有する。
【０００９】好適な実施例では、散乱レーザー16は、所
定の好ましくは一定の繰返し速度で、パルスの列のレー
ザービーム18を放出するように構成されている。電子銃
12は、また電子パルスの列の電子ビーム14を放出するよ
うに構成されている。これに応じて、相互作用リング20
は個々の電子ビームパルスを所定の期間即ち周期で循環
させるような大きさでに構成されている。この周期は、
リングの内側で繰り返し衝突を起こすため、レーザービ
ームパルスの繰返し速度に対応する周期にほぼ等しい。
電子ビームパルスのレーザービームパルスの列との各衝
突で、トムソン散乱により対応する数のフォトンが生じ
る。それゆえ、結果のフォトンビーム22は、高い平均輝
度となる。
定の好ましくは一定の繰返し速度で、パルスの列のレー
ザービーム18を放出するように構成されている。電子銃
12は、また電子パルスの列の電子ビーム14を放出するよ
うに構成されている。これに応じて、相互作用リング20
は個々の電子ビームパルスを所定の期間即ち周期で循環
させるような大きさでに構成されている。この周期は、
リングの内側で繰り返し衝突を起こすため、レーザービ
ームパルスの繰返し速度に対応する周期にほぼ等しい。
電子ビームパルスのレーザービームパルスの列との各衝
突で、トムソン散乱により対応する数のフォトンが生じ
る。それゆえ、結果のフォトンビーム22は、高い平均輝
度となる。
【００１０】図１に示す相互作用リング20は、好ましく
は長円形で、一対の対向する直線部分即ちレッグ20a
と、２つのレッグに結合した一対の対向する弓形彎曲部
即ちベンド20bを備え、閉じた長円形となるようになっ
ている。電子銃12は、電子ビームパルス14を相互作用リ
ング20内の第１回転方向に放出するように配置され、こ
の方向は図１で時計回り方法である。散乱レーザー16
は、好適な折り曲げミラーを使用して、レーザービーム
パルス18を相互作用リング20内の反対の第２方向に放出
するようになっていて、これは図１の上側レッグの反時
計回り方向で、対向する電子ビームパルスと衝突するよ
うになっている。
は長円形で、一対の対向する直線部分即ちレッグ20a
と、２つのレッグに結合した一対の対向する弓形彎曲部
即ちベンド20bを備え、閉じた長円形となるようになっ
ている。電子銃12は、電子ビームパルス14を相互作用リ
ング20内の第１回転方向に放出するように配置され、こ
の方向は図１で時計回り方法である。散乱レーザー16
は、好適な折り曲げミラーを使用して、レーザービーム
パルス18を相互作用リング20内の反対の第２方向に放出
するようになっていて、これは図１の上側レッグの反時
計回り方向で、対向する電子ビームパルスと衝突するよ
うになっている。
【００１１】それゆえ相互作用リングは、電子ビームパ
ルスが、長円閉ループ内で第１方向に循環し、レーザー
ビームパルスが反対の第２方向へ向けられ、電子ビーム
パルスと正面から衝突し、トムソン散乱を起こすように
なっている。このように、電子パルスがリング内を循環
すると、同じ電子パルスが、列内のレーザーパルスに繰
り返しぶつかるかもしれない。
ルスが、長円閉ループ内で第１方向に循環し、レーザー
ビームパルスが反対の第２方向へ向けられ、電子ビーム
パルスと正面から衝突し、トムソン散乱を起こすように
なっている。このように、電子パルスがリング内を循環
すると、同じ電子パルスが、列内のレーザーパルスに繰
り返しぶつかるかもしれない。
【００１２】基本的な相互作用リングは、電子が最小限
のエネルギー損失で循環する従来の電子ビームストレー
ジリングの改良された形でも良い。リングは十分高真空
レベルまで真空引きされ、また改良されたリング内で電
子とレーザーパルスを受け取り、排出するため、好適な
ウィンドーが設けられる。
のエネルギー損失で循環する従来の電子ビームストレー
ジリングの改良された形でも良い。リングは十分高真空
レベルまで真空引きされ、また改良されたリング内で電
子とレーザーパルスを受け取り、排出するため、好適な
ウィンドーが設けられる。
【００１３】図１に示す実施例では、相互作用リング
は、例えばベンド20bの周りにリングに作動的に結合し
た複数の集束要素即ちマグネット24を備え、電子ビーム
14を集束し、好ましくは両方の直線レッグ20aの中間の
衝突ゾーン26で狭いウェスト部を形成するようにする。
は、例えばベンド20bの周りにリングに作動的に結合し
た複数の集束要素即ちマグネット24を備え、電子ビーム
14を集束し、好ましくは両方の直線レッグ20aの中間の
衝突ゾーン26で狭いウェスト部を形成するようにする。
【００１４】複数の曲げ要素即ちマグネット28が、対応
する４つのコーナー即ちレッグとベンドの結合部で、リ
ングに作動的に結合し、電子ビームを曲げ即ち方向付
け、リング内を循環するようにする。曲げマグネット
は、リングの内側で電子ビームの環状循環軌道を保持す
るため電力を与えられ、電子ビームが十分な数の回転即
ちサイクルだけ回るようにする。個々の電子パルスは、
対応する曲げマグネットの電力を断つことにより、リン
グの4つのコーナーの任意のところで導入しても良く、
また個々の電子パルスは、曲げマグネットの電力をそこ
で断つことにより、リングの4つのコーナーの任意のと
ころで排出しても良い。
する４つのコーナー即ちレッグとベンドの結合部で、リ
ングに作動的に結合し、電子ビームを曲げ即ち方向付
け、リング内を循環するようにする。曲げマグネット
は、リングの内側で電子ビームの環状循環軌道を保持す
るため電力を与えられ、電子ビームが十分な数の回転即
ちサイクルだけ回るようにする。個々の電子パルスは、
対応する曲げマグネットの電力を断つことにより、リン
グの4つのコーナーの任意のところで導入しても良く、
また個々の電子パルスは、曲げマグネットの電力をそこ
で断つことにより、リングの4つのコーナーの任意のと
ころで排出しても良い。
【００１５】電子パルスがリングの内側で循環すると、
マグネット24により直線のレッグ内の２つの衝突ゾーン
26で集束される。これに対応して、散乱レーザー16は好
適な光学機器即ち集束レンズを使用して、レーザービー
ムパルスを電子ビームパルスのウェスト部に集束させ、
２つのレッグの少なくとも１つで、対応する衝突ゾーン
26に集束させる。
マグネット24により直線のレッグ内の２つの衝突ゾーン
26で集束される。これに対応して、散乱レーザー16は好
適な光学機器即ち集束レンズを使用して、レーザービー
ムパルスを電子ビームパルスのウェスト部に集束させ、
２つのレッグの少なくとも１つで、対応する衝突ゾーン
26に集束させる。
【００１６】このように、電子パルス14は、相互作用リ
ングの内側の衝突ゾーン26で狭いウェスト部に集束さ
れ、レーザーパルス18は、衝突ゾーン26の内側で電子ビ
ームのウェストで集束し、そこで衝突とトムソン散乱を
起こさせる。
ングの内側の衝突ゾーン26で狭いウェスト部に集束さ
れ、レーザーパルス18は、衝突ゾーン26の内側で電子ビ
ームのウェストで集束し、そこで衝突とトムソン散乱を
起こさせる。
【００１７】図１に示すレーザービームは、所望により
相互作用リングの内側を循環してもしなくてもよい。例
示した好適な実施例では、複数の反射即ち循環ミラー30
の形の手段が相互作用リングと光学的に整列し、ループ
内のレーザーパルス18を循環させ、衝突ゾーンの２つの
ウェスト部のそれぞれの１つで、繰り返し電子ビームパ
ルスと衝突するようにする。このように、同じ電子ビー
ムパルス14が、リングの両方のレッグ20a内でレーザー
ビームパルスと次々に衝突し、それに応じて高エネルギ
ーのフォトンを生じることができる。レーザービームの
エネルギーはミラーからの複数回の反射により低下する
ので、光学アンプ（図示せず）を直列に使用して、エネ
ルギーロスを補償しても良い。
相互作用リングの内側を循環してもしなくてもよい。例
示した好適な実施例では、複数の反射即ち循環ミラー30
の形の手段が相互作用リングと光学的に整列し、ループ
内のレーザーパルス18を循環させ、衝突ゾーンの２つの
ウェスト部のそれぞれの１つで、繰り返し電子ビームパ
ルスと衝突するようにする。このように、同じ電子ビー
ムパルス14が、リングの両方のレッグ20a内でレーザー
ビームパルスと次々に衝突し、それに応じて高エネルギ
ーのフォトンを生じることができる。レーザービームの
エネルギーはミラーからの複数回の反射により低下する
ので、光学アンプ（図示せず）を直列に使用して、エネ
ルギーロスを補償しても良い。
【００１８】さらに、２つのベンド20bの１つにオプシ
ョンのブースター20cを配置し、循環する電子パルスの
散乱によるエネルギーロスを補償しても良い。２つの電
子ブースター12bと20cが図３に示すシンクロナイザー48
に作動的に結合し、電力を上げた電子ビームパルスと同
期した動作をするようにしても良い。
ョンのブースター20cを配置し、循環する電子パルスの
散乱によるエネルギーロスを補償しても良い。２つの電
子ブースター12bと20cが図３に示すシンクロナイザー48
に作動的に結合し、電力を上げた電子ビームパルスと同
期した動作をするようにしても良い。
【００１９】上述したように、電子銃12と散乱レーザー
16は、比較的小型の組立体内で、協働する相互作用リン
グの性能を最大限にするように構成されていても良い。
電子銃12は、相対論的エネルギーが約1〜10Ｍｅｖの範
囲で、相対論的電子ビーム14をリング20内に放出し、高
輝度電子ビームになるように構成されているのが好まし
い。
16は、比較的小型の組立体内で、協働する相互作用リン
グの性能を最大限にするように構成されていても良い。
電子銃12は、相対論的エネルギーが約1〜10Ｍｅｖの範
囲で、相対論的電子ビーム14をリング20内に放出し、高
輝度電子ビームになるように構成されているのが好まし
い。
【００２０】これに対応して、レーザー16は、レーザー
ビーム18を約100ｍＪまでのエネルギーで約750ｎｍの波
長で、またパルスの継続時間約3ｐｓで放出するように
構成されているのが好ましい。このような高エネルギー
レーザービームパルスが例えば100ｆｓの継続時間、約5
ＭｅＶのエネルギーで100ｐＣの電子束を有する電子ビ
ームと正面衝突すると、衝突ごとに約1.6ｎｍの波長で
約800ｅＶの10６のフォトンを、生じることができる。
結果のフォトンビームのピーク輝度は、約10２２フォト
ン／（ｓ0.1％ＢＷ領域立体角）であり、これは第２世
代シンクロトロン光源に匹敵する。
ビーム18を約100ｍＪまでのエネルギーで約750ｎｍの波
長で、またパルスの継続時間約3ｐｓで放出するように
構成されているのが好ましい。このような高エネルギー
レーザービームパルスが例えば100ｆｓの継続時間、約5
ＭｅＶのエネルギーで100ｐＣの電子束を有する電子ビ
ームと正面衝突すると、衝突ごとに約1.6ｎｍの波長で
約800ｅＶの10６のフォトンを、生じることができる。
結果のフォトンビームのピーク輝度は、約10２２フォト
ン／（ｓ0.1％ＢＷ領域立体角）であり、これは第２世
代シンクロトロン光源に匹敵する。
【００２１】図２のフローチャートに示すように、散乱
レーザー16は、好ましくは第１繰返し速度の複数のマク
ロパルス18bを含む列18aでレーザービーム18を放出する
ように構成されている。各マクロパルスは、異なる約80
ＭＨｚの第２繰返し速度の複数のマイクロパルス18cを
含み、対応する周期約12ｎｓを有し、これは相互作用リ
ングの内側を循環する電子ビームの循環周期即ち周期と
実質的に同じである。
レーザー16は、好ましくは第１繰返し速度の複数のマク
ロパルス18bを含む列18aでレーザービーム18を放出する
ように構成されている。各マクロパルスは、異なる約80
ＭＨｚの第２繰返し速度の複数のマイクロパルス18cを
含み、対応する周期約12ｎｓを有し、これは相互作用リ
ングの内側を循環する電子ビームの循環周期即ち周期と
実質的に同じである。
【００２２】これに対応して、電子銃12は、個々の又は
１つの電子ビームパルス14bの電子パルス列14aを生じる
ように構成されている。電子銃と散乱レーザーは、好適
に同期し、電子とレーザーパルス列を協働して作る。
１つの電子ビームパルス14bの電子パルス列14aを生じる
ように構成されている。電子銃と散乱レーザーは、好適
に同期し、電子とレーザーパルス列を協働して作る。
【００２３】結果のレーザーマクロパルス18bは、第１
繰返し速度約100Ｈｚ、継続時間約1ｍｓが好ましい。各
マクロパルス18bは、継続時間約3ｐｓのマイクロパルス
18cを100有するのが好ましい。各マイクロパルスは、電
子ビームパルスと衝突し、衝突当たり、継続時間約100
ｆｓで約10６のＸ線フォトンを有するフォトンビームを
生じ、その結果１秒当たり10１０のフォトンを生じる。
繰返し速度約100Ｈｚ、継続時間約1ｍｓが好ましい。各
マクロパルス18bは、継続時間約3ｐｓのマイクロパルス
18cを100有するのが好ましい。各マイクロパルスは、電
子ビームパルスと衝突し、衝突当たり、継続時間約100
ｆｓで約10６のＸ線フォトンを有するフォトンビームを
生じ、その結果１秒当たり10１０のフォトンを生じる。
【００２４】結果のフォトンビーム22の波長は、レーザ
ー波長を同調させることにより、小さいステップで同調
させることができ、電子ビームのエネルギーを変化させ
ることにより大きいステップで同調させることができ
る。散乱レーザー16は、750〜850ｎｍの範囲に同調で
き、電子エネルギーを1〜10ＭｅＶの範囲で可変なの
で、結果のフォトンビームの狭帯域放射は、約53ｎｍか
ら0.4ｎｍに連続的に同調できる。
ー波長を同調させることにより、小さいステップで同調
させることができ、電子ビームのエネルギーを変化させ
ることにより大きいステップで同調させることができ
る。散乱レーザー16は、750〜850ｎｍの範囲に同調で
き、電子エネルギーを1〜10ＭｅＶの範囲で可変なの
で、結果のフォトンビームの狭帯域放射は、約53ｎｍか
ら0.4ｎｍに連続的に同調できる。
【００２５】レーザーにより生じるマクロパルス18bと
同じ繰返し速度で、単一の電子ビームパルス14bが電子
銃により生じる。電子ビームパルス14bは、相互作用リ
ング20に注入され、そこで各マクロパルスのマイクロパ
ルス18cと協働して繰返し回転して、循環する。
同じ繰返し速度で、単一の電子ビームパルス14bが電子
銃により生じる。電子ビームパルス14bは、相互作用リ
ング20に注入され、そこで各マクロパルスのマイクロパ
ルス18cと協働して繰返し回転して、循環する。
【００２６】単一の電子ビームパルスが相互作用リング
内を循環すると、それは各回転で、個々のマイクロパル
ス18cと衝突し、各マクロパルスのマイクロパルスの全
数が同じ電子ビームパルスとトムソン散乱を行うのに使
用される。
内を循環すると、それは各回転で、個々のマイクロパル
ス18cと衝突し、各マクロパルスのマイクロパルスの全
数が同じ電子ビームパルスとトムソン散乱を行うのに使
用される。
【００２７】例示の実施例では、マイクロパルス18cの
繰返し速度は、約12ｎｓの周期と対応し、相互作用リン
グ20は、電子ビームパルスをマイクロパルスの周期と一
致する12ｎｓの周期で旋回させるように構成され、電子
パルスは、相互作用リング内の電子パルスの各軌道即ち
回転に同期して、次のマイクロパルスと衝突するように
なっている。１つのマクロパルス内の全てのマイクロパ
ルスが共通の電子パルスと衝突するのが完了すると、使
用された電子パルスは相互作用リングから排出され、次
の電子パルスがその中へ注入され、次のマクロパルスに
ついて衝突サイクルを再度繰り返す。
繰返し速度は、約12ｎｓの周期と対応し、相互作用リン
グ20は、電子ビームパルスをマイクロパルスの周期と一
致する12ｎｓの周期で旋回させるように構成され、電子
パルスは、相互作用リング内の電子パルスの各軌道即ち
回転に同期して、次のマイクロパルスと衝突するように
なっている。１つのマクロパルス内の全てのマイクロパ
ルスが共通の電子パルスと衝突するのが完了すると、使
用された電子パルスは相互作用リングから排出され、次
の電子パルスがその中へ注入され、次のマクロパルスに
ついて衝突サイクルを再度繰り返す。
【００２８】上述したように、電子銃12は、対応して構
成された散乱レーザー16と協働するように構成された色
々の構成を有していてもよい。図３は、相互作用リング
20及び電子銃12と協働するレーザーシステム32を例示す
る。電子銃12の詳細を図４に示す。
成された散乱レーザー16と協働するように構成された色
々の構成を有していてもよい。図３は、相互作用リング
20及び電子銃12と協働するレーザーシステム32を例示す
る。電子銃12の詳細を図４に示す。
【００２９】図４に示すように、電子銃12は、通常の構
成のレーザー励起光電陰極電子銃が好ましい。又は、電
子銃は、例えばＲＦ銃、熱イオン銃、電界放射銃でも良
い。
成のレーザー励起光電陰極電子銃が好ましい。又は、電
子銃は、例えばＲＦ銃、熱イオン銃、電界放射銃でも良
い。
【００３０】好適な実施例では、高電圧パルス発生器34
は、ＳＦ−６ガスを充填し、圧力をかけたトリガスパー
クギャップ34bと協働する共鳴トランスフォーマ34aを備
える。トリガスパークギャップ34bは、トランスフォー
マとフォーミング即ち導電ライン34cの間に形成され
る。フォーミングライン34cは、インピーダンス即ちロ
ードマッチングトランスフォーマ34eと共にパルスを尖
らせるスパークギャップ34dを形成する。真空ダイオー
ド36は、インピーダンストランスフォーマに結合したカ
ソード36aと、そこから所定の距離をおいたアノード36b
を備える。
は、ＳＦ−６ガスを充填し、圧力をかけたトリガスパー
クギャップ34bと協働する共鳴トランスフォーマ34aを備
える。トリガスパークギャップ34bは、トランスフォー
マとフォーミング即ち導電ライン34cの間に形成され
る。フォーミングライン34cは、インピーダンス即ちロ
ードマッチングトランスフォーマ34eと共にパルスを尖
らせるスパークギャップ34dを形成する。真空ダイオー
ド36は、インピーダンストランスフォーマに結合したカ
ソード36aと、そこから所定の距離をおいたアノード36b
を備える。
【００３１】パルス発生器34は、約0.5〜1ＭＶのパルス
化した高電圧を真空ダイオード36の電極間にかけ、約1
ＧＶ／ｍの加速勾配を達成する。同時に、カソード36a
を約1ｐｓより短いレーザーパルスで照射することによ
り、カソードは、光電子を放出し、その特性はレーザー
ビームにより制御される。高い電界が電子を非相対論的
エネルギーに加速する結果、高輝度電子ビームパルス14
bができる。この電子ビームのエネルギーは、必要によ
りダイオードと協働する従来の構成のオプションのブー
スター空洞12bにより、約10Ｍｅｖに増加させることが
できる。
化した高電圧を真空ダイオード36の電極間にかけ、約1
ＧＶ／ｍの加速勾配を達成する。同時に、カソード36a
を約1ｐｓより短いレーザーパルスで照射することによ
り、カソードは、光電子を放出し、その特性はレーザー
ビームにより制御される。高い電界が電子を非相対論的
エネルギーに加速する結果、高輝度電子ビームパルス14
bができる。この電子ビームのエネルギーは、必要によ
りダイオードと協働する従来の構成のオプションのブー
スター空洞12bにより、約10Ｍｅｖに増加させることが
できる。
【００３２】図３に示すフォトン発生器10の色々の構成
要素は、高エネルギーパルスを放出するように構成され
ているので、性能を最大にするためには、これらのパル
スの同期が必要である。レーザーシステム32は、カソー
ドレーザービーム38を放出するように構成されるのが好
ましく、電子銃のカソード36aを照射して電子を放出す
る。レーザーシステムはまた、トリガーレーザービーム
40を放出するように構成され、ＳＦ−６ガスを充填し圧
力をかけたスパークギャップ34bをカソードレーザービ
ーム38と同期してトリガーする。
要素は、高エネルギーパルスを放出するように構成され
ているので、性能を最大にするためには、これらのパル
スの同期が必要である。レーザーシステム32は、カソー
ドレーザービーム38を放出するように構成されるのが好
ましく、電子銃のカソード36aを照射して電子を放出す
る。レーザーシステムはまた、トリガーレーザービーム
40を放出するように構成され、ＳＦ−６ガスを充填し圧
力をかけたスパークギャップ34bをカソードレーザービ
ーム38と同期してトリガーする。
【００３３】また、レーザーシステムは、カソードレー
ザービームと同期して散乱レーザービーム18を放出する
ように構成され、この散乱レーザービームは相互作用リ
ング20内で電子ビームパルスと衝突する。
ザービームと同期して散乱レーザービーム18を放出する
ように構成され、この散乱レーザービームは相互作用リ
ング20内で電子ビームパルスと衝突する。
【００３４】従って、図３に示すレーザーシステム32
は、フォトン発生器10を同期して動作させるため、３つ
の異なる別のレーザービームを送るように構成されてい
る。カソードレーザービーム38は、約10〜100マイクロ
ジュールの比較的低いエネルギーで、約1ｐｓ以下の非
常に短いパルス継続時間、約4〜5ｅＶの紫外線フォトン
エネルギーで、カソード36aを照射し電子を放出する。
は、フォトン発生器10を同期して動作させるため、３つ
の異なる別のレーザービームを送るように構成されてい
る。カソードレーザービーム38は、約10〜100マイクロ
ジュールの比較的低いエネルギーで、約1ｐｓ以下の非
常に短いパルス継続時間、約4〜5ｅＶの紫外線フォトン
エネルギーで、カソード36aを照射し電子を放出する。
【００３５】トリガーレーザービーム40は、約50ｍJよ
り大きい高エネルギーで、約1〜10ｎｓの比較的長いパ
ルス継続時間で、紫外線波長で、パルス発生器のスパー
クギャップ34bをトリガーし、高電圧パルスをカソード
レーザービーム38と同期させる。
り大きい高エネルギーで、約1〜10ｎｓの比較的長いパ
ルス継続時間で、紫外線波長で、パルス発生器のスパー
クギャップ34bをトリガーし、高電圧パルスをカソード
レーザービーム38と同期させる。
【００３６】散乱レーザービーム18は、約10〜100ｍJの
比較的高エネルギーで、10ｐｓまでの短いパルス継続時
間で、これは相互作用リング20内の電子ビームパルスに
より、トムソン散乱に好適に同調できる
比較的高エネルギーで、10ｐｓまでの短いパルス継続時
間で、これは相互作用リング20内の電子ビームパルスに
より、トムソン散乱に好適に同調できる
【００３７】図３に示す３つの異なるレーザービーム1
8,38,40は、好適な実施例では２つの異なって構成され
たレーザーを使用して、同期して形成することができ
る。例えば、第１レーザー42は、トリガーレーザービー
ム40を放出するように構成されている。第２レーザー44
は、カソードレーザービーム38を放出するように構成さ
れている。また、パワーアンプ46が、第２レーザーの作
動的に結合し、それと同期して散乱レーザービーム18を
放出する。
8,38,40は、好適な実施例では２つの異なって構成され
たレーザーを使用して、同期して形成することができ
る。例えば、第１レーザー42は、トリガーレーザービー
ム40を放出するように構成されている。第２レーザー44
は、カソードレーザービーム38を放出するように構成さ
れている。また、パワーアンプ46が、第２レーザーの作
動的に結合し、それと同期して散乱レーザービーム18を
放出する。
【００３８】マスタークロックを有する好適なシンクロ
ナイザ48が、２つのレーザー42,44と作動的に結合し、
従来の方法で協働して動作する。
ナイザ48が、２つのレーザー42,44と作動的に結合し、
従来の方法で協働して動作する。
【００３９】図３に示す好適な実施例では、第１レーザ
ー42は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーで、紫外線レーザービー
ムパルス42aを放出し、これは２回対応するハーモニッ
ククリスタル（ＨＣ）50で周波数を２倍にされ、電子銃
に送られるトリガーレーザービーム40を形成する。
ー42は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーで、紫外線レーザービー
ムパルス42aを放出し、これは２回対応するハーモニッ
ククリスタル（ＨＣ）50で周波数を２倍にされ、電子銃
に送られるトリガーレーザービーム40を形成する。
【００４０】第２レーザー44は、初めに赤外レーザービ
ーム44aを放出するためのモード固定レーザーで、約100
ｆｓより短い継続時間で、波長約800ｎｍで、繰返し速
度約80ＭＨｚであり、これは周期約12ｎｍに対応する。
モード固定レーザーは、例えばチタンサファイア固体レ
ーザーである。
ーム44aを放出するためのモード固定レーザーで、約100
ｆｓより短い継続時間で、波長約800ｎｍで、繰返し速
度約80ＭＨｚであり、これは周期約12ｎｍに対応する。
モード固定レーザーは、例えばチタンサファイア固体レ
ーザーである。
【００４１】パルスストレッチャ52が第２レーザー44に
作動的に結合し、パルス継続時間を約100ｐｓまで増加
させる。第１レーザー42は、好ましくはカソードレーザ
ービーム38を増幅するため第２レーザー44に作動的に結
合し、またパワーアンプ46をポンピングして、散乱レー
ザービーム18を増幅する。
作動的に結合し、パルス継続時間を約100ｐｓまで増加
させる。第１レーザー42は、好ましくはカソードレーザ
ービーム38を増幅するため第２レーザー44に作動的に結
合し、またパワーアンプ46をポンピングして、散乱レー
ザービーム18を増幅する。
【００４２】これは、第２ハーモニッククリスタル50と
光学的に整列した第１スプリットミラー54を使用するこ
とにより、第１レーザービーム42aからのエネルギーの
一部を分割し、プリアンプ56内の伸長した第２レーザー
ビーム44aをポンピング又は増幅する。このプリアンプ
は、ストレッチャ及びスプリットミラー54と光学的に整
列している。
光学的に整列した第１スプリットミラー54を使用するこ
とにより、第１レーザービーム42aからのエネルギーの
一部を分割し、プリアンプ56内の伸長した第２レーザー
ビーム44aをポンピング又は増幅する。このプリアンプ
は、ストレッチャ及びスプリットミラー54と光学的に整
列している。
【００４３】第２スプリットミラー58は、第１スプリッ
トミラー54と光学的に整列し、第１レーザービーム42a
からのエネルギーの別の一部を取り除き、作動的に結合
されたパワーアンプ46をポンピングする。
トミラー54と光学的に整列し、第１レーザービーム42a
からのエネルギーの別の一部を取り除き、作動的に結合
されたパワーアンプ46をポンピングする。
【００４４】第１パルスコンプレッサ60が、プレアンプ
56と作動的に結合し、レーザービームを当初のパルス継
続時間約100ｆｓに圧縮し、これは次に作動的に結合し
た他のハーモニッククリスタル52で周波数を２倍にさ
れ、カソードレーザービーム38を生じる。
56と作動的に結合し、レーザービームを当初のパルス継
続時間約100ｆｓに圧縮し、これは次に作動的に結合し
た他のハーモニッククリスタル52で周波数を２倍にさ
れ、カソードレーザービーム38を生じる。
【００４５】第２パルスコンプレッサ62が、パワーアン
プ46に作動的に結合し、増幅されたレーザービームを部
分的に圧縮し、散乱レーザービーム18を約100ｆｓより
長いパルス継続、好ましくは約1〜10ｐｓの範囲で同調
する。
プ46に作動的に結合し、増幅されたレーザービームを部
分的に圧縮し、散乱レーザービーム18を約100ｆｓより
長いパルス継続、好ましくは約1〜10ｐｓの範囲で同調
する。
【００４６】好適な実施例に従って上述したフォトン発
生器は、従来の非フォトン発生器に匹敵するピークと平
均輝度を有する出力フォトンビームを生じるのに有効で
ある。しかし、フォトン発生器は、例えば約200平方フ
ィートより小さく、大きさが従来のシンクロトロンより
比較的小さく、それに応じて資本金と動作コストが少な
い。フォトンエネルギーは、1〜10ＭｅＶの電子ビーム
パルスについて、約53ｎｍから約0.4ｎｍまで連続的に
同調させることができる。また、狭帯域フォトンビーム
放射のパルス継続時間は、約50ｆｓから約3ｐｓまで変
えることができる。
生器は、従来の非フォトン発生器に匹敵するピークと平
均輝度を有する出力フォトンビームを生じるのに有効で
ある。しかし、フォトン発生器は、例えば約200平方フ
ィートより小さく、大きさが従来のシンクロトロンより
比較的小さく、それに応じて資本金と動作コストが少な
い。フォトンエネルギーは、1〜10ＭｅＶの電子ビーム
パルスについて、約53ｎｍから約0.4ｎｍまで連続的に
同調させることができる。また、狭帯域フォトンビーム
放射のパルス継続時間は、約50ｆｓから約3ｐｓまで変
えることができる。
【００４７】相互作用リングは、高エネルギーレーザー
ビームを高エネルギー電子ビームと繰り返し衝突させる
ことを改善し、トムソン散乱によりフォトン放射を生じ
る。フォトン放射は単色で、スペクトロメータ、回折格
子、冷却要素の必要がない。これらは、典型的なシンク
ロトロンでは必要である。
ビームを高エネルギー電子ビームと繰り返し衝突させる
ことを改善し、トムソン散乱によりフォトン放射を生じ
る。フォトン放射は単色で、スペクトロメータ、回折格
子、冷却要素の必要がない。これらは、典型的なシンク
ロトロンでは必要である。
【００４８】ここに本発明の好適な実施例を記載した
が、ここの教示から他の実施例は当業者には明らかであ
ろう。それゆえ、特許請求の範囲にはこれらの変形例は
本発明の範囲に入る。
が、ここの教示から他の実施例は当業者には明らかであ
ろう。それゆえ、特許請求の範囲にはこれらの変形例は
本発明の範囲に入る。
【図１】本発明の実施例のフォトン発生器の概略図であ
る。
る。
【図２】図１のフォトン発生器を動作させる好適な実施
例のフローチャートである。
例のフローチャートである。
【図３】図１に示す実施例のフォトン発生器を表すフロ
ーチャートである。
ーチャートである。
【図４】図３に示す実施例の電子銃の概略図である。
10 フォトン発生器 12 電子銃 14 電子ビーム 16 散乱レーザ 18 レーザビーム 20 相互作用リング 22 フォトンビーム 24 集束要素 26 衝突ゾーン 28 曲げ要素 30 循環ミラー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G085 AA14 BA01 BA14 BA15 BE09 CA05 CA24 DA03 EA06 EA10 5F072 HH07 JJ04 JJ20 PP02 RR03 RR05 RR07 RR10 SS06
Claims (19)
- 【請求項１】 電子ビームを放出する電子銃、 レーザービームを放出するレーザー、及び、 前記電子銃とレーザーに作動的に結合した相互作用リン
グであって、前記電子ビームを閉ループ内で循環させ
て、前記レーザービームと繰り返し衝突させ、それらの
間の衝突からフォトンビームを放出する相互作用リング
を備えることを特徴とするフォトン発生器。 - 【請求項２】 前記レーザーは、前記レーザービームを
ある繰返し速度のパルスの列で放出し、 前記電子銃は、前記電子ビームを電子パルスで放出し、 前記相互作用リングは、前記繰返し衝突を行うため、前
記繰返し速度に対応する周期とほぼ等しい周期で、前記
電子ビームパルスを循環させる大きさと構成になってい
る請求項１に記載のフォトン発生器。 - 【請求項３】 前記相互作用リングは長円形で、一対の
直線レッグと一対の対向するベンドを有し、 前記電子銃は、前記電子ビームパルスを前記相互作用リ
ング内の第１方向に放出するように配置され、 前記レーザーは、前記電子ビームパルスと衝突させるた
め、前記レーザービームパルスを前記相互作用リング内
の反対の第２方向に放出するように配置される請求項２
に記載のフォトン発生器。 - 【請求項４】 前記直線レッグ内の狭いウェスト部で、
前記電子ビームパルスを集束させるため、前記相互作用
リングと作動的に結合した複数の集束マグネット、 前記電子ビームパルスを前記リング内で循環するように
方向付けるため、前記レッグとベンドの結合部で前記相
互作用リングに作動的に結合した複数の曲げマグネット
を備え、 前記レーザーは、前記レッグの一方の前記ウェスト部
で、前記レーザーパルスを集束するように構成された請
求項３に記載のフォトン発生器。 - 【請求項５】 前記相互作用リングに作動的に結合した
複数の循環ミラーを備え、前記レーザーパルスを前記ル
ープ内で循環させ、前記一対のレッグの前記ウェスト部
のそれぞれの１つにおいて、前記電子パルスと繰り返し
衝突させる請求項４に記載のフォトン発生器。 - 【請求項６】 前記電子銃はレーザー励起フォトカソー
ド電子銃であり、 トリガースパークギャップを有する高電圧パルス発生
器、及び、 電子を放出し、アノードから間隔をおいたカソードを含
むダイオードを備え請求項２に記載のフォトン発生器。 - 【請求項７】 レーザーシステムを備え、該レーザーシ
ステムは、 電子を放出するため、前記電子銃内の前記カソードを照
射するためのカソードレーザービーム、 前記カソードレーザービームと同期して、前記スパーク
ギャップをトリガーするためのトリガーレーザービー
ム、及び、 前記カソードレーザービームと同期して、前記相互作用
リング内で前記電子ビームと衝突するための、散乱レー
ザービーム、を放出する請求項６に記載のフォトン発生
器。 - 【請求項８】 前記レーザーシステムは、 前記トリガーレーザービームを放出する第１レーザー、 前記カソードレーザービームを放出する第２レーザー、
及び、 前記散乱レーザービームを放出するため、前記第２レー
ザーに作動的に結合したアンプを備える請求項７に記載
のフォトン発生器。 - 【請求項９】 前記第１レーザーは、前記第２レーザー
に作動的に結合し、前記カソードレーザービームを増幅
し、前記アンプをポンピングして、前記散乱レーザービ
ームを増幅する請求項８に記載のフォトン発生器。 - 【請求項１０】 前記第１レーザーはＮｄ：ＹＡＧレー
ザーであり、 前記第２レーザーはモード固定レーザーである請求項９
に記載のフォトン発生器。 - 【請求項１１】 フォトンビームを生じる方法におい
て、 電子ビームを放出し、 レーザービームを放出し、 前記電子ビームを前記レーザービームと繰り返し衝突さ
せ、それらの間の衝突からフォトンビームを放出するこ
とを特徴とする方法。 - 【請求項１２】 前記レーザービームをある繰返し速度
でレーザーパルスの列で放出し、 前記電子ビームを電子ビームパルスで放出し、 前記繰返し衝突を行うため、前記繰返し速度に対応する
周期とほぼ等しい周期で、前記電子ビームパルスを循環
させる請求項１１に記載の方法。 - 【請求項１３】 前記電子ビームパルスを閉ループ内の
第１方向に放出循環させ、 前記レーザービームパルスを前記閉ループ内の反対の第
２方向に向ける請求項１２に記載の方法。 - 【請求項１４】 前記電子ビームパルスを前記ループ内
の狭いウェスト部で集束させ、 前記レーザービームパルスを、そこで衝突させるため、
前記電子ビームパルスのウェスト部で集束させる請求項
１３に記載の方法。 - 【請求項１５】 前記ループ内の複数の前記ウェスト部
で、前記電子ビームパルスを集束させ、 前記レーザービームパルスを前記ループ内で循環させ、
前記ウェスト部のそれぞれの１つで、前記電子ビームパ
ルスと繰り返し衝突させる請求項１４に記載の方法。 - 【請求項１６】 前記ループ内に、１〜10Ｍｅｖの範囲
のエネルギーで、非相対論的電子ビームを放出し、 約100ｍＪまでのエネルギー、波長約750ｎｍ、パルス継
続時間約3ｐｓで、前記レーザービームを放出する請求
項１３に記載の方法。 - 【請求項１７】 前記レーザービームを、第１繰返し速
度の複数のマクロパルスを含む前記列18a内に放出し、
各マクロパルスは異なる第２繰返し速度の複数のマイク
ロパルスを備え、該第２繰返し速度は前記電子ビームパ
ルス循環周期とほぼ同じ対応する周期を有する請求項１
３に記載の方法。 - 【請求項１８】 前記マクロパルスは、約100Ｈｚの第
１繰返し速度を有し、継続時間は約1マイクロ秒で、各
マクロパルスは約100のマイクロパルスを含み、 前記マクロパルスの各々は、約12ｎｓの周期を有し、衝
突当たり約10６の前記フォトンビームを生じ、継続時間
は約100ｆｓである請求項１７に記載の方法。 - 【請求項１９】 前記電子ビームのエネルギーを調節
し、 前記レーザービームの波長を同調させ、前記フォトンビ
ームを約53ｎｍから約0.4ｎｍの狭帯域照射に同調させ
る請求項１３に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/551,236 US6459766B1 (en) | 2000-04-17 | 2000-04-17 | Photon generator |
| US09/551236 | 2000-04-17 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002043670A true JP2002043670A (ja) | 2002-02-08 |
Family
ID=24200416
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001117837A Pending JP2002043670A (ja) | 2000-04-17 | 2001-04-17 | フォトン発生器 |
Country Status (12)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6459766B1 (ja) |
| EP (1) | EP1148769A3 (ja) |
| JP (1) | JP2002043670A (ja) |
| KR (1) | KR20020003802A (ja) |
| CN (1) | CN1318970A (ja) |
| AU (1) | AU3341501A (ja) |
| CA (1) | CA2342567A1 (ja) |
| HU (1) | HUP0101534A2 (ja) |
| IL (1) | IL142578A0 (ja) |
| MX (1) | MXPA01003787A (ja) |
| NO (1) | NO20011832L (ja) |
| ZA (1) | ZA200103005B (ja) |
Cited By (2)
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| WO2002054743A2 (en) * | 2000-12-29 | 2002-07-11 | Bellsouth Intellectual Property Corporation | Web based messaging system with personalized caller specific messages |
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-
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