JP2004219393A - 高光度の平行ビーム生成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｘ線、中性子ビーム等の光度を増加させると同時に分散を減らす。
【解決手段】１次楕円７２の一焦点７１に配置する光源、光源から入射するビームを反射させるように１次楕円上に配置する凹面鏡で、１次楕円の境界面形をした１次ミラーと、１次ミラーで反射したビームの経路に配置する凸面鏡で、凸面鏡に入射するビーム入射地点の接線間の角度差が、１次ミラーに入射するビーム入射地点の接線間の角度の１／２になるようにした２次楕円７３の境界面形をした２次ミラーとを備え、さらに１次ミラーは、１次楕円の短軸上頂点に配置するか空間の活用のために１次楕円の他焦点側の長軸上頂点と短軸上頂点間に配置する。
【選択図】図７
【解決手段】１次楕円７２の一焦点７１に配置する光源、光源から入射するビームを反射させるように１次楕円上に配置する凹面鏡で、１次楕円の境界面形をした１次ミラーと、１次ミラーで反射したビームの経路に配置する凸面鏡で、凸面鏡に入射するビーム入射地点の接線間の角度差が、１次ミラーに入射するビーム入射地点の接線間の角度の１／２になるようにした２次楕円７３の境界面形をした２次ミラーとを備え、さらに１次ミラーは、１次楕円の短軸上頂点に配置するか空間の活用のために１次楕円の他焦点側の長軸上頂点と短軸上頂点間に配置する。
【選択図】図７
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミラー（ｍｉｒｒｏｒ）を適切に配置することによって高光度の平行ビームを生成する装置に関するものである。より詳細には、現存する光学部品の効率的な配置によって従来の装置より更に効果的にＸ線（ｘ−ｒａｙ）、中性子ビーム等の光度を増加させると同時に分散を減らす装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
可視光線、Ｘ線、中性子等は、人為的な波長選択が可能であり固体の原子配列、半導体、光学素子、生化学等の分野で構造分析に広く利用されている。図１のように光は、一つの光源から放射形に拡がっていくため光の光度（ｆｌｕｘ）は、観測者位置との距離の自乗に反比例する。このことは物質の構造分析の為の試料及び検出器位置でその光度が顕著に減少することを意味する（図２）。図２は、一般的な単純スリット（ｓｌｉｔ）型 Ｘ線反射率計（ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）を図示したものである。
【０００３】
また、ライン焦点調節（ｌｉｎｅ ｆｏｃｕｓｉｎｇ、例：反射率計、薄膜測定用）及びポイント焦点調節（ｐｏｉｎｔ ｆｏｃｕｓｉｎｇ、例：４円回折（Ｆｏｕｒ ｃｉｒｃｌｅ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）、単結晶測定用）に必要なスリットを利用すればビームの光度はさらに減少する。
【０００４】
したがって、世界の有名な研究所や装備製作会社等は、ビームの光度を高めると同時にビームの分散（ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ）を減らす研究を継続しているのが実情である。特に、中性子散乱分野では特定波長を持った中性子ビームの光度を増加させるために冷中性子源及び中性子ガイド等を利用する。
【０００５】
図３は、ドイツのブルカー社（ＢＲＵＫＥＲ）が提供するゲーベル（Ｇｏｅｂｅｌ）ミラー（Ｘ線ミラーの一種）を利用して、平行ビームをつくる方法を図示したものである。図３ａは、ゲーベルミラーの配置を、図３ｂはゲーベルミラーを利用して平行ビームをつくる原理を、図３ｃはゲーベルミラーを利用した反射率測定結果を図示したものである。この方法を使用した場合は、普通単純型Ｘ線分析装置より光度が約２０倍以上増加するため現在広く利用されている。
【０００６】
このゲーベルミラーは、双曲線形態の幾何
【数２】
を持っている。ゲーベルミラーが双曲線中心に接近するほどビームの光度を高められるが、ビーム配置上、Ｘ線線源に完全に近接することは出来ず、高光度の完全な密集型線形ビーム（線形ビーム＜ ０．１ｍｍ）の生成が難しいという問題があった。
【０００７】
さらに、中性子を発生させる原子炉では、双曲線中心（中性子線源）近くに中性子ミラーを接近させることは容易ではなく、また遠距離でミラーを利用してビームを反射させる場合は、ビームの分散により必要なミラーの大きさが増加するため光度の利点はほとんどないと言える。
【０００８】
また他の方法は、図４ａ及び図４ｂに図示したように毛細管（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｔｕｂｅ）を利用するものである。この方法は、広い角に分散するビームを集束させることができ、平行ビームをつくることも易しく中性子とＸ線全てに応用でき、管の直径を小さくして狭小な場所で使用することもできる。しかし、細い管を通過する中性子やＸ線が多重反射によって強度が落ち、管内に入射するビームの量が微細管の厚みに依存するため効率（ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が１０−５０％に過ぎない。狭い空間を活用するためには細い管の直径（約５−５０マイクロメータ）と自体の厚みの極小化が効率を高める重要因子であり、Ｘ線オプチカルシステム社（Ｘ−ｒａｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃ．）がこのような種類の毛細管を開発して市販しているが非常に高価である。
【０００９】
３番目の方法は、結晶格子を段階的異物質に（Ｓｉ→Ｇｅ）代置して格子の大きさを調節することによってビームを集束させるかまたは平行ビームをつくるもので、結晶成長時に完璧な制御を必要とする。このような問題を解決したという報告があったが（非特許文献１参照）技術的な難しさは相変わらず存在し、また結晶で回折されたビームは、反射したビームより光度がずっと弱いため利用には難しさがあると言える。
【００１０】
図５は、段階的（ｇｒａｄｅｄ）結晶を利用したビームの集束化と平行ビームをつくる方法を示している。図５ａ及び図５ｂは、段階的結晶を単純応用したものである。各々広角（ｗｉｄｅ−ａｎｇｌｅ）ミラーと焦点調節（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）ミラーを図示したものである。一方、図５ｃ ないし図５ｅは、非対称（ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）段階的結晶の場合で、各々細いビームコンディショナー（ｎａｒｒｏｗ ｂｅａｍ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ）、対称コリメーター（ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）、終局コリメーター（ｕｌｔｉｍａｔｅ ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）を図示したものである。（非特許文献２参照）
【００１１】
この方法を使用すれば、結晶成長を通して格子の大きさが変化するため物理的な力を加えて結晶を湾曲させる必要がなく結晶自体が一つの焦点調節ベンダー（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｂｅｎｄｅｒ）の役割をし、結晶を希望の方向にカットして入射角を調節することによって平行ビームをつくることができる。
【００１２】
【非特許文献１】
エルコ（Ａ．Ｅｒｋｏ），シャエルファーズ（Ｆ．Ｓｃｈａｅｒｆｅｒｓ），グダト（Ｗ．Ｇｕｄａｔ）， アブロジモブ（Ｎ．Ｖ．Ａｂｒｏｓｉｍｏｖ），ロッソレンコ（Ｓ．Ｎ．Ｒｏｓｓｏｌｅｎｋｏ）， アレックス（Ｖ．Ａｌｅｘ）， スクロエデル（Ｗ．Ｓｃｈｒｏｅｄｅｒ）著、ニュークリア インストルメントメソッド フィジクス リサーチ（Ｎｕｃｌ． Ｉｎｓｔｒ． Ｍｅｔｈ． Ｐｈｙｓ． Ｒｅｓ．）、１９９６年、Ａ３７４巻、Ｐ．４０８
【非特許文献２】
ペトラセン（Ｐ．Ｐｅｔｒａｓｈｅｎ），エルコ（Ａ．Ｅｒｋｏ）著， Ｘ線コリメーターとしての段階的ＳｉＧｅ結晶（Ｇｒａｄｅｄ ＳｉＧｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ ａｓ Ｘ−ｒａｙ ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒｓ）， ニュークリア インストルメント メソッド フィジクス リサーチ（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｅ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ）、２００１年、Ａ ４６７−４６８巻、Ｐ．３５８−３６１
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の問題点を解決するためにミラーの楕円形配置によって従来の装置よりさらに効果的にＸ線、中性子ビーム等の光度を増加させると同時に分散を減らして平行ビームを生成する新しい装置を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、楕円体形ミラーを利用して平行集束焦点ビームを生成する高光度の平行ビーム生成装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【発明を解決するための手段】
本発明は、前記の目的を達成する為に、１次楕円の一焦点に配置した光源、該光源から入射したビームを反射させるために前記１次楕円上に配置した凹面鏡で、前記１次楕円の境界面形をした１次ミラーと、該１次ミラーで反射したビームの経路に配置する凸面鏡で、該凸面鏡に入射するビーム入射地点の接線間の角度差が、前記１次ミラーに入射するビーム入射地点の接線間の角度差の１／２になるようにした２次楕円の境界面形をした２次ミラーとを備えることを特徴とする高光度の平行ビーム生成装置を提供する。
【００１６】
また、前記１次ミラーは、前記１次楕円の短軸上の頂点に配置するか、空間を活用するために前記１次楕円の他焦点側の長軸上頂点と短軸上頂点との間に配置することを特徴とする。
【００１７】
また、前記２次楕円の楕円パラメタ−ａ’（長軸長さの１／２）、ｂ’（短軸長さの１／２）、ｅ’（中心から焦点までの距離）は次の数式
【数３】
によって求める。ここで、ａ、ｂは前記１次楕円の楕円パラメタ−、Ｐは前記１次ミラーの入射地点間の最大距離、Ｓは前記２次ミラーの入射地点間の最大距離であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、平行集束焦点ビームを生成する高光度の平行ビーム生成装置において、４個の楕円形ミラーの代わりに２個の楕円体（ｅｌｌｉｐｓｏｉｄ）形ミラーを使用することを特徴とする高光度の平行ビーム生成装置を提供する。
【００１９】
以下、添付した図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。本発明の根本原理は、楕円形配置を利用することであり、最も基本的な実施例は２個の楕円形ミラーで構成されたものである。
【００２０】
図６のように、楕円では一つの焦点で発生したビームが楕円に反射した後、常にもう一つの焦点に向かうようになる。ここで、Ｆ１、Ｆ２が楕円の焦点であり、Ｆ１で発生したビームが楕円の境界面で反射してＦ２に向かうことが見られる。ａ、ｂ、ｅは楕円パラメタ−で、各々長軸長さの１／２、短軸長さの１／２、楕円中心と焦点間の距離を示す。
【００２１】
図７は、楕円形ミラーを利用して平行ビームを生成する原理を概略的に図示したものであり、本発明の平行ビーム生成装置は、光源と二個のミラーで構成される。光源は、楕円の一方の焦点７１に配置し、図示した例では、左側の焦点に配置した。１次ミラーは１次楕円７２上に配置する。この実施例では点▲１▼、点▲２▼、点▲３▼部分にわたって配置し、２次ミラーは２次楕円７３上の点▲４▼、点▲５▼、点▲６▼部分にわたって配置されている。
【００２２】
１次楕円７２の楕円パラメータａ、ｂ、ｅを各々１００ｍｍ、５０ｍｍ、８６．６ｍｍにした時、１次楕円７２の左側焦点から点▲１▼、点▲２▼、点▲３▼への入射角は、左側と右側焦点間の基準線（ｘ軸）と各々３２度、３０度、２８度になる。
【００２３】
１次ミラーは、上述したように１次楕円７２上の入射位置に配置し、１次楕円の境界面の形をした楕円形凹面鏡である。１次ミラーの点▲１▼、点▲２▼、点▲３▼で反射した後、右側焦点に向かう各々のビームは、ｘ軸と２８度、３０度、３２度をなす。これは点▲１▼と点▲３▼での接線とｘ軸と平行な点▲２▼の接線が各々２度の角度をなすためである。また、これは各々の点（点▲１▼、点▲２▼、点▲３▼）での接線と左側焦点からの入射角は常に３０度をなすことを意味する。
【００２４】
平行ビームを生成するためには、１次楕円７２の右側焦点に向かうビームの経路に他のミラー（２次ミラー）を配置しなければならない。２次ミラーは、２次楕円７３上に配置し、２次楕円７３の境界面形の凸面鏡である。１次反射では１次楕円７２の凹面部分で反射をさせたのに対して、２次反射では２次楕円７３の凸面部分で反射をさせる。図面は、２次ミラーを７４の楕円形態で他の位置に配置出来ることを示している。
【００２５】
平行ビームを生成するための２次ミラーの楕円パラメータａ’、ｂ’、ｅ’は次の数式１によって求められる。
【数４】
ここでＰは、点▲１▼〜点▲３▼までの距離であり、Ｓは、点▲４▼〜点▲６▼までの距離である。
【００２６】
上記の式により形が決定された２次ミラーの点▲４▼と点▲６▼での接線が点▲５▼での接線となす角が各々
【数５】
になるため（誤差は無視）、点▲５▼で反射したビームと平行をなすようになる。
【００２７】
つまり、１次楕円７２上の点▲１▼、点▲２▼、点▲３▼での接線間の角度差が２次楕円７３上の点▲４▼、点▲５▼、点▲６▼での接線間の角度差の２倍になるように楕円の形を決める。この方法によって所望の平行集束線形ビーム（ｐａｒａｌｌｅｌ ｌｉｎｅ ｂｅａｍ）幅の調整が可能であり、先に説明したゲーベルミラーの短所である空間上の制約を解決出来る。図８は、２次ミラーが配置される部分を拡大して描いたもので、点▲４▼、点▲５▼、点▲６▼での接線間の角度差が１度であることが分かる。
【００２８】
図９は、平行集束線形ビーム（ｌｉｎｅ ｂｅａｍ）を、図１０は、平行集束焦点ビーム（ｐｏｉｎｔ ｂｅａｍ）を生成する方法を図示したものである。
【００２９】
焦点ビームの場合、３、４番目の鏡を１、２番目の鏡に９０度の差をつけて配置し、二回の反射によって生成された線形ビームを集束化された線形ビームの垂直方向に集束化させ焦点ビームを形成する。したがって、楕円形ミラーを利用する場合は４個のミラーが必要である（図１０ａ）。
【００３０】
しかし、中性子やＸ線ミラーの場合、ビームの光度は反射する度に少しずつ減少するため各反射による光度の損失を減らす方法が必要である。本発明では、図１０ｂに図示したように、２個の楕円形ミラーを１個の楕円体（Ｅｌｌｉｐｓｏｉｄ）形ミラーに代置して４回の反射を２回に減らせるようにした。Ｘ線ミラー（Ｍｏ／Ｓｉ、Ｗ／Ｃ、Ｗ／Ｓｉ）及び中性子ミラー（５８Ｎｉ、Ｎｉ／Ｔｉ）は、二物質の反復的な多層薄膜構造であるため表面の粗さと境界面の不完全性のために反射率の減少をもたらし得るが、最近では薄膜コーティング技術の発展によって９０％以上の反射率達成が可能である。
【００３１】
一般的な楕円体の公式は
【数６】
である。ビームの分散量がｚ軸方向にも同じであれば楕円体の公式は
【数７】
であり、ｘ軸とｚ軸方向に同じ曲率を持った１次楕円体形ミラーを製作可能で、２次ミラーも楕円形ミラーと同様に計算して製作出来る。ｘ軸とｚ軸方向のビームの分散量が異なる場合は、一般的な楕円体公式による１次楕円体形ミラーによってビームを焦点化させた後、２次ミラーの分散によって平行ビームをつくることができる。２次ミラーの楕円体パラメータを求める公式は、前記数式 １を拡張して次のように決められる。
【００３２】
【数８】
【００３３】
図１１と図１２は、原子炉周囲で中性子ミラーまたはスーパーミラー（メゼイ（Ｆ． Ｍｅｚｅｉ）著，コミュニケーション フィジクス（Ｃｏｍｍ． Ｐｈｙｓ．）、１９７６年、第１巻、Ｐ． ８１、メゼイ ウント ダグレイス（Ｆ． Ｍｅｚｅｉ ｕｎｄ Ｐ． Ｄａｇｌｅｉｓｈ）著， コミュニケーション フィジクス（Ｃｏｍｍ． Ｐｈｙｓ．）、１９７７年、第２巻、Ｐ．４１）を利用してビームを線形ビームにするための配置図である。
【００３４】
図１１ａは、１次ミラーを楕円のｙ軸に左右対称の形態に配置した場合で、中性子源から水平孔（中性子ビームを取り出す孔）後端までの距離が３０００ｍｍ、中性子スーパーミラー（Ｎｉ／Ｔｉ， ３Ｍ， ４．７５Å基準、最大完全反射角 約３度）の大きさが３８２ｍｍの場合を図示したものである。図１１ｂは、ミラーが配置された部分を拡大したものである。
【００３５】
このような場合、１次ミラーで反射されたビームから反対側に２次ミラーを置いてビームを集束するために広い空間が必要なため、１次ミラーを右側焦点近くに配置することによって空間活用問題を解決出来る。
【００３６】
図１２ａは、空間活用の為に配置を変えた例であり、１次ミラーを楕円の右側部分に配置して１次ミラーと２次ミラー間の間隔をさらに狭くしたものである。楕円の短軸から１０００ｍｍ距離に配置されているのが１次中性子ミラー１２１で、右側上部に配置されているのが２次中性子ミラー１２２であり、左側の焦点に線源を配置する。図１２ｂは、ミラーが配された部分を拡大したものである。
【００３７】
【発明の効果】
上述したように、本発明のミラーは新しい幾何学的配置によってビームのライン焦点調節とポイント焦点調節を可能にすることによって、ビームの光度増大と同時に平行ビームの生成が可能であるという効果がある。
特に、中性子を利用した分光装置では、光源（核分裂ユニット）への接近が容易ではなく、また中性子は、Ｘ線に比べて相対的に光度が低いため、本発明の平行ビーム生成装置が必需的である。
中性子は、自体の特別な性質（磁気モーメント、周期率表に依存しない不規則な散乱長さ密度（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｌｅｎｇｔｈ ｄｅｎｓｉｔｙ））のためＸ線より物質分析に長所があるにもかかわらず、低光度の為に測定時間がＸ線より長くなる欠点がある。しかし、本発明の ミラー配置により中性子光度を増加出来るため、さらに多くの利用者らを中性子分光装置に誘導できるであろう。
この方法は、現存する分光装置中、回折（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）、反射光測定（ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）、高解像度回折（ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）、単結晶（ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ）で弱散乱（ｗｅａｋｌｙ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）する蛋白質（ｐｒｏｔｅｉｎｓ）等に利用でき、先に説明した毛細管技術と共に利用すればさらに効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】光の放射原理を図示した図面代用写真である。
【図２】一般的な単純スリット形Ｘ線反射率計の構成を図示した図面代用写真である。
【図３】ブルカー社のゲーベルミラーを利用して平行ビームをつくる方法を図示した図面代用写真である。
【図４】Ｘ線オプチカルシステム社の毛細管を利用する方法を図示した図面代用写真である。
【図５】段階的ＳｉＧｅ結晶のビーム集束化と平行化方法を図示した図面代用写真である。
【図６】楕円の構造を図示した図面代用写真である。
【図７】本発明の平行ビーム生成原理を図示した図面代用写真である。
【図８】図７の２次ミラー部分を拡大図示した図面代用写真である。
【図９】ライン焦点調節原理を図示した図面代用写真である。
【図１０】ポイント焦点調節原理を図示した図面代用写真である。
【図１１】中性子ミラーの配置を図示した図面代用写真である。
【図１２】図１１の例で空間活用の為に配置を変えた場合を図示した図面代用写真である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミラー（ｍｉｒｒｏｒ）を適切に配置することによって高光度の平行ビームを生成する装置に関するものである。より詳細には、現存する光学部品の効率的な配置によって従来の装置より更に効果的にＸ線（ｘ−ｒａｙ）、中性子ビーム等の光度を増加させると同時に分散を減らす装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
可視光線、Ｘ線、中性子等は、人為的な波長選択が可能であり固体の原子配列、半導体、光学素子、生化学等の分野で構造分析に広く利用されている。図１のように光は、一つの光源から放射形に拡がっていくため光の光度（ｆｌｕｘ）は、観測者位置との距離の自乗に反比例する。このことは物質の構造分析の為の試料及び検出器位置でその光度が顕著に減少することを意味する（図２）。図２は、一般的な単純スリット（ｓｌｉｔ）型 Ｘ線反射率計（ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）を図示したものである。
【０００３】
また、ライン焦点調節（ｌｉｎｅ ｆｏｃｕｓｉｎｇ、例：反射率計、薄膜測定用）及びポイント焦点調節（ｐｏｉｎｔ ｆｏｃｕｓｉｎｇ、例：４円回折（Ｆｏｕｒ ｃｉｒｃｌｅ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）、単結晶測定用）に必要なスリットを利用すればビームの光度はさらに減少する。
【０００４】
したがって、世界の有名な研究所や装備製作会社等は、ビームの光度を高めると同時にビームの分散（ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ）を減らす研究を継続しているのが実情である。特に、中性子散乱分野では特定波長を持った中性子ビームの光度を増加させるために冷中性子源及び中性子ガイド等を利用する。
【０００５】
図３は、ドイツのブルカー社（ＢＲＵＫＥＲ）が提供するゲーベル（Ｇｏｅｂｅｌ）ミラー（Ｘ線ミラーの一種）を利用して、平行ビームをつくる方法を図示したものである。図３ａは、ゲーベルミラーの配置を、図３ｂはゲーベルミラーを利用して平行ビームをつくる原理を、図３ｃはゲーベルミラーを利用した反射率測定結果を図示したものである。この方法を使用した場合は、普通単純型Ｘ線分析装置より光度が約２０倍以上増加するため現在広く利用されている。
【０００６】
このゲーベルミラーは、双曲線形態の幾何
【数２】
【０００７】
さらに、中性子を発生させる原子炉では、双曲線中心（中性子線源）近くに中性子ミラーを接近させることは容易ではなく、また遠距離でミラーを利用してビームを反射させる場合は、ビームの分散により必要なミラーの大きさが増加するため光度の利点はほとんどないと言える。
【０００８】
また他の方法は、図４ａ及び図４ｂに図示したように毛細管（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｔｕｂｅ）を利用するものである。この方法は、広い角に分散するビームを集束させることができ、平行ビームをつくることも易しく中性子とＸ線全てに応用でき、管の直径を小さくして狭小な場所で使用することもできる。しかし、細い管を通過する中性子やＸ線が多重反射によって強度が落ち、管内に入射するビームの量が微細管の厚みに依存するため効率（ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が１０−５０％に過ぎない。狭い空間を活用するためには細い管の直径（約５−５０マイクロメータ）と自体の厚みの極小化が効率を高める重要因子であり、Ｘ線オプチカルシステム社（Ｘ−ｒａｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃ．）がこのような種類の毛細管を開発して市販しているが非常に高価である。
【０００９】
３番目の方法は、結晶格子を段階的異物質に（Ｓｉ→Ｇｅ）代置して格子の大きさを調節することによってビームを集束させるかまたは平行ビームをつくるもので、結晶成長時に完璧な制御を必要とする。このような問題を解決したという報告があったが（非特許文献１参照）技術的な難しさは相変わらず存在し、また結晶で回折されたビームは、反射したビームより光度がずっと弱いため利用には難しさがあると言える。
【００１０】
図５は、段階的（ｇｒａｄｅｄ）結晶を利用したビームの集束化と平行ビームをつくる方法を示している。図５ａ及び図５ｂは、段階的結晶を単純応用したものである。各々広角（ｗｉｄｅ−ａｎｇｌｅ）ミラーと焦点調節（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）ミラーを図示したものである。一方、図５ｃ ないし図５ｅは、非対称（ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）段階的結晶の場合で、各々細いビームコンディショナー（ｎａｒｒｏｗ ｂｅａｍ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ）、対称コリメーター（ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）、終局コリメーター（ｕｌｔｉｍａｔｅ ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）を図示したものである。（非特許文献２参照）
【００１１】
この方法を使用すれば、結晶成長を通して格子の大きさが変化するため物理的な力を加えて結晶を湾曲させる必要がなく結晶自体が一つの焦点調節ベンダー（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｂｅｎｄｅｒ）の役割をし、結晶を希望の方向にカットして入射角を調節することによって平行ビームをつくることができる。
【００１２】
【非特許文献１】
エルコ（Ａ．Ｅｒｋｏ），シャエルファーズ（Ｆ．Ｓｃｈａｅｒｆｅｒｓ），グダト（Ｗ．Ｇｕｄａｔ）， アブロジモブ（Ｎ．Ｖ．Ａｂｒｏｓｉｍｏｖ），ロッソレンコ（Ｓ．Ｎ．Ｒｏｓｓｏｌｅｎｋｏ）， アレックス（Ｖ．Ａｌｅｘ）， スクロエデル（Ｗ．Ｓｃｈｒｏｅｄｅｒ）著、ニュークリア インストルメントメソッド フィジクス リサーチ（Ｎｕｃｌ． Ｉｎｓｔｒ． Ｍｅｔｈ． Ｐｈｙｓ． Ｒｅｓ．）、１９９６年、Ａ３７４巻、Ｐ．４０８
【非特許文献２】
ペトラセン（Ｐ．Ｐｅｔｒａｓｈｅｎ），エルコ（Ａ．Ｅｒｋｏ）著， Ｘ線コリメーターとしての段階的ＳｉＧｅ結晶（Ｇｒａｄｅｄ ＳｉＧｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ ａｓ Ｘ−ｒａｙ ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒｓ）， ニュークリア インストルメント メソッド フィジクス リサーチ（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｅ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ）、２００１年、Ａ ４６７−４６８巻、Ｐ．３５８−３６１
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の問題点を解決するためにミラーの楕円形配置によって従来の装置よりさらに効果的にＸ線、中性子ビーム等の光度を増加させると同時に分散を減らして平行ビームを生成する新しい装置を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、楕円体形ミラーを利用して平行集束焦点ビームを生成する高光度の平行ビーム生成装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【発明を解決するための手段】
本発明は、前記の目的を達成する為に、１次楕円の一焦点に配置した光源、該光源から入射したビームを反射させるために前記１次楕円上に配置した凹面鏡で、前記１次楕円の境界面形をした１次ミラーと、該１次ミラーで反射したビームの経路に配置する凸面鏡で、該凸面鏡に入射するビーム入射地点の接線間の角度差が、前記１次ミラーに入射するビーム入射地点の接線間の角度差の１／２になるようにした２次楕円の境界面形をした２次ミラーとを備えることを特徴とする高光度の平行ビーム生成装置を提供する。
【００１６】
また、前記１次ミラーは、前記１次楕円の短軸上の頂点に配置するか、空間を活用するために前記１次楕円の他焦点側の長軸上頂点と短軸上頂点との間に配置することを特徴とする。
【００１７】
また、前記２次楕円の楕円パラメタ−ａ’（長軸長さの１／２）、ｂ’（短軸長さの１／２）、ｅ’（中心から焦点までの距離）は次の数式
【数３】
【００１８】
また、本発明は、平行集束焦点ビームを生成する高光度の平行ビーム生成装置において、４個の楕円形ミラーの代わりに２個の楕円体（ｅｌｌｉｐｓｏｉｄ）形ミラーを使用することを特徴とする高光度の平行ビーム生成装置を提供する。
【００１９】
以下、添付した図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。本発明の根本原理は、楕円形配置を利用することであり、最も基本的な実施例は２個の楕円形ミラーで構成されたものである。
【００２０】
図６のように、楕円では一つの焦点で発生したビームが楕円に反射した後、常にもう一つの焦点に向かうようになる。ここで、Ｆ１、Ｆ２が楕円の焦点であり、Ｆ１で発生したビームが楕円の境界面で反射してＦ２に向かうことが見られる。ａ、ｂ、ｅは楕円パラメタ−で、各々長軸長さの１／２、短軸長さの１／２、楕円中心と焦点間の距離を示す。
【００２１】
図７は、楕円形ミラーを利用して平行ビームを生成する原理を概略的に図示したものであり、本発明の平行ビーム生成装置は、光源と二個のミラーで構成される。光源は、楕円の一方の焦点７１に配置し、図示した例では、左側の焦点に配置した。１次ミラーは１次楕円７２上に配置する。この実施例では点▲１▼、点▲２▼、点▲３▼部分にわたって配置し、２次ミラーは２次楕円７３上の点▲４▼、点▲５▼、点▲６▼部分にわたって配置されている。
【００２２】
１次楕円７２の楕円パラメータａ、ｂ、ｅを各々１００ｍｍ、５０ｍｍ、８６．６ｍｍにした時、１次楕円７２の左側焦点から点▲１▼、点▲２▼、点▲３▼への入射角は、左側と右側焦点間の基準線（ｘ軸）と各々３２度、３０度、２８度になる。
【００２３】
１次ミラーは、上述したように１次楕円７２上の入射位置に配置し、１次楕円の境界面の形をした楕円形凹面鏡である。１次ミラーの点▲１▼、点▲２▼、点▲３▼で反射した後、右側焦点に向かう各々のビームは、ｘ軸と２８度、３０度、３２度をなす。これは点▲１▼と点▲３▼での接線とｘ軸と平行な点▲２▼の接線が各々２度の角度をなすためである。また、これは各々の点（点▲１▼、点▲２▼、点▲３▼）での接線と左側焦点からの入射角は常に３０度をなすことを意味する。
【００２４】
平行ビームを生成するためには、１次楕円７２の右側焦点に向かうビームの経路に他のミラー（２次ミラー）を配置しなければならない。２次ミラーは、２次楕円７３上に配置し、２次楕円７３の境界面形の凸面鏡である。１次反射では１次楕円７２の凹面部分で反射をさせたのに対して、２次反射では２次楕円７３の凸面部分で反射をさせる。図面は、２次ミラーを７４の楕円形態で他の位置に配置出来ることを示している。
【００２５】
平行ビームを生成するための２次ミラーの楕円パラメータａ’、ｂ’、ｅ’は次の数式１によって求められる。
【数４】
【００２６】
上記の式により形が決定された２次ミラーの点▲４▼と点▲６▼での接線が点▲５▼での接線となす角が各々
【数５】
【００２７】
つまり、１次楕円７２上の点▲１▼、点▲２▼、点▲３▼での接線間の角度差が２次楕円７３上の点▲４▼、点▲５▼、点▲６▼での接線間の角度差の２倍になるように楕円の形を決める。この方法によって所望の平行集束線形ビーム（ｐａｒａｌｌｅｌ ｌｉｎｅ ｂｅａｍ）幅の調整が可能であり、先に説明したゲーベルミラーの短所である空間上の制約を解決出来る。図８は、２次ミラーが配置される部分を拡大して描いたもので、点▲４▼、点▲５▼、点▲６▼での接線間の角度差が１度であることが分かる。
【００２８】
図９は、平行集束線形ビーム（ｌｉｎｅ ｂｅａｍ）を、図１０は、平行集束焦点ビーム（ｐｏｉｎｔ ｂｅａｍ）を生成する方法を図示したものである。
【００２９】
焦点ビームの場合、３、４番目の鏡を１、２番目の鏡に９０度の差をつけて配置し、二回の反射によって生成された線形ビームを集束化された線形ビームの垂直方向に集束化させ焦点ビームを形成する。したがって、楕円形ミラーを利用する場合は４個のミラーが必要である（図１０ａ）。
【００３０】
しかし、中性子やＸ線ミラーの場合、ビームの光度は反射する度に少しずつ減少するため各反射による光度の損失を減らす方法が必要である。本発明では、図１０ｂに図示したように、２個の楕円形ミラーを１個の楕円体（Ｅｌｌｉｐｓｏｉｄ）形ミラーに代置して４回の反射を２回に減らせるようにした。Ｘ線ミラー（Ｍｏ／Ｓｉ、Ｗ／Ｃ、Ｗ／Ｓｉ）及び中性子ミラー（５８Ｎｉ、Ｎｉ／Ｔｉ）は、二物質の反復的な多層薄膜構造であるため表面の粗さと境界面の不完全性のために反射率の減少をもたらし得るが、最近では薄膜コーティング技術の発展によって９０％以上の反射率達成が可能である。
【００３１】
一般的な楕円体の公式は
【数６】
【数７】
【００３２】
【数８】
図１１と図１２は、原子炉周囲で中性子ミラーまたはスーパーミラー（メゼイ（Ｆ． Ｍｅｚｅｉ）著，コミュニケーション フィジクス（Ｃｏｍｍ． Ｐｈｙｓ．）、１９７６年、第１巻、Ｐ． ８１、メゼイ ウント ダグレイス（Ｆ． Ｍｅｚｅｉ ｕｎｄ Ｐ． Ｄａｇｌｅｉｓｈ）著， コミュニケーション フィジクス（Ｃｏｍｍ． Ｐｈｙｓ．）、１９７７年、第２巻、Ｐ．４１）を利用してビームを線形ビームにするための配置図である。
【００３４】
図１１ａは、１次ミラーを楕円のｙ軸に左右対称の形態に配置した場合で、中性子源から水平孔（中性子ビームを取り出す孔）後端までの距離が３０００ｍｍ、中性子スーパーミラー（Ｎｉ／Ｔｉ， ３Ｍ， ４．７５Å基準、最大完全反射角 約３度）の大きさが３８２ｍｍの場合を図示したものである。図１１ｂは、ミラーが配置された部分を拡大したものである。
【００３５】
このような場合、１次ミラーで反射されたビームから反対側に２次ミラーを置いてビームを集束するために広い空間が必要なため、１次ミラーを右側焦点近くに配置することによって空間活用問題を解決出来る。
【００３６】
図１２ａは、空間活用の為に配置を変えた例であり、１次ミラーを楕円の右側部分に配置して１次ミラーと２次ミラー間の間隔をさらに狭くしたものである。楕円の短軸から１０００ｍｍ距離に配置されているのが１次中性子ミラー１２１で、右側上部に配置されているのが２次中性子ミラー１２２であり、左側の焦点に線源を配置する。図１２ｂは、ミラーが配された部分を拡大したものである。
【００３７】
【発明の効果】
上述したように、本発明のミラーは新しい幾何学的配置によってビームのライン焦点調節とポイント焦点調節を可能にすることによって、ビームの光度増大と同時に平行ビームの生成が可能であるという効果がある。
特に、中性子を利用した分光装置では、光源（核分裂ユニット）への接近が容易ではなく、また中性子は、Ｘ線に比べて相対的に光度が低いため、本発明の平行ビーム生成装置が必需的である。
中性子は、自体の特別な性質（磁気モーメント、周期率表に依存しない不規則な散乱長さ密度（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｌｅｎｇｔｈ ｄｅｎｓｉｔｙ））のためＸ線より物質分析に長所があるにもかかわらず、低光度の為に測定時間がＸ線より長くなる欠点がある。しかし、本発明の ミラー配置により中性子光度を増加出来るため、さらに多くの利用者らを中性子分光装置に誘導できるであろう。
この方法は、現存する分光装置中、回折（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）、反射光測定（ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）、高解像度回折（ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）、単結晶（ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ）で弱散乱（ｗｅａｋｌｙ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）する蛋白質（ｐｒｏｔｅｉｎｓ）等に利用でき、先に説明した毛細管技術と共に利用すればさらに効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】光の放射原理を図示した図面代用写真である。
【図２】一般的な単純スリット形Ｘ線反射率計の構成を図示した図面代用写真である。
【図３】ブルカー社のゲーベルミラーを利用して平行ビームをつくる方法を図示した図面代用写真である。
【図４】Ｘ線オプチカルシステム社の毛細管を利用する方法を図示した図面代用写真である。
【図５】段階的ＳｉＧｅ結晶のビーム集束化と平行化方法を図示した図面代用写真である。
【図６】楕円の構造を図示した図面代用写真である。
【図７】本発明の平行ビーム生成原理を図示した図面代用写真である。
【図８】図７の２次ミラー部分を拡大図示した図面代用写真である。
【図９】ライン焦点調節原理を図示した図面代用写真である。
【図１０】ポイント焦点調節原理を図示した図面代用写真である。
【図１１】中性子ミラーの配置を図示した図面代用写真である。
【図１２】図１１の例で空間活用の為に配置を変えた場合を図示した図面代用写真である。
Claims (5)
- ミラーの楕円形配置により高光度の平行ビームを生成する装置において、１次楕円の一焦点に配置した光源、該光源から入射したビームを反射させるために前記１次楕円上に配置した凹面鏡で、前記１次楕円の境界面形をした１次ミラーと、該１次ミラーで反射したビームの経路に配置する凸面鏡で、該凸面鏡に入射するビーム入射地点の接線間の角度差が、前記１次ミラーに入射するビーム入射地点の接線間の角度差の１／２になるようにした２次楕円の境界面形をした２次ミラーとを備えることを特徴とする、前記高光度の平行ビーム生成装置。
- 前記１次ミラーが、前記１次楕円の短軸上の頂点に配置することを特徴とする、請求項１記載の高光度の平行ビーム生成装置。
- 前記１次ミラーが、前記１次楕円の他焦点側の長軸上頂点と短軸上頂点との間に配置することを特徴とする、請求項１記載の高光度の平行ビーム生成装置。
- 前記２次楕円の楕円パラメータａ’（長軸長さの１／２）、ｂ’（短軸長さの１／２）、ｅ’（中心から焦点までの距離）が、次の数式
- 平行集束焦点ビームを生成する高光度の平行ビーム生成装置において、４個の楕円形ミラーの代わりに２個の楕円体（ｅｌｌｉｐｓｏｉｄ）形ミラーを備え、焦点ビームを生成することを特徴とする高光度の平行ビーム生成装置。
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