JP2004226271A

JP2004226271A - Ｘ線発生装置及び発生方法

Info

Publication number: JP2004226271A
Application number: JP2003015091A
Authority: JP
Inventors: Fumio Sakai; 文雄酒井
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】パルスレーザビームとパルス状の電子ビームとを衝突させ、複数の位置でＸ線発生させる。
【解決手段】外部から与えられる第１の同期信号に同期して、パルス状の電子ビームを発生する電子ビーム源と、外部から与えられる第２の同期信号に同期して、前記電子ビーム源で発生した電子ビームに衝突するように、パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射するパルスレーザビームが、前記電子ビーム源で発生する電子ビームと衝突するように、前記第１及び第２の同期信号を送出する同期手段と、前記レーザ光源から出射したパルスレーザビームと衝突した電子ビームを偏向させる第１の偏向手段と、前記電子ビームと衝突した前記パルスレーザビームの光路を、該パルスレーザビームが前記第１の偏向手段で偏向された後の前記電子ビームに衝突するように調整する第１の光路調整手段とを有するＸ線発生装置を提供する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームと電子ビームとを衝突させ、Ｘ線を発生させる、Ｘ線発生装置及び発生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームと電子ビームとを衝突させ、コンプトン効果によりＸ線を発生させる技術が知られている。（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照。）レーザビームと電子ビームとの衝突は１度だけ行われ、したがってＸ線が発生する位置は１箇所であった。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２６４８９９号公報
【特許文献２】
特開２００２−３３３５００号公報
【特許文献３】
特許２５２８６２２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザビームと電子ビームとの衝突が１度のみでは、エネルギ変換効率、及び装置の利用効率が低い。
【０００５】
本発明の目的は、パルスレーザビームとパルス状の電子ビームとを衝突させ、Ｘ線を発生させるＸ線発生装置のエネルギ変換効率を高めることである。また、本発明の他の目的は、エネルギ変換効率を高めることが可能なＸ線発生方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、外部から与えられる第１の同期信号に同期して、パルス状の電子ビームを発生する電子ビーム源と、外部から与えられる第２の同期信号に同期して、前記電子ビーム源で発生した電子ビームに衝突するように、パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射するパルスレーザビームが、前記電子ビーム源で発生する電子ビームと衝突するように、前記第１及び第２の同期信号を送出する同期手段と、前記レーザ光源から出射したパルスレーザビームと衝突した電子ビームを偏向させる第１の偏向手段と、前記電子ビームと衝突した前記パルスレーザビームの光路を、該パルスレーザビームが前記第１の偏向手段で偏向された後の前記電子ビームに衝突するように調整する第１の光路調整手段とを有するＸ線発生装置が提供される。
【０００７】
電子ビーム源から出射されたパルス状電子ビームと、レーザ光源から出射されたパルスレーザビームとが、１回目の衝突を行うと、その衝突位置においてＸ線が発生する。衝突したパルス状電子ビームは、第１の偏向手段によって進行方向を１８０°偏向される。一方、衝突したパルスレーザビームは、１８０°偏向されたパルス状電子ビームと再度衝突するように、光路長を調整される。こうして、１回目の衝突を行ったのと同じペアリングのパルスレーザビームとパルス状電子ビームとが、２回目の衝突を行う。その衝突位置において、Ｘ線が発生する。２回目の衝突位置は、１回目の衝突位置とは異なる。以上のようにして、複数の位置において、Ｘ線を発生させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例によるＸ線発生装置の概略図を示す。同期装置１が、２８５６ＭＨｚのマイクロ波を出力するマイクロ波発生源２、及びマイクロ波発生源２の出力するマイクロ波に基いて、契機信号を発生する契機信号発生器３を含んで構成される。電子ビーム源４が、契機信号発生器３から与えられる契機信号に基いて、パルス状の電子ビームを出射する。
【０００９】
電子ビーム源４として、たとえばフォトカソード付き高周波光電子銃（ＲＦガン）を用いることができる。この場合、契機信号発生器３として、パルスレーザ発振器が用いられる。契機信号発生器３は、マイクロ波発生源２から出力される周波数２８５６ＭＨｚのマイクロ波に同期して、高周波光電子銃（ＲＦガン）のフォトカソードに短パルスレーザビームを入射させる。
【００１０】
電子ビーム源４から出射されたパルス状の電子ビームは、たとえば同一方向に進行する複数の電子が集群された電子群である。電子ビームは、直線加速器５に入射する。
【００１１】
直線加速器５には、マイクロ波発生源２から出力される周波数２８５６ＭＨｚのマイクロ波が、導波管を経由して導入されている。直線加速器５は、マイクロ波が導入されることによって発生する高周波電界により、入射した電子ビームをほぼ光速まで加速し、出射する。このとき電子ビームのエネルギは、たとえば約１４ＭｅＶである。出射された電子ビームは、収束用電磁石６ａによって収束される。収束位置をＫとする。
【００１２】
レーザ光源９は、マイクロ波発生源２から出力される周波数２８５６ＭＨｚのマイクロ波に同期し、電子ビーム源４から出射されたパルス状の電子ビームと衝突するように、パルスレーザビームを出射する。レーザ光源９は、たとえばＴｉ：サファイアレーザ発振器であり、パルス幅はたとえば１００ｆｓ、パルスエネルギは１００ｍＪである。
【００１３】
電子ビーム源４から出射するパルス状の電子ビーム、レーザ光源９から出射するパルスレーザビーム、直線加速器５に印加されるマイクロ波が、すべてマイクロ波発生源２から出力する周波数２８５６ＭＨｚのマイクロ波に同期しているため、高確率で電子ビームとパルスレーザビームとを衝突させることができる。
【００１４】
なお、レーザ光源９のレーザ媒体として、Ｙｂ：Ｓ−ＦＡＰを用いることもできる。この場合、たとえば出射されるパルスレーザビームの波長は約１μｍ、パルス幅は約１ｐｓ、パルスエネルギは１Ｊである。
【００１５】
レーザ光源９から出射したパルスレーザビームは、集光レンズ１０ａにより集光される。パルスレーザビームの集光位置は、電子ビームが収束用電磁石６ａによって収束される位置Ｋと同一である。したがって、パルス状の電子ビームとパルスレーザビームは、互いにビーム径が最小となった位置Ｋで、衝突する。逆コンプトン散乱過程により、衝突位置ＫにおいてＸ線が発生する。発生したＸ線は、電子ビームの進行方向に伝搬する。
【００１６】
衝突後、レーザビームと衝突した電子ビームは、そのエネルギをわずかに低下させ、ほぼそのまま直進する。低下するエネルギは、たとえば１４ＭｅＶのうち、４ｋｅＶほどである。電子ビームは、偏向電磁石７ｂによって、進行方向を１８０°偏向され、収束用電磁石６ｂによって、収束位置Ｌに収束される。なお、収束用電磁石６ｂによる電子ビームの偏向方向は、図１に示すＸ線発生装置の場合、紙面内において時計回りである。
【００１７】
一方、電子ビームと衝突したレーザビームも、そのエネルギをわずかに低下させ、ほぼそのまま直進する。パルスエネルギ１００ｍＪのパルスレーザビーム（１パルス）中には、約１０^１８個のフォトンが含まれている。このうち電子ビームと衝突してＸ線に変換されるフォトンは、約１０^８個である。
【００１８】
衝突位置Ｋにおいて、電子ビームと衝突した後、パルスレーザビームは、光路調整機構１１ｂを経て、集光レンズ１０ｂに入射し、電子ビームが収束用電磁石６ｂによって収束される位置Ｌと同じ位置に集光される。光路調整機構１１ｂは、後に詳述するが、位置Ｌにおいて、パルスレーザビームと電子ビームとが衝突するように、パルスレーザビームの光路を調整する。電子ビームの飛翔速度がほぼ光速に近いため、位置Ｋから位置Ｌに至る電子ビームの軌道長と、位置Ｋから位置Ｌに至るレーザビームの光路長とをほぼ等しくする。このとき衝突するのは、先に、位置Ｋで衝突した、パルス状電子ビームとパルスレーザビームである。すなわち先と同じペアリングのパルス状電子ビームとパルスレーザビームとが、再度衝突することになる。衝突位置Ｌにおいて、電子ビームの進行方向にＸ線が発生する。
【００１９】
この２度目の衝突の後、衝突したパルス状の電子ビームは、偏向電磁石７ｃによって、進行方向を１８０°偏向される。この際の偏向方向は、偏向電磁石７ｂによる偏向方向と反対向きである。すなわち、図１を示す紙面内において、反時計回りである。偏向された電子ビームは、収束用電磁石６ｃによって、位置Ｍに収束される。
【００２０】
以下、２回目の衝突と同様の手順で、３回目の衝突が行われる。
【００２１】
位置Ｌで、電子ビームと衝突したパルスレーザビームは、光路調整機構１１ｃを経て、集光レンズ１０ｃにより、位置Ｍに集光される。光路調整機構１１ｃは、位置Ｌにおいて衝突したパルス状電子ビームとパルスレーザビームとのペアリングが、位置Ｍにおいて衝突するように、パルスレーザビームの光路を調整する。こうして、位置Ｋ及びＬにおいて衝突した、パルス状電子ビームとパルスレーザビームとが、位置Ｍにおいて３度目の衝突を行い、衝突位置Ｍにおいて、電子ビームの進行方向にＸ線を発生させる。
【００２２】
位置Ｍに衝突したパルス状電子ビームとパルスレーザビームのペアリングは、位置Ｎにおいて、４度目の衝突を行い、電子ビームの進行方向にＸ線を発生させる。この際、偏向電磁石７ｄ、収束用電磁石６ｄ、光路調整機構１１ｄ、集光レンズ１０ｄは、それぞれ、偏向電磁石７ｂ、収束用電磁石６ｂ、光路調整機構１１ｂ、集光レンズ１０ｂと同じ役割を果たす。
【００２３】
衝突位置Ｎにおいて衝突した電子ビームは、偏向電磁石７ｅによって偏向させられ、ダンパ８に入射してエネルギを失う。また、衝突位置Ｎにおいて衝突したパルスレーザビームは、ダンパ１２に入射して、エネルギを失う。よって、図１に示したＸ線発生装置の場合、Ｘ線の発生ポイントは、位置Ｋ〜Ｎの４箇所となる。
【００２４】
電子ビーム源４から、一定の時間間隔で、複数のパルス状の電子ビームが出射され、その各々と位置Ｋにおいて衝突するように、レーザ光源９から、複数ショットのパルスレーザビームが出射されると、Ｋ〜Ｎの各衝突位置においては、一定の時間間隔で、Ｘ線が発生する。パルス状の電子ビームとパルスレーザビームとの衝突角度を変えることにより、発生するＸ線の波長を変えることができる。
【００２５】
図２に、光路調整機構１１ｂの概略図を示す。光路調整機構１１ｂは、たとえば２０ａ〜２０ｄの４枚の反射ミラーを含んで構成される。
【００２６】
位置Ｋで電子ビームと衝突したパルスレーザビームが、反射ミラー２０ａで反射され、進行方向を９０°変化させられる。反射ミラー２０ａで反射されたパルスレーザビームが、２番目の反射ミラー２０ｂで反射される。２番目の反射ミラー２０ｂで反射されたパルスレーザビームは、１番目の反射ミラー２０ａに入射するパルスレーザビームの進行方向に平行で、かつ反対向きに進行する。
【００２７】
２番目の反射ミラー２０ｂで反射したパルスレーザビームが、３番目の反射ミラー２０ｃ及び４番目の反射ミラー２０ｄで順番に反射する。４番目の反射ミラー２０ｄで反射されたパルスレーザビームは、１番目の反射ミラー２０ａに入射するパルスレーザビームの進行方向に平行で、かつ同じ向きに進行する。
【００２８】
１番目の反射ミラー２０ａと２番目の反射ミラー２０ｂとが、移動部２１に固定されている。移動部２１を、１番目の反射ミラー２０ａに入射するパルスレーザビームの進行方向と平行な方向に移動させることにより、光路調整機構１１ｂ内を伝搬するパルスレーザビームの光路長を変化させることができる。移動部２１が衝突位置Ｋに向かって移動すると、衝突位置Ｋから次の衝突位置Ｌまでの光路長が短くなる。位置Ｋで衝突したパルス状電子ビームとパルスレーザビームの同じペアリングを、位置Ｌで再び衝突させるために、光路調整機構１１ｂは、パルス状電子ビームが位置Ｋから位置Ｌに至るまでに要する時間と、パルスレーザビームが位置Ｋから位置Ｌに至るまでに要する時間とを等しくするように、移動部２１を変位させる。パルス状電子ビームとパルスレーザビームとが、ともに光速と考えられる場合は、位置Ｋから位置Ｌに至る電子ビームの軌道長と、位置Ｋから位置Ｌに至るレーザビームの光路長を等しくするように、移動部２１を変位させる。
【００２９】
レーザビームと電子ビームとを同期させ衝突させる方法として、たとえば、光共振器内にレーザビームを入射させて定在波を形成し、定在波の腹の部分に電子ビームを導入してＸ線を発生させる方法が知られている。定在波を形成するためには、光共振器の共振器長を波長レベルで調整する。波長レベルの調整は困難である。
【００３０】
これに対し、光路調整機構１１ｂは、レーザビームの光路を調節し、レーザビームを遅延させることによって、電子ビームとの同期を図るものであり、波長レベルの調整が不要である。
【００３１】
実施例によるＸ線発生装置においては、Ｘ線発生点は４箇所であったが、より多くの位置でＸ線を発生させることができる。
【００３２】
また、実施例においては、偏向電磁石７ｂ及び７ｃにより、電子ビームを反対向きに偏向した。これに伴い、電子ビームは図１に示す紙面内（平面内）で運動を行い、Ｘ線も紙面内（平面内）方向に向かって発生された。偏向電磁石による電子ビームの偏向は、電子ビームに周回軌道をもたせないような偏向であればよい。電子ビームが周回軌道を有しないようにすることで、同一点にＸ線を異なった角度で照射することが可能となる。なお、Ｘ線の発生方向も、平面内方向に限らず、任意である。
【００３３】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パルス状の電子ビームとパルスレーザビームとを衝突させ、複数の位置において、Ｘ線を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるＸ線発生装置の概略図である。
【図２】実施例によるＸ線発生装置に用いられる、光路調整機構の概略図である。
【符号の説明】
Ｋ〜Ｎ位置
１同期装置
２マイクロ波発生源
３契機信号発生器
４電子ビーム源
５直線加速器
６ａ〜ｄ収束用電磁石
７ｂ〜ｅ偏向電磁石
８ダンパ
９レーザ光源
１０ａ〜ｄ集光レンズ
１１ｂ〜ｄ光路調整機構
１２ダンパ
２０ａ〜ｄ反射ミラー
２１移動部

Claims

外部から与えられる第１の同期信号に同期して、パルス状の電子ビームを発生する電子ビーム源と、
外部から与えられる第２の同期信号に同期して、前記電子ビーム源で発生した電子ビームに衝突するように、パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射するパルスレーザビームが、前記電子ビーム源で発生する電子ビームと衝突するように、前記第１及び第２の同期信号を送出する同期手段と、
前記レーザ光源から出射したパルスレーザビームと衝突した電子ビームを偏向させる第１の偏向手段と、
前記電子ビームと衝突した前記パルスレーザビームの光路を、該パルスレーザビームが前記第１の偏向手段で偏向された後の前記電子ビームに衝突するように調整する第１の光路調整手段と
を有するＸ線発生装置。
前記第１の偏向手段は、前記電子ビームの進行方向を１８０°偏向させる請求項１に記載のＸ線発生装置。
更に、前記第１の光路調整手段で光路を調整された前記パルスレーザビームと衝突した前記電子ビームの進行方向を、前記第１の偏向手段による偏向方向とは反対向きに、１８０°偏向させる第２の偏向手段と、
前記第１の偏向手段で偏向された前記電子ビームと衝突した前記パルスレーザビームの光路を、該パルスレーザビームが前記第２の偏向手段で偏向された後の前記電子ビームに衝突するように調整する第２の光路調整手段と
を有する請求項２に記載のＸ線発生装置。
パルスレーザビームを出射する工程と、
パルス状の電子ビームを発生させて相対論的速度に加速し、前記レーザビームの光路と交差する経路に導入して、前記パルスレーザビームと前記電子ビームとを第１の位置で衝突させ、第１のＸ線を発生させる工程と、
前記第１の位置で衝突した前記パルスレーザビームと前記電子ビームとを、第２の位置で再び衝突させて、第２のＸ線を発生させる工程と
を有するＸ線発生方法。
前記第１の位置と、前記第２の位置とが異なる位置である請求項４に記載のＸ線発生方法。
前記第２のＸ線を発生させる工程は、前記第１の位置で衝突した前記電子ビームの進行方向を、１８０°偏向させる工程を含み、更に、前記第１の位置で衝突した前記パルスレーザビームと、１８０°偏向された該電子ビームとを前記第２の位置で再び衝突させ、
更に、前記第２の位置で衝突した該電子ビームの進行方向を、前記偏向させる工程における偏向方向とは反対向きに１８０°偏向させる工程と、
前記電子ビームと、前記第２の位置で衝突した前記パルスレーザビームとを、第３の位置で衝突させて第３のＸ線を発生させる工程と
を有する請求項４または５に記載のＸ線発生方法。