JP2005285764A - Ｘ線を発生するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 逆コンプトン散乱のプロセスを介してＸ線を発生するシステムを提供する。
【解決手段】 本システム（１０）は、レーザ空洞（２０）内で第１の方向（２４）に高エネルギの光パルス（１６）を方向付けるように構成されている高繰返し速度のレーザ（１２）と、レーザ空洞（２０）内で第１の方向とは反対の第２の方向（２６）に電子ビーム（１８）を方向付けるように構成されているパルス状電子ビーム（１８）の源（１４）とを含んでいる。電子ビーム（１８）はレーザ空洞（２０）内で光パルス（１６）中の光子と相互作用して、第２の方向（２６）にＸ線（２２）を生成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は一般的に云えばＸ線源に関するものであり、具体的には逆コンプトン散乱に基づいてＸ線を発生する手法に関するものである。

Ｘ線発生のために、従来のＸ線源は一般に制動放射又はシンクロトロン放射のいずれかに依存している。前者の場合、高エネルギの電子が通常のＸ線管におけるように重い材料によって減速されるときに放射が生じる。シンクロトロン放射が要望される場合、非常に高いエネルギの電子ビームが蓄積リング・シンクロトロン源内の磁気アンジュレータ(undulator) 又はダイポールを通過することによって放射が生じる。通常のＸ線管で発生されるＸ線では、それらの使用を制約する欠点がある。例えば、制動放射では一般的にパワーが比較的低く、制動放射は長いパルス又は連続波を構成する。更に、このような放射は典型的には偏波が固定であって、波長選択可能でない非コヒーレント放射を含んでいる。シンクロトンで発生されるＸ線でもまたいくつかの制約がある。例えば、シンクロトン線源によって発生されるＸ線は一般的に広帯域で、非コヒーレントで、低エネルギで、偏波が一定であり、且つ波長選択可能でない。更に、このような線源は高エネルギの電子ビームを必要とし、このために大形の高価な設備を必要とする。

逆コンプトン散乱（ＩＣＳ）は、線形加速器と大形の高出力レーザを使用することによって、Ｘ線を発生するために用いるのに成功した別の手法である。実際に、ＩＣＳに基づいたＸ線源では、それらのコヒーレンス及びスペクトル特性により、従来のＸ線管技術に対して、照射線量をより低くし、コントラストをより高くし、且つ分解能をより向上させると云う有意な利点が得られる。しかしながら、現在のＩＣＳに基づいたＸ線源は非常に大きく且つ複雑である。例えば、このプロセスで使用される典型的なレーザはＴ３（テーブル・トップ・テラワット）レーザとして知られており、非常に高いエネルギの短いパルスを発生する。これらのレーザは非常に複雑であって、動作させるのに膨大な数の光学素子を必要とする。
米国特許第６３３２０１７号

従って、必要とされるレーザの出力がより低く且つ光学素子の数がより少なくて済むコンパクトで且つ効率のよいＩＣＳシステムを提供することが望ましい。

要約して云えば、本発明の一面では、Ｘ線を発生するシステムを提供する。本システムは、レーザ空洞内で第１の方向に高エネルギの光パルスを方向付けるように構成されている高繰返し速度のレーザと、レーザ空洞内で第１の方向とは反対の第２の方向に電子ビームを方向付けるように構成されている電子ビーム源とを含んでいる。電子ビームはレーザ空洞内で光パルス中の光子と相互作用して、第２の方向にＸ線を生成する。

本発明の別の一面では、Ｘ線を発生する手法を提供する。本手法は、高繰返し速度のレーザによりレーザ空洞内で高エネルギの光パルスを発生する段階と、電子ビームを発生する段階と、光パルスを第１の方向に方向付ける段階と、レーザ空洞内で第１の方向とは反対の第２の方向に電子ビームを方向付ける段階とを含んでいる。電子ビームはレーザ空洞内で光パルス中の光子と相互作用して、第２の方向にＸ線を生成する。

本発明のこれらの及び他の特徴、側面及び利点は、添付の図面を参照した以下の詳細な説明を読むことによりより良く理解されよう。図面においては、同じ参照数字は同様な部品を表している。

先ず図１について説明すると、ＩＣＳに基づいたシステム１０はレーザ１２と電子ビーム源１４を含んでいる。レーザ１２は光パルス１６を発生し、電子ビーム源１４はパルス状電子ビーム１８を発生して相対論的速度まで加速する。以下により詳しく説明するように、レーザ１２の光パルス１６をパルス状電子ビーム１８の方向とは反対の方向に方向付けして、両者がレーザ・システム１２のレーザ空洞内で衝突して、ＩＣＳによってＸ線を発生するようにする。

具体的に述べると、例示の実施形態では、レーザ１２はレーザ空洞２０を含み、このレーザ空洞２０内では、以下に説明するように、Ｘ線放射が発生される。光パルス１６が空洞２０内に導入されて、パルス状電子ビームの源１４からの電子ビーム１８と衝突する。そのとき、ＩＣＳによってＸ線（参照数字２２によって一般的に表す）が発生されて、レーザ空洞２０の外へ方向付けされる。図１に例示した実施形態では、光パルス１６はレーザ空洞２０を図１に矢印２４で表された第１の方向に進行し、他方、電子ビーム１８は光パルス１６の経路と交差するようにレーザ空洞の一部分を第２の方向２６に進行して、空洞２０内の相互作用区域２８の中で光パルス１６と衝突する。一実施形態では、１つ又は複数の偏向磁石３０を用いることにより、以下により詳しく説明するように、相互作用区域２８内に電子ビーム１８を方向付けすることができる。当業者には理解されるように、電子ビーム１８をそれ以外の方法で光パルス１６の経路の中へ方向付けすることができる場合には、磁石３０はシステムから除くことができる。電子ビーム１８及び光パルス１６は、現在考えられる構成では、互いに真正面から又はほぼ真正面から（すなわち、非常に浅い角度で）衝突する。

例示した実施形態では、レーザ１２は、一組のミラー３２を含む高技巧の光学リング空洞２０内に収容された構成部品を含んでいる。レーザ空洞２０は部分的に又は完全に真空にしてよい。アイソレータ３４が、光パルス１６を所望の第１の方向２４に強制的に循環させるように作用する。能動モード同期装置３６が超高速のモード同期した光パルス１６の列を供給する。現在考えられる実施形態では、モード同期装置３６は、例えば、音響光学セル又は電気光学セル及びブルースター(Brewster)プレートであってよい。

例示の実施形態では、レーザ・システム１２は更にポンプ・レーザ３８を含んでいる。ポンプ・レーザ３８は高エネルギのパルス状又は連続波レーザ・ビーム４０を生成し、このレーザ・ビーム４０はレーザ棒４２上に集束されて、レーザ棒４２によって吸収され、次いでレーザ棒４２は高エネルギの光パルス１６を発生する。現在考えられる実施形態では、レーザ棒４２はＹｂ：ＹＡＧ又はＮｄ：ＹＡＧのような固体利得媒体で構成される。高エネルギの光パルス１６はレーザ空洞２０の内部を所定の方向２４に進行する。アイソレータ３４はゲートとして作用して、所定の方向２４に動いている光パルス１６のみを通過させて、その他の全ての光パルスを阻止する。所定の方向２４は時計回り方向又は反時計回り方向のいずれでもよい。

ミラー３２はレーザ棒４２中にくびれを形成するように選択され且つ配列されている。このくびれに光パルス１６が収束されて増強され、もってレーザ棒４２の利得媒体において高利得を達成する。その後、第２のくびれがレーザ空洞２０内の相互作用区域２８に形成され、そこで電子と光子の相互作用が行われる。例えば、一実施形態では、矩形構成にした４つの湾曲したミラー３２を使用してレーザ空洞２０を形成し、これによって光パルス１６を閉ループ内に局限する。代替実施形態では、ミラーは三角形又は他の構成に配列して、レーザ空洞２０を形成することができる。ミラー３２は、上述の位置で光パルス１６を収束して増強するために軸外放物面凹面ミラーとすることができる。当業者には、ミラーの１つが部分的にのみ反射性であって、そのミラーからレーザ出力が放出される従来のレーザ・システムと異なり、本実施形態では全てのミラーが高反射性であり、このためレーシング(lasing)波長の出力が何ら発生されないことが理解されよう。

以下に述べるように、適度な高エネルギを持つ高繰返し速度のモード同期した光パルス１６を発生するために、音響光学セル又は電気光学セル及びブルースター・プレートのような能動モード同期装置３６が使用される。高繰返し速度のモード同期型レーザの設計を用いて、単一の大きい相互作用の代わりに、多数の、高繰返し速度で且つより低いエネルギの相互作用（すなわち、１パルス当りのＸ線光子の数は少ないが、相互作用するパルスがより高速である）により、充分なＸ線束（光子数／秒）を発生する。

前に述べたように、電子ビーム源１４は、レーザ空洞２０内に導入されて光パルス１６と相互作用する電子ビーム１８を発生する。現在考えられる実施形態では、パルス状電子ビーム源１４は、無線周波（ｒｆ）線形加速器（ＬＩＮＩＡＣ）、又はＸ帯域ＬＩＮＩＡＣ、又は電子ビームを１０〜２５０ＭｅＶのエネルギまで加速するレーザ加速器であってよい。次いで、電子ビーム源１４からの電子ビーム１８は、光パルス１６の伝播の方向２４とは反対の方向２６にレーザ空洞２０の中へ導いて、電子ビーム１８が光パルス１６の経路と非常に浅い角度で交差するようにする。

電子ビーム１８はレーザ空洞２０内で光パルス１６と衝突して、ＩＣＳのプロセスによりＸ線２２を生成する。ＩＣＳのプロセスについて、以下に図２を参照してより詳しく説明する。光パルス１６と相互作用した後、電子ビーム１８はレーザ空洞２０の外へ方向付けられる。一実施形態では、電子ビーム１８をレーザ空洞２０の中へ及びレーザ空洞２０外へ方向付けるために、１つ又は複数の偏向磁石３０を使用してよい。参照数字４４で示した、外へ向かう電子ビームは、源１４に再循環させるか、或いは黒鉛ブロックや他の分散又は吸収媒体で処分することができる。現在考えられる実施形態では、Ｘ線２２は、ベリリウム又は他のＸ線に透明な材料で作ることのできるＸ線透過性窓を介してレーザ空洞２０から出て行って、１つ又は複数のブラッグ(Bragg) 反射器４６を介して所定の方向に方向付けられる。このようにして、Ｘ線は、以下に説明するように、それらが様々な目的で用いられる場所へ方向付けることができる。

図２は、前に述べたようなレーザ空洞２０内でのＩＣＳプロセスによるＸ線２２の発生を例示している。このプロセスは、全体を参照数字５０で示してある。高エネルギの光パルス１６中の光子が、電子ビーム１８中の到来する相対論的電子と真正面から又はほぼ真正面から衝突する。それらの電子は光パルス１６中の光子よりも大きい運動エネルギを持っている。衝突の結果、エネルギが電子から光子へ伝達されて、光子をスペクトルのＸ線領域へ逓昇変換する。具体的に述べると、散乱光子がエネルギを得て、入射した光子よりも波長が短くなる。出て行く電子ビーム４４は入射電子ビーム１８よりも運動エネルギが低い。上述したようにＩＣＳプロセスにより放出されたＸ線２２は、パルス状であり、波長選択可能であり、またほぼ単色性である。

代替実施形態では、無線周波ＬＩＮＩＡＣ又はＸ帯域ＬＩＮＩＡＣのような電子ビーム源１４は、図３に示されているように、電子蓄積リング５４を駆動するためのより小形の電子ビーム源に置き換えることができる。この実施形態では、電子ビーム源１４からのパルス状電子ビーム１８が電子蓄積リング５４に供給される。電子蓄積リング５４によって定められた経路の一部分はレーザ空洞２０とオーバーラップするように導かれて、電子蓄積リング５４内を循環するパルス状電子ビーム５６が光パルス１６と相互作用して、上述のＩＣＳプロセスによりＸ線２２を生成するようになっている。相互作用区域２８では、パルス状電子ビーム５６は、前に述べた実施形態の場合と同様に、光パルス１６とほぼ同一線上にあって、反対向きである。

電子蓄積リング５４は、循環する電子ビーム５６にエネルギを再供給するために増幅器５８を含んでいてよい。更に、電子蓄積リング５４の内部での電子ビーム５６の往復循環時間は、電子ビーム５６と高エネルギの光パルス１６との間での相互作用を最大にするためにレーザ空洞２０の内部での光パルス１６の往復時間と同期させることができる。この構成は、新しい電子パルスを導入するよりもエネルギ効率が良いことがあり、また大形の電子ビーム源への依存を低減する。光パルス１６と電子ビーム５６との間の同期は、例えば、電子ビーム源１４の主発振器信号の低調波でモード同期型発振器３６を駆動することによって達成することができる。

別の代替実施形態では、図４に示すように再生増幅器をレーザ１２として用いることができる。この実施形態では、光パルスを伸張し、増幅し、そして再び圧縮することにより、高エネルギの光パルス１６を発生する。ポンプ・レーザ３８がレーザ棒４２に高エネルギのパルス状又は連続波レーザ・ビーム４０を供給し、このレーザ・ビームから前に述べたのと同様な態様で高エネルギの光パルス１６を発生する。レーザ棒４２は、このレーザ棒４２の内部での損失を最小にし且つ利得を最大にするようにブルースター角で切断されている。ブルースター角では、入射角に平行に偏光された光パルス１６が、何ら反射損失を生じること無く、完全に透過する。この技術はまた、発生されたピーク・パワーがレーザ棒４２を損傷するのを防止する。

ミラー３２が、これらの高エネルギの光パルス１６をレーザ空洞２０内に閉じ込めるために使用される。第１の偏光状態の光パルス１６を通過させることのできるポッケルス・セルのような光学装置６０を使用することによって、光パルス１６をゲート操作する。入力のシード(seed)光パルス６２が、レーザ空洞２０内での高エネルギの光パルス１６の形成を開始させるために使用される。偏光ビーム分割器６４が入力のシード光パルス６２をレーザ空洞２０の中へ送り込む。次いで、シード光パルス６２の偏光が、光学装置６０によって、空洞内の光パルス１６の偏光と整合するように変更され、これによりシード光パルス６２がレーザ空洞２０内に閉じ込められる。回折格子のような格子６６を使用して、光パルス１６はさらに伸張、増幅及び再圧縮され、これによって光パルス１６のエネルギが多数倍に増大する。回折格子は、一連の密な間隔で配置された線又は溝（典型的には、１インチ当り数千／１ｍｍ当り数百）を持つ板又は膜で構成されており、また透過型又は反射型であってよい。反射型の場合は、アルミニウム又は金のような反射性材料の薄膜が被覆される。特定の一実施形態では、光パルス１６は全反射性二格子パルス伸張器によって伸張された後に増幅され、次いで二格子圧縮器で再圧縮される。伸張器及び圧縮器は完全に反射性光学装置で構成して、より高次の位相分を最小にし、もって光パルス１６の忠実性を維持する。次いで、これらの高エネルギの光パルス１６は相互作用区域２８へ差し向けられて、そこで電子ビーム１８と相互作用して、ＩＣＳプロセス５０によりＸ線２２を生成する。電子ビーム源１４からの入来する電子ビーム１８がレーザ空洞２０の中へ導かれ、電子ビーム１８は高エネルギの光パルス１６とほぼ同一線上にあって、逆向きである。光パルス１６はレーザ空洞２０内を循環し、往復する度毎にそのエネルギの一部を放出してＸ線２２を発生する。光パルスから放出されたエネルギは、レーザ棒４２を通るときに再生される。要約すると、一旦システム１０が入力のシード光パルス６２により励起されると、レーザ棒４２によって補給できるエネルギ以上のエネルギがＩＣＳプロセスによって抽出されない限り、システムは動作する。

これまで述べた実施形態では、レーザ１２はレーシング波長とは異なる波長の出力を持つ。これは、レーザ内に空洞内逓倍器を組み込むことに類似しており、その場合、レーザはレーシング波長の出力を持っていず、その代わりに空洞内部の非線形光学素子における非線形周波数変換プロセスによって発生される異なる波長の出力を持つ。更に、これまで述べた実施形態では、電子ビーム１８が非線形光学素子として作用し、レーザ１２の出力はＸ線スペクトル内に在る。

システム１０及びＸ線発生の際のその機能は、共振空洞及びレーザ源を単一のレーザ・システム１２の中に組み入れると共に、Ｘ線２２の放出をレーザ・システム１２の出力結合として使用することによって、従来のシステムの複雑さを低減する。更に、レーザ空洞２０内部の光パルス１６は、レーザ源の出力に生成された大きさよりも複数桁大きい。

これまで述べた様々な実施形態で説明したようにＩＣＳのプロセスにより発生されるＸ線は、従来の制動放射プロセスの広いエネルギ分布と異なって、ほぼ単色スペクトルの性質を持ち、且つ準コヒーレント特性を持つ。これらの特徴は、医用イメージング分野に対しての照射線量の少量化、コントラストの改善、分解能の改善及び新規なタイプの診断用イメージングの提供を含めて、多数の用途に有意な利点を提供する。例えば、これらのＸ線は、癌を含む胸部の病気の診断のために適用することができる。癌性胸部組織は、単色Ｘ線で検査したとき、正常な組織よりも高い線形減衰を示す。この属性はコントラストのより良好な画像を提供するために用いることができる。イメージングにおけるこれらの改善は、胸部に限定されるものではなく、任意の解剖学的構造、及び冠動脈造影法のような様々な検査手法に適用することができる。

可能性のある他の利用領域は、細胞生物学、及び結晶学やＸ線リソグラフィのような物性物理学である。これらのＸ線の単色性及び狭い発散角度により、ブラッグ反射器がビームを円蓋から該円蓋の上方のイメージング室へ方向転換できるばかりでなく、円錐ビーム逆投影アルゴリズムを使用してＣＴ画像を生成するためのように、円を成すようにビームを再方向付けすることができる。Ｘ線が数ピコ秒（ｐｓ）のバーストを持つパルスに構成されていることにより、それらを飛行時間型イメージングのために使用することができ、その場合、投射の開始から１８０ｐｓまでの弾道光子のみをイメージングし且つ数ナノ秒にわたって出て行く散乱を無視することによって、データが収集される。従って、本発明の手法の結果、誘目性がかなり改善される。その上、Ｘ線ビームの実効スポット寸法が小さいことにより、従来のイメージングにおいて通常捨てられていた情報を用いて位相コントラスト・イメージングを実行することが可能になると信じられる。更に、ビームの波長選択性(tunability)により散乱が低減されており、また帯域幅が制限され、或いはイメージング対象の部位に送られるエネルギ範囲が狭くなっている。

以上、本発明の特定の特徴のみを例示し説明したが、当業者には多数の修正及び変更を為し得よう。従って、特許請求の範囲が本発明の真の精神の範囲内にあるこの様な全ての修正及び変更をカバーするものとして記載してあることを理解されたい。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本発明の手法の模範的な実施形態に従った、ＩＣＳを用いてＸ線を発生するシステムの略図である。 Ｘ線発生手法で用いられるＩＣＳプロセスの略図である。 電子蓄積リングを使用するＩＣＳに基づいたＸ線システムの模範的な実施形態の略図である。 レーザとして再生増幅器を使用するＩＣＳに基づいたＸ線システムの別の模範的な実施形態の略図である。

符号の説明

１０ ＩＣＳに基づいたシステム
１２ レーザ
１６ 光パルス
１８ パルス状電子ビーム
２０ レーザ空洞
２２ Ｘ線
２４ 第１の方向
２６ 第２の方向
２８ 相互作用区域
３０ 偏向磁石
３２ ミラー
３４ アイソレータ
３６ 能動モード同期装置
４０ レーザ・ビーム
４２ レーザ棒
４４ 出て行く電子ビーム
５０ Ｘ線発生プロセス
５４ 電子蓄積リング
５６ 電子ビーム
５８ 増幅器
６２ 入力のシード光パルス
６４ 偏光ビーム分割器
６６ 格子

Claims (10)

1. Ｘ線（２２）を発生するためのシステム（１０）であって、
   レーザ空洞（２０）内で第１の方向（２４）に高エネルギの光パルス（１６）を方向付けるように構成されている高繰返し速度のレーザ（１２）と、
   前記レーザ空洞（２０）内で前記第１の方向（２４）とは反対の第２の方向（２６）に電子ビーム（１８）を方向付けるように構成されているパルス状電子ビーム（１８）の源（１４）とを含んでおり、
   前記電子ビーム（１８）が前記レーザ空洞（２０）内で前記光パルス（１６）中の光子と衝突して、前記第２の方向（２６）にＸ線（２２）を生成すること、
   を特徴とするシステム（１０）。
2. 更に、前記第１の方向（２４）に前記光パルス（１６）を方向付けるために前記レーザ空洞（２０）内に配置されたアイソレータ（３４）を含んでいる請求項１記載のシステム（１０）。
3. 前記高エネルギの光パルス（１６）は高繰返し速度のモード同期した光パルスを含んでいる、請求項１記載のシステム（１０）。
4. 更に、前記高繰返し速度のモード同期した光パルスを発生するために前記レーザ空洞（２０）内に配置された音響光学セルを含んでいる請求項３記載のシステム（１０）。
5. 更に、前記高繰返し速度のモード同期した光パルスを発生するために前記レーザ空洞（２０）内に配置された電気光学セル及びブルースター・プレートを含んでいる請求項３記載のシステム（１０）。
6. 更に、前記光パルス（１６）を発生するために前記レーザ空洞（２０）内に配置された固体レーザ棒（４２）を含んでいる請求項１記載のシステム（１０）。
7. Ｘ線（２２）を発生するためのシステム（５２）であって、
   レーザ空洞（２０）内で第１の方向（２４）に高エネルギの光パルス（１６）を方向付けるように構成されているモード同期型レーザ（１２）と、
   前記レーザ空洞（２０）にオーバーラップする電子蓄積リング（５４）内に電子ビーム（１８）を供給するように構成されているパルス状電子ビーム（１８）の源（１４）とを含んでおり、
   前記電子蓄積リング（５４）は前記レーザ空洞（２０）内で前記第１の方向（２４）とは反対の第２の方向（２６）に電子ビーム（５６）を循環させるように構成されており、前記電子ビーム（５６）が前記レーザ空洞（２０）内で前記光パルス（１６）中の光子と衝突して、前記第２の方向（２６）にＸ線（２２）を生成すること、
   を特徴とするシステム（５２）。
8. 前記電子蓄積リング（５４）は電子ビーム（５６）を蓄積し且つ循環させるように構成されている、請求項７記載のシステム（５２）。
9. 前記電子蓄積リング（５４）内の電子ビーム（５６）の往復循環時間が、実質的に前記レーザ空洞（２０）内での前記光学パルス（１６）の往復時間に相当する、請求項７記載のシステム（５２）。
10. Ｘ線（２２）を発生する方法であって、
    高繰返し速度のレーザ（１２）によりレーザ空洞（２０）内で高エネルギの光パルス（１６）を発生する段階であって、前記光パルス（１６）が第１の方向（２４）に方向付けられる段階と、
    電子ビーム（１８）を発生する段階と、
    前記レーザ空洞（２０）内へ前記第１の方向（２４）とは反対の第２の方向（２６）に前記電子ビーム（１８）を方向付ける段階であって、前記光パルス（１６）中の光子が前記電子ビーム（１８）と衝突して、前記第２の方向（２６）にＸ線（２２）を生成する段階と、
    を含んでいる方法。

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