JP2009016119A - Ｘ線発生装置の波長変更装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子ビームとレーザ光の正面衝突ができ、これにより、衝突確率が高くＸ線の発生出力を高めることができ、高周波の調整や電子ビーム軌道の変化が少なく、かつレーザ本体およびレーザ光路を追加することなく発生するＸ線のエネルギーおよびその波長を変化させることができるＸ線発生装置の波長変更装置および方法を提供する。
【解決手段】電子ビーム１とレーザ光３の所定の衝突点２ａにおける衝突角θを調整する衝突角調整装置３０，４０を備える。衝突角調整装置３０は、レーザ導入ミラー３２、レーザ導出ミラー３４、導入ミラー制御装置３６および導出ミラー制御装置３８を備える。衝突角調整装置４０は、入射偏向磁石４２、出射偏向磁石４４、入射偏向磁石制御装置４６および出射偏向磁石制御装置４８を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、逆コンプトン散乱による発生するＸ線のエネルギーおよびその波長を変化させるＸ線発生装置の波長変更装置および方法に関する。

小型の装置でＸ線を発生させる手段として、電子ビームとレーザ光の衝突によって逆コンプトン散乱に起因する準単色Ｘ線を得る手段が知られている（例えば、非特許文献１）。
また、逆コンプトン散乱によるＸ線発生において、波長を変更又は切り替えることができるＸ線発生装置が、特許文献１、２に既に提案されている。

非特許文献１の「小型Ｘ線発生装置」は、図６に示すように、小型の加速器６１（Ｘバンド加速管）で加速された電子ビーム６２をレーザ６３と衝突させてＸ線６４を発生させるものである。ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電子銃６５（熱ＲＦガン）で生成された電子ビーム６２はＸバンド加速管６１で加速され、パルスレーザ光６３と衝突し、コンプトン散乱により、時間幅１０ｎｓの硬Ｘ線６４が生成される。
この装置は、一般に線形加速器で用いられるＳバンド（２．８５６ＧＨｚ）の４倍の周波数にあたるＸバンド（１１．４２４ＧＨｚ）をＲＦとして用いて小型化を図っており、例えばＸ線強度（光子数）：約１×１０^９ｐｈｏｔｏｎｓ／ｓ、パルス幅：約１０ｐｓの強力な硬Ｘ線の発生が予測されている。

特許文献１の「レーザ逆コンプトン光生成装置」は、逆コンプトン散乱効果を利用してＸ線またはγ線等の短波長光を生成することを目的とする。
そのため、この発明の装置は、図７に示すように、反応部７３の別々の位置にレーザ逆コンプトン光ポート７２と、レーザ光ポート７１とを設置したものである。

特許文献２の「多色Ｘ線発生装置」は、複数（２種または３種以上）の単色硬Ｘ線を、血管が動いていないとみなせる程度の短い時間間隔で順次切り換えて発生することができ、かつ血管造影等に適用可能な強力なＸ線を発生させることを目的とする。
そのため、この発明の装置は、図８に示すように、電子ビームを加速してパルス電子ビーム８１を発生し所定の直線軌道８２を通過させる電子ビーム発生装置８５と、波長の異なる複数のパルスレーザ光８３ａ，８３ｂを順次発生する複合レーザ発生装置８６と、複数のパルスレーザ光を直線軌道８２上にパルス電子ビーム８１に対向して導入するレーザ光導入装置８７とを備え、複数のパルスレーザ光８３ａ，８３ｂを直線軌道８２上でパルス電子ビーム８１に順次正面衝突させ、２種以上の単色硬Ｘ線８４（８４ａ，８４ｂ）を発生させるものである。

土橋克広、他、「Ｘバンドリニアックを用いた小型硬Ｘ線源の開発」、第２７回リニアック技術研究会、２００２

特開２００１−３４５５０３号公報、「レーザ逆コンプトン光生成装置」 特開２００６−３１８７４６号公報、「多色Ｘ線発生装置」

非特許文献１の手段は、特定のエネルギーをもつ電子ビームと特定の波長のレーザを特定の部分で衝突させることで、特定の波長をもつ単色Ｘ線を発生させるシステムであるため、強力な単色硬Ｘ線を効率よく発生させることができるが、発生するＸ線のエネルギーおよびその波長を変化させることは困難である。
すなわち、電子ビームのエネルギーを可変とする場合、エネルギーを調整するための高周波の調整や電子ビーム軌道が変わることによる電磁石等の磁場調整が必要であった。

特許文献１の手段は、衝突する電子ビームとレーザ光が常に交叉角を有しているので、発生するＸ線のエネルギーおよびその波長を変化させることはできるが、電子ビームとレーザ光が正面衝突できない。また衝突点が変化するため衝突点に電子ビームとレーザ光を集束（集光）させることも困難である。そのため、この手段は、衝突確率が低く、Ｘ線の発生出力が低い問題点がある。

特許文献２の手段は、異なる波長をもつ複数台のレーザ装置を用いるため、レーザ本体およびレーザ光路を複数用意する必要があり、低コスト化、システムの小型化が困難であった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、電子ビームとレーザ光の正面衝突ができ、これにより、衝突確率が高くＸ線の発生出力を高めることができ、高周波の調整や電子ビーム軌道の変化が少なく、かつレーザ本体およびレーザ光路を追加することなく発生するＸ線のエネルギーおよびその波長を変化させることができるＸ線発生装置の波長変更装置および方法を提供することにある。

本発明によれば、電子ビームとレーザ光とを衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線を発生させるＸ線発生装置の波長変更装置であって、
電子ビームとレーザ光の所定の衝突点における衝突角を調整する衝突角調整装置を備えた、ことを特徴とするＸ線発生装置の波長変更装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記衝突角調整装置は、レーザ光を所定の衝突点に向けて反射するレーザ導入ミラーと、電子ビームとレーザの所望の衝突角に応じて前記衝突点を維持するように前記レーザ導入ミラーの位置及び向きを制御する導入ミラー制御装置とを備える。

また前記衝突角調整装置は、さらに、所定の衝突点を通過したレーザ光を衝突軌道外に向けて反射するレーザ導出ミラーと、電子ビームとレーザの所望の衝突角に応じてレーザ光の反射光路を維持するように前記レーザ導出ミラーの位置及び向きを制御する導出ミラー制御装置とを備える。

また本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記衝突角調整装置は、電子ビームを所定の衝突点に向けて偏向させる入射偏向磁石と、電子ビームとレーザの所望の衝突角に応じて前記衝突点を維持するように前記入射偏向磁石を制御する入射偏向磁石制御装置とを備える。

また前記衝突角調整装置は、さらに、所定の衝突点を通過した電子ビームを衝突軌道外に向けて偏向させる出射偏向磁石と、電子ビームとレーザの所望の衝突角に応じて電子ビームの出射軌道を維持するように前記導出ミラー調整装置を制御する出射偏向磁石制御装置とを備える。

また本発明によれば、電子ビームとレーザ光とを衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線を発生させるＸ線発生装置の波長変更方法であって、
電子ビームとレーザ光の所定の衝突点における衝突角を調整する、ことを特徴とするＸ線発生装置の波長変更方法が提供される。

上記本発明の装置および方法によれば、衝突角調整装置により、電子ビームとレーザ光の所定の衝突点における衝突角を調整するので、発生する単色硬Ｘ線の波長を任意に調整できる。
また、電子ビームとレーザ光の正面衝突ができるので、衝突確率が高くＸ線の発生出力を高めることができる。

また、本発明の好ましい実施形態によれば、衝突角調整装置は、レーザ導入ミラーと導入ミラー制御装置で構成され、或いは入射偏向磁石と入射偏向磁石制御装置で構成されるため、高周波の調整や電子ビーム軌道の変化が少なく、かつレーザ本体およびレーザ光路を追加することなく発生するＸ線のエネルギーおよびその波長を変化させることができる。

従って、本発明は、電子ビームとレーザ光の衝突軌道において電子ビームとレーザ光の衝突角を調整することによって発生する単色硬Ｘ線の波長を任意に調整できるため、低コスト、システムの小型化が期待できる。
また、本発明により複数のレーザ装置やレーザ光路の準備や、ビームエネルギーを調整することなく、単色硬Ｘ線の波長を調整することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明による波長変更装置を備えたＸ線発生装置の全体構成図である。このＸ線発生装置は、電子ビーム発生装置１０、レーザ光周回装置２０およびレーザ発生装置２９を備え、電子ビーム１とパルスレーザ光３とを衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線４を発生させる装置である。

電子ビーム発生装置１０は、電子ビームを加速してパルス電子ビーム１を発生し所定の直線軌道２を通過させる機能を有する。
この例において、電子ビーム発生装置１０は、ＲＦ電子銃１１、α‐磁石１２、加速管１３、ベンディング磁石１４、Ｑ−磁石１５、減速管１６、およびビームダンプ１７を備える。

ＲＦ電子銃１１と加速管１３は、Ｘバンド（１１．４２４ＧＨｚ）の高周波電源１８により駆動される。ＲＦ電子銃１１から引き出された電子ビームは、α‐磁石１２により軌道を変えて加速管１３に入射する。加速管１３は、小型のＸバンド加速管であり、電子ビームを加速し、好ましくは約５０ＭｅＶ前後の高エネルギーの電子ビームを形成する。この電子ビームは、例えば約１μｓ前後のパルス電子ビーム１である。

ベンディング磁石１４は、パルス電子ビーム１の軌道を磁場で曲げて所定の直線軌道２を通過させ、通過後のパルス電子ビーム１をビームダンプ１７まで導く。Ｑ−磁石１５はパルス電子ビーム１の収束具合を調整する。減速管１６は、パルス電子ビーム１を減速する。ビームダンプ１７は、直線軌道２を通過した後のパルス電子ビーム１を捕捉して、放射線の漏洩を防止する。

同期装置１９は、電子ビーム発生装置１０とレーザ発生装置２９の同期をとり、パルス電子ビーム１のタイミングとパルスレーザ光３とのタイミングを合わせ、パルス電子ビーム１とパルスレーザ光３が所定の直線軌道２上の衝突点２ａで衝突するように制御する。

上述した電子ビーム発生装置１０により、例えば、約５０ＭｅＶ前後、約１μｓ前後のパルス電子ビーム１を発生し、これを所定の直線軌道２を通過させることができる。

レーザ光周回装置２０は、パルスレーザ光３（ｐ偏光）を外部のレーザ発生装置２９から偏光ビームスプリッタ２２を介して周回路５内に導入し、このパルスレーザ光３を周回する周回路５内に閉じ込めて、周回路内の衝突点２ａを繰り返し通過させるようになっている。

この図において、レーザ光周回装置２０は、偏光ビームスプリッタ２２、複数（この図で３枚）の反射ミラー２４、ポッケルスセル２６、および制御装置（図示せず）を備える。

偏光ビームスプリッタ２２は、第１直線偏光３ａ（ｐ偏光）をそのまま通し、これに直交する第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）を直角に反射する。
３枚の反射ミラー２４は、偏光ビームスプリッタ２２を出たパルスレーザ光３を複数回（この例では３回）反射して、偏光ビームスプリッタ２２に周回させ周回路５を構成する。

ポッケルスセル２６は、周回路５内の偏光ビームスプリッタ２２の下流側に位置し、電圧の印加時に通過する偏光の偏光方向を９０度回転する。ポッケルスセルは、光ビームの偏光方向を素早くスイッチングできる非線形光学結晶である。
制御装置（図示せず）は、偏光ビームスプリッタ２２に周回して入るパルスレーザ光３が常に第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）となるようにポッケルスセル２４を制御する。

図２は、本発明の波長変更装置の第１実施形態図である。
本発明の波長変更装置は、電子ビーム１とレーザ光３とを衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線４を発生させる上述したＸ線発生装置の波長変更装置である。

この図において、本発明の波長変更装置は、電子ビーム１とレーザ光３の所定の衝突点２ａにおける衝突角θを調整する衝突角調整装置３０を備える。ここで衝突角θは、電子ビーム１とレーザ光３が正面衝突する場合を０°とする。

この例において、衝突角調整装置３０は、レーザ導入ミラー３２、レーザ導出ミラー３４、導入ミラー制御装置３６および導出ミラー制御装置３８を備える。
レーザ導入ミラー３２は、レーザ光３を所定の衝突点２ａに向けて反射する。また、図示しない集光レンズにより、レーザ光３を所定の衝突点２ａに集光させるようになっている。
レーザ導出ミラー３４は、所定の衝突点２ａを通過したレーザ光３を衝突軌道外に向けて反射する。

導入ミラー制御装置３６は、電子ビーム１とレーザ光３の所望の衝突角θに応じて衝突点２の位置を維持するようにレーザ導入ミラー３２の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）及び向き（α、β）を制御する。ここで、Ｘ，Ｙ，Ｚは直交座標上の変位であり、Ｘは衝突軌道上の変位、Ｙはこれに直交する周回路上の変位、Ｚは紙面に直交する周回路上の変位である。また、αはＺ軸まわりの回転、βはＸ軸まわりの回転である。
導出ミラー制御装置３８は、電子ビーム１とレーザ光３の所望の衝突角θに応じてレーザ光３の反射光路（偏光ビームスプリッタ２２に向かう光路）を維持するようにレーザ導出ミラー３４の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）及び向き（α、β）を制御する。
なお、導入ミラー制御装置３６と導出ミラー制御装置３８は、一体の制御装置であってもよく、或いは別の制御装置であって相互にデータを交信してもよい。

上述した構成により、レーザ光周回装置２０により、パルスレーザ光３を周回する周回路５内に閉じ込めて、周回路内の衝突点２ａを繰り返し通過させながら、衝突角調整装置３０により、電子ビーム１とレーザ光３の所定の衝突点２ａにおける衝突角θを任意に調整して、発生する単色硬Ｘ線の波長を任意に調整できる。
また、衝突角θを０°に設定することにより、電子ビーム１とレーザ光３の正面衝突が実現できるので、衝突確率が高くＸ線の発生出力を高めることができる。

なお、本発明において、レーザ光周回装置２０によるパルスレーザ光３の周回は必須ではなく、レーザ導出ミラー３４と導出ミラー制御装置３８を省略することもできる。

図３は、本発明の波長変更装置の第２実施形態図である。
この図において、本発明の波長変更装置は、電子ビーム１とレーザ光３の所定の衝突点２ａにおける衝突角を調整する衝突角調整装置４０を備える。

この例において、衝突角調整装置４０は、入射偏向磁石４２、出射偏向磁石４４、入射偏向磁石制御装置４６および出射偏向磁石制御装置４８を備える。

入射偏向磁石４２は、電子ビーム１を所定の衝突点２ａに向けて偏向させる。また、図示しないＱ−磁石により、電子ビーム１を所定の衝突点２ａに集束させるようになっている。
出射偏向磁石４４は、所定の衝突点２ａを通過した電子ビーム１を衝突軌道外に向けて偏向させる。

入射偏向磁石制御装置４６は、電子ビーム１とレーザ光３の所望の衝突角に応じて衝突点２ａの位置を維持するように入射偏向磁石４２を制御する。
出射偏向磁石制御装置４８は、電子ビームとレーザ光の所望の衝突角θに応じて電子ビーム１の出射軌道を維持するように出射偏向磁石４４を制御する。
なお、入射偏向磁石制御装置４６と出射偏向磁石制御装置４８は、一体の制御装置であってもよく、或いは別の制御装置であって相互にデータを交信してもよい。

この例において、レーザ発生装置２９から出たレーザ光３は、反射ミラー２４とレーザ導入ミラー３２により、所定の衝突点２ａに向けて入射する。また、図示しない集光レンズにより、レーザ光３を所定の衝突点２ａに集光させるようになっている。
なお、本発明はこの構成に限定されず、図２と同様にレーザ光周回装置２０および衝突角調整装置３０を備えてもよい。

上述した構成により、衝突角調整装置４０により、電子ビーム１とレーザ光３の所定の衝突点２ａにおける衝突角θを任意に調整して、発生する単色硬Ｘ線の波長を任意に調整できる。
また、衝突角θを０°に設定することにより、電子ビーム１とレーザ光３の正面衝突が実現できるので、衝突確率が高くＸ線の発生出力を高めることができる。

本発明の波長変更方法は、電子ビーム１とレーザ光３とを衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線４を発生させるＸ線発生装置の波長変更方法である。
上述した装置を用い、本発明の方法では、電子ビーム１とレーザ光３の所定の衝突点２ａにおける衝突角θを調整する。

図４は本発明の原理図である。以下、この図を用いてコンプトン散乱における電子ビームとレーザ光の衝突角度とＸ線エネルギー（波長）の関係を説明する。
コンプトンは、この図のように、入射したＸ線が「粒子」として電子に衝突し散乱されると考える。入射Ｘ線の「粒子」のエネルギーをｈν、運動量をｈν／ｃとし、散乱角θの方向に散乱されたＸ線の「粒子」のエネルギーをｈν’、運動量をｈν’／ｃとし、衝突された電子（質量ｍ）（反跳電子）も跳ね飛ばされるため、その運動量をｍｖとする。

図４Ａはコンプトン散乱におけるエネルギーと運動量の関係図である。また図４Ｂはそのときの運動量保存則を表す図である。
運動量保存則（図４Ｂ）から数１の式（１）が成り立つことがわかる。ここで、ν ≒ν’であるため、式（２）が成り立ち、これを式（１）に代入すると、式（３）となる。
一方，エネルギー保存則から、式（４）が成り立つ。従って、角度θの方向に散乱される波長λ’と入射Ｘ線の波長λとの差Δλは式（５）となる。

式（５）から、散乱角θが大きくなるに従って、散乱Ｘ線の波長は長くなることになる。Ｘ線の波長とエネルギーの関係はＥ［ｋｅＶ］≒１．２４／λ［ｍｍ］である。
従って、散乱角θが大きくなるに従って散乱Ｘ線のエネルギーは低くなる。

図５は上述した原理に基づく衝突角度θとＸ線エネルギー（波長）の関係図である。この図において、横軸は入射光子のエネルギー、縦軸は散乱光子のエネルギー、図中の各曲線は衝突角度θ（θ＝０〜１８０°）に対応する。

この図から、例えば入射光子のエネルギーを５０ＭｅＶに維持した場合でも、衝突角度θをθ＝０〜１５°の範囲で変化させることで、散乱光子のエネルギーは約１０〜５０ＭｅＶの範囲で連続的に変化することがわかる。

上述したように、本発明の装置および方法によれば、衝突角調整装置３０，４０により、電子ビーム１とレーザ光３の所定の衝突点２ａにおける衝突角θを調整するので、発生する単色硬Ｘ線の波長を任意に調整できる。
また、電子ビーム１とレーザ光３の正面衝突ができるので、衝突確率が高くＸ線の発生出力を高めることができる。

また、本発明の好ましい実施形態によれば、衝突角調整装置３０，４０は、レーザ導入ミラー３２と導入ミラー制御装置３６で構成され、或いは入射偏向磁石４２と入射偏向磁石制御装置４６で構成されるため、高周波の調整や電子ビーム軌道の変化が少なく、かつレーザ本体およびレーザ光路を追加することなく発生するＸ線のエネルギーおよびその波長を変化させることができる。

従って、本発明は、電子ビーム１とレーザ光３の衝突軌道において電子ビームとレーザ光の衝突角θを調整することによって発生する単色硬Ｘ線の波長を任意に調整できるため、低コスト、システムの小型化が期待できる。
また、本発明により複数のレーザ装置やレーザ光路の準備や、ビームエネルギーを調整することなく、単色硬Ｘ線の波長を調整することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明による波長変更装置を備えたＸ線発生装置の全体構成図である。 本発明の波長変更装置の第１実施形態図である。 本発明の波長変更装置の第２実施形態図である。 本発明の原理図である。 衝突角度θとＸ線エネルギー（波長）の関係図である。 非特許文献１の「小型Ｘ線発生装置」の構成図である。 特許文献１の「レーザ逆コンプトン光生成装置」の構成図である。 特許文献２の「多色Ｘ線発生装置」の構成図である。

符号の説明

１ パルス電子ビーム、２ 直線軌道、２ａ 衝突点、
３ パルスレーザ光、４ Ｘ線、５ 周回路、
１０ 電子ビーム発生装置、１１ ＲＦ電子銃、
１２ α‐磁石、１３ 加速管、１４ ベンディング磁石、
１５ Ｑ−磁石、１６ 減速管、１７ ビームダンプ、
２０ レーザ光周回装置、２２ 偏光ビームスプリッタ、
２４ 反射ミラー、２６ ポッケルスセル、
２９ レーザ発生装置、
３０ 衝突角調整装置、
３２ レーザ導入ミラー、３４ レーザ導出ミラー、
３６ 導入ミラー制御装置、３８ 導出ミラー制御装置、
４０ 衝突角調整装置、
４２ 入射偏向磁石、４４ 出射偏向磁石、
４６ 入射偏向磁石制御装置、４８ 出射偏向磁石制御装置

Claims (6)

1. 電子ビームとレーザ光とを衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線を発生させるＸ線発生装置の波長変更装置であって、
   電子ビームとレーザ光の所定の衝突点における衝突角を調整する衝突角調整装置を備えた、ことを特徴とするＸ線発生装置の波長変更装置。
2. 前記衝突角調整装置は、レーザ光を所定の衝突点に向けて反射するレーザ導入ミラーと、電子ビームとレーザの所望の衝突角に応じて前記衝突点を維持するように前記レーザ導入ミラーの位置及び向きを制御する導入ミラー制御装置とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生装置の波長変更装置。
3. 前記衝突角調整装置は、所定の衝突点を通過したレーザ光を衝突軌道外に向けて反射するレーザ導出ミラーと、電子ビームとレーザ光の所望の衝突角に応じてレーザ光の反射光路を維持するように前記レーザ導出ミラーの位置及び向きを制御する導出ミラー制御装置とを備える、ことを特徴とする請求項２に記載のＸ線発生装置の波長変更装置。
4. 前記衝突角調整装置は、電子ビームを所定の衝突点に向けて偏向させる入射偏向磁石と、電子ビームとレーザ光の所望の衝突角に応じて前記衝突点を維持するように前記入射偏向磁石を制御する入射偏向磁石制御装置とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生装置の波長変更装置。
5. 前記衝突角調整装置は、所定の衝突点を通過した電子ビームを衝突軌道外に向けて偏向させる出射偏向磁石と、電子ビームとレーザ光の所望の衝突角に応じて電子ビームの出射軌道を維持するように前記出射偏向磁石を制御する出射偏向磁石制御装置とを備える、ことを特徴とする請求項４に記載のＸ線発生装置の波長変更装置。
6. 電子ビームとレーザ光とを衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線を発生させるＸ線発生装置の波長変更方法であって、
   電子ビームとレーザ光の所定の衝突点における衝突角を調整する、ことを特徴とするＸ線発生装置の波長変更方法。

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