JP2009250910A - Ｘ線集光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも光子密度の高い単色Ｘ線を発生することができ、単色化されたＸ線の波長を変更することができるＸ線集光装置を提供すること。
【解決手段】複数の結晶素子（１１ａ、１１ｂ）を備え、
光源と焦点とを通る直線をｘ軸、該ｘ軸に直交する方向をｙ軸、入射角を決めるパラメータをαとして、ｘ軸上に位置する長さ２Ｌの弦を有し、かつｘ^２＋（ｙ−Ｌ／tanα）^２＝Ｌ^２（１−１／tan²α）で表される円弧上に、前記結晶素子が配置され、
前記光源が前記弦の一方の端点（Ａ）に位置し、前記焦点が前記弦の他方の端点（Ｂ）に位置し、
前記光源から放射されたＸ線が前記結晶素子によって反射されて前記焦点に集光するように、前記結晶素子の結晶格子面の方向が決定されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、Ｘ線集光装置に関し、特に白色Ｘ線を単色化して１点に集めることができるＸ線集光装置に関する。

Ｘ線は種々の方法で発生され、種々の用途に使用されている。Ｘ線を発生させる方法としては、Ｘ線管、シンクロトロン放射を利用してＸ線を発生する方法、みらくる型放射光発生装置によるＸ線発生方法、加速器の高エネルギー電子ビームを用いたＸ線レーザーを発生する方法、パラメトリックＸ線を発生する方法などが知られている。みらくる型放射光発生装置は、放射光発生装置として、電子蓄積リングを用いた小型の放射光発生装置である。下記特許文献１には、小型低エネルギー電子蓄積リングを用いた小型の放射光発生装置の応用として、卓上型放射光治療診断装置が開示されている。

発生したＸ線は、用途によっては単色化され、集光されて使用される。例えば、下記特許文献２には、内面が全反射面になっている直円筒の鏡でＸ線を反射させ、反射されたＸ線を、円筒軸上に配置されたピンホールを通過させることによって、単色化することが開示されている（図９の（ａ）参照）。また、特許文献２には、直円筒の代わりにトロイダル円筒の鏡を使用して、Ｘ線エネルギーにかかわらず、円筒軸上の１点に集光させることも開示されている（図９の（ｂ）参照）。
特開２００５−２３７７３０号公報 特開平１０−１７０６９９号公報

Ｘ線を使用する場合、用途によっては光子密度の高い単色Ｘ線が必要となる。しかし、従来のＸ線発生装置および集光光学系では、十分な光子密度の単色Ｘ線を得ることはできなかった。例えば、上記特許文献２の直円筒型の鏡を使用する場合には、単色のＸ線を得ることはできるが、光子密度が十分ではない。また、トロイダル円筒型の鏡を使用すれば、光子密度の高いＸ線を得ることはできるが、単色化することはできない。さらに、光子密度の高い単色Ｘ線の波長を変更することも容易ではなかった。

従って、本発明の目的は、従来よりも光子密度の高い単色Ｘ線を発生することができ、単色化されたＸ線の波長を変更することができるＸ線集光装置を提供することにある。

本発明の目的は、以下の手段によって達成される。

即ち、本発明に係るＸ線集光装置は、Ｘ線を単色化させて集光するＸ線集光装置であって、
複数の結晶素子を備え、
光源と焦点とを通る直線をｘ軸、該ｘ軸に直交する方向をｙ軸、入射角を決めるパラメータをαとして、該ｘ軸上に位置する長さ２Ｌの弦を有し、かつｘ^２＋（ｙ−Ｌ／tanα）^２＝Ｌ^２（１−１／tan²α）で表される円弧上に、前記結晶素子が配置され、
前記光源が前記弦の一方の端点に位置し、前記焦点が前記弦の他方の端点に位置し、
前記光源から放射されたＸ線が前記結晶素子によって反射されて前記焦点に集光するように、前記結晶素子の結晶格子面の方向が決定されていることを特徴としている。

前記結晶素子は筒状に配置されていることができる。

また、前記光源は、電子蓄積リング内に配置されたターゲットであることができる。

また、前記結晶素子の位置及び結晶格子面の傾きを調節する機構をさらに備えることができる。

また、前記焦点を通過した後に発散するＸ線を再度集光する光学装置をさらに備え、
前記光学装置が、複数の第２の結晶素子を有し、
前記焦点と第２の焦点とを通る直線をｘ’軸、該ｘ’軸に直交する方向をｙ’軸として、該ｘ’軸上に位置する長さ２Ｌ’の第２の弦を有し、かつｘ’^２＋（ｙ’−Ｌ’／tanα）^２＝Ｌ’^２（１−１／tan²α）で表される第２の円弧上に、前記第２の結晶素子が配置され、
前記焦点が前記第２の弦の一方の端点に位置し、前記第２の焦点が前記第２の弦の他方の端点に位置し、
前記焦点を通過するＸ線が前記第２の結晶素子によって反射されて前記第２の焦点に集光するように、前記第２の結晶素子の結晶格子面の方向が決定されていることができる。

本発明によれば、白色Ｘ線から、１点に集光させた光子密度の高い単色Ｘ線を得ることができる。特に、Ｘ線源としてみらくる型放射光発生装置を使用すれば、１ミクロン程度に集光させることが可能である。

また、結晶素子の位置及び傾斜角度を調節する機構を装備することによって、白色Ｘ線から得られる単色Ｘ線の波長を容易に変化させることが可能である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態に関して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るＸ線集光装置１の概略構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＸ線集光装置１の一部を示す断面図（ｘｙ面）である。本Ｘ線集光装置１は、複数の結晶素子１１を所定の位置に配置して構成されている。図２に示したように、各結晶素子１１は、ｘ軸を通る平面上で、破線で示した円弧１３の上に配置されている。点Ａ及び点Ｂはｘ軸上に位置する弦の両端の点である。各結晶素子１１は、点Ａから放射されたＸ線のうち、所定波長のＸ線を点Ｂの方向に反射（ブラッグ反射）するように結晶格子面が配置されている。

図２に示した円弧１３は次の式１によって表される。

ｘ^２＋（ｙ−Ｌ／tanα）^２＝Ｌ^２（１−１／tan²α） ・・・（式１）
ここで、Ｌは、２つの点Ａ、Ｂを結ぶ弦の長さの１／２であり、パラメータαは円弧１３上の任意の点と２つの点Ａ、Ｂとを結ぶ線の成す角度である。

従来技術の楕円ミラーに関しては、楕円の焦点の一方から放射された光は、他方の焦点に集光することが知られている。例えば、図３に示したように、楕円の焦点Ｆ１から放射された光は、楕円ミラー１４によって反射されて焦点Ｆ２に集光する。このとき、入射光と反射光との成す角度は、楕円ミラー１４上の各点において異なる。例えば、点Ｃにおける入射光と反射光との成す角度β1は、点Ｄにおける入射光と反射光との成す角度β2とは異なる（β1≠β2）。従って、入射角度は楕円上の各点において異なる（θ1≠θ2）。

これに対して、図１、２に示した本Ｘ線発生装置１では、弦の一方の端点Ａ（以下、光源Ａとも記す）から放射されたＸ線２は、各結晶素子１１によって反射されて弦の他方の端点Ｂ（以下、焦点Ｂとも記す）に集光するように、結晶格子面の方向が決定されている。このとき、入射Ｘ線と反射Ｘ線との成す角度は、円弧１３上の各点において等しくなる。例えば、結晶素子１１ａにおける入射Ｘ線と反射Ｘ線との成す角度は、結晶素子１１ｂにおける入射Ｘ線と反射Ｘ線との成す角度と等しく、何れもαである。従って、円弧１３上に配置された各結晶素子１１への入射角θ（図４参照）は等しくなり、焦点Ｂに集光するＸ線の波長は等しくなる。例えば、光源Ａから白色Ｘ線が放射される場合、ブラッグ反射によって特定の波長のＸ線のみが焦点Ｂに集光することになる。即ち、本Ｘ線集光装置１によれば、光源から放射されるＸ線を、単色化して所定の点に集光させることができる。そして、集光されるＸ線の波長は、結晶素子１１への入射角度θによって決まるので、入射方向と反射方向の成す角度αによって決まる。

光源Ａから放射されるＸ線を効率的に焦点Ｂに集光させるには、小さい結晶素子１１を隙間無く配置することが望ましいが、結晶素子１１の大きさ及び配置する数（即ち、Ｘ線発生装置を形成する面積）は、光源ＡからのＸ線の発散角、製造コストなどを考慮して適宜設計すればよい。

また、図１では、複数の結晶素子１１が筒状に配置されているが、結晶素子１１の配置はこれに限定されず、光源Ａ及び焦点Ｂを通る平面上で、式１で表される円弧上に配置されていればよい。

あるいは又、結晶を切り出すときに、格子面に平行ではなく、格子面に対して曲率を持たせて切り出すことにより、比較的大きな結晶を用いて構成することができる。

一例として、図５〜７に、Ｘ線光源としてみらくる型放射光発生装置を用いた場合を示す。放射光発生装置２は、シンクロトロンリング２１内に入力ポートから入射する電子２２を、パータベータ２３及び加速器２４で軌道制御及び加速して周回させ、電子ビーム２５を形成する。電子ビーム２５を形成する電子は、周回軌道上に配置されたターゲット２６に入射し、Ｘ線２７を放射する。放射されたＸ線２７は、出力ポートから取り出され、Ｘ線集光装置１ａに入射し、Ｘ線集光装置１ａを構成する結晶素子（図示せず）によってブラッグ反射され、単色化されて点Ｂに集光される。このＸ線集光装置１ａは、図１のＸ線集光装置１と同様に、筒状に形成されている。なお、本発明のＸ線集光装置は、筒状に形成されなくてもよい。

図６は、図５の一部の拡大図である。Ｘ線集光装置１ａを構成する結晶素子１１は、上記したように式１で表される円弧上に配置されており、Ｘ線集光装置１ａは、Ｘ線光源であるターゲット２６が円弧に対応する弦の一方の端点Ａに位置するように配置されている。このようにＸ線集光装置１ａが配置されているので、ターゲット２６から放射されるＸ線２７は、Ｘ線集光装置１ａを構成する結晶素子１１によって反射され、弦の他方の端点Ｂに集光される。これによって、例えば、光源点Ａから２５ｃｍの位置で６ｃｍの広がりをもつ白色Ｘ線の全てを同一波長に単色化して１点（焦点Ｂ）に集中させることができ、光子密度を約１００倍に高めることが可能となる。また、図６に示したように、焦点Ｂの位置にピンホール１５を配置し、焦点Ｂから１ｍｍの位置にサンプル１６を配置すれば、焦点Ｂから１ｍの位置で１０００倍の拡大イメージを得ることができる。さらに、フレネルゾーンプレート１７を用いれば、解像度３０ｎｍを実現することが可能である。

また、図６に示したＸ線集光装置１ａの焦点距離（Ｘ線集光装置１ａと焦点Ｂとの距離）は比較的短いので、焦点Ｂにサンプルを配置して結晶構造解析を行うことは容易ではない。これを改善するためには、集光した後に発散するＸ線を再度集光させる光学系を装備すればよい。例えば、図７に示したように、点Ｂに対してＸ線集光装置１ａと回転対称な位置に、Ｘ線集光装置１ａと同じ光学装置１ｂを配置すれば、点Ｂで集光したＸ線を光学装置１ｂで反射して点Ｅに集光させることができる。これによって、集光点Ｅの位置は、光学装置１ｂ、１ｃから比較的遠くなるので、サンプルの配置が容易になり、本発明のＸ線集光装置を蛋白質構造解析などに適用することができる。なお、光学装置１ｂは、Ｘ線集光装置１ａと同じものに限定されず、単色化されたＸ線の波長を維持するために、Ｘ線集光装置１ａによって点Ｂ方向に反射される波長のＸ線を反射することができる光学装置であればよい。

また、光源からのＸ線発散角が小さい場合には、光源から放射されるＸ線を全てＸ線集光装置に照射することが容易であるが、Ｘ線発散角が大きい場合には、光源から放射されるＸ線のうち、Ｘ線集光装置によって反射されることなく直接焦点を通過するＸ線が存在する。これを排除するためには、図８に示したように、光源Ａと焦点Ｂとの間に遮蔽物１８を備えることが望ましい。遮蔽物１８の形状及び大きさは、光源Ａから直接焦点Ｂに向かうＸ線１２ａを遮蔽できるように、光源ＡからのＸ線の発散角を考慮して適宜設計すればよい。

さらに、Ｘ線集光装置を構成する各結晶素子の位置及び結晶格子面の方向を調節する機構を備え、角度αを変化させることによって、任意の波長の単色Ｘ線を得ることができる。

以上、実施の形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されず、種々の変更を加えて実施することができ、それらも本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の実施の形態に係るＸ線集光装置の概略構成を示す斜視図である。 図１に示したＸ線集光装置の一部を示す断面図である。 従来の楕円ミラーの光路を示す断面図である。 図２の一部の拡大図である。 Ｘ線光源としてみらくる型放射光発生装置を用いた場合を示す断面図である。 図５に示したＸ線集光装置の拡大図である。 さらに光学装置を備えて構成する場合を示す断面図である。 遮蔽物を備えて構成する場合を示す断面図である。 Ｘ線を単色化及び集光させる従来の光学系を示す断面図である。

符号の説明

１、１ａ Ｘ線集光装置
１ｂ 光学装置
１１、１１ａ、１１ｂ 結晶素子
１２、１２ａ Ｘ線
１３ 円弧
１４ 楕円ミラー
１５ ピンホール
１６ サンプル
１７ フレネルゾーンプレート
１８ 遮蔽物
２ 放射光発生装置
２１ シンクロトロンリング
２２ 電子
２３ パータベータ
２４ 加速器
２５ 電子ビーム
２６ ターゲット
２７ Ｘ線
Ａ、Ｂ 弦の端点
Ｆ１、Ｆ２ 楕円の焦点

Claims (5)

1. Ｘ線を単色化させて集光するＸ線集光装置であって、
   複数の結晶素子を備え、
   光源と焦点とを通る直線をｘ軸、該ｘ軸に直交する方向をｙ軸、入射角を決めるパラメータをαとして、該ｘ軸上に位置する長さ２Ｌの弦を有し、かつｘ^２＋（ｙ−Ｌ／tanα）^２＝Ｌ^２（１−１／tan²α）で表される円弧上に、前記結晶素子が配置され、
   前記光源が前記弦の一方の端点に位置し、前記焦点が前記弦の他方の端点に位置し、
   前記光源から放射されたＸ線が前記結晶素子によって反射されて前記焦点に集光するように、前記結晶素子の結晶格子面の方向が決定されていることを特徴とするＸ線集光装置。
2. 前記結晶素子が筒状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線集光装置。
3. 前記光源が、電子蓄積リング内に配置されたターゲットであることを特徴とする請求項１〜２に記載のＸ線集光装置。
4. 前記結晶素子の位置及び結晶格子面の傾きを調節する機構をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のＸ線集光装置。
5. 前記焦点を通過した後に発散するＸ線を再度集光する光学装置をさらに備え、
   前記光学装置が、複数の第２の結晶素子を有し、
   前記焦点と第２の焦点とを通る直線をｘ’軸、該ｘ’軸に直交する方向をｙ’軸として、該ｘ’軸上に位置する長さ２Ｌ’の第２の弦を有し、かつｘ’^２＋（ｙ’−Ｌ’／tanα）^２＝Ｌ’^２（１−１／tan²α）で表される第２の円弧上に、前記第２の結晶素子が配置され、
   前記焦点が前記第２の弦の一方の端点に位置し、前記第２の焦点が前記第２の弦の他方の端点に位置し、
   前記焦点を通過するＸ線が前記第２の結晶素子によって反射されて前記第２の焦点に集光するように、前記第２の結晶素子の結晶格子面の方向が決定されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のＸ線集光装置。

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