JP2011198568A

JP2011198568A - Ｘ線発生装置

Info

Publication number: JP2011198568A
Application number: JP2010062846A
Authority: JP
Inventors: Hajime Kuwabara; 一桑原; Yoneyoshi Kitagawa; 米喜北川; Yoshitaka Mori; 芳孝森
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2011-10-06

Abstract

【課題】光路の形成に利用するミラーの数を低減することでＸ線発生装置を小型化する。
【解決手段】レーザ光を発生するレーザ光源１０と、レーザ光源から発生されたレーザ光を、電子を加速させるための第１レーザ光と加速された電子に衝突させる第２レーザ光とに分光する分光手段１１と、真空室中で第１レーザ光にプラズマを発生し、電子を加速する媒体であるガスを発生させる発生手段１６と、分光手段で分光された第２レーザ光の光路Ｌ２に第１レーザ光及び第２レーザ光と干渉しないように設置され、それぞれ位置と回転角度を調節してこの第２レーザ光の光路Ｌ２を設定する２枚のミラー１２ａ，１２ｂと、第１レーザ光を利用して加速された電子と第２レーザ光とが衝突する位置を設定する集光手段１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ光を利用して電子を加速し、Ｘ線を発生するＸ線発生装置に関する。

近年、高出力のフェムト秒レーザの実現により、レーザ光を用いた電子加速の研究が進められている。これとは別に、レーザ逆コンプトンを利用する技術も研究されている（例えば、特許文献１参照）。逆コンプトン散乱とは、高エネルギーの電子に波長の短い光をあてると、電子のエネルギーが光に渡されて光の波長が短くなり、Ｘ線となって散乱される現象である。

これらの技術を合わせ、近年、フェムト秒レーザを利用して逆コンプトン散乱によりＸ線を発生させるＸ線発生装置も研究されている。このＸ線発生装置は、フェムト秒レーザが発光する電子加速用のレーザ光にガスターゲットを投射して発生するプラズマにより加速電子を生成し、電子ビームとなったこの加速電子に衝突用のレーザ光を衝突させて逆コンプトン散乱によるＸ線（逆コンプトン散乱Ｘ線）を発生させる。加速電子の生成にフェムト秒レーザを利用した場合、従来の電子加速器と比較して電子加速の機構を小型化することができるため、Ｘ線発生装置全体としても小型化することができる。

逆コンプトン散乱Ｘ線を発生させるためには、真空室である照射チャンバーの中で、加速電子（加速用レーザ光を利用して生成された電子ビーム）とレーザ光（衝突用レーザ光）とを衝突させる。このとき、電子ビーム（加速電子）とレーザ光との衝突の位置やタイミングを調節することが重要であるが、この電子ビームとレーザ光を衝突させるための光路の調節には、４枚のミラーと可動ミラーの利用が主流である（例えば、非特許文献１、Ｆｉｇ．６参照）。また、この多数のミラーは全て照射チャンバー内に配置する必要があるとともに、各ミラーは照射チャンバー内でレーザ光と干渉しないように配置する必要がある。すなわち、照射チャンバーの大きさは、このようなミラーの配置に依存するが、ミラーの配置には最低限のスペースが必要であるため、照射チャンバーのサイズが大きくなる問題がある。

また、Ｘ線発生装置ではシールド等の遮蔽手段を使用して発生した放射線を遮断する。フェムト秒レーザを利用することで小型化されたＸ線発生装置の場合、照射チャンバーに局所シールドを設置して放射線を遮断することができるため、遮蔽手段（シールド）も含めた装置を小型化することができる。しかしながら、上述したように、ミラーの配置スペースを確保するために照射チャンバーの小型化が制限されると、この遮蔽を含む装置の小型化の効果を十分に得ることができない。

特開２００１−３４５５０３号公報

N.Hafz，H.J.Lee，J.U.Kim，H.Suk，and Jongmin Lee、"Femtosecond Ｘ−Ray Generation via the Thomson Scattering a Terawatt Laser From Electron Bunches Produced From the LWFA Utilizing a Plasma Density Transision" IEEE TRANSACTIONS ON PLAZMA SCIENCE、（米国）、2003年12月、VOL 31，NO．6、p.1393

上述したように、従来のＸ線発生装置では、フェムト秒レーザを利用して電子加速を行ったとしても照射チャンバーの小型化の制限により、装置の小型化に限界があった。

上記課題に鑑み、本発明は、光路の形成に利用するミラーの数を低減することで従来のＸ線発生装置と比較して、小型なＸ線発生装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、レーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光源から発生されたレーザ光を、電子を加速させるための第１レーザ光と加速された電子に衝突させる第２レーザ光とに分光する分光手段と、真空室中で第１レーザ光にプラズマを発生し、電子を加速する媒体であるガスを発生させる発生手段と、前記分光手段で分光された第２レーザ光の光路に第１レーザ光及び第２レーザ光と干渉しないように設置され、それぞれ位置と回転角度を調節してこの第２レーザ光の光路を設定する２枚のミラーと、第１レーザ光を利用して加速された電子と第２レーザ光とが衝突する位置、を設定する集光手段とを備えることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、第１レーザ光を利用して加速された電子と第２レーザ光との衝突点の位置を観測する観測手段を備えることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、第１レーザ光を利用して加速された電子と第２レーザ光との衝突点の位置を観測する観測手段と、前記観測手段の観測結果に応じて前記２枚のミラーと前記集光手段とを制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、光路の形成に利用するミラーの数を低減することでＸ線発生装置を小型化することができる。

本発明の第１の実施形態に係るＸ線発生装置の構成を説明する図である。本発明の第２の実施形態に係るＸ線発生装置の構成を説明する図である。

図面を参照して、本発明の各実施形態に係るＸ線発生装置について説明する。本発明に係るＸ線発生装置は、電子を加速させる電子加速レーザ光にガスターゲットを投射することで電子を加速して電子ビームを生成し、この電子ビームに衝突用のレーザ光を衝突させて逆コンプトン散乱によるＸ線（逆コンプトン散乱Ｘ線）を発生させる装置である。

〈第１の実施形態〉
図１（ａ）に示すように、第１の実施形態に係るＸ線発生装置１ａは、レーザ光２０を発生するレーザ光源１０と、真空である照射チャンバー（図示せず）内でレーザ光源１０から発生されたレーザ光２０を電子の加速用レーザ光である第１レーザ光２１と電子ビーム（加速電子）に衝突させる衝突用レーザ光である第２レーザ光２２とに分光する分光手段であるビームスプリッタ１１と、ビームスプリッタ１１で分光された第２レーザ光２２の光路である第２光路Ｌ２に設置され、この第２光路Ｌ２の距離を調節する２枚のミラー１２ａ，１２ｂと、第１レーザ光２１を利用して発生した電子ビームと第２レーザ光２２とが衝突する位置を調節する集光手段１３とを備えている。

また、Ｘ線発生装置１ａは、図１（ｂ）に示すように、第１レーザ光２１に投射してプラズマを生成して電子を加速させる媒体であるガスターゲット２４を発生するガスターゲット発生手段１６と、２枚のミラー１２ａ，１２ｂや集光手段１３を制御する制御手段１５を備えている。

なお、図１（ａ）は、Ｘ線発生装置１ａを第１レーザ光２１の光路である第１光路Ｌ１及び第２レーザ光２２の第２光路Ｌ２に垂直な方向から見た概略図であり、図１（ｂ）は、Ｘ線発生装置１ａを第１レーザ光２１から発生した電子ビームと第２レーザ光２２の衝突点２３及びガスターゲット２４に垂直な方向から見た概略図である。

このＸ線発生装置１ａでは、第１レーザ光２１にガスターゲット２４が投射されるとプラズマが発生し、電子が加速されて電子ビームとなる。この電子ビームが第２レーザ光２２と衝突すると、逆コンプトン散乱によって逆コンプトン散乱Ｘ線が発生する。図１では、図示を省略しているが、Ｘ線発生装置１ａでは、ビームスプリッタ１１、ミラー１２ａ，１２ｂ、集光手段１３、反射ミラー１４及びガスターゲット発生手段１６は、照射チャンバー内に設置されている。また、照射チャンバーには、内部を所定の気圧に保つ排気ポンプ等の排気手段と、内部で発生した逆コンプトン散乱Ｘ線を放出するＸ線放出窓とが設けられている。

Ｘ線発生装置１ａで用いるレーザ光源１０は、例えば、フェムト秒レーザ等の電子加速に利用することができる高出力のレーザ光を発光するレーザ装置である。また、ガスターゲット発生手段１６は、光に投射することでプラズマを発生して電子を加速するための媒体である水素、ヘリウム、窒素又はアルゴン等のガスをガスターゲット２４として発生する。上述したように、レーザ光源１０やガスターゲット発生手段１６が配置される照射チャンバーは真空であるため、このガスターゲット２４が照射された空間は、照射チャンバー内の他の空間（約１０^12〜13個／ｃｍ³）に比べて気体密度が高く（約１０^17〜19個／ｃｍ³）なる。

ここで、Ｘ線発生装置１ａでは、制御手段１５によって第１ミラー１２ａ及び第２ミラー１２ｂの位置と第２レーザ光２２に対する角度とを制御することで、第２光路Ｌ２を設定する。第２光路の距離を設定することで、第２レーザ光２２が電子ビームに衝突するまでの時間も設定することができる。具体的には、第２レーザ光２２の光路Ｌ２の距離を、第１レーザ光２１の第１光路Ｌ１の距離及び第１レーザ光２１によって生成された電子ビームの軌道の距離に合わせて設定する。このとき、ミラー１２ａ，１２ｂが各光路のビーム光２１，２２と干渉しないようにする必要がある。

なお、第１光路Ｌ１は、ビームスプリッタ１１を始点とし、反射ミラー１４を通り、ガスターゲット２４内での電子ビームの発生地点を終点とする光路である。また、第２光路Ｌ２は、ビームスプリッタ１１を始点とし、第１ミラー１２ａ、第２ミラー１２ｂ、集光手段１３の順に衝突点２３を終点とする光路である。さらに、電子ビームは、ガスターゲット２４に第１レーザ光２１が照射されると発生するため、電子ビームの軌道は、第１光路Ｌ１の終点が始点であって、衝突点２３が終点である。ここで、電子ビームの軌道の距離は短く、図１では省略している。

第１ミラー１２ａと第２ミラー１２ｂとは前後左右方向（ＸＹ方向）に移動可能な一つのリニアガイド１２上に、それぞれの回転軸を基準として回転可能に設置されている。Ｘ線発生装置１ａでは、このリニアガイド１２を前後左右方向に移動するとともに、リニアガイド１２上の各ミラー１２ａ，１２ｂを回転することにより、第２レーザ光２２に対する各ミラー１２ａ，１２ｂの角度を調節して第２光路Ｌ２を設定する。

また、Ｘ線発生装置１ａでは、制御手段１５の制御によって集光手段１３の位置を調節することで、第１レーザ光２１によって生成された電子ビームと第２レーザ光２２とが衝突する衝突点２３の位置を設定する。この集光手段１３も、前後左右方向（ＸＹ方向）に移動可能であるとともに回転軸を基準として回転可能に設置されており、第２ミラー１２ｂから入射する第２レーザ光２２に応じた前後左右方向の移動及び回転により、第１レーザ光２１によって生成された電子ビームと第２レーザ光２２とが衝突する衝突点２３の位置を設定することができる。なお、この集光手段１３は、例えば、集光レンズや集光ミラー等であって、第２レーザ光を集光する手段である。

さらに、Ｘ線発生装置１ａでは、制御手段１５の制御によってガスターゲット発生手段１６の位置を調節することも可能であり、第１レーザ光２１と第２レーザ光２２の位置を基準として設定した位置にガスターゲット２４を発生させることができる。

上述したように、本発明の第１の実施形態に係るＸ線発生装置１ａでは、第１レーザ光２１及び第２レーザ光２２と干渉しないように２枚のミラー１２ａ，１２ｂと集光手段１３を配置するとともに第２光路Ｌ２と集光状態を調節し、第２レーザ光２２を第１レーザ光２１によって生成された電子ビーム（加速電子）に衝突させる。ミラー１２ａ，１２ｂと集光手段１３の位置や第２レーザ光２２に対する角度は制御手段１５を介して容易に調節することができるため、Ｘ線発生装置１ａでは、小型の照射チャンバー内に各機構を収めることができる。したがって、Ｘ線発生装置１ａを小型化することができる。

〈第２実施形態〉
続いて、図２を用いて第２の実施形態に係るＸ線発生装置１ｂについて説明する。図２は、図１（ａ）と同様に、Ｘ線発生装置１ｂを第１レーザ光２１及び第２レーザ光２２の光路Ｌ２と垂直な方向からみた概略図である。また以下の説明において、図１を用いて上述した同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

図２に示す第２の実施形態に係るＸ線発生装置１ｂを図１に示す第１の実施形態に係るＸ線発生装置１ａと比較すると、第１レーザ光２１、第１レーザ光２１によって生成された電子ビーム、第２レーザ光２２、衝突点２３及びガスターゲット２４を含む範囲に対して光を発光する発光手段１７ａと、発光手段１７ａからの光を受光して第１レーザ光２１によって生成された電子ビーム及び第２レーザ光２２の衝突点２３と、ガスターゲット２４との位置関係を画像として取得する受光手段１７ｂとを備えている点で異なる。なお、図２では、ガスターゲット発生手段１６及びガスターゲット発生手段１６から発生するガスターゲット２４の図示は省略している。

制御手段１５は、受光手段１７ｂが取得した画像から第１レーザ光２１によって生成された電子ビーム及び第２レーザ光２２の衝突点２３と、ガスターゲット２４との位置関係に応じて、この位置関係がＸ線の発生に最適な所定の関係になるように、リニアガイド１２の位置、ミラー１２ａ，１２ｂの回転状況、集光手段１３の位置及び回転状況を制御する。たとえば、制御手段１５は、電子ビーム生成の際に発生するプラズマによる第２レーザ光２２のエネルギーの減衰が最小かつ電子ビーム密度が高くなる位置関係になるように制御する。

例えば、制御手段１５は、表示手段及び入力手段と接続されており、この表示手段に表示される画像に応じてオペレータが入力する操作信号に基づいてリニアガイド１２、ミラー１２ａ，１２ｂ及び集光手段１３を制御するようにしてもよい。

また、制御手段１５は、受光手段１７ｂが取得する画像の第１レーザ光２１によって生成された電子ビーム及び第２レーザ光２２の衝突点２３とガスターゲット２４との位置関係と、その位置関係の場合の制御方法のパターンを予め記憶していてもよい。制御方法のパターンとは、例えば、リニアガイド１２の位置、２枚のミラー１２ａ，１２ｂの回転状況、集光手段１３の位置及び回転状況をどのように制御するかのパターンである。この場合、制御手段１５は、予め記憶しているパターンから受光手段１７ｂが取得した画像に応じて各機構の制御方法を抽出し、リニアガイド１２、ミラー１２ａ，１２ｂ及び集光手段１３を制御することができる。

上述したように、本発明の第２の実施形態に係るＸ線発生装置１ｂでは、第１の実施形態に係るＸ線発生装置１ａと同様に、小型化することができる。また、第２の実施形態に係るＸ線発生装置１ｂでは、受光手段１７ｂが取得した画像に含まれる第１レーザ光２１、第２レーザ光２２及びガスターゲット２４の位置関係から、ミラー１２ａ，１２ｂ、リニアガイド１２及び集光手段１３の現在の状態を特定し、Ｘ線を発生するために最適な状態に制御することができる。したがって、Ｘ線発生装置１ｂでは、より効率的にＸ線を発生することができる。

以上、各実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。

１ａ，１ｂ…Ｘ線発生装置
１０…レーザ光源
１１…ビームスプリッタ（分光手段）
１２…リニアガイド
１２ａ…第１ミラー
１２ｂ…第２ミラー
１３…集光手段
１４…反射ミラー
１５…制御手段
１６…ガスターゲット発生手段（発生手段）
１７ａ…発光手段（観測手段）
１７ｂ…受光手段（観測手段）
２０…レーザ光
２１…第１レーザ光
２２…第２レーザ光
２３…衝突点
２４…ガスターゲット
Ｌ１…第１光路
Ｌ２…第２光路

Claims

レーザ光を発生するレーザ光源と、
前記レーザ光源から発生されたレーザ光を、電子を加速させるための第１レーザ光と加速された電子に衝突させる第２レーザ光とに分光する分光手段と、
真空室中で第１レーザ光にプラズマを発生し、電子を加速する媒体であるガスを発生させる発生手段と、
前記分光手段で分光された第２レーザ光の光路に第１レーザ光及び第２レーザ光と干渉しないように設置され、それぞれ位置と回転角度を調節してこの第２レーザ光の光路を設定する２枚のミラーと、
第１レーザ光を利用して加速された電子と第２レーザ光とが衝突する位置を設定する集光手段と、
を備えることを特徴とするＸ線発生装置。
第１レーザ光を利用して加速された電子と第２レーザ光との衝突点の位置を観測する観測手段をさらに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。
前記観測手段の観測結果に応じて前記２枚のミラーと前記集光手段とを制御する制御手段とをさらに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。