JP2013210377A

JP2013210377A - ビーム調整システム

Info

Publication number: JP2013210377A
Application number: JP2013101193A
Authority: JP
Inventors: Verman Boris; ヴァーマン、ボリス; Jinpei Harada; 仁平原田
Original assignee: Osmic Inc
Current assignee: Osmic Inc
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2013-10-10
Also published as: JP5392982B2; US7076026B2; WO2004114325A3; DE602004012562D1; WO2004114325A2; DE602004012562T2; JP2007528486A; EP1642304A2; US20050025281A1; EP1642304B1

Abstract

【課題】結晶を使用してＸ線ビームを調整するための、改良されたＸ線光学システムを提供すること。
【解決手段】本発明は、その１つが結晶である２つの光学要素を含んだカークパトリック・バエズ型の回折光学部品を有したＸ線ビーム調整システムを提供する。要素は、隣り合わせの構成で配置される。結晶は、完全結晶とすることができる。１つ又は両方の回折要素は、モザイク結晶とすることができる。１つの要素は、マルチレイヤ光学部品とすることができる。たとえば、マルチレイヤ光学部品は、格子面間隔が徐々に変わる楕円形ミラー又は放物線状ミラーとすることができる。徐々に変わる格子面間隔は、横方向に徐々に変わる、又は深さ方向に変わる、いずれか又はその両方とすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、２００３年６月１３日出願の米国仮特許出願第６０／４７８，４６０号の恩恵を受けることを主張するものであり、その全内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。

本発明は、一般にＸ線ビームを調節するためのＸ線光学システムに関する。より詳しくは、本発明は、Ｘ線ビームを２方向で反射するための光学システムに関する。

２次元の調整されたＸ線ビームの使用が必要な、いくつかのＸ線の用途がある。たとえば、放射線治療システムは、Ｘ線ビームを利用してがん組織を破壊し、Ｘ線の回折又はマイクロ回折解析システムは、サンプル結晶にＸ線を向けて放射して、格子構造を表す回折パターンを発生し、蛍光Ｘ線及び分光システムは、誘導され調節されたＸ線ビームを使用する。

カークパトリック・バエズ型の光学構成が、Ｘ線ビームを２方向に独立して反射するために提案されてきた。カークパトリック・バエズ構成では、少なくとも２つの光学要素が、その子午線の軸が直角になるように、連続して配向される。２つの放物線状の光学要素を使用して、カークパトリック・バエズシステムは、点放射源からの放射を捕捉し、それを平行ビームにすることが可能である。楕円光学系が設けられて、カークパトリック・バエズシステムは、その焦点にある点放射源を使用して完全なポイント・イメージを反射する。

マルチレイヤ反射光学系の製造のより最近の開発はカークパトリック・バエズ型光学システムのさらなる開発に至っている（たとえば、特許文献１、非特許文献１参照）。たとえば、修正カークパトリック・バエズシステムは、連続して順序付けられたマルチレイヤ光学系を含み、慣性閉じ込め融合のもののために提案されている。

カークパトリック・バエズ構成でのマルチレイヤ・ミラーの使用によって、効率が高められるが、このタイプのシステムは、最適ではない。というのは、放射源から異なる距離に配置されたミラーが、異なる捕捉角を有し（すなわち、放射源から遠く配置されたミラーは、効率がより低い）、さらに、ビームの収束及びイメージ・サイズが、２つの面上で異なり、変成作用として知られた現象が引き起こされることになるからである。

効率を向上させ、変成作用に対抗するために、提案された共焦点光学システムは、隣り合った構成で組み立てられたペアのマルチレイヤ・ミラーを使用する。隣り合ったカークパトリック・バエズマルチレイヤ光学部品は、収束が低いビームを要求する用途には最適である。しかし、ビームがより強く収束しても容認する、又は収束がまったく限定されない他の用途がある。そのような用途の例には、マイクロ蛍光Ｘ線解析（ＭＸＲＦ）及び収束するＸ線ビームを利用してがん組織を破壊する放射線治療システムが含まれる。これらの用途では、高フラックスが要求されるが、マルチレイヤ光学部品によって、その格子面間隔が比較的広いため、高捕捉角を提供する能力が限定されてきた。

結晶は、Ｘ線を反射することも可能である。その天然の周期構造並びにマルチレイヤ構造の周期構造によって、次のブラッグ方程式に従ってＸ線が回折される。
ｎλ＝２ｄｓｉｎθ （１）
ここで、ｎは反射次数を記述する整数であり、λはＸ線の波長であり、ｄは回折要素の格子構造の空間周期数である。いわゆるヨハンソン型結晶は、楕円形で段階的に変わる格子面間隔のマルチレイヤに類似して、回折面上で正確に合焦させる。

結晶がマルチレイヤより極めて狭い格子面間隔を有することは、注目に値する。これによって、その基礎となるＸ線光学要素に基づく、高捕捉角を有した自由な設計が可能になる。たとえば、ヨハンソン型結晶は、理論的に４θまでの捕捉角を有することができる。

米国特許第５，７９９，０５６号明細書

Ｚｉｅｇｌｅｒ他著、「物理研究における核計測及び方法（ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｉｎＰｈｙｓｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈ）」、Ａ４６７〜４６８（２００１）、９５４〜９５７ページ

しかし、結晶には、これまで、いくつかのＸ線関連分野においてその用途を限定してきたいくつかの欠点がある。完全結晶のロッキング・カーブ（すなわち、要素が平行ビームを反射することができる角度範囲）が狭いので、有限サイズの焦点から利用することができるフラックスが限定される。モザイク結晶は、小さめの反射率及び大きな侵入度を有し、それは鋭い合焦を必要とする用途には都合が悪い。

両方のタイプの結晶は、軸平面（回折面に対して直角な平面）上でアクセプタンスが限定的であり、Ｘ線が回折面に平行でないとき、このアクセプタンスは、著しく低下する。この最後の特性によって、狭い格子面間隔及び小さいロッキング・カーブを有した２つの回折要素を有した光学システムが、無効にされる。これまでこれらの限定する要因によって、結晶の組み合わせを有した光学系が、特定のＸ線用途において無力にされていた。

上記のことから、結晶を使用してＸ線ビームを調整するための、改良されたＸ線光学システムが必要であることが分かる。

本発明は、少なくとも１つが結晶である２つの光学要素を含んだカークパトリック・バエズ（すなわち、共焦点）の回折光学部品を有したＸ線ビーム調整システムを提供する。この要素は、隣り合った構成で配置される。結晶は、完全結晶とすることができる。１つ又は両方の回折要素は、モザイク結晶とすることができる。１つの要素は、マルチレイヤ光学部品とすることができる。たとえば、マルチレイヤ光学部品は、段階的に変わる格子面間隔を有した楕円形ミラー又は放物線状ミラーすることができる。段階的に変わる格子面間隔は、格子面に沿った横方向に変わる、又は格子面に垂直な深さ方向に変わる、そのいずれか又はそのどちらにもすることができる。
また、本発明は、第１のアクティブ領域（５４）を有した結晶である第１の回折要素であって、この結晶が、第１の反射面（４６）上でビーム・ラインに沿って配置され、このビーム・ラインが、原点（５０）から送出されるＸ線フィールドによって画定されるようになった、第１の回折要素（４２）と、第２のアクティブ領域（５６）を有した第２の回折要素（４４）であって、この第２の回折要素が、第１の反射面に直角な第２の反射面（４８）上で上記ビーム・ラインに沿って配置され、この第２の回折要素が、上記ビーム・ラインに沿って少なくとも部分的に第１の回折要素と重なり、第１のアクティブ領域が、入射ビームを第２のアクティブ領域へ反射するようになった、第２の回折要素（４４）とを含むＸ線ビーム調整システムを提供する。

数ある利点の中で特に、いくつかのＸ線光学システムの実装形態は、高フラックス動作に最適な直交した共焦点の構成で、マルチレイヤＸ線光学部品を結晶と組み合わすことができる。

合焦回折要素からの反射の概略図である。本発明による、カークパトリック・バエズの隣り合った構成での２つの合焦回折要素からの反射の概略図である。

他の特徴及び利点が、以下の説明及び特許請求の範囲から明らかになるはずである。

様々な回折Ｘ線光学要素の効率の解析が、本発明を理解するための基礎になる。簡単のため、円柱形の反射面を有し、回折面上で点放射源からポイント・イメージへＸ線を合焦させる能力を有した１つの回折要素を考える。そのような回折要素の実施例は、ヨハンソン型結晶及び格子面間隔を適切に段階的に変えた楕円形マルチレイヤである。単色光Ｘ線源からＸ線を受け取り、その方向を変えるこれらの光学要素の能力は、次のように記述することができる。
ε＝ｆ・α・β・Ｒ（２）
ここで、ｆは、回折要素が放射源サイズのどの部分からの放射を利用することができるかを記述した係数であり、α及びβは、回折面及び軸平面上のアクセプタンス角であり、Ｒは要素反射率である。

放射源焦点の使用効率ｆは、放射源の空間強度分布及び回折要素の角度アクセプタンスのたたき込み積分として計算することができる。しかし、２つの極端なケースでは、ｆは、簡単な解析的式によって表すことができる。回折要素から見た放射源の角度サイズνは、角度アクセプタンスδθより極めて大きく、したがってｆは、次のように計算することができる。

しかし、回折要素の角度アクセプタンスδθが、放射源の角度サイズνより極めて大きいとき、ｆは、１に等しい。回折要素の角度アクセプタンスは、そのロッキング・カーブと同一である。放射源の角度サイズは、次のようになる。

ここで、Ｆは、回折面上の放射源の有効幅であり、Ｌは、放射源から回折要素までの距離である。

回折面上の角度アクセプタンスαは、回折要素の長さｌ及びブラッグ角θによって定義される、すなわち、

式（５）は、ヨハンソン型結晶及び楕円形マルチレイヤ両方に適切な表現である。各回折要素は、そのうえ軸平面上に限定されたアクセプタンスを有し、それは、放射線が回折面外で伝播するとき、入射角の変化によって引き起こされる。

図１に示す１つの要素の光学システム１０は、たとえばヨハンソン型結晶、ヨハンソン型結晶や対数うずまき結晶などの光学要素１６に向けてＸ線１３を放射する放射源１２を含む。光学要素１６は、Ｘ線１３を焦点１４へ回折させる。放射源１２及び焦点１４は、合焦円２０上に位置する。

光学要素１６上のストリップ１８が、入射角が光学要素のロッキング・カーブの半分より小さく変化する領域を定義する。このストリップ１８の下及び上の領域は、ビームを実際反射しない。というのは、入射角の変化が、ロッキング・カーブと比較してあまりにも大きいからである。軸平面上のこの回折要素の角度アクセプタンスβは、次のように記述することができる。

いくつかの他の条件、たとえば開口部又は角度放射源分布が、軸平面上での放射の使用量を限定することがある。そのようなケースでは、βは制約事項のもっとも小さいものである。

放射源の焦点が大きい場合と小さい場合（たとえば式３及び４参照）についてともに計算した様々な光学構成及び光学要素の効率は、以下の表１に示す。その構成には、１つの光学要素、隣り合った共焦点構成（すなわち、カークパトリック・バエズ構成）での類似の光学要素のペア、及び隣り合った共焦点構成でマルチレイヤ及び結晶要素を含んだ光学要素の混合のペアが含まれる。

代表的な光学要素は、１つの回折要素として、ゲルマニウムＧｅ１１１の結晶、２０Åの中心格子面間隔を有したマルチレイヤ、フッ化リチウムＬｉＦ２００の結晶、及び熱分解グラファイトＣ０００２の結晶である。ここに示すように、熱分解グラファイトは、大きい及び小さい放射源両方について優れた効率をもたらし、マルチレイヤの効率は、放射源が大きいとき、Ｇｅ結晶及びＬｉＦ結晶の効率を超える。

共焦点光学構成の効率を計算するために、１つの要素についての回折面上の捕捉角が、第２の要素についての軸アクセプタンスの角度と考える。しかし、軸アクセプタンスの角度の式（６）は、共焦点構成には正しくない。というのは、回折面上にない変位が、両方向に対称的に起こると仮定し、それは共焦点構成ではそうではないからである。

図２は、隣り合って直交した形で配置された第１の光学要素４２と、第２の光学要素４４とを有した共焦点（又はカークパトリック・バエズ）の光学構成４０の概略図である。第１の光学要素４２は、合焦円４６を画定し、第２の光学要素４４は、合焦楕円４８を画定する。第１及び第２の光学要素４２、４４は、合焦円４６が、合焦楕円４８の焦点を２回、１回は放射源５０で、もう１回はイメージ位置５２で交差するように配置される。

一実施例では、第１の光学要素４２は、結晶であり、第２の光学要素４４は、マルチレイヤ光学部品である。図２を再び参照すると、結晶作用面５４は、垂直であり、マルチレイヤ作用面５６は、水平であり、合焦円４６の下に位置する。ここに示すように、結晶のブラッグ角θｃは、焦点からミラー面への、及びその反対も同様に、Ｘ線の入射角の軸方向成分を定義する。２つの光学要素の円柱形作用面が交差し、光学部品の作用コーナ、すなわち結晶の作用面５４及びマルチレイヤの作用面５６上にそれぞれ示す２つのストリップ５８及び６０を構築する。

光学要素両方の軸方向成分は、その対応する回折面に対して対称的でないことに留意されたい。これらの条件において回折要素の軸アクセプタンスを見出すために、式（６）を書き直すと次になる。

又は次になる。

式（７）及び（８）では、βは、放射線と要素の回折面との角度であり、Δθは、ブラッグ角からの入射角の対応する変位である。軸角度の微小変位ｄβによって引き起こされる入射角変化の強さｄ（Δθ）は、微分されて、次になる。
ｄ（Δθ）＝β・ｔａｎθ・ｄβ （９）

ｄ（Δθ）＝δθが、その回折面上の要素の角度アクセプタンスの場合、平均軸角度βでのその軸アクセプタンスは、次になる。

共焦点の光学構成では、結晶軸角度βｃが、ミラーのブラッグ角θｍによって次のように定義される。
βｃ＝ａｒｃｔａｎ（ｔａｎθｍ・ｃｏｓθｃ）（１１）、及び
βｍ＝ａｒｃｔａｎ（ｔａｎθｃ・ｃｏｓθｍ）（１２）
ここで、θｍ及びθｃは、ミラー及び結晶のそれぞれのブラッグ角である。垂直面上での共焦点光学部品のアクセプタンス角は、ミラーの捕捉角及び結晶の軸アクセプタンス角によって定義され、これらの２つの角度の小さい方が効率計算用に使用される。２つの直角な回折面上の類似の又は異なる要素に基づく共焦点光学部品の効率は、上記の式に基づき計算することができる。

その計算結果も表１に示してある。やはり、グラファイトが最高の効率をもたらすことが分かる。しかし、これらの計算の重大な結果は、マルチレイヤと、完全結晶（Ｇｅ）又はモザイク結晶（ＬｉＦ）のいずれかとを含んだ混合の光学部品が、２つに面上に２つの類似の構成要素を有した純粋の共焦点光学部品より高い効率をもたらすということである。

たとえば、大きな放射源を使用して、Ｇｅの共焦点光学部品が、マルチレイヤ光学部品の８．１Ｅ−９の効率と比較して、１．８Ｅ−１３の効率を有する。しかし、１つの面上にマルチレイヤ、及び他の面上にＧｅを有した混合光学部品は、効率が２．０Ｅ−８である。この後者の構成は、特に重要である。というのは、マルチレイヤ及びＧｅ結晶に基づく光学系は、正確に合焦させ効率を高めることができるからである。

以下のことは、数ある中の、共焦点構成で高効率をもたらす回折要素の組み合わせの実施例である。すなわち、格子面間隔が狭くモザイク性が高い２つのモザイク結晶の組み合わせ、マルチレイヤ・ミラー、並びに格子面間隔が狭いモザイク結晶又は完全な結晶の組み合わせ、格子面間隔が広いモザイク結晶、並びに格子面間隔が狭いモザイク結晶又は完全な結晶の組み合わせである。

狭い／広い格子面間隔及び低い／高いモザイク性の定義は、平行ビームに対する特定の要求に依存する。たとえば、約１０Åより広い格子面間隔及び約５から１０の分角より大きいモザイク性は、それぞれ広い格子面間隔及び高いモザイク性と考えることができる。

ヨハンソン型結晶、及び格子面に沿った横方向及び格子面に垂直な深さ方向に段階的に変わる格子面間隔を有した楕円形マルチレイヤ・ミラーを含んだ共焦点光学部品は、１つの好ましい構成である。このタイプの光学部品は、収束合焦ビームを形成するための有効な回折構成要素である。１つの特に有効な混合の共焦点のマルチレイヤ／結晶の光学部品を具現化するのは、たとえば、高収束ビームの反射率測定のために、１つの面上に強く収束するビームが所望のときである。

格子面に沿った横方向及び格子面に垂直な深さ方向に段階的に変わる格子面間隔を有した放物線状マルチレイヤ・ミラーは、平行ビームを形成するための最適な回折要素である。１つの面上でビーム拡散の要求が他の面におけるより厳しいとき、極めて非対称なヨハンソン型結晶を使用して準平行ビームを形成することができる。さらに、本発明の様々な実施例は、他の多数の回折光学構成要素を使用して、準平行ビームを形成することができる。

２つの回折要素の長さ及び中心位置は、一致することがあり、それらは異なることもある。したがって、２つの回折要素のいくつかの領域は、本発明の実施例によって、重なり、隣り合った共焦点の光学部品を生成する。

本発明の混合の共焦点光学部品は、米国特許第６，０１４，４２３号に記載されているように、２つ、４つ、又は倍数の作用コーナを含むことができ、その特許の内容は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。

最後に、本発明のＸ線光学システムのいくつかの実装形態は、Ｘ線ビームを純化しＸ線シールドを簡単化するために、入射及び出射開口部を含むことができる。

上記に述べた実施例が、本発明の多数の可能な具体的な実施例のいくつかのみを例示するだけであることは、当業者に明らかなはずである。多数の様々な他の構成は、特許請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲を逸脱せず容易に当業者によって考案することができる。

Claims

Ｘ線ビーム調整システムであって、
第１の回折要素（４２）と、第２の回折要素（４４）とを隣り合った構成で含むカークパトリック・バエズの光学部品（４０）を含み、
１つの回折要素が結晶である
Ｘ線ビーム調整システム。
両方の回折要素（４２、４４）が、約５の分角より大きいモザイク性および約１０Åより狭い格子面間隔を有したモザイク結晶である、請求項１に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記第１の回折要素（４２）が結晶であり、該結晶が、完全結晶及びモザイク結晶からなる群から選択され、約１０Åより狭い格子面間隔を有する、請求項１に記載のＸ線ビーム誘導システム。
前記第２の回折要素（４４）がマルチレイヤ光学部品である、請求項３に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記第２の回折要素（４４）が、約１０Åより広い格子面間隔を有したモザイク結晶である、請求項３に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記第２の回折要素（４４）が、楕円形ミラー及び放物線状ミラーからなる群から選択されるマルチレイヤ光学部品であり、段階的に変化する格子面間隔を有する、請求項１に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記段階的に変わる格子面間隔が、格子面に平行な横方向に変わる、請求項６に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記段階的に変わる格子面間隔が、格子面に垂直な深さ方向に変わる、請求項６に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記段階的に変わる格子面間隔が、格子面に平行な横方向に変わり、格子面に垂直な深さ方向に変わる、請求項６に記載のＸ線ビーム調整システム。
少なくとも１つの回折要素が、非対称のヨハンソン型結晶である、請求項１に記載のＸ線ビーム調整システム。
少なくとも１つの回折要素が、ヨハンソン型結晶、ヨハン型結晶、又は対数結晶である、請求項１に記載のＸ線ビーム調整システム。
両方の回折要素（４２、４４）が、前記Ｘ線ビームが放射される原点から等距離にある、請求項１に記載のＸ線ビーム調整システム。
高収束がもたらされる平面上で使用するために、少なくとも１つの回折要素が、約１０Åより狭い格子面間隔を有した結晶である、請求項１に記載のＸ線ビーム調整システム。
少なくとも２つの作用コーナをさらに含む、請求項１に記載のＸ線ビーム調整システム。
入射開口部及び出射開口部をさらに含む、請求項１に記載のＸ線ビーム調整システム。
Ｘ線ビーム調整システムにおいて、
第１の回折要素（４２）であって、前記第１の回折要素（４２）が、第１の作用面（５４）を有した結晶であり、前記結晶が、第１の反射面（４６）上でビーム・ラインに沿って配置され、前記ビーム・ラインが、原点（５０）から送出されるＸ線フィールドによって画定される、第１の回折要素（４２）と、
第２の作用面（５６）を有した第２の回折要素（４４）であって、前記第２の回折要素が、前記第１の反射面に直角な第２の反射面（４８）上で前記ビーム・ラインに沿って配置され、前記第２の回折要素が、前記ビーム・ラインに沿って少なくとも部分的に前記第１の回折要素と重なり、前記第１の作用面が、入射ビームを前記第２の作用面へ反射する、第２の回折要素（４４）と
を含むＸ線ビーム調整システム。
前記第１の回折要素（４２）及び前記第２の回折要素（４４）が、それぞれ第１の中心点及び第２の中心点を画定する、請求項１６に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記第１の中心点及び前記第２の中心点が、前記原点（５０）から等距離にある、請求項１７に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記第１の中心点が、前記原点（５０）から第１の距離に配置され、
前記第２の中心点が、前記原点（５０）から第２の距離に配置され、
前記第１の距離が、前記第２の距離より短い、請求項１７に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記第１の中心点が、前記原点（５０）から第１の距離に配置され、
前記第２の中心点が、前記原点（５０）から第２の距離に配置され、
前記第１の距離が、前記第２の距離より長い、請求項１８に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記第２の回折要素（４４）が、マルチレイヤ光学部品である、請求項１７に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記マルチレイヤ光学部品が、楕円形に湾曲する、請求項２１に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記マルチレイヤ光学部品が、放物線状に湾曲する、請求項２１に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記マルチレイヤ光学部品が、球面状に湾曲する、請求項２１に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記マルチレイヤ光学部品が、段階的に変わる格子面間隔を有する、請求項２１に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記段階的に変わる格子面間隔が、格子面に平行な横方向に変化する、請求項２５に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記段階的に変わる格子面間隔が、格子面に垂直な深さ方向に変化する、請求項２６に記載のＸ線ビーム調整システム。
前記段階的に変わる格子面間隔が、格子面に平行な横方向に変わり、格子面に垂直な深さ方向に変わる、請求項２６に記載のＸ線ビーム調整システム。