JP2014523104A - レーザー−電子間の拡張相互作用を介する高フラックス且つ狭帯域のコンプトン光源 - Google Patents
レーザー−電子間の拡張相互作用を介する高フラックス且つ狭帯域のコンプトン光源 Download PDFInfo
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Abstract
Description
本出願は、米国仮特許出願第61/509,479号(発明の名称:非対称性のレーザー−電子干渉を介した高フラックスおよび狭帯域幅のコンプトン光源、出願日:2011年7月19日)を基礎にして優先権を主張する。上記米国仮特許出願を参照することにより、その開示内容が本願を援用する。本出願はまた、米国特許出願第12/506,639号(発明の名称:アイソトープの識別、アッセイ、および単一エネルギーのガンマ線源を用いた撮像を行うためのDual Isotope Notch Observer)(出願日:2009年7月21日)の一部継続(CIP)出願である。上記米国特許出願を参照することにより、その開示内容を本願に援用する。なお、米国特許出願第12/506,639号は、米国特許出願第11/528,182号(発明の名称:レーザー系トムソン放射による核共鳴蛍光を介したアイソトープ撮像、出願日:2006年9月26日、現米国特許第7,564,241号)のCIP出願である。上記米国特許出願を参照することにより、その開示内容を本願に援用する。なお、米国特許出願第11/528,182号は、米国仮特許出願第60/720,965号(出願日:2005年9月26日)を基礎にして優先権を主張する。上記米国仮特許出願を参照することにより、その開示内容を本願に援用する。
米国政府は、米国エネルギー省とLawrence Livermore National Security, LLCとの間で締結されたLawrence Livermore National Laboratoryの運営に関する契約第DE−AC52−07NA27344号に基づき本発明の権利を有する。
(技術分野)
本発明はコンプトン光源に関する。さらに具体的には、超狭帯域(lOE−3以下)且つ高ビームフラックスの準単一エネルギーのX線およびガンマ線を発生させるパルスフォーマット(pulse formats)および相互作用ジオメトリ(interaction geometries)に関する。
粒子加速器によって発生させた相対論的電子バンチに対してエネルギーレーザーパルスを衝突させるレーザーコンプトン散乱を介して、ガンマ線およびX線を発生させることができる。この相互作用の結果、電子ビームの方向に向かう高域偏移(up−shifted)光が発生する。正面衝突による高域偏移光のエネルギーは、電子の正規化したエネルギーの二乗に4を乗じて得られる値を照射レーザー光子のエネルギーに乗じて得られる値に等しい。数百MeVのエネルギーを帯びた電子によって、100万の高域偏移を発生させることが可能である。コンプトン散乱光は偏向している。また、コンプトン散乱光は、レーザー光子の色または電子バンチのエネルギーを変更することにより調節可能である。上記相互作用の結果発せられる光は多色性の光であるが、そのスペクトルは角度補正されている。狭開口にビームを通過させることにより、準単一エネルギーのビームを発生させることができる。こうして発生させた準単一エネルギーのビームの帯域は、レーザーの帯域に線形的に依存し、電子バンチのエネルギーの広がりに線形的に依存し、且つ電子ビームおよびレーザービームの焦点ジオメトリに依存する。
本発明は、レーザーコンプトン散乱しているX線またはガンマ線を用いて、明るく、調節可能で、且つ偏向している準単一エネルギーのX線またはガンマ線からなる高フラックスビームを発生させる。電子源は、間隔の空いた電子バンチからなる列(train)を発生させる。RF線形加速器は、電子バンチ列を加速させて、レーザー−電子ビーム間干渉の相互作用領域内へと導入させる。加速された各電子バンチがレーザー−電子ビーム間干渉の相互作用領域を通過する通過時間は、加速された電子バンチのパルス幅より大きくなり、且つ電子バンチ間の間隔よりも大きくなる。レーザー系は、上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を通過するレーザーパルスの通過時間と少なくとも同じ長さのパルス幅を有するレーザーパルスを発生させるように構成される。上記レーザー系は、レーザーパルスが上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を横断して上記列の全ての加速された電子バンチと相互作用するように構成される。いくつかのの実施形態では、上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域におけるレーザーパルスの単一パスが、列中の全ての加速バンチと相互作用するように、レーザーパルス幅は、間隔の空いた電子バンチからなる列の少なくとも全長と実質的に等しい。他の実施形態では、レーザーパルス幅は、間隔の空いた電子バンチからなる列の全長の約数と実質的に等しい。上記レーザー系は、レーザーパルスを上記約数の逆数と等しい所定の通過回数だけ上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を介して循環させるように構成される。電子バンチの間隔周波数は、RF周波数の各サイクルに電子バンチが存在するように、上記RF線形加速器のRF周波数と同一とするか、または相関させることが可能である。
添付の図面は、本願の開示内容に含まれて、その一部を構成するものである。添付の図面は、本発明の実施形態を示し、本願明細書と協働して本願発明の原理を説明する。
本発明は、超狭帯域幅(10E−3以下)且つ高ビームフラックスの準単一エネルギーのX線およびガンマ線を発生させる新規のパルスフォーマット(pulse format)および相互作用ジオメトリ(interaction geometry)を提供する。基本的な着想は、1)電子バンチの電荷を多数のより小さな電荷バンチに分散させること、2)相互作用の焦点サイズを拡大させて、相互作用領域を通過する電子バンチの通過時間を電子バンチのパルス幅よりも著しく長くさせ、且つ一連の電子バンチ間の間隔よりも著しく長くさせること、および3)相互作用領域を通過するレーザーの通過時間と同程度の長さ以上となるようにパルス幅が選択された長パルス幅のレーザーパルスを使用すること、の3つの要素を含んでいる。この方法では、1つのレーザーパルスが一度に多数(例えば100以上)の電子バンチと相互作用することが可能になるので、高フラックスを発生させる(実際には、レーザーのエネルギーが正しく調節された場合では、従来のジオメトリよりも高いフラックスを発生させる)。さらには、パルス幅の長いレーザーパルスは、パルス幅の短いレーザーパルスよりも帯域幅が狭くなっているので、レーザーによるガンマ線の帯域幅への寄与は減少する(通常は1000倍)。さらには、電子のバンチ電荷はより小さくなっているため、電子バンチの空間電荷依存エネルギー分散がより小さくなり、エネルギーの広がりがより小さくなるので、ガンマ線の帯域幅に対するe−ビームの寄与は減少する(通常、10以上の係数により減少する)。さらには、バンチ電荷がより小さくなっているため、電子ビームの質がより向上している。すなわち、通常は電荷の二乗根に比例するエミッタンスが低下している。低エミッタンスのビームは、所定のスポットサイズを焦点にしてより長い期間集束することが可能である。これにより、より長く且つよりコリメートなレーザー−電子ビーム間の相互作用が発生する。その後、上記レーザー−電子ビーム間の相互作用により、ガンマ線の帯域幅に対する集束寄与が減少(通常、上記係数と異なる係数10)する。最後に、電子ビームおよびレーザの焦点は比較的大きく、レーザーパルス幅は比較的長いため、相互作用領域内におけるレーザーパルスの強度は減少する(100倍以上)。したがって、ガンマ線源の帯域を広げる傾向を示す非線形効果も劇的に減少する。上記加速器からの出射後に電子ビームを集束させることが完全に不要になり、レーザービームのみを集束させればよくなる。一部のX帯域構造では、装置からの出射直後のビーム直径を100ミクロンとすることが可能であり、これはほぼ焦点領域内のレーザー直径である。電子ビームを集束させなくてもよいということは、集束用の四極子が不要になることを意味する。したがって、空間が節約されるとともに、複雑性が抑えられる。
Claims (22)
- 間隔の空いた電子バンチからなる列(train)を発生させる電子源;
上記電子バンチを加速させてレーザー−電子ビーム間相互作用領域内へと導入するよう構成され、加速された各電子バンチが上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を通過する通過時間は、加速された各電子バンチの持続期間よりも長く、且つ上記電子バンチ間の間隔よりも長い、RF線形加速器;および
上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を通過するレーザーパルスの通過時間と少なくとも同程度の長さのパルス幅を有するレーザーパルスを発生させるように構成されるレーザー系であって、上記レーザー系は、上記レーザーパルスが上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を横断して上記列中の全ての加速された電子バンチと相互作用することで、レーザーコンプトン散乱により発生する明るく、調整可能で、且つ偏向している準単一エネルギーのX線またはガンマ線からなる高フラックスビームを発生させるように構成される;
を備えている、X線またはガンマ線源。 - 上記レーザーパルスの幅は、上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域における上記レーザーパルスの単一パスが、上記間隔の空いた電子バンチからなる列中の全ての加速された電子バンチと相互作用するように、上記間隔の空いた電子バンチからなる列の少なくとも全長と実質的に等しくなっている、請求項1に記載のX線またはガンマ線源。
- 上記レーザーパルスの幅は、上記間隔の空いた電子バンチからなる列の全長の約数と実質的に等しく、
上記レーザー系は、上記レーザーパルスが上記約数の逆数に等しい所定の通過回数上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を介して再循環するように構成される、請求項1に記載のX線またはガンマ線源。 - 上記電子バンチの間隔周波数は、RF周波数の各サイクルに電子バンチが存在するように、上記RF線形加速器の上記RF周波数と等しいか、または相関している、請求項1に記載のX線またはガンマ線源。
- 上記RF線形加速器はX帯域内で操作される、請求項1に記載のX線またはガンマ線源。
- 上記加速器は、公称上約12GHzで操作される、請求項1に記載のX線またはガンマ線源。
- 上記加速器は、公称上約11.424GHzで操作される、請求項1に記載のX線またはガンマ線源。
- 上記ガンマ線は、10E−3以下の部分帯域幅を有する、請求項1に記載のX線またはガンマ線源。
- 上記電子源は、電子銃を備える、請求項1に記載のX線またはガンマ線源。
- 上記電子銃は、上記RF線形加速器の上記RF周波数において作動させるレーザーによって駆動される、請求項9に記載のX線またはガンマ線源。
- レーザーコンプトン散乱を介して発生する明るく、調節可能で、且つ偏向している準単一エネルギーのX線またはガンマ線からなる高フラックスビームを発生させる方法であって、
電子源を使用して、間隔の空いた電子バンチからなる列を発生させる工程、
RF加速器を使用して、上記電子バンチを加速させてレーザー−電子ビーム間相互作用領域内へ導入することにより、加速された電子バンチを発生させる工程であって、加速された各電子バンチが上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を通過する通過時間は、加速された上記電子バンチの持続期間より長くなり、且つ上記電子バンチ間の間隔より長くなる工程、および
レーザー系を使用して、上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を通過するレーザーパルスの通過時間と少なくとも同程度の長さの幅を有するレーザーパルスを発生させる工程であって、上記レーザー系は、上記レーザーパルスが上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を横断して上記列中の全ての加速された電子バンチと相互作用することで、レーザーコンプトン散乱により発生する、明るく、調節可能で、且つ偏向している準単一エネルギーのX線またはガンマ線からなる高フラックスビームを発生させるように構成されている工程
を備える、方法。 - 上記レーザーパルスの幅は、上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域における上記レーザーパルスの単一パスが、上記間隔の空いた電子バンチからなる列中の全ての加速された電子バンチと相互作用するように、上記間隔の空いた電子バンチからなる列の少なくとも全長と実質的に等しくなっている、請求項11に記載の方法。
- 上記レーザーパルスの幅は、上記間隔の空いた電子バンチからなる列の全長の約数と実質的に等しくなっており、
上記レーザー系は、上記レーザーパルスが上記約数の逆数と等しい所定の通過回数上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を介して再循環するように構成されている、請求項11に記載の方法。 - 上記電子バンチの間隔周波数は、上記RF周波数の各サイクルに電子バンチが存在するように、上記RF線形加速器のRF周波数と等しいか、または相関している、請求項11に記載の方法。
- 上記RF線形加速器は、X線帯域内で操作される、請求項11に記載の方法。
- 上記加速器は、公称上約12GHzで操作される、請求項11に記載の方法。
- 上記加速器は、公称上約11.424GHzで操作される、請求項11に記載の方法。
- 上記ガンマ線は、10E−3以下の部分帯域幅を有する、請求項11に記載の方法。
- 上記電子源は光子銃を備えている、請求項11に記載の方法。
- 上記光子銃は、上記RF線形加速器の上記RF周波数において作動するレーザーによって駆動される、請求項19に記載の方法。
- 上記電子バンチは、集束されていない、請求項11に記載の方法。
- 上記電子バンチは、上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域内において約100μmのビーム直径を有している、請求項21に記載の方法。
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