JP3057378B2 - 高強度小径ｘ線ビームの毛細管光学システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 連邦後援研究下の権利に関する宣言 本発明は、商務省査定の契約番号第70NANB2H1250号の
下に政府の支援でなされたものである。従って、本発明
については米国政府が一定の権利を有する。

発明の属する技術分野 本発明は、広くＸ線の分野に係る。特に、本発明はＸ
線光学の分野に関する。本発明は、高強度で小径のＸ線
ビームを生成する毛細管Ｘ線光学装置/X線源システムの
性能改良のための装置と方法とを提供する。

技術的背景 試料がＸ線回折のような種々なＸ線技法で分析される
ときには、試料に当たるＸ線ビームの大きさは、試料の
サイズと同じオーダーのものであるか、或いは被試験試
料の上のスポットと同じオーダーのものであることが望
ましい。ビームのサイズに関するこの規準は、望ましか
らざるフォトンによって生成されるバックグランドノイ
ズを最小化しながら空間的な解像を最大化するので、重
要なものである。多くの場合、例えば蛋白結晶のＸ線回
折の場合のように、試料のサイズが非常に小さいので、
従来型のＸ線回折装置は効果的には機能していない。こ
のような小さな試料を分析するために伝統的な実験室の
Ｘ線源が使用される場合には、適切なサイズのビーム
は、典型的には視準法によって得られる。これは、鉛の
ようなＸ線吸収材料の中にあけられたピンホールを通過
するＸ線ビームのようなものを含んでいる。また、低い
ビーム発散が望ましいので、これらのピンホールは、ビ
ーム源から有意な距離だけ離れたところに設置されなけ
ればならない。これは、ビーム源からの収集立体角が極
めて小さいことを意味する。これは、次いで試料に到達
するビーム強度が極めて低い結果をもたらし、ビーム強
度の低いことの１つの重大な欠点は、測定時間を極端に
長いものにする可能性のあることである。幾つかの試料
に対しては、これは単に不便なだけである。しかしなが
ら、比較的短い寿命を有する蛋白結晶のような試料に対
しては、この分析期間の長期化が、分析技法を役立たな
いものにする可能性がある。全てのケースにおいて、測
定時間の長期化は、信号ノイズ比の減少をもたらす。ま
た、商用の分析作業にとっては、分析時間の最小化によ
る試料のスループットの最大化を図ることが重要であ
る。かくして、より短い分析時間は、実質的な金銭上の
報酬をもたらすことができる。

この技術においては、Ｘ線源からより多くのＸ線を取
得するために、陽極上により大きなスポットサイズが必
要であることはよく知られている。かくして、従来から
の知恵は、試料に発せられるパワーの増強のために、光
学設置の有無のいづれにおいても、より大きなスポット
サイズを有するより強力な線源を使用するべきことを口
述している。続く一般的なルールは、熱源のスポットサ
イズが分析される試料のサイズであるべきということで
ある。

当業界では、単一の中空ガラスの毛細管が非常に小さ
な寸法のＸ線ビームを形成し得ることは知られており、
例えばP.B.ヒルシュ及びJ.N.ケラーと物理学協会報第64
巻第369頁（1951年）を参照されたい。出射のスポット
サイズを更に制限するべく、これらの単一の中空ガラス
の毛細管にテーパを付けることも、この技術ではまた知
られており、E.A.スターン他の応用光学第27巻第5135頁
（1988年）を参照されたい。しかしながら、これらの装
置は、両者共、線源の非常に少ない部分からのＸ線を捕
捉するに過ぎない。かくして、これらの装置の使用は、
また、必要とされるよりもより低い強度のＸ線ビームを
もたらすことになる。テーパ付の装置の尚他の１つの欠
点は、最小のＸ線のスポットサイズが正に装置の先端の
ところに配置されていることである。このことが、試料
の位置取りの上での厳格な制約を設けている。加えて、
これらの単一のテーパ付きの毛細管は、かなりの発散を
伴った上で小さなスポットを形成するに過ぎない可能性
を有している。回折実験に対しては、しばしば平行ビー
ムが必要となる。

また、この技術では、多重繊維の多重毛細管のＸ線光
学装置が知られている。これらの装置は、より一般的な
タイプのクマクホフ光学装置として知られているＸ線及
びニュートロンの光学装置の特別なクラスを形成する。
例えば、クマクホフに普通に付与された米国特許第5,19
2,869号公報を参照されたい。この特許の中には、高流
量の疑似平行ビームを生成するために、曲げられた多重
繊維を有する光学装置が開示されている。これらの光学
装置は、発散線源から大きな立体角のＸ線を捕らえるこ
とができるが、その小さなスポットの熱源から捕捉する
可能性又は小さな寸法の出力ビームを形成する可能性
は、個々の多重毛細管繊維の相対的に大きな外径によっ
て制約を受ける。この繊維の外径は、0.5mmのオーダで
ある。この繊維の外径のために、これらの多重繊維光学
装置は、大略150mmの最小の入射焦点距離を有する。ガ
ラスに対する8KeVにおける全外部反射の臨界角度は４ミ
リラジアンである。多反射後の有効な透過は、フォトン
が近似的に臨界角度の半分にあるときにのみ得られる。
その結果、0.5mm外径の繊維を使うと、幾何学は、100μ
ｍ程度の小さな線源によって外部光路が有効な伝送を行
うために、熱源−光学装置間の距離が少なくとも150mm
がなければならないことを示している。この相対的に長
い入射焦点距離のために、線源からの大きな角度範囲の
Ｘ線を捕えるためには、入射直径が比較的大きくなる必
要があり、これが次いで出射ビームの最小径及び最大強
度（即ち、単位面積当りのフォトン数）を拘束してい
る。0.15ラジアンの捕捉角度を有する疑似平行ビームを
形成する多重繊維の多重毛細管の光学装置に対する最小
ビーム径は、30mmのオーダである。かくして、これらの
光学装置は、蛋白結晶構造の解析のような小試料の回折
実験に対して必要な、強力な小さな径のＸ線ビームを生
成するのには適切でない。集光光学装置にとって、大き
な繊維径のために、最小集光スポットサイズは、0.5mm
のオーダの直径を有する。

発明の目的 かくして、主題の発明の目的は、実験室ベースでの小
径の高強度のＸ線ビームに対する技術で長い間感じてい
た要求の解決を提供することである。本発明の他の目的
は、装置の出力端から離れた位置に分析試料を設置する
のを許容することである。本発明のさらに他の目的は、
最小の発散を有して高度な平行度を保持する小さな強力
なＸ線ビームを提供することである。本発明のさらに他
の目的は、小さな高強度の焦点を結ぶＸ線のスポットを
生成することにある。本発明の他の目的は、相対的にコ
ンパクトでコスト効果のあるシステムの中に、これらの
有利性を備えることにある。

発明の概要 主題の発明は、 １） フォトンのエネルギー、線源の直径、及び光路の
直径に関して、最小化されててスケールダウンされた入
出射径を有するモノリシックな多重光路の毛細管光学装
置と、 ２） 望みの出射ビーム径に対して、光学装置の出射強
度を最大化させるよう設計されるスポットサイズを有す
るＸ線源とを、 備えてなり、入念に設計されたＸ線源／毛細管光学シス
テムを以って、これらの目的を達成する。

特別に設計された光学装置は、Ｘ線源に対して60mm以
内のところに配置される。

モノリシックな光学装置は、本質的には集合された一
体構造のものであり、この一体構造の中で繊維の光路は
その全長に亘って近接梱包された自己整列性を有してい
る。光学装置の入射端において、光路は、実質的にＸ線
源にねらいをつける方向に向けられている。光学装置の
出射端は、本発明の利用意図に基づいて、収束ビーム或
いは疑似平行ビームのいずれかを形成するような形状に
できる。

この比較的小型の線源は、力強さは比較的小さいが、
Ｘ線の面積密度の増大を提供する。このモノリシックな
光学装置は、各個別の光路が線源スポットに対して、よ
り効率的に配列され得るがために、小さなスポットのＸ
線を効率的に捕えることを可能にする。驚くことに、モ
ノリシックな毛細管光学装置の優秀なＸ線収集能力と組
合された時の、小さなスポットを有する比較的パワーの
小さい線源は、光学装置を使用して、或いは使用しない
で大きなスポットを有する比較的大きなパワーの線源を
利用することと比較すると、光学装置の出射端における
Ｘ線を比較的高強度にすることが可能であるということ
を発見した。

それでは、本発明の背後にある基本的な概念が何であ
るかといえば、それは、線源からＸ線を捕え続けること
と、望みの高強度の小さな直径を有するビームを生成す
るために、フォトンを比例的により小さくした出射空間
に絞り出すこととである。このことは、既存の光学装置
を有意なまでに設計することと、使用されるＸ線源を改
変することを必要としている。第１の改変は、光学装置
の入射直径を、一般に知られているものから減少させな
ければならないことである。本発明に対する１つの決定
的なポイントは、光学装置の入射端に進入するフォント
の量を同一に保持するために、同一の捕捉立体角度を維
持すべく、光学装置をＸ線源により近いところに移動さ
せなければならないことである。主題の発明の固有の入
射焦点距離は、最良の多重繊維の多重毛細管の光学装置
に要求されている大略150mmの半分より小さいものであ
る。より近いところに移動させ、１つの共通点を全てが
にらむようにした、より小さな入射径のものを使用する
ことは、この光学装置が、線源のより小さな部分を“凝
視する”であろうことを意味する。かくして、主題の発
明の他の１つのキー要素は、パワー密度を増大させるた
めに、つまり光学装置がフォトンを捕える線源の領域か
らのＸ線の生成量を増大させるために、線源のスポット
を縮小することである。このことは、線源から発生する
Ｘ線の全体の数量が減少するという事実にも拘わらず実
現される。この発明は、存在するＸ線パワーのより効率
的な利用を提供する。

図面の簡単な説明 本発明のこれら及び他の目的、効果及び特徴は、添付
の図面との関連で考える時に、以下の本発明の特定の好
適な実施例の詳細な記述から、より容易に理解されるで
あろう。これらの図面において、 図１は、Ｘ線源の概略図であり、 図２は、スポットサイズ径の函数としてのパワー密度
と全体パワーとのグラフであり、 図３は、多重繊維の多重毛細管の光学装置を表示し、 図４は、本発明によるモノリシックな毛細管光学装置
及び線源を表示し、 図５は、本発明によるモノリシックな毛細管光学装置
の、他の１つの実施例を表示するものである。

本発明を実施する最良形態 今、図１を参照すると、典型的なＸ線源の基本要素が
図示されている。フィラメント10は、電圧印加により、
電子12が熱放射されるような温度に加熱される。これら
の放射電子は標的材料16で覆われている陽極14との電位
差によって加速され、スポットサイズ18と呼ばれる陽極
の所定の表面両域内の標的材料に衝突する。Ｘ線20は、
加速された電子と標的材料の原子との間の衝突の結果と
して陽極から放射される。スポットサイズを制御するた
めに、電磁的収束手段22が電子放射フィラメント10と陽
極14との間に配置され、その結果、電子ビームは電磁的
収束手段の影響領域の中を通る。２ミクロン以下のスポ
ットサイズを有するＸ線源は、市販品の利用が可能であ
る。しかしながら、電子スポットサイズが減少するのに
つれてＸ線の生成量も減少する。

図２は、線源のＸ線パワー（Ｘ線の生成量）とパワー
密度（パワー／スポット面積）が、スポットの直径と共
に如何に変化するかを示している。グラフの右側上に
は、全体のパワーに対する垂直なリニアスケールが使用
されていることに着目すれば、全体のパワー曲線26の下
方尾部24から、非常に小さなスポットサイズに対して
は、全体のパワーがスポットの直径と共にほぼリニアに
減少していると見ることが可能である。今度は、注意を
パワー密度曲線28に向けて、この曲線に適用されるグラ
フの左側上の垂直スケールが対数尺であることに着目す
れば、パワー密度とスポットの直径との間に逆数関係の
あることを見ることが可能である。この理由は、全体の
パワーがスポットの直径に比例して変化する一方で、面
積はスポットの直径の２乗に逆比例して変化することに
ある。かくして、全体のＸ線の生成量が減少してさえ、
パワー密度はスポットサイズの減少につれて増大すると
見ることが可能である。

モノリシックな毛細管光学装置は、増強されたパワー
密度の小さなスポットのＸ線源の効果的な利用に、無比
の可能性を与える。かくして、比較的小さなスポットの
線源と適切に設計された主題の発明のモノリシックな毛
細管光学装置との組合せは、小さな直径の出射Ｘ線ビー
ムの強度の実質的な増大をもたらし得る。

特定の設計パラメータは、使用されるＸ線のエネルギ
ーに応じて変化する。２つのタイプのシステムを特に指
摘しておく。第１は、非常に強烈な小さな直径の疑似平
行ビームが形成されるシステムであり、第２は、非常に
小さな強烈な集束Ｘ線のスポットが形成されるシステム
である。全てのケースにおいて、主題の発明によって定
義されるタイプのシステムは、線源と光学装置との距離
が大いに減少されていることに基づいて、従来の技術の
システムからは容易に区別され得るものである。図３
は、Ｘ線源30と、多重繊維の多重毛細管の光学装置32と
を示す。多重毛細管の繊維33が線源30からの放射線を効
率良く捕捉するために、毛細管の収光角度34は全外部反
射に対する臨界角度より小さいものでなければならな
い。この角度は、Ｘ線のエネルギーに依存するものであ
る。0.5mm近辺の多重毛細管の外径を有する大略8keVの
光学装置の典型的な例に関しては、単純な幾何学的思考
によって、光学装置は線源から少なくとも150mm離れた
ところに設置されなければならないという結論が引き出
される。主題の発明は、この距離の半分よりも大きくな
い距離だけ線源から離れている光学装置によって定義付
けられる。

主題の発明の第１の実施例は、図４に示されている。
高強度の小さな直径のＸ線ビームを生成するためのシス
テム40は、２つの主構成部品、即ち、小さなスポットの
Ｘ線源42とモノリシックな毛細管光学装置44とを備えて
いる。この２つの構成部品は、光学軸46に沿って測定さ
れる、焦点距離として知られている距離ｆだけ隔てられ
ている。光学装置44は、複数の中空ガラスの毛細管48を
備えるが、この中空ガラスの毛細管は一緒に融解されて
Ｘ線源42から出現する発散Ｘ線放射線43の効率的な捕捉
を許容する配列に塑造成形される。この実施例では、捕
捉されたＸ線ビームは、光学装置によって疑似平行ビー
ム50に形づけられる。出射ビームは、有限の臨界角度の
全外部反射による発散であるが故に、完全な平行にはな
らない。光学装置の入射端54のところに配置される光路
開口52は、大凡Ｘ線源を指し示している。各個別の光路
が本質的に線源を指す能力は、主題の発明にとって幾つ
かの動機、即ち、１）この能力が、光学装置の入射径を
充分に減少させ、次いで、この減少した入射直径によっ
て光学装置のより小さな出射直径をもたらすことの可能
性を許容すること、２）この能力が、線源のスポットが
小さくされる時でさえも、Ｘ線の充分な捕捉を可能なら
しめること、及び、３）この能力が、線源への光学装置
の短かい焦点距離に対しても効率的なＸ線捕捉を可能な
らしめることに関して、決定的な重要性を有するもので
ある。光学装置の入射端54のところにある個別の光路開
口52の直径は、光学装置の出射端56のところにある光路
直径よりも小さい。主題の発明において使用される光学
装置のクラスは、モノリシックである。これは、光路自
身の壁70が光学装置を一緒に保持する支持構造体を形成
していることを意味する。この場合に対して、最大の捕
捉角度は２Ψで与えられるが、ここにΨは曲げられる毛
細管の最大曲げ角度である。

好適なる第１実施例においては、Ｘ線源42は、大凡30
ミクロンのスポットサイズを有しており、毛細管の光学
装置44の入射端54から大略1mmの距離のところに置かれ
ている。この光学装置に対する収光角度Ψは0.2ラジア
ン近辺である。光学装置は、本質的に1.0mmの直径を有
する出射ビームを生成する。光学装置の全体的な長さは
大略8.0mmである。強度における増大は、一般に利用可
能な研究室の線源よりも、大きさで大凡２倍より大きな
値の明るさになることが期待される。

図５は主題の発明の第２の実施例を示す。再び線源／
光学装置のシステム80は、小さなスポットのＸ線源82と
モノリシックな毛細管の光学装置84とを備える。この光
学装置は、一緒に融解された個別のガラス毛細管89によ
って形成される光路を有する。入射端88のところにある
光路開口86は、発散線源82からの放射線を捕捉するべく
配置されている。しかしながら、この特別の実施例にお
いては、光学装置の出射端90は、非常に小さなスポット
の収束ビームを形成されている。この場合に対しては、
放射線が疑似平行出射の光学装置の２倍の角度を通って
曲げられているので、最大捕捉角度は、丁度、最大曲げ
角度のΨである。大略8keVのＸ線に対して設計されたこ
のシステムの好適な１実施例は、以下のように詳細に述
べることができる。再度図５を参照すると、Ｘ線源82
は、100μｍ近辺の陽極スポットサイズを有する。収束
光学装置84は、線源前方の本質的に27mmのところに設置
される。光学装置85の受容角度は大凡0.13ラジアンであ
り、この光学装置は、約2mmの出射焦点距離87を有す
る。この光学装置の全体的な長さは約165mmである。光
学装置の入射直径88は本質的に14μｍの入射光路直径を
有する、大略で7mmのものである。出射直径90は、大凡
0.6mmである。最大の光路直径は、10μｍ近辺である。

本発明は、特殊な実施例によって、部分的には詳細に
述べられている。種々な改変や置換や追加等が、以下の
請求の範囲及びそれ相応のものによって範囲を定義され
ている本発明の精神から離脱することなくなされ得るこ
とは、当業者にとっては明白なことであることを理解す
るべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−21299（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−216100（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−260200（ＪＰ，Ａ) 国際公開92／8235（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21K 1/00 G21K 1/06 G21K 5/02 G02B 6/00

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｘ線源と、 融解により一体成形されたモノリシックな多重全外部反
   射の毛細管からなる光学装置とを備え、 該光学装置は、入射端と出射端とを有し、該光学装置の
   入射端が前記Ｘ線源に対面していて光学装置と線源間の
   距離が60mmより小さくなる位置に配置されるような位置
   取りにされてなり、該光学装置は、各々が前記Ｘ線源に
   ねらいを定められている入射端を有する毛細管による多
   重光路を有してなり、該光学装置の出力がＸ線ビームを
   提供してなるＸ線ビールの生成装置。
2. 【請求項２】前記Ｘ線ビームが疑似平行のＸ線ビームか
   らなる請求項１に記載した装置。
3. 【請求項３】前記Ｘ線源は、スポットを備えて、大略30
   μｍのスポットサイズ幅を有してなり、光学装置と線源
   間の距離は、前記光学装置がその出射端で1mm幅の疑似
   平行のＸ線ビームを生成するように大略1mmとされてな
   る請求項２に記載した装置。
4. 【請求項４】前記Ｘ線ビームが、収束Ｘ線ビームからな
   り、前記光学装置の前記多重光路の各光路が、該光学装
   置の出射端から隔てられている出射焦点位置にねらいを
   定められてなる請求項１に記載した装置。
5. 【請求項５】前記Ｘ線源が100μｍのスポットサイズ幅
   を有してなり、光学装置と線源間の距離が大略27mmにさ
   れてなり、前記光学装置が大略2mmの出射端焦点距離を
   有してなる請求項４に記載した装置。
6. 【請求項６】前記光学装置の入射端が7mmの直径を有し
   てなり、前記光学装置中の前記多重光路の各光路の入射
   端が14μｍにされてなる請求項５に記載した装置。
7. 【請求項７】前記Ｘ線ビームが、発散Ｘ線ビームからな
   り、前記光学装置の前記多重光路が発散する方向にねら
   いを定めて該発散するＸ線ビームを提供する出射端を有
   してなる請求項１に記載した装置。
8. 【請求項８】前記Ｘ線源が、300μｍより小さなスポッ
   トサイズ幅を有するスポット源を備えてなる請求項１に
   記載した装置。
9. 【請求項９】前記疑似平行のＸ線ビームが、幅Ｗを有し
   てなり、前記Ｘ線源が60mmより小さい光学装置と線源間
   の距離のところに配置される前記光学装置を以って幅Ｗ
   を有する前記疑似平行のＸ線ビームの強度を最大化する
   のに充分な略小さなスポットサイズ幅Ｗを有するスポッ
   ト源を備えてなる請求項２に記載した装置。