JP3982300B2

JP3982300B2 - Ｘ線発生装置

Info

Publication number: JP3982300B2
Application number: JP2002092472A
Authority: JP
Inventors: 元治丸下
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: JP2003287594A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来のＸ線発生装置の原理図であり、図５は図４の楕円領域Ａの拡大図である。
【０００３】
図４に示すＸ線発生装置１は、レーザシンクロトロン放射光源（ＬＳＳ）であり、主にレーザ光２を発生するレーザ光源３と、レーザ光を集光、コリメートするレンズ群４と、電子ビームを発生する電子銃（図示せず。）と、電子ビームを加速する加速器（図示せず。）と、加速器からの電子ビームを集光、コリメートする４極マグネット５と、レーザ光２と電子ビームとを衝突させるためのコンプトンセル６と、コンプトンセル６内を通過する電子ビームとコンプトンセル６内で発生したレーザ逆コンプトン散乱Ｘ線と電子ビームとを分離するためのダイポール７とで構成されている。
【０００４】
図５に示すコンプトンセル６は、ケーシング８と、ケーシング８内の一方の側（図では左側）に配置され、中央に貫通孔９が形成され、ケーシング８の長手方向に対して直角に入射したレーザ光２をケーシング８の長手方向に反射すると共に集光する第１の凹面鏡（図では左側）１０と、ケーシング８内の他方の側（図では右側）に配置され、中央に貫通孔１１が形成され、第１の凹面鏡１０からのレーザ光２をケーシング８の長手方向に対して直角に出射する第２の凹面鏡（図では右側）１２とを有し、ケーシング８の他方の側から入射した電子ビームｅ^-が両凹面鏡１０、１２の貫通孔９、１１を通過するようになっている。コンプトンセル６内では両凹面鏡１０、１２の間を通過するレーザ光２と、両貫通孔９、１１を通過する電子ビームｅ^-とが衝突するようになっている。
【０００５】
なお、１３は電子ビームｅ^-の位置を観測するためのＢＰＭ（ビームポジションモニタ）であり、１４は電子ビームｅ^-の位置を微調整するためのステアリングコイルである。１５はコンプトンセル６内のレーザ光２を観測するためのＩＲカメラであり、１６はコンプトンセル６からの電子ビームｅ^-を観測するためのファラディカップである。１７はベリリウムウィンドウであり、１８はダイポール７で分離されたＸ線を観測するためのＸ線検知器である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、コンプトンセル６内ではレーザ光２と電子ビームｅ^-とは一見正面衝突しているように見えるが、完全な正面衝突ではなく所定角度だけ斜めに１個所で衝突している。これは、両凹面鏡１０、１２のように孔あきミラーを用いると、レーザ光２の光軸と電子ビームｅ^-の軌道とを完全に一致させることができないからである。このため、レーザを同期させ増幅する必要があり、両凹面鏡１０、１２には貫通孔９、１１があるのでレーザ光が損失し、その分だけＸ線の発生効率に限界があるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、Ｘ線の発生効率を向上させたＸ線発生装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、加速器で加速された電子ビームとレーザ光源からのレーザ光とを衝突させてＸ線を発生させるＸ線発生装置において、加速器内で直線状の電子ビーム軌道を挟むと共に隣り合う磁界の方向が互い違いになるように配列され挿入光源を構成する複数対の磁石と、加速器外で直線状の電子ビーム軌道の一方の延長線上に配置され挿入光源からの可視光を挿入光源に戻す第１のミラーと、加速器外で直線状の電子ビーム軌道の他方の延長線上に配置され可視光の反射面とＸ線の反射面とが異なる非対称ミラーと、加速器外に配置され非対称ミラーからの可視光を非対称ミラーに反射させて挿入光源に戻すことによりレーザ発振を生じさせ、得られたレーザ光を電子ビームと正面衝突させてレーザ逆コンプトン散乱Ｘ線を発生させるための第２のミラーとを備えたものである。
【０００９】
本発明によれば、加速器内の挿入光源を構成する複数対の磁石間を加速された高速の電子ビームが通過する際電子が蛇行してシンクロトロンと呼ばれるＸ線や可視光が発生する。加速器で発生した可視光は、第１のミラー、非対称ミラー及び第２のミラーからなる光学系内を往復することでレーザ発振する（ＦＥＬ、ＦｒｅｅＥｌｅｃｔｒｏｎＬａｓｅｒ：自由電子レーザ）。このレーザ発振によるレーザ光が挿入光源を通過する電子ビームと正面衝突して、レーザ逆コンプトン散乱Ｘ線（γ線）が発生する。レーザ光と電子ビームとの衝突回数が従来例より増加するのでＸ線の発生効率が向上する。挿入光源で発生したＸ線は加速器から出射して非対称ミラーでレーザ光とは異なる角度で反射する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１１】
図１は本発明のＸ線発生装置の一実施の形態を示す概念図であり、図２は図１に示したＸ線発生装置に用いられる非対称ミラーの説明図であり、図３は図２に示した非対称ミラーの変形例を示す図である。
【００１２】
図１に示すＸ線発生装置２０は、主に電子ビームｅ^-を発生する電子銃（図示せず。）と、電子ビームｅ^-を加速する加速器２１と、加速器２１内に配置された挿入光源２２と、光学系２３とで構成されている。
【００１３】
挿入光源２２は、加速器２１内で直線状の電子ビーム軌道（光路）２４を挟むと共に隣り合う磁界の方向が互い違いになるように配列された複数対の磁石２５ａ、２５ｂからなっている。
【００１４】
光学系２３は、加速器２１外で直線状の電子ビーム軌道２４の一方（図では右側）の延長線上に配置され、挿入光源２２からの光路２６上を通るレーザ光を加速器２１の入出射窓（図示せず。）を介して挿入光源２２に戻す第１のミラー２７と、加速器２１外で直線状の電子ビーム軌道２４の他方（図では右側）の延長線上に配置され、加速器２１の入出射窓（図示せず。）を介して挿入光源２２からの光路上を通るレーザ光及びＸ線２８−１が入射する非対称ミラー２９と、加速器２１外に配置され非対称ミラー２９で反射されて光路３１を通るレーザ光を非対称ミラー２９の可視光反射面２９ａで反射させて挿入光源２２に戻す第２のミラー３２とで構成されている。光学系２３の各ミラー２７、２９、３２の光軸調整は図示しないギヤードモータ或いはステッピングモータで行われるようになっている。
【００１５】
なお、Ｌ_naは非対称ミラー２９の可視光反射面２９ａの法線であり、Ｌ_nxは非対称ミラー２９のＸ線反射面２９ｂの法線である。
【００１６】
図２に示すように非対称ミラー２９は結晶（例えばＢｅ）からなっており、光路３０を通るレーザ光の可視光反射面２９ａが結晶面（Ｘ線２８−１の反射面）２９ｂに対し角度θ２だけ傾斜するように形成されている。
【００１７】
なお、γ線を発生させる場合には非対称ミラー２９が不要となり、非対称ミラー２９の位置に共振用ミラーが配置される。
【００１８】
次に図１に示したＸ線発生装置の動作について図２を参照して説明する。
【００１９】
図１に示す加速器２１内の挿入光源２２を構成する複数対（図では８対であるが、限定されない。）の磁石２５ａ、２５ｂ間を加速された高速の電子ビームｅ^-が通過する際電子ビームｅ^-が磁界の影響を受けて蛇行してシンクロトロンと呼ばれるＸ線や可視光が発生する。挿入光源２２で発生した可視光のうち、加速器２１から第１のミラー２７に向かう光路２６上の可視光は第１のミラー２７で反射されて加速器２１に戻り、挿入光源２２を通過して加速器２１から非対称ミラー２９へ向かう。光路３０を通る可視光が非対称ミラー２９に入射すると、光路３０上の可視光は可視光反射面２９ａで反射して第２のミラー３２へ向かう。光路３１上の可視光は第２のミラー３２で反射されて同一光路３１上を辿り非対称ミラー２９へ向かう。光路３１上の可視光は非対称ミラー２９の可視光反射面２９ａで反射されて同一光路３０上を通って直線状の電子ビーム軌道２４及び光路２６を通って第１のミラー２７へ向かう。すなわち、挿入光源２２で発生した可視光は第１のミラー２７、非対称ミラー２９及び第２のミラー３２で反射されて光路２４、２６、３０、３１を複数回往復することによりレーザ発振（ＦＥＬ）が生じる。このレーザ発振によるレーザ光が直線状の電子ビーム軌道２４を通過する電子ビームｅ^-と正面衝突してレーザ逆コンプトン散乱Ｘ線（γ線）２８−１が発生する。レーザ出力は数十ＭＷ程度であるので、Ｘ線源として利用可能である。レーザ光と電子ビームｅ^-との衝突回数が従来例より増加するのでＸ線の発生効率が向上する。
【００２０】
挿入光源２２で発生したＸ線２８−１は加速器２１から出射して非対称ミラー２９へ向かう。
【００２１】
ここで、図２において、加速器２１内のレーザ光と、直線状の電子ビーム軌道２４で発生したＸ線２８−１とが非対称ミラー２９の可視光反射面２９ａに共に入射角度θ１で入射するが、光路３０を通るレーザ光は可視光反射面２９ａで反射角度θ１で反射するのに対し、Ｘ線２８−１はＸ線反射面（結晶面）２９ｂで反射角度θ３で反射する（ブラッグ回折）。
【００２２】
尚、結晶面２９ｂの間隔をｄとし、Ｘ線２８−１、２８−２の波長をλとし、Ｘ線２８−１の結晶面２９ｂに対する入射角度を（θ１＋θ２）とすると、Ｘ線２８−１の波長λは２ｄｓｉｎ（θ１＋θ２）を満たすようになっている。
【００２３】
すなわち、図１に示すＸ線発生装置２０は、光学系２３内を往復する可視光若しくはレーザ光のうち、非対称ミラー２９で光路３１を進むレーザ光とは異なる角度θ２でＸ線２８−２が反射するようになっている。また、レーザはＦＥＬ（ＦｒｅｅＥｌｅｃｔｒｏｎＬａｓｅｒ：自由電子レーザ）であるため、衝突レーザ波長が連続して得られる。この結果、加速器２１の蓄積エネルギーだけでなく、ＦＥＬの発振レーザ波長も変更できるため、任意の波長のＸ線の発生が可能となる。
【００２４】
図３は図２に示した非対称ミラーの変形例を示す概念図である。
【００２５】
この非対称ミラー４０は回折格子からなっており、反射面４０ａ上に複数の溝４１が所定の間隔で形成されている。
【００２６】
このような非対称ミラー４０を用いても図２に示した非対称ミラー２９と同様の効果が得られる。
【００２７】
次に図１に示したＸ線発生装置２０で発生したＸ線について述べる。
【００２８】
図１に示したＸ線発生装置２０はレーザ光と電子ビームｅ^-とが正面衝突するだけでなく、１８０°衝突（追突）する。しかし、１８０°衝突はミラーで回折されない（正面衝突時の発生Ｘ線のエネルギーを５０ｋｅＶとすると、１８０°衝突時の電磁波の発生エネルギーはわずか１ｅＶとなる。但し、蓄積エネルギー５３ＭｅＶ、レーザ波長１μｍの場合である。）。
【００２９】
発生Ｘ線のエネルギーＥｒは数１式で表され、発生レーザ波長は数２式で表される。
【００３０】
【数１】

【００３１】
【数２】

【００３２】
蓄積エネルギーＥ＝５３ＭｅＶ、λ１＝１μｍから、λｕ＝２２ｍｍ、Ｋ＝０．２６（Ｇａｐ＝２０ｍｍ）となるため、実現は可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、Ｘ線の発生効率を向上させたＸ線発生装置の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＸ線発生装置の一実施の形態を示す概念図である。
【図２】図１に示したＸ線発生装置に用いられる非対称ミラーの説明図である。
【図３】図２に示した非対称ミラーの変形例を示す図である。
【図４】従来のＸ線発生装置の原理図である。
【図５】図４の楕円領域Ａの拡大図である。
【符号の説明】
２０Ｘ線発生装置
２１加速器
２２挿入光源
２３光学系
２４直線状の電子ビーム軌道（光路）
２５ａ、２５ｂ磁石
２６、３０、３１光路
２７第１のミラー
２９非対称ミラー
３２第２のミラー

Claims

加速器で加速された電子ビームとレーザ光源からのレーザ光とを衝突させてＸ線を発生させるＸ線発生装置において、上記加速器内で直線状の電子ビーム軌道を挟むと共に隣り合う磁界の方向が互い違いになるように配列され挿入光源を構成する複数対の磁石と、上記加速器外で直線状の電子ビーム軌道の一方の延長線上に配置され上記挿入光源からの可視光を上記挿入光源に戻す第１のミラーと、上記加速器外で上記直線状の電子ビーム軌道の他方の延長線上に配置され可視光の反射面とＸ線の反射面とが異なる非対称ミラーと、上記加速器外に配置され上記非対称ミラーからの可視光を上記非対称ミラーに反射させて上記挿入光源に戻すことによりレーザ発振を生じさせ、得られたレーザ光を上記電子ビームと正面衝突させてレーザ逆コンプトン散乱Ｘ線を発生させるための第２のミラーとを備えたことを特徴とするＸ線発生装置。