JP4584470B2

JP4584470B2 - Ｘ線発生装置

Info

Publication number: JP4584470B2
Application number: JP2001025845A
Authority: JP
Inventors: 邦芳森
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2001-02-01
Filing date: 2001-02-01
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2021-02-01
Also published as: US6516048B2; US20020154738A1; JP2002231165A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光励起によりパルスＸ線を発生させるＸ線発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、診断装置や解析装置等の分野では高周波パルスのＸ線が利用されている。このパルスＸ線を発生させるＸ線発生管の電子源には熱電子源が用いられているが、発生するＸ線のパルス繰返し周期は電子回路的な制約からナノ秒領域が限界である。
【０００３】
一方、Ｘ線発生管に光励起の電子源を用いれば、高周波パルス光で励起することにより、発生するＸ線のパルス繰返し周期をピコ秒領域にすることが可能となる。この光励起Ｘ線発生管は、例えば特公昭５２−１４２９８４号公報や特許第２７７０５４９号公報等に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光励起Ｘ線発生管において高エネルギーのＸ線を発生させるには、光電面から放出される光電子を高速でＸ線ターゲットに衝突させる必要がある。しかしながら、光電子を加速させるために光電子放出層とＸ線ターゲットとの間に高電圧を印加した場合には、両極間で放電が起こってパルスＸ線を好適に発生させることができない等の問題が生じる。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、高エネルギーかつ高周波のパルスＸ線を発生させることが可能なＸ線発生装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＸ線発生装置は、パルス状のレーザ光を出射する光源と、レーザ光の入射により光電子を放出する光電子放出層と、光電子が加速されて衝突することによりＸ線を放出するＸ線ターゲットと、Ｘ線を外部に出射する出射窓と、を有するＸ線発生管と、光電子を加速するために光電子放出層とＸ線ターゲットの間に印加されるパルス状の加速電圧を制御する電圧制御部と、を備え、加速電圧は、少なくとも光電子が光電子放出層から放出されてＸ線ターゲットに衝突するまでの間、パルストップ電圧であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の構成によれば、少なくとも光電子が放出されてから衝突するまでの間は、光電子放出層（陰極）とＸ線ターゲット（陽極）の両極間にパルストップ電圧（パルス電圧の最大電圧）が印加されるように制御されるので、両極間で放電を生じない程度の狭いパルス幅になるよう加速電圧の立ち上がりと立ち下がりを設定できる。このため、パルストップ電圧の高電圧化をなし得るので、光電子の高速化（出力されるＸ線の高エネルギー化）が可能とされる。
【０００８】
また本発明に係るＸ線発生装置は、光電子放出層に入射されるレーザ光のスポット径を拡大するビームエクスパンダーを更に備えるようにしても良く、このようにすれば、光電子放出層から充分な量の光電子を放出させ、かつ、光電子放出層に与えるダメージを低減できる。
【０００９】
また本発明に係るＸ線発生装置は、光源からのレーザ光を、光電子放出層に入射される入射光と、電圧制御部を介して加速電圧を制御するための制御光とに分割する分割手段を更に備えるようにしても良く、このようにすれば、光電子を放出するための光パルスと同期する制御用の光パルスを容易に取得できる。
【００１０】
また本発明に係るＸ線発生装置は、入射光を所定の時間だけ遅延させる遅延手段を更に備えるようにしても良く、このようにすれば、光電子放出のタイミングを加速電圧パルスの立上りタイミングに対して所定の時間だけ遅らせることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、実施形態に係るＸ線発生装置の概略構成図である。
【００１２】
図示の通り実施形態のＸ線発生装置は、光電子放出層１２とＸ線ターゲット１４とを有する光励起タイプのＸ線発生管１と、レーザーダイオードのようにパルス光を発生するための光源２を備えている。そして、光源２とＸ線発生管１の間には、分割手段３、遅延手段４およびビームエクスパンダー５が順次配列されている。
【００１３】
分割手段３はハーフミラー等から構成され、その通過光が入射される遅延手段４は光ファイバで構成され、遅延手段４の出力側には凸レンズと凹レンズで構成されるビームエクスパンダー５が配置されている。そして、ビームエクスパンダー５でスポット径が拡大された光源２からのレーザ光は、Ｘ線発生管１の入射窓１１の内面に形成された光電子放出層１２に入射される。
【００１４】
一方、ハーフミラー（分割手段３）の反射光（制御光）は、全反射ミラー６で反射されて電圧制御部７の受光部に入射されるように構成されている。電圧制御部７は前述の受光部の他に、パルス状の加速電圧を発生させるための直流電源や、前述の受光部からの信号に応じてパルス状電圧を生成するスイッチング手段を備えている。そして、電圧制御部７で発生されたパルス状の加速電圧は、Ｘ線発生管１の光電子放出層１２とＸ線ターゲット１４の間に印加される。
【００１５】
このように、分割手段３の通過光が遅延手段４を経由してＸ線発生管１に入射されるのに対して、分割手段３の反射光は遅延要素を経由することなく電圧制御部７に入力されてＸ線発生管１の加速電圧の制御に供されるので、光電子の放出タイミングの直前に加速電圧がパルストップ電圧になるよう制御できる。また、ビームエクスパンダー５でスポット径が拡大されたレーザ光がＸ線発生管１に入射されるので、光電子放出層１２の広い面積を実効的な光電子源として機能させることができ、したがって充分な量の光電子を放出させ、かつ、光電子放出層１２に与えるダメージを低減できる
ここで、Ｘ線発生管１の外囲器をなす真空容器１６には、光源２からの光に対して透明なガラス等からなる入射窓１１と、Ｘ線に対して透明なベリリウム等からなる出射窓１５が形成されている。入射窓１１の内面にはアルカリ金属やアンチモンからなる光電子放出層１２が形成されており、これと対向するようにタングステン等の金属で構成されるＸ線ターゲット１４が内設されている。そして、光電子放出層１２とＸ線ターゲット１４の間には、光電子放出層１２の広い面積から放出された光電子をＸ線ターゲット１４の一点に集束するための電子レンズ１３が設置されている。
【００１６】
なお、分割手段３で分割された制御光により立ち上がりタイミングが制御されたパルス状の加速電圧（電圧制御部７の出力電圧）は、陰極としての光電子放出層１２と陽極としてのＸ線ターゲット１４との間に印加される。
【００１７】
次に、図１に示すＸ線発生装置の動作を、図２の波形図を参照しながら説明する。図２（ａ）〜（ｄ）において、横軸は時間軸であり、縦軸は同図（ａ）、（ｂ）が光強度、同図（ｃ）が電圧、同図（ｄ）がＸ線強度である。
【００１８】
まず、光源２から出射されて分割手段３で二分割された入射光（光電子放出層１２に入射する光）と制御光（電圧制御部７の受光部に入射する光）の波形は、図２（ａ）に示す通りである。このうち、分割手段３を通過した入射光は遅延手段４を経由することによりタイミングが遅れた遅延入射光となり（図２（ｂ）参照）、これに同期して光電子放出層１２から光電子が放出される。
【００１９】
一方、分割手段３で反射された制御光は遅延要素を経由することなく電圧制御部７に入射され、この制御光の立ち上りタイミングに同期してパルス状の加速電圧（電圧制御部７の出力電圧）が立ち上がる。ここで、加速電圧の立ち下がりタイミングが遅延入射光（図２（ｂ）参照）の立ち下がりタイミングより遅れるように電圧制御部７の回路の時定数を設定しておくと、その電圧波形は図２（ｃ）に示すように、光電子が光電子放出層１２から放出されてＸ線ターゲット１４に衝突するまでパルストップ電圧を維持するように制御できる。
【００２０】
加速電圧の立ち上がりから立ち下がりまでの時間（パルストップ電圧の保持時間）は、光電子放出層（陰極）１２とＸ線ターゲット（陽極）１４の両極間で放電が生じる時間よりも短い時間に設定される。放電が起きるまでに要する時間（放電所要時間）は両極間が高電圧であるほど短く、加速電圧のパルス幅は放電所要時間よりも短くする必要がある。
【００２１】
遅延入射光の光パルスと加速電圧の電圧パルスは、図２（ｂ）と図２（ｃ）からも明らかなように、電圧パルスがパルストップ電圧である間に遅延入射光の光パルスが光電子放出層１２に入射される。つまり、遅延入射光の光パルスが光電子放出層１２に入射される時点で、すでに高電圧の加速電圧が印加されている。そのため放出された光電子は、図示されていない電源により電圧を印加されている電子レンズ１３により集束されながら次第に加速し、高速でＸ線ターゲット１４に衝突する。
【００２２】
このようにして高速化された光電子は、運動エネルギーが増大しているため、Ｘ線ターゲット１４との衝突により従来のＸ線より高エネルギーのＸ線を発生する。この高エネルギーのパルスＸ線は出射窓１５を通して取り出される。なお、パルスＸ線の態様は図２（ｄ）に示されている。
【００２３】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形態様が可能である。
【００２４】
例えば、光源２はレーザダイオードに限らず、パルス状のレーザ光を出射するものであれば発光ダイオードや固体レーザでもよく、遅延手段４は一定長さの光ファイバに限らず、プリズムや反射鏡を組合せて光電子放出層１２までの光路を延ばすものでもよい。Ｘ線発生管１は光励起タイプのものであれば、光電子放出層１２、Ｘ線ターゲット１４、出射窓１５等の材料、形状、位置関係は適宜変更できる。
【００２５】
また、入射光の光パルスと電圧パルスの同期の方法は、ハーフミラーなどの分割手段３により同一の光パルスを利用する方法の他にも、例えば光源２の電源の電圧パルスを分割して、一方は光源２に他方は電圧制御部７に入力して同期を図る方法など、立上りのタイミングが同期する方法であればよい。
【００２６】
さらに、電圧制御部７はパルス電圧の印加とは別に、放電が起きない許容電圧以下の一定の正バイアス電圧を印加してもよい。この場合、電圧パルスのパルス立上り時間およびパルス立下り時間が短縮されるため、より高電圧の加速電圧を印加することも可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、光励起のＸ線発生装置において、高電圧で光電子を加速しても放電現象を引き起こさないため、高エネルギーの高周波パルスＸ線を発生させることが可能となる。
【００２８】
また、光パルスや電圧パルスのパルス繰返し周期を変えることにより、パルスＸ線のパルス繰返し周期をミリ秒領域からピコ秒領域まで容易に変更可能となり、幅広い用途に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＸ線発生装置の概略構成図である。
【図２】それぞれのパルスの態様およびタイミングを示した概略図である。
【符号の説明】
１……Ｘ線発生管、１１……入射窓、１２……光電子放出層、１３……電子レンズ、１４……Ｘ線ターゲット、１５……出射窓、１６……真空容器、２……光源、３……分割手段、４……遅延手段、５……ビームエクスパンダー、６……反射板、７……電圧制御部。

Claims

パルス状のレーザ光を出射する光源と、
前記レーザ光の入射により光電子を放出する光電子放出層と、前記光電子が加速されて衝突することによりＸ線を放出するＸ線ターゲットと、前記Ｘ線を外部に出射する出射窓と、を有するＸ線発生管と、
前記光電子を加速するために前記光電子放出層と前記Ｘ線ターゲットの間に印加されるパルス状の加速電圧を制御する電圧制御部と、
前記レーザ光を、前記光電子放出層に入射される入射光と、前記電圧制御部を介して前記加速電圧を制御するための制御光とに分割する分割手段と
を備え、
前記加速電圧は、少なくとも前記光電子が前記光電子放出層から放出されて前記Ｘ線ターゲットに衝突するまでの間、パルストップ電圧であることを特徴とするＸ線発生装置。
前記光電子放出層に入射される前記レーザ光のスポット径を拡大するビームエクスパンダーを更に備えることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
前記入射光を所定の時間だけ遅延させる遅延手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２記載のＸ線発生装置。