JP4622977B2 - 円形加速装置、電磁波発生装置、及び電磁波撮像システム - Google Patents

Description

この発明は、大電流電子ビームを加速できる円形加速装置と、この円形加速装置を用いて加速した電子をターゲットに衝突させてＸ線等の電磁波を発生させる電磁波発生装置、及び、この電磁波発生装置を用いて人体や半導体等の透視等を行うＸ線等による電磁波撮像システムに関するものである。

以下では、円形加速装置は円形加速器と電子入射手段とこれらを動作させるために必要な電源とで構成されているものとする。円形加速器とは、電子発生手段で発生した電子を入射電子とし、この入射電子を、その周回軌道上を走行させながら所定のエネルギーにまで加速するもので、必ずしも円形でなくとも良い。電子が周回することから便宜的に「円形」という用語を付したものである。

円形加速器を用いたＸ線等の電磁波発生装置には、円形加速器としてベータトロン加速器を利用したものや電子蓄積リング等のシンクロトロン加速器を利用したものがある。しかし、ベータトロン加速器の場合、電子相互間のクーロン反発力の影響で大電流化が難しく、そのため電子をターゲットに衝突させて発生するＸ線等の電磁波強度は低くなるため、これを利用した電磁波発生装置を産業・医療応用分野に適用することは困難であった。また、シンクロトロン加速器を放射光源として利用する場合は、電磁波の強度は高いものの、発生する電磁波のエネルギーが低く、これを利用した電磁波発生装置を産業・医療応用分野に適用することは困難であった。また、シンクロトロン加速器で高いエネルギーの電磁波を発生させるためには放射光ではなく、ターゲットに電子を衝突させる方法を採用することになるが、その場合はベータトロン加速器の場合と同様、大電流化が難しく、発生するＸ線等の電磁波強度が低くなるため、高エネルギーの電磁波発生装置としてシンクロトロン加速器を利用した電磁発生装置を産業・医療応用分野に適用することはやはり困難であった。

このような状況を改善するものとして、所謂ハイブリッド加速器を利用した電磁波発生装置が提案されている(特許文献１)。ハイブリッド加速器とは、電子をハイブリッド加速器に入射した当初から加速手段により加速しつつ、加速器を構成する偏向電磁石の偏向磁場を、電子の入射時間中は一定とし、入射完了後に変化させるという加速手法を採用している加速器である。この加速器では、径方向に広い範囲で安定な電子周回軌道が存在するため、前述のような電子の入射を行った場合、入射された電子は入射時期に応じて径の異なる周回軌道上を安定して周回する。従って、幅の広い周回軌道に分散して電子を周回させることになる。これにより、電子の空間密度が低減し、その結果、電子相互間のクーロン反発力が小さくなり、大電流加速が可能となる。

ハイブリッド加速器では、加速手段として、加速磁場により誘起される電界による所謂誘導加速を採用している。図１０は特許文献１に係る発明の偏向磁場強度と加速磁場強度の時間変化を示している。図１０の４１は加速磁場強度の時間変化を、４２は偏向磁場強度の時間変化を示し、入射はパルス的に行われるものとしている。ここで、「入射はパルス的に行われる」というのは、矩形波形のパルスの波高値がピーク値になった所定時間入射されるという意味である。より具体的にはパルスはその発生後すぐにピーク値にまで立ち上がるので、パルス印加時点からピーク値にまで立ち上がるのに必要な一定時間経過後から、更にピーク値を維持している所定時間経過後までを入射時間として設定しているということである。加速磁場強度４１は電子の入射開始時点から増加していくため、電子は入射した時点から加速されることになる。一方、偏向磁場強度４２は入射開始から終了時まで変化せず一定に保持され、入射完了と同時に加速磁場強度４１と同様に増加し始める。偏向磁場強度４２が一定の間は、入射した一定エネルギーの電子は、入射とともに加速され、徐々に偏向半径が大きくなる。従って、入射完了時には入射時点の違いにより加速状態が異なり、入射電子は径方向に広がった軌道上を周回することになる。その後も所定のエネルギーになるまで加速は継続されるので径方向に広がった周回軌道は更に径方向にその軌道が移動していくことになる。入射終了後は偏向磁場強度４２が増加していくので、入射後の周回軌道の径方向への移動の程度は入射時に比べると通常は小さくなる。所定のエネルギーにまで加速された後は、偏向磁場強度４２を例えば一定値等に制御することにより、径方向に電子ビーム周回軌道を移動させることができる。

電子が安定して周回できる軌道のうち、所定の径の軌道上にターゲットを配置しておくことにより、電子ビームの周回軌道の径が移動していくことで、ターゲットに電子ビームを衝突させることができ、この衝突によりＸ線等の電磁波が発生する。なお、ターゲットはある大きさを持っているので、所定の径方向範囲の周回軌道上を周回する電子はターゲットと衝突可能な状態にある。このような周回軌道を衝突軌道と呼ぶことにする。
電子の周回軌道を径方向に移動させている場合でも、電子ビームは径方向に広がって周回しているので、周回軌道半径を徐々に変化させることによって、継続して電子ビームとターゲットとの衝突を起こすことができ、Ｘ線を連続して発生させることができる。また、ターゲットに衝突しても衝突した全ての電子が完全に消滅するわけではなく、衝突後も、エネルギーが減少した電子が残る。この残留電子も通常安定に周回できるエネルギーの範囲内にあるので、周回毎に加速磁場により再度エネルギーを付与され、衝突軌道に復帰することができるものがある。このように、この加速器を利用すれば周回電子ビームを効率よく活用して電磁波を発生させることができる。(特許文献１)

以上のとおり、径方向に広がった安定な周回軌道を有することで、電子相互間のクーロン反発力が小さくなるため、大電流加速が容易となり、加速磁場強度と偏向磁場強度の制御により、電子の安定周回条件を保持しつつ周回軌道の位置を変えることができるので、周回電子を効率よくターゲットに衝突させることが可能となる。これにより発生するＸ線等の電磁波強度を増強することが可能になった。なお、上記説明では典型的な例としてハイブリッド加速器について説明したが、電子周回軌道を径方向に広げることにより大電流化を図ることができるという事情は、ハイブリッド加速器に限られるわけではない。円形加速器は程度の差こそあれ、安定周回軌道として径方向に一定の幅を有する。従って、電子の周回軌道を径方向に広げることにより同様に大電流化を図ることができる。ただし、加速器によっては磁場による誘導加速ではなく、電界加速方式のものもある。この場合は、図１０の加速磁場強度を電界強度と読み替えれば上記の議論はそのまま成り立つ。

特許公開２００４−２９６１６４

しかし、ハイブリッド加速器では、電子の入射時に加速磁界強度と偏向磁界強度の双方の時間変化を所定の関係になるように制御しなければならず、そのため、電子加速手段や電子偏向手段で磁界を発生させるための電磁石電源制御が複雑になり高コストになるという問題点があった。このことは、電子加速手段として誘導加速方式を用いる場合だけでなく、電界加速方式を用いる円形加速器の場合にも同様である。この場合には、電界加速のための電源制御と電子偏向手段で磁界を発生させるための電磁石電源制御が複雑になり高コストになるという問題になる。従って、ハイブリッド加速器に限らず、上記の方法で円形加速器の大電流化を図ろうとする場合に共通の問題として、電子加速手段に高電圧を供給する電源及び電子偏向手段の偏向磁場を形成するために電流を供給する電源の制御が複雑で高コストになるという問題が生じる。

本発明に係る円形加速装置は、高電圧電源から供給されるパルス状電圧を印加することにより電子をパルス的に発生する電子発生手段と、前記電子発生手段で発生した電子を入射し、この入射した電子を加速する電子加速手段、及び前記入射した電子を偏向させるための偏向磁界発生手段を有するハイブリッド加速器とからなる円形加速装置であり、前記高電圧電源は、前記電子発生手段で発生する電子パルスに対応した時間幅を有する低電圧パルスを昇圧する回路要素を有し、前記回路要素は、前記電子発生手段に印加する前記パルス状電圧の立ち上がり時間波形及び立ち下がり時間波形の少なくとも一方を鈍らせるものである。

この発明によれば、電子発生手段用の簡便な高圧電源を採用することにより、電子偏向手段の偏向磁界の複雑な制御を回避しつつ大電流加速が可能な円形加速装置を実現することができる。更に、電磁波発生装置及びこの電磁波発生装置を用いた電磁波撮像システムにこの円形加速装置を採用することにより高輝度のＸ線等電磁波発生装置と高解像の電磁波撮像システムを提供することができる。

実施の形態１
本実施の形態に係る発明は、電子発生手段で発生させる電子のエネルギーを変化させつつ円形加速器に入射することにより円形加速器中の電子周回軌道を径方向に拡大するというものである。この方法により、偏向磁場強度の時間変化を従来技術のように複雑に制御することなく、加速磁場強度の時間変化パターンと同じにしても、入射加速する電子の周回軌道を径方向に広がったものとすることができる。従って、簡便な手段により、周回電子の空間電荷密度が実効的に低減し、大電流の加速蓄積が可能となる。ここでは、まず、装置全体の概要を説明し、その後に電子発生手段で発生させる電子のエネルギーを変える手段について説明する。

図１は本実施の形態１に係る、円形加速器としてハイブリッド加速器を利用した円形加速装置による電磁波発生装置を示したもので、電子ビームが周回する周回軌道平面上での断面図を示したものである。図１において、１は電子を発生させるための電子発生手段、２は電子発生手段１で発生した電子を入射し、周回軌道上を周回させながら、所定のエネルギーにまで加速する円形加速器で、ここではハイブリッド加速器を例示した。３は円形加速器２の電子周回軌道上に設置されたＸ線等電磁波発生用ターゲットで、所定のエネルギーにまで加速された電子が、このＸ線等電磁波発生用ターゲット３と衝突することにより、Ｘ線等の電磁波が発生する。以上、全体で電磁波発生装置を構成することになる。

円形加速器２(以下ハイブリッド加速器を例にとり説明する。)の構成機器について、もう少し詳しく説明する。１１はその中を電子が周回する真空ダクト、１２は真空ダクト１１内を周回する電子の周回軌道で、図示するように径方向に広がっている。なお、この図に示されている複数の周回軌道１２はそれぞれが閉じた軌道を構成しているように描かれているが、後述するように、周回する電子は周回中に加速されるので、これも後述する偏向磁場強度の時間変化の程度に応じて、周回軌道は、同一軌道上に固定される場合や螺旋状に連続して変化するものになる場合がある。しかし、この周回ごとの径の変化は、変化があったとしても通常は微小なものであるため、大雑把な言い方をすれば閉じた周回軌道２２を構成しているということができる。従って、以下で使用する「閉じた」という記載は、上記の意味を含むものとして使用することとする。また、記載された周回軌道は電子が安定して周回できる軌道を示すものであり、記載された軌道間にも安定周回軌道は存在する。
１３は円形加速器２の周回軌道１２上を走行する電子を加速する機能を持つ電子加速手段、１４は周回軌道１２で構成される面上で、加速されつつ走行する電子の走行方向を偏向させる電子偏向手段である。電子加速手段１３及び電子偏向手段１４には電源(図示していない)により、５０Ｈｚから数１０ｋＨｚ程度の交流磁場がかけられており、それぞれを加速磁界、偏向磁界と呼ぶこととする。

以上をまとめると、電子発生手段１で発生した電子は、円形加速器２に入射され、電子偏向手段１４を通過する際に偏向磁界により偏向を受け、真空ダクト１１中で閉じた周回軌道１２上を周回する。周回電子は周回中、電子加速手段１３を通過する際に電子加速手段１３で発生する加速磁界で誘起される電界により加速され、電子偏向手段１４で発生する偏向磁界強度の時間変化との関係に対応してその軌道の径を変化させることができる。加速により所定のエネルギーに達した電子は、上述の方法で、その周回軌道をＸ線等電磁波発生用ターゲット３の設置位置に移動させることにより、Ｘ線等電磁波発生用ターゲット３と衝突することで電子の走行方向にＸ線等の電磁波が発生する。

次に、本願発明のポイントとなる電子発生手段１で発生する電子の円形加速器２への入射について、図２を使って説明する。図２は円形加速器２の電子加速手段１３による加速磁場強度２１と、電子偏向手段１４による偏向磁場強度２２と、電子を発生させるために電子発生手段１に印加するパルス状高電圧２３の時間波形を示す。このパルス状高電圧２３を拡大して示したのが図３である。電子発生手段１で発生する電子のエネルギーは印加するパルス状高電圧２３の電圧値に依存する。

加速磁場強度２１と偏向磁場強度２２とは、互いに類似の波形、例えば正弦波に近い時間変化パターンとする。この場合は電子加速手段１３と電子偏向手段１４の磁極ギャップを所定の値にすると、両者の電源を共通化することが可能になり、また図１０に示すような、偏向磁場強度の複雑な制御も不要になるので、非常に低コストの電源を構築することが可能となる。このように類似の波形で磁場制御された場合、入射時間中、偏向磁場強度は加速磁場強度と同様に増加するので、図１０の場合と比べて入射時間中の電子の周回軌道変化は小さいものになる。従って、入射時間中の入射電子軌道の広がりも図１０の場合に比べて小さくなることになり、電子密度は相対的に高くなる。これを避けるために、本発明では入射時の電子エネルギーのばらつきを積極的に拡大することにより、上記環境下でも電子ビームの周回軌道を径方向に広げ、それにより電子密度の低減を図ることとした。以下、図２、図３で具体的に説明する。

図２の電子加速手段１３の磁場強度２１と電子偏向手段１４の磁場強度２２とがそれぞれ所定値にまで立ち上がった後、電子発生手段１に対して図３の２３で示す時間波形のパルス状高電圧を印加する。この波形は、通常、電子発生手段１に印加するパルス状高電圧の時間波形と異なり、立ち上がり部を鈍らせた形状にしてある。図１の電子発生手段１からは前記パルス状高電圧２３のその時々の電圧値に対応するエネルギーの電子が発生する。電子発生手段１にかけるパルス状高電圧２３の時間波形は、図３に示すように、例えば１μｓ程度で徐々に立ち上がる時間波形にする。円形加速器では、入射後の安定した加速が可能な許容入射エネルギー範囲というものがある。電子発生手段１で発生する電子のエネルギーは先にも述べたとおり、パルス状高電圧値により決まるので、このパルスの高さは上記入射エネルギー範囲の上限値に対応した電圧値に設定される。一方、上記入射エネルギー範囲の下限値は、図３に示す、徐々に立ち上がる電圧の時間波形中、所定の電圧値に対応することになる。また、円形加速器２では入射時間についての上限値というのが存在する。入射時間が長くなりすぎると入射ビームの周回が不安定になるためである。以上から、図３のパルス状高電圧２３の印加時間中、入射後の電子が安定に周回できる入射時間帯が決まることになる。この入射時間帯を図３の２４で示す。

このように、パルス状高電圧２３の時間波形中、時間帯２４に対応して発生する電子のエネルギーは初期に低エネルギー、時間の経過とともに高いエネルギーの電子が発生し、その都度円形加速器２に入射される。エネルギーの低い電子は早く入射され、早い段階から加速されることにより、エネルギーは高くなるので、入射時間帯２４の後段で入射される電子のエネルギーと近接してくることにはなる。しかし、それでも十分に周回軌道の広がりを確保することは可能である。また、加速磁場強度２１と偏向磁場強度２２との強度の関係を、電子が一定エネルギーで入射した場合に、入射時間によらず一定軌道を周回するようにすれば、入射エネルギーが異なることにより電子周回軌道は径方向に広がったものになる。いずれの場合も、加速磁場強度２１、偏向磁場強度２２の複雑な制御を行うことなく、電子発生手段１に印加するパルス状高電圧２３の時間波形立ち上がり部の形状を鈍らせることで、容易に電子の周回軌道を径方向に拡大することができるので、空間電荷を低減でき、大電流化という所期の目的が達成されることになる。なお、従来のパルス状高電圧の電子発生手段１への印加はパルスが立ち上がり一定電圧になった時点で入射をはじめ、一定電圧が保持されている時点で入射を終了している。即ち、基本的には一定エネルギーでの入射を前提としたものである。本願発明は一定電圧になる前の時点から入射を開始し、一定になった後のある時点まで入射を続けるというものであるという点で、従来技術とは全く異なるものである。

大電流化の程度については図６にその例を示す。図６は、加速磁場強度２１と偏向磁場強度２２とを加速によっても周回軌道が変化しないようにした場合の、円形加速器２に入射する電子のエネルギー広がり(エネルギーの幅)をパラメータに、加速電流をシミュレーション計算した結果を示したものである。図からわかる様に、入射エネルギーの広がりとともに加速電流最大値は増加していくが、エネルギー広がり５％以下では加速電流の増加はあまり見られない。これはエネルギー広がり５％以下では各エネルギーの平衡軌道の相違が小さく、各エネルギーでのビームサイズ自体の大きさが空間電荷効果を決める主要因となっているからと考えられる。エネルギー広がりが５％を超えると加速可能電流は急激に増え、エネルギー広がり１５％まで、エネルギー広がりの増加とともにほぼ直線的に増加する。それ以上エネルギー広がりを大きくすると加速電流の増加は再び緩やかとなる。これはエネルギー広がりがあまりに大きいと円形加速器２の安定周回領域を超えてしまい、電子ビームの一部は安定に周回しなくなることに起因する。図６からは５倍以上の大電流加速が可能になることが分る。なお、加速器設計によっては１０倍以上の大電流化も可能である。

次に、Ｘ線等の電磁波を発生させる場合には、Ｘ線等電磁波発生用ターゲット３に周回する電子を衝突させる必要がある。
図１の例では、電子発生手段１を円形加速器２の外側に配置し、その外周から電子を入射させる構成を採り、これに対してＸ線等電磁波発生用ターゲット３は円形加速器２の内側に配置している。図２に示すような加速磁場強度２１と偏向磁場強度２２の時間変化の環境下では、相互の強度比率を予め所定の値にしておけば、その値に依存して電子の周回軌道を加速中に径方向内側に移動させることができる。上記のとおり円形加速器２の径方向に拡大された電子周回軌道を、加速磁界強度２１と偏向磁界強度２２との関係を所定の関係に定めておくことにより、徐々に内径方向に移動させて、Ｘ線等電磁波用ターゲット３に衝突させ、周回軌道の径方向幅に対応した移動時間の間、連続してＸ線等の電磁波を発生させることができる。また、加速が終了した時点で偏向磁界に摂動を加えることにより周回軌道を変えてＸ線等電磁波発生用ターゲット３に衝突させても同様の効果を得ることができる。このように大電流化した電子ビームをＸ線等電磁波発生用ターゲット３に衝突させることが可能なので、Ｘ線等電磁波発生用ターゲット３のサイズを小さくしても相応強度のＸ線等電磁波を得ることができる。即ち、高輝度化が可能となる。

以上の説明では円形加速器２としてハイブリッド型加速器を例示したが、円形加速器はハイブリッド型加速器に限られるものではない。一定幅のエネルギーを有する入射電子に対して安定加速が可能なものであれば、これまで説明してきたことと同様の効果を奏することができる。例えば、シンクロトロン加速器、ベータトロン加速器はこの円形加速器の例である。ただ、加速器の種類によって、許容される入射エネルギーの幅に違いがあるので、大電流化の改善の程度は異なるものとなる。また、電子加速手段１３は加速磁場により生じる電界で加速する誘導磁場加速であることを前提として説明してきた。しかし、この方法は誘導磁場加速のみに限定されるものではなく、高周波電界加速の場合もそのまま成立する。その場合は、図２の加速磁場強度２１を加速電界強度と読み替えればよい。

実施の形態２
本実施の形態は、電子発生装置１に印加するパルス状高電圧２３の時間波形をパルスの立ち下がり部で鈍らせ、この立下り部で発生する電子を円形加速器２に入射するというものである。図３の時間帯２５を入射時間帯として利用することでパルス状高電圧２３のパルス立下り部で発生する低エネルギーの電子までを入射電子として利用することができる。図４には、本実施の形態の他のパルス状高電圧２３の時間波形の例を示す。パルス立下り部を利用するため、パルス立ち上がり部の形状は特に問わない。図では従来どおり、急峻に立ち上がるものについて示してある。安定して加速できる入射エネルギー範囲と入射時間という制約から定まる入射時間帯はここでは２５で示している。即ち、パルスのピーク部で始まり、立下り部の所定の時点までの時間帯である。図３、図４のいずれの場合であっても、電子発生手段１に印加される高電圧は、最初に高く、時間の経過とともに低下していくので、それに対応して、最初に高いエネルギーの電子が円形加速器２に入射され、時間の経過とともにより低いエネルギーの電子が円形加速器２に入射されることになる。従って、入射完了時点での入射電子のエネルギーの広がりは、図３の場合とは異なり、各入射時のエネルギーの違いよりも拡大することになり、これに対応して入射電子の周回軌道も径方向に広がりを持つ。このように、パルス状高電圧２３の時間波形の立下り部を鈍らせ、この部分を入射に利用した場合も電子周回軌道を径方向に拡大することができるので、実施の形態１の場合と同様に、円形加速器での大電流化を図ることができる。従って、このような円形加速装置を利用した場合、Ｘ線等電磁波発生装置で発生するＸ線等電磁波の高輝度化が可能となる。

実施の形態３
本実施の形態は、電子の入射時間帯を図３の２４と２５とで示す時間帯を併せたものにするというものである。この場合は実施の形態１及び２で述べた効果を兼ね備えることになるため、やはり電子周回軌道を径方向に拡大することができ、実施の形態１の場合と同様に、円形加速器での大電流化を図ることができる。従って、このような円形加速装置を利用した場合、Ｘ線等電磁波発生装置で発生するＸ線等電磁波の高輝度化が可能となる。但し、既に説明した通り、入射時間帯には上限があるので、実施の形態１、２でそれぞれ説明した時間帯を単純に併せたものにすることはできない場合がある。このような場合は、両時間帯を併せたものが入射時間帯として許容できる時間幅となるように全体のパルス幅を狭めることにすればよい。

実施の形態４
本実施の形態では、電子発生手段１に対して図３に示すパルス状高電圧２３を印加するための手段について説明する。従来のベータトロン加速器等のパルス高圧電源は高電圧発生装置で発生した電荷をコンデンサーに蓄積し、サイラトロン等の真空管でスイッチングすることで発生させていた。しかし、この方法では、電源の大きさが大きく、高価格で、真空管も頻繁に交換しなければならないという問題があった。本願発明では、図５に示すような簡単な電源回路で図３に示すパルス状高電圧を発生させることができる。

電子発生手段１の等価回路３１に、所定の高電圧パルスを発生させる為に、最初に低電圧パルスを生成する。即ち交流電源３２の交流電圧を、整流・平滑化回路３３で直流化し、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子３４で所定の低電圧パルスを作成する。そして、高圧トランス３５で昇圧して高電圧にする。パルス整形は低電圧部で行うので任意のパルス波形整形が容易で、且つ、高圧トランス３５で電圧の立ち上がりを鈍らせることができるため、簡単に図３のパルス状高電圧２３の波形を実現できる。また非常に低価格の素子のみを用いて回路を構成することができるため、パルス高圧電源の製造コストを大幅に低減することができる。

実施の形態５
実施の形態１ではＸ線等電磁波発生用ターゲット３は電子の周回軌道１２中の内側に配置されていたが、図７に示す様に外側に配置しても実施の形態１と同様の効果を奏する。電子加速手段１３と電子偏向手段１４には電磁石電源により５０Hzから数１０ｋHz程度の交流磁場がかけられており、両者の磁場強度の関係を所定の値にすると電子ビームは大きく軌道を変化しないである領域の中を安定に加速する。加速された電子ビームは電子加速手段１３と電子偏向手段１４の磁場強度の関係を少し変えると外側に移動し、安定周回領域に設置されたＸ線等電磁波発生用ターゲット３に衝突してＸ線等の電磁波を発生する。なお、外側にＸ線等電磁波発生用ターゲット３を配置した場合、入射直後に一部の電子ビームがＸ線等電磁波発生用ターゲット３に衝突する。しかしながら、Ｘ線等電磁波発生用ターゲット３の大きさが数μｍ程度であれば、入射時にＸ線等電磁波発生用ターゲット３に衝突する電子ビームは僅かであり、大部分の電子ビームは安定に加速することが可能である。

この場合は、Ｘ線等電磁波発生用ターゲット３の配置されている場所よりも内径側で加速が行われることになる。加速が完了した時点で周回軌道の径を拡大してＸ線等電磁波発生用ターゲット３の配置されている場所にまで移動させることになる。移動及びＸ線等電磁波の発生については実施の形態１で説明したとおりである。なお、円形加速器の外側近傍でＸ線等電磁波を発生させる場合は、内側近傍でＸ線等電磁波を発生させる場合に比べて、照射対象近くにＸ線等電磁波発生源が配置されることになるので、照射線量密度を高くすることができ、短時間照射が可能になる。また、撮像倍率を上げることも容易になる。これは、照射対象位置と撮像位置とを離すことで実現できる。照射対象とＸ線等電磁波発生源との距離をＲ１、照射対象と撮像位置との距離をＲ２とすると、撮像倍率はＲ２／Ｒ１となる。Ｒ１＋Ｒ２を一定にした状態で、Ｒ１を小さく取れる分、撮像倍率は大きくなる。逆に、Ｒ１が大きいときに撮像倍率を大きくするにはＲ２を大きくする必要があるが、その場合は必要な施設の広さが大きくなるという問題が発生するというばかりでなく、撮像面積が大きくなるために、単位面積あたりの撮像に利用できる電磁波の強度が低くなり、撮像データの統計精度が低下するという問題も生じる。なお、Ｒ１を小さく取る場合には、照射野はその分だけ小さくなる。

実施の形態６
図８は本実施の形態によるＸ線撮像システム(広義には電磁波撮像システム)の概略構成図である。この撮像システムは、電磁波発生装置７１と、被撮像体、ここでは人体７２と、撮像検出器７３と、データ処理装置７４とで構成されている。電磁波発生装置７１で発生した高輝度Ｘ線７５は、人体７２に照射され、撮像検出器７３で検出され、データ処理装置７４で処理され、透視画像となる。電磁波発生装置７１では光源サイズ数μｍから数１０μｍ程度の高輝度のＸ線を発生させることができるので、Ｘ線の微小な屈折を利用した撮像方法である屈折コントラスト撮像が可能となる。この方法は、屈折の効果が微小であるため、光源サイズが小さくないと利用できなかった。しかし光源サイズを小さくすると通常はＸ線強度が低下してしまうので、十分な統計精度の画像を取ることが困難であった。そのため、従来はＳｐｒｉｎｇ８等の直径が数１００ｍ程度の高輝度放射光装置でしか実現できず医学利用が進まなかったが、本発明では、従来のＸ線管球と同じ程度か、よりコンパクトな電磁波発生装置７１を用いて屈折コントラスト撮像が実現できるので、医学利用が大きく促進されると考えられる。屈折コントラスト撮像法を用いると密度の異なる微小物質の境界を強調した撮像が可能となり、拡大画像をとることもできるので、数ｍｍ程度の微小ながんを識別することができる。しかも、屈折コントラストによる撮像画像では従来の吸収コントラスト撮像画像の１０倍以上の高コントラストが実現できるので、従来の撮像方法と比較して１／１０程度の低被曝線量で撮像が実現できる。

図９は、図８に記載のシステムで、微小がんを想定した直径１ｍｍの水等価物質球の透過撮像画像をシミュレーションした結果である。ターゲットサイズは１０μｍ、電子ビームの加速エネルギーを１ＭｅＶとし、ビーム電流値は、入射ビームのΔＥ／Ｅ＝１５％のときの値である２Ａを仮定した。８１は従来の吸収コントラスト画像、８２は屈折コントラスト画像を示す。屈折コントラスト画像８２のくっきりとした部分が水等価物質球の境界を示すもので、吸収コントラスト画像８１との違いは歴然としている。このような屈折コントラスト撮像法を利用できるのは微小光源でかつ線源強度が大きい、高輝度光源であるということによるものである。これにより、本願発明をＸ線撮像システムの光源として利用することの意義が実証できた。このことはＸ線のみでなく発生する電磁波全体についても当然に成立する。

なお、Ｘ線撮像システムの撮像対象は人体に限られるものではない、例えばパワー半導体を透視することで、従来の吸収コントラスト撮像法では見えなかった、素子中のアルミ配線を、屈折コントラスト撮像法を用いることにより見ることができる。これは、屈折コントラスト撮像法では原子番号の近い２つの物質の識別が可能なので、シリコンと原子番号の近いアルミ配線でも識別できるということによるものである。

本発明の実施の形態１に係る電磁波発生装置の断面図 本発明の実施の形態１に係る円形加速器の電子加速手段と電子偏向手段の磁場強度の時間波形と電子発生手段に印加する電圧のタイミングを示す図 本発明の実施の形態１乃至３に係る電子発生手段に印加するパルス状高電圧の時間波形を示す図 本発明の実施の形態２に係る電子発生手段に印加するパルス状高電圧の時間波形を示す図 本発明の実施の形態４に係る円形加速装置の電子発生手段にかける高電圧電源の概略回路構成図。 本発明の実施の形態１に係る円形加速器の加速電流と電子発生手段で発生する電子のエネルギー広がりの関係を示す図 本発明の実施の形態５に係る電磁波発生装置の断面図 本発明の実施の形態６に係るＸ線撮像システムの概略構成図である。 本発明の実施の形態６に係るＸ線撮像システムで撮影した１ｍｍ球の撮像画像のシミュレーション結果の図 背景技術に係る円形加速器の電子加速手段と電子偏向手段の磁場強度の時間波形を示す図

符号の説明

１ 電子発生手段、２ 円形加速器、３ Ｘ線等電磁波発生用ターゲット、１１ 真空ダクト、１２ 電子の周回軌道、１３ 電子加速手段、１４ 電子偏向手段、２１ 電子加速手段の磁場強度、２２ 電子偏向手段の磁場強度、２３ 電子発生手段にかけるパルス状高電圧、２４ 入射時間帯、２５ 入射時間帯、３１ 電子発生手段の等価回路、３２ 交流電源、３３ 整流・平滑化回路、３４ スイッチング素子、３５ 高圧トランス、４１ 従来の電子加速手段の磁場強度、４２ 従来の電子偏向手段の磁場強度、７１ 電磁波発生装置、７２ 人体、７３ 撮像検出器、７４ データ処理装置、７５ Ｘ線、８１ 従来の吸収コントラスト画像、８２ 本発明の電磁波発生装置を利用した屈折コントラスト画像

Claims (8)

1. 高電圧電源から供給されるパルス状電圧を印加することにより電子をパルス的に発生する電子発生手段と、前記電子発生手段で発生した電子を入射し、この入射した電子を加速する電子加速手段、及び前記入射した電子を偏向させるための偏向磁界発生手段を有するハイブリッド加速器とを具備する円形加速装置において、前記高電圧電源は、前記電子発生手段で発生する電子パルスに対応した時間幅を有する低電圧パルスを昇圧する回路要素を有し、前記回路要素は、前記電子発生手段に印加する前記パルス状電圧の立ち上がり時間波形及び立ち下がり時間波形の少なくとも一方を鈍らせることを特徴とする円形加速装置。
2. パルス状電圧を電子発生手段に印加することにより発生した電子のうち、前記パルス状電圧のピーク値に至る立ち上がり部分に含まれる所定の時点から前記ピーク値を示す所定の時点までに発生する電子を選択してハイブリッド加速器に入射することを特徴とした請求項１に記載の円形加速装置。
3. パルス状電圧を電子発生手段に印加することにより発生した電子のうち、前記パルス状電圧のピーク値を示す所定の時点から、前記ピーク値到達後の立ち下がり部分に含まれる所定の時点までに発生する電子を選択してハイブリッド加速器に入射することを特徴とした請求項１に記載の円形加速装置。
4. パルス状電圧を電子発生手段に印加することにより発生した電子のうち、前記パルス状電圧のピーク値に至る立ち上がり部分に含まれる所定の時点から、前記ピーク値到達後の立ち下がり部分に含まれる所定の時点までに発生する電子を選択してハイブリッド加速器に入射することを特徴とした請求項１に記載の円形加速装置。
5. ハイブリッド加速器に入射する電子の入射エネルギーの広がりは、５％を超えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の円形加速装置。
6. 電子発生手段用の高電圧電源は、回路要素としてのトランスにより、パルス立ち上がり部の電圧値が時間とともに単調に変化する高電圧パルスを整形するものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の円形加速装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の円形加速装置と、前記円形加速装置を構成するハイブリッド加速器の電子安定周回軌道上に配置した、電子との衝突により電磁波を発生する電磁波発生用ターゲットとを備えたことを特徴とする電磁波発生装置。
8. 請求項７に記載の電磁波発生装置と、この電磁波発生装置で発生した電磁波を計測する計測部と、この計測部で計測されたデータを処理するデータ処理部とを備えたことを特徴とする電磁波撮像システム。

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