JP4799093B2 - 直線型ｘ線レーザー発生装置 - Google Patents

Description

放射線を発生して利用する産業分野に関わる。あるいはまた粒子加速器を製造し利用する産業分野に関わる。

Ｘ線発生機構として、山田廣成の発明による卓上型電子シンクロトロンの電子軌道上に微細ターゲットを挿入する方法があり、数MeVから数10MeVという低エネルギー電子を用いて、高輝度ハードＸ線を発生しているが、Ｘ線のコヒーレンスは低くレーザーではない。GeVオーダーの電子ビームを発生して、アンジュレーター中を通過させて、比較的コヒーレンスの高いＸ線を発生する方法があるが、装置は極めて大型であり、1keV以上の短波長Ｘ線の発生は困難である。プラズマを非常に細いチャンネル状に発生し、Ｘ線レーザーを発生する方法が有り、1keV程度のＸ線を発生している。完全円形シンクロトロンのつくる完全円形電子軌道の周囲に環状ミラーを配置して、発生する放射光と電子ビームを相互作用させる山田廣成の発明による光蓄積リング型レーザーが有るが、Ｘ線の発生は困難である。
特開平08-195300号公報 特開2000-058300号公報 Netze,R.,Wouts R.,van der Spoel D.,Weckert E.,and Hajdu,J.,Natur 406,752(2000). S.Yamamoto,K.Tsuchiya,and T.Shioya,Construction of two new in-vacuum type tapered undulators for the PF-AR in press,the proc.of the eighth international conference on synchrotron radiation instrumentation(2003)

高強度のＸ線レーザー、即ち約1keV以上のハードＸ線レーザーを発生する技術はまだ実用化していない。1keV領域では幾つかの方法で試みられてはいるが、装置は大型であり、実用化の目途は立っていない。小型装置で1keV以上のハードＸ線レーザーを発生することが、本発明の目的である。

問題を解決する手段は、電子ビームを発生し加速する装置と、発生した電子ビームの輸送軌道上に、前記電子ビームと角度Ｘまたは角度−Ｘを交互に成して周期的に配置された複数のターゲットと、複数の前記ターゲットに前記電子ビームを衝突させて発生したＸ線を単色化する機構とを有し、前記機構は、前記ターゲットにおいて、前記角度Ｘおよび前記角度−Ｘで２方向に回折された単色のＸ線を生成し、前記２方向の一方の方向に出力されたＸ線が、後段に位置するターゲットに直接に入射するように構成され、前段に位置するターゲットと後段に位置するターゲットとが、前記前段のターゲットで発生した前記Ｘ線と、前記後段のターゲットで発生して２方向に回折された前記Ｘ線の一方のＸ線とが、同じ位相を有するように配置されており、各前記ターゲットで発生し単色化したＸ線を互いに干渉させてＸ線レーザーを発生するＸ線レーザー発生装置である。
前記Ｘ線レーザー発生装置において、前記ターゲットが、多層膜、回折格子及び結晶からなる群の中から選択されるいずれかであることを特徴とするＸ線レーザー発生装置である。
前記Ｘ線レーザー発生装置において、前記電子ビームの輸送軌道の外に配置され、発生する前記Ｘ線を互いに干渉させるＸ線ミラーを備えることを特徴とするＸ線レーザー発生装置である。
前記Ｘ線レーザー発生装置において、前記ターゲットを回転及び平行移動する機構を具備し、該機構によって前記Ｘ線の波長を選択し干渉させることを特徴とするＸ線レーザー発生装置である。
前記Ｘ線レーザー発生装置において、前記電子ビームの輸送軌道の外に配置した前記Ｘ線ミラーの位置が変更可能であることを特徴とするＸ線レーザー発生装置である。
前記Ｘ線レーザー発生装置において、前記電子ビームのパスを遅延させる磁石を備え、前記Ｘ線と前記電子ビームとを同期させることを特徴とするＸ線レーザー発生装置である。
前記Ｘ線レーザー発生装置において、前記電子ビームの軌道を変更する磁石を備え、発生した前記Ｘ線と前記電子ビームとを前記磁石によって分離することを特徴とするＸ線レーザー発生装置である。
前記Ｘ線レーザー発生装置において、前記電子ビームの輸送軌道上に配置された４重極磁石を備え、該４重極磁石によって前記電子ビームを前記ターゲットの位置に収束させ、前記Ｘ線と前記電子ビームの干渉効果を高めることを特徴とするＸ線レーザー発生装置である。

本発明のＸ線レーザー発生装置は、電子ビームを結晶ターゲットに衝突させることにより、単色光を直接所定の方向に発生させることができる。さらには、複数の結晶ターゲットから発生した単色Ｘ線を互いに干渉させることにより、可干渉性を高めることができる。そしてさらには、電子ビームと発生した干渉性の高いＸ線を同じ位相速度でターゲットに進入させることにより、ターゲット内でＸ線の強制誘導放出を行わせることができる。以上の原理により、本発明のＸ線レーザー発生装置は、第１に極めて大強度のＸ線レーザーを提供し、第２に１ｋｅＶ以上のＸ線レーザーを提供できる点で、第３に結晶または回折格子または多層膜を選択しその回転角度を変えるという簡単な操作でＸ線の波長を選択できる等、従来のＸ線レーザーを発生する装置を凌ぎ、第４に小型で有る点で、汎用性をもたらす。もちろん低エネルギーＸ線やＥＵＶ光を発生することは容易である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態に関して詳細に説明する。

本発明のＸ線レーザー発生装置の構成を、図１を用いて詳細に述べる。図１に示したように、本Ｘ線レーザー発生装置は、電子ビーム発生加速装置１、電子軌道４中に置いた複数のターゲット２、ターゲット２から発生したＸ線を再び電子軌道４に戻すためのＸ線ミラー３、電子ビームをＸ線ビームから分離するための磁石１０、電子ビームを捨てるためのダンパー１１、及び、Ｘ線ビームを取り出すためのポート７及び８を備えて構成される。電子ビーム発生加速装置１としては、ライナックまたはマイクロトロンが適当であるが、ベータトロンや、シンクロトロン、静電加速器であってもよい。電子エネルギーは、1MeV以上8MeV以下が好適であるが、それ以外のエネルギーであってもよい。ターゲット２の材質としては、ダイヤモンドやＳｉ等の結晶が好適である。結晶の厚さは、数10μｍから0.1mm程度が好適であるが、1mm程度の厚さであってもよい。結晶の幅は、電子ビームの断面をカバーするようなサイズであるから、数ｍｍから数cmのものである。低エネルギーＸ線や紫外線の発生には回折格子が好適である。多層膜を使用するならば層の周期を人工的に決めることができるため、ターゲット２及びＸ線ミラー３の配置に自由度が増す。
電子ビームの軌道は、本実施例では直線であるが、図３に示したように、電子ビームの軌道を蛇行させるように構成することも可能である。電子ビームを輸送する距離は、１ｍから１０ｍとすることができるが、取り出したいＸ線強度を考慮して決定すればよい。
電子ビームを輸送するとき、電子ビームの発散を押さえるために、四重極磁石１２を設置するのが良い。場所的には、ターゲット２との衝突により電子ビームが発散するのを押さえるためにターゲット２の位置に対応させて設置するのが良い。しかし、四重極磁石１２は無くてもよく、その設置場所を、ターゲット２の位置に対応しない場所とすることもできる。
ターゲット２は、電子軌道４に沿って等間隔に置いているが、間隔を決定するための理論は次節でのべる。ターゲットに結晶を用いるとき、結晶面は電子の進行方向に対して、所定の傾きを持たせるが、その角度は、結晶面の格子定数と取り出す単色Ｘ線の波長により決定する。

次に、図２を用いて、干渉性の高い単色Ｘ線を発生するメカニズムについて詳細に説明する。ここでは、ターゲット２として結晶を使用する場合について説明する。また、Ｘ線ミラー３による反射は考慮しない。電子軌道４に沿って電子ビームがターゲットである結晶２に衝突すると、制動放射Ｘ線を発生するが、制動放射Ｘ線は直ちに結晶により回折を受ける。結晶面は、電子ビームに対して角度−Ｘを成すように設置している。即ち、電子ビームは結晶面に対して角度Ｘで入射している。このとき、結晶面に対する出射角は入射角Ｘと同じであるが、＋及び−双方向に回折を受ける。結晶の格子定数と入射角により回折を受けるＸ線の波長が特定されるが、結晶面に対して対称な２方向に回折が起こり、Ｘ線５及びＸ線６として放射される。結晶の格子定数、入射角、波長の関係は良く知られたブラッグの理論で与えられる。例えば、Ｓｉ（２２０）面では、入射角14.75°で12.7keVのＸ線が回折を受ける。結果としてＸ線６は電子ビームの進行方向に一致している。即ち、回折を受けたＸ線６は、ターゲット２を透過した電子ビームとほぼ同じスピードで、同じ方向に伝搬して次のターゲット２’に衝突する。結晶２’は、電子ビームの進行方向に対して＋Ｘだけ回転した角度に設置している。従って、電子ビームの方向に伝搬してきたＸ線６は再び結晶面に対して±Ｘの方向に回折を受ける。もちろん電子ビームがターゲット２’に衝突して発生するＸ線も±Ｘの方向に回折を受ける。しかも、発生するＸ線と伝搬してきたＸ線は、ほぼ同じ位相に有る。即ち、ここで新たに発生したＸ線と伝搬してきたＸ線は、干渉して強め合う結果となる。結晶ターゲットは、電子の進行方向に、引き続き周期的に設置されており、しかも交互に角度＋または−Ｘを成すように設定されているので、電子の進行方向に引き続き単色Ｘ線が発生し、発生したＸ線と伝搬してきたＸ線とが干渉し合う。

以上の原理によれば、電子ビームとＸ線ビームの位相速度が同じであるならば、ターゲット２の位置はほぼ任意の位置に設置して良い。しかもターゲット２の数には制限はない。但し、発生したＸ線がターゲット２により吸収を受けるために、取り出すＸ線エネルギーによっては、最適値がある。10keVのＸ線を取り出す場合には、通過する全てのターゲットの合計の厚さを1mm程度にするのが良く、厚さが10μｍのターゲットであるならば、約１００層となる。
電子エネルギーが低く１００ＭｅＶ以下であるような場合には、電子のスピードが光速ではないので時には、電子ビームとＸ線の間に位相差が発生する。従って、ターゲット２を設置する位置は、この位相差がＸ線の波長λの整数倍になるような位置とする。β（光速に対する電子速度の比）が0.999999（エネルギーに換算して361MeV）であるような電子ビームの場合には、光が10mm伝搬する間に、電子ビームは、10nm遅れる。従って、10mm間隔もしくはその整数倍の間隔でターゲットを設置し、波長10nmのＸ線を取り出せば、コヒーレント長の長いＸ線を取り出すことができる。もちろん高調波である波長1nmや0.1nmのＸ線も発生する。ターゲットを1mm間隔に精度良く設置すれば、波長1nmとその高調波を発生することができ。
以上の様に直進する電子ビーム軌道上の特定の位置に結晶あるいは回折格子あるいは多層膜を設置するのが本発明の第１の構成である。このとき反射ミラー３は必須条件ではない。電子エネルギーは比較的高い方が短波長の発生に好適である。

次に、第２の例として、Ｘ線を反射するＸ線ミラー（以下、反射ミラーとも記す）３を用いて、Ｘ線の強度を増強し、Ｘ線の強制誘導放射を行わせる原理を詳しく述べる。
反射ミラー３が有る場合には、ターゲット２として非結晶物質を使うこともできる。即ち反射ミラー３で単色化を行ない、反射されたＸ線がターゲット２の位置で、電子ビームと位相が合うように反射ミラー３の位置を設定すれば、干渉によりさらにＸ線強度は増幅される。しかも電子ビームからＸ線の強制誘導放出を起こさせることが出来る。もちろんターゲット２に結晶または多層膜を用いる方が効率が良いので、その様な場合について以下で述べる。
伝搬したＸ線５が、Ｘ線ミラー３で反射され、結晶２'に同じ入射角Ｘで進入するように、反射ミラー３を設置しているので、回折光はやはり±Ｘの方向に伝搬する。従って、反射ミラー３で反射され、回折を受けたＸ線も電子の進行方向に伝搬する成分を持つ。Ｘ線ミラー３は、特定の単色Ｘ線を反射する材質でなければならない。従って、全反射ミラーを使うのが好ましい。しかしながら、入射角が大きな場合には高エネルギーＸ線に対して反射率が落ちるために、特定の結晶を用いるか、多層膜を用いるのが良い。

次に第２の例で、ターゲット２及びＸ線ミラー３を置く位置について述べる。Ｘ線の干渉性を高めるためのいくつかの規則が有る。まず、第１に、Ｘ線ミラー３を経由してターゲット２からターゲット２’へ伝搬するＸ線の位相を、直進したＸ線６の位相と同じにするための条件である。そのためには、ターゲット２−Ｘ線ミラー３−ターゲット２’の光路長及びターゲット２−ターゲット２’の光路長がいずれも取り出すＸ線波長の整数倍になるようにＸ線ミラー３の位置を調整するのがよい。第２の条件は、Ｘ線ミラー３で反射されてターゲット２’に到達したＸ線が、電子ビームのバンチと必ず遭遇するようにＸ線ミラー３の位置を決めることである。ターゲット２−Ｘ線ミラー３−ターゲット２’の光路長は、ターゲット２−ターゲット２’より必ず長いために、当Ｘ線を発生した同じバンチと遭遇することはないが、次またはさらに次などのバンチと遭遇させることができる。もちろんターゲット２−ターゲット２’の間で電子ビームを、図３に示したように複数の磁石１４を用いて蛇行させて、ターゲット２’へ到達する時刻を遅延させるのが一つの方法であり、遭遇のタイミングを調整するのが容易である。図２には、このような磁石を明示はしていない。

ライナックやマイクロトロン加速器で発生する電子ビームはいずれもバンチ構造を持っていて、マイクロパルスが形成されている。例えば５ＧＨｚライナックを使用した場合、バンチ間隔は約６cmである。例えば隣接するターゲットを１３ｃｍ間隔の位置に置き反射ミラー３の位置を、電子ビーム軌道から計って約7.9ｃｍの位置にするのが一つの解であるが、他にもたくさんの解が有る。但し、電子ビームのエネルギーが低い場合には、電子の位相速度が光速ではないことを考慮して、この値に補正を加えればよい。

この様にして並んだ複数のターゲット２とＸ線ミラー３を通過したＸ線は、図１のポート７及びポート８に沿った方向に取り出される。ポート８に沿った方向に取り出されるＸ線は、単色Ｘ線と白色制動放射Ｘ線が混じった物となる。従って、単色Ｘ線を取り出すには、Ｘ線ミラー３もしくは適当な結晶を挿入する必要が有る。ポート７に沿った方向には、単色Ｘ線が取り出される。

以上の説明では、本発明のＸ線レーザー発生装置において、結晶や多層膜をターゲットに用いることにより、単色である干渉性の高い光を発生する点について述べているが、増幅するプロセスについては述べていない。従ってＸ線の強度は、単にターゲットの数に比例して増えることになる。結晶ターゲットの存在とＸ線ミラーの存在により、増幅がおこるわけではない。
しかし、実際には、干渉性の高いＸ線が作る位相のそろった電磁波により、Ｘ線の強制誘導放出が起こる。制動放射が起こるプロセスは、電子ビームがターゲットの核子の近傍を通るときに、曲げられて、光子を放出する事によるが、その様な電子と核子がつくる場に電磁波が存在することにより、強制誘導放出が起こる。これは通常のレーザーで、原子を励起することにより反転分布を発生させたところへ電磁波が進入すると強制誘導放射が起こるのに似ている。入射電子ビームは、あたかも原子核を周回する軌道電子のように振る舞う。原子核の近傍を通過する高エネルギー電子は、いつでもＸ線を放出できる励起状態に有ると考えてよく、反転分布を形成しているので、ここへ電磁波が進入すると、その波長の電磁波を強制誘導放出することになる。制動放射で白色Ｘ線が放出されると言う現象は、当該電子が原子核のつくるポテンシャル中で、連続的な準位にあると解釈して良い。その連続準位の一つが、特定波長の入射Ｘ線と共鳴を起こすわけである。しかも電磁波と電子ビームは同じ位相速度で伝搬しているために強制誘導放射を起こす確率は極めて高い。このような増幅プロセスは、自由電子レーザーにも類似している。自由電子レーザーの場合は、磁石で曲げられることにより白色光を発生するが、磁石によりキャプチャーされた電子がつくる準位がやはり連続準位だと解釈できるのである。自由電子レーザーを量子力学的に解釈すると、このような連続準位に単色電磁波が進入して誘導放射を行うと考えて良い。但し、本発明のＸ線レーザーでは、電子ビームと光（Ｘ線）が常に正確に同じ位相でターゲットに到達するため、電子ビームのマイクロバンチングについて考慮する必要は無い。
結果として、本発明のＸ線レーザー発生装置で発生させたＸ線レーザーが飽和に達した場合のＸ線強度は、電子数の２乗に比例する、例えば電子数が１０の１０乗個のとき、Ｘ線光子数は、１０の２０乗個になる。これは極めて大きな値であり、現在計画されているＸ線レーザー発生装置及び既存Ｘ線レーザー発生装置よりも大きい値である。

以上、本発明のＸ線レーザー発生装置の構成とその原理について主要な部分を述べたが、ターゲットやミラーの駆動機構については、特には述べなかった。ターゲットの位置や、傾きをナノメートルレベルで微調する必要性について述べているが、微調機構そのものは、公知の技術を用いて製作された市販されている機構で十分にまかなうことができる。
第００１１段落で述べている、電子ビームを蛇行させる装置は、強度と極性の異なる平行に配置された複数の磁石１４で構成されていて、電子軌道を符号１３で示した様に蛇行させて、電子ビームが次のターゲットに到着するのを遅延させることにより、Ｘ線ミラー３を経由して到着したＸ線が同時にターゲットに到着するよう磁力を調整する機構を備えた装置であり、自由電子レーザー等で用いられている公知の技術を用いて製作され得る。複数の磁石１４は、電磁石で構成することができるが、永久磁石を用いて、磁極間隙を調整して、磁力分布を変更する事によっても同様に実現できる。この場合には、電子エネルギーが低くても、電子ビームとＸ線を正確に同期させることが出来る点で優れている。
以上、詳しく説明したように、本発明のＸ線レーザー発生装置は、1keV以上のＸ線レーザーの発生が容易であり、しかも結晶あるいは回折格子あるいは多層膜の位置と角度を変えることにより、容易に波長を選択できるＸ線レーザー発生装置を提供できる。もちろん１ｋｅＶ以下の光を発生することもできる。

本発明の直線型Ｘ線レーザー発生装置の構成を示す断面図である。 干渉性の高い単色Ｘ線を発生するメカニズムを説明する図である。 電子ビームを蛇行させてパスを調整する機構を説明する図である。

符号の説明

１…電子ビーム発生加速装置
２…ターゲット
２’…ターゲット
３…Ｘ線ミラー
４…電子軌道
５…Ｘ線
６…Ｘ線
７…ポート
８…ポート
１０…磁石
１１…ダンパー
１２…四重極電磁石
１３…蛇行した電子軌道
１４…電子軌道を蛇行させるための磁石

Claims (8)

1. 電子ビームを発生し加速する装置と、
   発生した電子ビームの輸送軌道上に、前記電子ビームと角度Ｘまたは角度−Ｘを交互に成して周期的に配置された複数のターゲットと、
   複数の前記ターゲットに前記電子ビームを衝突させて発生したＸ線を単色化する機構とを有し、
   前記機構は、前記ターゲットにおいて、前記角度Ｘおよび前記角度−Ｘで２方向に回折された単色のＸ線を生成し、前記２方向の一方の方向に出力されたＸ線が、後段に位置するターゲットに直接に入射するように構成され、
   前段に位置するターゲットと後段に位置するターゲットとが、前記前段のターゲットで発生した前記Ｘ線と、前記後段のターゲットで発生して２方向に回折された前記Ｘ線の一方のＸ線とが、同じ位相を有するように配置されており、各前記ターゲットで発生し単色化したＸ線を互いに干渉させてＸ線レーザーを発生するＸ線レーザー発生装置。
2. 請求項１のＸ線レーザー発生装置において、前記ターゲットが、多層膜、回折格子及び結晶からなる群の中から選択されるいずれかであることを特徴とするＸ線レーザー発生装置。
3. 請求項１または２のＸ線レーザー発生装置において、前記電子ビーム輸送軌道の外に配置され、発生する前記Ｘ線を互いに干渉させるＸ線ミラーを備えることを特徴とするＸ線レーザー発生装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のＸ線レーザー発生装置において、前記ターゲットを回転及び平行移動する機構を具備し、該機構によって前記Ｘ線の波長を選択し干渉させることを特徴とするＸ線レーザー発生装置。
5. 請求項３または４のＸ線レーザー発生装置において、前記電子ビーム輸送軌道の外に配置した前記Ｘ線ミラーの位置が変更可能であることを特徴とするＸ線レーザー発生装置。
6. 請求項５のＸ線レーザー発生装置において、前記電子ビームのパスを遅延させる磁石を備え、前記Ｘ線と前記電子ビームとを同期させることを特徴とするＸ線レーザー発生装置。
7. 請求項１〜６の何れかの項に記載のＸ線レーザー発生装置において、前記電子ビームの軌道を変更する磁石を備え、発生した前記Ｘ線と前記電子ビームとを前記磁石によって分離することを特徴とするＸ線レーザー発生装置。
8. 請求項１〜７の何れかの項に記載のＸ線レーザー発生装置において、前記電子ビーム輸送軌道上に配置された４重極磁石を備え、該４重極磁石によって前記電子ビームを前記ターゲットの位置に収束させ、前記Ｘ線と前記電子ビームの干渉効果を高めることを特徴とするＸ線レーザー発生装置。