JP4863395B2 - 高輝度ｘ線発生装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、逆コンプトン散乱による高輝度Ｘ線発生装置および方法に関する。

シンクロトロン放射光（ＳＲ光）は、環状加速器（シンクロトロン）において、光速に近い速度まで加速した電子ビームの軌道を強力な磁石で変化させ、その軌道変化の際に発生するＸ線である。ＳＲ光は、Ｘ線管に比べて桁違い（１０^３倍以上）に強力なＸ線源であり（例えばＸ線強度（光子数）：約１０^１４ｐｈｏｔｏｎｓ／ｓ、パルス幅：約１００ｐｓ）、高いＸ線強度を必要とする分野で用いられる。

しかし、シンクロトロンを用いた放射光施設は、シンクロトロンの長径が例えば５０ｍ以上、軌道長が１００ｍ以上に達する大型設備であるため、研究や医療用であっても容易には導入できない問題がある。

そこで、小型の装置でＸ線を発生させる手段として、電子ビームとレーザビームの衝突によって逆コンプトン散乱に起因する準単色Ｘ線を得る手段が知られている（例えば、非特許文献１、２）。
また、逆コンプトン散乱による小型のＸ線発生手段として、特許文献１、２が既に提案されている。

非特許文献１の「小型Ｘ線発生装置」は、図５に示すように、小型の加速器６１（Ｘバンド加速管）で加速された電子ビーム６２をレーザ６３と衝突させてＸ線６４を発生させるものである。ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電子銃６５（熱ＲＦガン）で生成された電子ビーム６２はＸバンド加速管６１で加速され、パルスレーザビーム６３と衝突し、コンプトン散乱により、時間幅１０ｎｓの硬Ｘ線６４が生成される。
この装置は、一般に線形加速器で用いられるＳバンド（２．８５６ＧＨｚ）の４倍の周波数にあたるＸバンド（１１．４２４ＧＨｚ）をＲＦとして用いて小型化を図っており、例えばＸ線強度（光子数）：約１×１０^９ｐｈｏｔｏｎｓ／ｓ、パルス幅：約１０ｐｓの強力な硬Ｘ線の発生が予測されている。

非特許文献２は、図６に示すように、多数の反射鏡を用いてレーザ光を閉じ込めて周回させ、反応領域における衝突率を高めるものである。

特許文献１の「レーザ逆コンプトン光生成装置」は、逆コンプトン散乱効果を利用してＸ線またはγ線等の短波長光を生成することを目的とする。
そのため、この発明の装置は、図７に示すように、反応部７３の別々の位置にレーザ逆コンプトン光ポート７２と、レーザビームポート７１とを設置したものである。

特許文献２の「レーザ光周回装置及びレーザ光周回方法」は、レーザ光を所定の光路内に閉じ込めて周回させ同一のレーザ光を同一のレーザ光集光点に複数回集光させることができ、かつレーザ光集光点の位置を容易かつ正確に微調整することができ、これによりレーザ光の利用効率を大幅に高めることができることを目的とする。
そのため、この発明は、図８に示すように、レーザ光８３を外部から導入し、レーザ光を周回する周回路８５内に閉じ込めて、周回路内のレーザ光集光点８９を繰り返し通過させ、かつレーザ光集光点の位置を調整し、同一のレーザ光を同一のレーザ光集光点に複数回集光させるものである。

土橋克広、他、「Ｘバンドリニアックを用いた小型硬Ｘ線源の開発」、第２７回リニアック技術研究会、２００２ Ｙａｓｕｏ ＳＵＺＵＫＩ，ｅｔ ａｌ．"Ａ ＮＥＷ ＬＡＳＥＲ ＭＡＳＳ ＳＰＥＣＴＲＯＭＥＴＲＹ ＦＯＲ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＵＬＴＲＡＴＲＡＣＥ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＥＮＨＡＮＣＥＤ ＷＩＴＨ ＭＵＬＴＩ−ＭＩＲＲＯＲ ＳＹＳＴＥＭ （ＲＩＭＭＰＡ）"，ＡＮＡＬＩＴＩＣＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ２００１ Ｖｏｌ．１７ Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ

特開２００１−３４５５０３号公報、「レーザ逆コンプトン光生成装置」 特開２００６−３４４７３１号公報、「レーザ光周回装置及びレーザ光周回方法」

上述したように、レーザ光と電子ビームとを衝突させ，逆コンプトン散乱によりＸ線を発生させる様々な装置（例えば特許文献１）が現在提案されている。また、これまでに、発生Ｘ線輝度を増大させる技術として，電子線またはレーザ光を閉空間で周回させて繰り返し衝突させる技術（例えば特許文献２）が開示されている。

しかし、非特許文献２及び特許文献１の装置は、電子ビームとレーザ光が正面衝突できないため、Ｘ線の発生効率（すなわちレーザ光の利用効率）が低い問題点がある。

これに対し、非特許文献１及び特許文献２の装置では、電子ビームとレーザ光が正面衝突するため、Ｘ線の発生効率を高めることができる。この場合、Ｘ線の発生量、すなわち強度は、電子ビームの電流とレーザ光の光子数が同じ場合、電子ビームとレーザ光の単位時間当たりの衝突回数に比例する。

非特許文献１及び特許文献２の装置において、電子ビームのパルス幅は、例えば数１００ｎｓ〜数１０００ｎｓ）、周波数は例えば１０Ｈｚである。また、電子ビームの周波数１０Ｈｚは同一装置を用いて約５０Ｈｚまで容易に高めることができる。
一方、レーザ光のパルス幅は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの場合１０ｎｓ前後であり、周波数は電子ビームと同じ例えば１０Ｈｚである。しかし、レーザ光の周波数を増加させるのは、電源等の設備が大きく異なるため、通常困難である。

そのため、将来的に更なるＸ線輝度の増大（すなわちＸ線出力の増大）を目指す場合、電子ビームとレーザ光の周波数を増大させて、単位時間当たりの衝突回数を増すことが考えられるが、レーザ装置の作製に多大なコストがかかることが予想される。またミラーやレンズ等の光学素子も高出力対応の特注品が必要となり、やはりコストがかかることが予想される。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、レーザ装置やミラー、レンズ等の光学素子の過大なコスト増を抑制しながら、Ｘ線輝度の増大（すなわちＸ線出力の増大）を図ることのできる高輝度Ｘ線発生装置および方法を提供することにある。

本発明によれば、電子ビームとパルスレーザ光とを衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線を発生させる高輝度Ｘ線発生装置であって、
それぞれパルスレーザ光を所定の周期で出射する複数のパルスレーザ装置と、
前記複数のパルスレーザ光の光路を一致させる光路整合装置と、
前記パルスレーザ装置と光路整合装置のタイミングを制御するタイミング制御装置とを備え、
前記光路整合装置は、Ｐ偏光のパルスレーザ光をそのまま通し、Ｓ偏光のパルスレーザ光を直交方向に反射して前記Ｐ偏光の光路に一致させる偏光ビームスプリッタと、
Ｓ偏光をそのまま通し、Ｐ偏光をＳ偏光に変換して通す偏光面制御素子、
またはＰ偏光をそのまま通し、Ｓ偏光をＰ偏光に変換して通す偏光面制御素子のいずれか、を有しており、
前記複数のパルスレーザ光を同一の光路からタイミングをずらして出射する、ことを特徴とする高輝度Ｘ線発生装置が提供される。

前記偏光面制御素子は、出射方向を軸心として回転制御される２分の１波長板、又は電圧の印加で制御されるポケルスセルである、ことが好ましい。

また本発明によれば、電子ビームとパルスレーザ光とを衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線を発生させる高輝度Ｘ線発生方法であって、
それぞれパルスレーザ光を所定の周期で出射する複数のパルスレーザ装置と、
前記複数のパルスレーザ光の光路を一致させる光路整合装置と、
前記パルスレーザ装置と光路整合装置のタイミングを制御するタイミング制御装置とを備え、
偏光ビームスプリッタにより、Ｐ偏光のパルスレーザ光をそのまま通し、Ｓ偏光のパルスレーザ光を直交方向に反射して前記Ｐ偏光の光路に一致させ、
偏光面制御素子により、Ｓ偏光をそのまま通し、Ｐ偏光をＳ偏光に変換して通し、
またはＰ偏光をそのまま通し、Ｓ偏光をＰ偏光に変換して通し、
前記複数のパルスレーザ光を同一の光路からタイミングをずらして出射し、これと電子ビームを同期させて同一位置で正面衝突させる、ことを特徴とする高輝度Ｘ線発生方法が提供される。

上述した本発明の装置および方法によれば、複数のパルスレーザ装置を組み合わせることによって単位時間当たりのレーザ光のパワーを上昇させ，Ｘ線の発生輝度を増大することができる。
すなわち，タイミングをずらした複数のパルスレーザ装置から出射されるパルスレーザ光を、光路整合装置により偏光面を適切に制御することで一つの光路に合わせこむ。このようにして一つの光路に合わせこまれた各々のレーザ光は，重ね合わせ後は同一の偏向面を持つように調整可能であり，同一の周回路を走ることが可能である。

従って、本発明により、特注品を使用することなく市販品のみを用いて、実効的なレーザパルス光の繰り返し周波数を高め、単位時間当たりのパワーを上昇させることができる。これにより、比較的安価にレーザ光と電子との衝突頻度を上げ、発生Ｘ線の輝度を増大させることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明による高輝度Ｘ線発生装置の全体構成図である。この高輝度Ｘ線発生装置は、電子ビーム発生装置１０、レーザ光周回装置２０およびレーザ発生装置３０を備え、電子ビームとパルスレーザ光とを衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線を発生させる装置である。

電子ビーム発生装置１０は、電子ビームを加速してパルス電子ビーム１を発生し所定の直線軌道２を通過させる機能を有する。
この例において、電子ビーム発生装置１０は、ＲＦ電子銃１１、α‐磁石１２、加速管１３、ベンディング磁石１４、Ｑ−磁石１５、減速管１６、およびビームダンプ１７を備える。

ＲＦ電子銃１１と加速管１３は、Ｘバンド（１１．４２４ＧＨｚ）の高周波電源１８により駆動される。ＲＦ電子銃１１から引き出された電子ビームは、α‐磁石１２により軌道を変えて加速管１３に入射する。加速管１３は、小型のＸバンド加速管であり、電子ビームを加速し、好ましくは約５０ＭｅＶ前後の高エネルギーの電子ビームを形成する。この電子ビームは、例えば約１μｓ前後のパルス電子ビーム１である。
特にパルス電子ビーム１は、１つの電子の塊に、周回するレーザ光を何度も衝突させるため、レーザ光の周回時間（例えば約２０ｎｓ）よりも、大きな電子ビームを発生する必要があるため、マルチバンチパルス電子ビームであるのが良い。

ベンディング磁石１４は、パルス電子ビーム１の軌道を磁場で曲げて所定の直線軌道２を通過させ、通過後のパルス電子ビーム１をビームダンプ１７まで導く。Ｑ−磁石１５はパルス電子ビーム１の収束具合を調整する。減速管１６は、パルス電子ビーム１を減速する。ビームダンプ１７は、直線軌道２を通過した後のパルス電子ビーム１を捕捉して、放射線の漏洩を防止する。

同期装置１９は、電子ビーム発生装置１０とレーザ発生装置３０の同期をとり、パルス電子ビーム１のタイミングと後述するパルスレーザ光３とのタイミングを合わせ、パルス電子ビーム１とパルスレーザ光３が所定の直線軌道２上の衝突点２ａで衝突するように制御する。

上述した電子ビーム発生装置１０により、例えば、約５０ＭｅＶ前後、約１μｓ前後のパルス電子ビーム１を発生し、これを所定の直線軌道２を通過させることができる。

レーザ光周回装置２０は、パルスレーザ光３を外部のレーザ発生装置３０から偏光ビームスプリッタ２２を介して周回路５内に導入し、このパルスレーザ光３を周回する周回路５内に閉じ込めて、周回路内の衝突点２ａを繰り返し通過させるようになっている。

この図において、レーザ光周回装置２０は、偏光ビームスプリッタ２２、３枚の反射ミラー２４、ポッケルスセル２６、および制御装置（図示せず）を備える。

偏光ビームスプリッタ２２は、第１直線偏光３ａ（Ｐ偏光）をそのまま通し、これに直交する第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）を直角に反射する。
３枚の反射ミラー２４は、偏光ビームスプリッタ２２を出たパルスレーザ光３を複数回（この例では３回）反射して、偏光ビームスプリッタ２２に周回させ周回路５を構成する。

ポッケルスセル２４は、周回路５内の偏光ビームスプリッタ２２の下流側に位置し、電圧の印加時に通過する偏光の偏光方向を９０度回転する。ポッケルスセルは、光ビームの偏光方向を素早くスイッチングできる非線形光学結晶である。
制御装置（図示せず）は、偏光ビームスプリッタ２２に周回して入るパルスレーザ光３が常に第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）となるようにポッケルスセル２４を制御する。

図２は、レーザ発生装置３０の第１実施形態図である。この図において、レーザ発生装置３０は、２台のパルスレーザ装置３２Ａ，３２Ｂ、光路整合装置３４、およびタイミング制御装置４０を備える。
２台のパルスレーザ装置３２Ａ，３２Ｂは、それぞれパルスレーザ光３ａ，３ｂを所定の周期で出射する。パルスレーザ光３ａは、第１直線偏光３ａ（Ｐ偏光）であり、パルスレーザ３ｂは、第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）である。なお、波長板３３を用いて、偏光面を回転させ、Ｐ偏光をＳ偏光に、あるいはＳ偏光をＰ偏光に変換してもよい。

光路整合装置３４は、偏光ビームスプリッタ３５、偏光面制御素子３６および反射ミラー３７を備え、２つのパルスレーザ光３ａ，３ｂの光路を一致させる機能を有する。
偏光ビームスプリッタ３５は、Ｐ偏光のパルスレーザ光３ａをそのまま通し、Ｓ偏光のパルスレーザ光３ｂを直交方向に反射してＰ偏光の光路に一致させる。

偏光面制御素子３５は、Ｓ偏光をそのまま通し、Ｐ偏光をＳ偏光に変換して通す機能を有する。
偏光面制御素子３５は、例えば、出射方向を軸心として回転制御される２分の１波長板である。偏光面制御素子３５は電圧の印加で制御されるポケルスセルであってもよい。

タイミング制御装置４０は、パルスレーザ装置３２Ａ，３２Ｂのレーザ光の出射タイミングと、偏光面制御素子３５のＰ偏光をＳ偏光に変換するタイミングを制御する。
このタイミング制御装置４０により、パルスレーザ装置３２Ａ，３２Ｂと光路整合装置３４のタイミングを制御し、２つのパルスレーザ光を同一の光路からタイミングをずらして出射する。

図３は、レーザ発生装置３０の第２実施形態図である。この図において、レーザ発生装置３０は、３台のパルスレーザ装置３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ、光路整合装置３４、およびタイミング制御装置４０を備える。
３台のパルスレーザ装置３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、それぞれパルスレーザ光３ａ，３ｂ，３ｃを所定の周期で出射する。パルスレーザ光３ａ，３ｃは、第１直線偏光３ａ（Ｐ偏光）であり、パルスレーザ３ｂは、第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）である。なお、波長板３３を用いて、偏光面を回転させ、Ｐ偏光をＳ偏光に、あるいはＳ偏光をＰ偏光に変換してもよい。

光路整合装置３４は、２つの偏光ビームスプリッタ３５Ａ，３５Ｂ、２つの偏光面制御素子３６Ａ，３６Ｂおよび反射ミラー３７を備え、３つのパルスレーザ光３ａ，３ｂ，３ｃの光路を一致させる機能を有する。
偏光ビームスプリッタ３５Ａ，３５Ｂは、Ｐ偏光のパルスレーザ光３ａをそのまま通し、Ｓ偏光のパルスレーザ光３ｂを直交方向に反射してＰ偏光の光路に一致させる。

偏光面制御素子３６Ａ，３６Ｂは、Ｓ偏光をそのまま通し、Ｐ偏光をＳ偏光に変換して通す機能を有する。
偏光面制御素子３６Ａ，３６Ｂは、出射方向を軸心として回転制御される２分の１波長板、または、電圧の印加で制御されるポケルスセルであるのがよい。

タイミング制御装置４０は、パルスレーザ装置３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃのレーザ光の出射タイミングと、偏光面制御素子３５Ａ，３５ＢのＰ偏光をＳ偏光に変換するタイミングを制御する。
このタイミング制御装置４０により、パルスレーザ装置３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃと光路整合装置３４のタイミングを制御し、３つのパルスレーザ光を同一の光路からタイミングをずらして出射する。

図４は、タイミング制御装置４０による制御内容を示すタイミング図である。
この例において、３つのパルスレーザ光３ａ，３ｂ，３ｃのパルス幅が約１０ｎｓ、周波数が１０Ｈｚの場合、各パルスレーザ光のパルス間隔は１００ｍｓとなる。偏光面制御素子３５Ａ，３５Ｂの切替わり時間は、例えば数ｎｓ〜数１０ｍｓである。
従って、この図に示すように、タイミング制御装置４０により、パルスレーザ装置３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃと光路整合装置３４のタイミングを制御し、３つのパルスレーザ光３ａ，３ｂ，３ｃを同一の光路からタイミングをずらして出射することができる。

本発明の方法では、上述した装置を用い、複数（２以上）のパルスレーザ光を同一の光路からタイミングをずらして出射し、これと電子ビームを同期させて同一位置で正面衝突させる。
電子ビームの周波数は、上述したように、同一装置で約５０Ｈｚまで容易に高めることができる。
従って、本発明の方法により、レーザ光の周波数を実質的に２倍以上に増加させることにより、レーザ装置やミラー、レンズ等の光学素子の過大なコスト増を抑制しながら、Ｘ線輝度の増大（すなわちＸ線出力の増大）を図ることのできる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明による高輝度Ｘ線発生装置の全体構成図である。 レーザ発生装置の第１実施形態図である。 レーザ発生装置の第２実施形態図である。 タイミング制御装置による制御内容を示すタイミング図である。 非特許文献１の「小型Ｘ線発生装置」の構成図である。 非特許文献２の装置の模式図である。 特許文献１の「レーザ逆コンプトン光生成装置」の構成図である。 特許文献２の「レーザ光周回装置及びレーザ光周回方法」の構成図である。

符号の説明

１ パルス電子ビーム、２ 直線軌道、２ａ 衝突点、
３ パルスレーザ光、３ａ，３ｃ 第１直線偏光（ｐ偏光）、
３ｂ 第２直線偏光（Ｓ偏光）、５ 周回路、
１０ 電子ビーム発生装置、１１ ＲＦ電子銃、
１２ α‐磁石、１３ 加速管、１４ ベンディング磁石、
１５ Ｑ−磁石、１６ 減速管、１７ ビームダンプ、
２０ レーザ光周回装置、２２ 偏光ビームスプリッタ、
２４ 反射ミラー、２６ ポッケルスセル、
３０ レーザ発生装置、３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ パルスレーザ装置、
３４ 光路整合装置、３５，３５Ａ，３５Ｂ 偏光ビームスプリッタ、
３６ 偏光面制御素子（２分の１波長板、ポケルスセル）、
３７ 反射ミラー、４０ タイミング制御装置

Claims (3)

1. 電子ビームとパルスレーザ光とを衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線を発生させる高輝度Ｘ線発生装置であって、
   それぞれパルスレーザ光を所定の周期で出射する複数のパルスレーザ装置と、
   前記複数のパルスレーザ光の光路を一致させる光路整合装置と、
   前記パルスレーザ装置と光路整合装置のタイミングを制御するタイミング制御装置とを備え、
   前記光路整合装置は、Ｐ偏光のパルスレーザ光をそのまま通し、Ｓ偏光のパルスレーザ光を直交方向に反射して前記Ｐ偏光の光路に一致させる偏光ビームスプリッタと、
   Ｓ偏光をそのまま通し、Ｐ偏光をＳ偏光に変換して通す偏光面制御素子、
   またはＰ偏光をそのまま通し、Ｓ偏光をＰ偏光に変換して通す偏光面制御素子のいずれか、を有しており、
   前記複数のパルスレーザ光を同一の光路からタイミングをずらして出射する、ことを特徴とする高輝度Ｘ線発生装置。
2. 前記偏光面制御素子は、出射方向を軸心として回転制御される２分の１波長板、又は電圧の印加で制御されるポケルスセルである、ことを特徴とする請求項１に記載の高輝度Ｘ線発生装置。
3. 電子ビームとパルスレーザ光とを衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線を発生させる高輝度Ｘ線発生方法であって、
   それぞれパルスレーザ光を所定の周期で出射する複数のパルスレーザ装置と、
   前記複数のパルスレーザ光の光路を一致させる光路整合装置と、
   前記パルスレーザ装置と光路整合装置のタイミングを制御するタイミング制御装置とを備え、
   偏光ビームスプリッタにより、Ｐ偏光のパルスレーザ光をそのまま通し、Ｓ偏光のパルスレーザ光を直交方向に反射して前記Ｐ偏光の光路に一致させ、
   偏光面制御素子により、Ｓ偏光をそのまま通し、Ｐ偏光をＳ偏光に変換して通し、
   またはＰ偏光をそのまま通し、Ｓ偏光をＰ偏光に変換して通し、
   前記複数のパルスレーザ光を同一の光路からタイミングをずらして出射し、これと電子ビームを同期させて同一位置で正面衝突させる、ことを特徴とする高輝度Ｘ線発生方法。
   

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