JP5454837B2 - 硬ｘ線ビーム走査装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、逆コンプトン散乱により発生する硬Ｘ線ビームの出射方向を変化させる硬Ｘ線ビーム走査装置および方法に関する。

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光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）。
また、逆コンプトン散乱によらない通常のＸ線発生装置において、Ｘ線の出射方向を変化させる手段として、例えば特許文献１〜５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、パルスレーザ光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。

特許文献１の「走査ビーム型Ｘ線画像システム」は、電子ビームを制動物質に照射して発生する制動放射Ｘ線を用いたＸ線発生装置である。この装置では、電子ビームで制動物質上を走査し、制動放射Ｘ線の発生点を変える。各照射点で発生する制動放射Ｘ線は、ほぼ等方的に発散するＸ線であるが、各照射点後方に所定の出射方向のＸ線のみ通過できるコリメータを設置することにより各点でのＸ線出射方向を規定する。

特許文献２の「Ｘ線検査装置」は、電子ビームを制動物質に照射して発生する制動放射Ｘ線を用いたＸ線発生装置である。発生点でのＸ線は、ほぼ等方的に発散するＸ線であるが、線源後方にピンホールあるいは線状のスリットを配置し、ペンシルビームあるいはファンビームを形成し、このスリットを機械的に走査する事で、所定の方向に出射するＸ線ビームを得る。

特許文献３の「微細Ｘ線ビーム走査装置」は、斜入射Ｘ線に対して高反射率を持つ物質で微細なＸ線導光路を形成し、この微細導光路を圧電効果素子を用いて外部からの電圧調整で変形させ、Ｘ線の走査を行う。
Ｘ線は物質表面に極めて浅い入射角度で入射すれば、ほぼ全反射される。従ってこの装置では、一回の反射では大きな偏向角度を取れないが、極浅い角度（全反射臨界角度以下での反射）を多数回行うことで、一定の偏向角度を得ることができる。

特許文献４の「Ｘ線走査装置」は、多層膜をＸ線ミラーとして使用し、この多層膜ミラーの角度を変えることで反射Ｘ線の出射方向を走査する。
高効率のＸ線ミラー（多層膜ミラー）が実現可能な軟Ｘ線領域では、この装置により、偏向・走査が可能である。

特許文献５の「マイクロビーム走査方法および走査装置」は、マイクロビーム（Ｘ線、レーザー光等）の集光点を走査する方法及び装置である。マイクロビームを集光する集光系をマイクロビームの光軸に対して、垂直な方向に駆動することにより、集光点を走査する。
Ｘ線の集光系が実現可能な軟Ｘ線領域では、可視光の偏向・走査と同様に、この手段により偏向・走査が可能である。

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

特表平１１−５０２３５７号公報、「走査ビーム型Ｘ線画像システム」 特開平８−１１４５６０号公報、「Ｘ線検査装置」 特開平７−１０４０９９号公報、「微細Ｘ線ビーム走査装置」 特開平５−２７３４００号公報、「Ｘ線走査装置」 特開平５−１６４９８７号公報、「マイクロビーム走査方法および走査装置」

本発明は、逆コンプトン散乱により発生する硬Ｘ線ビームを対象とする。
電子ビームとレーザ光の衝突相互作用（逆コンプトン散乱）を用いて発生させる硬Ｘ線ビームは、その特長として高指向性、短パルス性、準単色性等の優れた特長を有し、硬Ｘ線ビームを用いた遠隔透視の実現可能性を持っている。
しかし、その高指向性のため、発生した硬Ｘ線ビームの出射方向を変化させること、すなわち硬Ｘ線ビームの偏向・走査が困難である問題点がある。そのため、広いエリアでのＸ線照射を必要とする応用分野への適用が困難であった。

例えば、上述した特許文献１〜５の従来技術には以下の理由により、硬Ｘ線ビームには適用できなかった。
１ 特許文献１〜５は、発生するＸ線の指向性が低いＸ線を対象としており、指向性の高い硬Ｘ線ビームには適用できない。
２ コリメータ（ピンホールあるいは線状のスリット）を使用する手段は、Ｘ線の利用効率が極めて低い。
３ 特許文献３の手段は、透過性の強い硬Ｘ線ビームを高効率に反射する反射鏡を必要とし、かつ実用的な偏向角度（±数ｄｅｇ以上）を得るには、数十回以上の多段反射が必要となり、単一反射鏡としては高効率といえども総合効率は極めて低いものとなる。
また、偏向系サイズも巨大な物となり、Ｘ線天体望遠鏡等の大型機器には応用できても、一般産業用には適用が困難である。
４ 特許文献５の手段は、現時点では硬Ｘ線ビームを対象とする高効率の光学系は存在しないため適用できない。

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、逆コンプトン散乱により発生する硬Ｘ線ビームの出射方向を、その特性（高指向性、準単色性等）を損なうことなく変化させることができる硬Ｘ線ビーム走査装置および方法を提供することにある。

本発明によれば、電子ビームとレーザ光とを衝突させて発生する硬Ｘ線ビームの出射方向を変化させる硬Ｘ線ビーム走査装置であって、
電子ビームとレーザ光の所定の衝突点に入射する電子ビームの入射角度を変化させるビーム入射角制御装置を備える、ことを特徴とする硬Ｘ線ビーム走査装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記衝突点に入射するレーザ光の入射角度を変化させるレーザ入射角制御装置と、
電子ビームとレーザ光が正面衝突するように、前記ビーム入射角制御装置とレーザ入射角制御装置を同期させて制御する衝突制御装置とを備える。

前記電子ビームはパルス電子ビームであり、前記レーザ光はパルスレーザ光である、ことが好ましい。

さらに、前記パルス電子ビームのパルス運転と同期して移動するコリメータを備える、ことが好ましい。

また、本発明によれば、電子ビームとレーザ光とを衝突させて発生する硬Ｘ線ビームの出射方向を変化させる硬Ｘ線ビーム走査方法であって、
電子ビームとレーザ光の所定の衝突点に入射する電子ビームの入射角度を変化させる、ことを特徴とする硬Ｘ線ビーム走査方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記衝突点に入射するレーザ光の入射角度を変化させ、
電子ビームとレーザ光が正面衝突するように、前記ビーム入射角制御装置とレーザ入射角制御装置を同期させて制御する。

上記本発明の装置および方法によれば、ビーム入射角制御装置により、電子ビームとレーザ光の所定の衝突点に入射する電子ビームの入射角度を変化させることにより、硬Ｘ線ビームの発生方向を変化させることができる。

すなわち、電子ビームとレーザ光の衝突相互作用を用いて硬Ｘ線ビームを発生させる場合、硬Ｘ線ビームの発生方向は、ほぼ電子ビームの進行方向と一致する。従ってこの特性を利用し、ビーム入射角制御装置により、電子ビームとレーザ光の所定の衝突点に入射する電子ビームの入射角度を任意に変化させ、所望の方向に硬Ｘ線ビームを発生させることができる。

また、好ましい実施形態によれば、衝突制御装置により、ビーム入射角制御装置とレーザ入射角制御装置を同期させて制御するので、電子ビームとレーザ光の正面衝突を維持したまま、電子ビームとレーザ光の入射角度を変化させることができ、正面衝突により発生する硬Ｘ線ビームの出射方向を、その特性を損なうことなく変化させることができる。

すなわち、ビーム入射角制御装置により、所定の衝突点に入射する電子ビームの入射角度を任意に変化させ、これと同期させて、レーザ入射角制御装置により、前記衝突点に入射するレーザ光の入射角度を変化させ、衝突制御装置により、電子ビームとレーザ光の正面衝突を維持することによって、所望の方向に硬Ｘ線ビームを発生させることができる。

電子ビームとしてパルス電子ビームを用い、レーザ光としてパルスレーザ光を用い、これらのパルス運転に合わせて電子ビーム入射角度を電磁石により変えることにより、発生するパルス硬Ｘ線ビームの出射方向をパルス毎に変えることができる。

また、これらのパルス運転と同期して移動するコリメータの設置により、所望のビームサイズの短パルス、高指向性、硬Ｘ線ビームが得られる。

本発明により、所望の方向に高指向性の硬Ｘ線ビームを偏向・走査することが可能な硬Ｘ線発生装置が実現できる。
本発明により実現される走査可能な硬Ｘ線ビームは、後方散乱Ｘ線を用いた遠隔透視装置等に適用できる。

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、本発明による第１実施形態の硬Ｘ線ビーム走査装置を備えたＸ線発生装置の全体構成図である。このＸ線発生装置は、電子ビーム発生装置１０、レーザ光発生装置２０および硬Ｘ線ビーム走査装置３０を備え、電子ビーム１とレーザ光３とを衝突させて逆コンプトン散乱により硬Ｘ線ビーム４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１を発生し加速して、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、電子銃１１、線形加速管１２、入射偏向磁石１３、出射偏向磁石１４、真空容器１５、電子ビームダンプ１６、およびＸ線取出し窓１７を備える。

電子銃１１と線形加速管１２は、例えばＸバンド（１１．４２４ＧＨｚ）の高周波電源（図示せず）により駆動される。電子銃１１は、電子ビームを発生させる装置であり、発生した電子ビーム１は、線形加速管１２に入射する。
線形加速管１２は、電子銃１１から発生した電子ビーム１を高エネルギーに加速する装置である。この電子ビームは、例えばパルス電子ビーム１であるのが好ましい。

入射偏向磁石１３と出射偏向磁石１４は、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、通過後の電子ビーム１を電子ビームダンプ１６まで導く。
入射偏向磁石１３は、線形加速管１２から出る高エネルギー電子ビームの収束＆偏向を行い、電子ビーム１とレーザ光３の衝突点５に電子ビーム１を導く装置である。
出射偏向磁石１４は、所定の衝突点５を通過した電子ビーム１を衝突軌道外の電子ビームダンプ１６に向けて偏向させる。

真空容器１５は、電子ビーム１の通過経路全体を囲み、内部を真空に保持する。
電子ビームダンプ１６は、直線軌道２を通過した後の電子ビーム１を捕捉して、放射線の漏洩を防止する。

Ｘ線取出し窓１７は、Ｘ線を真空部から大気部に取り出す窓である。Ｘ線取出し窓１７は、真空容器１５の端部（この図で上端）に設けられ、Ｘ線の透過率の高い材料、例えばプラスチック、ガラスや透過率の高い金属（ベリリウムなど）で構成されている。

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。この直線軌道２の中間位置に電子ビーム１とレーザ光３の衝突点５が設定されている。

レーザ光発生装置２０は、レーザ装置２１、及びレーザ反射ミラー２２，２３を備える。
レーザ装置２１は、レーザ光３（好ましくはパルスレーザ光）を発生する。
レーザ反射ミラー２２，２３は、レーザ装置２１で発生したレーザ光３を複数回（この例では２回）反射して、上述した所定の直線軌道２を通過させるようになっている。
また、この例でレーザ反射ミラー２３は、発生した硬Ｘ線ビーム４が透過しやすいように、Ｘ線の透過率の高い材料、例えばプラスチック、ガラスや透過率の高い金属（アルミニウムなど）で構成されている。

上述したレーザ光発生装置２０により、例えば、パルスレーザ光を発生し、これを所定の直線軌道２を電子ビーム１と反対向きに通過させ、衝突点５で電子ビーム１とレーザ光３を衝突させて硬Ｘ線ビーム４を発生させることができる。

硬Ｘ線ビーム走査装置３０は、この例において、ビーム入射角制御装置３２、ビーム出射角制御装置３３、およびコリメータ３４を備える。

ビーム入射角制御装置３２は、電子ビーム１の所望の入射角度αに応じて衝突点５を維持するように上述した入射偏向磁石１３を制御する。
ビーム出射角制御装置３３は、衝突点５を通過した電子ビーム１が衝突軌道外の電子ビームダンプ１６に向かうように上述した出射偏向磁石１４を制御する。
コリメータ３４は、Ｘ線の透過率の低い材料、例えば厚い金属板で構成され、その一部にＸ線の通過する穴又はスリットを有し、パルス電子ビーム１のパルス運転と同期して移動するようになっている。

上述した装置を用い、本発明の硬Ｘ線ビーム走査方法では、電子ビーム１とレーザ光３の所定の衝突点５に入射する電子ビームの入射角度αを変化させる。

上述した本発明の装置および方法によれば、ビーム入射角制御装置３２により、電子ビーム１とレーザ光３の所定の衝突点５に入射する電子ビームの入射角度αを変化させることにより、硬Ｘ線ビーム４の発生方向を変化させることができる。

すなわち、電子ビームとレーザ光の衝突相互作用を用いて硬Ｘ線ビーム４を発生させる場合、硬Ｘ線ビーム４の発生方向は、ほぼ電子ビーム１の進行方向と一致する。従ってこの特性を利用し、ビーム入射角制御装置３２により、電子ビームとレーザ光の所定の衝突点５に入射する電子ビームの入射角度αを任意に変化させ、所望の方向に硬Ｘ線ビーム４を発生させることができる。

図２は、本発明による第２実施形態の硬Ｘ線ビーム走査装置を備えたＸ線発生装置の全体構成図である。
この例において、硬Ｘ線ビーム走査装置３０は、さらに、レーザ入射角制御装置３６と衝突制御装置３８を備える。

レーザ入射角制御装置３６は、レーザ反射ミラー２２，２３の反射角度を変化させて、衝突点５に入射するレーザ光３の入射角度βを変化させる。
衝突制御装置３８は、電子ビーム１とレーザ光３が常に正面衝突するように、ビーム入射角制御装置３２とレーザ入射角制御装置３６を同期させて制御する。
また電子ビーム１とレーザ光３がそれぞれパルス電子ビーム１とパルスレーザ光３である場合に、衝突制御装置３８は、電子ビーム発生装置１０とレーザ光発生装置２０の同期をとり、パルス電子ビーム１とパルスレーザ光３のタイミングを合わせ、両者が所定の衝突点５で衝突するように制御する。

その他の構成は、図１の第１実施形態と同様である。

上述した装置を用い、本発明の硬Ｘ線ビーム走査方法では、電子ビーム１とレーザ光３の所定の衝突点５に入射する電子ビームの入射角度αを変化させ、さらに、衝突点５に入射するレーザ光３の入射角度βを変化させ、電子ビーム１とレーザ光３が正面衝突するように、ビーム入射角制御装置３２とレーザ入射角制御装置３６を同期させて制御する。

また、上述した本発明の第２実施形態によれば、衝突制御装置３８により、ビーム入射角制御装置３２とレーザ入射角制御装置３６を同期させて制御するので、電子ビーム１とレーザ光３の正面衝突を維持したまま、電子ビーム１とレーザ光３の入射角度α、βを変化させることができ、正面衝突により発生する硬Ｘ線ビーム４の出射方向を、その特性を損なうことなく変化させることができる。

すなわち、ビーム入射角制御装置３２により、所定の衝突点５に入射する電子ビーム１の入射角度αを任意に変化させ、これと同期させて、レーザ入射角制御装置３６により、衝突点５に入射するレーザ光３の入射角度βを変化させ、衝突制御装置３８により、電子ビーム１とレーザ光３の正面衝突を維持することによって、所望の方向に硬Ｘ線ビーム４を発生させることができる。

また電子ビーム１としてパルス電子ビームを用い、レーザ光３としてパルスレーザ光を用い、これらのパルス運転に合わせて電子ビーム１とレーザ光３の入射角度α、βを変えることにより、発生するパルス硬Ｘ線ビーム４の出射方向をパルス毎に変えることができる。

また、これらのパルス運転と同期して移動するコリメータ３４の設置により、所望のビームサイズの短パルス、高指向性、硬Ｘ線ビームが得られる。

従って本発明により、所望の方向に高指向性の硬Ｘ線ビームを偏向・走査することが可能な硬Ｘ線発生装置が実現できる。
本発明により実現される走査可能な硬Ｘ線ビームは、後方散乱Ｘ線を用いた遠隔透視装置等に適用できる。

図３（Ａ）は、オフセット角度ηとエネルギーシフト量との関係図であり、図３（Ｂ）はオフセット角度ηと電子ビーム１及びレーザ光３との関係図である。
図３（Ｂ）から明らかなように、オフセット角度ηは、正面衝突における電子ビーム１とレーザ光３のなす角度であり、上述した第１実施形態では、電子ビーム１の入射角度αに相当し、第２実施形態では、電子ビーム１とレーザ光３の入射角度α、βの差（＝α−β）に相当する。
図３（Ａ）からわかるように、オフセット角度ηに依存して極僅かに発生する硬Ｘ線ビーム４のエネルギーが変化するが、オフセット角度ηが０．１ｒａｄ以下の範囲では、その変化は微小であり、Ｘ線透視装置等に用いるのには全く影響しない。

図４（Ａ）は、散乱角度Θと微分散乱断面積（相対値）との関係図であり、図３（Ｂ）はオフセット角度ηと電子ビーム１及びレーザ光３との関係図である。
図４（Ｂ）から明らかなように、オフセット角度ηは、正面衝突における電子ビーム１とレーザ光３のなす角度であり、上述した第１実施形態では、電子ビーム１の入射角度αに相当し、第２実施形態では、電子ビーム１とレーザ光３の入射角度α、βの差（＝α−β）に相当する。また、散乱角度Θは、硬Ｘ線ビーム４と電子ビーム１とのなす角度である。
図４（Ａ）からわかるように、散乱角度Θが０の場合を基準として、散乱角度Θが０．００２ｒａｄでは、相対値で８００から７００まで減少する。従って、硬Ｘ線ビーム４の発生方向は、ほぼ電子ビーム１の進行方向と一致しており、かつ高指向性であることがわかる。

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。

本発明による第１実施形態の硬Ｘ線ビーム走査装置を備えたＸ線発生装置の全体構成図である。 本発明による第２実施形態の硬Ｘ線ビーム走査装置を備えたＸ線発生装置の全体構成図である。 オフセット角度ηとエネルギーシフト量との関係図である。 散乱角度Θと微分散乱断面積（相対値）との関係図である。 非特許文献１の「小型Ｘ線発生装置」の構成図である。

符号の説明

１ 電子ビーム（パルス電子ビーム）、２ 直線軌道、
３ レーザ光（パルスレーザ光）、４ 硬Ｘ線ビーム、５ 衝突点、
１０ 電子ビーム発生装置、１１ 電子銃、１２ 線形加速管、
１３ 入射偏向磁石、１４ 出射偏向磁石、１５ 真空容器、
１６ 電子ビームダンプ、１７ Ｘ線取出し窓、
２０ レーザ光発生装置、２１ レーザ装置、
２２，２３ レーザ反射ミラー、
３０ 硬Ｘ線ビーム走査装置、３２ ビーム入射角制御装置、
３３ ビーム出射角制御装置、３４ コリメータ、
３６ レーザ入射角制御装置、３８ 衝突制御装置

Claims (7)

1. 電子ビームとレーザ光とを衝突させて発生する硬Ｘ線ビームの出射方向を変化させる硬Ｘ線ビーム走査装置であって、
   電子ビームとレーザ光の所定の衝突点を維持するように当該衝突点に入射する電子ビームの入射角度を変化させるビーム入射角制御装置と、
   前記衝突点に入射するレーザ光の入射角度を変化させるレーザ入射角制御装置と、
   電子ビームとレーザ光が正面衝突するように、前記ビーム入射角制御装置と前記レーザ入射角制御装置を同期させて制御する衝突制御装置と、
   レーザ装置により発生させられたレーザ光を反射させる第１のレーザ反射ミラーと、
   第１のレーザ反射ミラーにより反射させられたレーザ光を前記衝突点へ反射させる第２のレーザ反射ミラーと、を備え、
   前記レーザ入射角制御装置は、第１および第２のレーザ反射ミラーの反射角度を変化させることにより、前記衝突点に入射するレーザ光の入射角度を変化させ、
   前記衝突制御装置は、第２のレーザ反射ミラーが、電子ビームと正面衝突する方向にレーザ光を前記衝突点へ反射させるように、前記ビーム入射角制御装置とレーザ入射角制御装置を同期させて制御する、ことを特徴とする硬Ｘ線ビーム走査装置。
2. 電子ビームとレーザ光とを衝突させて発生する硬Ｘ線ビームの出射方向を変化させる硬Ｘ線ビーム走査装置であって、
   電子ビームとレーザ光の所定の衝突点を維持するように当該衝突点に入射する電子ビームの入射角度を変化させるビーム入射角制御装置を備え、
   前記電子ビームはパルス電子ビームであり、前記レーザ光はパルスレーザ光であり、
   前記パルス電子ビームのパルス運転と同期して移動するコリメータを備える、ことを特徴とする硬Ｘ線ビーム走査装置。
3. 前記衝突点に入射するレーザ光の入射角度を変化させるレーザ入射角制御装置と、
   電子ビームとレーザ光が正面衝突するように、前記ビーム入射角制御装置とレーザ入射角制御装置を同期させて制御する衝突制御装置とを備える、ことを特徴とする請求項２に記載の硬Ｘ線ビーム走査装置。
4. 前記ビーム入射角制御装置は、電子ビームを所定の衝突点に向けて偏向させる入射偏向磁石を、電子ビームの所望の入射角度に応じて前記衝突点を維持するように制御する、ことを特徴とする請求項２または３に記載の硬Ｘ線ビーム走査装置。
5. 前記電子ビームはパルス電子ビームであり、前記レーザ光はパルスレーザ光である、ことを特徴とする請求項１に記載の硬Ｘ線ビーム走査装置。
6. 前記パルス電子ビームのパルス運転と同期して移動するコリメータを備える、ことを特徴とする請求項５に記載の硬Ｘ線ビーム走査装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の硬Ｘ線ビーム走査装置を用いた硬Ｘ線ビーム走査方法であって、
   ビーム入射角制御装置により、電子ビームとレーザ光の所定の衝突点を維持するように当該衝突点に入射する電子ビームの入射角度を変化させる、ことを特徴とする硬Ｘ線ビーム走査方法。
   

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