JP5556027B2 - Ｘ線射出装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光によって加速される電子とレーザ光とを集光領域において衝突させることによって指向性を有するＸ線を発生及び射出するＸ線射出装置に関するものである。

近年、危険物の透視や治療を目的として、硬Ｘ線を特定方向に射出するＸ線射出装置が提案されている。
例えば、このようなＸ線射出装置としては、制動輻射によって線源から周囲全体に射出されるＸ線のうち、上記特性方向に射出された成分のみをビームコリメータによって切り出す装置が知られている。
このようなＸ線射出装置によれば、ビームコリメータを移動させることによって、任意の特定方向に硬Ｘ線を射出することが可能となる。

ところが、上記Ｘ線射出装置では、線源から射出されたＸ線の一部成分のみを切り出し、残りの多くの成分を遮光することとなるため、Ｘ線の利用効率が極めて低い。
これに対して、電子をレーザ光によって加速させると共に、加速した電子にレーザ光を衝突させて逆コンプトン散乱現象によって硬Ｘ線を発生させるＸ線射出装置が提案されている。
このようなＸ線射出装置によれば、一方向のみに強い硬Ｘ線を射出することが可能となる。

Meas. Sci. Techno. 12(2001) 1824-1834

ところで、逆コンプトン散乱現象を利用して硬Ｘ線を安定して生成する場合には、１０μｍ程度の集光領域にレーザ光を集光して、当該領域にて電子とレーザ光とを衝突させる。そして、硬Ｘ線は、集光領域に入射する電子及びレーザ光の角度によって一義的に定められる方向に射出される。
そして、このようなＸ線射出装置において、硬Ｘ線を任意の特定方向に射出するための最も簡単な構成としては、Ｘ線射出装置そのものを上記特定方向に応じて移動させることである。

しかしながら、上述のような逆コンプトン散乱現象を用いて硬Ｘ線を射出させる場合に用いられるレーザ光は、超短パルスでハイパワーな特殊なレーザ光であり、ビームストレッチ、多段増幅、ビーム圧縮等の多くの過程を経て発生されるものである。
このため、レーザ光を射出するレーザ光源装置が非常に大きな重量物となる。また、極めて小さな集光領域にレーザ光を集光する必要があることから、移動の際の振動によりレーザ光源装置の内部に組み込まれた光学素子に位置ズレ等が生じた場合には、レーザ光の集光が困難となる。
したがって、逆コンプトン散乱現象を利用して硬Ｘ線を生成するＸ線射出装置において、硬Ｘ線の射出方向を変更するために装置そのものを移動させることは容易ではない。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、逆コンプトン散乱現象を利用して硬Ｘ線を生成するＸ線射出装置において、Ｘ線の射出方向を容易に変更可能とすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、レーザ光によって加速される電子とレーザ光とを集光領域において衝突させることによって指向性を有するＸ線を発生及び射出するＸ線射出装置であって、上記レーザ光を射出するレーザ光源装置と、該レーザ光源装置から射出された上記レーザ光を上記集光領域に導光する導光手段と、該導光手段が固定されるステージと、上記集光領域を固定して上記ステージを移動させる移動手段とを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記ステージの外部に設置されると共に上記ステージの移動に伴って上記導光手段への上記レーザ光の入射方向を追従させる追従手段を備えるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記追従手段が、入射位置に応じて上記ステージへの上記レーザ光の入射方向を変更する第１反射手段と、上記レーザ光の進行方向に移動可能とされると共に上記第１反射手段への上記レーザ光の入射位置を規定する第２反射手段とを備えるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記第１反射手段が、取付角度の異なる複数の平面鏡から構成されているという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４の発明において、上記導光手段が複数の光学素子を備え、上記移動手段が、上記光学素子のうち上記レーザ光に対して最も上流側に位置する最上流光学素子を通過する軸を中心として上記ステージを回転移動可能としているという構成を採用する。

本発明によれば、ステージ上に導光手段が固定され、当該ステージが集光領域を固定した状態で移動される。つまり、本発明においては、集光領域の位置が固定された状態で、導光手段が固定されたステージが移動され、集光領域と導光手段との位置関係が保たれたまま導光手段が移動することとなる。
このため、本発明によれば、レーザ光源装置を移動させることなく、導光手段が固定されたステージを移動させるのみで、Ｘ線の射出方向を変更することができる。
したがって、本発明によれば、逆コンプトン散乱現象を利用して硬Ｘ線を生成するＸ線射出装置において、Ｘ線の射出方向を容易に変更することが可能となる。

本発明の第１実施形態におけるＸ線射出装置の概略構成を模式的に示すシステム構成図である。 本発明の第１実施形態におけるＸ線射出装置が備えるステージを含む拡大図である。 本発明の第１実施形態におけるＸ線射出装置が備える追従用固定鏡の一部を拡大した図である。 本発明の第１実施形態におけるＸ線射出装置の動作を説明するための図である。 本発明の第２実施形態におけるＸ線射出装置の概略構成を模式的に示すシステム構成図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るＸ線射出装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１の概略構成を模式的に示すシステム構成図である。
この図に示すように、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１は、レーザ光源装置１と、導光部２（導光手段）と、ステージ３と、ステージ移動装置４（移動手段）と、ターゲット供給装置５と、レーザ光追従装置６（追従手段）と、制御装置７とを備えている。

レーザ光源装置１は、制御装置７の制御の下、超短パルスでかつハイパワーなレーザ光Ｌ１を射出するものであり、内部において、レーザ発信機から射出されたレーザ光に対してビームストレッチ、多段増幅、ビーム圧縮等の処理を行ってから射出するものである。このレーザ光源装置１は、レーザ光Ｌ１を平行光として射出する。

導光部２は、入射されるレーザ光Ｌ１を電子加速用レーザ光Ｌ２と衝突用レーザ光Ｌ３とに分離すると共に、集光領域Ｒに電子加速用レーザ光Ｌ２と衝突用レーザ光Ｌ３とを導光するものである。
図２は、導光部２を含む拡大図である。この図に示すように、導光部２は、複数の光学素子から構成されており、当該光学素子として第１反射鏡２ａと、第２反射鏡２ｂと、ビームスプリッタ２ｃと、第３反射鏡２ｄと、集光レンズ２ｅと、放物面鏡２ｆとを備えている。

第１反射鏡２ａ（最上流光学素子）は、導光部２を構成する光学素子のうちレーザ光Ｌ１に対して最も上流側に位置する光学素子であり、導光部２に入射されるレーザ光Ｌ１を第２反射鏡２ｂに向けて反射するものである。

第２反射鏡２ｂは、第１反射鏡２ａによって反射されたレーザ光Ｌ１をさらに反射してビームスプリッタ２ｃに導光するものである。

ビームスプリッタ２ｃは、第２反射鏡２ｂに反射されて導光されたレーザ光Ｌ１を電子加速用レーザ光Ｌ２と衝突用レーザ光Ｌ３とに分光するものであり、レーザ光Ｌ１の成分の一部を反射して電子加速用レーザ光Ｌ２として第３反射鏡２ｄに導光すると共に、レーザ光Ｌ１の一部を透過して衝突用レーザ光Ｌ３として放物面鏡２ｆに導光するものである。

第３反射鏡２ｄは、ビームスプリッタ２ｃから入射される電子加速用レーザ光Ｌ２を集光領域Ｒに向けて反射するものである。

集光レンズ２ｅは、第３反射鏡２ｄと集光領域Ｒとの間に介装されており、第３反射鏡２ｄから入射される電子加速用レーザ光Ｌ２を集光領域Ｒに集光させるものである。

放物面鏡２ｆは、ビームスプリッタ２ｃから入射される衝突用レーザ光Ｌ３を反射すると共に集光領域Ｒに集光させるものである。

なお、第３反射鏡２ｄと放物面鏡２ｆとは集光領域Ｒを挟みかつ当該集光領域を含んで一直線状に配列されている。このため、電子加速用レーザ光Ｌ２と衝突用レーザ光Ｌ３とは正面から衝突されることとなる。

ステージ３は、上記導光部２（すなわち当該導光部２を構成する光学素子）が固定される円形の平板である。
そして、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１においては、レーザ光Ｌ１、電子加速用レーザ光Ｌ２、衝突用レーザ光Ｌ３及び後述するＸ線Ｌ４がステージ３の上面３ａに沿って導光されるように当該ステージ３の上面３ａに導光部２が固定されている。

ステージ移動装置４は、上記集光領域Ｒの位置を固定させた状態でステージ３を移動させるものである。具体的には、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１においてステージ移動装置４は、ステージ３を上面３ａが含まれる平面内においてステージ３を集光領域Ｒが中心となるように回転移動可能に構成され、また第１反射鏡２ａと集光領域Ｒとを結ぶ軸Ｌａを中心としてステージ３を回転移動可能に構成されている。

ターゲット供給装置５は、電子加速用レーザ光Ｌ２の光路上であって集光領域Ｒの直近にガスを噴射することによってレーザ照射ターゲットを供給するものである。

レーザ光追従装置６は、ステージ３の外部に設置されており、ステージ移動装置４によるステージ３の移動に伴って導光部２へのレーザ光Ｌ１の入射方向を追従させるものである。
このレーザ光追従装置６は、図２に示すように、追従用固定鏡６ａ（第１反射手段）と、追従用移動鏡６ｂ（第２反射手段）と、リニアステージ装置６ｃとを備えている。

追従用固定鏡６ａは、レーザ光Ｌ１の入射位置に応じてステージ３へのレーザ光Ｌ１の入射方向を変更するものである。
より詳細には、追従用固定鏡６ａは、追従用移動鏡６ｂからの一方向から入射されるレーザ光Ｌ１を入射位置に応じて異なる角度で反射することによって、ステージ３へのレーザ光Ｌ１の入射方向を変更する。
そして、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１において追従用固定鏡６ａは、図３の拡大図に示すように、位置によって取付角度の異なる複数の平面鏡６ｄが放物線状に配列されることによって構成されている。

追従用移動鏡６ｂは、レーザ光Ｌ１に対して追従用固定鏡６ａの上流側に配置されており、レーザ光Ｌ１の進行方向に移動されると共に移動位置によって追従用固定鏡６ａへのレーザ光Ｌ１の入射位置を規定するものである。
そして、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１において追従用移動鏡６ｂは、入射されるレーザ光Ｌ１に対して４５°の角度に固定されており、反射したレーザ光Ｌ１が追従用固定鏡６ａに対して常に同一方向から入射するようにレーザ光Ｌ１を反射する。

リニアステージ装置６ｃは、追従用移動鏡６ｂを移動させるものであり、追従用移動鏡６ｂに入射するレーザ光Ｌ１の進行方向に沿って延在される直線状のガイドレールと、該ガイドレール上を移動すると共に追従用移動鏡６ｂが固定される移動子と、該移動子を移動する駆動力を発生する駆動部等を備えている。

制御装置７は、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１の動作全体を制御するものであり、レーザ光源装置１、ステージ移動装置４、ターゲット供給装置５及びレーザ光追従装置６のリニアステージ装置６ｃ等に電気的に接続されている。
そして、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１において制御装置７は、例えば不図示の入力装置から入力される指令に基づいてステージ移動装置４にステージ３を移動させると共に、必要に応じてリニアステージ装置６ｃを駆動する。
なお、制御装置７は、ステージ３が上面３ａを含む平面内において回転移動される場合に、ステージ３の上面３ａに固定された導光部２に対するレーザ光Ｌ１の入射方向が常に一定となるようにリニアステージ装置６ｃを駆動する。

このように構成された本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１においては、制御装置７の制御の下、レーザ光源装置１からレーザ光Ｌ１が射出され、レーザ光追従装置６を介して導光部２に入射したレーザ光Ｌ１がビームスプリッタ２ｃによって電子加速用レーザ光Ｌ２と衝突用レーザ光Ｌ３とに分離される。
そして、電子加速用レーザ光Ｌ２がターゲット供給装置５から供給されるガスをプラズマ化し電子を発生、加速すると共に、電子加速用レーザ光Ｌ２と衝突用レーザ光Ｌ３と集光領域Ｒに集光することによって、加速された電子と衝突用レーザ光Ｌ３とを衝突させて硬Ｘ線Ｌ４を発生させる。
このように発生された硬Ｘ線Ｌ４は、図１及び図２に示すように、指向性を持って所定の一方向に射出される。

続いて、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１において、硬Ｘ線Ｌ４の射出方向を変更する方法について説明する。

硬Ｘ線Ｌ４の射出方向をステージ３の上面３ａを含む平面内において変更する場合には、制御装置７は、図４に示すように、ステージ移動装置４によってステージ３を、上面３ａを含む平面内においてかつ集光領域Ｒを中心として回転移動させる。このようにステージ３を回転移動させることによって、ステージ３の上面３ａに固定された導光部２も同様に回転移動される。

一方で、制御装置７は、ステージ３の回転移動量に応じてレーザ光追従装置６のリニアステージ装置６ｃを駆動する。つまり、ステージ３の回転移動前と回転移動後とにおいて、導光部２に対するレーザ光Ｌ１の入射方向が変化しないように、追従用移動鏡６ｂが固定されたリニアステージ装置６ｃの移動子を移動させる。

レーザ光Ｌ１のステージ３への入射方向は、レーザ光追従装置６の追従用固定鏡６ａへのレーザ光Ｌ１の入射位置によって定まる。このため、ステージ３が回転移動された後の導光部２に対して、ステージ３の回転移動前と同様の方向からレーザ光Ｌ１を入射可能な追従用固定鏡６ａの位置に、追従用移動鏡６ｂからのレーザ光Ｌ１が入射されるように、追従用移動鏡６ｂをリニアステージ装置６ｃによって移動する。

このようにステージ３が上面３ａを含む平面内においてかつ集光領域Ｒを中心として回転移動され、さらに導光部２に入射するレーザ光Ｌ１の方向が変化しないことによって、硬Ｘ線Ｌ４の射出方向は、ステージ３の回転移動領分だけ、ステージ３の上面３ａを含む平面内において変更される。

また、硬Ｘ線Ｌ４の射出方向を上下方向に変更する場合には、制御装置７は、ステージ移動装置４によってステージ３を、第１反射鏡２ａと集光領域Ｒとを結ぶ軸Ｌａを中心として回転移動させる。
この結果、第１反射鏡２ａと集光領域Ｒとの空間的な位置は変化しないものの、レーザ光Ｌ１、電子加速用レーザ光Ｌ２及び衝突用レーザ光Ｌ３の光軸がステージ３の上面３ａの傾斜に伴って傾斜し、硬Ｘ線Ｌ４の射出方向が上下方向に変更される。

そして、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１においては、上述した、硬Ｘ線Ｌ４の射出方向をステージ３の上面３ａを含む平面内において変更する場合と、硬Ｘ線Ｌ４の射出方向を上下方向に変更する場合とを組み合わせることによって、任意の方向の硬Ｘ線Ｌ４を射出することが可能となる。

以上のような本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１によれば、ステージ３上に導光部が固定され、当該ステージ３が集光領域Ｒの空間位置を固定した状態で移動される。つまり、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１においては、集光領域Ｒの位置が固定された状態で、導光部２が固定されたステージ３が移動され、集光領域Ｒと導光部２との位置関係が保たれたまま導光部２が移動することとなる。
このため、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１によれば、レーザ光源装置１を移動させることなく、導光部２が固定されたステージ３を移動させるのみで、硬Ｘ線Ｌ４の射出方向を変更することができる。
したがって、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１によれば、逆コンプトン散乱現象を利用して硬Ｘ線を生成するＸ線射出装置において、Ｘ線の射出方向を容易に変更することが可能となる。

また、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１においては、ステージ３の外部に設置されると共にステージ３の上面３ａを含む平面内における回転移動に伴って導光部２へのレーザ光Ｌ１の入射方向を追従させるレーザ光追従装置６を備えるという構成を採用する。
このような構成を採用する本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１によれば、ステージ３の上面３ａを含む平面内において硬Ｘ線Ｌ４を任意の方向に射出することが可能となる。

また、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１においては、レーザ光追従装置６の追従用固定鏡６ａが、取付角度が異なる複数の平面鏡からなるという構成を採用する。
このような構成を採用する本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１によれば、レーザ光源装置１から射出されたレーザ光Ｌ１を平行光のまま導光部２に入射させることが可能となる。したがって、レーザ光源装置１から導光部２までの光路長が変化した場合であっても、当該光路長の変化が硬Ｘ線Ｌ４に与える影響を排除することが可能となる。

また、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１においては、導光部２が複数の光学素子を備え、ステージ移動装置４が、光学素子のうちレーザ光Ｌ１に対して最も上流側に位置する最上流光学素子である第１反射鏡２ａ及び集光領域Ｒを通過する軸を中心としてステージ３を回転移動可能とされている。
このような構成を採用する本実施形態のＸ線射出装置Ｓ１によれば、硬Ｘ線Ｌ４を上下方向の任意の方向に射出することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図５は、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ２の概略構成を模式的に示すシステム構成図である。
上記第１実施形態のＸ線射出装置Ｓ１が単一のレーザ光源装置１から射出されたレーザ光Ｌ１を導光部２によって電子加速用レーザ光Ｌ２と衝突用レーザ光Ｌ３とに分離する構成を採用したのに対し、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ２は、電子加速用レーザ光Ｌ２を射出するレーザ光源装置１Ａと、衝突用レーザ光Ｌ３を射出するレーザ光源装置１Ｂとを備えている。
そして、電子加速用レーザ光Ｌ２及び衝突用レーザ光Ｌ３の各々に対して、導光部２Ａ，２Ｂとレーザ光追従装置６Ａ，６Ｂとが設けられている。

このような構成を有する本実施形態のＸ線射出装置Ｓ２においても、上記第１実施形態のＸ線射出装置Ｓ１と同様に、レーザ光源装置１Ａ，１Ｂを移動させることなく、導光部２Ａ，２Ｂが固定されたステージ３を移動させるのみで、硬Ｘ線Ｌ４の射出方向を変更することができる。
したがって、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ２によれば、逆コンプトン散乱現象を利用して硬Ｘ線を生成するＸ線射出装置において、Ｘ線の射出方向を容易に変更することが可能となる。

なお、本実施形態のＸ線射出装置Ｓ２においては、軸Ｌａを中心としてステージ３を回転移動させた場合に、電子加速用レーザ光Ｌ２対して設けられた導光部２Ａの最上流光学素子である反射鏡２Ａ１、衝突用レーザ光Ｌ３対して設けられた導光部２Ｂの最上流光学素子である反射鏡２Ｂ１、及び集光領域Ｒの空間位置が固定されるように、反射鏡２Ａ１、反射鏡２Ｂ１及び集光領域Ｒが軸Ｌａ上に配列されている。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、ステージ３が円形の平板である構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ステージ３の形状はＸ線射出装置の設計条件の下、任意に設定することが可能である。

また、上記実施形態において示した導光部２，２Ａ，２Ｂを構成する光学素子は一例であり、他の光学素子によって導光部２，２Ａ，２Ｂを構成することも可能である。

また、上記実施形態においては、ターゲット供給装置５がステージ３の外部に設置された構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ターゲット供給装置５を導光部２と共にステージ３上に設置することも可能である。

Ｓ１，Ｓ２……Ｘ線射出装置、１，１Ａ，１Ｂ……レーザ光源装置、２，２Ａ，２Ｂ……導光部（導光手段）、３……ステージ、４……ステージ移動装置（移動手段）、５……ターゲット供給装置、６……レーザ光追従装置（追従手段）、６ａ……追従用固定鏡（第１反射手段）、６ｂ……追従用移動鏡（第２反射手段）、６ｃ……リニアステージ装置、６ｄ……平面鏡、７……制御装置、Ｌ１……レーザ光、Ｌ２……電子加速用レーザ光（レーザ光）、Ｌ３……衝突用レーザ光（レーザ光）、Ｌ４……硬Ｘ線（Ｘ線）

Claims (2)

1. レーザ光によってガスをプラズマ化させて発生及び加速される電子とレーザ光とを集光領域において衝突させることによって指向性を有するＸ線を発生及び射出するＸ線射出装置であって、
   前記レーザ光を射出するレーザ光源装置と、
   該レーザ光源装置から射出された前記レーザ光を前記集光領域に導光する導光手段と、
   該導光手段が固定されるステージと、
   前記集光領域を固定して前記ステージを移動させる移動手段と、
   前記ステージの外部に設置されると共に前記ステージの移動に伴って前記導光手段への前記レーザ光の入射方向を追従させる追従手段と
   を備え、
   前記追従手段は、
   入射位置に応じて前記ステージへの前記レーザ光の入射方向を変更する第１反射手段と、
   前記レーザ光の進行方向に移動可能とされると共に前記第１反射手段への前記レーザ光の入射位置を規定する第２反射手段と
   を備え、
   前記第１反射手段は、取付角度の異なる複数の平面鏡から構成されている
   ことを特徴とするＸ線射出装置。
2. レーザ光によってガスをプラズマ化させて発生及び加速される電子とレーザ光とを集光領域において衝突させることによって指向性を有するＸ線を発生及び射出するＸ線射出装置であって、
   前記レーザ光を射出するレーザ光源装置と、
   該レーザ光源装置から射出された前記レーザ光を前記集光領域に導光する導光手段と、
   該導光手段が固定されるステージと、
   前記集光領域を固定して前記ステージを移動させる移動手段と
   を備え、
   前記導光手段が複数の光学素子を備え、前記移動手段は、前記光学素子のうち前記レーザ光に対して最も上流側に位置する最上流光学素子及び前記集光領域を通過する軸を中心として前記ステージを回転移動可能としている
   ことを特徴とするＸ線射出装置。

Images