JP5625414B2 - X-ray generation method - Google Patents
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Description
本発明はレーザ光を利用して電子を加速し、X線を発生するX線発生方法に関する。 The present invention relates to an X-ray generation method for generating X-rays by accelerating electrons using laser light.
近年、高出力のフェムト秒レーザの実現により、レーザ光を用いた電子加速の研究が進められている。これとは別に、レーザ逆コンプトンを利用する技術も研究されている(例えば、特許文献1参照)。逆コンプトン散乱とは、高エネルギーの電子に波長の短い光をあてると、電子のエネルギーが光に渡されて光の波長が短くなり、X線となって散乱される現象である。 In recent years, research on electron acceleration using laser light has been advanced by realizing a high-power femtosecond laser. Apart from this, a technique using laser inverse Compton has also been studied (see, for example, Patent Document 1). Inverse Compton scattering is a phenomenon in which when short-wavelength light is applied to high-energy electrons, the energy of the electrons is transferred to the light, the wavelength of the light is shortened, and X-rays are scattered.
これらの技術を合わせ、近年、フェムト秒レーザを利用して逆コンプトン散乱によりX線を発生させるX線発生装置も研究されている。このX線発生装置は、フェムト秒レーザが発光する電子加速用のレーザ光にガスターゲットを投射して発生するプラズマにより加速電子を生成し、電子ビームとなったこの加速電子に衝突用のレーザ光を衝突させて逆コンプトン散乱によるX線(逆コンプトン散乱X線)を発生させる。加速電子の生成にフェムト秒レーザを利用した場合、従来の電子加速器と比較して電子加速の機構を小型化することができるため、X線発生装置全体としても小型化することができる。 In recent years, an X-ray generation apparatus that generates X-rays by inverse Compton scattering using a femtosecond laser has been studied. This X-ray generator generates accelerated electrons by plasma generated by projecting a gas target onto laser light for electron acceleration emitted by a femtosecond laser, and laser light for collision with the accelerated electrons that have become electron beams. Are caused to collide with each other to generate X-rays by inverse Compton scattering (inverse Compton scattered X-rays). When a femtosecond laser is used for generation of accelerated electrons, the electron acceleration mechanism can be reduced in size as compared with a conventional electron accelerator, and thus the entire X-ray generator can be reduced in size.
このようなX線発生装置では、電子ビーム(加速電子)と衝突用のレーザ光の衝突点は、ガスターゲット内にあるのが一般的である。しかしながら、レーザ光のエネルギーがガスプラズマ化の際に消費され、また、生成されるプラズマにより衝突用のレーザ光の光吸収が促進されることで、衝突用のレーザ光のエネルギーが減衰し、逆コンプトン散乱X線の発生量が低下する問題があった。 In such an X-ray generator, a collision point between an electron beam (acceleration electrons) and a collision laser beam is generally in a gas target. However, the energy of the laser beam is consumed during the gas plasma conversion, and the absorption of the laser beam for collision is accelerated by the generated plasma, so that the energy of the laser beam for collision is attenuated and vice versa. There was a problem that the generation amount of Compton scattered X-rays was reduced.
上述したように、従来のX線発生装置では、フェムト秒レーザを利用して電子を加速した場合、衝突用のレーザ光の減衰により、X線の発生効率が低くなる問題があった。 As described above, the conventional X-ray generator has a problem that when electrons are accelerated using a femtosecond laser, the X-ray generation efficiency is lowered due to the attenuation of the laser beam for collision.
上記課題に鑑み、本発明は、電子ビームとレーザ光との衝突点をガスターゲットの位置関係に応じて最適に設定し、レーザ光の減衰を防止することで、X線の発生効率を向上することのできるX線発生方法を提供することを目的としている。 In view of the above problems, the present invention improves the X-ray generation efficiency by optimally setting the collision point between the electron beam and the laser beam according to the positional relationship of the gas target and preventing the attenuation of the laser beam. It aims at providing the X-ray generation method which can be used.
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、真空中においてレーザ光源から発光されたレーザ光を第1レーザ光と第2レーザ光に分光するステップと、第1レーザ光にガスターゲットを投射し、電子を加速させるプラズマを発生するステップと、第1レーザ光を利用して加速された電子ビームと第2レーザ光とを、投射されたガスターゲットによってガス密度が他の真空領域よりも高密度である高密度領域の境界面より外側に設定される所定の位置で衝突させてX線を発生させるステップとを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 includes a step of splitting laser light emitted from a laser light source in a vacuum into a first laser light and a second laser light, and a gas target for the first laser light. The step of generating plasma for accelerating electrons, the electron beam accelerated by using the first laser beam, and the second laser beam are made to have a gas density higher than that of other vacuum regions by the projected gas target. And a step of generating X-rays by colliding at a predetermined position set outside the boundary surface of the high-density region having a high density.
また、請求項2の発明は、前記所定の位置は、前記境界面と前記境界面から第2レーザ光の上流側5mmの間に設定されることを特徴とする。 The invention of claim 2 is characterized in that the predetermined position is set between the boundary surface and 5 mm upstream of the second laser beam from the boundary surface .
本発明によれば、電子ビームとレーザ光との衝突点をガスターゲットの位置関係に応じて最適に設定し、レーザ光の減衰を防止することで、X線の発生効率を向上することができる。 According to the present invention, the X-ray generation efficiency can be improved by optimally setting the collision point between the electron beam and the laser beam according to the positional relationship of the gas target and preventing the attenuation of the laser beam. .
図面を参照して、本発明の実施形態に係るX線発生方法を利用してX線を発生するX線発生装置の一例について説明する。本発明に係るX線発生方法では、電子を加速させる電子加速用のレーザ光にガスターゲットを投射することで電子を加速して電子ビームを生成し、この電子ビームに衝突用のレーザ光を衝突させて逆コンプトン散乱によるX線(逆コンプトン散乱X線)を発生させる。 An example of an X-ray generator that generates X-rays using an X-ray generation method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the X-ray generation method according to the present invention, an electron beam is generated by projecting a gas target onto a laser beam for accelerating electrons to generate an electron beam, and a collision laser beam collides with the electron beam. X-rays by inverse Compton scattering (inverse Compton scattered X-rays) are generated.
図1(a)に示すように、本発明にかかるX線発生方法を利用するX線発生装置1は、レーザ光20を発生するレーザ光源10と、真空である照射チャンバー(図示せず)内でレーザ光源10から発生したレーザ光20を電子の加速用レーザ光である第1レーザ光21と電子ビーム(加速電子)に衝突させる衝突用レーザ光である第2レーザ光22とに分光する分光手段であるビームスプリッタ11と、ビームスプリッタ11で分光された第2レーザ光22の光路である第2光路L2に設置され、この第2光路L2の距離を調節する2枚のミラー12a,12bと、第1レーザ光21を利用して発生した電子ビームと第2レーザ光22とが衝突する位置を調節する集光手段13と、2枚のミラー12a,12bや集光手段13を制御する制御手段15とを備えている。
As shown in FIG. 1A, an X-ray generator 1 using an X-ray generation method according to the present invention includes a laser light source 10 that generates a laser beam 20 and an irradiation chamber (not shown) that is a vacuum. Spectroscopy that splits the laser beam 20 generated from the laser light source 10 into a
また、X線発生装置1は、図1(b)に示すように、第1レーザ光21に投射してプラズマを生成して電子を加速させる媒体であるガスターゲット24を発生するガスターゲット発生手段16と、第1レーザ光21、第1レーザ光21を利用して発生した電子ビーム、第2レーザ光22、電子ビームと第2レーザ光22との衝突点23及びガスターゲット24を含む範囲に対して光を発光する発光手段17aと、発光手段17aからの光を受光して電子ビーム及び第2レーザ光22の衝突点23と、ガスターゲット24との位置関係を画像として取得する受光手段17bとを備えている。
In addition, as shown in FIG. 1B, the X-ray generator 1 is a gas target generator that generates a
なお、図1(a)は、X線発生装置1を第1レーザ光21の光路である第1光路L1及び第2レーザ光22の第2光路L2に垂直な方向から見た概略図であり、図1(b)は、X線発生装置1を第1レーザ光21を利用して発生した電子ビームと第2レーザ光22の衝突点23及びガスターゲット24に垂直な方向から見た概略図である。
FIG. 1A is a schematic view of the X-ray generator 1 viewed from a direction perpendicular to the first optical path L1 that is the optical path of the
このX線発生装置1では、第1レーザ光21にガスターゲット24が投射されるとプラズマが発生し、電子が加速されて電子ビームとなる。この電子ビームが第2レーザ光22と衝突すると、逆コンプトン散乱によって逆コンプトン散乱X線が発生する。図1では、図示を省略しているが、X線発生装置1では、ビームスプリッタ11、ミラー12a,12b、集光手段13、反射ミラー14及びガスターゲット発生手段16は、照射チャンバー内に設置されている。また、照射チャンバーには、内部を所定の気圧に保つ排気ポンプ等の排気手段と、内部で発生した逆コンプトン散乱X線を放出するX線放出窓とが設けられている。
In the X-ray generator 1, when a
X線発生装置1で用いるレーザ光源10は、例えば、フェムト秒レーザ等の電子加速に利用することができる高出力のレーザ光を発光するレーザ装置である。また、ガスターゲット発生手段16は、光に投射することでプラズマを発生して電子を加速するための媒体である水素、ヘリウム、窒素又はアルゴン等のガスをガスターゲット24として発生する。上述したように、レーザ光源10やガスターゲット発生手段16が配置される照射チャンバーは真空であるため、このガスターゲット24が投射された空間は、照射チャンバー内の他の空間(約1012〜13個/cm3)に比べて気体密度が高く(約1017〜19個/cm3)なる。
The laser light source 10 used in the X-ray generator 1 is a laser device that emits high-power laser light that can be used for electron acceleration, such as a femtosecond laser. Further, the gas target generating means 16 generates a gas such as hydrogen, helium, nitrogen or argon as a
ここで、X線発生装置1では、制御手段15によって第1ミラー12a及び第2ミラー12bの位置と第2レーザ光22に対する角度とを制御することで、第2光路L2を設定する。第2光路L2の距離を設定することで、第2レーザ光22が電子ビームに衝突するまでの時間も設定することができる。具体的には、第2レーザ光22の第2光路L2の距離を、第1レーザ光21の第1光路L1の距離及び第1レーザ光21によって生成された電子ビームの軌道の距離に合わせて設定する。このとき、ミラー12a,12bが各光路L1,L2のレーザ光21,22と干渉しないようにする必要がある。
Here, in the X-ray generation device 1, the
なお、第1光路L1は、ビームスプリッタ11を始点とし、反射ミラー14を通り、ガスターゲット24内での電子ビームの発生地点を終点とする光路である。また、第2光路L2は、ビームスプリッタ11を始点とし、第1ミラー12a、第2ミラー12b、集光手段13の順に衝突点23を終点とする光路である。さらに、電子ビームは、ガスターゲット24に第1レーザ光21が照射されると発生するため、図2(b)及び図3(b)に示すように、電子ビームの軌道L3は、第1光路L1の終点が始点であって、衝突点23が終点である。
The first optical path L1 is an optical path starting from the beam splitter 11, passing through the reflection mirror 14, and ending at the electron beam generation point in the
第1ミラー12aと第2ミラー12bとは前後左右方向(XY方向)に移動可能な一つのリニアガイド12上に、それぞれの回転軸を基準として回転可能に設置されている。X線発生装置1では、このリニアガイド12を前後左右方向に移動するとともに、リニアガイド12上の各ミラー12a,12bを回転することにより、第2レーザ光22に対する各ミラー12a,12bの角度を調節して第2光路L2を設定する。
The first mirror 12a and the second mirror 12b are installed on one linear guide 12 that can move in the front-rear and left-right directions (XY directions) so as to be rotatable with respect to the respective rotation axes. In the X-ray generator 1, the linear guide 12 is moved in the front-rear and left-right directions, and the angles of the mirrors 12 a and 12 b with respect to the
また、X線発生装置1では、制御手段15の制御によって集光手段13の位置を調節することで、第1レーザ光21によって生成された電子ビームと第2レーザ光22とが衝突する衝突点23の位置を設定する。この集光手段13も、前後左右方向(XY方向)に移動可能であるとともに回転軸を基準として回転可能に設置されており、第2ミラー12bから入射する第2レーザ光22に応じた前後左右方向の移動及び回転により、第1レーザ光21によって生成された電子ビームと第2レーザ光22とが衝突する衝突点23の位置を設定することができる。なお、この集光手段13は、例えば、集光レンズや集光ミラー等であって、第2レーザ光を集光する手段である。
In the X-ray generator 1, the collision point where the electron beam generated by the
さらに、X線発生装置1では、制御手段15の制御によってガスターゲット発生手段16の位置を調節することも可能であり、第1レーザ光21と第2レーザ光22の位置を基準として設定した位置にガスターゲット24を発生させることができる。
Further, in the X-ray generator 1, the position of the
このように、制御手段15は、受光手段17bが取得した画像から第1レーザ光21によって生成された電子ビーム及び第2レーザ光22の衝突点23と、ガスターゲット24との位置関係に応じて、この位置関係がX線の発生に最適な所定の関係になるように第2光路L2と衝突点23を設定して、リニアガイド12の位置、ミラー12a,12bの回転状況、集光手段13の位置及び回転状況を制御する。すなわち、制御手段15は、ガスターゲット24の投射で発生したプラズマによる第2レーザ光22のエネルギーの減衰が最小かつ電子ビーム密度が高く維持されている位置関係になるように制御する。
As described above, the
ここで、第1レーザ光21によって生成された電子ビーム及び第2レーザ光22の衝突点23の最適位置は、ガスターゲット24の高密度領域を基準として定められる。ここで、ガスターゲット24の高密度領域とは、ガスターゲット24の投射によって気体密度(ガス密度)が照射チャンバー内の他の空間(約1012〜13個/cm3)と比べて高くなっている領域(約1017〜19個/cm3)のことである。
Here, the optimum position of the
第1レーザ光21によって生成された電子ビームと第2レーザ光22の衝突点23がガスターゲット24の高密度領域内に位置するとき、第2レーザ光22の光エネルギーがガスターゲット24内で発生するプラズマに吸収される。また、第1レーザ光21によって生成された電子ビームは拡散する傾向にあり、電子が加速された直後の方が散乱が少ない。したがって、電子ビームと第2レーザ光22の衝突点23とガスターゲット24の位置関係は、これらを考慮して第2レーザ光22の光エネルギーの減衰が最小になるとともに、得られるX線量が最大になるように定める。
When the
図2に、第1レーザ光21によって生成された電子ビーム25と第2レーザ光22の衝突点23がガスターゲット24の高密度領域の境界面に設定された場合の一例を示す。ここで、図2(a)は、ガスターゲット発生手段16が第1レーザ光21にガスターゲット24を投射する図であり、図2(b)は、ガスターゲット24の投射により電子ビーム25が発生し、その後に逆コンプトン散乱X線26が発生する様子を拡大した図である。
FIG. 2 shows an example when the
図2に示すように、電子ビーム25と第2レーザ光22の衝突点23がガスターゲット24の高密度領域の境界面にある場合、第2レーザ光22がガスターゲット24内で発生するプラズマに吸収されることがないため、X線の発生量を低下させることはない。
As shown in FIG. 2, when the
また、図3に、第1レーザ光21によって生成された電子ビーム25と第2レーザ光22の衝突点23がガスターゲット24の高密度領域の境界面から第2レーザ光22の上流側に5mmの部分に設定された場合の一例を示す。ここで、図3(a)は、ガスターゲット発生手段16が第1レーザ光21にガスターゲット24を投射する図であり、図3(b)は、ガスターゲット24の投射により電子ビーム25が生成され、その後に逆コンプトン散乱X線26が発生する様子を拡大した図である。
3, the
図3に示すように、電子ビーム25と第2レーザ光22の衝突点23がガスターゲット24の高密度領域の境界面から第2レーザ光22の上流側に5mmの部分にある場合、この衝突点23で発生する逆コンプトン散乱X線26はガスターゲット24内で発生するプラズマに吸収されることはない。また、5mmの部分であれば、電子ビーム25の拡散も少ないため、X線の発生量を低下させることはない。
As shown in FIG. 3, when the
具体的には、電子ビーム25と第2レーザ光22の衝突点23が、高密度領域の境界面から境界面の上流側約5mmの間にある場合、X線の発生量を低下させることのない最適な状態となる。
Specifically, when the
図4は、波長が800nmのレーザ光の場合の各電子密度の場合の光の吸収長及び減衰特性を示している。ガスターゲット24が投射されてガス密度(プラズマの電子密度)が高くなると、レーザ光のエネルギーは電子に吸収される。すなわち、電子密度が高くなると、吸収長が短くなり、レーザ光がプラズマで阻害されてレーザ光を加速電子と衝突させにくくなる。図4によれば、電子密度が高い場合、吸収長が短くなり、透過率が低くなることが分かる。
FIG. 4 shows the absorption length and attenuation characteristics of light for each electron density in the case of laser light having a wavelength of 800 nm. When the
なお、例えば、制御手段15は、表示手段及び入力手段と接続されており、この表示手段に表示される画像に応じてオペレータが入力する操作信号に基づいてリニアガイド12、ミラー12a,12b及び集光手段13を制御するようにしてもよい。
For example, the
また、制御手段15は、受光手段17bが取得する画像の第1レーザ光21によって生成された電子ビームと及び第2レーザ光22の衝突点23とガスターゲット24との位置関係と、その位置関係の場合の制御方法のパターンを予め記憶していてもよい。制御方法のパターンとは、例えば、リニアガイド12の位置、2枚のミラー12a,12bの回転状況、集光手段13の位置及び回転状況をどのように制御するかのパターンである。この場合、制御手段15は、予め記憶しているパターンから受光手段17bが取得した画像に応じて各機構の制御方法を抽出し、リニアガイド12、ミラー12a,12b及び集光手段13を制御することができる。
In addition, the
上述したように、本発明の実施形態に係るX線発生方法では、ガスターゲット24を基準として電子ビーム25と衝突用レーザ光である第2レーザ光22の位置を調整することにより、第2レーザ光22の減衰を防止することができるため、X線の発生量の低下を防止することができる。
As described above, in the X-ray generation method according to the embodiment of the present invention, the
以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail using embodiment, this invention is not limited to embodiment described in this specification. The scope of the present invention is determined by the description of the claims and the scope equivalent to the description of the claims.
1…X線発生装置
10…レーザ光源
11…ビームスプリッタ
12…リニアガイド
12a…第1ミラー
12b…第2ミラー
13…集光手段
14…反射ミラー
15…制御手段
16…ガスターゲット発生手段
17a…発光手段
17b…受光手段
20…レーザ光
21…第1レーザ光
22…第2レーザ光
23…衝突点
24…ガスターゲット
25…電子ビーム
26…逆コンプトン散乱X線
L1…第1光路
L2…第2光路
L3…電子ビームの軌道
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... X-ray generator 10 ... Laser light source 11 ... Beam splitter 12 ... Linear guide 12a ... 1st mirror 12b ...
Claims (2)
第1レーザ光にガスターゲットを投射し、電子を加速させるプラズマを発生するステップと、
第1レーザ光を利用して加速された電子ビームと第2レーザ光とを、投射されたガスターゲットによってガス密度が他の真空領域よりも高密度である高密度領域の境界面より外側に設定される所定の位置で衝突させてX線を発生させるステップと、
を備えることを特徴とするX線発生方法。 Splitting laser light emitted from a laser light source in vacuum into a first laser light and a second laser light;
Projecting a gas target onto the first laser light to generate plasma for accelerating electrons ;
The electron beam accelerated by using the first laser beam and the second laser beam are set outside the boundary surface of the high density region where the gas density is higher than that of other vacuum regions by the projected gas target. Generating X-rays by colliding with a predetermined position,
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