JP5647693B2 - 電子サイクロトロン共鳴イオン源を利用したｘ線発生装置及び方法 - Google Patents
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Description
実施例は、電子サイクロトロン共鳴イオン源を利用したＸ線発生装置及びＸ線発生方法に関する。
一般に、Ｘ線装置を必要とする様々な応用分野において放射性核種または高電圧真空チューブなどが使用されている。このうち放射性核種を使用した方法では、核種は大概その寿命が短く且つ取り扱いに危険が伴うことから、その使用において不便がある。また、高電圧真空チューブを使用する場合、加速された電子によってＸ線を生産することから高電圧装置が必須として要求され、その結果、装備が重くなり且つ危険性を伴うようになる。
これに相応してＸ線装置として、２．４５ＧＨｚマイクロ波を基盤とする電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ＥＣＲ）装置を応用したソフトＸ線装置が提案された。しかしながら、電子サイクロトロン共鳴装置の構成要素のうち、２．４５ＧＨｚマイクロ波発生器と電磁石（または、より少ない費用で具現可能な永久磁石）の費用が相対的に少なくかかって済むが、電子サイクロトロン共鳴プラズマを生成させるために必要な真空装置とプラズマチャンバにかかる費用の増大によりその経済的利益がさほど大きくなく、実際の応用につながるには困難がある。
また、高強度Ｘ線を発生させるためにマイクロ波の出力を増大させたり、高周波を使用したりする場合、発生されたＸ線の一向性を制御しにくく、また電子サイクロトロン共鳴現象により発生したイオンがラジオグラフィー（ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ）に損傷を与えることで、既存のＸ線発生装置と比べて競争力が劣る。
近年に入り、医学、ナノ、バイオ分野だけでなく、産業的応用分野にわたってＸ線発生装置の応用分野が増えつつある。これに伴い、低強度Ｘ線を使用する既存の分野とともに、高強度Ｘ線を使用する分野が増加しているが、既存の高電圧真空チューブを利用した高強度Ｘ線発生装置は、高電圧装置の費用が大きく増大して高価なものとなり、その使用において制限を受けている。
本発明の一側面によれば、Ｘ線発生のための基礎装置として電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ＥＣＲ）イオン源を採用し、これを適切に応用してＸ線の一向性を制御することができ且つ出力の調節が自在なＸ線発生装置及びこれを利用したＸ線発生方法を提供することができる。
一実施例に係るＸ線発生装置は、プラズマチャンバと、上記プラズマチャンバに磁場を印加し、構造を変更することなく上記プラズマチャンバ内の最小磁場の大きさを調節できるように構成された磁石部と、上記プラズマチャンバにマイクロ波を注入するマイクロ波発生部と、上記プラズマチャンバ内に注入され、磁場及びマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴を通じてＸ線を生成する反応気体と、生成されたＸ線を集束する可変型ガイド、及び集束されたＸ線を上記プラズマチャンバから出力する可変型引き出し部と、を含んで構成されていてよい。
一実施例に係るＸ線発生方法は、プラズマチャンバ内に反応気体を注入するステップと、上記反応気体に磁場及びマイクロ波を印加するステップと、生成されるＸ線の強度に応じて上記反応気体に印加される最小磁場の大きさを調節するステップと、磁場及びマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴を通じて上記反応気体からＸ線が生成されるステップと、生成されたＸ線を可変型ガイドを利用して集束するステップ、及び集束されたＸ線を、可変型引き出し部を通過して出力するステップと、を含んで構成されていてよい。
本発明の一側面によるＸ線発生装置を利用すれば、次のような利点がある。
第一に、従来のＸ線発生装置は、高周波発生器、真空装置部、ガス注入部、及びＸ線発生物質を制御または取り替えることで出力を調節するように構成されたものであるのに対し、本発明の一側面によるＸ線発生装置は、磁場を調節することができる磁石部を採用することで容易に且つ精度よく出力を調節することができる。また、ソフトウェア的に出力が調節されるため、低費用で出力を増大させることができる。
第二に、可変型ガイドを採用することで発生されたＸ線の一向性を増大させることができ、Ｘ線とともに引き出されたイオンによるラジオグラフィーの損傷を低減及び／または防止することができる。また、可変型引き出し部を通過してＸ線を出力することでＸ線発生装置の実用性をより高め、普遍化を実現することができる。
第三に、従来のＸ線発生装置では、高周波の採用のためにより大型で高価の高周波発生器を必要としたが、本発明の一側面によるＸ線発生装置では、プラズマチャンバの大きさを小型にすることができ、且つ真空装置部分で費用が節減され、高強度Ｘ線発生装置を経済的に実現することができる。
以下、添付された図面を参照して本発明の幾つかの実施例について詳しく説明する。なお、本発明は、種々の相違した形態で具現することができ、ここで説明する実施例に限定されるものではない。
図１は、一実施例に係るＸ線発生装置の概略的な断面図である。
図１を参照すると、Ｘ線発生装置は、プラズマチャンバ１、プラズマチャンバ１内の反応気体（図示せず）、磁石部２、マイクロ波発生部３、可変型ガイド４、及び可変型引き出し部５を含んでいてよい。
プラズマチャンバ１は、電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ＥＣＲ）を発生させるための空間を提供する。プラズマチャンバ１は、注入部１１及び排気部１２を含んでいてよい。注入部１１は、プラズマチャンバ１内にプラズマの発生のための反応気体を注入するための部分であり、排気部１２は、プラズマチャンバ１内の気体を外部に排出するための部分である。排気部１２は、例えば真空ポンプ（図示せず）に連結されていてよい。さらに、プラズマチャンバ１は、マイクロ波を注入するためのマイクロ波注入部１３を含んでいてよい。
注入部１１からプラズマチャンバ１に注入される反応気体としては、プラズマを発生させ得る様々な物質を使用することができる。例えば、アルゴン（Ａｒ）またはキセノン（Ｘｅ）気体を反応気体として使用すればよい。プラズマチャンバ１内の真空度は、反応気体の種類に応じて電子サイクロトロン共鳴を生じさせ得る程度に適宜決められてよい。すなわち、排気部１２にてプラズマチャンバ１内の気体を外部に放出することでプラズマチャンバ１内の圧力を調節すればよい。
図１では、プラズマチャンバ１が円形断面を有するように示されている。例えば、プラズマチャンバ１は、長さ方向に沿って切断された円形断面を有する円柱状のものであってもよい。しかし、これは例示的なものであって、プラズマチャンバ１は、他の好適な形状を有していてよい。磁石部２は、プラズマチャンバ１に電子サイクロトロン共鳴を発生させるための磁場を印加する装置である。一実施例において、磁石部２は、ミラー磁石２１、極磁石２２、及び補正磁石２３を含んでいてよい。ミラー磁石２１は、プラズマチャンバ２の両端にそれぞれ隣接してプラズマチャンバ２の外部に位置する磁石で構成されていてよい。極磁石２２は、各ミラー磁石２１の間であってプラズマチャンバ１の外部に位置していてよい。ミラー磁石２１から印加されるミラー磁場及び極磁石２２から印加される磁場によって電子がプラズマチャンバ１内に閉じ込められ得る。
補正磁石２３は、両ミラー磁石２２の間であってプラズマチャンバ１の外部に位置していてよい。補正磁石２３は、ミラー磁石２２によるミラー磁場の大きさが最小になる地点であるプラズマチャンバ１の中間部分に隣接して位置することもできる。補正磁石２３は、構造を変更することなく補正磁石２３から印加される磁場の大きさを調節できるように構成されていてよい。例えば、補正磁石２３は、ソフトウェア的に磁場の調節が可能な電磁石などで構成されていてよい。補正磁石２３を利用してプラズマチャンバ１内の最小磁場の大きさを調節することにより、プラズマチャンバ１で生成されるＸ線の強度を調節することができる。
図１において、磁石部２の各磁石２１、２２、２３は、四角形形状の断面を有しプラズマチャンバ１を取り囲んで位置している。例えば、各磁石２１、２２、２３は中空のリング形状であってよく、ミラー磁石２１と補正磁石２３の空いている中心部分にプラズマチャンバ１が配置されていてよく、極磁石２２の空いている中心がプラズマチャンバ１に隣接してプラズマチャンバ１の長さ方向に配置されていてよい。これは、例示的なものであって、各磁石２１、２２、２３は、プラズマチャンバ１内に磁場を印加できる他の適切な形状を有することもできる。
マイクロ波発生部３は、マイクロ波を発生させてプラズマチャンバ１内に注入するための装置である。例えば、マイクロ波発生部３は、マグネトロン（ｍａｇｎｅｔｒｏｎ）またはジャイロトロン（ｇｙｒｏｔｒｏｎ）などのオシレーターを含んでいてよい。マイクロ波発生部３は、プラズマチャンバ１のマイクロ波注入口１３からプラズマチャンバ１内の反応気体にマイクロ波を印加することができる。適切な磁場及び気体雰囲気下でプラズマチャンバ１内の反応気体にマイクロ波が印加されると、電子サイクロトロン共鳴現象が起こる。
電子サイクロトロン共鳴現象によって発生するイオンは陽イオンであって、チャンバ壁とガイドを電極として活用することで電子サイクロトロン共鳴領域の陰電子と陽イオンの分布を変化させることができる。
このとき、マイクロ波発生部３から印加されるマイクロ波の出力を調節することで、プラズマチャンバ１内で生成されるＸ線の強度を調節することができる。または、マイクロ波発生部３に隣接したプラズマチャンバ１の領域に電圧を可変することで、Ｘ線の強度を増大させることもできる。
一実施例において、Ｘ線発生装置は、プラズマチャンバ１内に位置するターゲット物質６をさらに含んでいてもよい。例えば、ターゲット物質６は、支持部６０によって支持され、マイクロ波の進行経路に配置されていてよい。ターゲット物質６がなくても反応気体からＸ線が生成され得るが、電子サイクロトロン共鳴によって加速された電子をターゲット物質６と衝突させることで、より容易にＸ線を生成することができる。このとき、ターゲット物質６としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などの金属または他の好適な物質を配置することで、Ｘ線の強度とエネルギーを調節することができる。また、ターゲット物質６の位置と大きさを調節することで、Ｘ線の強度とエネルギーを調節することができる。
電子サイクロトロン共鳴により発生されたＸ線は、特別な方向性を有さず全方向に放出される。このとき、可変型ガイド４は、生成されたＸ線が一向性を有するように集束することができる。可変型ガイド４は、マイクロ波の進行方向に対して傾斜し中央部分が突出した構造からなるものであってよい。さらに、可変型ガイド４は、中央部分にＸ線を通過させるためのホール４０を含んでいてよい。例えば、可変型ガイド４は、中央部分が突出し中央にホールが形成された円板の形状を有するものであってよい。
可変型ガイド４は、金属または他の好適な導電物質からなるものであってよい。可変型ガイド４の印加電圧に応じた電場の変化により電子の分布密度を調節することで、Ｘ線の強度を調節することができる。このとき、マイクロ波の進行方向に対する可変型ガイド４の角度や、ホール４０の大きさ及び形状などのような可変型ガイド４の形状を変化させることで、可変型ガイド４を通過するＸ線を集束することができる。
一方、可変型ガイド４により形成される電場によってイオンをプラズマチャンバ１内に閉じ込めることができる。これにより、Ｘ線発生装置でＸ線を出力させ、且つ、イオンを制御するため、イオンによるラジオグラフィーの損傷を低減及び／または防止することができる。
可変型ガイド４によって集束されたＸ線は、可変型引き出し部５を通過してプラズマチャンバ１から出力されていてよい。可変型引き出し部５は、Ｘ線を遮蔽できる物質からなり、且つ、部分的にＸ線を通過させるためのホール５０を含んでいてよい。例えば、引き出し部５は、鉛（Ｐｂ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、または他の好適な物質からなるものであってよい。ホール５０の大きさ及び形状などのような可変型引き出し部５の形状を変化させることで、可変型引き出し部５を通過してＸ線発生装置から出力されるＸ線の面積を要求される目的に適合して調節することができる。
一実施例において、Ｘ線発生装置は、プラズマチャンバ１の外壁を少なくとも部分的に取り囲むように配置される遮蔽部７をさらに含んでいてよい。遮蔽部７は、外部の他の装置または使用者を保護するために、プラズマチャンバ１の外壁を通過して出力されるＸ線を遮蔽させるための部分である。例えば、遮蔽部７は、鉛（Ｐｂ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、または他の好適な物質からなるものであってよい。
以上、図面を参照して説明された実施例に係るＸ線発生装置における各構成要素の形状や大きさは、本発明に係るＸ線発生装置の原理を説明するために例示的に示したものであり、本発明に係るＸ線発生装置における実際の構成要素の大きさや形状は、図面に示されたものに限定されると解釈されてはならない。
以下、一実施例に係るＸ線発生方法を説明する。説明の便宜のために、図１に示したＸ線発生装置を参照して上記Ｘ線発生方法について説明する。
先ず、プラズマチャンバ１に反応気体（図示せず）を注入する。このとき、プラズマチャンバ１内の反応気体の圧力は、注入部１１及び排気部１２を利用して電子サイクロトロン共鳴を発生させ得る程度に適宜調節すればよい。
次いで、磁石部２を利用してプラズマチャンバ１に磁場を印加するとともに、マイクロ波発生部３を利用してプラズマチャンバ１にマイクロ波を印加する。マイクロ波によって反応気体から電子及びイオンが生成され、電子が磁場及びマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴現象を通じて加速されてＸ線が生成される。このとき、マイクロ波の出力は、生成されるＸ線の目的とする強度に応じて適宜調節すればよい。
また、磁石部２の補正磁石２３によって印加される磁場を調節することで、プラズマチャンバ１に印加される最小磁場の大きさを調節することができる。プラズマチャンバ１内の最小磁場の大きさに応じて生成されるＸ線の強度が変化するため、補正磁石２３によって印加される磁場の大きさを調節することで、目的とする強度のＸ線を生成することができる。
次いで、可変型ガイド４にて一向性を有するようにＸ線を集束することができる。可変型ガイド４は、Ｘ線を出力し、且つイオンをプラズマチャンバ１内に閉じ込むように構成されていてよい。可変型ガイド４の印加電圧に応じた電場の変化により電子の分布密度を調節することで、Ｘ線の強度を調節することができる。このとき、可変型ガイド４の角度、またはホール４０の大きさや形状などのような可変型ガイド４の形状を変化させることで、可変型ガイド４を通過するＸ線を集束することができる。
次いで、可変型ガイド４によって集束されたＸ線を、可変型引き出し部５を通過して出力することができる。Ｘ線は、可変型引き出し部５のホール５０を通過して出力すればよい。このとき、ホール５０の大きさや形状などのような可変型引き出し部５の形状を変化させることで、可変型引き出し部５を通過してＸ線が出力される面積を適宜調節することができる。
上述した本発明は、図面に示された実施例を参考して説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該分野における通常の知識を有する者ならば、このことから種々の変形及び実施例の変形が可能であるということが理解できるであろう。しかし、このような変形は本発明の技術的保護範囲内にあると見るべきである。したがって、本発明の真正な技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決められるべきである。
実施例は、電子サイクロトロン共鳴イオン源を利用したＸ線発生装置及びＸ線発生方法に関する。
Claims (8)
- 電子サイクロトロン共鳴を用いるＸ線発生装置であって、
プラズマチャンバと、
前記プラズマチャンバに磁場を印加し、プラズマチャンバの外側に配置された補正磁石を有し、構造を変更することなく、前記補正磁石を用いて、前記プラズマチャンバ内の最小磁場の大きさを調節できるように構成された磁石部と、
前記プラズマチャンバにマイクロ波を注入するマイクロ波発生部と、
前記プラズマチャンバ内に注入される反応気体と、
生成されたＸ線を集束する可変型ガイド、及び
集束されたＸ線を前記プラズマチャンバから出力する可変型引き出し部と、を含み、
前記磁石部および前記マイクロ波発生部は、前記磁場および前記マイクロ波によって前記プラズマチャンバ内で前記電子サイクロトロン共鳴を発生するように構成され、
Ｘ線は、前記電子サイクロトロン共鳴によって加速された電子から生成され、該Ｘ線の強度が前記プラズマチャンバ内の最小磁場の大きさによって決まっており、
前記可変型ガイドに印加される電圧を変化させることにより、前記Ｘ線発生装置から出力されるＸ線の強度が調節されることを特徴とするＸ線発生装置。 - 前記プラズマチャンバ内に位置し、加速された電子が衝突することに反応してＸ線を生成するターゲット物質をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生装置。
- 電子サイクロトロン共鳴を用いるＸ線発生装置であって、
プラズマチャンバと、
前記プラズマチャンバに磁場を印加し、プラズマチャンバの外側に配置された補正磁石を有し、構造を変更することなく、前記補正磁石を用いて、前記プラズマチャンバ内の最小磁場の大きさを調節できるように構成された磁石部と、
前記プラズマチャンバにマイクロ波を注入するマイクロ波発生部と、
前記プラズマチャンバ内に注入される反応気体と、
生成されたＸ線を集束する可変型ガイド、及び
集束されたＸ線を前記プラズマチャンバから出力する可変型引き出し部と、を含み、
前記磁石部および前記マイクロ波発生部は、前記磁場および前記マイクロ波によって前記プラズマチャンバ内で前記電子サイクロトロン共鳴を発生するように構成されており、
Ｘ線は、前記電子サイクロトロン共鳴によって加速された電子から生成され、該Ｘ線の強度が前記プラズマチャンバ内の最小磁場の大きさによって決まっており、
前記磁石部は、
前記プラズマチャンバの両端部の外部に位置するミラー磁石と、
前記各ミラー磁石の間であって前記プラズマチャンバの外部に位置する極磁石と、をさらに備え、
前記補正磁石は、前記ミラー磁石の間に位置することを特徴とするＸ線発生装置。 - 前記プラズマチャンバの外部に位置し、前記プラズマチャンバの外壁を介して放出されるＸ線を遮蔽させる遮蔽部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生装置。
- 前記可変型ガイドの形状を変化させることにより、前記Ｘ線発生装置から出力されるＸ線の集束度が調節されることを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生装置。
- 前記可変型引き出し部の形状を変化させることにより、前記Ｘ線発生装置からＸ線が出力される面積が調節されることを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生装置。
- 電子サイクロトロン共鳴を用いるＸ線発生方法であって、
プラズマチャンバ内に反応気体を注入するステップと、
前記プラズマチャンバ内に電子サイクロトロン共鳴を発生するように、前記反応気体に磁場及びマイクロ波を印加するステップと、
前記プラズマチャンバの外部に位置する補正磁石を用いて、生成されるＸ線の強度に応じて前記反応気体に印加される最小磁場の大きさを調節するステップと、
磁場及びマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴を通じて加速された電子からＸ線が生成されるステップであって、該Ｘ線の強度が前記最小磁場の大きさによって決まるステップと、
生成されたＸ線を可変型ガイドを利用して集束するステップ、及び
集束されたＸ線を、可変型引き出し部を通過して出力するステップと、を含み、
前記可変型ガイドに印加される電圧を変化させることにより、出力されるＸ線の強度が調節されることを特徴とするＸ線発生方法。 - 前記Ｘ線が生成されるステップは、加速された電子をターゲット物質に衝突させてＸ線を生成するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載のＸ線発生方法。
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