JPH01195700A - Ｘ線発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は、Ｘ線発生装置に関し、特に設計電子軌道に
沿って周回しながら高周波加速空胴で加速され、蓄積さ
れている高エネルギー電子のベータトロン振動特性を利
用して、電子蓄積リングから取り出されたシンクロトロ
ン放射光を分光用結晶板に照射してエネルギーと方向の
揃った大口径Ｘ線ビームを発生させ、これによりＸ線の
大面積照射を可能とするＸ線発生装置に関するもので、
例えば心臓の冠頭動脈系の毛細血管の撮影や、超々ＬＳ
Ｉ回路パターンの転写等の加工に好適な大強度Ｘ線の大
口径平行ビームの照射を可能にするものである。

［従来の技術］ 第１２図は従来の電子蓄積リングの一例の概略構成を示
す。ここで、１ａ−１ｈは軌道半径２ｍ、偏向角４５°
の偏向電磁石、２は入射用セプタム電磁石、３はキツカ
ーコイル、４は高周波空胴、５は垂直方向の集束力をも
つ四重極室磁石（以下、ｑ。

と呼ぶ）、６は水平方向の集束力をもつ四重極室磁石（
以下Ｑｔと呼ぶ）、７は上述のＱｔ６をＱｄ５の両側に
配した３台１セツトのトリプレット、８はウィグラ（ま
たはアンジュレータ）、９は分光用結晶板、およびｌＯ
は単色Ｘ線である。なお、１１は設計電子軌道、１２は
電子を示す。

従来の電子蓄積リングを用いたＸ線発生装置では、電子
がウィグラ８を通過するときに放射するウィグラＸ線を
分光用結晶板９で分光して、エネギーの揃った単色Ｘ線
１０の平行ビームを得ていた。

次に、第１２図のＸ線発生装置から発生する単色Ｘ線ｌ
Ｏの特性を第１３図の図面に基いて説明する。

この図において、電子１２は電子蓄積リングの設計電子
軌道ｌｌ上におかれたウィグラ８によって蛇行しながら
強力なＸ線を放射する。このウィグラＸ線は、水平方向
（あるいは垂直方向）に偏平で、垂直方向（あるいは水
平方向）にのみ指向性を持ち、水平方向でも幅狭のＸ線
ビームであり、分光用結晶板９によっても水平方向（あ
るいは垂直方向）の一方向にのみ広がったＸ線ＩＯであ
るという特徴を有する。

［発明が解決しようとする課題］ 上述のような従来のＸ線発生装置から得られるウィグラ
Ｘ線は、第１３図の斜線部分で示すように、極めて照射
野が狭いのでＸ線の大面積照射を必要とする心臓の冠状
動脈系の毛細血管の撮影や超ＬＳＩリソグラフィ技術へ
利用していく上で問題があった。

この欠点を解決するために、本出願人が先に出願したよ
うな可変電磁石を電子蓄積リングの電子軌道上に設けて
電子軌道を上下に動かす試みもあるが、これは電子蓄積
リングにおいて軌道位Ｍ、ＦＡ整などに従来使用されて
きた手法を利用したものであって、照射野拡大の手法と
しては実用上あまり有効なものではなく、改善の余地が
あった。また、可変電磁石を蓄積リングの電子軌道上に
設けたときの電子軌道は非常に複雑で、所定方向へ放射
光ＳＲを出力するのは容易でなかった。

この発明は、上述の問題点を解決するためになされたも
ので、電子蓄積リング固有のベータトロン振動特性を利
用して電子ビームを設計電子軌道のまわりに波動運動さ
せ、その波動（振動）の節近くで放射光を取り出すこと
により設計電子軌道からの開き角を大きくして垂直方向
のシンクロトロン放射光ＳＲの照射野を拡大できるよう
にするとともに、電子ビームを水平、垂直方向に安定し
て移動でき、かつ放射光ＳＲや高輝度のウィグラＸ線を
発生して大面積照射することによって、分光用結晶板に
よる単色大強度Ｘ線の大口径平行ビーム発生が可能なＸ
線発生装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、この発明では、電子蓄積
リング固有のベータトロン振動特性を利用して、設計電
子軌道上に蓄積された電子を垂直方向偏向手段により設
計電子軌道のまわりに垂直方向に任意の振幅と振動の節
をもつ波動運動をさせ、放射光ＳＲの照射野を拡大する
ことにより、分光用結晶板によって単色大強度Ｘ線の大
口径平行ビームを取り出すように構成したことを特徴と
する。

また、この発明の別の発明にかかるＸ線発生装置は、電
子蓄積リングのベータトロン振動特性を利用して設計電
子軌道上に蓄積された電子を垂直方向偏向手段および水
平方向偏向手段により電子軌道のまわりに垂直方向およ
び水平方向の波動運動をさせ、さらに垂直方向および水
平方向に同時にまたは別個に波動運動をする電子にウィ
グラ（またはアンジュレータ）により大口径で平行ビー
ムの大強度Ｘ線を発生させ、分光用結晶板によって単色
大強度Ｘ線の大口径平行ビームを取り出すように構成し
たことを特徴とする。

［作　用］ この発明においては、垂直方向の偏向手段により蓄積さ
れた電子を設計電子軌道のまわりに垂直方向の波動運動
をさせ、放射光ＳＲの照射野を拡大することによって分
光用結晶板によって単色大強度Ｘ線の照射野を拡大する
。

また、本発明の別の発明にかかる電子波動リングでは、
垂直方向偏向手段、水平方向偏向手段およびウィグラま
たはアンジュレータによって、大口径で平行ビームの大
強度Ｘ線を発生させ、分光用結晶板によって単色大強度
Ｘ線の照射野を拡大する。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例であるＸ線発生装置の概略
構成を示す。ここで、１ａ〜ｌｈ、　　２〜７゜および
１１．１２は第１２図の従来例と同じものである。

第１図において、８は電子ビームの波動運動によって平
行移動あるいは偏向された電子のエネルギーの一部を赤
外線からＸ線までの領域の光子に変換するウィグラまた
はアンジュレータである。

２１ａは前述したトリブレット７＾の例えば下流側のＱ
ｄ５　とＱｒ６の間に設けた可変垂直偏向電磁石、２１
ｂは同じくトリブレット７Ａに近接して設けた可変水平
偏向電磁石である。以下、電子ビームの軌道偏向につい
て垂直方向への偏向、水平方向への偏向の順に述べる。

まず、垂直偏向を実行するために、トリブレット７への
Ｑｒ６．Ｑｄ５．Ｑｒ６のうち下流側のＱｔ６　とＱｄ
５　との間に設けた可変垂直偏向電磁石２１ａを励磁す
る。この可変垂直偏向電磁石２１ａの磁場（例えば１０
０ガウス程度）の方向によって、第２図に示すように、
下流側のＱｔ６に入射する電子ビーム軌道が上方向また
は下方向に偏向し、ざらにＱｔ６の垂直方向の発散力に
よって実線で示すように増幅されて偏向し、偏向角４５
°の偏向電磁石１ｄに入射する（第１図）。

偏向電磁石１ｄは、第３図（ａ）に示すように、傾入射
角θｌ　（例えば１１．７°）がつけられていて、第３
図（ｂ）　　に示すように、縦集束力を持っているので
、上方向または下方向に偏向して入射してきた電子ビー
ムは偏向電磁石１ｄによりそれぞれ下方向、上方向に軌
道修正を受けて偏向電磁石ｌｄ中を通過し、偏向電磁石
１ｄの下流側の伸出射角θ２（例えば１１．７°）によ
って縦集束され軌道を修正する。

また、偏向電磁石１ｄを平行に通過する電子ビームは、
第４図に示すように、安定軌道から上下にｄｘｃｍｌｌ
！ｉれてほぼ水平に通過し、下流側の偏向電磁石Ｉｆで
上述と同じように縦集束力を受けながら通過する。その
時、さらに下流のトリブレット７Ｄに入射する電子ビー
ムはそのトリブレット７のＱｄ５で安定軌道と交叉し、
上方向に偏向したものは下方向に、下方向に偏向したも
のは上方向に偏向する。

これにより電子１２は第４図に示すように、可変垂直偏
向電磁石２１ａをほぼ中心とする前後３番目の偏向電磁
石１ａ、Ｉｆをそれぞれ節Ｎ０とする上下波動を行う。

この可変垂直偏向電磁石２１ａと上下波動の節Ｎ０と振
幅ｄｚとの位置関係は、電子蓄積リング固有のベータト
ロン振動特性によって決まるものであり、可変垂直偏向
電磁石２１ａが第１図の位置にあるときは、電子ビーム
１２は設計電子軌道１２からほぼｄｚｌｌｆれた所に移
動する。この点が従来の電子ビーム軌道の説明で多くの
人が間違って説明していた点である。

本発明では、波動電子１２が設計電子軌道１１の上下に
波動するとき放射するシンクロトロン放射光を用いて電
子軌道面に垂直な方向の照射野を拡大することにより、
分光用結晶板９によって単色大強度Ｘ線１０の照射野を
拡大する。

第５図は、上述の設計電子軌道（安定軌道）１１に対し
て上下に波動する電子ビーム１２を立体的に図示したも
のであり、Ｈは照射野の縦幅、Ｗは同じく横幅であり、
放射光ＳＲの垂直方向の照射野が著しく拡大されている
様子が示されている。なお、図中の斜線部分は従来の照
射野である。

このように、照射野の拡大を利用することにより、分光
用結晶板９によって単色大強度Ｘ線ｌＯの照射を拡大す
ることが可能になる。

次に、電子ビームの水平方向の波動運動による水平方向
への安定した移動について説明する。なお、水平偏向を
実行するための可変水平偏向電磁石２１ｂの設置位置は
可変垂直偏向電磁石２１ａの設置位置または他のトリプ
レット７Ｂ〜７Ｄの位置で良いが、本実施例ではトリプ
レット７Ａの下流側のＱｄ５とＱｒ８の間とする。

可変水平偏向電磁石２１ｂの磁場（例えば±１００ガウ
ス程度）の方向によって、下流側のＱｔ６に入射する電
子ビームの軌道は第６図に示すように、左方向（内側）
■または右方向（外側）　ＩＩに偏向され、ざらにＱｔ
６の水平方向集束力によって、それぞれ逆方向に軌道修
正されて偏向電磁石１ｄに水平に入射する。このとき、
偏向電磁石１ｄの傾入射角θｌ　（例えば、１１．７°
）によって上述の偏向による左右方向のずれは磁場中の
軌道半径Ｒに大きく影響を与えることなく、その電子ビ
ーム１２の軌道は安定軌道に対してほぼ平行に外側また
は内側に安定して移動し、また下流に位置するＱｒ６に
よって、電子ビームはさらに水平集束されていく。

この電子ビームの水平方向の波動特性は第６図に示すよ
うに水平方向のベータトロン振動数が１．５以上で２．
５以下の場合に、振動の節Ｎ。が４個所ある。また、ウ
ィグラまたはアンジュレータ８の位置では電子ビームが
設計電子軌道１１に対してほぼ平行移動して、第６図に
示すように、左右にそれぞれｄｘｃｍずれる。

第７図は上述の可変垂直偏向電磁石２１ａと可変水平偏
向電磁石２１ｂにより上下、左右に平行移動する電子ビ
ームを立体的に図示したものであり、ウィグラまたはア
ンジュレータ８の中で発生した指向性の良い大強度光子
を振動の腹にあたるところから放射して大面積照射でき
ることを示している。ｄｘは前述した左右方向の移動量
、ｄｚは上下方向の移動量であり、Ｈ，Ｗは第５図と同
じものである。また、電子ビーム１２の軌道はベータト
ロン振動特性によって波打っているので、振動の節Ｎ０
のところで安定軌道に対して最大傾斜となる。従って、
この節Ｎ０のところにウィグラーをおいて光をとり出す
と、そのウィグラＸ線の拡がりは最大となる。

このように放射光ＳＲの照射野が拡大されることを利用
すれば、分光用結晶板９からの単色大強度Ｘ線ｌＯの照
射野も拡大される。

このような電子波動特性は、第１図に示したトリプレッ
ト７（７Ａ〜７Ｄ）を集束レンズとする蓄積リングだけ
ではなく、第８図、第９図に示すような各偏向電磁石１
ａ〜ｌｆ間にそれぞれ１個または２個の四重極電磁石２
２を設けて電子を蓄積する蓄積リングであれば、また、
第８図、第９図に示した８ケの偏向電磁石を有する蓄積
リングだけでなく、電子を蓄積できる蓄積リングであれ
ば、先に述べた電子波動用の偏向手段２１ａ、２１ｂを
用いることによって、その蓄積リング固有のベータトロ
ン振動特性に応じた電子波動特性を持たせ、分光用結晶
板９と連動させることによりＸ線発生装置として使用す
ることが可能である。

この点も、この発明の大きな特徴の一つといえる。

次に、電子ビームの波動振幅制御について第１０図の励
磁電流波形図を参照して説明する。

第１Ｏ図で、横軸は時間ｔ、縦軸は励磁電流Ｉ０であり
、第１図の可変垂直偏向電磁石２１ａ、可変水平偏向電
磁石２１ｂに対し時間ｔ。−１，の間に任意可変な励Ｉ
ｉＩ！電流Ｉ０を第１Ｏ図のように印加制御する。

この場合では、電子ビームを等速にｔ０秒の間に垂直方
向および水平方向に対し、最大振幅でｄｚｃｍ、　ｄｘ
ｃｍ変位することになり、　１．秒間停止した後、再び
等速でｔ。秒の間にそれぞれ最大振幅で−ｄｚｃｍ、　
−ｄｘｃｍまで等速に変位し、　１．秒間停止後、再び
もとの位置に復帰するように励磁電流Ｉｏを制御する。

このようにすることによって上述した第５図に示すよう
に、大面積にわたってほぼ均一に放射光ＳＲを分光用結
晶板に照射することによって単色Ｘ線の大面積照射が可
能になる。

次−に、波動電子ビームに大強度Ｘ線を放射させるウィ
グラまたはアンジュレータ８の構造と作用について、第
１１図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ）を
参照して説明する。

第１１図（ａ）はウィグラ８の概略を示す。ここで３１
は超伝導コイルを含む電磁石で、極性は交互に上下に配
列している。また、３３は電子ビームである。ウィグラ
８から放射される放射光、ＷＲは、クイグラ磁場Ｂがｌ
Ｏテスラ以上の高磁場であるため従来の蓄積リングから
の放射光ＳＲと比較すると光子のエネルギーで１０倍以
上も高エネルギーのＸ線である。

電子のエネルギーをＥ　（ＧｅＶ）とすると、上記放射
光ＷＲのピークエネルギーＥ、は次式で与えられる。

εｐ　（ＫｅＶ）　＝１．５８４　　Ｘ　Ｅ２（ＧｅＶ
）　　Ｘ　Ｂ　（Ｔ）放射光ＷＲの強度は第１１図（ａ
）の蛇行する電子軌道の腹の数に比例して増し、Ｎを周
期数とすると強度は２Ｎ倍以上、干渉効果が生じた場合
は４Ｎ２倍の強度が得られる。

ウィグラ８を通過する波動電子は、第７図に示すように
、大面積にわたってほぼ均一に放射光ＷＲを分光用結晶
板９に照射できるので、分光用結晶板９からの単色で方
向の揃った大強度Ｘ線ｌＯの大面積照射が可能となる６ 第１１図（ｂ）はアンジュレータ８の概略を示す。

ここで３２は小型永久磁石であり、異極性の磁石を交互
に配列している。また３３は電子ビーム、λ。

は周期長である。

アンジュレータ８から放射される放射光ＵＲは従来の電
子蓄積リングからの放射光ＳＲと比較すると、１０２〜
１０’倍の高輝度で準単色の放射光である。・従来の電
子蓄積リングからの放射光ＳＲの指向性は、第１１図（
ｄ）に示すように、設計電子軌道面１１に対して垂直な
方向のみで、軌道面では円軌道の接線方向に拡散する発
散光源である。

ところが、アンジュレータ８からの放射光０口は、第１
１図（Ｃ）　に示すように、電子が蛇行しながら放射す
る直線状指向性をもった放射光である。

この放射光ＵＲと放射光ＳＲとの相対輝度比［ＵＲ］／
［ＳＲ］を示すと、 ２Ｎ＜　［ＩＩＲ］／　［ＳＲ］　＜　４Ｎ２の関係と
なる。上記式中のＮはアンジュレータ８の周期数である
。ここで、相対輝度比の最小値は蛇行した電子軌道の腹
の数に等しく、最大値は電子ビームの方向が揃っている
腹のところで放射された放射光の干渉効果が生じた時の
値に等しい。

また、磁性体としてＳｍＣＯ５等を用いた永久磁石のア
ンジュレータ８の場合の周期長λ。は３〜４Ｃｆｆｌ程
度で、このときの周期ＮをｌＯとすると、放射光ｔｌＲ
は放射光ＳＲに比べて４００倍の輝度が得られ、周期数
Ｎを１６とすれば、放射光ｔｌＲは放射光ＳＲに比べて
１０００倍の輝度が得られ、このようにアンジュレータ
８を通過する電子は大強度Ｘ線を放射する。なお、アン
ジュレータ８の設置位置は電子波動リングの構成上、電
子入射部と高周波空調を除いた直線部分とする。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、第１に、電子
蓄積リング軌道上に設置した可変垂直偏向電磁石によっ
て電子ビームを波動させ、放射光ＳＲの大面積照射がで
きるようにしたので、従来のＸ線発生装置と比べて、分
光用結晶板９からの単色Ｘ線ｌＯの照射野を大きく拡大
できる。また、第２に、電子蓄積リング軌道上に設置し
た個別の水平、垂直偏向電磁石およびウィグラまたはア
ンジュレータ８によって、従来の放射光に比べてはるか
に照射野の広い大強度Ｘ線を得ることができ、また安定
して波動電子ビーム軌道の振幅を垂直。

水平方向に任意の速度で変化させることによって、放射
光ＷＲまたは放射光ＯＲを分光用結晶板に大面積にわた
って照射できるようになり、単色Ｘ線の大面積照射が自
由自在になるので、心臓の毛細血管撮影や超々ＬＳＩリ
ソグラフィー技術等に利用でき、その医学診断や工業利
用上意義はきわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す概略構成図、 第２図は可変垂直偏向電磁石と電子ビームとの関係を説
明する図、 第３図（ａ）は偏向電磁石の平面図、 第３図（ｂ）は偏向電磁石の側面図、 第４図は電子ビームの垂直方向の波動特性を示す図、 第５図は上下に波動する電子ビームを立体的に図示した
もので、単色Ｘ線の照射野が拡大されることを示す図、 第６図は電子ビームの水平方向の波動特性を示す図、 第７図は上下、左右に平行移動する電子ビームを立体的
に図示したもので、ウィグラまたはアンジュレータの中
で発生した指向性の良い大強度光子を大面積照射できる
ことを示す図、 第８図および第９図はそれぞれこの発明の他の実施例を
示す概略構成図、 第１０図は励磁電流の波形を示す波形図、第１１図（ａ
）はウィグラの構成を示す概略図と放射光ＷＲの指向性
を示す図、 第１１図（ｂ）はアンジュレータの構成を示す概略図、 第１１図（Ｃ）は放射光ｔｌＲの指向性を説明する図、
第１１図（ｄ）は放射光ＳＲの指向性を説明する図、第
１２図は従来の電子蓄積リングの構成を示す概略図、 第１３図は従来の電子蓄積リングを用いたＸ線発生装置
からの単色Ｘ線を説明する図である。 １ａ−−１ｈ・・・偏向電磁石、 ２・・・入射用セプタム電磁石、 ３・・・キツカーコイル、 ４・・・高周波空洞、 ５．６・・・四重様電磁石、 ７・・・トリプレット、 ８・・・ウィグラまたはアンジュレータ、９・・・分光
用結晶板、 １０・・・単色Ｘ線、 １１・・・設計電子軌道、 １２・・・電子、 ２１ａ・・・可変垂直偏向電磁石、 ２１ｂ・・・可変水平偏向電磁石、 ２２・・・四重極電磁石、 ３１・・・超伝導コイルを含む電磁石、３２・・・小型
永久磁石、 ３３・・・電子ビーム、 λ。・・・周期長。 第２図 ３：キ・ツカ−フィル　　　　　　　　　　１ｏ：輩ｅ
Ｘ線４：Ｊ＋着し皮を月ｇｌ　　　　　　　　　　　１
１：絞計電子執蓮。 ７　ニドリフ゛レット　　　　　　　　　　　　２１ｂ
：５Ｔ変氷乎Ａ扁向◆す磁石第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）偏向電磁石を設計電子軌道上の所定個所に所定数配
   置し、この偏向電磁石の間に所定数の高周波加速空胴と
   、入射する電子を集束する多重極電磁石の所定数とを前
   記設計電子軌道上の所定位置に設けて前記入射する電子
   を蓄積する電子蓄積リングと、 前記設計電子軌道上の任意の位置に蓄積された電子を前
   記設計電子軌道のまわりに所定の方向に所定の振幅と所
   定数の節を持つ波動運動をさせ、波動する波動電子から
   放射されるシンクロトロン放射光を取り出す偏向手段と
   を具備し、 かつ前記波動電子が前記偏向電磁石で放射するシンクロ
   トロン放射光を前記電子蓄積リング外に取り出し、取り
   出した前記シンクロトロン放射光を分光用結晶板に照射
   することによりエネルギーと方向の揃った大口径Ｘ線ビ
   ームを発生することを特徴とするＸ線発生装置。 ２）前記偏向手段は、前記波動電子の振幅と波動の節の
   数を任意に変化させるものであることを特徴とする請求
   項１記載のＸ線発生装置。 ３）請求項１記載の電子蓄積リングと、 前記設計電子軌道上の任意の位置に蓄積された電子を前
   記設計電子軌道のまわりに軌道面に垂直方向および水平
   方向に所定の振幅と所定数の節を持つ波動運動をさせ、
   電子から放射されるシンクロトロン放射光を取り出す垂
   直方向偏向手段および水平方向偏向手段と、さらに、各
   前記偏向手段で垂直方向および水平方向に同時にまたは
   別個に波動運動する電子にＸ線領域で高輝度Ｘ線を発生
   させるウィグラとを具備し、 前記波動電子が前記ウィグラで放射するウィグラＸ線を
   取り出し、前記分光用結晶板に前記ウィグラＸ線を照射
   することによりエネルギーと方向の揃った大口径Ｘ線ビ
   ームを発生することを特徴とするＸ線発生装置。 ４）前記偏向手段は、前記波動電子の振幅と波動の節の
   数を任意に変化させるものであることを特徴とする請求
   項３記載のＸ線発生装置。 ５）請求項３記載のＸ線発生装置において、前記ウィグ
   ラの代りにアンジュレータを具備したことを特徴とする
   Ｘ線発生装置。 ６）請求項５記載のＸ線発生装置の偏向手段は、前記波
   動電子の振幅と波動の節の数を任意に変化させることを
   特徴とする請求項５記載のＸ線発生装置。