JPH09511836A - 高エネルギー放射線用レンズ、その使用およびその製造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、第一および第二表面を有し、直径が最大５０μｍの多数の導光路を備えている、放射線不透過性円板からなり、その際導光路は、円板の第一表面から第二表面に延びかつその延長線が共通の線または共通の点で交わり、その際共通の線または共通の点は円板の第二表面に向き合うように配置されている、高エネルギー放射線用レンズに関する。レンズは、Ｘ線、ガンマ線または粒子線の集束のために使用される。さらに、レンズの製造方法も記載される。

Description

【発明の詳細な説明】 高エネルギー放射線用レンズ、 その使用およびその製造 本発明は、請求項１による高エネルギー放射線用レンズ、請求項６によるその 使用および請求項７、９および１０によるその製造方法に関する。 ＰＨＹＳＩＣＳ ＲＥＰＯＲＴＳ（Ｒｅｖｉｅｗ Ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｐ ｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）１９１．Ｎｏ．５（１９９０年）２８９−３５ ０ページには、Ｘ線光学および高エネルギー放射線用レンズに関する概観が記載 されている。序文中に、Ｘ線を平滑面において平たい角度で反射させることがで きることが記載されている。かかる反射面を有するレンズ系は、今日天文学にお いて使用される。毛管中では多重反射が起きる。幾つかの毛管は１つの束に纏め ることができ、その際Ｘ線は束の片側で毛管中に入射する。毛管は湾曲されてい てもよく、それで毛管は束の相対する側が共通点、焦点に向けられている。この 焦点において、毛管により誘導されたＸ線は集束される。これは、いわゆるクマ コフ（Ｋｕｍａｋｈｏｖ）のレンズの原理である。このレンズは、下記の第７節 に詳細に記載される。この記載は、下記に討論する先行技術と十分に合致する。 Ｘ線を集束する他の手段は 第９節によれば、嵌合され、とう面が互いに特定間隔に保持される中空円筒また は円錐の使用である。他の節には、Ｘ線を集束する系は粒子線（中性子、イオン ）の集束のためにも適当であることが記載される。 米国雑誌：“Ｓｏｖ．Ｐｈｙｓ．Ｕｓｐ．”３２（３）、１９８９年３月、２ ７１−２７６ページの対象は、クマコフのレンズである。記載された実施形は、 内径０．３６ｍｍ（３６０μｍ）および長さ９８ｃｍを有する２０００本のガラ ス毛管の束からなり、毛管は束の軸に向かって湾曲している。 英国雑誌：“Ｎａｔｕｒｅ”、３５７巻、１９９２年６月４日、３９１−３９ ３ページから、クマコフのレンズは粒子線、殊に中性子線の集束のためにも適当 であることが公知である。 上述のレンズに共通なのは、Ｘ線および粒子線の集束のために長い反射系が必 要であることである。ビーム方向におけるレンズの全長はクマコフのレンズにお いては約１ｍであり；天文学に使用されるレンズ系は類似の長さを有する。公知 のレンズは、その大きさおよび費用のかかる表面加工のために高価である。殊に 、クマコフのレンズに使用される毛管は、多重ビーム反射のため、強さの損失を 許容範囲内に保つために、高度に精密な内表面を有しなければならない。理論的 に与えられた可能性にほぼ合致する特性を有するクマコフのレンズは、これまで まだ製造することができな かった。 本発明の課題は、ビーム方向に非常に僅かな長さを有する高エネルギー放射線 用レンズを提案することである。さらに、このレンズは簡単かつコスト安で製造 可能であるべきである。 この課題は、本発明によれば請求項１に記載されたレンズによって解決される 。レンズの使用は請求項６の対象である。レンズの製造方法は、請求項７、９お よび１０に記載されている。従属請求項はレンズおよびその製造方法の好ましい 構成を記載する。 意外にも、Ｘ線の集束は、その都度円板に対し垂直に配置されている多数の導 光路を有する湾曲円板を用いて達成することができることが判明した。円板の材 料は、Ｘ線に対し不透過性でなければならない。この条件は一般にガラスにより 満足される。軟Ｘ線に対しては、たとえばぽポリカーボネートのようなプラスチ ックが適当である。 円板は、凹面側および凸面側を有するように湾曲している。円板は、第１実施 形においては、円板が円筒のとう面の一部を形成し、従ってその横断面が円の一 部、たとえば円の三分の一または四分の一を構成するように湾曲していてもよい 。この場合、導光路は共通の線、即ち円筒の軸を指向する。第２の改善された実 施形においては、円板は、すべての導光路が共通の点、焦点を指向するように湾 曲している。この場合には 、凹面側は半径対称の凹部を形成し、凸面側は相応する凸部を形成する。 上述の双方の実施形においては、円板はとくに、接線がその接点において接面 と３°と２０°の間の角を囲むように湾曲している。この角度値は、ポリカーボ ネートからなるレンズを用いて誘導された。 本発明によるレンズは、設定された曲率において個々のエネルギー領域の放射 線に対してだけ透過性である。他のエネルギエー領域は、湾曲の程度が変化する 場合に集束される。 記載されたように湾曲円板の適性から出発して、中心点を有する平面状円板か らなるかかるレンズもレンズとして適当であると思われ、その際中心点にある導 光路は円板平面に対して垂直に伸び、中心点の外部にある導光路は中心点にある 導光路と、その数値が大きさで中心点からの導光路の距離よりも大きくなる角を 囲む。かかる実施形も、レンズの片側に共通の線または共通の点を指向する導光 路を有するレンズを形成する。 円板の厚さは、非常に小さく選択することができる。それぞれの場合、１ｃｍ の厚さで十分である。実施例において、厚さが１ｍｍよりも小さい湾曲円板を用 いても集束は達成されるこが明らかになる。 導光路の数およびその直径は、集束すべき放射線に対するレンズの透過性を決 める。レンズに入射する放 射線の吸収は、開放範囲の面積と閉鎖範囲の面積の総割合に依存する。導光路入 口孔、それと共に開放範囲の総面積が大きければ大きいほど、レンズはますます 透過性である。導光路は、５０μｍよりも小さい直径を有するべきである。たと えば１０μｍ以下の小さい直径が好適であると思われる。最適な性質は、導光路 の直径が１μｍ以下、たとえば０．１μｍの場合に期待される。この場合、円板 の放射線透過性材料による放射線の吸収を減少するためには、導光路の数を相応 に大きくしなければならない。 物理の法則に基づき、殊に冒頭に既述した刊行物に基づき、本発明によるレン ズを用いると、Ｘ線だけでなく、ガンマ線および粒子線、たとえば中性子線も、 円板がこれら放射線に対し不透過性である場合に集束することのできることが期 待される。これらの放射線を吸収する材料は先行技術である。上述した種類の放 射線は、本発明により“高エネルギー放射線”なる概念の下に総括される。 本発明によるレンズの１実施形は、その都度の放射線種類に対し不透過性の平 面状円板から出発して製造される。平面状円板は、多数の互いに平行な導光路を 備え、該導光路は平面状円板の平面に対し垂直に延びかつ直径は最大５０μｍで ある。多数の非常に微細な導光路は、平面状円板を、平面状円板に垂直に当たり 、平面状円板を透過する平行なイオンビームに暴露す ることにより製造することができる。個々の導光路の配置は任意であり；特定の 型を指定する必要はない。 他面において、多数の互いに平行な、円板平面に対し垂直に延びる導光路を有 する平面状円板は、液体濾過の目的のために既に商業上提供されることが判明し ている。軟Ｘ線用レンズの製造のためには、たとえば ｂｏｎａｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ”なる名称で提供されるような、１２μｍと０ ．０１５μｍの間の細孔を有するポリカーボネートからなるフィルタ小板が適当 であることが実証される。これらのフィルタ小板は明らかに１ｍｍ以下の厚さを 有する。 第２工程において、平面状円板が上記に記載したように湾曲される。湾曲は、 たとえば型中でラムを用いて行うことができ、その際ラムおよび型の表面は所望 の湾曲に合致する。既述したフィルタ小板をレンズとして使用する場合には、こ の小板を排気可能な容器の開口中に挿入することができ、その後容器を持続的に 排気する。この際、フィルタ小板は容器内室の方向に対称に湾曲し、その際湾曲 の程度はポンプの仕事率に依存する。導光路が貫通している自立性の平板状ガラ スまたはプラスチック製円板は、高められた変形温度において持続的に湾曲する 。レンズが焦点を有しないで、焦“線”を有すべき場合、撓み性平面状円板にお いては平面状円板を、それがたとえば円筒のとう面の 一部を形成するように固定およびチャック装置中に装着すれば十分である。 選択的に、球表面の一部を薄いガラスから製造し、球の中心点にほぼ点状の粒 子線源を固定することも可能であり、線の際粒子線のエネルギーは、材料を貫通 するのに十分である。類似の方法を用いて、平板状レンズを製造することができ る。中心点を有する平たい円板を、ほぼ点状の粒子線源を用いて照射する。粒子 線源は、平たい円板に対して垂直にその中心点を通る線上に配置されている。粒 子線としては、殊にα線が適当である。 放射線方向の反転性のため、本発明によるレンズは公知レンズ系と類似に、放 射線の平行ビームをつくるために使用することができる。この場合には、点状の 放射線源をレンズの焦点に配置することができる。 次に本発明を実施例および図につき詳説する。 図１は実験装置を示し； 図２は使用したレンズおよび集束原理を概略的に示し； 図３〜５は強さの線図を示す。 図１は、下記に記載した実験を実施した実験装置を表わす。実験装置は、軟Ｘ 線の放射装置１、レンズ２およびＸ線の強さを決定するためのＰＩＮ検出器（Ｐ ＩＮダイオード）３からなる。装置１は、公知のようにアノード４およびカソー ド６からなり、これらは誘 電体５により互いに分離されている。アノード４およびカソード６には、Ｕ≧１ ０〜２０ｋＶを有する調節可能な高圧が印加されている。装置１により、Ｅ_τ＝ １００ｅＶおよび約５００ｎｓの脈動期間を有する脈動軟Ｘ線が発生し、点７か ら放射する。カソード６は１０ｍｍの直径を有する絞りを形成する。点７は、絞 り孔から約５０ｍｍ離れている。実験装置は、ｐ≒１０^-3ｍｂａｒの圧力下に保 たれる。装置１から放射されるＸ線の強さは、アノード４およびカソード６、そ の形状寸法ならびに印加される電圧に依存する。 レンズ２としては、専門店において“Ｎｕｃｌｅｏ ｒａｎｅ”なる名称で入手できるフィルタ小板を使用する。フィルタ小板は、４ ．５ｃｍの直径および０．０１ｍｍの厚さを有する平面状円板からなる。メーカ ーにより、孔径は１０μｍであり、孔密度は１・１０⁵孔／ｃｍ²であることが記 載される。孔が貫通する導光路を形成する。（図示されない）保持装置を用いて フィルタ小板を湾曲させ、その際湾曲の程度は調節できる。湾曲はすべての場合 に、フィルタ小板が断面で不断に曲がる線を表わすように行われる。焦点の代わ りに、断面が円形の湾曲の場合には、“Ｆ”で表示されている焦“線”が得られ る。 レンズ２を保持するために、レンズ２の小さい縁区間が挟込まれた。さらに、 レンズ２は側方が弓形金属 線により固定された。挟込まれた縁区間に向き合う縁区間は別の弓形金属線によ り保持され、該弓形金属線はマイクロメータねじを用いて挟込まれた縁区間に向 かって移動可能であるので、レンズ２はマイクロメータねじを回し込むことによ り増加程度に湾曲させることができた。マイクロメータねじを用いて、０ｍｍ〜 ８ｍｍの調整を調節することができる。８ｍｍの調整は非常に弱く湾曲したレン ズに相当する。マイクロメータねじを７ｍｍ〜０ｍｍ調整に回し込むことにより レンズ２の増加する湾曲が形成される。０ｍｍ調整においては、レンズ２は最も 強く湾曲した形をとる。マイクロメータねじの０ｍｍ〜８ｍｍ調整は、次の強さ 線図において“Ｑ”で表示された。 図２は、平面状の濾過小板を平面図（部分図ａ）および断面図（部分図ｂ）な らびに湾曲した形（部分図ｃ）で概略的に示す。湾曲は、マイクロメータねじの 最適調整においては、湾曲した濾過小板が円筒のとう面上にある、上述しかつ図 （部分図ｃ）に表した場合に相当する。他の調整においては、多かれ少なかれ強 い湾曲が得られる。濾過小板は多数の貫通孔を備えている。想定されるビームの 経過は部分図ｃに表されている。貫通する導光路７の内表面で、左方から入射す る、τ_n（ｎ＝１・・・ｎ）で表示された放射線の反射が行われる。 厳密に言えば、導光路の延長線は正確に“Ｆ”で表 示した線で交わらない、それというのもその内表面で反射がおこなわれるからで ある。殊に、非常に小さい導光路直径においては光線の偏移は反射のため実際の 目的には無視することができる。従って非常に小さい毛管直径の場合、実地にお いては放射線τ_nは、濾過小板の凹面側で導光路の延長線が交差する（円筒軸の ）共通線上に集束する。大きい導光路直径の場合には、導光路の内壁における放 射線の反射のため放射線の焦点は、部分図ｃから推知することができるように、 導光路の延長線の交点よりもレンズにより近く存在する。 記載した装置を用いる実験結果は、次の図に表されている。 図３ａは、ＰＩＮダイオード３で測定した強さ［ｍＶ］をマイクロメータねじ の調整Ｑ［ｍｍ］に関連して示す。レンズ２の最強の湾曲は、記述したようにＱ ＝０ｍｍの場合に生じ、最弱の湾曲はＱ＝５ｍｍの場合に生じる。この実験にお いては、Ｃｕ−６４からなるカソードおよびＦｅ−５６からなるアノードを使用 した。レンズ２およびＰＩＮダイオード３の頂点間の距離は、ビーム方向で３２ ０ｍｍであった。ＰＩＮダイオードは、可視光線を遮蔽するため、厚さ５μｍの アルミニウム箔を担持する。高圧８はＵ＝１８ｋＶに保持された。 図３ａによる線図において、レンズ２なしでは水平 な線が生じる。それに対して、レンズ２を用いると強さの明瞭な変化が得られた 。強さの変化は、マイクロメータねじの調整Ｑ、それと共にレンズ２の曲率に依 存する。図３ａには、マイクロメータねじのその都度の調整において測定された 強さの数値が誤差帯線（Ｆｅｈｌｅｒｂａｌｋｅｎ）で表示されている。幾つか の最大値が認められる。Ｘ線はマイクロメータねじの個々の調整において集束さ れ、それと共にレンズ２により影響されることは明らかである。第１の最大値は 、たとえばレンズ２の比較的弱い湾曲、即ちＱ≒４ｍｍ場合に得られる。より低 い最大値は、より強いレンズの湾曲、相応に小さいマイクロメータねじの調整の 場合に生じる。より小さい曲率の場合（Ｑは５と４．５の間の範囲内）、観察さ れる強さの数値は、レンズなしで測定された数値以下である。これは、レンズに よる放射線の吸収に帰因することができる。連続Ｘ線スペクトルが存在するので 、種々の波長に対する焦点は互いに区別できる。最大値は、銅カソードから放射 されるＸ線のＸ線スペクトルと解釈される。 図３ｂは、十分に不変の実験装置における、図３ａと類似の線図を示す。しか し装置１は、上記に記載した実験とは異なり、鉄からなるカソードならびにアノ ードを有していた。再び、レンズ２なしでは線図に水平な線が得られた。レンズ ２を用いる実験において、得られた強さは誤差帯線で表示された。レンズ２によ る集束効果は、マイクロメータねじの調整Ｑの低い場合（より強いレンズの湾曲 ）強さの最大値に現れる。弱く湾曲したレンズ２における低い強さの数値は、再 びレンズ２による放射線の吸収に帰因できると思われる。より強い湾曲（Ｑは１ と３ｍｍの間の範囲内）は、レンズ２なし（水平な線）で得られる強さの数値よ りも明らかに高い強さの数値を生じる。最大値は、鉄カソードから放射されるＸ 線のＸ線スペクトルと解釈される。 図４ａは、別の強さ線図を示す。光線方向でレンズ２とＰＩＮダイード３の間 の距離（図１参照）は、２２０ｍｍであった。カソード６とアノード４の間の電 圧は、Ｕ＝１８ｋＶに保持された。双方の電極は鉄からなっていたが、別の形状 寸法を有するので、総じてより高い強さを有するＸ線が得られた。上述したＰＩ Ｎダイオード３が使用された。レンズ２は、Ｑ（マイクロメータねじの調整）が ２．８ｍｍであるように湾曲され、この数値で一定不変に保持された。それに反 して、ＰＩＮダイオードの調整は変化させた。この変化は、ＰＩＮダイオードが 実験装置中でフランジにおけるストッパから出発して光線方向に対して垂直に移 動するように行われた。垂直移動はＲ［ｍｍ］で表示される。これらの条件下で 確かめられた強さは、図４ａに誤差帯線で表される。強さはＲ≒１５ｍｍの範囲 内で最大に到達する。 図４ｂは、比較のため、レンズ２なしの同じ装置を用いて得られた結果を示す 。この実験は、ビームの経過に対し垂直で、他の影響を受けていないビームの輪 郭を示す。強さの最大値は、挿入されたレンズ２を用いて得られる強さの最大値 よりも低い。 図５は、他の強さ線図を示す。装置１のカソードもアノードも鉄からなってい た。装置は、ＰＩＮダイオードが調整Ｒ＝１４ｍｍに固定され、レンズの湾曲が マイクロメータねじ（Ｑ＝０〜８ｍｍ）を用いて変化させたことを除き、図４ａ による装置に合致した。レンズ２を用い３つの最大値が得られ、レンズなしでは 水平な線が生じた。最大値は、図３ｂに表した結果と類似に装置１の鉄カソード のＸ線スペクトルと解釈される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第一および第二の表面を有しかつ直径が最大５０μｍである多数の導光路を 備えている、放射線不透過性の円板からなり、その際導光路は、円板の第一表面 から第二表面に延びかつその延長線は共通の線または共通の点で交わり、その際 共通の線または共通の点は円板の第二表面に向合っている、高エネルギー放射線 用レンズ。 ２．厚さが１ｃｍより小さい円板を有する、請求項１記載のレンズ。 ３．導光路の最大直径１０μｍを有する、請求項１または２記載のレンズ。 ４．中心点を有する平たい円板を有し、その際円板の中心点における導光路は円 板平面に対して垂直に配置されていてかつ円板の中心点外の導光路は中心点にお ける導光路と、中心点からの距離と共に大きくなる角を囲む、請求項１、２また は３記載のレンズ。 ５．湾曲した円板を有し、それで第一表面は凸面であり、第二表面は凹面であり 、その際各導光路は円板に対して垂直に延びる、請求項１、２または３記載のレ ンズ。 ６．Ｘ線、ガンマ線または粒子線集束のための、請求項１から５までのいずれか １項記載のレンズの使用 。 ７．ａ）放射線吸収性材料からなる平面状円板が多数の互いに平行な貫通導光路 を備え、該導光路は円板の平面に対し垂直に延びかつ最大５０μｍの直径を有し 、 ｂ）平面状円板を、それが凸面側および凹面側を有するように変形する、高エ ネルギー放射線用レンズの製造方法。 ８．平面状円板を、平面状円板に垂直に入射する、そのエネルギーが平面状円板 を貫通するのに十分である平行な粒子線に暴露することにより導光路を形成する 、請求項７記載の方法。 ９．ａ）放射線不透過性材料からなる湾曲した円板を使用し、その表面は球の表 面の一部を形成しかつ ｂ）湾曲円板を、球の中心点に配置されているほぼ点状の光源から放射される 、円板を貫通する粒子線に暴露する、高エネルギー放射線用レンズの製造方法。 １０．ａ）放射線不透過性材料からなり、中心点を有する平面状円板を使用しか つ ｂ）平面状円板を、中心点における円板平面に対する垂直線によって与えられ ている線状に配置されているほぼ点状の光源から放射する、円板を貫通する粒子 線に暴露する、高エネルギー放射線用レンズの製造方法。