WO2013058342A1 - 荷電粒子放射装置および同装置を用いたｘ線発生装置 - Google Patents

荷電粒子放射装置および同装置を用いたｘ線発生装置 Download PDF

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potential difference
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difference generating
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石田　稔幸
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株式会社Ｂｓｒ
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1077—Beam delivery systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N2005/1085—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy characterised by the type of particles applied to the patient
    • A61N2005/1087—Ions; Protons
    • A61N2005/1088—Ions; Protons generated by laser radiation

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle emission device and an X-ray generator using the same.
  • Patent Document 1 irradiate the pyroelectric body with an ultraviolet laser to thereby radiate the metal piece from the pyroelectric body.
  • Patent Document 1 A novel X-ray generator that emits an electron beam and emits X-rays from a metal piece has been proposed.
  • the pyroelectric body irradiated with the ultraviolet laser is only used for the purpose of emitting an electron beam.
  • a metal piece is disposed in a vacuum chamber to be evacuated, whereby a vacuum is generated between the pyroelectric body and the metal piece. .
  • the first aspect of the present invention is defined as follows. That is, An ultraviolet-potential difference generating element that receives an ultraviolet laser to generate a potential difference, the ultraviolet-potential difference generating element including an ultraviolet light receiving surface and a charged particle emitting surface, An extraction electrode disposed at a distance of 500 ⁇ m or less facing the charged particle emission surface of the ultraviolet-potential difference generating element;
  • a charged particle emission device comprising:
  • the extraction electrode is arranged at a distance of 500 ⁇ m or less so as to face the charged particle emission surface of the ultraviolet-potential difference generating element, thereby charging from the ultraviolet-potential difference generating element that receives the ultraviolet laser and generates a potential difference. Particles can be emitted.
  • the ultraviolet-potential difference generating element LiNbO 3 single crystal, LiTaO 3 single crystal, or the like as a pyroelectric material can be used.
  • a ferroelectric substance such as PLZT (lead lanthanum zirconate titanate) can be used.
  • the second aspect of the present invention is defined as follows. That is, In the charged particle emission device according to the first aspect, the atmosphere of the ultraviolet-potential difference generating element and the extraction electrode is atmospheric pressure. In this way, by arranging the extraction electrode with a space of 500 ⁇ m or less facing the charged particle emission surface of the ultraviolet-potential difference generating element, it is possible to emit charged particles without requiring a vacuum. Become.
  • the atmosphere in which the ultraviolet-potential difference generating element is disposed may contain a reducing gas (third aspect). By doing so, it is possible to stabilize and extend the electron beam emission from the ultraviolet-potential difference generating element.
  • the fourth aspect of the present invention is defined as follows. That is, An ultraviolet-potential difference generating element that receives an ultraviolet laser to generate a potential difference, the ultraviolet-potential difference generating element including an ultraviolet light receiving surface and a charged particle emitting surface, A metal piece disposed at a distance of 500 ⁇ m or less opposite to the charged particle emission surface of the ultraviolet-potential difference generating element, and irradiated with an electron beam comprising charged particles emitted from the ultraviolet-potential difference generating element.
  • An X-ray generator comprising: As described above, by arranging the metal piece with an interval of 500 ⁇ m or less facing the charged particle emission surface of the ultraviolet-potential difference generating element, electrons can be emitted from the ultraviolet-potential difference generating element to the metal piece. X-rays can be emitted from the metal piece.
  • the atmospheric pressure between the ultraviolet-potential difference generating element and the metal piece can be set to atmospheric pressure (fifth aspect).
  • the atmosphere in which the ultraviolet-potential difference generating element is disposed contains a reducing gas (sixth aspect).
  • the wavelength of the ultraviolet laser is preferably 300 nm or less. This is because most of such short wavelength ultraviolet rays are absorbed by the outermost surface of the ultraviolet-potential difference generating element, so that high energy conversion efficiency can be secured. Further, the charged particle radiation surface of a pyroelectric material or the like as an ultraviolet-potential difference generating element can be finely processed to form protrusions on the surface, thereby promoting charged particle radiation.
  • the ultraviolet laser may be pulsed light or continuous light.
  • the ultraviolet laser irradiates a surface opposite to the surface facing the metal piece in the pyroelectric material as the ultraviolet-potential difference generating element.
  • the metal piece, the ultraviolet-potential difference generating element, and the ultraviolet fiber can be arranged in series, and the assembly of the apparatus becomes easy.
  • a thin plate of copper or a copper alloy can be adopted as the metal piece.
  • a metal other than copper, such as aluminum or an aluminum alloy can be used if X-rays can be emitted in response to the irradiated electrons.
  • 1 is a partial cross-sectional view showing a schematic configuration of a charged particle radiation device according to a first embodiment of the present invention. It is a fragmentary sectional view which shows schematic structure of the X-ray generator of the 2nd Embodiment of this invention. It is a fragmentary sectional view which shows schematic structure of the X-ray generator of the 3rd Embodiment of this invention. It is a figure which shows schematic structure of the charged particle radiation apparatus of 1st Example of this invention. It is a figure showing transition of the detection potential in the 1st example of the present invention. It is a figure which shows schematic structure of the X-ray generator of 2nd Example of this invention. It is a figure which shows the X-rays measurement result in the 2nd Example of this invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a charged particle emission device 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • the charged particle emission device 1 includes a head unit 10, a flexible tube unit 40, and a control unit 50.
  • the head portion 10 includes a cylindrical casing 11 having openings at both ends, and a female screw portion 12 for connecting to the flexible tube portion 40 is formed on the inner peripheral surface in the vicinity of one end side of the casing 11. Yes.
  • the member 23 is fitted.
  • the pyroelectric body 20 is placed on the central portion of the surface of the pyroelectric body holding member 23 opposite to the female screw portion 12.
  • a material that can transmit a laser having a wavelength in the ultraviolet region such as quartz glass, is used.
  • the surface on the side where the pyroelectric body holding member 23 is placed is referred to as an ultraviolet light receiving surface 21.
  • the surface opposite to the ultraviolet light receiving surface 21 is finely processed by etching, and preferably a needle-like protrusion is formed on the surface.
  • An extraction electrode 13 for extracting charged particles from the pyroelectric body 20 is fitted on the distal end side of the housing 11, that is, on the inner periphery opposite to the female screw portion 12.
  • the extraction electrode 13 is grounded, and the extraction electrode 13 is provided with a charged particle emission hole 14 for radiating charged particles so as to penetrate the central portion of the extraction electrode 13 in the axial direction.
  • a distance d between the pyroelectric body 20 and the extraction electrode 13 in the axial direction of the housing 11 is set to 500 ⁇ m or less.
  • the flexible tube portion 40 is formed by inserting the optical fiber 43 into the flexible tube 41 and fixing both end portions of the optical fiber 43 to the inner peripheral surface in the vicinity of both ends of the flexible tube 41 with a pair of spacers 44. Composed.
  • the optical fiber 43 is for ultraviolet rays, and for example, quartz glass can be used for the core portion.
  • the outer peripheral surface on the distal end side of the flexible tube portion 40 is a male screw portion 45 and is screwed with the female screw portion 12 of the head portion 10.
  • the coupling method of the head unit 10 and the flexible tube unit 40 is not limited to screwing, but may be fitting or bonding with an adhesive, and these methods may be appropriately combined.
  • the optical fiber 43 is disposed so that the end on the head unit 10 side faces the surface of the pyroelectric body holding member 23 on the side opposite to the mounting side of the pyroelectric body 20. As a result, the end of the optical fiber 43 on the head unit 10 side faces the ultraviolet light receiving surface 21 of the pyroelectric body 20 with the pyroelectric body holding member 23 interposed therebetween.
  • the control unit 50 includes an ultraviolet laser generator 51 and its driver 52.
  • Reference numeral 55 denotes a control device that controls the driver 52.
  • the light emitting portion of the ultraviolet laser generator 51 faces one end of the optical fiber 43 at the base end of the flexible tube portion 40, and the ultraviolet laser is incident on one end of the optical fiber 43. This optical fiber can be omitted if it is possible to directly irradiate the pyroelectric material from the laser generator with ultraviolet laser light.
  • a YAG pulse laser oscillator can be used, and its output is limited by the driver 52.
  • the wavelength of the ultraviolet laser is not particularly limited as long as activation of the pyroelectric body 20 (that is, discharge of charged particles from the pyroelectric body 20) is possible, but from the transmission wavelength of the pyroelectric body 20 Short is preferred.
  • the wavelength of the ultraviolet laser is preferably 300 nm or less. This is because most of such short-wavelength ultraviolet rays are absorbed by the outermost surface of the pyroelectric material, so that high energy conversion efficiency can be secured.
  • An ultraviolet ray generating laser diode or a light emitting diode made of a group III nitride compound semiconductor can also be used. When higher output is required, it is preferable to use an excimer laser oscillator.
  • the ratings of the YAG pulse laser oscillator of this embodiment are wavelength: about 250 nm, pulse width: 100 ⁇ m, and maximum output: about 350 mJ.
  • a ferroelectric such as a pyroelectric body has electric dipoles arranged on one side as shown in FIG.
  • the pyroelectric effect of the pyroelectric material is that the spontaneous polarization inside the pyroelectric crystal increases and decreases, the surface adsorbed charge can not follow the change, electrical neutralization is broken, and the charge is released from the surface.
  • It has the characteristic that As a typical heteropolar crystal, there is a LiNbO 3 single crystal, and the center of positive charge (Li + , Nb 5+ ) and the center of negative charge (O 2 ⁇ ) do not coincide with each other in this crystal. Since it is polarized even in the state, and the charge of the same sign as this charge is adsorbed on the crystal surface, it is always electrically neutralized.
  • the pyroelectric body is irradiated with a laser in the ultraviolet region that cannot transmit through the pyroelectric body at all.
  • the energy of the ultraviolet laser excites the electrons present on the surface of the pyroelectric material, making it easier to move. From the experimental fact that the temperature hardly rises even when the pyroelectric material is irradiated with the ultraviolet laser, it is considered that most of the energy of the ultraviolet laser was used for excitation of electrons. Excited electrons can leave the electric dipole. Therefore, when an ultraviolet laser is irradiated to the negative electrode side of the electric dipole in the pyroelectric material, the electron density becomes small. In other words, the negative charge of the electric dipole is inclined to the plus side.
  • the charge amount of one negative charge of the electric dipole changes (decreases)
  • the charge amount of the other positive charge also changes (decreases) for stabilization.
  • a part of the positive charge moves to the adjacent electric dipole and changes the amount of the negative charge.
  • the pyroelectric material is compared with the case where the surface of the negative electrode side is irradiated with the ultraviolet laser.
  • the potential difference generated in the body was small.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.
  • the charged particle emission device of the present invention is used as an electron beam emission device, and this is applied to the X-ray generation device 60.
  • the housing 11 has a hole on the tip side, and the X-ray transmission window 15 is fitted in the hole.
  • the X-ray generator 60 has the copper piece 25 as an X-ray generation element. The copper piece 25 is disposed in the housing 11 so that one end surface side faces the charged particle radiation surface 22 of the pyroelectric body 20 and the other end surface contacts the X-ray transmission window 15.
  • An interval in the axial direction of the housing 11 between the charged particle radiation surface 22 of the pyroelectric body 20 and one end surface of the copper piece 25 is set to 500 ⁇ m or less.
  • the copper piece 25 is grounded.
  • the pyroelectric body holding member 23 and the spacer 44 are provided with openings 24 and 46, respectively, so that the atmosphere of the pyroelectric body 20 is atmospheric pressure.
  • the other end of the optical fiber 43 faces the ultraviolet light receiving surface 21 of the pyroelectric body 20 with the pyroelectric body holding member 23 interposed therebetween. Therefore, the ultraviolet laser incident on one end of the optical fiber 43 from the ultraviolet laser generator 51 is propagated through the optical fiber 43, then emitted from the other end of the optical fiber 43, and transmitted through the pyroelectric body holding member 23.
  • the ultraviolet light receiving surface 21 of the pyroelectric body 20 is irradiated.
  • the pyroelectric body 20 is activated, and charged particles such as electrons are emitted from the charged particle emitting surface 22 opposite to the ultraviolet light receiving surface 21.
  • the emitted electron beam is attracted to the copper piece 25 to irradiate the copper piece 25.
  • the copper piece 25 that has been irradiated with the electron beam emits X-rays to the outside of the X-ray generator 60 through the X-ray transmission window 15.
  • FIG. 3 shows an X-ray generator 70 according to a third embodiment of the present invention.
  • the same elements as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the space 26 in which the pyroelectric body 20 is disposed in the housing 11 is sealed.
  • the space 26 is at substantially atmospheric pressure, and the interior of the space 26 is filled with isopropyl alcohol as a reducing gas.
  • electrons are radiated from the pyroelectric body 20 to the copper piece 25, so it is important to supply electrons to the charged particle emission surface 22 of the pyroelectric body 20.
  • Other reducing alcohols or hydrogen gas can be used as the reducing gas. Since the charged particle emitting surface 22 of the pyroelectric body 20 needs to have a hydrogen bond, when the electron beam emission function of the pyroelectric body 20 is regenerated, the laser is stopped and the charged particle emitting surface 22 is deactivated.
  • the head unit 10 in the case where the head unit 10 is removable, only the head unit 10 can be a disposable type.
  • the head unit 10 and the flexible tube unit 40 may be integrated without being separated.
  • FIG. 4 shows a first embodiment of the present invention.
  • the apparatus shown in FIG. 4 is an experimental apparatus used for the charged particle radiation experiment conducted by the present inventors.
  • the quartz glass 103 passes through the window opened in the stainless steel plate (SUS304) 101 and the quartz glass 103.
  • the pyroelectric body (LiNbO 3) 100 placed on the glass 103 is irradiated with ultraviolet laser light.
  • an optical fiber for propagating the ultraviolet laser beam is not used, and the ultraviolet laser beam is directly irradiated from the laser device 108 to the quartz glass 103.
  • Charged particles are emitted from the pyroelectric body 100 to the opposing target (SUS304) 104 by irradiation with ultraviolet laser light.
  • the target 104 is grounded, and a resistor (1 G ⁇ ) 105 is disposed on the ground wiring.
  • the resistor 105 the amount of charged particles radiated to the target 104 can be grasped as a current flowing through the ground wiring.
  • the voltmeter 106 detects the potential difference between both ends of the resistor 105 (that is, the potential at the point A). That is, the current flowing through the resistor 105 is detected by voltage conversion.
  • the interval between the pyroelectric body 100 and the target 104 was 500 ⁇ m or less.
  • the pyroelectric material is also called an anisotropy crystal, and when the temperature is raised or lowered, the spontaneous polarization inside the crystal increases and decreases, the surface adsorption charge can not follow the change, electrical neutralization is broken, Thus, it has a characteristic that charges are released from the surface.
  • a typical heteropolar crystal there is a LiNbO 3 single crystal, and the center of positive charge (Li + , Nb 5+ ) and the center of negative charge (O 2 ⁇ ) do not coincide with each other in this crystal. Since it is polarized even in the state, and the charge of the same sign as this charge is adsorbed on the crystal surface, it is always electrically neutralized.
  • FIG. 5 is a plot of the potential transition at point A in FIG. 4 on the time axis using the computer 107 when ON / OFF of irradiation of the ultraviolet laser beam from the laser device 108 is repeated.
  • the voltage value is a value obtained by converting a current value flowing from the target 104 through the resistor 105 with a 1 G ⁇ resistor. As shown in FIG. 5, it can be seen that the voltage value has dropped to a value of zero or less immediately after the point of time when laser irradiation of the pyroelectric body 100 is started (laser ON).
  • the voltage value fluctuates to a positive value. This is because the electric field in the pyroelectric body 100 is reversed by stopping the laser light irradiation, and as a result, charged particles having a positive charge adsorbed on the surface of the pyroelectric body 100 (positively charged particles) are emitted. It is thought that it shows that. In other words, it is considered that the positively charged particles emitted from the surface of the pyroelectric body 100 are irradiated on the target plate 104 and the flow of the positively charged particles is detected as a current in the I direction in FIG. Thereafter, as the consumption of the positively charged particles on the pyroelectric body 100 proceeds, the radiation amount of the positively charged particles also decreases. As a result, the voltage value returns to zero after passing through the maximum value.
  • FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention.
  • the copper foil 109 is irradiated with an electron beam emitted from the pyroelectric body 100, and X-rays emitted from the copper foil 109 are measured by the Geiger-Muller counter 110.
  • the interval between the copper foil 109 and the pyroelectric body 100 is set to 500 ⁇ m or less.
  • the copper foil 109 is attached to a stainless steel plate 108 (SUS304) having an X-ray passage hole at the center.
  • the stainless steel plate 108 is grounded.
  • FIG. 7 shows the result of measuring the X-ray dose by the Geiger-Muller measuring tube 110 plotted on the time axis by the computer 107.
  • the environmental count value that is, the noise value
  • a high value of 5 to 9 pulses / second is measured after the ultraviolet laser irradiation. Therefore, if the distance between the copper foil 109 and the pyroelectric body 100 is set to 500 ⁇ m or less, the pyroelectric body 100 is irradiated with an ultraviolet laser, so that electrons from the pyroelectric body 100 can be obtained even in an atmospheric pressure environment. It was confirmed that X-rays were emitted from the copper foil 109 irradiated with the electron beam and irradiated with the electron beam.
  • esophageal cancer stomach cancer, colon cancer, liver cancer, gallbladder cancer, pancreatic cancer, breast cancer, laryngeal cancer, head and neck cancer, ovarian cancer, cervical cancer, endometrial cancer
  • It can be used as radiation therapy for renal cell cancer, bladder cancer, prostate cancer, testicular tumor, lung cancer, mediastinal tumor, bone / soft tissue tumor, skin cancer, malignant melanoma, brain tumor, leukemia, malignant lymphoma and the like.
  • the X-ray generator and the electron beam generator of the present invention can be made thin, they can be incorporated into a catheter or an endoscope.
  • the X-ray generator of the present invention Since the X-ray generator of the present invention has the same X-ray wavelength and a small radiation angle, it can be suitably used for surface treatment of fine materials.
  • the electron beam generator of the present invention is also applicable to material surface treatment.
  • the X-ray generator of the present invention can be used as an X-ray source for a nondestructive inspection apparatus or a medical observation apparatus.

Abstract

真空を必要とせず、焦電体等の紫外線－電位差発生素子に対して紫外線レーザを照射することで荷電粒子を放射可能な荷電粒子放射装置を提供する。 荷電粒子放射装置（１）は、紫外線レーザを受光して電位差を発生させる紫外線－電位差発生素子（２０）であって、紫外線受光面と荷電粒子放射面（２２）とを備える紫外線－電位差発生素子（２０）と、紫外線－電位差発生素子（２０）の荷電粒子放射面（２２）に対向して５００μｍ以下の間隔をとって配置される引出し電極（１３）と、を備える。紫外線－電位差発生素子には強誘電体、特に焦電体を用いることできる。強誘電体の負極面側へ紫外線レーザを照射することが好ましい。

Description

荷電粒子放射装置および同装置を用いたＸ線発生装置
　この発明は荷電粒子放射装置および同装置を用いたＸ線発生装置に関する。
　本発明者らは、制御された紫外線レーザを焦電体に照射すると、焦電体から電子線が放射されることを見出した。そこで、本発明者らはその一つの応用として、先の出願（ＰＣＴ／ＪＰ２０１０／００２４８９）（特許文献１）において、焦電体に紫外線レーザを照射することにより焦電体から金属片に対して電子線を放射させ、もって、金属片からＸ線を放出する方式の新規なＸ線発生装置を提案している。
ＷＯ２０１０／１１６７０９Ａ１
　上記の特許文献１に記載の発明において、紫外線レーザが照射される焦電体は、電子線を放射する目的で用いられるのみであった。
　また、上記の特許文献１に記載のＸ線発生装置の構成においては、真空引きされる真空室内に金属片が配置されることで、焦電体と金属片との間が真空とされている。このように、焦電体と金属片との間を真空とすることを要するものであったため、装置の簡素化および使用性の向上という点で改良の余地があった。
　この発明の一つの目的は、焦電体等の紫外線－電位差発生素子に対して紫外線レーザを照射することによって紫外線－電位差発生素子の内部に電位差を生じさせる方式を利用した新規な荷電粒子放射装置を提供することにある。
　この発明の別の目的は、上記方式を利用する荷電粒子放射装置において、真空を必要とせずに荷電粒子の放射を可能とした新規な荷電粒子放射装置を提供することにある。
　本発明の第１の局面は次のように規定される。即ち、
　紫外線レーザを受光して電位差を発生させる紫外線－電位差発生素子であって、紫外線受光面と荷電粒子放射面とを備える紫外線－電位差発生素子と、
　該紫外線－電位差発生素子の荷電粒子放射面に対向して５００μｍ以下の間隔をとって配置される引出し電極と、
　を備える荷電粒子放射装置。
　このように、紫外線－電位差発生素子の荷電粒子放射面に対向して５００μｍ以下の間隔をとって引出し電極を配置することにより、紫外線レーザを受光して電位差を発生させる紫外線－電位差発生素子から荷電粒子を放射させることができる。紫外線－電位差発生素子としては、焦電体としてのＬｉＮｂＯ３単結晶やＬｉＴａＯ３単結晶等を用いることができる。その他PLZT（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）等の強誘電体の物質を用いることができる。
　本発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
　上記第１の局面による荷電粒子放射装置において、前記紫外線－電位差発生素子と前記引出し電極の雰囲気が大気圧である。
　このように、紫外線－電位差発生素子の荷電粒子放射面に対向して５００μｍ以下の間隔をとって引出し電極を配置することにより、真空を必要とすることなく、荷電粒子を放射させることが可能となる。
　また、紫外線－電位差発生素子が配設される雰囲気が還元ガスを含有するとしても良い（第３の局面）。こうすることで、紫外線－電位差発生素子からの電子線放射の安定化及び長期化が図れる。
　本発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、
　紫外線レーザを受光して電位差を発生させる紫外線－電位差発生素子であって、紫外線受光面と荷電粒子放射面とを備える紫外線－電位差発生素子と、
　該紫外線－電位差発生素子の荷電粒子放射面に対向して５００μｍ以下の間隔をとって配置される金属片であって、前記紫外線－電位差発生素子から放射される荷電粒子からなる電子線の照射によりＸ線を放出する金属片と、
　を備えるＸ線発生装置。
　このように、紫外線－電位差発生素子の荷電粒子放射面に対向して５００μｍ以下の間隔をとって金属片を配置することにより、紫外線－電位差発生素子から金属片に対して電子を放射させることができ、もって金属片からＸ線を放出することができる。
　第４の局面においても、上記第２の局面と同様に、紫外線－電位差発生素子と金属片との間の気圧を大気圧とすることができる（第５の局面）。また、上記第３の局面と同様に、紫外線－電位差発生素子が配設される雰囲気が還元ガスを含有するようにすることも有効である（第６の局面）。
　上記の各局面において、紫外線レーザの波長は３００ｎｍ以下とすることが好ましい。かかる短波長の紫外線はその殆どが紫外線－電位差発生素子の最表面に吸収されるので高いエネルギー変換効率を確保できるからである。また、紫外線－電位差発生素子としての焦電体等の荷電粒子放射面に微細加工を施してその表面に突起を形成し、荷電粒子放射の促進を図ることができる。
　紫外線レーザはパルス光であっても、連続光であってもよい。
　上記第４乃至第６の局面において、紫外線レーザは、紫外線－電位差発生素子としての焦電体等において金属片と対向する面と反対側の面へ照射することが好ましい。これにより、金属片、紫外線－電位差発生素子及び紫外線用ファイバを直列に配置可能となり、装置の組みつけが容易になる。金属片には銅若しくは銅合金の薄板を採用することができる。勿論、照射された電子に対応してＸ線を放出できれば銅以外の金属、例えばアルミニウム若しくはアルミニウム合金を用いることができる。
本発明の第１の実施形態の荷電粒子放射装置の概略構成を示す部分断面図である。 本発明の第２の実施形態のＸ線発生装置の概略構成を示す部分断面図である。 本発明の第３の実施形態のＸ線発生装置の概略構成を示す部分断面図である。 本発明の第１の実施例の荷電粒子放射装置の概略構成を示す図である。 本発明の第１の実施例における検出電位の推移を表す図である。 本発明の第２の実施例のＸ線発生装置の概略構成を示す図である。 本発明の第２の実施例におけるＸ線量計測結果を示す図である。
　以下、本発明の複数の実施形態および実施例について説明する。
　図１は本発明の第１の実施形態の荷電粒子放射装置１の構成を示す模式図である。この荷電粒子放射装置１はヘッド部１０、可撓管部４０及び制御部５０を備えてなる。
　ヘッド部１０は両端に開口を有する円筒形の筐体１１を備え、筐体１１の一端側近傍の内周面には、可撓管部４０と接続するための雌螺子部１２が形成されている。筐体１１の内周において、雌螺子部１２より奥側には、紫外線－電位差発生素子としての焦電体（ＬｉＮｂＯ３単結晶）２０（断面の直径：５ｍｍ）を載置した焦電体保持部材２３が嵌め込まれている。焦電体２０は、焦電体保持部材２３における雌螺子部１２と反対側の面の中央部分に載置されている。焦電体保持部材２３の材質としては、石英ガラス等、紫外線領域波長のレーザを透過可能な材質を用いる。以下、焦電体２０において、焦電体保持部材２３に載置されている側の面を紫外線受光面２１とよぶこととする。焦電体２０において、紫外線受光面２１と反対側の面（荷電粒子放射面２２）にはエッチングにより微細加工を施して、好ましくは表面に針状の突起を形成する。
　筐体１１の先端側、即ち、雌螺子部１２と反対側の内周には、焦電体２０から荷電粒子を引き出すための引出電極１３が嵌め込まれている。引出電極１３はアースされており、引出電極１３には荷電粒子を放射するための荷電粒子放射孔１４が、引出電極１３の中央部分を軸方向に貫通するように設けられている。筐体１１の軸方向における、焦電体２０と引出電極１３との間隔ｄは５００μｍ以下とされている。
　可撓管部４０は、光ファイバ４３を可撓管４１に挿通し、一対のスペーサ４４にて光ファイバ４３の両端部を可撓管４１の両端近傍の内周面に対して固定することにより構成される。光ファイバ４３は紫外線用のものとし、例えばコア部には石英ガラスを用いることができる。可撓管部４０の先端部側の外周面は雄螺子部４５とされ、ヘッド部１０の雌螺子部１２と螺合される。ただし、ヘッド部１０と可撓管部４０の結合方法は螺合に限定されず、嵌合または、接着剤による接着でも良く、これらの方法を適宜組み合せても良い。
　光ファイバ４３は、ヘッド部１０側の端部が、焦電体保持部材２３における焦電体２０の載置側と反対側の面に対向するよう配設される。これにより、光ファイバ４３のヘッド部１０側の端部が、焦電体保持部材２３を挟んで焦電体２０の紫外線受光面２１と対向する。
　制御部５０は紫外線レーザ発生装置５１及びそのドライバ５２を備える。符号５５はドライバ５２を制御する制御装置である。紫外線レーザ発生装置５１の光放出部は可撓管部４０の基端の光ファイバ４３の一端に対向し、この光ファイバ４３の一端へ紫外線レーザを入射する。
　レーザ発生装置から焦電体へ紫外線レーザ光を直接照射可能であれば、この光ファイバは省略可能である。
　紫外線レーザ発生装置５１としてはＹＡＧパルスレーザ発振機を用いることができ、ドライバ５２によりその出力が制限されている。紫外線レーザの波長は焦電体２０の活性化（即ち、当該焦電体２０から荷電粒子を放出させること）が可能であれば特に制限されるものではないが、焦電体２０の透過波長より短いことが好ましい。紫外線レーザの波長は３００ｎｍ以下とすることが好ましい。かかる短波長の紫外線はその殆どが焦電体最表面に吸収されるので高いエネルギー変換効率を確保できるからである。III族窒化物系化合物半導体からなる紫外線発生レーザダイオード若しくは発光ダイオードを用いることもできる。より高出力が必要な場合はエキシマレーザ発振機を用いることが好ましい。本実施形態のＹＡＧパルスレーザ発振機の定格は波長：約２５０ｎｍ、パルス幅：１００μｍ、最大出力：約３５０ｍＪである。
　紫外線レーザを焦電体へ照射したとき、次の理由により、焦電体に電位が発生すると考えられる。
　焦電体などの強誘電体は、に示すように電気双極子が一方に揃えられている。焦電体の焦電効果は、焦電体の結晶内部の自発分極が増減し、表面吸着電荷がその変化に追随できなくなって、電気的な中和が破られ、もって表面から電荷が放出されるという特性を有している。代表的な異極像結晶体としては、ＬｉＮｂＯ３単結晶があり、この結晶体内では正電荷（Ｌｉ＋、Ｎｂ５＋）の重心と負電荷（Ｏ２－）の重心とが一致しないため、定常状態でも分極していて、この電荷量と等量で異符号の電荷が結晶表面に吸着しているために、常時は電気的に中和されている。
　これに対し、本発明では、焦電体を全く透過できない、紫外線領域のレーザを焦電体へ照射する。紫外線レーザのエネルギーは焦電体の表面に存在する電子を励起し、移動しやすくする。紫外線レーザを焦電体へ照射してもその温度が殆ど上昇しない実験事実から、紫外線レーザのエネルギーの殆どは電子の励起につかわれたものと考えられる。
　励起された電子は、電気双極子から離れることが可能になる。したがって、焦電体において電気双極子の負極側へ紫外線レーザを照射すると、その電子密度が小さなる。換言すれば、その電気双極子の負電荷がプラス側に傾く。
　電気双極子の一方の負電荷の電荷量が変化（小さくなると）すると、安定化のため他方の正電荷の電荷量も変化（小さくなる）する。このとき、正電荷の一部は隣り合う電気双極子へ移動し、その負電荷の電荷量を変化させる。電気双極子においてかかる電荷の変化が順次伝搬し、紫外線レーザ照射面と反対側の面の電気双極子までその影響が及ぶと、その電気双極子の正電荷の減量に応じて、当該反対側の面から電子が離れる。
　なお、本発明者の検討によれば、焦電体において電気双極子の正極側の面へ紫外線レーザを照射したときは、その負極側の面へ紫外線レーザを照射したときに比べて、焦電体に発生する電位差は小さかった。
　図２に、本発明の第２の実施形態を示す。第２の実施形態は、本発明の荷電粒子放射装置を電子線放射装置として利用し、これをＸ線発生装置６０に適用するものである。なお、図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
　図２のＸ線発生装置６０において、筐体１１は、その先端側に孔部を有しており、当該孔部にはＸ線透過窓１５が嵌め込まれている。また、Ｘ線発生装置６０は、Ｘ線発生素子として銅片２５を有する。銅片２５は、一端面側が焦電体２０の荷電粒子放射面２２と対向し、他端面がＸ線透過窓１５と接するように、筐体１１内に配置される。
　焦電体２０の荷電粒子放射面２２と、銅片２５の一端面との間の筐体１１の軸方向における間隔は、５００μｍ以下とされている。また、銅片２５はアースされている。
　焦電体保持部材２３およびスペーサ４４にはそれぞれ開口２４、４６が設けられており、これによって焦電体２０の雰囲気は大気圧とされている。
　図２の実施形態においても、光ファイバ４３の他端は、焦電体保持部材２３を挟んで焦電体２０の紫外線受光面２１に対向している。そのため、紫外線レーザ発生装置５１から光ファイバ４３の一端に入射した紫外線レーザは、光ファイバ４３の内部を伝搬した後、光ファイバ４３の他端から放出され、焦電体保持部材２３を透過して焦電体２０の紫外線受光面２１に照射される。これにより焦電体２０が活性化し、紫外線受光面２１と反対側の荷電粒子放射面２２から電子等の荷電粒子が放射される。放射された電子線は銅片２５に誘引されることにより銅片２５に照射される。電子線の照射を受けた銅片２５は、Ｘ線透過窓１５を通じて、Ｘ線発生装置６０の外部へ向かってＸ線を放出する。
　図３に本発明の第３の実施形態のＸ線発生装置７０を示す。図１、２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
　図２と異なり、図３の装置７０では筐体１１内の焦電体２０が配置される空間２６が密閉されている。空間２６は略大気圧とされており、空間２６の内部には還元ガスとしてのイソプロピルアルコールが充填されている。
　Ｘ線放出の前提として、焦電体２０から銅片２５へ電子が放射されるので、焦電体２０の荷電粒子放射面２２に電子を供給することが重要となる。このためには、荷電粒子放射面２２に水素結合を持たせることが重要となり、そこで還元性を有するイソプロピルアルコールは電子供給源となる。還元性を持つ他のアルコール類や水素ガスを還元性ガスとして用いることができる。
　焦電体２０の荷電粒子放射面２２に水素結合を持たせる必要上、焦電体２０の電子線放出機能を再生する時にはレーザを停止して、荷電粒子放射面２２を非活性化する。
　上記図１乃至図３の例において、ヘッド部１０を取り外し可能とする場合は、ヘッド部１０のみをディスポーザブルタイプとすることができる。ヘッド部１０と可撓管部４０を別体とせず、一体構造としてもよい。
　図４に本発明の実施例１を示す。図４に示す装置は、本発明者が行った荷電粒子放射実験に用いた実験装置である。
　図４の実験装置において、レーザ装置１０８（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置）から紫外線レーザ光（波長：２６６ｎｍ）が放出されると、ステンレス板（ＳＵＳ３０４）１０１に開けられた窓及び石英ガラス１０３を通して、石英ガラス１０３に載置された焦電体（ＬｉＮｂＯ３）１００に対して紫外線レーザ光が照射される。本実施例では、紫外線レーザ光を伝搬するための光ファイバは用いず、レーザ装置１０８から石英ガラス１０３に対して直接に紫外線レーザ光を照射する構成としている。
　紫外線レーザ光の照射により、焦電体１００から、対向するターゲット（ＳＵＳ３０４）１０４に対して荷電粒子が放射される。ターゲット１０４はアースされており、アース配線上に抵抗（１ＧΩ）１０５が配置されている。この抵抗１０５を用いることによって、ターゲット１０４に放射される荷電粒子の量を、アース配線を流れる電流として把握することができる。詳しくは、抵抗１０５の両端の電位差（即ち、点Ａの電位）を電圧計１０６で検出する。即ち、抵抗１０５を流れる電流を電圧変換することにより検出している。焦電体１００とターゲット１０４の間の間隔は５００μｍ以下とした。
　焦電体は、異極像結晶とも呼ばれ、その温度を昇降させると、結晶内部の自発分極が増減し、表面吸着電荷がその変化に追随できなくなって、電気的な中和が破られ、もって表面から電荷が放出されるという特性を有している。代表的な異極像結晶体としては、ＬｉＮｂＯ３単結晶があり、この結晶体内では正電荷（Ｌｉ＋、Ｎｂ５＋）の重心と負電荷（Ｏ２－）の重心とが一致しないため、定常状態でも分極していて、この電荷量と等量で異符号の電荷が結晶表面に吸着しているために、常時は電気的に中和されている。
　本発明者らは、このような焦電体の温度の昇降による方法ではなく、制御された紫外線レーザを焦電体に照射することによっても、結晶内部の自発分極を増減させられることを見出した。この現象を、図４に加えて図５も用いて説明する。
　図５は、レーザ装置１０８からの紫外線レーザ光の照射のオン・オフを繰り返した場合の、図４中の点Ａにおける電位の推移を、コンピュータ１０７を用いて時間軸上にプロットしたものである。上述したように、電圧値は、ターゲット１０４から抵抗１０５を介して流れる電流値を１ＧΩの抵抗で電圧変換した値である。図５に示されるように、焦電体１００に対する紫外線レーザ光の照射を開始した時点（レーザＯＮ）の直後から電圧値がゼロ以下の値に降下していることが分かる。
　これは、レーザ照射により焦電体１００の内部に電界が発生し、それによって焦電体１００の表面に吸着されていた電子および負電荷を持つ荷電粒子（負電荷粒子）がターゲット１０４に向かって放射された結果、負の電荷が図４中のＩ方向に流れ、つまり電流としてはＩＩ方向に流れたことを表している。その後、時間経過に伴って焦電体表面の負電荷粒子が消費されるに従い、負電荷粒子の放射量も少なくなっていく。これにより、電圧値も最低値を経た後、ゼロに戻っていく。
　その後、レーザ照射を停止すると（レーザＯＦＦ）、電圧値が正の値に振れている。このことは、レーザ光照射の停止により、焦電体１００内の電界が反転し、その結果、焦電体１００表面に吸着されていた正電荷を持つ荷電粒子（正電荷粒子）が放射されたことを示していると考えられる。つまり、焦電体１００表面から放射された正電荷粒子がターゲット板１０４に照射され、その正電荷粒子の流れを図４中のＩ方向の電流として検出したと考えられる。その後、焦電体１００上の正電荷粒子の消費が進行することにより、正電荷粒子の放射量も少なくなっていく。これにより、電圧値は最大値を経た後、ゼロに戻っていく。
　本実験により、焦電体と引出電極との間隔を５００μｍ以下とすることで、大気圧雰囲気中においても、制御された紫外線レーザを焦電体に照射することにより焦電体から荷電粒子の放射がなされることが確認された。
　なお、図４に示す導線１０２は、焦電体１００から放射される荷電粒子と逆の電荷をステンレス板１０１へと逃がす機能を有する。これにより、焦電体１００からの荷電粒子の放射の安定化が図られる。また、石英ガラスとステンレス板１０１との間は絶縁両面テープにより接着されている。ステンレス板１０１は絶縁台上に置かれ、ステンレス板１０１全体としてはアースと絶縁されている。
　図６に本発明の第２の実施例を示す。第２の実施例では、焦電体１００から放射される電子線を銅箔１０９に照射し、それにより銅箔１０９から放出されるＸ線をガイガーミュラー計数管１１０で計測する。銅箔１０９と焦電体１００の間の間隔は５００μｍ以下としている。銅箔１０９は、中央部にＸ線通過孔を有するステンレス板１０８（ＳＵＳ３０４）に取り付けられている。ステンレス板１０８はアースされている。
　ガイガーミュラー計測管１１０によりＸ線量の計測をした結果を、コンピュータ１０７により時間軸上にプロットしたものを図７に示す。これによると、環境のカウント値（つまりノイズ値）が２～３パルス／秒であるところ、紫外線レーザ照射後は５～９パルス／秒という高い値が計測されている。このことから、銅箔１０９と焦電体１００の間の間隔を５００μｍ以下とすれば、焦電体１００に紫外線レーザを照射することにより、大気圧環境下であっても焦電体１００から電子線が放射され、電子線の照射を受けた銅箔１０９からＸ線が放出されることが確認された。
　この発明は、上記発明の実施形態および実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
　上記の各実施形態および各実施例のそれぞれの特徴的構成を、実現可能な範囲で組み合わせても良い。
　この発明のＸ線発生装置により発生されたＸ線は、人体の治療に利用することができる。例えば、食道がん、胃がん、大腸がん、肝臓がん、胆嚢がん、膵臓がん、乳がん、喉頭がん、頭頸部がん、卵巣がん、子宮頸がん、子宮内膜がん、腎細胞がん、膀胱がん、前立腺がん、精巣腫瘍、肺がん、縦隔腫瘍、骨・柔部腫瘍、皮膚がん、悪性黒色腫、脳腫瘍、白血病、悪性リンパ腫等に対する放射線治療として利用できる。
　また、この発明のＸ線発生装置及び電子線発生装置は細型化できるので、カテーテルや内視鏡に組み込むことができる。
　この発明のＸ線発生装置はＸ線の波長がそろっており、また放射角も小さいので、微細材料の表面処理に好適に利用できる。この発明の電子線発生装置も材料の表面処理に適用可能である。
　この発明のＸ線発生装置を非破壊検査装置若しくは医療用観察装置のＸ線原として利用できる。
１　荷電粒子放射装置
１０　ヘッド部
１３　引出電極
１５　Ｘ線透過窓
２０、１００　焦電体（紫外線－電位差発生素子）
２５、１０９　銅片（金属片）
４３　光ファイバ（紫外線用ファイバ）
５１、１０８　紫外線レーザ発振機
６０、７０　Ｘ線発生装置

Claims (8)

  1. 　紫外線レーザを受光して電位差を発生させる紫外線－電位差発生素子であって、紫外線受光面と荷電粒子放射面とを備える紫外線－電位差発生素子と、
    　該紫外線－電位差発生素子の荷電粒子放射面に対向して５００μｍ以下の間隔をとって配置される引出し電極と、
    　を備える荷電粒子放射装置。
  2. 　前記紫外線－電位差発生素子と前記引出し電極の雰囲気が大気圧である、請求項１に記載の荷電粒子放射装置。
  3. 　前記紫外線－電位差発生素子が配設される雰囲気が還元ガスを含有する、請求項１または２に記載の荷電粒子放射装置。
  4. 　紫外線レーザを受光して電位差を発生させる紫外線－電位差発生素子であって、紫外線受光面と荷電粒子放射面とを備える紫外線－電位差発生素子と、
    　該紫外線－電位差発生素子の荷電粒子放射面に対向して５００μｍ以下の間隔をとって配置される金属片であって、前記紫外線－電位差発生素子から放射される荷電粒子からなる電子線の照射によりＸ線を放出する金属片と、
    　を備えるＸ線発生装置。
  5. 　前記紫外線－電位差発生素子と前記金属片との間の気圧が大気圧である、請求項４に記載のＸ線発生装置。
  6. 　前記紫外線－電位差発生素子が配設される雰囲気が還元ガスを含有する、請求項４または５に記載のＸ線発生装置。
    　
  7. 　前記紫外線―電位発生素子は強誘電体であり、該強誘電体の負極面側に前記紫外線レーザが照射される、請求項１～３のいずれかに記載の荷電粒子放射装置。
  8. 　前記紫外線―電位発生素子は強誘電体であり、該強誘電体の負極面側に前記紫外線レーザが照射される、請求項４～６のいずれかに記載のＸ線発生装置。
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