JP4998786B2

JP4998786B2 - Ｘ線発生装置用のレーザ導入兼ｘ線取出機構

Info

Publication number: JP4998786B2
Application number: JP2007175185A
Authority: JP
Inventors: 大典石田; 裕之野瀬; 七三雄金子; 康雄酒井; 充上坂; 文人坂本; 克広土橋
Original assignee: IHI Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: IHI Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2027-07-03
Also published as: JP2009016120A

Description

本発明は、レーザ光を導入し逆コンプトン散乱により発生したＸ線を取り出すＸ線発生装置用のレーザ導入兼Ｘ線取出機構に関する。

小型の装置でＸ線を発生させる手段として、電子ビームとレーザ光の衝突によって逆コンプトン散乱に起因する準単色Ｘ線を得る手段が知られている（例えば、非特許文献１）。
また、逆コンプトン散乱により発生するＸ線の取出し手段が、特許文献１、２に既に開示されている。

非特許文献１の「小型Ｘ線発生装置」は、図３に示すように、小型の加速器６１（Ｘバンド加速管）で加速された電子ビーム６２をレーザ６３と衝突させてＸ線６４を発生させるものである。ＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）電子銃６５（熱ＲＦガン）で生成された電子ビーム６２はＸバンド加速管６１で加速され、パルスレーザ光６３と衝突し、コンプトン散乱により、時間幅１０ｎｓの硬Ｘ線６４が生成される。
この装置は、一般に線形加速器で用いられるＳバンド（２．８５６ＧＨｚ）の４倍の周波数にあたるＸバンド（１１．４２４ＧＨｚ）をＲＦとして用いて小型化を図っており、例えばＸ線強度（光子数）：約１×１０^９ｐｈｏｔｏｎｓ／ｓ、パルス幅：約１０ｐｓの強力な硬Ｘ線の発生が予測されている。

特許文献１の「マルチパスレーザ逆コンプトン散乱発生器」は、大掛かりな装置や複雑な調整を必要とすることなく、また、レーザの動作が連続、パルスの如何を問わず簡便にレーザ逆コンプトン光の収量を増大させることを目的とする。
そのため、この発明の装置は、図４に示すように、マルチパスセルには、偏向電磁石７１を用いて電子ビームを導入させ、マルチパスセルの二枚の凹面鏡７８、７９は、その曲率を適当に選択することによって、電子軌道上に焦点を設定し、かつ、入射したレーザが何度も電子軌道を横切るようにすることで、電子ビームの軌道をレーザとを交差させて、レーザ逆コンプトン散乱光７２を発生可能とするものである。

特許文献２の「多色Ｘ線発生装置」は、複数（２種または３種以上）の単色硬Ｘ線を、血管が動いていないとみなせる程度の短い時間間隔で順次切り換えて発生することができ、かつ血管造影等に適用可能な強力なＸ線を発生させることを目的とする。
そのため、この発明の装置は、図５に示すように、電子ビームを加速してパルス電子ビーム８１を発生し所定の直線軌道８２を通過させる電子ビーム発生装置８５と、波長の異なる複数のパルスレーザ光８３ａ，８３ｂを順次発生する複合レーザ発生装置８６と、複数のパルスレーザ光を直線軌道８２上にパルス電子ビーム８１に対向して導入するレーザ光導入装置８７とを備え、複数のパルスレーザ光８３ａ，８３ｂを直線軌道８２上でパルス電子ビーム８１に順次正面衝突させ、２種以上の単色硬Ｘ線８４（８４ａ，８４ｂ）を発生させるものである。

土橋克広、他、「Ｘバンドリニアックを用いた小型硬Ｘ線源の開発」、第２７回リニアック技術研究会、２００２

特開２００２−２３７６４２号公報、「マルチパスレーザ逆コンプトン散乱発生器」特開２００６−３１８７４６号公報、「多色Ｘ線発生装置」

電子ビームとレーザ光との衝突によるコンプトン散乱を利用したＸ線発生装置では、電子ビームと衝突させるためのレーザ光を導入する機構と、発生したＸ線を取出す機構が必要となる。
従来は、電子ビームのビームチャンバ（真空室）にレーザ光を導入するレーザチャンバを取り付けている場合が多く、Ｘ線の取出しのため、ビームチャンバあるいはレーザチャンバにＸ線取出し窓を設けている。しかし、このＸ線取出し窓に、レーザ光が透過できるガラス（ＳｉＯ_２）を用いた場合、Ｘ線の透過率が低くＸ線の減衰が大きい問題点があった。

また特にＸ線発生効率の高いレーザ光と電子ビームを正面衝突させるシステムにおいて、レーザ導入ミラーには耐熱性の高いＢＫ７が一般に用いられている。しかしＢＫ７のＸ線の透過率は低く、Ｘ線がさらに減衰する問題点があった。
またこの減衰を回避するため、レーザ導入ミラーの中心に開口（孔）を設け、Ｘ線をミラーの開口から取出す手段も提案されている。しかし、この手段では、Ｘ線自体の発生量が開口で制限され、かつレーザ光の導入時の損失も大きい問題点がある。

すなわち、従来の形態ではＸ線の損失を抑えるためにＸ線自体の発生量を犠牲にするレーザ光の導入形態や、レーザ光と電子ビームの完全衝突を実現できないＸ線取出し形態およびレーザ導入形態、Ｘ線を取出すときにレーザ光を導入するミラーによるＸ線の減衰等の問題があった。

また、従来のＸ線発生装置では、電子ビームとレーザ光との衝突点におけるレーザ光のプロファイルを運転中に計測することができないため、電子ビームと正確に衝突させるのが困難であった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、電子ビームとレーザ光の正面衝突が実現でき、かつ衝突点におけるレーザ光のプロファイルを運転中に計測することができ、これにより、衝突確率が高くＸ線の発生出力を高めることができ、かつ衝突点で発生したＸ線をレーザ光の導入方向から効率よく取出すことができるＸ線発生装置用のレーザ導入兼Ｘ線取出機構を提供することにある。

本発明によれば、電子ビームとパルスレーザ光とを正面衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線を発生させるＸ線発生装置用のレーザ導入兼Ｘ線取出機構であって、
レーザ光を電子ビームとの衝突点に向けて反射するレーザ導入ミラーと、
該レーザ導入ミラーを気密に囲みかつ電子ビームの通過するビームチャンバと連通するレーザチャンバと、
前記ビームチャンバとレーザチャンバとの間を気密に開閉可能な真空バルブと、
衝突点で発生し前記レーザ導入ミラーを透過したＸ線をレーザチャンバから取出すＸ線取出し窓と、
前記レーザ導入ミラーを透過したレーザ光のプロファイルを運転中に計測するプロファイル検出装置とを備え、
前記Ｘ線取出し窓は、ベリリウム膜をロウ付けした気密窓であり、
さらに、レーザチャンバの排気時にＸ線取出し窓のベリリウム膜に生じる最大応力が、２００Ｎ／ｍｍ ^２未満になるようにレーザチャンバ内の圧力変化を制御する圧力制御装置を備える、ことを特徴とするＸ線発生装置用のレーザ導入兼Ｘ線取出機構が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記プロファイル検出装置からレーザ導入ミラーまでの透過光軸上の距離は、衝突点からレーザ導入ミラーまでの反射光軸上の距離に等しい。

また、前記レーザ導入ミラーは、厚さ３ｍｍ以下のＸ線の減衰度合いの低い材料で構成された板の表面にレーザ光を所定の透過率で反射する反射膜をコーティングしたハーフミラーである。

また、前記Ｘ線取出し窓のベリリウム膜は、純度９８％以上、厚さ１００〜５００μｍ、直径がその位置でのＸ線の最大径以下である、ことが好ましい。

本発明の構成によれば、レーザ導入ミラーにより、レーザ光を電子ビームとの衝突点に向けて反射するので、電子ビームとレーザ光の正面衝突が実現できる。

また、レーザ導入ミラーを透過したレーザ光のプロファイルを運転中に計測するプロファイル検出装置を備えるので、衝突点におけるレーザ光のプロファイルを運転中に計測することができ、これにより、衝突確率が高くＸ線の発生出力を高めることができる。

さらに、衝突点で発生しレーザ導入ミラーを透過したＸ線をレーザチャンバから取出すＸ線取出し窓を備え、好ましい実施例によればレーザ導入ミラーは、厚さ３ｍｍ以下のＸ線の減衰度合いの低い材料で構成された板の表面にレーザ光を所定の透過率で反射する反射膜をコーティングしたハーフミラーであり、Ｘ線取出し窓は、ベリリウム膜をロウ付けした気密窓であるので、ガラス（ＳｉＯ_２）や耐熱性の高いＢＫ７と比較してＸ線の透過率が高く、衝突点で発生したＸ線をレーザ光の導入方向から効率よく取出すことができる。

従って本発明により電子ビームとレーザ光の効率良い衝突形態において、導入するレーザ光のエネルギー密度を高めると同時に、衝突によって発生したＸ線の減衰を抑えることができるため、効率良くＸ線を取出すことが可能となる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明によるレーザ導入兼Ｘ線取出機構を備えたＸ線発生装置の全体構成図である。
このＸ線発生装置は、電子ビーム発生装置１０、レーザ光周回装置２０およびレーザ発生装置２９を備え、電子ビーム１とパルスレーザ光３とを衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線４を発生させる装置である。

電子ビーム発生装置１０は、電子ビームを加速してパルス電子ビーム１を発生し所定の直線軌道２を通過させる機能を有する。
この例において、電子ビーム発生装置１０は、ＲＦ電子銃１１、α‐磁石１２、加速管１３、ベンディング磁石１４、Ｑ−磁石１５、減速管１６、およびビームダンプ１７を備える。

ＲＦ電子銃１１と加速管１３は、Ｘバンド（１１．４２４ＧＨｚ）の高周波電源１８により駆動される。ＲＦ電子銃１１から引き出された電子ビームは、α‐磁石１２により軌道を変えて加速管１３に入射する。加速管１３は、小型のＸバンド加速管であり、電子ビームを加速し、好ましくは約５０ＭｅＶ前後の高エネルギーの電子ビームを形成する。この電子ビームは、例えば約１μｓ前後のパルス電子ビーム１である。

ベンディング磁石１４は、パルス電子ビーム１の軌道を磁場で曲げて所定の直線軌道２を通過させ、通過後のパルス電子ビーム１をビームダンプ１７まで導く。Ｑ−磁石１５はパルス電子ビーム１の収束具合を調整する。減速管１６は、パルス電子ビーム１を減速する。ビームダンプ１７は、直線軌道２を通過した後のパルス電子ビーム１を捕捉して、放射線の漏洩を防止する。

同期装置１９は、電子ビーム発生装置１０とレーザ発生装置２９の同期をとり、パルス電子ビーム１のタイミングとパルスレーザ光３とのタイミングを合わせ、パルス電子ビーム１とパルスレーザ光３が所定の直線軌道２上の衝突点２ａで衝突するように制御する。

上述した電子ビーム発生装置１０により、例えば、約５０ＭｅＶ前後、約１μｓ前後のパルス電子ビーム１を発生し、これを所定の直線軌道２を通過させることができる。

レーザ光周回装置２０は、パルスレーザ光３（ｐ偏光）を外部のレーザ発生装置２９から偏光ビームスプリッタ２２を介して周回路５内に導入し、このパルスレーザ光３を周回する周回路５内に閉じ込めて、周回路内の衝突点２ａを繰り返し通過させるようになっている。

この図において、レーザ光周回装置２０は、偏光ビームスプリッタ２２、複数（この図で３枚）の反射ミラー２４，２５，３２、ポッケルスセル２６、および制御装置（図示せず）を備える。

偏光ビームスプリッタ２２は、第１直線偏光３ａ（ｐ偏光）をそのまま通し、これに直交する第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）を直角に反射する。
３枚の反射ミラー２４，２５，３２は、偏光ビームスプリッタ２２を出たパルスレーザ光３を複数回（この例では３回）反射して、偏光ビームスプリッタ２２に周回させ周回路５を構成する。なお、レーザ導出窓３１ｃは、衝突点２ａを通過したＸ線３を反射ミラー２５に導く窓であり、レーザの透過率の高いガラスで気密にビームチャンバ１ａ（後述する）に取り付けられている。

ポッケルスセル２６は、周回路５内の偏光ビームスプリッタ２２の下流側に位置し、電圧の印加時に通過する偏光の偏光方向を９０度回転する。ポッケルスセルは、光ビームの偏光方向を素早くスイッチングできる非線形光学結晶である。
制御装置（図示せず）は、偏光ビームスプリッタ２２に周回して入るパルスレーザ光３が常に第２直線偏光３ｂ（Ｓ偏光）となるようにポッケルスセル２４を制御する。

なお、レーザ光周回装置２０の構成は、上述した例に限定されず、その他の構成でもよい。
また、本発明において、レーザ光周回装置２０は不可欠ではなく、反射ミラー３２で反射してＸ線３を衝突点２ａに向けて反射できる限りで、レーザ光周回装置２０を省略することができる。

図２は、本発明のレーザ導入兼Ｘ線取出機構の実施形態図である。この図において、１ａは電子ビーム１の通過するビームチャンバ、１４はベンディング磁石であり、電子ビームを加速してパルス電子ビーム１を発生し、この図で上向きに所定の直線軌道２を通過させるようになっている。

本発明のレーザ導入兼Ｘ線取出機構３０は、電子ビーム１とパルスレーザ光３とを正面衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線４を発生させるＸ線発生装置用のレーザ導入兼Ｘ線取出機構である。

この図において、本発明のレーザ導入兼Ｘ線取出機構３０は、レーザ導入ミラー３２、レーザチャンバ３４、真空バルブ３６、Ｘ線取出し窓３８、プロファイル検出装置４０、および圧力制御装置４２を備える。

レーザ導入ミラー３２は、上述した周回路５を構成する反射ミラーの１つであり、レーザ光３をレーザ導入窓３１ａから導入し、電子ビーム１との衝突点２ａに向けて反射する。レーザ導入窓３１ａは、レーザの透過率の高いガラスで気密にレーザチャンバ３４に取り付けられている。

レーザ導入ミラー３２は、ベリリウム板の表面にレーザ光を所定の透過率で反射する反射膜（例えばＡｇ，Ａｌ）をコーティングしたハーフミラーである。ベリリウムはＸ線の透過性が高く、厚さ０．５ｍｍの４５°配向の場合、２０ｋｅＶのＸ線の透過率は、ＢＫ７では約５３％、石英では約６９％であるのに対し、ベリリウムでは、約９７％である。また、厚さ３ｍｍの４５°配向の場合、２０ｋｅＶのＸ線の透過率は、ベリリウムでは、約８８％である。従って、ベリリウムを用いることにより、Ｘ線取り出し時のレーザ導入ミラー３２によるＸ線の損失を大幅に低減できる。

反射膜の透過率は、例えば１〜２％であり、プロファイル検出装置４０が検出できる限りで小さく設定する。反射膜を構成する金属（例えばＡｇ，Ａｌ）は、Ｘ線の透過率が低いが、反射膜をミクロンオーダー以下の厚さと非常に薄くすることで、Ｘ線の損失をできる限り低減する。

レーザチャンバ３４は、レーザ導入ミラー３２を気密に囲み、かつ電子ビームの通過するビームチャンバ１ａと連通する真空チャンバである。なお、レーザ検出窓３１ｂは、反射膜を透過したＸ線３ａをプロファイル検出装置４０に導く窓であり、レーザの透過率の高いガラスで気密にレーザチャンバ３４に取り付けられている。

真空バルブ３６は、例えば真空ゲートバルブであり、ビームチャンバ１ａとレーザチャンバ３４との間を気密に開閉可能に構成されている。この真空バルブ３６を閉じることにより、レーザチャンバ３４をビームチャンバ１ａから遮断することができ、ビームチャンバ１ａに影響を与えることなく、内部の圧力を変化させ、かつ開放してメンテナンス等ができる。

Ｘ線取出し窓３８は、レーザチャンバ３４の衝突点と反対側に気密に取り付けられ、衝突点２ａで発生し、レーザ導入ミラー３２を透過したＸ線４をレーザチャンバ３４から取出す機能を有する。

Ｘ線取出し窓３８は、ベリリウム膜をロウ付けした気密窓であるのがよい。ロウ付けにより、有機材料の使用を回避し、レーザチャンバ３４内の真空度を高めることができる。また、ベリリウム膜を用いることで、Ｘ線の透過率を高めることができる。

また、Ｘ線取出し窓のベリリウム膜は、純度９８％以上、厚さ１００〜５００μｍ、直径がその位置でのＸ線の最大径以下である、ことが好ましい。
純度９８％以上であれば、例えば２０ｋｅＶのＸ線の透過率は厚さ２ｍｍでも約９２％あり、純度９９％との差は約０．６％に過ぎない。従って、純度９８％以上であれば透過率は、十分である。

Ｘ線取出し窓３８のこの位置でのＸ線の最大幅は約３５ｍｍであるが、厚さ１００μｍのベリリウム膜のろう付けで歪や撓みが生じない開口径は約３０ｍｍである。従って、厚さ１００μｍのベリリウム膜の直径は３０ｍｍ以下にする必要がある。

Ｘ線取出し窓の厚さ１００μｍのベリリウム膜に生じる最大応力が、２００Ｎ／ｍｍ^２を超えると、レーザチャンバ３４内の圧力を瞬間的な圧力差（例えば８０ｋＰａ）を超えないようにスロー排気する必要がある。しかし、純度９８％以上、厚さ３００〜５００μｍ、直径３０ｍｍ以下であれば、最大応力が２００Ｎ／ｍｍ^２未満となり、スロー排気制御を回避することができる。

プロファイル検出装置４０は、レーザ導入ミラー３２を透過したレーザ光３のプロファイルを運転中に計測する機能を有する。このプロファイル検出装置４０からレーザ導入ミラー３２までの透過光軸上の距離は、衝突点２ａからレーザ導入ミラー３２までの反射光軸上の距離に等しく設定されている。
この構成により、衝突点におけるレーザ光３のプロファイルを運転中に計測することができる。

圧力制御装置４２は、Ｘ線取出し窓３８のベリリウム膜に生じる最大応力が、２００Ｎ／ｍｍ^２未満になるようにレーザチャンバ３４内の圧力変化を制御する。
従って、スロー排気により、レーザチャンバ３４内の圧力を瞬間的な圧力差（例えば８０ｋＰａ）を超えないように常に制御でき、ベリリウム膜の破損を防止することができる。
なお、圧力制御装置４２は不可欠ではなく、これを使用せずに、スロー排気し、あるは、ベリリウム膜の破損を防止できる限りで、スロー排気自体をしなくてもよい。

上述した本発明の構成によれば、レーザ導入ミラー３２により、レーザ光３を電子ビーム１との衝突点２ａに向けて反射するので、電子ビームとレーザ光の正面衝突が実現できる。

また、レーザ導入ミラー３２を透過したレーザ光３ａのプロファイルを運転中に計測するプロファイル検出装置４０を備えるので、衝突点２ａにおけるレーザ光３のプロファイルを運転中に計測することができ、これにより、衝突確率が高くＸ線の発生出力を高めることができる。

さらに、衝突点２ａで発生しレーザ導入ミラー３２を透過したＸ線４をレーザチャンバ３４から取出すＸ線取出し窓３８を備え、レーザ導入ミラー３２が、厚さ３ｍｍ以下のＸ線の減衰度合いの低い材料で構成された板の表面にレーザ光を所定の透過率で反射する反射膜をコーティングしたハーフミラーであり、Ｘ線取出し窓３８が、ベリリウム膜をロウ付けした気密窓である構成により、ガラス（ＳｉＯ_２）や耐熱性の高いＢＫ７と比較してＸ線の透過率が高く、衝突点で発生したＸ線をレーザ光の導入方向から効率よく取出すことができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明によるレーザ導入兼Ｘ線取出機構を備えたＸ線発生装置の全体構成図である。本発明のレーザ導入兼Ｘ線取出機構の実施形態図である。非特許文献１の「小型Ｘ線発生装置」の構成図である。特許文献１の「マルチパスレーザ逆コンプトン散乱発生器」の模式図である。特許文献２の「多色Ｘ線発生装置」の構成図である。

符号の説明

１パルス電子ビーム、１ａビームチャンバ、
２直線軌道、２ａ衝突点、
３パルスレーザ光、４Ｘ線、５周回路、
１０電子ビーム発生装置、１１ＲＦ電子銃、
１２ α‐磁石、１３加速管、１４ベンディング磁石、
１５Ｑ−磁石、１６減速管、１７ビームダンプ、
２０レーザ光周回装置、２２偏光ビームスプリッタ、
２４反射ミラー、２６ポッケルスセル、
２９レーザ発生装置、
３０レーザ導入兼Ｘ線取出機構、
３２レーザ導入ミラー、３４レーザチャンバ、
３６真空バルブ、３８Ｘ線取出し窓、
４０プロファイル検出装置、４２圧力制御装置

Claims

電子ビームとパルスレーザ光とを正面衝突させて逆コンプトン散乱によりＸ線を発生させるＸ線発生装置用のレーザ導入兼Ｘ線取出機構であって、
レーザ光を電子ビームとの衝突点に向けて反射するレーザ導入ミラーと、
該レーザ導入ミラーを気密に囲みかつ電子ビームの通過するビームチャンバと連通するレーザチャンバと、
前記ビームチャンバとレーザチャンバとの間を気密に開閉可能な真空バルブと、
衝突点で発生し前記レーザ導入ミラーを透過したＸ線をレーザチャンバから取出すＸ線取出し窓と、
前記レーザ導入ミラーを透過したレーザ光のプロファイルを運転中に計測するプロファイル検出装置とを備え、
前記Ｘ線取出し窓は、ベリリウム膜をロウ付けした気密窓であり、
さらに、レーザチャンバの排気時にＸ線取出し窓のベリリウム膜に生じる最大応力が、２００Ｎ／ｍｍ ^２未満になるようにレーザチャンバ内の圧力変化を制御する圧力制御装置を備える、ことを特徴とするＸ線発生装置用のレーザ導入兼Ｘ線取出機構。
前記プロファイル検出装置からレーザ導入ミラーまでの透過光軸上の距離は、衝突点からレーザ導入ミラーまでの反射光軸上の距離に等しい、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ導入兼Ｘ線取出機構。
前記レーザ導入ミラーは、厚さ３ｍｍ以下のＸ線の減衰度合いの低い材料で構成された板の表面にレーザ光を所定の透過率で反射する反射膜をコーティングしたハーフミラーであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ導入兼Ｘ線取出機構。
前記Ｘ線取出し窓のベリリウム膜は、純度９８％以上、厚さ３００〜５００μｍ、直径がその位置でのＸ線の最大径以下である、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ導入兼Ｘ線取出機構。