(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中においてレーザ光源から発光されたレーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光に分光するステップと、
第１レーザ光にガスターゲットを投射し、電子を加速させるプラズマを発生するステップと、
第１レーザ光を利用して加速された電子ビームと第２レーザ光とを、投射されたガスターゲットによってガス密度が他の真空領域よりも高密度である高密度領域の境界面より外側に設定される所定の位置で衝突させてX線を発生させるステップと、
を備えることを特徴とするX線発生方法。
【請求項２】
前記所定の位置は、前記境界面と前記境界面から第２レーザ光の上流側５ｍｍの間に設定されることを特徴とする請求項１に記載のX線発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ光を利用して電子を加速し、Ｘ線を発生するＸ線発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高出力のフェムト秒レーザの実現により、レーザ光を用いた電子加速の研究が進められている。これとは別に、レーザ逆コンプトンを利用する技術も研究されている（例えば、特許文献１参照）。逆コンプトン散乱とは、高エネルギーの電子に波長の短い光をあてると、電子のエネルギーが光に渡されて光の波長が短くなり、Ｘ線となって散乱される現象である。
【０００３】
これらの技術を合わせ、近年、フェムト秒レーザを利用して逆コンプトン散乱によりＸ線を発生させるＸ線発生装置も研究されている。このＸ線発生装置は、フェムト秒レーザが発光する電子加速用のレーザ光にガスターゲットを投射して発生するプラズマにより加速電子を生成し、電子ビームとなったこの加速電子に衝突用のレーザ光を衝突させて逆コンプトン散乱によるＸ線（逆コンプトン散乱Ｘ線）を発生させる。加速電子の生成にフェムト秒レーザを利用した場合、従来の電子加速器と比較して電子加速の機構を小型化することができるため、Ｘ線発生装置全体としても小型化することができる。
【０００４】
このようなＸ線発生装置では、電子ビーム（加速電子）と衝突用のレーザ光の衝突点は、ガスターゲット内にあるのが一般的である。しかしながら、レーザ光のエネルギーがガスプラズマ化の際に消費され、また、生成されるプラズマにより衝突用のレーザ光の光吸収が促進されることで、衝突用のレーザ光のエネルギーが減衰し、逆コンプトン散乱Ｘ線の発生量が低下する問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３４５５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、従来のＸ線発生装置では、フェムト秒レーザを利用して電子を加速した場合、衝突用のレーザ光の減衰により、Ｘ線の発生効率が低くなる問題があった。
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明は、電子ビームとレーザ光との衝突点をガスターゲットの位置関係に応じて最適に設定し、レーザ光の減衰を防止することで、Ｘ線の発生効率を向上することのできるＸ線発生方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、真空中においてレーザ光源から発光されたレーザ光を第１レーザ光と第２レーザ光に分光するステップと、第１レーザ光にガスターゲットを投射し、電子を加速させるプラズマを発生するステップと、第１レーザ光を利用して加速された電子ビームと第２レーザ光とを、投射されたガスターゲットによってガス密度が他の真空領域よりも高密度である高密度領域の境界面より外側に設定される所定の位置で衝突させてX線を発生させるステップとを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２の発明は、前記所定の位置は、前記境界面と前記境界面から第２レーザ光の上流側５ｍｍの間に設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電子ビームとレーザ光との衝突点をガスターゲットの位置関係に応じて最適に設定し、レーザ光の減衰を防止することで、Ｘ線の発生効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るＸ線発生方法を利用するＸ線発生装置の構成を説明する図である。
【図２】本発明のＸ線発生方法における電子とレーザ光の衝突の一例を説明する図である。
【図３】本発明のＸ線発生方法における電子とレーザ光の衝突の他の例を説明する図である。
【図４】本発明のＸ線発生の際のレーザ光の減衰を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照して、本発明の実施形態に係るＸ線発生方法を利用してＸ線を発生するＸ線発生装置の一例について説明する。本発明に係るＸ線発生方法では、電子を加速させる電子加速用のレーザ光にガスターゲットを投射することで電子を加速して電子ビームを生成し、この電子ビームに衝突用のレーザ光を衝突させて逆コンプトン散乱によるＸ線（逆コンプトン散乱Ｘ線）を発生させる。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、本発明にかかるＸ線発生方法を利用するＸ線発生装置１は、レーザ光２０を発生するレーザ光源１０と、真空である照射チャンバー（図示せず）内でレーザ光源１０から発生したレーザ光２０を電子の加速用レーザ光である第１レーザ光２１と電子ビーム（加速電子）に衝突させる衝突用レーザ光である第２レーザ光２２とに分光する分光手段であるビームスプリッタ１１と、ビームスプリッタ１１で分光された第２レーザ光２２の光路である第２光路Ｌ２に設置され、この第２光路Ｌ２の距離を調節する２枚のミラー１２ａ，１２ｂと、第１レーザ光２１を利用して発生した電子ビームと第２レーザ光２２とが衝突する位置を調節する集光手段１３と、２枚のミラー１２ａ，１２ｂや集光手段１３を制御する制御手段１５とを備えている。
【００１５】
また、Ｘ線発生装置１は、図１（ｂ）に示すように、第１レーザ光２１に投射してプラズマを生成して電子を加速させる媒体であるガスターゲット２４を発生するガスターゲット発生手段１６と、第１レーザ光２１、第１レーザ光２１を利用して発生した電子ビーム、第２レーザ光２２、電子ビームと第２レーザ光２２との衝突点２３及びガスターゲット２４を含む範囲に対して光を発光する発光手段１７ａと、発光手段１７ａからの光を受光して電子ビーム及び第２レーザ光２２の衝突点２３と、ガスターゲット２４との位置関係を画像として取得する受光手段１７ｂとを備えている。
【００１６】
なお、図１（ａ）は、Ｘ線発生装置１を第１レーザ光２１の光路である第１光路Ｌ１及び第２レーザ光２２の第２光路Ｌ２に垂直な方向から見た概略図であり、図１（ｂ）は、Ｘ線発生装置１を第１レーザ光２１を利用して発生した電子ビームと第２レーザ光２２の衝突点２３及びガスターゲット２４に垂直な方向から見た概略図である。
【００１７】
このＸ線発生装置１では、第１レーザ光２１にガスターゲット２４が投射されるとプラズマが発生し、電子が加速されて電子ビームとなる。この電子ビームが第２レーザ光２２と衝突すると、逆コンプトン散乱によって逆コンプトン散乱Ｘ線が発生する。図１では、図示を省略しているが、Ｘ線発生装置１では、ビームスプリッタ１１、ミラー１２ａ，１２ｂ、集光手段１３、反射ミラー１４及びガスターゲット発生手段１６は、照射チャンバー内に設置されている。また、照射チャンバーには、内部を所定の気圧に保つ排気ポンプ等の排気手段と、内部で発生した逆コンプトン散乱Ｘ線を放出するＸ線放出窓とが設けられている。
【００１８】
Ｘ線発生装置１で用いるレーザ光源１０は、例えば、フェムト秒レーザ等の電子加速に利用することができる高出力のレーザ光を発光するレーザ装置である。また、ガスターゲット発生手段１６は、光に投射することでプラズマを発生して電子を加速するための媒体である水素、ヘリウム、窒素又はアルゴン等のガスをガスターゲット２４として発生する。上述したように、レーザ光源１０やガスターゲット発生手段１６が配置される照射チャンバーは真空であるため、このガスターゲット２４が投射された空間は、照射チャンバー内の他の空間（約１０12〜13個／ｃｍ3）に比べて気体密度が高く（約１０17〜19個／ｃｍ3）なる。
【００１９】
ここで、Ｘ線発生装置１では、制御手段１５によって第１ミラー１２ａ及び第２ミラー１２ｂの位置と第２レーザ光２２に対する角度とを制御することで、第２光路Ｌ２を設定する。第２光路Ｌ２の距離を設定することで、第２レーザ光２２が電子ビームに衝突するまでの時間も設定することができる。具体的には、第２レーザ光２２の第２光路Ｌ２の距離を、第１レーザ光２１の第１光路Ｌ１の距離及び第１レーザ光２１によって生成された電子ビームの軌道の距離に合わせて設定する。このとき、ミラー１２ａ，１２ｂが各光路Ｌ１，Ｌ２のレーザ光２１，２２と干渉しないようにする必要がある。
【００２０】
なお、第１光路Ｌ１は、ビームスプリッタ１１を始点とし、反射ミラー１４を通り、ガスターゲット２４内での電子ビームの発生地点を終点とする光路である。また、第２光路Ｌ２は、ビームスプリッタ１１を始点とし、第１ミラー１２ａ、第２ミラー１２ｂ、集光手段１３の順に衝突点２３を終点とする光路である。さらに、電子ビームは、ガスターゲット２４に第１レーザ光２１が照射されると発生するため、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、電子ビームの軌道Ｌ３は、第１光路Ｌ１の終点が始点であって、衝突点２３が終点である。
【００２１】
第１ミラー１２ａと第２ミラー１２ｂとは前後左右方向（ＸＹ方向）に移動可能な一つのリニアガイド１２上に、それぞれの回転軸を基準として回転可能に設置されている。Ｘ線発生装置１では、このリニアガイド１２を前後左右方向に移動するとともに、リニアガイド１２上の各ミラー１２ａ，１２ｂを回転することにより、第２レーザ光２２に対する各ミラー１２ａ，１２ｂの角度を調節して第２光路Ｌ２を設定する。
【００２２】
また、Ｘ線発生装置１では、制御手段１５の制御によって集光手段１３の位置を調節することで、第１レーザ光２１によって生成された電子ビームと第２レーザ光２２とが衝突する衝突点２３の位置を設定する。この集光手段１３も、前後左右方向（ＸＹ方向）に移動可能であるとともに回転軸を基準として回転可能に設置されており、第２ミラー１２ｂから入射する第２レーザ光２２に応じた前後左右方向の移動及び回転により、第１レーザ光２１によって生成された電子ビームと第２レーザ光２２とが衝突する衝突点２３の位置を設定することができる。なお、この集光手段１３は、例えば、集光レンズや集光ミラー等であって、第２レーザ光を集光する手段である。
【００２３】
さらに、Ｘ線発生装置１では、制御手段１５の制御によってガスターゲット発生手段１６の位置を調節することも可能であり、第１レーザ光２１と第２レーザ光２２の位置を基準として設定した位置にガスターゲット２４を発生させることができる。
【００２４】
このように、制御手段１５は、受光手段１７ｂが取得した画像から第１レーザ光２１によって生成された電子ビーム及び第２レーザ光２２の衝突点２３と、ガスターゲット２４との位置関係に応じて、この位置関係がＸ線の発生に最適な所定の関係になるように第２光路Ｌ２と衝突点２３を設定して、リニアガイド１２の位置、ミラー１２ａ，１２ｂの回転状況、集光手段１３の位置及び回転状況を制御する。すなわち、制御手段１５は、ガスターゲット２４の投射で発生したプラズマによる第２レーザ光２２のエネルギーの減衰が最小かつ電子ビーム密度が高く維持されている位置関係になるように制御する。
【００２５】
ここで、第１レーザ光２１によって生成された電子ビーム及び第２レーザ光２２の衝突点２３の最適位置は、ガスターゲット２４の高密度領域を基準として定められる。ここで、ガスターゲット２４の高密度領域とは、ガスターゲット２４の投射によって気体密度（ガス密度）が照射チャンバー内の他の空間（約１０12〜13個／ｃｍ3）と比べて高くなっている領域（約１０17〜19個／ｃｍ3）のことである。
【００２６】
第１レーザ光２１によって生成された電子ビームと第２レーザ光２２の衝突点２３がガスターゲット２４の高密度領域内に位置するとき、第２レーザ光２２の光エネルギーがガスターゲット２４内で発生するプラズマに吸収される。また、第１レーザ光２１によって生成された電子ビームは拡散する傾向にあり、電子が加速された直後の方が散乱が少ない。したがって、電子ビームと第２レーザ光２２の衝突点２３とガスターゲット２４の位置関係は、これらを考慮して第２レーザ光２２の光エネルギーの減衰が最小になるとともに、得られるＸ線量が最大になるように定める。
【００２７】
図２に、第１レーザ光２１によって生成された電子ビーム２５と第２レーザ光２２の衝突点２３がガスターゲット２４の高密度領域の境界面に設定された場合の一例を示す。ここで、図２（ａ）は、ガスターゲット発生手段１６が第１レーザ光２１にガスターゲット２４を投射する図であり、図２（ｂ）は、ガスターゲット２４の投射により電子ビーム２５が発生し、その後に逆コンプトン散乱Ｘ線２６が発生する様子を拡大した図である。
【００２８】
図２に示すように、電子ビーム２５と第２レーザ光２２の衝突点２３がガスターゲット２４の高密度領域の境界面にある場合、第２レーザ光２２がガスターゲット２４内で発生するプラズマに吸収されることがないため、Ｘ線の発生量を低下させることはない。
【００２９】
また、図３に、第１レーザ光２１によって生成された電子ビーム２５と第２レーザ光２２の衝突点２３がガスターゲット２４の高密度領域の境界面から第２レーザ光２２の上流側に５ｍｍの部分に設定された場合の一例を示す。ここで、図３（ａ）は、ガスターゲット発生手段１６が第１レーザ光２１にガスターゲット２４を投射する図であり、図３（ｂ）は、ガスターゲット２４の投射により電子ビーム２５が生成され、その後に逆コンプトン散乱Ｘ線２６が発生する様子を拡大した図である。
【００３０】
図３に示すように、電子ビーム２５と第２レーザ光２２の衝突点２３がガスターゲット２４の高密度領域の境界面から第２レーザ光２２の上流側に５ｍｍの部分にある場合、この衝突点２３で発生する逆コンプトン散乱Ｘ線２６はガスターゲット２４内で発生するプラズマに吸収されることはない。また、５ｍｍの部分であれば、電子ビーム２５の拡散も少ないため、Ｘ線の発生量を低下させることはない。
【００３１】
具体的には、電子ビーム２５と第２レーザ光２２の衝突点２３が、高密度領域の境界面から境界面の上流側約５ｍｍの間にある場合、Ｘ線の発生量を低下させることのない最適な状態となる。
【００３２】
図４は、波長が８００ｎｍのレーザ光の場合の各電子密度の場合の光の吸収長及び減衰特性を示している。ガスターゲット２４が投射されてガス密度（プラズマの電子密度）が高くなると、レーザ光のエネルギーは電子に吸収される。すなわち、電子密度が高くなると、吸収長が短くなり、レーザ光がプラズマで阻害されてレーザ光を加速電子と衝突させにくくなる。図４によれば、電子密度が高い場合、吸収長が短くなり、透過率が低くなることが分かる。
【００３３】
なお、例えば、制御手段１５は、表示手段及び入力手段と接続されており、この表示手段に表示される画像に応じてオペレータが入力する操作信号に基づいてリニアガイド１２、ミラー１２ａ，１２ｂ及び集光手段１３を制御するようにしてもよい。
【００３４】
また、制御手段１５は、受光手段１７ｂが取得する画像の第１レーザ光２１によって生成された電子ビームと及び第２レーザ光２２の衝突点２３とガスターゲット２４との位置関係と、その位置関係の場合の制御方法のパターンを予め記憶していてもよい。制御方法のパターンとは、例えば、リニアガイド１２の位置、２枚のミラー１２ａ，１２ｂの回転状況、集光手段１３の位置及び回転状況をどのように制御するかのパターンである。この場合、制御手段１５は、予め記憶しているパターンから受光手段１７ｂが取得した画像に応じて各機構の制御方法を抽出し、リニアガイド１２、ミラー１２ａ，１２ｂ及び集光手段１３を制御することができる。
【００３５】
上述したように、本発明の実施形態に係るＸ線発生方法では、ガスターゲット２４を基準として電子ビーム２５と衝突用レーザ光である第２レーザ光２２の位置を調整することにより、第２レーザ光２２の減衰を防止することができるため、Ｘ線の発生量の低下を防止することができる。
【００３６】
以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。
【符号の説明】
【００３７】
１…Ｘ線発生装置
１０…レーザ光源
１１…ビームスプリッタ
１２…リニアガイド
１２ａ…第１ミラー
１２ｂ…第２ミラー
１３…集光手段
１４…反射ミラー
１５…制御手段
１６…ガスターゲット発生手段
１７ａ…発光手段
１７ｂ…受光手段
２０…レーザ光
２１…第１レーザ光
２２…第２レーザ光
２３…衝突点
２４…ガスターゲット
２５…電子ビーム
２６…逆コンプトン散乱Ｘ線
Ｌ１…第１光路
Ｌ２…第２光路
Ｌ３…電子ビームの軌道
【図１】
0005625414.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005625414.tif 000004
【図４】
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