(57)【要約】【課題】パラメトリックＸ線発生装置において、１つの高エネルギー電子ビームから複数のＸ線を取り出す。【解決手段】高エネルギー電子線加速器１で、高エネルギー電子ビームを発生する。高エネルギー電子ビームを当ててパラメトリックＸ線を発生するための複数個のＸ線発生用の薄板単結晶２、４、６、８を、高エネルギー電子ビームの方向に沿って直線状に並べる。１つのＸ線発生用単結晶から、１つまたは複数のパラメトリックＸ線を発生する。それぞれのパラメトリックＸ線を、Ｘ線選択用の反射単結晶３、５、７、９、10で選択的に反射させて取り出す。このようにして、小型でＸ線エネルギーを変えることができるとともに、単色でコヒーレントなＸ線を発生できるパラメトリックＸ線発生装置において、１つの高エネルギー電子ビーム１から複数のＸ線を取り出せる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高エネルギー電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、高エネルギー電子ビームを当ててパラメトリックＸ線を発生するために、高エネルギー電子ビームの方向に沿って直線状に並べた複数個のＸ線発生用単結晶と、それぞれのＸ線発生用単結晶から得られるパラメトリックＸ線を選択的に反射させて取り出すためのＸ線選択用単結晶とを具備することを特徴とするマルチＸ線発生装置。
【請求項２】
１つのＸ線発生用単結晶から複数のパラメトリックＸ線を発生することを特徴とする請求項１記載のマルチＸ線発生装置。
【請求項３】
前記Ｘ線発生用単結晶の角度と位置を変える発生用調整手段と、前記Ｘ線選択用単結晶の角度と位置を変える選択用調整手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載のマルチＸ線発生装置。
【請求項４】
パラメトリックＸ線のパラメータを変えても出力位置が一定になるように、前記発生用調整手段と前記選択用調整手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項３記載のマルチＸ線発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線発生装置に関し、特に、小型でＸ線エネルギーを変えることができ、単色でコヒーレントなＸ線を発生できるパラメトリックＸ線発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線を発生する方法としては、電子ビームを対陰極（陽極）金属に当てて、対陰極金属固有の線スペクトルの特性Ｘ線を発生する方法が最も一般的である。その場合には、対陰極物質に関係ない電子の制動放射による連続スペクトルの連続Ｘ線も発生する。また、シンクロトロン放射を利用してＸ線を発生する方法もある。シンクロトロン放射は、磁場中で曲線軌道を描く相対論的高エネルギー電子が、求心加速度により放射する電磁波である。シンクロトロン放射は、幅広いスペクトルの強力なＸ線源として重要であり、真空紫外からＸ線にわたる強力な光源として利用されている。最近では、貯蔵リングや線形加速器の高エネルギービームを使った自由電子レーザーであるＸ線レーザーも開発が提案されている。Ｘ線レーザーは、真空紫外線〜軟Ｘ線領域では実証されている。
【０００３】
近年では、パラメトリックＸ線発生装置も開発されつつある。高エネルギー電子ビームで結晶を、適当な角度条件で照射すると、単色に近い、位相の揃ったＸ線（パラメトリックＸ線、PXR: Parametric X-ray Radiation）が放射される。すなわち、パラメトリックＸ線とは、結晶に高エネルギー電子を入射したときに、図２に示すように、結晶にＸ線を入射したときと同様に、ブラッグ条件を満たす角度・エネルギーで放射されるＸ線である。1972年にTer-MikaelianがPXRを予言したが、1985年にトムスクのグループが初めて実際にPXRを観測した。PXRについての詳細は、非特許文献１などを参照されたい。
【０００４】
このパラメトリックＸ線を単結晶で反射させることにより、γ線や電子線などの放射線と分離して、単色のＸ線のみを取り出すことができる。すなわち、図３に示すように、高エネルギーに加速した電子ビームで、薄い単結晶板を照射し、発生したＸ線を更に単結晶で全反射させて、Ｘ線のみを取り出す。このPXRの特長は、指向性が高いこと、エネルギーを変えられること、エネルギー分散が小さいこと、Ｘ線の位相が揃っていること、である。
【０００５】
具体的なPXR発生システムは、真空槽に収められた２台のゴニオメータで制御される２つのＳi単結晶で構成され、Ｘ線取り出しポートを固定したまま、連続的にＸ線のエネルギーを変えることができるものである。詳細は、非特許文献２、３を参照されたい。PXRビームラインでの電子ビームの仕様は、次の通りである。加速周波数は、2856MHzである。最大電子エネルギーは、100MeVである。エネルギー分散は、１％である。ビーム電流は、100mAである。マクロパルス幅は、20μsである。繰り返しは、2.5Hzである。平均電流は、５μAである。規格化エミッタンスは、20πmm mrad未満である。アナライザーでのスリットが固定であるため、エネルギー分散は変えられないが、それ以外は、自由電子レーザーのビームラインとほぼ同じである。ビームカレントは、ストレートラインで100mA、90°偏向後で90mAである。
【０００６】
電子ビームを照射するターゲット結晶は、Ｘ線のラジエーターであり、このシステムの基本となるものである。PXR発生システムとして、Ｓi(111)‐Ｓi(111)の組み合わせを用いている。ブラッグ角12°付近で、反射鏡である第２結晶の回転角をスキャニングすると、図４に示すように、ピークが観測される。ピークの幅は、理論計算と比べるとやや広いが、ほぼ同程度であり、観測されたシグナルがPXRによるものであることを示している。詳細は、非特許文献５を参照されたい。
【０００７】
写真フィルムやイメージングプレート（IP）によるＸ線透過画像は、７keVから18keVの範囲で撮影され、エッジが非常に鮮明であり、この線源が指向性と単色性について優れていることを示している。PXRのプロファイルは、図５、図６、図７に示すようなドーナツ状になる。PXRのエネルギーと強度の変化は、図８に示すようになる。図９は、PXRピーク強度の電子エネルギー依存性を示すグラフである。電子ビームのエネルギーが1000MeVを超えると、Ｘ線のピーク強度は飽和する。
【０００８】
PXR発生装置で得られるＸ線には、水平方向にほぼリニアなエネルギー（波長）グラデーションを持つという特徴がある。そのため、イメージングによってＫ吸収端を確認することができる。図10は、ＣuのＫ吸収端（8.981keV）の写真である。左側が高エネルギー側となっている。厚さ20μmのＣu薄膜を使用した。写真フィルムの場合、乳剤にＡgＢrを使用しているため、ＢrのＫ吸収端（13.474keV）で感度が大きく変わる。図11は、写真フィルムのＢr-Ｋ吸収端（13.474keV）付近の挙動を示す写真である。図11の画像は、ターゲット結晶の回転によりPXRの中心エネルギーを変えて撮影したものである。中心エネルギーは、（ａ）13.35keV、（ｂ）13.5keV、（ｃ）13.65keVである。条件を変えても、吸収端周辺に同じような構造が現れている。中心エネルギーの変化に従って、Ｋ吸収端に相当するエネルギーの位置が動いている。また、図12は、画像の破線内部の明度を縦方向に積算してプロットして、写真フィルムのＢr-Ｋ吸収端付近の挙動を示すグラフにしたものである。詳細は、非特許文献５を参照されたい。
【０００９】
一方、低エネルギー電子ビームでパラメトリックＸ線を発生する方法も提案されている。特許文献１に開示された「Ｘ線発生方法」は、加速器を用いることなく、通常の実験室で得られる程度の低い電圧で加速した非相対論的低エネルギーの電子によりパラメトリックＸ線放射を起こさせて単色Ｘ線を発生させることのできるＸ線発生方法である。図13に示すように、真空空間において、電子銃から低い電圧で加速された低エネルギー電子を方位のそろった結晶体に入射させて、結晶体からのパラメトリックＸ線放射を発生させてＸ線を取り出す。
【特許文献１】特開2000-30892号公報
【非特許文献１】A. V. Shchagin et al., Phys. Lett. A 148, (1990) 485.
【非特許文献２】Y. Hayakawa et al., Proc. of the 12th Symposium on Accelerator Science and Technology, (1999) 391.
【非特許文献３】Y. Hayakawa et al., Proc. of 26th Linear Accelerator Meeting in Japan, (2001) 110.
【非特許文献４】Y. Hayakawa et al., Proc. of VI International Symposium "RREPS-03", Sep. 8-11, 2003, Tomsk (to be published in Nucl. Instrum. ＆ Methods B).
【非特許文献５】第１回加速器学会年会・第２９回リニアック技術研究会、2004年8月4日〜6日、プロシーディング（2004），pp.60〜62.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来のパラメトリックＸ線発生装置では、１つの高エネルギー電子ビームから１つのパラメトリックＸ線しか取り出せないという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、１つの高エネルギー電子ビームから複数のパラメトリックＸ線を取り出せるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明では、Ｘ線発生装置を、高エネルギー電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、高エネルギー電子ビームを当ててパラメトリックＸ線を発生するために、高エネルギー電子ビームの方向に沿って直線状に並べた複数個のＸ線発生用単結晶と、それぞれのＸ線発生用単結晶から得られるパラメトリックＸ線を選択的に反射させて取り出すためのＸ線選択用単結晶とを具備する構成とした。また、１つのＸ線発生用単結晶から複数のパラメトリックＸ線を発生する。
【発明の効果】
【００１３】
小型で、エネルギーを変えることができ、単色でコヒーレントなＸ線を発生するパラメトリックＸ線発生装置において、１つの高エネルギー電子ビームから複数のパラメトリックＸ線を取り出せる。それぞれのパラメトリックＸ線の特性を独立に制御することができる。それぞれのパラメトリックＸ線を使って複数の解析処理を同時に実行することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１を参照しながら詳細に説明する。
【実施例】
【００１５】
本発明の実施例は、高エネルギー電子ビームを当ててパラメトリックＸ線を発生するための複数個のＸ線発生用単結晶を、高エネルギー電子ビームの方向に沿って直線状に並べ、１つのＸ線発生用単結晶から１つまたは複数のパラメトリックＸ線を発生し、それぞれのパラメトリックＸ線を、Ｘ線選択用単結晶で選択的に反射させて取り出すマルチＸ線発生装置である。
【００１６】
図１は、本発明の実施例におけるマルチＸ線発生装置の構成を示す概念図である。図１において、高エネルギー電子線加速器１は、電子ビームを100MeV程度に加速するLinacである。第１薄板単結晶２と第２薄板単結晶４と第３薄板単結晶６と第４薄板単結晶８は、パラメトリックＸ線発生用のＳi単結晶である。他の結晶でもよい。第１反射単結晶３と第２反射単結晶５と第３反射単結晶７と第４反射単結晶９と第５反射単結晶10は、パラメトリックＸ線を反射させるＳi単結晶である。Ｓi単結晶の(111)面を利用する。ビームダンプ11は、電子ビームを吸収する部材である。
【００１７】
ある間隔を置いて、多数の薄板単結晶を一直線上（中心軸）に並べる。各々の薄板単結晶の傾斜角を、所望の角度に設定する。薄板単結晶から出るパラメトリックＸ線のビーム方向が、それぞれ異なる方向となるように、それぞれの薄板単結晶の向きを変えて配置する。Ｘ線反射用結晶の位置が、中心軸を軸とする円筒面上に均等になるようにするとよい。高エネルギー電子線加速器１は、電子ビームが中心軸を通るように配置する。これらを、真空容器中に設置する。
【００１８】
上記のように構成された本発明の実施例におけるマルチＸ線発生装置の動作を説明する。最初に、図１を参照しながら、マルチＸ線発生装置の動作の概要を説明する。高エネルギー電子線加速器１で、電子ビームを100MeV程度に加速する。中心軸に、高エネルギー電子ビームを入射する。そうすると、薄板単結晶から多数のパラメトリックＸ線が、それぞれ異なる方向に放射される。これらのＸ線を、反射単結晶で全反射させる。これにより、Ｘ線を、γ線や電子線などの放射線と分離する。こうして、中心軸と平行な方向（軸方向）に、多くのパラメトリックＸ線を同時に取り出すことができる。さらに、各薄板単結晶を独立に回転すると、それぞれのパラメトリックＸ線のエネルギーを、独自に変えることができる。Ｘ線取り出しポートを固定したまま、連続的にＸ線のエネルギーを変えることができる。
【００１９】
次に、第１薄板単結晶２の動作を説明する。電子ビームを、第１薄板単結晶２に当てて、パラメトリックＸ線を発生する。例えば、Ｓi単結晶の(111)面を利用して、パラメトリックＸ線を発生する。例えば、ブラッグ角は約12°である。第１薄板単結晶２では、同時に２つのパラメトリックＸ線を発生する。１つのパラメトリックＸ線は、第１反射単結晶３で反射させて、第１Ｘ線を取り出す。同じＳi単結晶の(111)面を利用することで、電子ビームと平行なＸ線を得ることができる。もう１つのパラメトリックＸ線は、第５反射単結晶10で反射させて、第５Ｘ線を取り出す。例えば、Ｓi単結晶の(110)面からのＸ線を選択する。電子ビームの方向に対して第１薄板単結晶２の方向を適切に設定することで、(111)面の反射と(110)面の反射を同時に得ることができる。第１Ｘ線は、コヒーレンシーが優れているので、干渉実験やXAFS（Ｘ線吸収微細構造X-ray absorption fine structure)解析のような高分解能を要求する応用に用いることができる。第５Ｘ線は、第１Ｘ線の従属Ｘ線であるので、パラメータは、第１Ｘ線に依存する。
【００２０】
ゴニオメータなどの回転手段により、第１薄板単結晶２の角度を変えると、Ｘ線の波長を変えることができる。それに合わせて、第１反射単結晶３の角度と位置を変えることにより、Ｘ線の出力位置を一定にすることができる。従属Ｘ線の特性は、独立には制御できない。ブラッグ条件を満たす他の結晶面から反射されるＸ線であるので、主Ｘ線の変化に追随して変化する。
【００２１】
次に、第２薄板単結晶４の動作を説明する。第１薄板単結晶２を透過した電子ビームを、第２薄板単結晶４に当てて、パラメトリックＸ線を発生する。初段と同じＳi単結晶の(111)面を利用してもよいし、別の(110)面を利用してもよい。この電子ビームは、前の単結晶で多重散乱によって発散が大きくなるので、２段目で得られるパラメトリックＸ線の特性は、初段で得られるものより少し劣化している。このパラメトリックＸ線を、第２反射単結晶５で反射させて、第２Ｘ線を取り出す。第２Ｘ線は、Ｘ線回折やＸ線蛍光分析の目的に用いることができる。
【００２２】
次に、第３薄板単結晶６の動作を説明する。第２薄板単結晶４を透過した電子ビームを、第３薄板単結晶６に当てて、パラメトリックＸ線を発生する。このパラメトリックＸ線を、第３反射単結晶７で反射させて、第３Ｘ線を取り出す。３段目で得られるパラメトリックＸ線の特性は、２段目で得られるものよりさらに少し劣化している。第３Ｘ線は、結晶回折の目的に用いることができる。
【００２３】
次に、第４薄板単結晶８の動作を説明する。第３薄板単結晶６を透過した電子ビームを、第４薄板単結晶８に当てて、パラメトリックＸ線を発生する。このパラメトリックＸ線を、第４反射単結晶９で反射させて、第４Ｘ線を取り出す。第４薄板単結晶８を透過した電子ビームは、ビームダンプ11で吸収する。４段目で得られるパラメトリックＸ線の特性は、３段目で得られるものよりさらに少し劣化している。第４Ｘ線は、エネルギー分散が大きいので、精密な解析用には不十分であるが、Ｘ線イメージングの目的に用いることができる。
【００２４】
このマルチＸ線発生装置は、１つの電子ビームから同時に複数のＸ線を取り出すことができるので、複数の解析処理が同時にできる。この例では４段の場合を説明したが、５段以上とすることも可能である。鋭いピークのスペクトルを必要とするXAFSから、そのようなスペクトルを必要としないＸ線イメージングなどのような処理まで、同時に実行することができる。しかも、それぞれのＸ線を独立に制御できるので、解析どうしが互いに干渉することはない。１つのＸ線発生用単結晶から２つのパラメトリックＸ線を発生する例を説明したが、３つ以上のパラメトリックＸ線を発生することも可能である。また、複数の段で、それぞれ複数のパラメトリックＸ線を発生することも可能である。
【００２５】
上記のように、本発明の実施例では、マルチＸ線発生装置を、高エネルギー電子ビームを当ててパラメトリックＸ線を発生するための複数個のＸ線発生用単結晶を、高エネルギー電子ビームの方向に沿って直線状に並べ、１つのＸ線発生用単結晶から１つまたは複数のパラメトリックＸ線を発生し、それぞれのパラメトリックＸ線を、Ｘ線選択用単結晶で選択的に反射させて取り出す構成としたので、１つの高エネルギー電子ビームから複数のＸ線を取り出せる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明のマルチＸ線発生装置は、イメージングや分析用のＸ線発生装置として最適である。このパラメトリックＸ線は、原子・分子の構造解析、結晶構造解析、たんぱく質の構造解析、Ｘ線回折、蛍光Ｘ線回折、超微量分析などに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例におけるマルチＸ線発生装置の構成を示す概念図である。
【図２】パラメトリックＸ線放射の概念図である。
【図３】従来のパラメトリックＸ線発生装置の概念図である。
【図４】反射用単結晶の回転角度に対するPXR強度の依存性を示すグラフである。
【図５】Ｘ線発生用単結晶から放射されるＸ線の分布を示すグラフである。
【図６】反射用単結晶でブラッグ反射したＸ線の分布を示すグラフである。
【図７】Ｘ線ポート出口でのＸ線プロファイルである。
【図８】PXRのエネルギーと強度の変化を示すグラフである。
【図９】PXRピーク強度の電子エネルギー依存性を示すグラフである。
【図１０】写真フィルムによるＣuのＫ吸収端の写真である。
【図１１】写真フィルムのＢr-Ｋ吸収端付近の挙動を示す写真である。
【図１２】写真フィルムのＢr-Ｋ吸収端付近の挙動を示すグラフである。
【図１３】従来の低エネルギーパラメトリックＸ線発生装置の概念図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  高エネルギー電子線加速器
２  第１薄板単結晶
３  第１反射単結晶
４  第２薄板単結晶
５  第２反射単結晶
６  第３薄板単結晶
７  第３反射単結晶
８  第４薄板単結晶
９  第４反射単結晶
10  第５反射単結晶
11  ビームダンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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