(57)【要約】【課題】比較的簡単な構成でかつ安価に、収束性及びコヒーレンスが高い電磁波を発生することができる電磁波発生装置及びその発生方法を提供すること。【解決手段】  電子ビーム（ｅ）をターゲット（Ｔ）に入射して電磁波（Ｗ）を発生させる電磁波発生装置であって、  電子ビーム（ｅ）の電子エネルギーが、相対性理論が適用される１Ｍｅｖ以上であり、  ターゲット（Ｔ）の形状が線状部材または薄膜状部材であり、  ターゲット（Ｔ）に磁場を印加して、電磁波を発生させるターゲト内の自由電子の運動方向を一方向に制限することによって、収束性及びコヒーレンスが高い電磁波（Ｗ）を発生する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームをターゲットに入射して電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、
前記電子ビームの電子エネルギーが、相対性理論が適用される１Ｍｅｖ以上であり、
前記ターゲットの形状及び前記ターゲットに印加する磁場の少なくとも一方によって、前記電磁波を発生させる前記ターゲト内の自由電子の運動方向を一方向に制限することを特徴とする電磁波発生装置。
【請求項２】
前記電子ビームに垂直方向の磁場が前記ターゲットに印加され、
前記ターゲットが、
前記電子ビーム上の電子が前記ターゲットに入射する方向に対して、前記ターゲットの長さ方向が直交するように配置された線状部材、または、
前記電子ビーム上の電子が前記ターゲットに入射する方向に対して、前記ターゲットの平面が直交するように配置された薄膜部材であることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
【請求項３】
前記ターゲットが、太さ１０μｍ以下の線状部材であり、
前記ターゲットが、前記電子ビーム上の電子が前記ターゲットに入射する方向に対して、前記ターゲットの長さ方向が直交するように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波発生装置。
【請求項４】
前記ターゲットが、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電磁波発生装置。
【請求項５】
複数の前記ターゲットが直線上に配置され、
前記電子ビームが、順に複数の前記ターゲットに入射し、
隣接する前記ターゲットの間隔が、前記ターゲットから放射される電磁波の波長の自然数倍であり、
前記ターゲットから放射される電磁波を干渉させて単色化及び強度を増強させるように、前記電子ビームが、前記ターゲット間で前記直線から外れることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電磁波発生装置。
【請求項６】
電子ビームをターゲットに入射して電磁波を発生させる電磁波発生方法であって、
電子エネルギーが、相対性理論が適用される１Ｍｅｖ以上の前記電子ビームを前記ターゲットに入射し、
前記ターゲットの形状及び前記ターゲットに印加する磁場の少なくとも一方によって、前記電磁を波発生させる前記ターゲト内の自由電子の運動方向を一方向に制限することを特徴とする電磁波発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波発生装置及びその発生方法に関し、特に、ターゲットに相対論的電子を衝突させて、レーザーのようにコヒーレンスの高い電磁波を発生することができる電磁波発生装置およびその発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
古典的レーザーは、媒質を励起して自発放射を発生させ、その放射光を種光として他の媒質に入射して誘導放射を起こさせる。自発放射光はコヒーレント光では無いために、光と媒質を繰り返し相互作用させることによりコヒーレンスを高める。
【０００３】
自由電子レーザーは、電子を磁場（アンジュレーター；周期磁場）で曲げて光の放射を発生させるが、種光は自発放射である。自発放射光と電子ビームを相互作用させて電子ビームをバンチングさせることによりコヒーレンスを高める。
【０００４】
一方、ＥＵＶ光やＸ線を発生する方法として、高エネルギーの電子が誘電率の異なる物質の境界を通過するときに発生する遷移放射を用いたＸ線発生装置が知られている。例えば、下記特許文献１、２には、遷移放射を用いて、高い指向性の可変エネルギーのＸ線を出力可能なＸ線発生装置が開示されている。即ち、図４に示したように、高エネルギーの電子ビームが、薄膜を多層に配列又は異種材料薄膜を交互に積層したターゲットを通過するときに、電子ビームの進行方向に円錐状にＸ線が放射されることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１７０６９９号公報
【特許文献２】特開２００１−２０３０９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
古典的レーザーでは、レーザー媒質が無いために、ＥＵＶ光やＸ線を発生させることができなかった。
【０００７】
自由電子レーザーではＥＵＶやＸ線領域の光を生成するには数ＧｅＶという電子エネルギーが必要であり、それを制御する大がかりな装置が必要となり、必然的に数百億円という高価な装置になる。例えば、大型放射光施設Ｓｐｒｉｎｇ８で開発中の施設は、レーザー発振するまでに１００ｍ近いアンジュレーターと１ＧｅＶ以上の電子ビームを必要とし、大掛かりな施設であり、莫大な費用がかかる。また、十分な光量を得ることも難しい。
【０００８】
上記特許文献１、２に開示された方法で発生するＸ線は、円錐状に放射されるので指向性が低い問題があり、レーザーを発生させることもできない。
【０００９】
従って、本発明の目的は、比較的簡単な構成でかつ安価に、レーザーのような収束性及びコヒーレンスが高い電磁波を発生することができる電磁波発生装置及びその発生方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る第１の電磁波発生装置は、電子ビームをターゲットに入射して電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、
前記電子ビームの電子エネルギーが、相対性理論が適用される１Ｍｅｖ以上であり、
前記ターゲットの形状及び前記ターゲットに印加する磁場の少なくとも一方によって、前記電磁波を発生させる前記ターゲト内の自由電子の運動方向を一方向に制限することを特徴としている。
【００１１】
本発明に係る第２の電磁波発生装置は、上記の第１の電磁波発生装置において、
前記電子ビームに垂直方向の磁場が前記ターゲットに印加され、
前記ターゲットが、
前記電子ビーム上の電子が前記ターゲットに入射する方向に対して、前記ターゲットの長さ方向が直交するように配置された線状部材、または、
前記電子ビーム上の電子が前記ターゲットに入射する方向に対して、前記ターゲットの平面が直交するように配置された薄膜部材であることを特徴としている。
【００１２】
本発明に係る第３の電磁波発生装置は、上記の第１又は第２の電磁波発生装置において、
前記ターゲットが、太さ１０μｍ以下の線状部材であり、
前記ターゲットが、前記電子ビーム上の電子が前記ターゲットに入射する方向に対して、前記ターゲットの長さ方向が直交するように配置されることを特徴としている。
【００１３】
本発明に係る第４の電磁波発生装置は、上記の第１〜第３の電磁波発生装置の何れかにおいて、
前記ターゲットが、カーボンナノチューブであることを特徴としている。
【００１４】
本発明に係る第５の電磁波発生装置は、上記の第１〜第４の電磁波発生装置の何れかにおいて、
複数の前記ターゲットが直線上に配置され、
前記電子ビームが、順に複数の前記ターゲットに入射し、
隣接する前記ターゲットの間隔が、前記ターゲットから放射される電磁波の波長の自然数倍であり、
前記ターゲットから放射される電磁波を干渉させて単色化及び強度を増強させるように、前記電子ビームが、前記ターゲット間で前記直線から外れることを特徴としている。
【００１５】
本発明に係る電磁波発生方法は、
電子ビームをターゲットに入射して電磁波を発生させる電磁波発生方法であって、
電子エネルギーが、相対性理論が適用される１Ｍｅｖ以上の前記電子ビームを前記ターゲットに入射し、
前記ターゲットの形状及び前記ターゲットに印加する磁場の少なくとも一方によって、前記電磁波を発生させる前記ターゲト内の自由電子の運動方向を一方向に制限することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、レーザーのような収束性及びコヒーレンスが高い電磁波を発生することができる。例えば、１０ＭｅＶ程度の電子ビームでＥＵＶ領域のレーザーを発生することができる。
【００１７】
従来の古典的レーザーや自由電子レーザーでは、いずれも自発放射から増幅を始めるが、本発明では、増幅プロセスが不要であり、従って飽和も起きず、それぞれのターゲットから出た光を干渉させるだけで、またターゲットの数を増やすだけで、用途に応じて幾らでも強度を高めることができる。
【００１８】
また、本発明では比較的簡単な構成で、かつ比較的安価に、収束性及びコヒーレンスが高いＥＵＶ光を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る電磁波発生装置の概略構成を示す平面図である。
【図２】図１のターゲット付近を拡大して示す斜視図である。
【図３】ターゲットを直線上に複数配置する場合の例を示す平面図である。
【図４】従来の遷移放射によるＸ線発生装置におけるターゲット付近の構成を示す斜視図である。
【図５】磁場中のカーボンナノチューブを用いて発生させた指向性の高い放射を実測した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態に関して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る電磁波発生装置の概略構成を示す平面図である。本電磁波発生装置は、電子周回装置リング部１と、外部から電子を電子周回装置リング部１の内部に取り込む入力ポート２と、ターゲットＴと、発生した電磁波Ｗを電子周回装置リング部１の外部に取り出す出力ポート３とを備えて構成されている。図１において、電子周回装置を構成するために必要な機器、例えば、電子の周回軌道を制御するために電子周回装置リング部１に装備される磁石（電磁石、永久磁石）、電磁石の電流の時間変化を制御する制御装置、及び、電子を発生させて電子周回装置リング部１に導く入射器などは省略されている。また、電子ビームｅがターゲットの所定表面に照射されるように、ターゲットＴを配置する機構も省略している。真空状態になっている電子周回装置リング部１の内部には、鉛直上向き（Ｚ軸方向）の磁場Ｂが形成され、電子周回装置リング部１の中心Ｏを中心とする半径ｒのほぼ円軌道に沿って電子を周回させて電子ビームｅを形成する。
【００２１】
ターゲットＴは、線状又は薄膜状の部材である。なお、本明細書において、線状とは、１本の線状の部材に限らず、細い繊維状の部材を編んで糸状にした部材をも含む。
【００２２】
ターゲットＴの形状及びその配置の一例を図２に示す。図２では、ターゲットＴは線状部材であって、線状部材の長さ方向が磁場Ｂの方向にほぼ平行になるように、電子ビームｅの軌道上に配置されている。ターゲットＴは例えばカーボンで形成されており、具体的にはカーボンナノチューブやダイヤモンドライクカーボンを使用することができる。線状部材部材の太さ、カーボンナノチューブの太さは、発生した放射が自己吸収されない厚さであり、例えば１〜１０μｍであればよい。
【００２３】
放射のメカニズムは、相対論的電子が薄膜に侵入すると薄膜内の多数の自由電子が入射電子のつくる電場により一斉に力を受けて脈動を起こし、この脈動する電子から放射が発生するためである。この様なメカニズムは遷移放射という名前で知られている。図２のように配置された、カーボンナノチューブのように細い線状部材のターゲットＴに電子ビームｅが入射する場合、磁場が無くても指向性の高い放射が発生する。ターゲットＴ内の自由電子の振動方向が、ターゲットＴの形状によってターゲットＴの長さ方向のみに振動するため、放射の位相と方向がそろい、指向性の高い放射が発生する。このときの電磁波の放射角度θは、遷移放射理論で予測される１／γ（ｒａｄ）よりも非常に小さい値になる。
【００２４】
磁場Ｂが存在する場合には、電子は、磁力線の方向にしか移動しないために、薄膜や、カーボンナノチューブよりも太い線状部材を使用しても、位相と放射の方向がそろった指向性の高い放射を発生させることができる。線状部材の場合、図２と同様に、磁場Ｂ及び電子ビームｅに対して配置すればよい。薄膜の場合、薄膜の平面が、磁場Ｂに平行であり、かつ電子の入射方向に垂直になるように、電子ビームｅ上に配置すればよい。薄膜の厚さは、発生した放射が自己吸収されない厚さであり、例えば１〜１０μｍであればよい。
【００２５】
磁場Ｂの強度は０．４Ｔ（tesla）以上であることが望ましい。磁場強度を大きくすれば、放射角度θを小さくすることができる。電子ビームの電子エネルギーは、相対性理論が適用される約１Ｍｅｖ以上であればよい。用途に応じて、電子ビームの電子エネルギー、磁場強度などの条件を適切に設定することができる。例えば、ＥＵＶ光を発生させるためには、電子エネルギーが１０ＭｅＶ以上であればよい。
【００２６】
このように、ターゲットの形状及びターゲットに印加する磁場Ｂの少なくとも一方によって、電磁波の放射を生じさせるターゲット中の自由電子の運動方向を一方向に制限すれば、放射の位相と方向がそろい、指向性の高い電磁波を発生させることができる。
【００２７】
発生する電磁波の強度を強くするには、電子がターゲットに繰り返し衝突する機構が必要であり、卓上型放射光装置や電子周回装置を用いるのが望ましい。
【００２８】
実際に卓上型放射光の電子軌道上に、ターゲットとして太さ６μｍのカーボンナノチューブを設置し、放射の角分布を計測した結果、極めて高い指向性が観測された。図５にその結果を示す。図５は、磁場方向をＹ軸とし、ターゲットへの電子ビームの入射方向（電磁波の放射方向）をＺ軸とし、それらに直交する方向をＸ軸として、放射される電磁波の強度を観測した結果を示している。観測位置は、ターゲットから１ｍの位置である。右上のグラフは、左上のグラフのＹ軸上での強度分布であり、左下のグラフは、左上のグラフのＸ軸上での強度分布である。各軸の単位はｍｒａｄである。図５から、ターゲットからの放射光は、図２に示したように非常に指向性が高いことが分かる。
【００２９】
以上、実施の形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されず、種々の変更を加えて実施することができ、それらも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３０】
例えば、ターゲットに磁場を印加できればよく、円形電子周回装置の代わりに直線部を有する電子周回装置や線型加速器を使用してもよい。直線部を有する加速器を使用する場合には、電子ビームの直線軌道上にターゲットを配置し、磁石によって、ターゲットを含む領域に磁場を形成すればよい。
【００３１】
また、複数のターゲットを、電子ビームに沿って所定間隔で配置すれば、用途に応じた十分なパワーを得ることができる。例えば、図３に示すように、紙面に垂直方向の磁場Ｂ中にターゲットＴを直線上に配置し、電子ビームｅの軌道を蛇行させてもよい。図３において、ターゲットＴは間隔Ｌで配置されている。各間隔Ｌは一定でなくてもよいが、発生する電磁波の波長λとしてＬ／γ２＝ｎλ（ｎは自然数）であることが望ましい。複数の磁石Ｍは、１つのターゲットを通過した電子ビームｅを蛇行させて、ターゲットが配置された直線上から逸らし、その後再び直線上に戻るように蛇行させ、電子ビームｅを次のターゲットに垂直に入射させる。
【００３２】
また、ターゲットの材質は、上記したカーボンに限定されず、電子の入射によって遷移放射が発生する材質であればよく、ベリリウム、アルミニウム、ゲルマニューム、金、白金、鉛など、誘電率が比較的大きい誘電分極を生じ得る物質であるのが良い。誘電率が大きいほど短波長の光を発生できる。
【符号の説明】
【００３３】
１    電子周回装置リング部
２    入力ポート
３    出力ポート
Ｔ    ターゲット
Ｍ    磁石
Ｂ    磁場
Ｗ    電磁波
ｅ    電子ビーム
【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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