(57)【要約】【課題】電子ビームと自由電子レーザーとの逆コンプトン散乱の衝突点を増大させて高収量のＸ線を発生させ、準単色性を有するＸ線の発生することができるＸ線発生装置及び方法を実現する。【解決手段】本発明の逆コンプトン散乱を用いたＸ線発生装置は、加速器と、加速器内で電子ビーム軌道を挟むと共に周期的な磁場を発生するアンジュレータと、光共振器を備え、電子バンチのバンチ間隔がアンジュレータの周期磁場の周期長の偶数倍であるように設定して、前記アンジュレータ内で、自由電子レーザー光と電子ビームとを衝突させてレーザー逆コンプトン散乱Ｘ線を発生させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆コンプトン散乱を用いたＸ線発生装置であって、
加速器内で電子ビーム軌道を挟むと共に周期的な磁場を発生するアンジュレータを備え、
電子バンチのバンチ間隔がアンジュレータの周期磁場の周期長の偶数倍であるようにして、前記アンジュレータ内で、自由電子レーザー光と電子ビームとを衝突させてレーザー逆コンプトン散乱Ｘ線を発生させることを特徴とするＸ線発生装置。
【請求項２】
光共振器を備え、前記光共振器の調整により、電子バンチと自由電子レーザーとの衝突点は、電子バンチが光軸方向の運動のみである位置であることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項３】
アンジュレータの周期磁場の周期長は、電子バンチ長の２０倍以上であることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項４】
前記電子ビームは、短パルスの電子ビームであることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項５】
周期的な磁場を発生するアンジュレータ内で、自由電子レーザー光と電子ビームとを衝突させてレーザー逆コンプトン散乱Ｘ線を発生させる方法であって、
電子バンチのバンチ間隔が、前記アンジュレータの周期磁場の周期長の偶数倍であることを特徴とするＸ線発生方法。
【請求項６】
逆コンプトン散乱の衝突点を全て光軸と平行な位置に設定することを特徴とする請求項５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、電子ビームと自由電子レーザーとの逆コンプトン散乱によって高収量のＸ線を発生させるＸ線発生装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、加速器の高エネルギー電子ビームを使用したレーザー逆コンプトン散乱により、準単色高エネルギー光子ビームを発生し、これを利用する研究が盛んになっている。従来、入射光子ビームに高強度の短パルスレーザーを外部から加速器の真空容器の中へ注入していることが多い。しかし、外部レーザーとして使用するレーザーは、パルス強度の高いものは繰り返しが低くなり、加速器の電子ビームの性能を充分に引き出すことができない。
【０００３】
この問題点を解決する手段として、外部レーザーの代わりに、加速器が発生する自由電子レーザーなどを用いて逆コンプトン散乱を発生させる方法が知られている（特許文献１参照）。しかし、自由電子レーザーを発振させるための挿入光源には磁場があるために、磁場中を逆コンプトン散乱の衝突点に選んでしまうと、衝突点付近で電子ビームが横方向の運動成分を持ち、逆コンプトン散乱に特徴的なＸ線の準単色性を失うことになる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、加速器で加速された電子ビームとレーザー光源からのレーザー光とを衝突させてＸ線を発生させるＸ線発生装置の構造として、加速器内で直線状の電子ビーム軌道を挟むと共に隣り合う磁界の方向が互い違いになるように配列され挿入光源を構成する複数対の磁石と、加速器外で直線状の電子ビーム軌道の一方の延長線上に配置され挿入光源からの可視光を挿入光源に戻す第１のミラーと、加速器外で直線状の電子ビーム軌道の他方の延長線上に配置され可視光の反射面とＸ線の反射面とが異なる非対称ミラーと、加速器外に配置され非対称ミラーからの可視光を非対称ミラーに反射させて挿入光源に戻すことによりレーザー発振を生じさせ、得られたレーザー光を電子ビームと正面衝突させてレーザー逆コンプトン散乱Ｘ線を発生させるための第２のミラーとを備えた構造が開示されている。また、該構造について、特許文献１は、次のように説明されている。加速器内の挿入光源を構成する複数対の磁石間を加速された高速の電子ビームが通過する際、電子が蛇行してシンクロトロンと呼ばれるＸ線や可視光が発生する。加速器で発生した可視光は、第１のミラー、非対称ミラー及び第２のミラーからなる光学系内を往復することでレーザー発振する（ＦＥＬ、Free  Electron  Laser：自由電子レーザー）。このレーザー発振によるレーザー光が挿入光源を通過する電子ビームと正面衝突して、レーザー逆コンプトン散乱Ｘ線（γ線）が発生する。レーザー光と電子ビームとの衝突回数が従来例より増加するのでＸ線の発生効率が向上する。挿入光源で発生したＸ線は加速器から出射して非対称ミラーでレーザー光とは異なる角度で反射する。
【０００５】
しかし、特許文献１においては、挿入光源を構成する複数対の磁石であるアンジュレータを含んだ光共振器内での逆コンプトン散乱について言及されているものの、衝突点に関する具体的な開示がなく、得られるＸ線ビームはアンジュレータ内において電子ビームが運動する平面内に広く分布し、非特許文献１のようにエネルギースペクトルも広がってしまっていると考えられる。
【０００６】
衝突点が磁場中にある問題を解決するために、自由電子レーザーコンプトン散乱において、電子バンチの数を制限してアンジュレータ内での衝突を避け、衝突点を減らす方法がある（非特許文献２参照）。しかし、この方法では、多数の電子バンチを加速できる加速器の性能を充分に引き出せない問題がある。
【０００７】
また、自由電子レーザーと電子ビームを逆コンプトン散乱させてＸ線を発生させる技術は、電子蓄積リングというタイプの加速器で発展してきた。その理由は電子バンチの間隔が比較的長く（加速周波数が低い）、磁場のある挿入光源外に衝突点を設定しやすいからである。例えば、挿入光源を分散させてその間に磁場のない空間を設けたり、短い挿入光源と低い共振器損失の光共振器を使用したりすることで、挿入光源外に衝突点を設定していた。しかし、加速周波数が低いために、光共振器内で磁場のない領域における衝突数は３以下であり、Ｘ線の収量を増大させることが難しかった。
【０００８】
本発明者らは、レーザー逆コンプトン散乱を利用した研究開発を行ってきた（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２８７５９４号公報
【特許文献２】特開２００９−１８０５３５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｍ．Ｈｏｓａｋａ他、Ｎｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．ａｎｄ  Ｍｅｔｈ．Ａ３９３（１９９７）５２５−５２９．
【非特許文献２】Ｖ．Ｎ．Ｌｉｔｖｉｎｅｎｋｏ他，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７８（１９９７）４５６９−４５７２．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の自由電子レーザーなどを用いて逆コンプトン散乱を発生させる装置では、磁場中を逆コンプトン散乱の衝突点に選んでしまうと、衝突点付近で電子ビームが横方向の運動成分を持ち、逆コンプトン散乱に特徴的なＸ線の準単色性を失うという問題がある。また、電子バンチの数を制限してアンジュレータ内での衝突を避けて衝突点を減らす従来の装置では、加速器の性能を充分に引き出せない問題がある。また、挿入光源外に衝突点を設定する従来の装置では、衝突数が少なく、高収量のＸ線を発生させできないという問題がある。
【００１２】
このように、従来技術では、光共振器に多数の自由電子レーザーパルスと電子ビームバンチを存在させて、逆コンプトン散乱衝突点を増大させることが困難である。逆コンプトン散乱Ｘ線ビームの高収量化には、多数の衝突点を有することが効果的であるが、有効な手段がなかった。
【００１３】
小型で実用的な線形加速器型を用いた自由電子レーザー装置の場合は、加速周波数が高いために、自由電子レーザーを発生させる光共振器内で逆コンプトン散乱を行うには、挿入光源内での衝突が不可欠になるという問題がある。
【００１４】
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、電子ビームと自由電子レーザーとの逆コンプトン散乱の衝突点を増大させて高収量のＸ線を発生させるＸ線発生装置を提供することを目的とする。また、本発明は、逆コンプトン散乱に特徴的な準単色性を有するＸ線の発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、磁場のある挿入光源内で逆コンプトン散乱を行うがＸ線ビームの準単色性を失わない工夫を施したものである。本発明者らは、アンジュレータと呼ばれる挿入光源の周期を、電子バンチ間隔が挿入光源の周期長の偶数倍になるように選ぶことにより、上記課題を解決するに到ったものである。電子ビームとして短パルス（例えば３ｐｓ（約１ｍｍ）以下）のものを使用し、挿入光源の周期を電子バンチ長よりも充分に大きく例えば４０倍以上にして、前記周期長と前記電子バンチ間隔を設定することを行った。また、自由電子レーザーの光共振器を調整して、電子バンチと自由電子レーザーとの衝突点が挿入光源内で光軸方向の運動しかないところに選ぶと、発生した逆コンプトン散乱Ｘ線は大部分が自由電子レーザー軸上に放射されることになり、通常のレーザー逆コンプトン散乱と同様に、コリメータを使用して準単色な成分を取り出すことができる。
【００１６】
本発明では、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。
【００１７】
本発明のＸ線発生装置は、逆コンプトン散乱を用いたＸ線発生装置であって、加速器内で電子ビーム軌道を挟むと共に周期的な磁場を発生するアンジュレータを備え、電子バンチのバンチ間隔がアンジュレータの周期磁場の周期長の偶数倍であるようにして、前記アンジュレータ内で、自由電子レーザー光と電子ビームとを衝突させてレーザー逆コンプトン散乱Ｘ線を発生させることを特徴とする。また、光共振器を備え、前記光共振器の調整により、電子バンチと自由電子レーザーとの衝突点は、電子バンチが光軸方向の運動のみである位置であることを特徴とする。アンジュレータの周期磁場の周期長は、電子バンチ長の２０倍以上であることが好ましい。本発明で用いる電子ビームは、短パルスの電子ビームであるとより望ましい。
【００１８】
本発明のＸ線発生方法は、周期的な磁場を発生するアンジュレータ内で、自由電子レーザー光と電子ビームとを衝突させてレーザー逆コンプトン散乱Ｘ線を発生させる方法であって、電子バンチのバンチ間隔が、前記アンジュレータの周期磁場の周期長の偶数倍であるように設定することを特徴とする。また、逆コンプトン散乱の衝突点を全て光軸と平行な位置に設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、電子バンチのバンチ間隔がアンジュレータの周期磁場の周期長の偶数倍であるように設定することにより、電子ビームと自由電子レーザーとの逆コンプトン散乱の衝突点を増大させて高収量のＸ線を発生させることができる。また、本発明によれば、電子バンチと自由電子レーザーとの衝突点は、電子バンチが光軸方向の運動のみである位置に、調整できるので、逆コンプトン散乱に特徴的な準単色性を有するＸ線の発生することができる。また、アンジュレータの周期磁場の周期長を、電子バンチ長の２０倍以上であると、本発明の特徴である電子バンチのバンチ間隔をアンジュレータの周期磁場の周期長の偶数倍であるように設定する際に、有利である。また、短パルスの電子ビームを用いることにより、従来使用されているアンジュレータに対しても、その周期長が電子バンチ長よりも充分長い状態を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施の形態の逆コンプトン散乱を用いたＸ線発生装置を示す図である。
【図２】第１の実施の形態のアンジュレータを模式的に表す図である。
【図３】第１の実施の形態のアンジュレータ内の電子バンチ列と自由電子レーザーパルス列の関係を示す図である。（ａ）は位相が揃っている場合を、（ｂ）は位相が揃っていない場合を示す。
【図４】第１の実施の形態のアンジュレータの磁場と、蛇行する電子バンチ列と、自由電子レーザー列と、衝突点との関係を示す図である。（ａ）は位相が揃っている場合を、（ｂ）は位相が揃っていない場合を示す。
【図５】自由電子レーザー逆コンプトン散乱のタイミングを示す図である。
【図６】実施例と比較例の自由電子レーザー逆コンプトン散乱Ｘ線スペクトルを示す図である。
【図７】第２の実施の形態の電子蓄積リングを用いるＸ線発生装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
電子ビームを一平面内で周期的に運動させるタイプの挿入光源（例えば水平アンジュレータ）では、一周期ごとに２度、光軸と平行になることがある。このようなタイプの挿入光源を使用し、該挿入光源の周期長が電子バンチ長に較べて充分に長くなるようにする。電子バンチのバンチ間隔が挿入光源の周期長の偶数倍になっていれば、光共振器を調整することで逆コンプトン散乱の衝突点を全て光軸と平行な位置に設定することができる。これらの衝突点の位置で発生する逆コンプトン散乱Ｘ線は、同一の軸上に射出されるので、単色度の良いビームを得ることが可能になる。
【００２２】
（第１の実施の形態）
本発明の実施の形態について、図１〜５を参照して以下説明する。図１に、本実施の形態の逆コンプトン散乱を用いたＸ線発生装置の概略を示す。本実施の形態のＸ線発生装置は、加速された電子ビーム２とレーザー光源からのレーザー光とを衝突させてＸ線ビーム１１を発生させる。Ｘ線発生装置は、挿入光源１（アンジュレータ１とも呼ぶ）と、光共振器５と、光共振器６と、ビームダンプ７とを備える。Ｘ線ビーム１１は放射線遮蔽壁８の孔を通過して放射線遮蔽装置９内のＸ線検出器システム１０により検出することができる。挿入光源１は、加速器内で直線状の電子ビーム軌道を挟むと共に隣り合う磁場の方向が互い違いになるように配列され複数対の磁石からなる。光共振器５は、加速器外で、直線状の電子ビーム軌道の一方の延長線上に配置され、挿入光源１からの光を挿入光源１に戻す。光共振器６は、加速器外で、直線状の電子ビーム軌道の他方の延長線上に配置され、挿入光源１からの光を挿入光源１に戻す。加速器で発生した光は、光共振器５、６からなる光学系を往復することでレーザー発振する。得られた自由電子レーザー（ＦＥＬ）を、挿入光源を通過する電子ビームと正面衝突させて、レーザー逆コンプトン散乱Ｘ線を発生させる。ビームダンプ７は、ビームを受光し吸収する装置である。挿入光源で発生したＸ線を出射させて、Ｘ線ビーム１１を取り出す。
【００２３】
図２に、アンジュレータ１の磁極及びアンジュレータ内の電子ビーム２を模式的に表す。図２に示したｘｙｚ軸に対応して、図３に、アンジュレータ内の電子バンチ列４と自由電子レーザー（ＦＥＬ）パルス列３の関係を示す。図３（ａ）は、位相が揃っている場合をｙｚ面とｘｚ面で示す。図３（ｂ）は、位相が揃っていない場合をｙｚ面とｘｚ面で示す。ＦＥＬパルス列は、電子ビームに基づくので、電子バッチと同間隔のパルス列である。図３（ａ）のように、位相が揃っている場合は、蛇行する電子バンチ列４と自由電子レーザー列（ＦＥＬ列）３とは、×印で表される衝突点で衝突する。一方、位相が揃っていない場合は、図３（ｂ）に示す衝突点（×印）のように、蛇行する電子バンチ列が軸方向以外の方向に運動している点で、自由電子レーザー列（ＦＥＬ列）３と衝突する。
【００２４】
図４に、アンジュレータのｘｚ面における、磁場と、蛇行する電子バンチ列４と、自由電子レーザー列（ＦＥＬ列）３と、衝突点との関係を示す。磁場は、紙面垂直方向上向き又は下向きの周期磁場である。図４（ａ）は図３（ａ）と同様、位相が揃っている場合であり、図４（ｂ）は図３（ｂ）と同様、位相が揃っていない場合である。
【００２５】
図５に、自由電子レーザー逆コンプトン散乱のタイミングを示す。図５左側から右向きに自由電子レーザー列（ＦＥＬ列）３が進行し、右側から左向きに電子バンチ列が進行しているとき、図５(a)に第１の衝突のタイミング、次に図５(ｂ)に、続く第２の衝突のタイミング、さらに図５(ｃ)に、続く第３の衝突のタイミングを図示する。衝突点を×印で表す。電子バンチ列４の任意の電子バンチに注目すると、第１のタイミングでＦＥＬパルス列と衝突した（図５（ａ））後、電子バンチの間隔の１／２進行したところで再び衝突し（図５（ｂ））、さらに電子バンチの間隔の１／２進行したところで再び衝突（図５（ｃ））する。衝突点の間隔は、電子バンチの間隔の１／２である。
【００２６】
図３（ａ）や図４（ａ）のように、位相が揃っている場合を実現するために、電子バンチのバンチ間隔がアンジュレータ周期長の偶数倍になるように設定する。アンジュレータの周期長（挿入光源の周期長）とは、周期的な電磁場を永久磁石や電磁石により発生する装置であるアンジュレータの周期磁場の周期長のことである。偶数倍とは、２、４、６倍、またはそれ以上をさす。衝突回数を多くする為には、２、４、６のように小さい数字が望ましく、２倍が代表例である。
【００２７】
電子バンチのバンチ間隔がアンジュレータの周期長の偶数倍になっていれば、図３（ａ）や図４（ａ）のように、自由電子レーザーの光共振器を調整して、電子バンチと自由電子レーザーとの衝突点が挿入光源内で、電子バンチが光軸方向の運動しかないところに選ぶことができる。こうして逆コンプトン散乱の衝突点を全て光軸と平行な位置に設定することができる。
【００２８】
アンジュレータの周期長は電子バンチ長よりも十分大きくすることが好ましく、例えば２０倍以上であれば、逆コンプトン散乱で得られるＸ線のエネルギー広がりが１％以下になるので好ましい。４０倍以上であれば、Ｘ線のエネルギー広がりが更に狭い０．５％以下になるので、より好ましい。電子バンチ長とは、電子バンチの光軸方向のサイズである。線形加速器では電子バンチ長は短く、通常満たしている。
【００２９】
（実施例）
以下実施例を示す。
赤外自由電子レーザーを発生できる日本大学量子科学研究所電子線利用研究施設に設置されているSバンド線形加速器をモデルとする。挿入光源については、本発明を実現するためにパラメーターを適宜変更してある。以下の計算で使用する主なパラメーターを表１に示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
自由電子レーザーの波長を変化させるために平面アンジュレータ磁場（Ｋ値）か電子ビームエネルギーを変化させることができるが、本実施例では上記の数値に固定する。
【００３２】
電子バンチは平面アンジュレータに入射すると、図２に示すような周期的な蛇行運動を行い、スペクトル輝度の高い放射を行う。このアンジュレータ放射は光共振器ミラーによって光共振器に閉じこめられ、次々とやってくる電子バンチと相互作用することで特定の波長だけが増幅し、自由電子レーザー発振に至る。電子バンチのマクロパルスはおよそ２０ｍｓあるが自由電子レーザー発振に至るまで１０ｍｓ要するので、自由電子レーザーが発振している時間は１０ｍｓである。このマクロパルスの中に電子バンチは３５０ｐｓ毎にミクロパルスとして並んでいるため、およそ２８５６０個の自由電子レーザーパルスが一つのマクロパルスの中に含まれている。電子バンチの間隔は、加速周波数（２８５６ＭＨｚ）によって決まるから、３５０ｐｓ、１０４．９６８ｍｍである。また電子バンチ長は、電子ビームの時間方向の広がりであり、１ｍｍである。
【００３３】
自由電子レーザーパルスは、下流の光共振器ミラーで反射されたときは電子バンチと正反対の方向に運動するため、二つの偏向磁石で挟まれた領域内で電子バンチと衝突し、逆コンプトン散乱によってエネルギーが約１８４ｋｅＶのＸ線を発生する。衝突の間隔はバンチ間隔の半分なので５２．４８４ｍｍである。
【００３４】
アンジュレータは通常は光共振器の中央付近に設置されるため、電子バンチのビームサイズも自由電子レーザーのビームサイズも最小になり、逆コンプトン散乱の発生量が最も高くなる。また直線部の大部分をアンジュレータが占めることが多く、逆コンプトン散乱にとってアンジュレータ内での発生が重要である。
【００３５】
本実施例では、逆コンプトン散乱によって１％の単色度を得るためには、自由電子レーザー軸から頂角０．５ｍｒａｄの円錐内に放射されたＸ線のみを取り出せばよい。しかし、本発明を用いない場合のアンジュレータ内における電子バンチの最大触れ角は５．１ｍｒａｄもあるので、図１のように光共振器後方の自由電子レーザー軸上の固定した場所にＸ線検出器を配置したのでは、各衝突点からの逆コンプトン散乱Ｘ線ビーム軸が揃わず、エネルギーのそろった高収量Ｘ線ビームを得ることができない。
【００３６】
そこで、本実施例では、衝突間隔をアンジュレータ周期長の倍数にする。上述したように、衝突間隔は電子バンチ間隔の半分なので、電子バンチ間隔がアンジュレータ周期長の偶数倍にすると言うことができる。このような電子バンチ間隔とアンジュレータ周期長との条件であると、各衝突の位相が揃う。そこで光共振器を調整することによって、逆コンプトン散乱の衝突点を全て光軸と平行な位置に設定することができる。実際には電子バンチに有限な大きさがあり、本実施例では電子バンチ長１ｍｍを想定しているが、電子バンチ長は周期長の約２％しかなく、Ｘ線ビームのエネルギー広がりに与える影響は、電子ビームのエネルギー広がりの方が優勢である。
【００３７】
図６は、約２．４ｍのアンジュレータ長に対して、アンジュレータ中央から２０ｍの位置に直径４５ｍｍの穴の空いたコリメータ（Ｘ線が充分に吸収できる厚さ）を自由電子レーザー軸上においた場合の、自由電子レーザー逆コンプトン散乱Ｘ線スペクトルを示している。図６において、横軸はＸ線エネルギーで、縦軸は相対的Ｘ線収量で、実線が本願実施例である。比較のため、図６にはアンジュレータ周期長が電子バンチ間隔と同期していない場合（周期長４８ｍｍ、周期数５０）についても計算して、点線（比較例）で示してある。図６が示すように、本願実施により自由電子レーザー逆コンプトン散乱Ｘ線の収量および単色度が著しく向上する。
【００３８】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、線形加速器をモデルにして説明を行ったが、第２の実施の形態は、その変形例として電子蓄積リングを使用する場合である。図７に示したように短パルス電子蓄積リング２０の一部にアンジュレータ１および光共振器５、６を設置して使用する。その他の構成は第１の実施の形態と同様で、電子バンチのバンチ間隔がアンジュレータの周期長の偶数倍になるように設定するとよい。
【００３９】
以上のように、第１の実施の形態の線形加速器では、電子バンチ長の典型的な長さが数ｐｓ程度（〜１ｍｍ）と短く、挿入光源の典型的な周期長（数ｃｍ）よりも充分に短いので、本発明の挿入光源を作製することが可能である。また第２の実施の形態の蓄積リングにおいても、アイソクロナス型の場合や長周期挿入光源を使用することが好ましい。
【００４０】
なお、上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４１】
１、アンジュレータ
２、電子ビーム
３、ＦＥＬパルス列
４、電子バンチ列
５、６、光共振器
７、ビームダンプ
８、放射線遮蔽壁
９、放射線遮蔽装置
１０、Ｘ線検出器システム
１１、Ｘ線ビーム
２０、短パルス電子蓄積リング
【図１】
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【図７】
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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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