(57)【要約】  電子バンチを貯蔵するための電子貯蔵リングを備えるコンプトン後方散乱Ｘ線源が提供される。タイミングシステムが、Ｘ線の放出に関する少なくとも１つの属性を向上させるものが選択されたスケジュールに従って、軌道を回っている電子バンチをリフレッシュする。一実装形態では、電子バンチは、少なくとも約１０Ｈｚの周期で周期的にリフレッシュされる。【選択図】図２
2007533081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプトン後方散乱からＸ線を発生させるＸ線源であって、
電子バンチを貯蔵するための電子貯蔵リングであり、前記電子貯蔵リングが、前記電子貯蔵リングの一部分に沿って配設された相互作用点を通過する前記電子貯蔵リングの周囲の軌道内に電子を誘導し、前記電子貯蔵リング内に貯蔵された電子バンチが、初期入射後に時間応答に従って低下する、Ｘ線の放出に関係する少なくとも１つの属性を有する、電子貯蔵リングと、
電子バンチを前記電子貯蔵リング内に入射するための入射器と、
電子バンチを前記電子貯蔵リングから排出するための排出器と、
前記相互作用点に結合される光子パルスを発生させる光学系であり、前記光子パルスが、対応する電子バンチと前記相互作用領域内で相互作用するように同期されて、コンプトン後方散乱によりＸ線放射を発生させる、前記光学系と、
定常状態動作に比べて、Ｘ線の前記放出に関係する前記少なくとも１つの属性の前記低下を低減するものが選択されたスケジュールに従って、貯蔵された電子バンチを排出し新しい電子バンチを入射するように、前記入射器および前記排出器に指示するタイミングシステムとを備える、Ｘ線源。
【請求項２】
前記タイミングシステムが前記電子バンチを、前記時間応答に関連する時定数未満の周期で周期的にリフレッシュする、請求項１に記載のＸ線源。
【請求項３】
前記周期が、電子バンチのビーム内散乱の飽和時定数未満である、請求項２に記載のＸ線源。
【請求項４】
前記属性が、前記貯蔵された電子バンチの時間平均されたビームエミッタンスであり、前記スケジュールが、前記少なくとも１つの属性の初期入射後の低下が約３倍以下であるように選択される、請求項１に記載のＸ線源。
【請求項５】
前記スケジュールが、少なくとも約１０Ｈｚの速度での周期的なリフレッシュである、請求項１に記載のＸ線源。
【請求項６】
放射遮蔽を有するダンプをさらに備え、前記排出器が、電子バンチを前記ダンプ内に排出する、請求項１に記載のＸ線源。
【請求項７】
前記光学系が、前記相互作用領域と同軸の光の経路を有する光共振器を備える、請求項１に記載のＸ線源。
【請求項８】
電子と光の１８０°コンプトン後方散乱によってＸ線を発生させるＸ線源において、
電子バンチを貯蔵するための電子貯蔵リングであり、前記電子貯蔵リングが、前記電子貯蔵リングの一部分に沿って配設された相互作用点を通過する前記電子貯蔵リングの周囲の軌道内に電子を誘導し、前記電子貯蔵リング内に貯蔵された電子バンチが、初期入射後に時間応答に従って低下する、Ｘ線の放出に関係する少なくとも１つの属性を有する、電子貯蔵リングと、
バンチ化された電子を前記電子貯蔵リング内に入射するための入射器と、
バンチ化された電子を前記電子貯蔵リングから排出するための排出器と、
光子パルスを発生させるレーザと、
前記レーザに光学的に結合される光共振器であり、前記光共振器が、前記相互作用点での光子パルスと電子バンチとの１８０°コンプトン後方散乱用の前記相互作用点を備える前記リングの一部分の上に広がり、前記光共振器が、前記光子パルスを反射し、Ｘ線に透過なミラーを備える、光共振器と、
前記入射器および前記排出器が、スケジュールに従って、貯蔵された電子バンチを排出し新しい電子バンチを入射するようにスケジューリングする、タイミングシステムとを備えるＸ線源であって、
前記電子貯蔵リング内に貯蔵された電子バンチが、初期入射後に時間応答に従って低下する、Ｘ線の放出に関係する少なくとも１つの属性を有し、それに伴い古い電子バンチが排出され新しい電子バンチが入射される前記スケジュールが、定常状態動作に比べて、前記電子バンチの少なくとも１つの属性の前記低下を低減するものが選択される、Ｘ線源。
【請求項９】
前記光共振器が、進行波共振器である、請求項８に記載のＸ線源。
【請求項１０】
前記光共振器が、ボウタイ型共振器である、請求項８に記載のＸ線源。
【請求項１１】
前記タイミングシステムが、前記電子バンチを前記時間応答に関連する時定数未満の周期で周期的にリフレッシュする、請求項８に記載のＸ線源。
【請求項１２】
前記周期が、電子バンチのビーム内散乱の飽和時定数未満である、請求項１１に記載のＸ線源。
【請求項１３】
前記スケジュールが、前記少なくとも１つの属性の初期入射後の低下が約３倍以下であるように選択される、請求項８に記載のＸ線源。
【請求項１４】
前記スケジュールが、少なくとも約１０Ｈｚの速度での周期的なリフレッシュである、請求項８に記載のＸ線源。
【請求項１５】
放射遮蔽を有するダンプをさらに備え、前記排出器が、電子バンチを前記ダンプ内に排出する、請求項８に記載のＸ線源。
【請求項１６】
コンプトン後方散乱からＸ線を発生させるＸ線源であって、
電子バンチを貯蔵するための電子貯蔵リングであり、前記電子貯蔵リングが、前記電子貯蔵リングの一部分に沿って配設された相互作用点を通過する前記電子貯蔵リングの周囲の軌道内に電子を誘導し、前記電子貯蔵リング内に貯蔵された電子バンチが、初期入射後に時間応答に従って低下するビームエミッタンスおよびエネルギー広がりを有する、電子貯蔵リングと、
電子バンチを前記電子貯蔵リング内に入射するための入射器と、
電子バンチを前記電子貯蔵リングから排出するための排出器と、
前記相互作用点に結合される光子パルスを発生させる光学系であり、前記光子パルスが、対応する電子バンチと前記相互作用領域内で相互作用するように同期されて、コンプトン後方散乱によりＸ線放射を発生させる、前記光学系と、
定常状態動作に比べて、貯蔵された電子バンチの時間平均された前記ビームエミッタンスおよびエネルギー広がりを低減するものが選択されたスケジュールに従って、前記入射器および前記排出器に、貯蔵された電子バンチを排出し、新しい電子バンチを入射するように指示するタイミングシステムとを備える、Ｘ線源。
【請求項１７】
前記タイミングシステムが、前記電子バンチを前記時間応答に関連する時定数未満の周期で周期的にリフレッシュする、請求項１６に記載のＸ線源。
【請求項１８】
前記周期が、電子バンチのビーム内散乱の飽和時定数未満である、請求項１７に記載のＸ線源。
【請求項１９】
前記スケジュールが、少なくとも約１０Ｈｚの速度での周期的なリフレッシュである、請求項１６に記載のＸ線源。
【請求項２０】
放射遮蔽を有するダンプをさらに備え、前記排出器が、電子バンチを前記ダンプ内に排出する、請求項１６に記載のＸ線源。
【請求項２１】
コンプトン後方散乱によってＸ線を発生させる方法であって、
相互作用点を備える電子貯蔵リングの周囲の軌道内に電子バンチを誘導するステップと、
前記相互作用点に光子パルスをもたらして、コンプトン後方散乱させるステップと、
コンプトン後方散乱によって発生されたＸ線の少なくとも１つの属性を向上させるものが選択されたスケジュールに従って、新しい電子バンチを入射し、古い電子バンチを排出することによって、軌道を回っている電子バンチをリフレッシュするステップとを含む方法。
【請求項２２】
前記軌道を回っている電子バンチが、前記軌道を回っている電子バンチのエネルギーおよび運動量の広がりを低減するものが選択されたリフレッシュ速度で周期的にリフレッシュされる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記リフレッシュ速度が、少なくとも約１０Ｈｚである、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記リフレッシュ速度が、前記軌道を回っている電子バンチのエネルギーおよび運動量の広がりを、定常状態の飽和レベルのうち予め選択された分より下に維持するものが選択される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
軌道を回っている電子の少なくとも１つの属性を向上するものが選択されたスケジュールに従って電子貯蔵リングを回っている電子バンチをリフレッシュするように電子バンチ排出器および電子バンチ入射器を制御するためのタイミングシステムを備える、コンプトンＸ線源のための装置。
【請求項２６】
コンプトン後方散乱によってＸ線を発生させる方法であって、
相互作用点を備えるＸ線貯蔵リングの周囲の軌道内に電子バンチを誘導するステップと、
前記相互作用点に光子パルスをもたらして、コンプトン後方散乱させるステップと、
定常状態動作に比べて、Ｘ線放射の帯域幅を低減するものが選択されたスケジュールに従って、新しい電子バンチを入射し、古い電子バンチを排出することによって、軌道を回っている電子バンチをリフレッシュするステップとを含む方法。
【請求項２７】
コンプトン後方散乱によってＸ線を発生させる方法であって、
相互作用点を備えるＸ線貯蔵リングの周囲の軌道内に電子バンチを誘導するステップと、
前記相互作用点に光子パルスをもたらして、コンプトン後方散乱させるステップと、
定常状態動作に比べて、Ｘ線放射の輝度を向上するものが選択されたスケジュールに従って、新しい電子バンチを入射し、古い電子バンチを排出することによって、軌道を回っている電子バンチをリフレッシュするステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【連邦政府主催の研究についての言明】
【０００１】
[0001]本発明は、一部には保健福祉省国立衛生研究所国立一般医学研究所からの、認可番号４  Ｒ４４  ＧＭ０６６５１１−０２の認可によって援助されたものである。米国政府は、本発明に権利を有することができる。
【発明の背景】
【０００２】
[0002]シンクロトロンＸ線放射源は、科学技術の多くの異なる分野にとって重要である。シンクロトロンＸ線放射源は、調整可能な波長を有する。波長が原子スケールに合致した強いＸ線ビームは、物理学および生物学の世界に新たな扉を開いた。シンクロトロン放射の可調整性によって、Ｘ線の回折や散乱などの強力な技術がさらに強化され、それにより、Ｘ線分光学の微細さを引き出すことができる。
【０００３】
[0003]高線束シンクロトロンは一般に、高エネルギー電子ビームを貯蔵するための大型磁石リングを使用する集中施設として実施されている。説明のための一例として、従来の第３世代シンクロトロンは、１００ｍを超える直径を有し、２〜７Ｇｅｖのビームを利用することができ、波長が１ÅのＸ線放射を発生させるアンジュレータ磁石などの挿入装置と組み合わされている。
【０００４】
[0004]従来のシンクロトロンは、物理的サイズが大きく、コストが高く、複雑であることから、その用途が制限されてきた。例えば、多くの大学、病院、および研究センターでは、床面積、コスト、電力、および放射レベルに制限があり、そのことが従来のシンクロトロンを、Ｘ線放射の局所源として非実用的にしている。その結果、シンクロトロン放射を使用して開発されてきた医療および工業向けの多くの適用例があるが、必要なＸ線の強度およびスペクトルの特性を有する実用的なシンクロトロン放射の局所源が利用できないため、それらは広く使用されていない。
【０００５】
[0005]小型シンクロトロンＸ線源の研究により、コンプトン散乱効果を使用する局所Ｘ線源のためのいくつかの設計提案がもたらされた。コンプトン散乱は、光子と電子との弾性散乱現象である。総エネルギーも運動量もこの過程中に保存されるので、エネルギーがはるかに高い散乱光子（波長がはるかに短い光）をこのようにして得ることができる。
【０００６】
[0006]コンプトンＸ線源の一例に、Ｒｕｔｈ等の米国特許第６０３５０１５号、「Ｃｏｍｐｔｏｎ  ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ  ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ  ｘ−ｒａｙ  ｓｏｕｒｃｅ」に記載されているものがある。その内容をここに、参照により組み込む。図１は、米国特許第６０３５０１５号に開示されたシステムを示す。このＸ線源は、小型の電子貯蔵リング１０を備え、電子入射器１１によって入射された電子バンチが、セプタムまたはキッカー１３によってその中に導入される。小型貯蔵リング１０は、互いに面して間隙１４、１６を成す、Ｃ字型の金属管１２、１５を備える。本質的に周期的な一続きの同一のＦＯＤＯセル１８が、管部１２、１５を取り囲む。周知のように、ＦＯＤＯセルは、集束四極子２１、続いて双極子２２、続いて発散四極子２３、次に続いて別の双極子２４を備える。これらの磁石は、永久磁石（非常に小型だが、磁界が固定）または、本質的に電磁石（磁界強度が外部の電流で変わる）とすることができる。ＦＯＤＯセルは、電子バンチを集束された状態に保ち、経路を偏向し、したがってバンチが小型貯蔵リングの周囲を移動し、間隙１６を繰り返し横断する。電子バンチは、リング内を循環して間隙１６を横断する際、相互作用領域２６を通り抜け、そこで経路２７に沿って移動する光子またはレーザパルスと相互作用して、コンプトン後方散乱によってＸ線２８を発生させる。金属管は、真空にされてもよく、真空空洞内に配置されてもよい。
【０００７】
[0007]米国特許第６０３５０１５号の従来技術のコンプトンＸ線源では、パルスレーザ３６が、ファブリ−ペロー光共振器３２の中に入射される。この共振器は、光子パルスを共振器内に入射させるパルスレーザ３６で共振器周期をもたらすように離隔された高反射ミラー３３および３４を備えることができる。定常状態では、レーザ３６からの一続きの同期された入力レーザパルスによってどんな損失も補償されるので、共振器内の蓄積されたレーザまたは光子パルスの出力レベルを維持することができる。レーザパルスの繰返し速度は、電子ビームがリングの周囲を１回循環するのにかかる時間、および光子パルスが光共振器内で一往復するのにかかる時間に合致するものが選択される。相互作用領域２６で、光ビームパルスが電子ビームと繰り返し衝突するように、電子バンチとレーザまたは光子パルスとが同期される。
【０００８】
[0008]特別な偏向および集束磁石４１、４２および４３、４４が、光子パルスと相互作用することができるように電子バンチを導くために、また電子バンチとレーザビームパルスの集束されたウエストとをオーバーラップさせるため、電子ビームを真空空洞内に横方向に集束させるために、設けられる。光共振器は、図３の前進方向においてＸ線２８を妨げないために、わずかに傾けられる。ＦＯＤＯセル１８ならびに集束磁石および偏向磁石４１、４２および４３、４４には、レーザパルスおよびＸ線ビームが、相互作用領域２６の中へ、またそこから外に、偏向する、また通過することを可能にするように、隙間が付けられる。電子ビームのエネルギーおよび循環周波数は、通常の貯蔵リングと同様に、高周波（ＲＦ）加速空洞４６によって維持される。さらに、ＲＦ磁界が、バンチ長がレーザパルス長に一致する電子ビームを閉じ込める、長手方向の集束力として働く。
【０００９】
[0009]米国特許第６０３５０１５号の従来技術のコンプトンＸ線源では、電子エネルギーが比較的低く、例えば従来型の大規模シンクロトロンでは３ＧｅＶの電子エネルギーであるのに比べて８ＭｅＶである。中程度のエネルギーをもつ貯蔵リングでは、電子間のクーロン反発力が全自由度方向に電子を絶えず押しのけて引き離し、電子が互いに散乱して離れる、いわゆるビーム内散乱効果も引き起こすことが良く知られている。従来技術のコンプトンＸ線源では、ビーム内散乱に対して、電子を冷却し安定化させるのに、レーザ−電子相互作用が使用される。貯蔵リング内に、密に集束されるレーザ−電子相互作用領域２６を挿入することによって、電子が散乱光子にエネルギーを奪われ、続いてＲＦ空洞内で再度加速されるたびに、電子は位相空間（電子の位置および運動量についての情報を含む空間）においてより近くに移動する、すなわち、ビーム内の電子のランダムな熱運動が少ないので、電子ビームは「より冷たく」なる。このレーザ冷却は、光共振器内部のレーザパルスがより強度にされ、それが、強い電子ビームが貯蔵されているときの自然の量子励起および強力なビーム内散乱効果を打ち消すのに使用される場合に、より顕著である。したがって、電子ビームを、レーザ−電子相互作用を繰り返すことによって安定化し、得られるＸ線束を大幅に増大することができる。
【００１０】
[0010]従来のコンプトンＸ線源には、これまでそれらを多くの用途において非実用的にしてきたいくつかの欠点がある。具体的には、米国特許第６０３５０１５号に記載されたものなど、従来技術の小型コンプトンＸ線源は、タンパク質結晶学または位相差結像などの狭帯域用途には明るさが十分でないＸ線源である。狭帯域用途（「単色」用途としても知られる）は、モノクロメータを一般に使用して入射Ｘ線ビームからＸ線エネルギーの狭い帯域をフィルタリングまたは選択する、用途または技術である。説明のための一例として、モノクロメータは一般に、相対的なエネルギー帯域幅の０．１％未満を選択する。結果として、狭帯域用途は、総量の高いＸ線源の源部からだけでなく、狭帯域内で比較的明るいＸ線束からも恩恵を受ける。
【００１１】
[0011]米国特許第６０３５０１５号に記載されたものなど、従来技術のコンプトンＸ線源のＸ線ビームは、１つには電子とレーザとの相互作用によって生じる大きなエネルギー広がりのため、所望されるよりも低い輝度を有する。また、光学系の異なる要素における制御、安定性、および損失のいくつかの制限のため、ミラー３３と３４の間のファブリ−ペロー共振器内に結合し貯蔵することのできる、コンプトン後方散乱で使用するための光出力レベルが所望されるよりも低いことからも、輝度は所望されるよりも低い。さらに、米国特許第６０３５０１５号では、Ｘ線の吸収を低減するために、Ｘ線の経路からオフセットされた光学ミラー３４を有し、その結果、真の１８０°後方散乱の幾何形状から数度逸れた光ビームがもたらされ、それによりコンプトン後方散乱効率が大幅に低減される。
【００１２】
[0012]したがって、所望されるものは、狭帯域シンクロトロン放射用途に適した、輝度および効率が増大された小型コンプトンＸ線源である。
【発明の概要】
【００１３】
[0013]コンプトン後方散乱Ｘ線源は、軌道を回っている電子バンチを、スケジュールに従ってリフレッシュする。一実施形態では、軌道を回っている電子バンチは、定常状態動作に比べて、コンプトン後方散乱によって発生されたＸ線の少なくとも１つの属性を向上させるのに十分なほどしばしばリフレッシュされる。一実施形態では、軌道を回っている電子バンチは、所望の帯域幅内でＸ線輝度を向上させるものが選択されたスケジュールに従ってリフレッシュされる。
【００１４】
[0014]コンプトン後方散乱によってＸ線を発生させる方法の一実施形態は、相互作用点を備えるＸ線貯蔵リングの周囲の軌道内に電子バンチを誘導すること、相互作用点に光子パルスをもたらして、コンプトン後方散乱させること、および、コンプトン後方散乱によって発生されたＸ線の少なくとも１つの属性を向上させるものが選択されたスケジュールに従って、新しい電子バンチを入射し古い電子バンチを排出することによって、軌道を回っている電子バンチをリフレッシュすることを含む。
【００１５】
[0015]コンプトン後方散乱からＸ線を発生するＸ線源の一実施形態は、電子バンチを貯蔵するための電子貯蔵リングであり、電子貯蔵リングが、電子貯蔵リングの一部分に沿って配設された相互作用点を通過する電子貯蔵リングの周囲の軌道内に電子を誘導し、電子貯蔵リング内に貯蔵された電子バンチが、初期入射後に時間応答に従って低下する、Ｘ線の放出に関係する少なくとも１つの属性を有する電子貯蔵リングと、電子バンチを電子貯蔵リング内に入射するための入射器と、電子バンチを電子貯蔵リングから排出するための排出器と、相互作用点に結合される光子パルスを発生させる光学系であり、光子パルスが、対応する電子バンチと相互作用領域内で相互作用するように同期されて、コンプトン後方散乱によりＸ線放射を発生させる光学系と、定常状態動作に比べて、Ｘ線の放出に関係する少なくとも１つの属性の低下を低減するものが選択されたスケジュールに従って、入射器および排出器に、貯蔵された電子バンチを排出し、新しい電子バンチを入射するように指示するタイミングシステムとを備える。
【００１６】
[0016]本発明は、以下の詳細な説明に関して添付の図面と併せてより完全に理解される。
【発明の詳細説明】
【００１７】
[0026]同じ参照番号は、それらの図面のいくつかの図を通して対応する部分を表す。
【００１８】
[0027]図２は、本発明の一実施形態による、多くのＸ線用途に適した、ほぼ単色、平行、調整可能な高線束のＸ線ビームの発生を容易にする特徴を有する、小型Ｘ線シンクロトロン源２００を示す。
【００１９】
[0028]Ｘ線シンクロトロン源２００は、電子バンチを発生させて、セプタム２２５を介して電子貯蔵リング２２０の中に入射するための、要素２１１、２１２、２１３および２１４を有するシステムの入射器２０５部分を備える。電子バンチは、例えば、ある空間密度の包絡線、エネルギーおよび運動量の分布、ならびに時間パルス長を有する１群の電子である。電子源２１０で、ＲＦ銃２１２をパルスレーザ２１１で銅やマグネシウムなどの光電陰極材料を突つことによって使用して、電子バンチを生成する。短い１つまたは複数の線形加速部２１３が、選択された波長を有する光子との約１８０°でのコンプトン散乱に所望のＸ線エネルギーを得るために、電子ビームをリング内に所望の最大エネルギーまで加速させる。例えば、１μｍ波長のレーザパルスを使用して、１Åの放射を得るために必要な電子エネルギーは、２５ＭｅＶである。集束磁石およびステアリング磁石（ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔ）からなる輸送ライン２１４が、電子貯蔵リング２２０に入射するための電子バンチを用意する。
【００２０】
[0029]入射された電子バンチは、セプタム磁石２２５を使用して、電子貯蔵リング２２０の閉じた軌道の近くに導かれる。次いで、バンチの軌道は、高速偏向磁石（キッカー）２２６によって適当な貯蔵リングの軌道に位置合せされる。一実施形態では、最高出力が低減され、したがって駆動電子回路の複雑さが低減されるように、キッカー２２６に、小型の１組の分散された偏向磁石を使用する。
【００２１】
[0030]システムの排出器２９０部分は、キッカー２２６および遮蔽されたビームダンプ２２７を備える。キッカー２２６は、既存の循環しているパルスを局所的に遮蔽されたビームダンプ２２７に排出する。局所的に遮蔽された電子ダンプ２２７は、望ましくない放射の放出を最小限に抑えるための制御された手段を提供する。一実施形態では、局所的に遮蔽された電子ダンプ２２７は、ダンプの入口に、排出された電子バンチを遮るためのコリメータまたは開口を有する。電子バンチの廃棄物（排出物）はそれぞれ、放射を発生させ、それは、遮蔽されていなければ、Ｘ線シンクロトロン源２００の周囲の領域内で、背景放射レベルを上昇させることになる。局所的に遮蔽された電子ダンプ２２７に関連される放射遮蔽部（図示せず）は、背景放射レベルを低減するようにサイズ設定され、配置される。以下により詳細に説明するように、セプタム２２５、キッカー２２６、および遮蔽されたビームダンプ２２７は、電子バンチの時間平均されたエネルギーおよび運動量の広がりを、定常状態動作に比べて低減するために、好ましくは、電子バンチが規則的（例えば周期的）にリフレッシュ（例えば、新しい電子バンチの入射および古い電子バンチの排出が同時に実施）される動作モードを可能にするように設計される。したがって、遮蔽されたビームダンプ２２７の局所的な放射遮蔽部は、許容可能な平均背景放射レベルを維持しながら、電子バンチの規則的なリフレッシュを容易にすることが望ましい。
【００２２】
[0031]電子貯蔵リング２２０は、電子バンチを、安定した閉軌道内に誘導し、維持するための、集束要素およびステアリング要素を備える。四極子集束磁石２２８および双極子偏向磁石２２９からなる磁石のラティスは、ビームを閉ループ軌道内に閉じ込めて導く。介在する１つまたは複数の四極子磁石２３０と共に、これらの双極子磁石で、入射およびビームの光学系の整合を容易にする色消し光学系を形成することもできる。
【００２３】
[0032]ビームは、ＲＦ空洞２３１によって密に集められた状態に保たれる。１組の四極子磁石２３２によって、電子ビームが横方向に、小さなスポットに集束される直線部が、リングの片側にある。この小さなスポットは、相互作用点（ＩＰ）２３３（時に「相互作用領域」としても知られる）と呼ばれ、光学系２５０によって作り出される集束レーザパルスの経路に一致する。電子バンチのビームダイナミクスが、好ましくは、許容可能な低下を伴って、安定した軌道を実現するように最適化される。リングに沿った電子バンチのビーム軌道を監視するために、ビーム位置モニタを備えてもよい。
【００２４】
[0033]光学系２５０は、光子を発生させ、この光子は、相互作用点２３３内で電子と衝突する。一実施形態では、光子は、１８０°後方散乱の幾何形状で電子と衝突する。パルスレーザ源２３４が、ミラー２３９、２４０、２４１（ａ）および２４１ｂと関連付けられた光共振器によって形成される光共振器２４５を駆動する。光共振器２４５は、相互作用点２３３を通る貯蔵リング２２０の一部分と同軸のミラー２４２と２４０の間に光の経路を有する。パルスレーザ源２３４は、出力を効率的に光共振器２４５に結合させるために、レーザを調整するのに必要な要素を備える。フィードバックシステムは、レーザ周波数を光共振器２４５のレーザ周波数まで追尾させるための、高帯域幅の圧電ミラー組立体などの局所コントローラ２３５からなることができる。そうしたシステムでは、光変調器２３６を使用して、反射信号２４２から適当な誤差信号を発生させる周波数弁別技術を実施することができる。
【００２５】
[0034]入力ミラー２３９は、光出力が駆動レーザ２３４から共振器に入ることを可能にするために、意図的に透過型に作られている。入力透過率値は、出力を効率的に結合する（インピーダンス整合される）ために、理想的には総共振器内部損失と合致すべきである。共振器のミラーは、集束される電子ビームに類似したサイズの小さなスポットをＩＰ２３３で発生させるのに適当な値で湾曲されている。
【００２６】
[0035]光共振器２４５は、ファブリ−ペロー共振器など、従来型の共振器でよい。ただし、一実施形態では、光共振器２４５はリング共振器である。２４２、２４０、２４１ａおよび２４１ｂのうち、１つまたは複数のミラーの位置を調整するために、追加の光学要素（図示せず）を使用することもできる。
【００２７】
[0036]一実施形態では、ミラー２３９、２４０、２４１ａ、２４１ｂは、図のように「ボウタイ型」リング共振器を形成するように構成される。ボウタイ型構成は、進行波のリングであり、定在波のファブリ−ペロー光共振器よりも増大した安定性を有する。ボウタイ型構成では、共振器２４５内で同時に循環される、２つの（位相／時間シフトされた）パルスがあることに留意されたい。ボウタイ型構成が使用される場合、Ｘ線システム２００は、好ましくは、循環している位相／時間シフトされた２つの光子パルスのそれぞれと電子バンチとの衝突を同期させるように設計される。
【００２８】
[0037]ボウタイ型リング共振器を備える光共振器２４５は、いくつかの利点をもたらす。ボウタイ型共振器の幾何形状により、妥当な総面積内で、ミラー２３９、２４０の間の長い分離Ｌが可能になる。これは、１つには、ボウタイ型構成では、特に各ミラーによってもたらされる角度偏向が比較的小さいものが選択される場合、ミラー２３９と２４１ａの間の幅Ｗが、ミラー２３９と２４０とを分離する長さＬ未満になることが可能になるためである。分離Ｌが長いことにより、ＩＰ２３３の近くで狭いウエストを有するように光子パルスを成形することが容易になる。この狭いウエストは、ミラー２４２および２４０のところで増大する。分離Ｌが長いことにより、対抗する電子ビームも同様に横方向に集束される相互作用点２３３に狭い光のウエストを形成するための光学要素を選択することが容易になる。さらに、ボウタイ型構成では、ウエストの両側の２つのミラー２３９、２４０を大きな距離Ｌによって分離することができるので、ボウタイ型構成をとることにより、これらのミラー上でビームサイズの実質的な増大が可能になり、その増大により、単位面積当たりの光出力、または損傷のリスクが下がる。すなわち、ミラー２３９、２４０間の距離が長いことにより、相互作用点２３３で光のウエストが狭く、ミラー２３９、２４０で光のプロファイルが比較的広くなることが可能になる。一実施形態では、これらのミラーとウエストとの間の横方向のビームサイズ比は約１００：１であり、それにより、軸対称のＴＥＭ００モードの場合、ミラー２３９、２４０に、１００００：１程度の出力密度の低減がもたらされる。光共振器２４５内の循環出力を制限する１つの要因はミラーの損傷であるため、ミラーのところで出力レベルが低減すると、光共振器２４５内に高い光出力レベルを貯蔵することが容易になる。
【００２９】
[0038]ミラー２３９、２４０の間の距離が大きいと、最適な１８０°後方散乱の幾何形状で衝突が発生することができるように、双極子磁石２２９を使用して電子ビームをＩＰの中へ、またＩＰから外に導くのにも有利である。電子パルスと光子パルスの間の交角が非常に小さい、またはゼロである場合、高い相互作用効率が維持され、しかもパルスが比較的長くとどまって、安定性の向上が可能になる。この１８０°後方散乱の幾何形状の当然の結果として、発生されたＸ線が、ＩＰ２３３で電子の経路の軌道に一致する経路をたどり、その結果１つの光学ミラー２４０に向かって誘導され、そこを通り抜ける。
【００３０】
[0039]そうした幾何形状において高品質の球面鏡を使用すると、ＩＰ２３３で横方向の両寸法において小さな相互作用スポットを保証するために、ミラーの部分セット上で非点収差を調整する局所コントローラ（図示せず）が必要になることがある。衝突を適当に同期させるために、共振器の往復時間（または経路長）がリング内の電子の往復時間（経路長）に調和して関係されるように設定するための、例えば１つのミラー上の１組の圧電要素（図示せず）による、共振器全長上の別の局所的な制御が必要である。
【００３１】
[0040]光パルスの光偏光特性を急速に変更するために、偏光コントローラ２３７を備えることができ、それにより発生されたＸ線の偏光に影響が及ぼされる。そうしたコントローラは、電気的なポッケルスセルまたは機械的に制御される波長板を使用して実施することができる。
【００３２】
[0041]整合光学素子２３８が、横モードプロファイルを操作して、共振器の固有モードと整合させる。入射ビームを光共振器の軸に位置合せするために、平らな回転ミラーを備えることもできる。整合光学素子は、透過型レンズとして図示されているが、高出力用途の場合には、光学モードの質を保つために、全反射型光学素子の使用が好ましいことがある。
【００３３】
[0042]一実施形態では、光共振器２４５は高フィネス共振器であり、パルスレーザ源２３４は、光共振器２４５の高フィネス共振器を共振駆動する、周波数安定化モード同期レーザである。一実施形態では、パルスレーザ源２３４は、高フィネス外部共振器２４５を効率的に駆動するために能動的に安定化される、モード同期レーザである。モード同期レーザシステムが、エンハンスメント共振器（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｃａｖｉｔｙ）を共振駆動して、高出力レーザパルスを蓄積する。レーザは、幾分か漏れた共振器出力２４２の位相に対する即座の反射の位相を測定することによって誤差信号を得るなどの能動的なフィードバックを介して、光共振器の共振を追尾する。共振器からの反射信号２４２上に、フィードバックまたは波面の診断用のホトダイオードまたは他の高帯域幅検出器（図示せず）を使用することもできる。
【００３４】
[0043]高フィネス共振器から形成される光共振器２４５は、大きな光子密度を貯蔵することができる。光共振器の利得および出力貯蔵性能には、共振器およびミラーによる出力の取り扱いの総損失によって与えられる固有の制限がある。光学的被覆の進歩により、ミラーの散乱損失および吸収損失が、１００万分の１レベルまで下がってきた。表面損傷しきい値がより高くなったことに加えて、こうした損失が低くなったことは、市販の固体レーザ出力を使用しての、１メガワットまたはそれを超える程度の平均循環出力と一致する。しかし、高フィネス共振器は狭い帯域幅を有し、それは、パルスレーザ源２３４が、高フィネス共振器に整合された狭く制御された帯域幅をもつモード同期レーザなどの周波数安定化レーザ源である場合にのみ、高フィネス共振器内の高光出力レベルを効率的に達成することができることを意味する。一例として、周波数安定化モード同期レーザと高フィネス共振器とを組み合わせると、１０，０００を上回るパルス状の利得（ｐｕｌｓｅｄ  ｇａｉｎ）の増大が可能になり、それにより、光出力レベルが増大するため、コンプトン散乱Ｘ線源に必要なレーザ源の複雑さおよびコストが低減される。
【００３５】
[0044]図２に示す後方散乱の幾何形状では、電子バンチ２７０および光子パルス２８０が、相互作用点２３３で相互作用してＸ線２４３を発生させ、このＸ線がミラー２４０を通過する。真の１８０°後方散乱過程の場合、従来技術の図１に示される軸外し型幾何形状に比べて、コンプトン後方散乱過程の効率は向上する。しかし、従来型のレーザミラー２４０が大幅なＸ線減衰を加える。したがって、１８０°後方散乱の幾何形状は、ミラー２４０のＸ線減衰が大幅に低い場合にのみ、正味のＸ線輝度の増大をもたらす。したがって、光学ミラー２４０は、好ましくは、光子パルスには低損失であり、さらにＸ線には透過である。例えば、ミラー２４０は、基板上に配設された多層誘電体反射スタックから形成される高品質の光学ミラーとすることができる。この誘電体層および基板は、好ましくは、エネルギーが５ｋｅＶ以上の硬Ｘ線を、ほとんど減衰することなく透過させるものが選択される。例えば、タンタル（Ｔａ２Ｏ５／ＳｉＯ２）またはジルコニウム（ＺｒＯ２／ＳｉＯ２）誘電体層から作られた光学ミラーは、多層スタックミラーの場合、これらの被覆による全体の減衰は好ましくは〜１０％を超えるべきではないが、硬Ｘ線スペクトル内に吸収エネルギーを含む。誘電体スタック用の誘電体被覆材料の好ましい組合せは、チタニア／ケイ酸（ＴｉＯ２／ＳｉＯ２）の交互層である。そのＫエッジは５ｋｅＶであり、そのためＸ線エネルギーが〜７ｋｅＶおよびそれより高い場合のＸ線の透過が効率的になる。波長が１μｍより大きい場合の、他の可能な誘電体材料の組合せは、シリコン／ケイ酸（Ｓｉ／ＳｉＯ２）である。基板材料の例には、ベリリウム、シリコンおよびサファイアが含まれる。可能な別の基板は、スーパーポリッシャブル（ｓｕｐｅｒ−ｐｏｌｉｓｈａｂｌｅ）（〜１Å  ｒｍｓ）基板を被覆するために、機械的剛性および熱伝導性を向上させるＣＶＤダイアモンド付きのシリコンが好ましい。
【００３６】
[0045]タイミングシステム２６０が、異なる構成要素のタイミングを同期させる。リングタイミング２６２が、電子バンチ用のリング軌道の周波数を制御するための信号を発生させる。入射・排出タイミング２６４が、新しい電子バンチの入射、およびそれと同時の古い電子バンチの排出を制御するための信号を発生させる。電子バンチのリフレッシュは、好ましくは、選択された周期（例えば、１０〜２００Ｈｚの速度）に従って周期的に実施される。周期的なリフレッシュには、他のスケジューリングプロトコルに勝る、同期化を容易にする利点がある。しかし、入射・排出タイミング２６４には、固定周期のリフレッシュスケジュール以外のスケジュールも規定できることが理解されよう。レーザ・共振器のタイミング同期２６６が、光学系２４０を電子バンチに同期させるためのタイミング信号を発生させる。
【００３７】
[0046]図３は、相互作用点２３３の近くの後方散乱の幾何形状を示す。電子バンチ２７０およびレーザ（光子）パルス２８０が、電子バンチ２７０の長さ全体にわたって、垂直方向の高さ（すなわち放射のプロファイル）を有する。貯蔵リング２２０内の集束要素が、電子バンチ２７０を集束させるのに対して、光学要素がレーザパルス２８０を集束させる。相互作用点２３３で、電子バンチおよびレーザパルスは、好ましくは、類似した放射のウエスト半径σを有するが、特定のＸ線ビームの質をもたらすには、ビームウエストは、意図的に異なるものを選択することができる。電子バンチ２７０およびレーザパルス２８０は、相互作用点２３３に向かって対向する方向に移動し、それらの包絡線が互いに通り抜ける際に、Ｘ線のバースト２４３を発生させる。電子集束および光集束の基本原理を使用して、電子バンチ２７０およびレーザパルス２８０の３次元プロファイルを計算することができる。電子バンチおよびレーザパルスは、好ましくは、コンプトン後方散乱を最適化するものが選択された類似のプロファイルおよび時間長を有するように形成され、集束される。電子バンチまたは光子パルスの放射の直径は、電子および光の集束の基本原理のため、その長さに沿って増大することに留意されたい。一般に、電子バンチまたは光子パルスの時間長を増大させると、放射の広がりが増大する。放射の直径が大幅に増大すると、Ｘ線源の平均輝度を低減させる恐れがある。以下により詳細に説明するように、各パルス長がレイリー領域または焦点深度未満の伸張を生じるような電子バンチおよびレーザパルスの時間長を選択することが望ましい。
【００３８】
[0047]衝突の繰返し速度は、リングの幾何形状によって決定される。例えば、円周が４ｍであれば、電子バンチがリングの周囲を１度周回するのにかかる時間の逆数に相当する７５ＭＨｚの相互作用速度をもたらすことになる。Ｘ線は、電子ビームの方向に、狭い円錐体の中に誘導される。Ｘ線は、従来型のＸ線光学素子を使用して、元の像のサイズ、例えば直径〜６０μｍにいたるまで集束することができる。大まかなＸ線エネルギーは、電子ビームエネルギーを調整することによって調整することができ、微調整は、モノクロメータ結晶またはフィルタ調整によって行うことができる。
【００３９】
[0048]上述の全体的な構成は、何十ｋＶものＸ線エネルギーまでの類似の光子束で動作し、ガンマ線エネルギーへ拡大することもできる。
【００４０】
[0049]前述のとおり、一実施形態では、入射器２０５および排出器２９０が、ビームの質を向上させるために、貯蔵リング内で電子バンチを規則的にリフレッシュする。例えば、周期的なリフレッシュ過程では、電子バンチがリングの周囲での予め選択された回数の移動（例えば１００万回の回転）を完了した後、「古い」電子バンチが排出され、「新しい」電子バンチが入射されてその所定の位置につく。７５ＭＨｚの相互作用速度を有するシステムの例では、６０Ｈｚの速度でリフレッシュすると、各電子バンチが、排出される前に１２５万回の回転を行うことが可能になることになる。この動作モードは、シンクロトロンが従来、ビームの安定性および他の考慮すべき点に関して有用である限り定常状態モードで稼動されている、従来型のシンクロトロンの動作とは異なることに留意されたい。
【００４１】
[0050]図４Ａ〜４Ｃは、古い電子バンチが排出されると共に、新しい電子バンチが同時に入射される、リフレッシュ過程の側面を示す。図４Ａを参照すると、予め選択された回数の回転を完了した電子バンチ４００が、セプタム２２５に入る。新しい電子バンチ４１０が、新しい電子バンチ４１０が古い電子バンチ４００を置き換えるように選択された時刻に、キッカー２２６に入るように同期される。図４Ｂを参照すると、キッカー２２６が、リフレッシュ過程中に作動開始されて、キッカー２２６内で電子バンチの経路を移動させる磁界を印加する。２つの電子バンチ４００および４１０は、わずかに異なる初期軌道を有することに留意されたい。古い電子バンチ４００も新しい電子バンチ４１０も、キッカー２２６によって印加された磁界によって空間的に移動される。図４Ｃを参照すると、新しい電子バンチ４１０を、新しく貯蔵される電子バンチとして電子貯蔵リング２２０内の安定した軌道に入るように適当な軌道内へ移動するのに十分な磁界が、キッカー２２６により印加される。反対に、古い電子バンチ４００は、ダンプ２２７内で電子貯蔵リング２２０を出るように移動された、それ自体の軌道を有する。次いで、キッカー２２６は、次のリフレッシュサイクルまで停止される。
【００４２】
[0051]新しい電子バンチ４１０は、電子貯蔵リング２２０内に最初に入射される際、エネルギーおよび運動量の広がりが比較的狭く、密に集束することができる。しかし、後続の、リングの周囲での周回の度に、Ｘ線の放出に影響を及ぼす電子バンチの属性が、時間応答に従って低下する。具体的には、低下時間（例えば、低下時間は、最終の飽和値であるｅ−１に達する指数時定数に対応することができる）よりも長い時間の場合、電子バンチのエネルギーおよび運動量が、平衡レベルまで増大することがある。例えば、（放射減衰を伴う）ビーム内散乱の時間応答は、ビーム内散乱がある初期増加速度から始まり、その増加速度が、十分に長い時間、例えばある飽和時定数よりも長い時間にわたり、ビーム内散乱が飽和レベルに達するまで時間と共に指数関数的に減衰する応答である。さらに、システム内に存在するかもしれない他のどんな低下モードも、それ自体の関連する時間応答および低下時定数を有すると考えられるはずである。しかし、多くの用途では、ビーム内散乱が支配的な低下のメカニズムであると考えられる。Ｒ．Ｊ．Ｌｏｅｗｅｎの「Ａ  Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅ：Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ａ  Ｌａｓｅｒ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｒｉｎｇ  Ｘ−Ｒａｙ  Ｓｏｕｒｃｅ」、博士論文、カリフォルニア州スタンフォード、スタンフォード大学、２００３年６月、により詳しく記載されているように、ビーム内の電子ビーム散乱は、一般に１秒の何分の１かの程度の時間尺度にわたって、周回の度に増大し、最終的には光子の冷却（例えば放射減衰）によって飽和レベルに到達する。その全体の内容をここに、参照により組み込む。
【００４３】
[0052]ビーム内散乱は、横方向エミッタンス（スポットサイズと角度広がりの積）も、縦方向エミッタンス（バンチ長とエネルギー広がりの積）も増大させる。横方向エミッタンスの増大は、増大された横方向エミッタンスがＸ線輝度を低減させるので、望ましくない。これは、横方向のエミッタンスが、出力Ｘ線の質または輝度に反比例するためである。ここで、輝度は、光子、面積、立体角（立体角）、および帯域幅を用いて数学的に、輝度＝光子／（面積＊立体角＊帯域幅）として表すことができる。縦方向エミッタンス（エネルギー広がり）の増大は、Ｘ線の帯域幅を増大させ、これは、所望の「単色の」帯域幅内で使用可能な線束が減少することを意味するので、狭帯域用途には望ましくない。説明のための一例として、図１の従来技術のシステムでは、ビーム内散乱および量子励起の平衡値において、入射電子ビームの初期パラメータから一桁のエネルギー広がりの増大、および同等の輝度の低減を生じる。
【００４４】
[0053]Ｘ線輝度を増大させるようにリフレッシュ速度を選択することには、いくつかの異なる考慮すべき点の間のトレードオフが関係する。リフレッシュ速度の上限は、電子バンチ入射出力、設計の複雑さ、同期化の問題、遮蔽に関する配慮（ビームの廃棄物がそれぞれ望ましくない放射を発生させるため）など、システムの考慮すべき点によって制限される。リフレッシュ速度の下限は、定常状態動作に比べて時間平均されたＸ線輝度（選択された帯域幅内の）が向上される、過渡モードでの動作を望むことによって制限される。具体的には、最小リフレッシュ速度は、その速度の周期が、電子バンチが定常状態の飽和レベルまで低下する時間未満となるように選択することができる。例えば、最小リフレッシュ速度は、定常状態まで低下する低下時定数未満になるものを選択することができる。結果として、時間平均された電子バンチの属性が向上し、それにより、対応する時間平均されたＸ線の属性が向上する。
【００４５】
[0054]説明のための一例として、特定の用途の場合、最小リフレッシュ速度は、定常状態で動作するのに比べて、所望の帯域幅内で所望のＸ線輝度レベルの増大を実現するものを選択することができる。一例として、本願の発明者の一人によるシミュレーションでは、電子バンチのエネルギーおよび運動量が、０．０１秒の時間尺度にわたって約２倍になり得ることを示している。より長い（例えば、１秒までかなり近い）期間にわたり、約一桁の輝度の低下を伴って定常状態に到達する。したがって、一実施形態では、リフレッシュ速度は、低下が２または３倍に増加するところなど、予め選択されたレベルより下に低下を維持するものが選択される。そのため、約１０Ｈｚよりも大きな速度（例えば１０〜２００Ｈｚ）など、支配的な時定数の何分の１かでの電子バンチの周期的なリフレッシュが、Ｘ線の輝度を向上しＸ線の帯域幅を低減する過渡（非定常状態）モードでの動作に十分である。したがって、この説明のための例では、輝度の劇的な増大は、電子バンチを周期的にリフレッシュすることによって実現され得ることが理解されよう。輝度の向上は、さまざまな用途に有用であるが、対応する放出Ｘ線の帯域幅の低減も、Ｘ線源が比較的狭い帯域幅内で高線束を有する必要がある狭帯域シンクロトロンＸ線用途のために特に重要な周期的なリフレッシュを成す。
【００４６】
[0055]電子バンチは固定速度でリフレッシュすることができるが、より一般的には、スケジュールに従ってリフレッシュすることができる。例えば、このスケジュールは、固定リフレッシュ速度、可変リフレッシュ速度、調整可能なリフレッシュ速度、または他のスケジューリング方式を含むことができる。しかし、多くの用途では、固定リフレッシュ速度が、市販の電子回路を使用して実施するのに最も単純なスケジュールである。
【００４７】
[0056]電子バンチを規則的にリフレッシュすることは、小型コンプトンＸ線源のシステム設計に他の利点ももたらす。具体的には、定常状態の設計に比べて、構成要素数が低減される。例えば、定常状態の設計は従来、長い時間（例えば数時間または数日）にわたってビームを安定化させるための構成要素を備え、そのことが必要な構成要素数を増大させている。例えば、長時間にわたって定常状態で動作するように設計された従来型の小型コンプトンＸ線源は、ビームの平衡エネルギーの大きな広がりを、色度補正または低運動量圧縮ラティスなどによって、安定化させるための構成要素を備える必要がある。
【００４８】
[0057]図５Ａ〜５Ｃは、電子バンチおよび光パルスが、ＩＰ２３３で衝突するためにどのように時間調整されるかを示す、３つの異なる時刻での図である。図５Ａに示すように、ある初期時刻に、電子バンチ５００がキッカー２２６を横切る。光共振器内では、第１の光パルス５１０が、ミラー２４０に向かって誘導される。第２の光パルス５２０が、ミラー２４１ｂに向かって誘導される。図５Ｂに示すように、第２の時刻に、電子バンチ５００が、ＩＰに向かってある程度移動すると共に、第１の光パルス５１０が、ミラー２４０にぶつかり、第２の光パルス５２０がミラー２４１ｂにぶつかる。図５Ｃに示すように、第３の時刻に、電子バンチ５００および光パルス５１０が、対向する方向に誘導され、ＩＰ２３３で相互作用する。
【００４９】
[0058]図２を再度参照すると、一実施形態では、タイミングシステム２６０が、リングタイミング２６２、周期的入射・排出タイミング２６４、およびレーザ・共振器のタイミング・同期２６６を調整する。好ましい一実施形態では、高精度に位相がロックされて装置のサブシステムに分配される、１組のマスタ周波数源が使用され、したがって複雑な、またはコストのかかるタイミングフィードバックシステムが回避される。一実施形態では、組み込みのマスタ周波数発生器が、位相がロックされた同軸共振子発振器（ｃｏａｘｉａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を使用して、必要な周波数のそれぞれに内部で位相をロックする。一実施形態では、ベース周波数Ｆ１（〜１００ＭＨｚ）が、電子リング循環時間および相互作用速度に相当する。その速度の数倍のＲＦ周波数Ｆ２＝ｎ＊Ｆ１（例えばｎ＝１６）が、縦方向のダイナミクスを安定化するために、電子貯蔵リング２２０内の１つまたは複数のＲＦ空洞に供給される。さらに、別の、リング周波数の高調波倍Ｆ３＝ｍ＊Ｆ１（例えばｍ＝３０）を使用して、ＲＦ銃２１２を作動させて構造を加速することができる。周波数の個々の選択は、源部のコストおよび所望のビームパラメータによって決まる。一実施形態では、高出力Ｓバンド（〜３ＧＨｚ）パルスマイクロ波源を使用して入射システムを作動させ、次いで低調波から適当なリング循環周波数を得る。
【００５０】
[0059]タイミングシステム２６０が、絶対タイミング、エネルギー広がり、およびバンチ長のための許容可能な設計パラメータの範囲内で、貯蔵リング内に電子バンチを維持するように、電子バンチの入射および排出のサイクルを調整する。入射／排出サイクルは、好ましくは、高出力ＲＦシステムから発生されるパルス間のタイミング（位相）ジッタを低減するために、交流ライン周波数のある整数倍で実施される。これらのタイミングパルスは、例えば、６０Ｈｚの高速ゼロ交差検出器を所望のリング循環周波数Ｆ１と「論理積」をとったものから発生される。パルス入射システムは、例えば、１０〜２００Ｈｚ周波数範囲（「再入射速度」）内で動作することができる。
【００５１】
[0060]ＲＦ銃２１２の光電陰極には、装置を作動させるＲＦ（Ｆ３）と電子バンチを作り出すのに使用される入射レーザ２１２のタイミングまたは位相（Ｆ１）との間の位相の安定性が必要とされる。モード同期レーザ２３４から得られるレーザパルスは、位相ロックループを使用して、Ｆ１に安定化される。これらのパルスの１つが選択されて増幅器（図示せず）に供給され、次いでそれにより、周波数変換された（ＵＶ）レーザパルスが、適当なＲＦ位相（Ｆ３）で光電陰極に供給される。ＲＦライン中の移相器が、相対位相オフセットを調整する。
【００５２】
[0061]タイミングシステム２６０は、相互作用点（ＩＰ）で最適な衝突効率を確保するために、電子パルスと光子パルスの間で適当な位相合せまたは同期をとるための光共振器長および位置合せの制御システムを含む、光共振器２４５内のリアルタイムサーボ制御で必要とされる、すべてのサンプルクロックを発生させることもできる。フィードバックループ用の最高サンプリング速度は、リング周波数（〜１００ＭＨｚ）によって決定される。しかし、電子リング循環も光共振器長も１つのマスタ周波数源Ｆ１から個々に安定化させることによって、適当な相対位相が設定された後、位相ドリフトだけが調整される必要がある。
【００５３】
[0062]電子バンチおよび光子パルスのパルス長を選択することには、いくつかのトレードオフが関係する。極めて短いパルス（例えば、１ｐｓ未満のパルス）を選択すると、電子バンチおよび光パルスの密な集束を得ることが容易になり、それによりＸ線の最高ピーク出力がもたらされる。しかし、極めて短いパルスの使用には、市販の電子回路を使用してタイミングの同期および制御を実現することが困難であるという欠点がある。約１ｐｓ未満のパルス長の場合、ｐｓ未満の同期および位相合せを実現するために、専門の、超高速電子回路が必要である。さらに、パルス長が約１ｐｓ未満の場合、ジッタが問題となる。具体的には、多くの市販の電子回路および光学部品の場合、約１ｐｓ未満のジッタバジェットを維持することは困難である。
【００５４】
[0063]一実施形態では、電子バンチおよび光子パルスは、約１ｐｓ〜数十ｐｓのパルス長を有する。数十ｐｓの長さの電子バンチおよび光子パルスを使用すると、必要なタイミング同期が類似するレベルまで緩和される。熱ドリフトまたは機械的ドリフトから生じる絶対タイミングまたは位相の補正には、遅いフィードバックループだけで済み、補正はＸ線束を監視することによって最適化することができる。より重要なことには、電子パルスが長くなると、ビームのピーク電流が低減し、そのことが、電子ビームの質を低下させる不安定性または他のビームダイナミクスの発現を低減させる助けとなる。より長い光パルスの使用はさらに、モード同期レーザと共振器モードの間の分散の影響（搬送波包絡線のオフセット）を低減することによって、高利得の光共振器内に高出力を貯蔵することを最適にする。
【００５５】
[0064]パルス長の上限は、パルス長が数十ｐｓよりも大きいものが選択される場合に平均Ｘ線束を減少させ得る焦点深度の問題によって制限される。１８０°後方散乱の幾何形状の場合のＸ線束は、電子バンチの長さが焦点深度またはレイリー領域の何分の１かである限り、長さに弱く影響されるにすぎない。強度が低減するのは、バンチ長が焦点深度を超えているときに、有効な明るさを劇的に低減させ始める「砂時計効果」のためである。類似の砂時計効果は、光子パルスの場合にも生じる。砂時計効果は、図３に示されている。電子ビームおよび光ビーム双方の実現可能な最小ウエストサイズには実質的な限界がある。電子ビームの場合、３０μｍ未満のウエストには、より強力でより複雑な磁石（およびそれらを置くためのより広い場所）が必要であるが、それはビームの安定性に影響を及ぼす、より強い色効果（ｃｈｒｏｍａｔｉｃ  ｅｆｆｅｃｔ）も生じる。２０μｍ未満のウエストを実現することは、極めて困難である。光ビームの場合、空洞共振器内でウエストが小さいことは、不安定点の近くで動作することを意味する。実用的で実現可能なウエストの場合、対応する焦点深度は一般に、何ｍｍもの長さである。１μｍレーザおよび３０μｍの焦点（ｒｍｓ）の場合、レイリー領域は、一般に約１０ｍｍであり、これは約３０ｐｓの長さのレーザパルスおよび電子バンチに相当する。
【００５６】
[0065]一実施形態では、ジッタタイミングバジェットも、電子バンチの各リフレッシュの後に、電子バンチおよび光子パルスの最適なタイミングが回復することを容易にするものが選択される。図４Ａ〜４Ｃに再度戻ると、理想的なケースでは、新しい電子バンチ４１０が、ＩＰ２３３でのコンプトン後方散乱効率を低減させることになるタイミングの変化なく、古い電子バンチ４００を正確に置き換えるはずである。しかし、実際のシステムでは、新しい電子バンチ４１０が、古い電子バンチ４００をほぼ同時に、すなわち、好ましくは、リフレッシュ過程によって作り出された電子バンチのタイミング中のジッタが、タイミングシステム２６０の動作を有害に乱さないほど十分小さいジッタタイミングバジェット内で置き換える。具体的には、電子バンチの各リフレッシュの後に、タイミングシステム２６０が光子パルスタイミングの放射の再同期を実施する必要がないほどジッタタイミングバジェットが十分小さいことが望ましい。説明のための一例として、ジッタタイミングバジェットは、電子バンチのリフレッシュ後に最適な電子バンチおよび光子パルスのタイミングを急速に回復する制御システムの、設計の複雑さおよびコストを低減するために、電子バンチの時間長未満となるものを選択することができる。
【００５７】
[0066]先の記述では、説明のため、本発明の完全な理解が可能になるように特定の用語を使用した。しかし、本発明を実施するために具体的な詳細は必要でないことが、当業者には明らかであろう。したがって、本発明の特定の諸実施形態についての先の記述は、例示および説明のために提示されるものである。それらは、網羅的なもの、または本発明を開示された厳密な形式に限定するものではなく、上記の教示に鑑みて、多くの変更形態および変形形態が明らかに可能である。これらの実施形態は、本発明の原理およびその実際的な用途を最も良く説明するために選択され、説明されたものであり、企図される特定の使用に適したものではあるが、それによって当分野の他の技術者が、本発明およびさまざまな変更形態を伴うさまざまな実施形態を最も良く利用することが可能になる。以下の特許請求の範囲およびそれらに相当する文は、本発明の範囲を規定するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】従来技術のコンプトンＸ線源の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による、コンプトンＸ線源の概略図である。
【図３】相互作用点での電子−光子相互作用を示す図である。
【図４Ａ】新しい電子バンチが入射される、排出／入射サイクルの一部分を示す図である。
【図４Ｂ】新しい電子バンチおよび古い電子バンチがキッカーによって偏向されているところである、排出／入射サイクルの一部分を示す図である。
【図４Ｃ】古い電子バンチが捨てられ、新しい入射バンチが、古い電子バンチに置き換わるために電子貯蔵リング内の軌道内へ誘導された、排出／入射サイクルの一部分を示す図である。
【図５Ａ】第１の時刻での、電子バンチおよび光子パルスの位置を示す図である。
【図５Ｂ】第２の時刻での、電子バンチおよび光子パルスの位置を示す図である。
【図５Ｃ】第３の時刻での、電子バンチおよび光子パルスの位置を示す図である。
【図１】
2007533081.tif 000003
【図２】
2007533081.tif 000004
【図３】
2007533081.tif 000005
【図４Ａ】
2007533081.tif 000006
【図４Ｂ】
2007533081.tif 000007
【図４Ｃ】
2007533081.tif 000008
【図５Ａ】
2007533081.tif 000009
【図５Ｂ】
2007533081.tif 000010
【図５Ｃ】
2007533081.tif 000011
【国際調査報告】
2007533081.tif 000012