(57)【要約】レーザーコンプトン散乱により発生する明るく、調節可能で、且つ偏向している準単一エネルギーのＸ線またはガンマ線からなる高フラックスビームを効率的且つロバスト性高く発生させるレーザーおよび電子ビームの新たな構成。具体的には、幅の長いパルスレーザーと、密集している低電荷且つ低エミッタンスの電子ビームバンチとを使用することにより、コンプトン散乱後のＸ線およびガンマ線のスペクトルフラックスを向上させ、レーザー−電子間相互作用の効率性を向上させ、且つコンプトン系光源の全体の複雑性を顕著に低下させる。
2014523104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔の空いた電子バンチからなる列（train）を発生させる電子源；
上記電子バンチを加速させてレーザー−電子ビーム間相互作用領域内へと導入するよう構成され、加速された各電子バンチが上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を通過する通過時間は、加速された各電子バンチの持続期間よりも長く、且つ上記電子バンチ間の間隔よりも長い、ＲＦ線形加速器；および
上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を通過するレーザーパルスの通過時間と少なくとも同程度の長さのパルス幅を有するレーザーパルスを発生させるように構成されるレーザー系であって、上記レーザー系は、上記レーザーパルスが上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を横断して上記列中の全ての加速された電子バンチと相互作用することで、レーザーコンプトン散乱により発生する明るく、調整可能で、且つ偏向している準単一エネルギーのＸ線またはガンマ線からなる高フラックスビームを発生させるように構成される；
を備えている、Ｘ線またはガンマ線源。
【請求項２】
上記レーザーパルスの幅は、上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域における上記レーザーパルスの単一パスが、上記間隔の空いた電子バンチからなる列中の全ての加速された電子バンチと相互作用するように、上記間隔の空いた電子バンチからなる列の少なくとも全長と実質的に等しくなっている、請求項１に記載のＸ線またはガンマ線源。
【請求項３】
上記レーザーパルスの幅は、上記間隔の空いた電子バンチからなる列の全長の約数と実質的に等しく、
上記レーザー系は、上記レーザーパルスが上記約数の逆数に等しい所定の通過回数上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を介して再循環するように構成される、請求項１に記載のＸ線またはガンマ線源。
【請求項４】
上記電子バンチの間隔周波数は、ＲＦ周波数の各サイクルに電子バンチが存在するように、上記ＲＦ線形加速器の上記ＲＦ周波数と等しいか、または相関している、請求項１に記載のＸ線またはガンマ線源。
【請求項５】
上記ＲＦ線形加速器はＸ帯域内で操作される、請求項１に記載のＸ線またはガンマ線源。
【請求項６】
上記加速器は、公称上約１２ＧＨｚで操作される、請求項１に記載のＸ線またはガンマ線源。
【請求項７】
上記加速器は、公称上約１１．４２４ＧＨｚで操作される、請求項１に記載のＸ線またはガンマ線源。
【請求項８】
上記ガンマ線は、１０Ｅ−３以下の部分帯域幅を有する、請求項１に記載のＸ線またはガンマ線源。
【請求項９】
上記電子源は、電子銃を備える、請求項１に記載のＸ線またはガンマ線源。
【請求項１０】
上記電子銃は、上記ＲＦ線形加速器の上記ＲＦ周波数において作動させるレーザーによって駆動される、請求項９に記載のＸ線またはガンマ線源。
【請求項１１】
レーザーコンプトン散乱を介して発生する明るく、調節可能で、且つ偏向している準単一エネルギーのＸ線またはガンマ線からなる高フラックスビームを発生させる方法であって、
電子源を使用して、間隔の空いた電子バンチからなる列を発生させる工程、
ＲＦ加速器を使用して、上記電子バンチを加速させてレーザー−電子ビーム間相互作用領域内へ導入することにより、加速された電子バンチを発生させる工程であって、加速された各電子バンチが上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を通過する通過時間は、加速された上記電子バンチの持続期間より長くなり、且つ上記電子バンチ間の間隔より長くなる工程、および
レーザー系を使用して、上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を通過するレーザーパルスの通過時間と少なくとも同程度の長さの幅を有するレーザーパルスを発生させる工程であって、上記レーザー系は、上記レーザーパルスが上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を横断して上記列中の全ての加速された電子バンチと相互作用することで、レーザーコンプトン散乱により発生する、明るく、調節可能で、且つ偏向している準単一エネルギーのＸ線またはガンマ線からなる高フラックスビームを発生させるように構成されている工程
を備える、方法。
【請求項１２】
上記レーザーパルスの幅は、上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域における上記レーザーパルスの単一パスが、上記間隔の空いた電子バンチからなる列中の全ての加速された電子バンチと相互作用するように、上記間隔の空いた電子バンチからなる列の少なくとも全長と実質的に等しくなっている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
上記レーザーパルスの幅は、上記間隔の空いた電子バンチからなる列の全長の約数と実質的に等しくなっており、
上記レーザー系は、上記レーザーパルスが上記約数の逆数と等しい所定の通過回数上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を介して再循環するように構成されている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
上記電子バンチの間隔周波数は、上記ＲＦ周波数の各サイクルに電子バンチが存在するように、上記ＲＦ線形加速器のＲＦ周波数と等しいか、または相関している、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
上記ＲＦ線形加速器は、Ｘ線帯域内で操作される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
上記加速器は、公称上約１２ＧＨｚで操作される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
上記加速器は、公称上約１１．４２４ＧＨｚで操作される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
上記ガンマ線は、１０Ｅ−３以下の部分帯域幅を有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
上記電子源は光子銃を備えている、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
上記光子銃は、上記ＲＦ線形加速器の上記ＲＦ周波数において作動するレーザーによって駆動される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
上記電子バンチは、集束されていない、請求項１１に記載の方法。
【請求項２２】
上記電子バンチは、上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域内において約１００μｍのビーム直径を有している、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔関連出願の相互参照〕
本出願は、米国仮特許出願第６１／５０９，４７９号（発明の名称：非対称性のレーザー−電子干渉を介した高フラックスおよび狭帯域幅のコンプトン光源、出願日：２０１１年７月１９日）を基礎にして優先権を主張する。上記米国仮特許出願を参照することにより、その開示内容が本願を援用する。本出願はまた、米国特許出願第１２／５０６，６３９号（発明の名称：アイソトープの識別、アッセイ、および単一エネルギーのガンマ線源を用いた撮像を行うためのＤｕａｌ Ｉｓｏｔｏｐｅ Ｎｏｔｃｈ Ｏｂｓｅｒｖｅｒ）（出願日：２００９年７月２１日）の一部継続（ＣＩＰ）出願である。上記米国特許出願を参照することにより、その開示内容を本願に援用する。なお、米国特許出願第１２／５０６，６３９号は、米国特許出願第１１／５２８，１８２号（発明の名称：レーザー系トムソン放射による核共鳴蛍光を介したアイソトープ撮像、出願日：２００６年９月２６日、現米国特許第７，５６４，２４１号）のＣＩＰ出願である。上記米国特許出願を参照することにより、その開示内容を本願に援用する。なお、米国特許出願第１１／５２８，１８２号は、米国仮特許出願第６０／７２０，９６５号（出願日：２００５年９月２６日）を基礎にして優先権を主張する。上記米国仮特許出願を参照することにより、その開示内容を本願に援用する。
【０００２】
〔連邦政府支援の研究または開発に関する声明〕
米国政府は、米国エネルギー省とＬａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ, ＬＬＣとの間で締結されたＬａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙの運営に関する契約第ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４号に基づき本発明の権利を有する。
【０００３】
〔背景技術〕
（技術分野）
本発明はコンプトン光源に関する。さらに具体的には、超狭帯域（ｌＯＥ−３以下）且つ高ビームフラックスの準単一エネルギーのＸ線およびガンマ線を発生させるパルスフォーマット（ｐｕｌｓｅ ｆｏｒｍａｔｓ）および相互作用ジオメトリ（ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓ）に関する。
【０００４】
（従来技術の説明）
粒子加速器によって発生させた相対論的電子バンチに対してエネルギーレーザーパルスを衝突させるレーザーコンプトン散乱を介して、ガンマ線およびＸ線を発生させることができる。この相互作用の結果、電子ビームの方向に向かう高域偏移（ｕｐ−ｓｈｉｆｔｅｄ）光が発生する。正面衝突による高域偏移光のエネルギーは、電子の正規化したエネルギーの二乗に４を乗じて得られる値を照射レーザー光子のエネルギーに乗じて得られる値に等しい。数百ＭｅＶのエネルギーを帯びた電子によって、１００万の高域偏移を発生させることが可能である。コンプトン散乱光は偏向している。また、コンプトン散乱光は、レーザー光子の色または電子バンチのエネルギーを変更することにより調節可能である。上記相互作用の結果発せられる光は多色性の光であるが、そのスペクトルは角度補正されている。狭開口にビームを通過させることにより、準単一エネルギーのビームを発生させることができる。こうして発生させた準単一エネルギーのビームの帯域は、レーザーの帯域に線形的に依存し、電子バンチのエネルギーの広がりに線形的に依存し、且つ電子ビームおよびレーザービームの焦点ジオメトリに依存する。
【０００５】
レーザーコンプトン光源は、狭パルス幅のＸ線または調節可能で比較的広帯域のＸ線を発生させることを主な目的として構築されてきた。これらの系では、レーザーのパルス幅は、電子バンチのパルス幅とほぼ同程度であるか、またはこれより狭くなっている。電子バンチとの相互作用を最大化させて光子の総収率を最大化させるために、何れのレーザーも小スポットを焦点にして集束されている。コンプトン散乱の断面積（トムソン断面積としても知られている）は極めて小さく、最大でも６×１Ｑ−２５ｃｍ２である。なお、コンプトン散乱では、１０１９単位のレーザー光子が１０１０単位の電子と相互作用して、１０１０単位の加速散乱ｕｐ−ｓｃａｔｔｅｒｅｄ）Ｘ線またはガンマ線を発生させる。第１次までは、如何なるレーザー光子も用いられていない。焦点が小さくなっているため、通常、焦点領域を長手方向に通過する電子の通過時間は電子バンチのパルス幅とほぼ同程度になる。このシナリオでは、レーザーのパルスおよび電子バンチのタイミングは、それぞれのパルスが空間上の共通の焦点で重なり合うように、慎重に調節されることが必須になる。さらに、レーザーパルスのエネルギーおよび電子ビームの電荷は、干渉確率および出射ビームのフラックスを高めるために実施可能な程度の高さにされている。単に電子ビームのエネルギーを増大させてガンマ線を発生させられるように、この方法を使用することも可能である。より高エネルギーの電子ビームをより小さいスポットを焦点に集束させ、より加速散乱した光子を発生させることが可能になるという点において、ガンマ線の発生はより効率的である。これらの系ではより大きなレーザー帯域幅を使用していること、高荷電の電子バンチのエネルギーの広がりが比較的大きくなること、および小さい焦点ジオメトリを用いていることから、一般的なコンプトンレーザー源の部分帯域幅は１０％程度となっていた（Duke University、日本におけるthe Japanese Atomic Research Agency およびLawrence Livermore National Laboratory（ＬＬＮＬ）による系の測定結果はこの範囲内に収まるものである）。
【０００６】
しかし、ガンマ線の適用場合の多くでは、対象の一次ビームの質は、ビームパルス幅または総ビームフラックスですらなく、これらの代わりにガンマ線の帯域幅とされている。アイソトープ独自のサインである狭帯域（１０Ｅ−６）の核共鳴を一意的に励起させる用途では、ガンマ線の部分帯域幅を１０Ｅ−３以下とすることが望ましい。レーザーコンプトンのこのようなガンマ線ビームの共鳴光子が吸収される様子を観察することにより、複合システム内に存在する特定アイソトープの検出、アッセイ、または撮像を行うことが可能となる。適用用途は、自国警備、核燃料管理、工業原料の加工、医学的治療、および医療用のＸ線撮影を含む。
【０００７】
〔発明の概要〕
本発明は、レーザーコンプトン散乱しているＸ線またはガンマ線を用いて、明るく、調節可能で、且つ偏向している準単一エネルギーのＸ線またはガンマ線からなる高フラックスビームを発生させる。電子源は、間隔の空いた電子バンチからなる列（train）を発生させる。ＲＦ線形加速器は、電子バンチ列を加速させて、レーザー−電子ビーム間干渉の相互作用領域内へと導入させる。加速された各電子バンチがレーザー−電子ビーム間干渉の相互作用領域を通過する通過時間は、加速された電子バンチのパルス幅より大きくなり、且つ電子バンチ間の間隔よりも大きくなる。レーザー系は、上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を通過するレーザーパルスの通過時間と少なくとも同じ長さのパルス幅を有するレーザーパルスを発生させるように構成される。上記レーザー系は、レーザーパルスが上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を横断して上記列の全ての加速された電子バンチと相互作用するように構成される。いくつかのの実施形態では、上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域におけるレーザーパルスの単一パスが、列中の全ての加速バンチと相互作用するように、レーザーパルス幅は、間隔の空いた電子バンチからなる列の少なくとも全長と実質的に等しい。他の実施形態では、レーザーパルス幅は、間隔の空いた電子バンチからなる列の全長の約数と実質的に等しい。上記レーザー系は、レーザーパルスを上記約数の逆数と等しい所定の通過回数だけ上記レーザー−電子ビーム間相互作用領域を介して循環させるように構成される。電子バンチの間隔周波数は、ＲＦ周波数の各サイクルに電子バンチが存在するように、上記ＲＦ線形加速器のＲＦ周波数と同一とするか、または相関させることが可能である。
【０００８】
本発明は、狭帯域幅且つ高フラックスの単一エネルギーのガンマ線およびＸ線を発生させるのに有用である。ガンマ線の使用は、アイソトープ特異材料の検出、核共鳴蛍光の励起を介したアッセイおよび撮像、材料の光核分裂、医療用撮像、および医学的治療を含む。Ｘ線の使用は、精密Ｘ線写真術、低線量Ｘ線写真術、標的放射線療を含む。
【０００９】
〔図面の簡単な説明〕
添付の図面は、本願の開示内容に含まれて、その一部を構成するものである。添付の図面は、本発明の実施形態を示し、本願明細書と協働して本願発明の原理を説明する。
【００１０】
図１は本発明の実施形態の基礎的な構成要素を示す。
【００１１】
図２〜６は、本発明の実施形態の操作の態様を示す。
【００１２】
〔発明の詳細な説明〕
本発明は、超狭帯域幅（１０Ｅ−３以下）且つ高ビームフラックスの準単一エネルギーのＸ線およびガンマ線を発生させる新規のパルスフォーマット（ｐｕｌｓｅ ｆｏｒｍａｔ）および相互作用ジオメトリ（ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）を提供する。基本的な着想は、１）電子バンチの電荷を多数のより小さな電荷バンチに分散させること、２）相互作用の焦点サイズを拡大させて、相互作用領域を通過する電子バンチの通過時間を電子バンチのパルス幅よりも著しく長くさせ、且つ一連の電子バンチ間の間隔よりも著しく長くさせること、および３）相互作用領域を通過するレーザーの通過時間と同程度の長さ以上となるようにパルス幅が選択された長パルス幅のレーザーパルスを使用すること、の３つの要素を含んでいる。この方法では、１つのレーザーパルスが一度に多数（例えば１００以上）の電子バンチと相互作用することが可能になるので、高フラックスを発生させる（実際には、レーザーのエネルギーが正しく調節された場合では、従来のジオメトリよりも高いフラックスを発生させる）。さらには、パルス幅の長いレーザーパルスは、パルス幅の短いレーザーパルスよりも帯域幅が狭くなっているので、レーザーによるガンマ線の帯域幅への寄与は減少する（通常は１０００倍）。さらには、電子のバンチ電荷はより小さくなっているため、電子バンチの空間電荷依存エネルギー分散がより小さくなり、エネルギーの広がりがより小さくなるので、ガンマ線の帯域幅に対するｅ−ビームの寄与は減少する（通常、１０以上の係数により減少する）。さらには、バンチ電荷がより小さくなっているため、電子ビームの質がより向上している。すなわち、通常は電荷の二乗根に比例するエミッタンスが低下している。低エミッタンスのビームは、所定のスポットサイズを焦点にしてより長い期間集束することが可能である。これにより、より長く且つよりコリメートなレーザー−電子ビーム間の相互作用が発生する。その後、上記レーザー−電子ビーム間の相互作用により、ガンマ線の帯域幅に対する集束寄与が減少（通常、上記係数と異なる係数１０）する。最後に、電子ビームおよびレーザの焦点は比較的大きく、レーザーパルス幅は比較的長いため、相互作用領域内におけるレーザーパルスの強度は減少する（１００倍以上）。したがって、ガンマ線源の帯域を広げる傾向を示す非線形効果も劇的に減少する。上記加速器からの出射後に電子ビームを集束させることが完全に不要になり、レーザービームのみを集束させればよくなる。一部のＸ帯域構造では、装置からの出射直後のビーム直径を１００ミクロンとすることが可能であり、これはほぼ焦点領域内のレーザー直径である。電子ビームを集束させなくてもよいということは、集束用の四極子が不要になることを意味する。したがって、空間が節約されるとともに、複雑性が抑えられる。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態の基礎的な構成要素を示す。囲いで示したレーザー系１０は、線形加速器１２の光子銃を駆動するように構成される。光ファイバー１４（または他のバルク光学構成）は、上記レーザー系から囲いで示した増幅器１６へと光を伝送するように設けられる。上記増幅器から発せられる光はその後、上記光子銃を駆動させるのに適当なＵＶ波長へと光を変換させる囲いで示した周波数変換手段１７へ導かれる。上記線形加速器１２から発せられるｅ−ビーム出力は、相互作用室１８内へと導かれる。上記相互作用室１８は相互作用領域および再循環用の光学系を備えており、以下にその説明を行う。ｅ−ビーム偏向器２０は、ｅ−ビームの残留をビームストップ２２に向けるように設けられる。
【００１４】
引き続き図１を参照すると、囲いで示したレーザー系３０は、光ファイバー３２（または他のバルク光学構成）によって囲いで示した増幅器３４へと伝送される、パルス長の長いレーザーパルスを提供するように構成される。上記増幅器３４から発せられるビームは鏡３５によって反射され、上記相互作用室１８内のビームスプリッタおよび周波数変換器（より低エネルギーのＸ線またはガンマ線が所望される場合には、周波数変換器を省略して、直接レーザービームを使用してもよい）を通過し、入射ｅ−ビームへ向かう。上記レーザービームは、上記ｅ−ビームと相互作用してＸ線またはガンマ線を発生させる。
【００１５】
図２〜７は、本発明の実施形態の操作の態様を示す。レーザー系１０は光ファイバー１４内へモード同期パルス１００を提供する。上記モード同期パルス１００は、上記線形加速器１２のＲＦ周波数（公称上１０ＧＨｚ）に対応する周波数で提供される。またはこれと代替的に、上記線形加速器１２のＲＦ周波数またはその多重周波数によって駆動される高速電気光学の構成要素を介してＣＷレーザーを変調させることにより、約１０ＧＨｚのレーザーパルス列を発生させることも可能である。その後の非線形効果を使用することにより、個々の１０ＧＨｚのパルスのパルス幅を減少させて、光子カソードから明るい電子バンチを発生させるのに必要なパルス幅（例えば約１ｐｓ）とすることが可能である。モード同期レーザーおよび加速器ＲＦの同期は、カソードに衝突するパルスのパルス幅の一部（公称上１００のｆｓ精度）とほぼ同程度になる。本実施形態では、上記レーザー系１０から発せられる光の波長は１０５３ｎｍである。
【００１６】
図３は、囲いで示す増幅器１６および変換手段筐体１７をこの順に通過し、当該変換手段筐体１７通過後に線形加速器１２へと伝送されるパルス１００を示す。光子銃を駆動するために使用される波長はＵＶ域の波長であり、使用されるカソード材料に応じて決まる。上記カソード材料が銅である場合、上記波長は１０５３ｎｍのうちの第４高調波となる。上記カソード材料がマグネシウムである場合、上記波長は１０５３ｎｍのうちの第３高調波となる。上記パルス幅は、立ち上がりおよび立ち下がり時間が１００ｆｓとなっている公称上２ｐｓの矩形パルスである。他のパルス形状とすることも可能であり、パルス形状はカソード設計およびカソード動力学に応じて決まる。レーザー駆動パルスの繰り返し率は上記加速器のＲＦと同一となっている。本発明者らは１１．４２４ＧＨｚのＳＬＡＣｘ帯域規格を使用したが、本発明は任意の繰り返し率を使用した場合でも作動するであろう。上記繰り返し率が過度に遅い場合、電子バンチの間隔が過度に大きくなり、相互作用領域を通過する通過時間よりも大きくなってしまうことがある。より高い繰り返し率を用いることも可能であるが、約１２ＧＨｚを超える繰り返し率に対して良好の加速器構造の存在は未だ実証されていない。上記レーザー駆動パルスのエネルギーは、上記カソード材料の量子効率に応じて決まる。上記カソード材料が銅である場合、１パルス当たり約５０ミクロジュールが必要となる。マグネシウムは銅に比べて効率性が１０倍高いので、僅か５マイクロジュール程度が必要となるのみである。これらのエネルギーは、上記加速器の構造に応じて係数２〜４によって変化してもよい。基本的に、各バンチは、電子ビームのエミッタンスを破壊することなく可能な限り大きな電荷が帯電される。ガンマの質は電荷／エミッタンス２としてスケールされる一方で、総フラックスは電荷に比例する。増幅器１６は原則として、バルク増幅器およびファイバー増幅器の何れか、またはこれら両方の組み合わせとすることができる。銅のカソードはより大きなエネルギーが必要となるため、ファイバー前置増幅器の後続の終端にバルク増幅器を設けることが必要になる。マグネシウムのカソードを使用した場合、ファイバーレーザー増幅器のみを用いてパルスを発生させることが可能になる（このことは明らかに利点である）。光子銃は図示されていないが、当該技術分野において公知のものである。一実施形態の光子銃は２５ｐＣの電荷電子バンチを提供する。光子銃は、電荷を公称上同一とする、各ＲＦバケット（すなわち各加速サイクル）内の電子を同一のエネルギーおよびエミッタンスをもって提供することが要求される。上記実施形態を目的として、約１０Ｅ−３を超えた変化が実質的に存在しない場合では、エネルギーが同一となる。本発明を使用してＸ線を発生させた場合、バンチ毎のより大きな変化が許容可能となる。
【００１７】
Ｘ線の帯域周波数での単一バンチモードでは、バンチ電荷を最大で２５０ｐＣとすべきである。本発明の多元バンチモードの本発明の実施形態は、公称上バンチ帯電の１／１０（すなわち２５ｐＣ）で作用するよう構成されている。上記加速器内の電子摂動および発生はバンチ帯電の２乗に比例した規模となるので、多元バンチモードに関しては、これら電子発生は公称上は１００倍小さくなる。
【００１８】
引き続き図３を参照すると、レーザー系３０は、長パルス１１０を約１０６４ｎｍの波長で発生させるよう構成されたＮｄ：ＹＡＧレーザーである。上記レーザー系３０は、十分なエネルギーおよび高い平均電力を提供するように構成される。強度に関しては、１０ｎｓのパルスに対するパルス毎ジュールの範囲内に収まっている。帯域幅は、所望のガンマ線帯域幅未満である（通常は１０Ｅ−３）。この帯域幅は１０ｎｓのパルスにとって容易である。なお、相互作用ジオメトリによってガンマ線の帯域幅も１０Ｅ−３程度広げられるため、狭帯域幅の使用は有益ではなくなる。正確なレーザーパルスエネルギーは、上記相互作用領域の焦点のサイズおよび長さに応じて決まる（上記相互作用領域の焦点のサイズおよび長さは回折関係を介して互いに関係している）。Ｔ−ＲＥＸとしても知られる対称モードのコンプトン源の実施形態では、焦点サイズが小さく（最大で２０ミクロン）なっており、且つ共焦点相互作用領域が短く（数ｃｍ）なっている。本実施形態では、１００ミクロン未満（＞１００ミクロン）の焦点が採用されており、且つ１メートル程度またはそれ以上の相互作用長さが採用されている。図４に示すように、上記パルス１１０のレーザーパルスエネルギーは、１ジュール〜１０ジュールの範囲のエネルギーを提供するように構成される増幅器によって増幅される。
【００１９】
図５に示すように、増幅後、パルス１１０は相互作用室１８内へと伝送され、当該相互作用室１８内でビームスプリッタおよび変換手段を通過した後に入射電子バンチ１１８の経路内へと反射される。図６に示すように、上記パルス１１０は上記相互作用室１８内を再循環される。レーザーパルス幅は、電子バンチ列全体の全長（マクロバンチ長さとしても知られる）またはバンチ列長さの整数の約数と等しくなるよう選択される。上記相互作用領域の後段側でレーザー光を回収し、これを再循環させて次の電子バンチと相互作用させることで、８７．５ｎｓのパルスとこれよりパルス幅の短いレーザーパルスとの相互作用を人為的に発生させることができる。キャビティは、高反射鏡、１つの偏向子、およびポッケルスセルから構築可能である。偏向光からなる上記パルス１１０は、上記偏光子を介して上記キャビティ内へと注入可能である。その後、偏向はポッケルスセルによって９０°回転されるので、光は捕捉されることになる。散乱光は偏向されており、且つレーザー光子と電子バンチのエネルギーとの何れかを変化させることで調節可能である。この出力は多色性であるが、そのスペクトラムが角度補正されている。上記ビームを狭開口に通過させることで、準単一エネルギーのビームを発生させることができる。上記準単一エネルギーのビームの帯域幅はレーザーの帯域幅に線形的に依存し、電子バンチのエネルギーの広がりに線形的に依存し、且つ電子ビームおよびレーザービームの集束ジオメトリに依存している。図７に示すように、上記パルス１０はキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）を介して循環し続けて、電子バンチの残余と相互作用する。
【００２０】
実際には、最終的に上記加速器の構造の各「ＲＦ」バケット内に電子が置かれる（すなわち、上記加速器を駆動するＲＦ周波数の各サイクル毎に電子バンチが１つ存在する）ことになるため、上記構成は「全バケット充填（ｆｉｌｌ ｅｖｅｒｙ ｂｕｃｋｅｔ）」構成と呼ばれてきた。レーザービームの幾何光学および自由空間回折により焦点領域の長さは制約を受けるため、実際には上記レーザー−電子間相互作用領域は自由パラメータとはならず、その長さは通常１ｍとなる。このような理由により、上記加速器を実用上可能な限り高いＲＦ周波数で操作することが利点になる。加速器の操作は、電界による加速器構造の破壊により制限を受ける。そして、電界による加速器構造の破壊は周波数によって左右される。加速器が現在作動している実用上最も高い周波数はｘ線帯域（公称上１２ＧＨｚ）である。本発明は１１．４２４ＧＨｚのｘ線帯域で作動する装置と一緒に設計されたものである。上記周波数では、電子バンチ間の間隔は８７．５ｐｓとなるか、または空間上で約３ｃｍの距離間隔となる。したがって、１ｍの焦点相互作用領域は常に約３４個の電子バンチを含むことになる。レーザーパルス幅は、電子バンチ列全体の全長（マクロバンチ長さとしても知られる）またはバンチ列長さの整数の約数と等しくなるよう選択可能である。電子バンチの数が１０００となる場合では、レーザーパルス幅は約８７．５ｎｓである。上記相互作用領域の後段側でレーザー光を回収し、これを再循環させて次の電子バンチと相互作用させることで、８７．５ｎｓのパルスとこれよりパルス幅の狭いレーザーパルスとの相互作用を人為的に発生させることができる。実際では、高周波数ＲＦ加速器を使用した結果、電子ビームの断面サイズがより小さくなる（通常、直径１００ミクロン）。上記加速器を励起する電子ビームのサイズは、上記相互作用領域内のレーザーの焦点のサイズに近似する。その結果、上記相互作用領域内に集束している、必要な電子ビームは小さくなるとともに、その実施が簡易になる。
【００２１】
本願発明は、上述の効果に加えて多くの利点を提供する。１０００倍以上のレーザーパルス幅を相互作用領域内で使用することにより、レーザーが通過して相互作用領域に入射する真空窓、レーザーを相互作用領域内で反射させる鏡、およびレーザーを相互作用領域内に集束させる光学部に対してレーザー損傷が生じる可能性を劇的に減少させる。このようなパルス幅の長いレーザーパルスによって、より簡易でコストの低い屈折光学部材を用いて相互作用領域内にレーザーパルスを集束させることが可能になる。１つの本実施形態では、レーザーパルスの集束に軸外し放物面鏡を使用している。これらパルス幅の長いレーザーパルスは、電子バンチに相対的なレーザーへのタイミング要求を劇的に減少（１０００倍減少）させる。低荷電の電子バンチを使用することにより、上記加速器内のより簡易なビーム偏向構造が可能になり、これは高エネルギーの背景光子のうち暗電流電子および暗電流源を除去することを促進する。これらの低電荷の電子バンチは、上記加速器の開始時点で電子を発生させ、既存のロバストなファイバーレーザー技術に適合可能な光子銃駆動レーザーに対するエネルギー要求を低減させる。パルス幅の長いパルスレーザーを相互作用レーザーに使用することにより、チャープパルス増幅の必要性を失くしてして相互作用レーザー系の複雑性を低減させる。より大きな相互作用スポットサイズおよびより長い相互作用レーザー−電子間相互作用領域を使用することにより、著しくコリメート性の増大（最も狭域の帯域に対して１０ミクロラジアン以下）したガンマ線出力またはＸ線出力を発生させる。上記幾何学性のコリメートな出力は、ガンマ線およびＸ線レンズ技術ならびに狭帯域のガンマ線スペクトロメータ技術と簡易に対応可能となる。上記幾何学により発生されたガンマ線は、１０Ｅ−３以下の部分帯域幅を有することができる。本発明を低エネルギーの加速器（例えば４０ＭｅＶの機械）と一緒に使用することにより、極めて高フラックスで調節可能なＸ線放射を発生させることが可能になる。
【００２２】
以上の発明の説明は、例示および解説を目的として提供されているものに過ぎない。したがって、本発明の全体を網羅的に説明するよう意図されたものではなく、また本発明を開示形態そのものに限定するよう意図されたものでもない。以上の開示内容に照らして多くの変更および変形を行うことが可能である。開示された実施形態は、本発明の原理および実際上の適用のみを説明することにより、本発明に対して意図する具体的な用途に適した多様な変更を加えて多様な実施形態で最良に利用することを当業者に可能にするよう意図されたものである。本発明の範囲は以下の請求の範囲によって規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は本発明の実施形態の基礎的な構成要素を示す。
【図２】図２〜６は、本発明の実施形態の操作の態様を示す。
【図３】図２〜６は、本発明の実施形態の操作の態様を示す。
【図４】図２〜６は、本発明の実施形態の操作の態様を示す。
【図５】図２〜６は、本発明の実施形態の操作の態様を示す。
【図６】図２〜６は、本発明の実施形態の操作の態様を示す。
【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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【国際調査報告】
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