(57)【要約】【課題】容易に高強度のＸ線を発生させることが可能なＸ線発生装置を提供する。【解決手段】相互に対向して配置された部分反射鏡と全反射鏡とにより光共振器が画定されている。部分反射鏡は、光の一部を透過させる。光共振器内に光増幅器が配置されている。光増幅器は、光共振器内を往復する光を増幅する。パルスレーザ発振器が、部分反射鏡を通して光共振器内にレーザパルスを入射させる。パルスレーザ発振器から出射され、光共振器内を往復するレーザパルスに衝突するように、Ｘ線発生装置が、ある時間間隔で複数の電子群を出射する。【選択図】　図１
2004069319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に対向して配置された部分反射鏡と全反射鏡とを含み、該部分反射鏡が光の一部を透過させる光共振器と、
前記光共振器内に配置され、該光共振器内を往復する光を増幅する光増幅器と、
前記部分反射鏡を通して前記光共振器内にレーザパルスを入射させるパルスレーザ発振器と、
前記パルスレーザ発振器から出射され、前記光共振器内を往復するレーザパルスに衝突するように、ある時間間隔で複数の電子群を出射する電子ビーム源と
を有するＸ線発生装置。
【請求項２】
さらに、前記部分反射鏡及び前記全反射鏡の少なくとも一方を、前記光共振器の光軸方向に移動させる移動機構を有する請求項１に記載のＸ線発生装置。
【請求項３】
前記光共振器が、該光共振器内を往復するレーザパルスを１つの集光点で集光させる集光光学素子を含む請求項１または２に記載のＸ線発生装置。
【請求項４】
前記部分反射鏡及び前記全反射鏡が凹面鏡であり、前記集光光学素子を兼ねている請求項３に記載のＸ線発生装置。
【請求項５】
前記電子ビーム源から出射された電子群が、前記光共振器内の前記集光点でパルスレーザビームに衝突するように、前記光共振器の光軸及び前記電子ビーム源から出射される電子ビームの経路が調節されている請求項３または４に記載のＸ線発生装置。
【請求項６】
相互に対向して配置された部分反射鏡と全反射鏡とを含み、該部分反射鏡が光の一部を透過させる光共振器に、前記部分反射鏡を通してレーザパルスを入射させ、光共振器内を往復させるとともに、該光共振器内に配置された光増幅器で、該光共振器内を往復する光を増幅する工程と、
前記光共振器内を往復するレーザパルスに、ある時間間隔で複数の電子群を衝突させる工程と
を有するＸ線発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線発生装置に関し、特に電子ビームにレーザビームを衝突させ、逆コンプトン散乱過程によってＸ線を発生させるＸ線発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
逆コンプトン散乱過程によるＸ線の発生手法として、シングルバンチの電子ビーム（電子群が１つのパルス状電子ビーム）と、シングルパルスのレーザビームとを衝突させる手法が知られている。発生するＸ線強度を増加させるために、マルチバンチの電子ビーム（電子群が所定の時間間隔で複数個配列している電子ビーム）とパルスレーザビームとを衝突させる方法が研究されている。後者のＸ線発生方法として、主として以下の３通りの方法が提案され研究されている。
【０００３】
第１の方法では、レーザ発振器からマルチパルスレーザビームを出射させ、各レーザパルスと、マルチバンチ電子ビームの１つの電子群とを衝突させる。この方法で高強度のマルチパルスレーザビームを発生させるためには、レーザ発振器を大型化しなければならない。
【０００４】
第２の方法が、特開平７−１１０４００号公報に開示されている。図３（Ａ）に、特開平７−１１０４００号公報に開示されたＸ線発生装置の概略図を示す。光共振器１００の一方の反射鏡を通して、レーザ光源１０１からレーザビーム１１０を光反射鏡１００内に入射させる。レーザビームは光共振器１００内を往復し、定在波を形成する。光共振器１００から漏れるレーザビームのエネルギよりも、新たに入射するレーザビームのエネルギを大きくすることにより、定在波の強度を高めることができる。加速器１０２から出射されたマルチバンチ電子ビーム１１１が、光共振器１００内に形成された定在波に衝突し、Ｘ線１１２を発生させる。
【０００５】
この方法では、光共振器１００内に定在波を形成するために、共振器長を波長の１／１０の精度で調整しなければならない。このため、共振器１００の共振器長の調整が技術的に困難である。
【０００６】
第３の方法が、特開平１１−２１１８９９号公報に開示されている。図３（Ｂ）に、特開平１１−２１１８９９号公報に開示されたＸ線発生装置の概略図を示す。２枚の反射鏡１２０及び１２１が、相互に対向配置されている。レーザ光源１２２から出射されたレーザビーム１３０が反射鏡１２０及び１２１で反復反射しながら、反射鏡１２０及び１２１の反射面に平行な方向にジグザグ状に進行する。
【０００７】
電子ビーム源１２３から出射した電子ビーム１３１が、反射鏡１２０及び１２１の間をジグザグ状に進行するレーザビームと高い頻度で衝突し、Ｘ線が発生する。レーザビームを集光するために、反射鏡１２０及び１２１の反射位置の各々を凹面鏡にする方式も提案されている。レーザビームの集光点において電子ビームと衝突させることにより、Ｘ線への変換効率を高めることができる。
【０００８】
この方法では、レーザビームの反射回数が増加すると、衝突させるべき点に精度よくレーザビームを集光させることが困難になる。また、衝突点が１点のみではないため、衝突点に常に電子ビームを収束させることが困難である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、容易に高強度のＸ線を発生させることが可能なＸ線発生装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、相互に対向して配置された部分反射鏡と全反射鏡とを含み、該部分反射鏡が光の一部を透過させる光共振器と、前記光共振器内に配置され、該光共振器内を往復する光を増幅する光増幅器と、前記部分反射鏡を通して前記光共振器内にレーザパルスを入射させるパルスレーザ発振器と、前記パルスレーザ発振器から出射され、前記光共振器内を往復するレーザパルスに衝突するように、ある時間間隔で複数の電子群を出射する電子ビーム源とを有するＸ線発生装置が提供される。
【００１１】
光共振器内をパルスレーザビームが往復するため、複数の電子群と１つのパルスレーザビームとを複数回衝突させることができる。これにより、発生するＸ線のエネルギを高めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例によるＸ線発生装置の概略図を示す。相互に対向して配置された部分反射鏡１と全反射鏡２とにより、光共振器３が画定されている。部分反射鏡１の反射率は、例えば９０〜９９．９％（透過率は０．１〜１０％）であり、部分反射鏡１を通して外部から光共振器３内にレーザビームを導入することができる。全反射鏡２の反射率は、理想的には１００％であるが、現実的には９９．５％以上であり、少なくとも部分反射鏡１の反射率よりも高い。
【００１３】
部分反射鏡１及び全反射鏡２は、共に凹面鏡であり、両者の焦点が一致するように配置されている。例えば全反射鏡２から部分反射鏡１に向かうレーザビームが焦点１１に集光され、その後、発散光線束になって部分反射鏡１に入射する。部分反射鏡１で反射したレーザビームは。再び焦点１１に集光され、発散光線束となり全反射鏡２に入射する。
【００１４】
移動機構７が、全反射鏡２を、光共振器３の光軸方向に移動させることができる。全反射鏡２を移動させることにより、光共振器３の共振器長を調節することができる。
【００１５】
光共振器３内に、光増幅器４が配置されている。光増幅器４は、例えばＴｉサファイアレーザ媒質、及びこのレーザ媒質を励起させるための励起光源を含んで構成される。励起光源として、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器が使用される。光増幅器４は、光共振器３内を往復するレーザビームを増幅する。
【００１６】
レーザ光源５が、シングルパルスレーザビーム１０を出射する。レーザ光源５は、例えばＴｉサファイアモード同期レーザ発振器と再生増幅器とを含んで構成される。Ｔｉサファイアレーザ発振器は、例えば、パルス周波数１１９ＭＨｚのマルチパルスレーザビームを出射する。再生増幅器は、Ｔｉサファイアレーザ発振器から出射されたマルチパルスレーザビームから１つのパルスを切り出し、増幅する。再生増幅器から、例えばパルスエネルギ５００μＪ／パルス、パルス幅２００ｐｓのシングルパルスレーザビームが出射される。
【００１７】
レーザ光源５から出射されたシングルパルスレーザビーム１０が、部分反射鏡１を透過して光共振器３内に導入される。レーザ光源１から出射されるパルスレーザビーム１０のパルスエネルギが５００μＪ／パルスであり、部分反射鏡１の透過率が１％である場合、光共振器３内に導入されるシングルパルスレーザビームのパルスエネルギは約５μＪ／パルスである。
【００１８】
レーザ光源５から出射されるシングルパルスレーザビーム１０と同期させて、光増幅器４のレーザ媒質を励起させると、光共振器３内に導入されたシングルパルスレーザビームが共振器３内を往復する度に、光増幅器４で増幅される。シングルパルスレーザビームが増幅されるに従って、光増幅器４の増幅率が低下するため、シングルパルスレーザビームのパルスエネルギは、ある時点で最大となり、その後徐々に低下する。例えば、パルスエネルギの最大値が４４ｍＪ／パルスになるまで増幅することができる。また、パルスエネルギが２２ｍＪ／パルス以上まで増幅され、その後２２ｍＪ／パルスまで低下するまでに、シングルパルスレーザビームは光共振器３内を約２０往復する。
【００１９】
電子ビーム源６が、マルチバンチ電子ビーム１２を出射する。電子ビーム源６は、例えばフォトカソードと加速空洞を有する電子銃、及び直線加速器（リニアック）を含んで構成される。リニアックは、マルチバンチ電子ビームを相対論的速度（例えば光速の０．５倍以上）まで加速する。
【００２０】
光共振器３内を往復するシングルパルスレーザビームのパルスエネルギが２２ｍＪ／パルスを超えて、最初に全反射鏡２から部分反射鏡１に向かう期間に、電子ビーム源６から出射された最初の電子群が、集光点１１でシングルパルスレーザビームに衝突するように、レーザ光源５及び電子ビーム源６が、同期装置２０により同期制御される。
【００２１】
光共振器３内をシングルパルスレーザビームが１往復する時間が、電子ビーム源６から出射されるマルチバンチ電子ビーム１２の電子群の時間間隔と等しくなるように、移動機構７により光共振器３の共振器長が調節されている。このため、集光点１１で電子群と衝突したシングルパルスレーザビームは、光共振器３内を１往復して再び集光点１１に集光された時に、次の電子群と衝突する。
【００２２】
シングルパルスレーザビームは、２２ｍＪ／パルス以上のパルスエネルギを維持して光共振器３内を約２０往復する。このため、パルスエネルギが２２ｍＪ／パルス以上のパルスレーザビームと電子群とを約２０回衝突させることができる。この衝突によって、逆コンプトン散乱過程により、パルス状のＸ線１３が発生する。
【００２３】
レーザ光源５から出射されたパルスレーザビーム１０はシングルパルスであるが、これを光共振器内で増幅しながら往復させることにより、パルスレーザビームと電子ビームとを複数回衝突させることができる。これにより、パルスレーザビームのエネルギ利用効率を高めることができる。また、発生するパルス状のＸ線１３の全体のエネルギを高めることができる。
【００２４】
光共振器３内で効率的に共振を生じさせるためには、部分反射鏡１を透過して光共振器３内に導入されたレーザビームを、光共振器３の持つ固有のビーム軌道に合致させなければならない。具体的には、光共振器３内の固有のビーム軌道を部分反射鏡１の外側まで延長する。この延長された仮想ビーム軌道に一致するようなレーザビームを、部分反射鏡１に入射させればよい。レーザ光源５から出射されたレーザビームが平行光線束である場合には、凸レンズを使用して、仮想ビーム軌道に一致するレーザビームを得ることができる。
【００２５】
上記実施例によるＸ線発生装置では、シングルパルスレーザビームと電子ビームとの衝突角が一定である。このため、発生するＸ線の空間的な単色性を損なうことがない。
【００２６】
また、上記実施例では、光共振器３の共振器長を、シングルパルスレーザビームが１往復する時間と、マルチバンチ電子ビーム１２の電子群の時間間隔とが等しくなるように調節すればよい。この調節には、レーザビームの波長オーダの精度が要求されない。このため、比較的容易に光共振器３の共振器長を調整することができる。
【００２７】
上記実施例では、レーザ光源５から出射されるシングルパルスレーザビーム１０が光共振器３に入射するときに１度だけ光増幅器４のレーザ媒質を励起させた。１回の励起のみでも、前述のように、パルスエネルギ２２ｍＪ／パルス以上を維持して、シングルパルスレーザビームを光共振器３内で約２０往復させることができる。
【００２８】
光共振器３内を往復するシングルパルスレーザビームのパルスエネルギが低下してきたときに、光増幅器４のレーザ媒質を再度励起させることにより、再度パルスエネルギを高めることができる。これにより、２０回以上の多数回の衝突を行わせることができる。
【００２９】
上記実施例では、パルスレーザビームが図１の光共振器３内を１往復するごとに、電子ビームと１回衝突したが、１往復するごとに２回の衝突（往路で１回、復路で１回の衝突）を起こさせることも可能である。焦点１１から部分反射鏡１までの光路長と、焦点１１から全反射鏡２までの光路長とを等しくし、電子ビームのパルス間隔を、パルスレーザビームが共振器３を１往復する時間の１／２にすればよい。この方式を採用する場合には、光路長を微調整するために、部分反射鏡１も移動機構７ａで移動可能に保持することが好ましい。
【００３０】
上記実施例では、光共振器３を画定する両端の反射鏡１及び３を凹面鏡としたが、光共振器３内にその他の集光光学系を追加してもよい。
【００３１】
図２（Ａ）に、光共振器及び集光光学系の他の構成例を示す。平板の部分反射鏡１ａと焦点距離１０ｍ程度の凹面鏡２ａとが光共振器３ａを画定している。光共振器３ａ内に、２枚の凸レンズ３０及び３１が、その中心軸が光共振器３ａの光軸と一致し、２枚の凸レンズの焦点が相互に一致するように配置されている。部分反射鏡１ａ側の凸レンズ３０の焦点距離は例えば６００ｍｍであり、凹面鏡２ａ側の凸レンズ３１の焦点距離は例えば１５０ｍｍである。部分反射鏡１ａと凸レンズ３０との間に、光増幅器４が配置されている。
【００３２】
部分反射鏡１ａを透過して光共振器３ａ内にシングルパルスレーザビーム１０が入射すると、凸レンズ３０により、その焦点に集光される。その後、発散光線束となり、他方の凸レンズ３１により、ほぼ平行光線束にされ、凹面鏡２ａに入射する。凹面鏡２ａで反射した平行光線束は、凸レンズ３１でその焦点に集光される。その後、発散光線束となり、凸レンズ３０により平行光線束になり、部分反射鏡１ａに入射する。
【００３３】
マルチバンチ電子ビーム１２が、凸レンズ３０と３１との共焦点位置で、シングルパルスレーザビームと衝突する。
【００３４】
凸レンズ３０の焦点距離が他方の凸レンズ３１の焦点距離よりも長いため、部分反射鏡１ａと凸レンズ３０との間のレーザビームのビーム径が、光共振器３ａ内の他の位置におけるビーム径よりも大きい。ビーム径の大きくなる位置に光増幅器４を配置しているため、光増幅器４のレーザ媒質の損傷を回避することができる。また、レーザ媒質中のレーザビームのパワー密度が低下するため、非線形効果（自己位相変調、自己収束）を低減することができる。さらに、増幅利得を下げることができるため、増幅器に蓄積されたエネルギの消費を遅らせることが可能になる。これにより、パルスレーザビームの往復回数を増加させることが可能になる。
【００３５】
図２（Ｂ）に示すように、図２（Ａ）の凸レンズ３０及び３１の代わりに、凹面鏡３０ａ及び３１ａを使用することも可能である。
【００３６】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光共振器の一方の反射鏡を部分反射鏡とすることにより、部分反射鏡を通して光共振器内にシングルパルスレーザビームを導入することができる。光共振器内に光増幅器を配置することにより、導入されたシングルパルスレーザビームのパルスエネルギを大きくすることができる。パルスエネルギが大きくなり、光共振器内を往復するシングルパルスレーザビームにマルチバンチ電子ビームを衝突させることにより、マルチパルスのＸ線を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるＸ線発生装置の概略図である。
【図２】実施例によるＸ線発生装置の光共振器及び集光光学系の他の構成例を示す概略図である。
【図３】従来のＸ線発生装置の概略図である。
【符号の説明】
１　部分反射鏡
２　全反射鏡
３　光共振器
４　光増幅器
５　レーザ光源
６　電子ビーム源
７　移動機構
１０　シングルパルスレーザビーム
１１　集光点
１２　マルチバンチ電子ビーム
１３　マルチパルスＸ線
２０　同期装置
３０、３１　凸レンズ
【図１】
2004069319.tif 000003
【図２】
2004069319.tif 000004
【図３】
2004069319.tif 000005