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明細書 :小型可変エネルギー単色コヒーレントマルチX線発生装置

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4649607号 (P4649607)
公開番号 特開2006-147510 (P2006-147510A)
登録日 平成22年12月24日(2010.12.24)
発行日 平成23年3月16日(2011.3.16)
公開日 平成18年6月8日(2006.6.8)
発明の名称または考案の名称 小型可変エネルギー単色コヒーレントマルチX線発生装置
国際特許分類 H05G   2/00        (2006.01)
G21K   1/06        (2006.01)
G21K   5/08        (2006.01)
H01S   4/00        (2006.01)
FI H05G 1/00 J
G21K 1/06 G
G21K 5/08 X
H01S 4/00
請求項の数または発明の数 4
全頁数 10
出願番号 特願2004-339792 (P2004-339792)
出願日 平成16年11月25日(2004.11.25)
審査請求日 平成19年11月19日(2007.11.19)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】899000057
【氏名又は名称】学校法人日本大学
発明者または考案者 【氏名】佐藤 勇
【氏名】早川 恭史
【氏名】早川 建
【氏名】田中 俊成
個別代理人の代理人 【識別番号】100099254、【弁理士】、【氏名又は名称】役 昌明
【識別番号】100100918、【弁理士】、【氏名又は名称】大橋 公治
【識別番号】100105485、【弁理士】、【氏名又は名称】平野 雅典
【識別番号】100108729、【弁理士】、【氏名又は名称】林 紘樹
審査官 【審査官】安田 明央
参考文献・文献 特開2000-030892(JP,A)
Yu.N. Adishchev, A.N. Didenko, V.V. Mun, G.A. Pleshkov, A.P. Potylitsin, V.K. Tomchakov, S.R. Uglov and S.A. Vorobiev,Measurements of parametric X-rays from relativistic electrons in silicon crystals,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms,NL,Elsevier B.V.,1987年,Vol. 21, Issues 1-4,49-55
A. V. Shchagin, N. A. Khizhnyak, R. B. Fiorito, D. W. Rule and X. Artru,Parametric X-ray radiation for calibration of X-ray space telescopes and generation of several X-ray beams,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms,NL,Elsevier B.V.,2001年 1月,Vol. 173, Issues 1-2,154-159
J. Freudenberger, H. Genz, V. V. Morokhovskyi, A. Richter, and J. P. F. Sellschop,Parametric X Rays Observed under Bragg Condition: Boost of Intensity by a Factor of Two,Physical Review Letters,米国,American Physical Society,2000年 1月10日,Vol. 84, Issue 2,270-273
J. Freudenberger, V. B. Gavrikov, M. Galemann, H. Genz, L. Groening, V. L. Morokhovskii, V. V. Morokhovskii, U. Nething, A. Richter, J. P. F. Sellschop, and N. F. Shul'ga,Parametric X-Ray Radiation Observed in Diamond at Low Electron Energies,Physical Review Letters,米国,American Physical Society,1995年 3月27日,Vol. 74, Issue 13,2487-2490
調査した分野 H05G 1/00
G21K 1/00
G21K 5/00
Science Direct
IEEE Xplore
CiNii

特許請求の範囲 【請求項1】
100MeV程度の高エネルギー電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、高エネルギー電子ビームを当ててパラメトリックX線を発生するために、高エネルギー電子ビームの方向に沿って直線状に並べた複数個のX線発生用単結晶と、それぞれのX線発生用単結晶から得られるパラメトリックX線のなかから所望の波長のX線のみを選択的に反射させて高エネルギー電子ビームの方向に平行な方向に取り出すためのX線選択用単結晶とを具備することを特徴とするマルチX線発生装置。
【請求項2】
1つのX線発生用単結晶から複数の方向にパラメトリックX線を発生することを特徴とする請求項1記載のマルチX線発生装置。
【請求項3】
前記X線発生用単結晶の角度と位置を変える発生用調整手段と、前記X線選択用単結晶の角度と位置を変える選択用調整手段とを備えたことを特徴とする請求項1記載のマルチX線発生装置。
【請求項4】
パラメトリックX線の波長を変えても出力位置が一定になるように、前記発生用調整手段と前記選択用調整手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項3記載のマルチX線発生装置。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、X線発生装置に関し、特に、小型でX線エネルギーを変えることができ、単色でコヒーレントなX線を発生できるパラメトリックX線発生装置に関する。
【背景技術】
【0002】
X線を発生する方法としては、電子ビームを対陰極(陽極)金属に当てて、対陰極金属固有の線スペクトルの特性X線を発生する方法が最も一般的である。その場合には、対陰極物質に関係ない電子の制動放射による連続スペクトルの連続X線も発生する。また、シンクロトロン放射を利用してX線を発生する方法もある。シンクロトロン放射は、磁場中で曲線軌道を描く相対論的高エネルギー電子が、求心加速度により放射する電磁波である。シンクロトロン放射は、幅広いスペクトルの強力なX線源として重要であり、真空紫外からX線にわたる強力な光源として利用されている。最近では、貯蔵リングや線形加速器の高エネルギービームを使った自由電子レーザーであるX線レーザーも開発が提案されている。X線レーザーは、真空紫外線~軟X線領域では実証されている。
【0003】
近年では、パラメトリックX線発生装置も開発されつつある。高エネルギー電子ビームで結晶を、適当な角度条件で照射すると、単色に近い、位相の揃ったX線(パラメトリックX線、PXR: Parametric X-ray Radiation)が放射される。すなわち、パラメトリックX線とは、結晶に高エネルギー電子を入射したときに、図2に示すように、結晶にX線を入射したときと同様に、ブラッグ条件を満たす角度・エネルギーで放射されるX線である。1972年にTer-MikaelianがPXRを予言したが、1985年にトムスクのグループが初めて実際にPXRを観測した。PXRについての詳細は、非特許文献1などを参照されたい。
【0004】
このパラメトリックX線を単結晶で反射させることにより、γ線や電子線などの放射線と分離して、単色のX線のみを取り出すことができる。すなわち、図3に示すように、高エネルギーに加速した電子ビームで、薄い単結晶板を照射し、発生したX線を更に単結晶で全反射させて、X線のみを取り出す。このPXRの特長は、指向性が高いこと、エネルギーを変えられること、エネルギー分散が小さいこと、X線の位相が揃っていること、である。
【0005】
具体的なPXR発生システムは、真空槽に収められた2台のゴニオメータで制御される2つのSi単結晶で構成され、X線取り出しポートを固定したまま、連続的にX線のエネルギーを変えることができるものである。詳細は、非特許文献2、3を参照されたい。PXRビームラインでの電子ビームの仕様は、次の通りである。加速周波数は、2856MHzである。最大電子エネルギーは、100MeVである。エネルギー分散は、1%である。ビーム電流は、100mAである。マクロパルス幅は、20μsである。繰り返しは、2.5Hzである。平均電流は、5μAである。規格化エミッタンスは、20πmm mrad未満である。アナライザーでのスリットが固定であるため、エネルギー分散は変えられないが、それ以外は、自由電子レーザーのビームラインとほぼ同じである。ビームカレントは、ストレートラインで100mA、90°偏向後で90mAである。
【0006】
電子ビームを照射するターゲット結晶は、X線のラジエーターであり、このシステムの基本となるものである。PXR発生システムとして、Si(111)‐Si(111)の組み合わせを用いている。ブラッグ角12°付近で、反射鏡である第2結晶の回転角をスキャニングすると、図4に示すように、ピークが観測される。ピークの幅は、理論計算と比べるとやや広いが、ほぼ同程度であり、観測されたシグナルがPXRによるものであることを示している。詳細は、非特許文献5を参照されたい。
【0007】
写真フィルムやイメージングプレート(IP)によるX線透過画像は、7keVから18keVの範囲で撮影され、エッジが非常に鮮明であり、この線源が指向性と単色性について優れていることを示している。PXRのプロファイルは、図5、図6、図7に示すようなドーナツ状になる。PXRのエネルギーと強度の変化は、図8に示すようになる。図9は、PXRピーク強度の電子エネルギー依存性を示すグラフである。電子ビームのエネルギーが1000MeVを超えると、X線のピーク強度は飽和する。
【0008】
PXR発生装置で得られるX線には、水平方向にほぼリニアなエネルギー(波長)グラデーションを持つという特徴がある。そのため、イメージングによってK吸収端を確認することができる。図10は、CuのK吸収端(8.981keV)の写真である。左側が高エネルギー側となっている。厚さ20μmのCu薄膜を使用した。写真フィルムの場合、乳剤にAgBrを使用しているため、BrのK吸収端(13.474keV)で感度が大きく変わる。図11は、写真フィルムのBr-K吸収端(13.474keV)付近の挙動を示す写真である。図11の画像は、ターゲット結晶の回転によりPXRの中心エネルギーを変えて撮影したものである。中心エネルギーは、(a)13.35keV、(b)13.5keV、(c)13.65keVである。条件を変えても、吸収端周辺に同じような構造が現れている。中心エネルギーの変化に従って、K吸収端に相当するエネルギーの位置が動いている。また、図12は、画像の破線内部の明度を縦方向に積算してプロットして、写真フィルムのBr-K吸収端付近の挙動を示すグラフにしたものである。詳細は、非特許文献5を参照されたい。
【0009】
一方、低エネルギー電子ビームでパラメトリックX線を発生する方法も提案されている。特許文献1に開示された「X線発生方法」は、加速器を用いることなく、通常の実験室で得られる程度の低い電圧で加速した非相対論的低エネルギーの電子によりパラメトリックX線放射を起こさせて単色X線を発生させることのできるX線発生方法である。図13に示すように、真空空間において、電子銃から低い電圧で加速された低エネルギー電子を方位のそろった結晶体に入射させて、結晶体からのパラメトリックX線放射を発生させてX線を取り出す。

【特許文献1】特開2000-30892号公報
【非特許文献1】A. V. Shchagin et al., Phys. Lett. A 148, (1990) 485.
【非特許文献2】Y. Hayakawa et al., Proc. of the 12th Symposium on Accelerator Science and Technology, (1999) 391.
【非特許文献3】Y. Hayakawa et al., Proc. of 26th Linear Accelerator Meeting in Japan, (2001) 110.
【非特許文献4】Y. Hayakawa et al., Proc. of VI International Symposium "RREPS-03", Sep. 8-11, 2003, Tomsk (to be published in Nucl. Instrum. & Methods B).
【非特許文献5】第1回加速器学会年会・第29回リニアック技術研究会、2004年8月4日~6日、プロシーディング(2004),pp.60~62.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかし、従来のパラメトリックX線発生装置では、1つの高エネルギー電子ビームから1つのパラメトリックX線しか取り出せないという問題があった。
【0011】
本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、1つの高エネルギー電子ビームから複数のパラメトリックX線を取り出せるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記の課題を解決するために、本発明では、X線発生装置を、高エネルギー電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、高エネルギー電子ビームを当ててパラメトリックX線を発生するために、高エネルギー電子ビームの方向に沿って直線状に並べた複数個のX線発生用単結晶と、それぞれのX線発生用単結晶から得られるパラメトリックX線を選択的に反射させて取り出すためのX線選択用単結晶とを具備する構成とした。また、1つのX線発生用単結晶から複数のパラメトリックX線を発生する。
【発明の効果】
【0013】
小型で、エネルギーを変えることができ、単色でコヒーレントなX線を発生するパラメトリックX線発生装置において、1つの高エネルギー電子ビームから複数のパラメトリックX線を取り出せる。それぞれのパラメトリックX線の特性を独立に制御することができる。それぞれのパラメトリックX線を使って複数の解析処理を同時に実行することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図1を参照しながら詳細に説明する。
【実施例】
【0015】
本発明の実施例は、高エネルギー電子ビームを当ててパラメトリックX線を発生するための複数個のX線発生用単結晶を、高エネルギー電子ビームの方向に沿って直線状に並べ、1つのX線発生用単結晶から1つまたは複数のパラメトリックX線を発生し、それぞれのパラメトリックX線を、X線選択用単結晶で選択的に反射させて取り出すマルチX線発生装置である。
【0016】
図1は、本発明の実施例におけるマルチX線発生装置の構成を示す概念図である。図1において、高エネルギー電子線加速器1は、電子ビームを100MeV程度に加速するLinacである。第1薄板単結晶2と第2薄板単結晶4と第3薄板単結晶6と第4薄板単結晶8は、パラメトリックX線発生用のSi単結晶である。他の結晶でもよい。第1反射単結晶3と第2反射単結晶5と第3反射単結晶7と第4反射単結晶9と第5反射単結晶10は、パラメトリックX線を反射させるSi単結晶である。Si単結晶の(111)面を利用する。ビームダンプ11は、電子ビームを吸収する部材である。
【0017】
ある間隔を置いて、多数の薄板単結晶を一直線上(中心軸)に並べる。各々の薄板単結晶の傾斜角を、所望の角度に設定する。薄板単結晶から出るパラメトリックX線のビーム方向が、それぞれ異なる方向となるように、それぞれの薄板単結晶の向きを変えて配置する。X線反射用結晶の位置が、中心軸を軸とする円筒面上に均等になるようにするとよい。高エネルギー電子線加速器1は、電子ビームが中心軸を通るように配置する。これらを、真空容器中に設置する。
【0018】
上記のように構成された本発明の実施例におけるマルチX線発生装置の動作を説明する。最初に、図1を参照しながら、マルチX線発生装置の動作の概要を説明する。高エネルギー電子線加速器1で、電子ビームを100MeV程度に加速する。中心軸に、高エネルギー電子ビームを入射する。そうすると、薄板単結晶から多数のパラメトリックX線が、それぞれ異なる方向に放射される。これらのX線を、反射単結晶で全反射させる。これにより、X線を、γ線や電子線などの放射線と分離する。こうして、中心軸と平行な方向(軸方向)に、多くのパラメトリックX線を同時に取り出すことができる。さらに、各薄板単結晶を独立に回転すると、それぞれのパラメトリックX線のエネルギーを、独自に変えることができる。X線取り出しポートを固定したまま、連続的にX線のエネルギーを変えることができる。
【0019】
次に、第1薄板単結晶2の動作を説明する。電子ビームを、第1薄板単結晶2に当てて、パラメトリックX線を発生する。例えば、Si単結晶の(111)面を利用して、パラメトリックX線を発生する。例えば、ブラッグ角は約12°である。第1薄板単結晶2では、同時に2つのパラメトリックX線を発生する。1つのパラメトリックX線は、第1反射単結晶3で反射させて、第1X線を取り出す。同じSi単結晶の(111)面を利用することで、電子ビームと平行なX線を得ることができる。もう1つのパラメトリックX線は、第5反射単結晶10で反射させて、第5X線を取り出す。例えば、Si単結晶の(110)面からのX線を選択する。電子ビームの方向に対して第1薄板単結晶2の方向を適切に設定することで、(111)面の反射と(110)面の反射を同時に得ることができる。第1X線は、コヒーレンシーが優れているので、干渉実験やXAFS(X線吸収微細構造X-ray absorption fine structure)解析のような高分解能を要求する応用に用いることができる。第5X線は、第1X線の従属X線であるので、パラメータは、第1X線に依存する。
【0020】
ゴニオメータなどの回転手段により、第1薄板単結晶2の角度を変えると、X線の波長を変えることができる。それに合わせて、第1反射単結晶3の角度と位置を変えることにより、X線の出力位置を一定にすることができる。従属X線の特性は、独立には制御できない。ブラッグ条件を満たす他の結晶面から反射されるX線であるので、主X線の変化に追随して変化する。
【0021】
次に、第2薄板単結晶4の動作を説明する。第1薄板単結晶2を透過した電子ビームを、第2薄板単結晶4に当てて、パラメトリックX線を発生する。初段と同じSi単結晶の(111)面を利用してもよいし、別の(110)面を利用してもよい。この電子ビームは、前の単結晶で多重散乱によって発散が大きくなるので、2段目で得られるパラメトリックX線の特性は、初段で得られるものより少し劣化している。このパラメトリックX線を、第2反射単結晶5で反射させて、第2X線を取り出す。第2X線は、X線回折やX線蛍光分析の目的に用いることができる。
【0022】
次に、第3薄板単結晶6の動作を説明する。第2薄板単結晶4を透過した電子ビームを、第3薄板単結晶6に当てて、パラメトリックX線を発生する。このパラメトリックX線を、第3反射単結晶7で反射させて、第3X線を取り出す。3段目で得られるパラメトリックX線の特性は、2段目で得られるものよりさらに少し劣化している。第3X線は、結晶回折の目的に用いることができる。
【0023】
次に、第4薄板単結晶8の動作を説明する。第3薄板単結晶6を透過した電子ビームを、第4薄板単結晶8に当てて、パラメトリックX線を発生する。このパラメトリックX線を、第4反射単結晶9で反射させて、第4X線を取り出す。第4薄板単結晶8を透過した電子ビームは、ビームダンプ11で吸収する。4段目で得られるパラメトリックX線の特性は、3段目で得られるものよりさらに少し劣化している。第4X線は、エネルギー分散が大きいので、精密な解析用には不十分であるが、X線イメージングの目的に用いることができる。
【0024】
このマルチX線発生装置は、1つの電子ビームから同時に複数のX線を取り出すことができるので、複数の解析処理が同時にできる。この例では4段の場合を説明したが、5段以上とすることも可能である。鋭いピークのスペクトルを必要とするXAFSから、そのようなスペクトルを必要としないX線イメージングなどのような処理まで、同時に実行することができる。しかも、それぞれのX線を独立に制御できるので、解析どうしが互いに干渉することはない。1つのX線発生用単結晶から2つのパラメトリックX線を発生する例を説明したが、3つ以上のパラメトリックX線を発生することも可能である。また、複数の段で、それぞれ複数のパラメトリックX線を発生することも可能である。
【0025】
上記のように、本発明の実施例では、マルチX線発生装置を、高エネルギー電子ビームを当ててパラメトリックX線を発生するための複数個のX線発生用単結晶を、高エネルギー電子ビームの方向に沿って直線状に並べ、1つのX線発生用単結晶から1つまたは複数のパラメトリックX線を発生し、それぞれのパラメトリックX線を、X線選択用単結晶で選択的に反射させて取り出す構成としたので、1つの高エネルギー電子ビームから複数のX線を取り出せる。
【産業上の利用可能性】
【0026】
本発明のマルチX線発生装置は、イメージングや分析用のX線発生装置として最適である。このパラメトリックX線は、原子・分子の構造解析、結晶構造解析、たんぱく質の構造解析、X線回折、蛍光X線回折、超微量分析などに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明の実施例におけるマルチX線発生装置の構成を示す概念図である。
【図2】パラメトリックX線放射の概念図である。
【図3】従来のパラメトリックX線発生装置の概念図である。
【図4】反射用単結晶の回転角度に対するPXR強度の依存性を示すグラフである。
【図5】X線発生用単結晶から放射されるX線の分布を示すグラフである。
【図6】反射用単結晶でブラッグ反射したX線の分布を示すグラフである。
【図7】X線ポート出口でのX線プロファイルである。
【図8】PXRのエネルギーと強度の変化を示すグラフである。
【図9】PXRピーク強度の電子エネルギー依存性を示すグラフである。
【図10】写真フィルムによるCuのK吸収端の写真である。
【図11】写真フィルムのBr-K吸収端付近の挙動を示す写真である。
【図12】写真フィルムのBr-K吸収端付近の挙動を示すグラフである。
【図13】従来の低エネルギーパラメトリックX線発生装置の概念図である。
【符号の説明】
【0028】
1 高エネルギー電子線加速器
2 第1薄板単結晶
3 第1反射単結晶
4 第2薄板単結晶
5 第2反射単結晶
6 第3薄板単結晶
7 第3反射単結晶
8 第4薄板単結晶
9 第4反射単結晶
10 第5反射単結晶
11 ビームダンプ
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8
【図10】
9
【図11】
10
【図12】
11
【図13】
12