Ｘ線発生装置
【課題】ＰＸＲ現象を利用したＸ線発生装置であってＸ線放射方向を一定に維持したままＸ線波長を変化させることができるＸ線発生装置を提供する。
【解決手段】光源１０から出力されたレーザ光９１は、レーザ光入射窓３１を通過して容器３０の内部へ入力され、第１反射鏡３３および第２反射鏡３５により反射され、ＸＹステージ３７上の結晶９０の表面に形成された金属薄膜ターゲット８０に集光照射される。ターゲット８０においてプラズマが発生し、ターゲット８０から放出された電子９２は結晶９０に入射され、結晶９０においてＰＸＲ現象によりＸ線９３が放射される。ゴニオステージ３８およびゴニオステージ３９により、結晶９０の格子面と電子９２の入射方向との角度θおよび結晶９０の格子面間隔ｄは、或る次数ｎ１に対してブラッグ条件と同様の条件を満たすよう調整される。
【解決手段】光源１０から出力されたレーザ光９１は、レーザ光入射窓３１を通過して容器３０の内部へ入力され、第１反射鏡３３および第２反射鏡３５により反射され、ＸＹステージ３７上の結晶９０の表面に形成された金属薄膜ターゲット８０に集光照射される。ターゲット８０においてプラズマが発生し、ターゲット８０から放出された電子９２は結晶９０に入射され、結晶９０においてＰＸＲ現象によりＸ線９３が放射される。ゴニオステージ３８およびゴニオステージ３９により、結晶９０の格子面と電子９２の入射方向との角度θおよび結晶９０の格子面間隔ｄは、或る次数ｎ１に対してブラッグ条件と同様の条件を満たすよう調整される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線発生装置として種々のタイプのものが知られている。例えば、金属ターゲットに衝突させた電子の制動によってＸ線を発生させるＸ線管や、レーザプラズマ中に形成された反転分布を利用するＸ線レーザ装置が知られており、また、近年では、パラメトリックＸ線放射（Parametric X-ray Radiation、以下「ＰＸＲ」という。）と呼ばれる現象を利用するＸ線発生装置が注目されている。
【０００３】
ＰＸＲとは、結晶面にＸ線がブラッグ反射を起こす方向に沿って相対論的な高エネルギー電子を入射させると、Ｘ線を入射させた場合に起こるブラッグ反射のときと同様にＸ線が発生するという現象である（特許文献１および非特許文献１，２を参照）。
【０００４】
図１に示されるように、結晶９０の格子面間隔をｄとし、結晶９０の格子面と電子９２の入射方向との角度をθとする。プランク定数をｈとし、真空中での光速をｃとする。また、結晶９０での回折次数をｎとし、ＰＸＲ現象により結晶９０で発生するＸ線９３の周波数をνとし、Ｘ線９３のエネルギーをＥとする。このとき、これらのパラメータの間には、「Ｅ＝ｈν＝ｃｎ／（２ｄ sinθ）」なる式で表される関係がある。また、結晶９０の格子面からのＸ線９３の放射方向は、結晶９０の格子面への電子９２の入射方向に対して角度２θをなしている。
【０００５】
例えば、結晶９０がシリコン単結晶であり、（１１１）格子面の間隔ｄが３.１４Åであり、シリコン単結晶９０の（１１１）格子面への電子９２の入射角θが７.９°であり、次数ｎが１であるとする。このとき結晶９０から放射されるＸ線９３のエネルギーＥは１４.４ｋｅＶであり、Ｘ線９３の波長は０.８６Åである。
【０００６】
結晶に入射される電子のエネルギーが高いほど、結晶から放射されるＸ線の強度は強い。しかし、結晶から放射されるＸ線の波長（または、Ｘ線光子当たりのエネルギー）は、上述の式に示されるように結晶格子定数ｄまたは電子入射角θにより決定され、結晶に入射される電子が相対論的である限り、電子のエネルギーによっては変化しない。Ｘ線エネルギー１４.４ｋｅＶという値は、大型の放射光施設で生成するＸ線エネルギーに相当し、また、従来のレーザプラズマベースのＸ線レーザ装置から出力されるＸ線に比べてはるかに短波長である。
【０００７】
金属ターゲットに衝突させた電子の制動によってＸ線を発生させるＸ線管は、ターゲット電圧に応じた帯域の連続Ｘ線を発生させることができるが、そのＸ線はコヒーレントではない。また、レーザプラズマ中に形成された反転分布を利用するＸ線レーザ装置は、コヒーレントなＸ線を発生させることができるが、そのＸ線の波長は短くても３ｎｍでしかない。これらに対して、ＰＸＲ現象を利用したＸ線発生装置は、コヒーレントな硬Ｘ線を発生させることができる点に特徴を有している。
【特許文献１】特開２０００−３０８９２号公報
【非特許文献１】遠藤一太、他、“パラメトリックＸ線放射”、日本物理学会誌、Vol.48,No.11, pp.878-885 (1993).
【非特許文献２】T. Takashima, et al., "Observationof monochromatic and tunable hard X radiation from stratified Si singlecrystals", Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res., Vol.B145, pp.25-30(1998).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、ＰＸＲ現象を利用したＸ線発生装置は、結晶への電子の入射角θを変更することで、発生するＸ線の波長を変化させることができる点にも特徴を有している。しかし、電子入射角θを変更すると、Ｘ線波長が変化するだけでなく、Ｘ線放射方向も変化してしまう。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、ＰＸＲ現象を利用したＸ線発生装置であってＸ線放射方向を一定に維持したままＸ線波長を変化させることができるＸ線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】
【００１０】
本発明に係るＸ線発生装置は、(1) レーザ光を出力する光源と、(2) 光源から出力されるレーザ光が外部から所定ラインに沿って内部へ入力される容器と、(3)容器の内部に設けられ、容器の内部へ入力されて所定ラインに沿って入射されたレーザ光を、所定ラインと異なる方向へ反射させる第１反射鏡と、(4) 容器の内部に設けられ、第１反射鏡により反射されて到達したレーザ光を、所定ラインに垂直な面に平行であって入射方向と異なる方向へ反射させる第２反射鏡と、(5)容器の内部に設けられ、第２反射鏡により反射されたレーザ光をターゲットに照射して該ターゲットから電子を放出させる電子放出手段と、(6) 容器の内部に設けられ、電子放出手段により放出された電子の入射に伴いＸ線を発生させる結晶を保持し、この結晶への電子の入射位置を通り所定ラインに平行なラインを中心軸として結晶を回転移動させる第１移動手段と、(7)所定ラインを中心軸として容器を回転移動させる第２移動手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るＸ線発生装置では、光源から出力されるレーザ光は、容器の外部から所定ラインに沿って容器の内部へ入力され、容器の内部において、第１反射鏡により所定ライン（レーザ光入射ライン）と異なる方向へ反射され、更に第２反射鏡により所定ライン（レーザ光入射ライン）に垂直な面に平行であって入射方向と異なる方向へ反射される。電子放出手段により、第２反射鏡により反射されたレーザ光はターゲットに照射されて、該ターゲットから電子が放出される。その電子は結晶に入射されて、ＰＸＲ現象により該結晶からＸ線が放射される。
【００１２】
第１移動手段により、結晶への電子の入射位置を通り所定ライン（レーザ光入射ライン）に平行なラインを中心軸として結晶が回転移動されて、これにより、放射されるＸ線の波長が変更される。また、第２移動手段により、所定ライン（レーザ光入射ライン）を中心軸として、容器は回転移動されるとともに、該容器の内部にある各要素および結晶も同時に回転移動され、これにより、Ｘ線放射方向が一定に維持され得る。
【００１３】
本発明に係るＸ線発生装置は、結晶で発生して容器の外部へ出力されたＸ線のうち特定方向に進むＸ線を選択的に出力するＸ線用コリメータを更に備えるのが好適である。この場合には、Ｘ線用コリメータにより、結晶で発生して容器の外部へ出力されたＸ線のうち特定方向に進むＸ線が選択的に出力されるので、指向性が優れたＸ線が得られる。
【００１４】
本発明に係るＸ線発生装置は、容器が、内部を排気することが可能な容器であって、所定ラインに沿ってレーザ光を外部から内部へ通過させるレーザ光入射窓と、結晶で発生したＸ線を内部から外部へ通過させるＸ線出射窓とを有し、容器の内部を排気する排気手段を更に備えるのが好適である。この場合には、容器の内部は排気手段により排気される。そして、光源から出力されたレーザ光は、容器の外部から所定ラインに沿ってレーザ光入射窓を通過して、容器の内部へ入力される。また、結晶で発生したＸ線は、容器の内部からＸ線出射窓を通過して、容器の外部へ出力される。
【００１５】
本発明に係るＸ線発生装置では、電子放出手段は、結晶の表面に設けられた薄膜をターゲットとし、該ターゲットにレーザ光を照射して該ターゲットから電子を放出させるのが好適である。また、この場合、本発明に係るＸ線発生装置は、ターゲットへのレーザ光の入射位置に該レーザ光を通過させる貫通孔を有しターゲットを保護する保護部材を更に備えるのが好適である。
【００１６】
本発明に係るＸ線発生装置では、電子放出手段は、第２反射鏡と結晶との間に設けられた薄膜をターゲットとし、該ターゲットにレーザ光を照射して該ターゲットから電子を放出させるのが好適である。また、この場合、本発明に係るＸ線発生装置は、ターゲットから放出された電子をコリメートする電子用コリメータを更に備えるのが好適である。
【００１７】
本発明に係るＸ線発生装置では、電子放出手段は、第２反射鏡と結晶との間に存在するガスをターゲットとし、該ターゲットにレーザ光を照射して該ターゲットから電子を放出させるのが好適である。また、この場合、本発明に係るＸ線発生装置は、ターゲットとしてのガスを容器の内部に供給するガス供給手段を更に備えるのが好適である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るＸ線発生装置は、ＰＸＲ現象を利用したものであって、Ｘ線放射方向を一定に維持したままＸ線波長を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
図２〜図５は、本実施形態に係るＸ線発生装置１の構成を示す図である。図２は、Ｘ線発生装置１の外観を示す斜視図であり、容器３０の内部にある各要素を破線で示している。図３は、容器３０の内部の構成を示す斜視図であり、容器３０を二点鎖線で示している。図４は、容器３０の内部を所定ライン（レーザ光入射ライン）に沿った方向に見たときの図である。また、図５は、容器３０の内部を上方から見たときの図である。
【００２１】
本実施形態に係るＸ線発生装置１は、光源１０、架台２０上に置かれた容器３０およびＸ線用コリメータ４０、ならびに、排気装置５０を備える。光源１０は、容器３０の内部に入力されるべき超短パルスの高強度レーザ光９１を出力するものである。架台２０の上には、ゴニオステージ３９を介して容器３０が置かれ、また、支持部材４１を介してＸ線用コリメータ４０が置かれている。架台２０の上に光源１０が置かれていてもよい。また、容器３０には排気管５１を介して排気装置５０が接続されている。容器３０は、光源から出力されるレーザ光９１が外部から所定ラインに沿って内部へ入力されるものであり、外形が円柱形状を呈しており、内部を排気することが可能な容器である。
【００２２】
容器３０は、所定ラインに沿ってレーザ光９１を外部から内部へ通過させるレーザ光入射窓３１と、容器３０の内部にある結晶９０で発生したＸ線９３を内部から外部へ通過させるＸ線出射窓３２とを有する。所定ライン（レーザ光入射ライン）は、円柱形状の容器３０の中心軸に一致するラインである。レーザ光入射窓３１は、円柱形状の容器３０の底面の中央領域に設けられていて、レーザ光９１を低損失で透過させ得るガラス材料からなる。レーザ光入射窓３１は、容器３０の内部にある結晶９０で発生したＸ線９３を通過させ得る材料および厚みからなる金属膜であり、例えばベリリウムからなる。Ｘ線９３の放射方向は、所定ライン（レーザ光入射ライン）に垂直な面に平行である。
【００２３】
容器３０の内部には、第１反射鏡３３、支持部材３４、第２反射鏡３５、支持部材３６、ＸＹステージ３７およびゴニオステージ３８が設けられている。容器３０の内部に、支持部材３４を介して第１反射鏡３３が設けられ、支持部材３６を介して第２反射鏡３５が設けられている。また、容器３０の内部にゴニオステージ３８が設けられ、そのゴニオステージ３８の上にＸＹステージ３７が設けられている。
【００２４】
第１反射鏡３３は、レーザ光入射窓３１を経て容器３０の内部へ入力されて所定ラインに沿って入射されたレーザ光９１を、所定ラインと異なる方向へ反射させる。第２反射鏡３５は、第１反射鏡３３により反射されて到達したレーザ光９１を、所定ラインに垂直な面に平行であって入射方向と異なる方向へ反射させる。また、第２反射鏡３５は、軸はずし放物面鏡となっており、反射させたレーザ光９１を集光させる。ＸＹステージ３７は、電子放出手段により放出された電子の入射に伴いＸ線を発生させる結晶９０を保持する。ゴニオステージ３８は、ＸＹステージ３７および結晶９０を回転移動させる第１移動手段として作用する。ゴニオステージ３８による回転移動の中心軸は、結晶９０への電子の入射位置を通り所定ラインに平行なラインである。
【００２５】
なお、電子放出手段は、容器３０の内部に設けられ、第２反射鏡３５により反射されたレーザ光９１をターゲットに照射して該ターゲットから電子を放出させるものである。本実施形態では、この電子放出用のターゲットは結晶９０の表面に設けられている。詳細については後述する。
【００２６】
ゴニオステージ３９は、所定ライン（レーザ光入射ライン）を中心軸として容器３０を回転移動させる第２移動手段として作用する。この容器３０の回転移動の際には、容器３０の内部にある各要素および結晶９０も、所定ライン（レーザ光入射ライン）を中心軸として回転移動する。
【００２７】
Ｘ線用コリメータ４０は、架台２０の上に支持部材４１を介して設けられていて、容器３０内の結晶９０で発生して容器３０外へ出力されたＸ線９３のうち特定方向に進むＸ線９３を選択的に出力する。排気装置５０は、排気管５１を介して容器３０に接続されていて、容器３０の内部を排気して真空にする。
【００２８】
図６は、本実施形態に係るＸ線発生装置１におけるＸ線放射用の結晶９０および電子放出用のターゲット８０の構成を示す断面図である。この図に示されるように、結晶９０の表面は結晶格子面に平行である。結晶９０の該表面に電子放出手段としてのターゲット８０として薄膜が設けられている。このターゲット８０は、効率よく電子９２を放出するために金属薄膜であるのが好ましく、例えばチタン，タンタルまたは金の蒸着膜などからなる。第２反射鏡３５により反射されたレーザ光９１がターゲット８０に集光照射されると、ターゲット８０においてプラズマが発生して、ターゲット８０から電子９２が放出され、その電子９２は結晶９０に入射される。
【００２９】
ターゲット８０からの電子９２の放出方向は、ターゲット８０へのレーザ光９１の入射方向と等しく、鋭い指向性を有する。例えば、集光強度１０１８Ｗ／ｃｍ２以上のパルスレーザ光９１がターゲット８０に照射されて生じたレーザプラズマからは、鋭い指向性を有しエネルギーが数〜数十ＭｅＶの電子９２が、レーザ光のパルス長と同程度（数十〜１００ｆｓ）の短時間内に大量に放出される。このターゲット８０から放出された電子９２が結晶９０に入射されると、ＰＸＲ現象により結晶９０からＸ線９３が放射される。
【００３０】
次に、本実施形態に係るＸ線発生装置１の動作について説明する。まず、容器３０の内部は、排気管５１を介して接続されている排気装置５０により排気され真空とされる。光源１０から出力された超短パルスの高強度レーザ光９１は、所定ラインに沿って容器３０のレーザ光入射窓３１を通過して、容器３０の内部へ入力される。容器３０の内部へ入力されたレーザ光９１は、所定ライン（レーザ光入射ライン）に沿って第１反射鏡３３に入射され、第１反射鏡３３および第２反射鏡３５により順次に反射される。
【００３１】
第２反射鏡３５により反射されたレーザ光９１は、ＸＹステージ３７により保持された結晶９０の表面に形成された金属薄膜ターゲット８０に集光照射される。このとき、ターゲット８０へのレーザ光９１の入射方向は、所定ライン（レーザ光入射ライン）に垂直な面に平行である。レーザ光９１がターゲット８０に集光照射されると、ターゲット８０においてプラズマが発生して、ターゲット８０から電子９２が放出され、その電子９２は結晶９０に入射される。
【００３２】
ゴニオステージ３８およびゴニオステージ３９により、結晶９０の格子面と電子９２の入射方向との角度θおよび結晶９０の格子面間隔ｄは、或る次数ｎ１に対してブラッグ条件と同様の条件を満たすよう調整されている。したがって、ＰＸＲ現象により、「Ｅ１＝ｃｎ１／（２ｄ sinθ）」なる式で表されるエネルギーＥ１を有するＸ線９３が結晶９０で放射される。このときの結晶９０の格子面からのＸ線９３の放射方向は、結晶９０の格子面への電子９２の入射方向に対して角度２θをなしており、所定ライン（レーザ光入射ライン）に垂直な面に平行である。この結晶９０で発生したＸ線９３は、容器３０のＸ線出射窓３２を通過して、容器３０の外部へ出力される。そして、容器３０の外部へ出力されたＸ線９３のうち特定方向に進むＸ線がＸ線用コリメータ４０により選択的に出力される。
【００３３】
ＰＸＲ現象を発現させる場合、結晶９０に入射される電子９２の速度（エネルギー）は相対論的であることが必要である。すなわち、電子９２の速度は光速レベルであることが必要である。例えば、エネルギー１ＭｅＶの電子は、速度が０.９４ｃ（光速の９４％）であり、ＰＸＲ現象を発現させるのに十分である。また、エネルギー１０ＭｅＶの電子の速度は０.９９８８ｃに達し、エネルギー１００ＭｅＶの電子の速度は０.９９９９９ｃに対応しており、何れもＰＸＲ現象を発現させる条件を十分に満足する。レーザ光９１を金属薄膜ターゲット８０に集光照射してエネルギー１ＭｅＶ以上の電子９２を発生させるためには、その集光強度は１０１７Ｗ／ｃｍ２以上であることが必要である。これは、ピーク出力０.１ＴＷのレーザ光９１を１０μｍ×１０μｍの範囲に集光した場合に相当する。
【００３４】
なお、ピーク出力１ＴＷ以上のレーザ光９１を１０μｍ×１０μｍ以下の範囲に集光して、集光強度１０１８Ｗ／ｃｍ２を得ることが好適である。ピーク出力１ＴＷを得るためには、レーザ光９１のパルス幅が１００ｆｓであり、エネルギーが１００ｍＪであることが必要である。ここで、レーザ光９１のパルス幅が短い場合、少ないエネルギーで同じピーク出力が得られる。例えば、パルス幅５０ｆｓの場合、エネルギー５０ｍＪでピーク出力１ＴＷが得られる。また、ピーク出力が小さい場合であっても狭い領域にレーザ光９１を集光できるのであれば、同じ集光強度を得ることができる。例えば、上記の集光強度１０１８Ｗ／ｃｍ２を得る場合、パルス幅１００ｆｓ、エネルギー２５ｍＪでピーク出力が０.２５ＴＷと少なくても、集光範囲を５μｍ×５μｍにできれば良い。
【００３５】
レーザプラズマを利用して高エネルギー電子を発生させる場合、重要なパラメータは集光強度（Ｗ／ｃｍ２）であり、この集光強度を実現するためのレーザ光９１のパルス幅およびエネルギーならびにターゲット８０での集光範囲は上記のように適宜選定することができる。
【００３６】
本実施形態に係るＸ線発生装置１は、ＰＸＲ現象を利用するものであるので、出力されるＸ線９３の波長を変化させることができる。すなわち、Ｘ線発生装置１は、容器３０の内部にあるゴニオステージ３８により、結晶９０への電子の入射位置を通り所定ライン（レーザ光入射ライン）に平行なラインを中心軸として結晶９０を角度αだけ回転移動させることにより、結晶９０の結晶面への電子９２の入射角を(θ＋α)に変更することができる。或る次数ｎ２に対してブラッグ条件と同様の条件を満たすように入射角(θ＋α)が調整されると、ＰＸＲ現象により、「Ｅ２＝ｃｎ２／（２ｄ sin(θ＋α）」なる式で表されるエネルギーＥ２を有するＸ線９３が結晶９０で放射される。
【００３７】
このときの結晶９０の格子面からのＸ線９３の放射方向は、結晶９０の格子面への電子９２の入射方向に対して角度２(θ＋α)をなしており、所定ライン（レーザ光入射ライン）に垂直な面に平行である。この結晶９０で発生したＸ線９３は、容器３０のＸ線出射窓３２を通過して、容器３０の外部へ出力される。しかし、このままでは、入射角(θ＋α)のときに発生するＸ線は、入射角θのときに発生したＸ線の放射方向と異なる方向に放射され、Ｘ線用コリメータ４０によりコリメートされ得ない。
【００３８】
そこで、Ｘ線発生装置１は、容器３０の外部にあるゴニオステージ３９により、所定ライン（レーザ光入射ライン）を中心軸として、角度(−２α)だけ、容器３０を回転移動させるとともに、容器３０の内部にある各要素および結晶９０も同時に回転移動させる。その結果、入射角(θ＋α)のときに発生するＸ線は、入射角θのときに発生したＸ線の放射方向と同じ方向に放射され、Ｘ線出射窓３２を通過して容器３０の外部へ出力され、Ｘ線用コリメータ４０によりコリメートされ得るようになる。Ｘ線出射窓３２は、このように容器３０が回転移動した場合にもＸ線９３を外部へ出力させ得るように、容器３０の周方向に長い形状を有している。
【００３９】
一般に、固体物質にレーザ光が集光照射されると、レーザ光照射領域の表面は加工される。したがって、ターゲット８０の１つの領域では１回しかＸ線９３を発生させることができない。そこで、本実施形態に係るＸ線発生装置１では、繰り返してＸ線９３を発生させるために、ＸＹステージ３７により結晶９０を移動させて、常に新しい領域にレーザ光を照射するようにする。すなわち、結晶９０を保持するＸＹステージ３７は、その結晶９０の格子面に平行な２次元の方向に結晶９０を平行移動させることができる。ＸＹステージ３７により結晶９０が平行移動されても、ブラッグ条件は維持され、結晶９０から放射されるＸ線９３のエネルギーおよび放射方向は変わらない。
【００４０】
また、一般に、レーザ光照射によって固体表面が加工されるとき、その表面の物質などが周囲に飛散し、レーザ光未照射の領域の表面に飛散物が付着する恐れがある。そこで、本実施形態に係るＸ線発生装置１では、このような飛散物の付着を防止するために、図７に示されるような保護部材８１が設けられる。保護部材８１は、結晶９０の表面に設けられたターゲット８０へのレーザ光９１の入射位置に該レーザ光９１を通過させる貫通孔８１Ａを有し、レーザ光未照射の領域の表面への飛散物の付着を防止してターゲット８０を保護するものである。保護部材８１は、支持部材８２を介してゴニオステージ３８の上面に固定されており、ＸＹステージ３７により結晶９０が平行移動されても、貫通孔９１Ａの位置は変化しない。
【００４１】
これまでに説明してきた実施形態では、結晶９０の表面にターゲット８０として薄膜が設けられていた。しかし、電子放出手段としてのターゲット８０は、その他に種々の態様があり得る。
【００４２】
図８は、本実施形態に係るＸ線発生装置１における結晶９０およびターゲット８０の他の構成例を示す図である。この構成例では、ターゲット８０としての薄膜は、結晶９０の表面に設けられているのではなく、第２反射鏡３５と結晶９０との間の空間に設けられている。このターゲット８０は、一方向に長いテープ状であるのが好適であり、また、効率よく電子９２を放出するために金属薄膜であるのが好適であり、例えば、チタンやタンタルなどの厚さ５〜１０μｍのテープが用いられる。また、ターゲット８０と結晶９０との間の空間に、ターゲット８０から放出された電子９２をコリメートする電子用コリメータ８３が設けられるのが好適である。
【００４３】
図８に示される構成例では、第２反射鏡３５により反射されたレーザ光９１が薄膜ターゲット８０に集光照射されると、そのターゲット８０においてプラズマが発生して、ターゲット８０から電子９２が放出される。その電子９２は、電子用コリメータ８３により方向性が整えられて、結晶９０に入射される。そして、電子９２が入射された結晶９０ではＰＸＲ現象によりＸ線９３が放射される。
【００４４】
なお、図８に示される構成例では、薄膜ターゲット８０の１つの領域では１回しか電子９２を放出させることができない。そこで、薄膜ターゲット８０を平行移動させる機構が設けられるのが好ましい。また、薄膜ターゲット８０がテープ状のものであれば、ボビンに巻かれたテープ状の薄膜ターゲット８０を一端から繰り出す機構が設けられるのが好ましい。
【００４５】
図９は、本実施形態に係るＸ線発生装置１における結晶９０およびターゲット８０の更に他の構成例を示す図である。この構成例では、ターゲット８０として、第２反射鏡３５と結晶９０との間に存在するアルゴン，窒素およびキセノンなどのガスが用いられる。ターゲット８０としてのガスを容器３０の内部に供給するガス供給手段が設けられているのが好ましい。このガスターゲット８０は、レーザ光９１のパルスに同期して容器３０内に供給される。
【００４６】
図９に示される構成例では、第２反射鏡３５により反射されたレーザ光９１がガスターゲット８０に集光照射されると、そのターゲット８０においてプラズマが発生して、ターゲット８０から電子９２が放出される。その電子９２は結晶９０に入射される。そして、電子９２が入射された結晶９０ではＰＸＲ現象によりＸ線９３が放射される。
【００４７】
なお、図９に示される構成例では、ガスを連続して容器３０内に供給することは容易であり、長時間にわたってＸ線９３を放射することが可能である。また、ガスターゲット８０で放出される電子９２は、数十ＭｅＶのエネルギーで、かつ、高い指向性を持つので、強度の強いＸ線９３を放射することができる。
【００４８】
図６に示された構成例では、Ｘ線放射用の結晶９０と電子放出用のターゲット８０とが一体であったので、レーザ光９１のパルス照射の度に結晶９０を平行移動させる必要があった。これに対して、図８および図９それぞれに示される構成例では、Ｘ線放射用の結晶９０と電子放出用のターゲット８０とが分離されているので、結晶９０は電子照射ではダメージを受けず何度でも使用することができ、したがって、ＸＹステージ３７および保護部材８１は不要である。
【００４９】
本実施形態に係るＸ線発生装置１は、ＰＸＲ現象を利用してコヒーレントな硬Ｘ線を発生させることができるものであり、レーザプラズマ中に形成された反転分布を利用するＸ線レーザ装置（以下「比較例」という。）と比較して、以下のような優位点を有する。すなわち、比較例では３４０ｅＶが現在の最高エネルギーであるが、本実施形態では容易に１０ｋｅＶ以上の単色Ｘ線が得られる。本実施形態では、結晶に入射されるレーザ光または電子の角度を変化させることで、発生させるＸ線の波長を容易に変化させることができる。本実施形態では、結晶への入射角度を変化させる場合、容器３０を回転移動させることにより、出射されるＸ線の方向を一定とすることができ、使用する際の操作性が優れる。また、比較例では、ガスターゲットそのものがＸ線源となるのに対して、本実施形態では、Ｘ線放射用の結晶９０と電子放出用のターゲット８０とが分離したような配置も可能であるので、装置の構成の自由度が高い。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】ＰＸＲ現象によるＸ線発生を説明する図である。
【図２】本実施形態に係るＸ線発生装置１の外観を示す斜視図である。
【図３】本実施形態に係るＸ線発生装置１の容器３０の内部の構成を示す斜視図である。
【図４】本実施形態に係るＸ線発生装置１の容器３０の内部を所定ライン（レーザ光入射ライン）に沿った方向に見たときの図である。
【図５】本実施形態に係るＸ線発生装置１の容器３０の内部を上方から見たときの図である。
【図６】本実施形態に係るＸ線発生装置１における結晶９０およびターゲット８０の構成を示す断面図である。
【図７】本実施形態に係るＸ線発生装置１における結晶９０，ターゲット８０および保護部材８１の構成を示す斜視図である。
【図８】本実施形態に係るＸ線発生装置１における結晶９０およびターゲット８０の他の構成例を示す図である。
【図９】本実施形態に係るＸ線発生装置１における結晶９０およびターゲット８０の更に他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…Ｘ線発生装置、１０…光源、２０…架台、３０…容器、３１…レーザ光入射窓、３２…Ｘ線出射窓、３３…第１反射鏡、３４…支持部材、３５…第２反射鏡、３６…支持部材、３７…ＸＹステージ、３８…ゴニオステージ、３９…ゴニオステージ、４０…Ｘ線用コリメータ、４１…支持部材、５０…排気装置、５１…排気管、８０…ターゲット、８１…保護部材、８２…支持部材、８３…電子用コリメータ、９０…結晶、９１…レーザ光、９２…電子、９３…Ｘ線。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線発生装置として種々のタイプのものが知られている。例えば、金属ターゲットに衝突させた電子の制動によってＸ線を発生させるＸ線管や、レーザプラズマ中に形成された反転分布を利用するＸ線レーザ装置が知られており、また、近年では、パラメトリックＸ線放射（Parametric X-ray Radiation、以下「ＰＸＲ」という。）と呼ばれる現象を利用するＸ線発生装置が注目されている。
【０００３】
ＰＸＲとは、結晶面にＸ線がブラッグ反射を起こす方向に沿って相対論的な高エネルギー電子を入射させると、Ｘ線を入射させた場合に起こるブラッグ反射のときと同様にＸ線が発生するという現象である（特許文献１および非特許文献１，２を参照）。
【０００４】
図１に示されるように、結晶９０の格子面間隔をｄとし、結晶９０の格子面と電子９２の入射方向との角度をθとする。プランク定数をｈとし、真空中での光速をｃとする。また、結晶９０での回折次数をｎとし、ＰＸＲ現象により結晶９０で発生するＸ線９３の周波数をνとし、Ｘ線９３のエネルギーをＥとする。このとき、これらのパラメータの間には、「Ｅ＝ｈν＝ｃｎ／（２ｄ sinθ）」なる式で表される関係がある。また、結晶９０の格子面からのＸ線９３の放射方向は、結晶９０の格子面への電子９２の入射方向に対して角度２θをなしている。
【０００５】
例えば、結晶９０がシリコン単結晶であり、（１１１）格子面の間隔ｄが３.１４Åであり、シリコン単結晶９０の（１１１）格子面への電子９２の入射角θが７.９°であり、次数ｎが１であるとする。このとき結晶９０から放射されるＸ線９３のエネルギーＥは１４.４ｋｅＶであり、Ｘ線９３の波長は０.８６Åである。
【０００６】
結晶に入射される電子のエネルギーが高いほど、結晶から放射されるＸ線の強度は強い。しかし、結晶から放射されるＸ線の波長（または、Ｘ線光子当たりのエネルギー）は、上述の式に示されるように結晶格子定数ｄまたは電子入射角θにより決定され、結晶に入射される電子が相対論的である限り、電子のエネルギーによっては変化しない。Ｘ線エネルギー１４.４ｋｅＶという値は、大型の放射光施設で生成するＸ線エネルギーに相当し、また、従来のレーザプラズマベースのＸ線レーザ装置から出力されるＸ線に比べてはるかに短波長である。
【０００７】
金属ターゲットに衝突させた電子の制動によってＸ線を発生させるＸ線管は、ターゲット電圧に応じた帯域の連続Ｘ線を発生させることができるが、そのＸ線はコヒーレントではない。また、レーザプラズマ中に形成された反転分布を利用するＸ線レーザ装置は、コヒーレントなＸ線を発生させることができるが、そのＸ線の波長は短くても３ｎｍでしかない。これらに対して、ＰＸＲ現象を利用したＸ線発生装置は、コヒーレントな硬Ｘ線を発生させることができる点に特徴を有している。
【特許文献１】特開２０００−３０８９２号公報
【非特許文献１】遠藤一太、他、“パラメトリックＸ線放射”、日本物理学会誌、Vol.48,No.11, pp.878-885 (1993).
【非特許文献２】T. Takashima, et al., "Observationof monochromatic and tunable hard X radiation from stratified Si singlecrystals", Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res., Vol.B145, pp.25-30(1998).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、ＰＸＲ現象を利用したＸ線発生装置は、結晶への電子の入射角θを変更することで、発生するＸ線の波長を変化させることができる点にも特徴を有している。しかし、電子入射角θを変更すると、Ｘ線波長が変化するだけでなく、Ｘ線放射方向も変化してしまう。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、ＰＸＲ現象を利用したＸ線発生装置であってＸ線放射方向を一定に維持したままＸ線波長を変化させることができるＸ線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】
【００１０】
本発明に係るＸ線発生装置は、(1) レーザ光を出力する光源と、(2) 光源から出力されるレーザ光が外部から所定ラインに沿って内部へ入力される容器と、(3)容器の内部に設けられ、容器の内部へ入力されて所定ラインに沿って入射されたレーザ光を、所定ラインと異なる方向へ反射させる第１反射鏡と、(4) 容器の内部に設けられ、第１反射鏡により反射されて到達したレーザ光を、所定ラインに垂直な面に平行であって入射方向と異なる方向へ反射させる第２反射鏡と、(5)容器の内部に設けられ、第２反射鏡により反射されたレーザ光をターゲットに照射して該ターゲットから電子を放出させる電子放出手段と、(6) 容器の内部に設けられ、電子放出手段により放出された電子の入射に伴いＸ線を発生させる結晶を保持し、この結晶への電子の入射位置を通り所定ラインに平行なラインを中心軸として結晶を回転移動させる第１移動手段と、(7)所定ラインを中心軸として容器を回転移動させる第２移動手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るＸ線発生装置では、光源から出力されるレーザ光は、容器の外部から所定ラインに沿って容器の内部へ入力され、容器の内部において、第１反射鏡により所定ライン（レーザ光入射ライン）と異なる方向へ反射され、更に第２反射鏡により所定ライン（レーザ光入射ライン）に垂直な面に平行であって入射方向と異なる方向へ反射される。電子放出手段により、第２反射鏡により反射されたレーザ光はターゲットに照射されて、該ターゲットから電子が放出される。その電子は結晶に入射されて、ＰＸＲ現象により該結晶からＸ線が放射される。
【００１２】
第１移動手段により、結晶への電子の入射位置を通り所定ライン（レーザ光入射ライン）に平行なラインを中心軸として結晶が回転移動されて、これにより、放射されるＸ線の波長が変更される。また、第２移動手段により、所定ライン（レーザ光入射ライン）を中心軸として、容器は回転移動されるとともに、該容器の内部にある各要素および結晶も同時に回転移動され、これにより、Ｘ線放射方向が一定に維持され得る。
【００１３】
本発明に係るＸ線発生装置は、結晶で発生して容器の外部へ出力されたＸ線のうち特定方向に進むＸ線を選択的に出力するＸ線用コリメータを更に備えるのが好適である。この場合には、Ｘ線用コリメータにより、結晶で発生して容器の外部へ出力されたＸ線のうち特定方向に進むＸ線が選択的に出力されるので、指向性が優れたＸ線が得られる。
【００１４】
本発明に係るＸ線発生装置は、容器が、内部を排気することが可能な容器であって、所定ラインに沿ってレーザ光を外部から内部へ通過させるレーザ光入射窓と、結晶で発生したＸ線を内部から外部へ通過させるＸ線出射窓とを有し、容器の内部を排気する排気手段を更に備えるのが好適である。この場合には、容器の内部は排気手段により排気される。そして、光源から出力されたレーザ光は、容器の外部から所定ラインに沿ってレーザ光入射窓を通過して、容器の内部へ入力される。また、結晶で発生したＸ線は、容器の内部からＸ線出射窓を通過して、容器の外部へ出力される。
【００１５】
本発明に係るＸ線発生装置では、電子放出手段は、結晶の表面に設けられた薄膜をターゲットとし、該ターゲットにレーザ光を照射して該ターゲットから電子を放出させるのが好適である。また、この場合、本発明に係るＸ線発生装置は、ターゲットへのレーザ光の入射位置に該レーザ光を通過させる貫通孔を有しターゲットを保護する保護部材を更に備えるのが好適である。
【００１６】
本発明に係るＸ線発生装置では、電子放出手段は、第２反射鏡と結晶との間に設けられた薄膜をターゲットとし、該ターゲットにレーザ光を照射して該ターゲットから電子を放出させるのが好適である。また、この場合、本発明に係るＸ線発生装置は、ターゲットから放出された電子をコリメートする電子用コリメータを更に備えるのが好適である。
【００１７】
本発明に係るＸ線発生装置では、電子放出手段は、第２反射鏡と結晶との間に存在するガスをターゲットとし、該ターゲットにレーザ光を照射して該ターゲットから電子を放出させるのが好適である。また、この場合、本発明に係るＸ線発生装置は、ターゲットとしてのガスを容器の内部に供給するガス供給手段を更に備えるのが好適である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るＸ線発生装置は、ＰＸＲ現象を利用したものであって、Ｘ線放射方向を一定に維持したままＸ線波長を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
図２〜図５は、本実施形態に係るＸ線発生装置１の構成を示す図である。図２は、Ｘ線発生装置１の外観を示す斜視図であり、容器３０の内部にある各要素を破線で示している。図３は、容器３０の内部の構成を示す斜視図であり、容器３０を二点鎖線で示している。図４は、容器３０の内部を所定ライン（レーザ光入射ライン）に沿った方向に見たときの図である。また、図５は、容器３０の内部を上方から見たときの図である。
【００２１】
本実施形態に係るＸ線発生装置１は、光源１０、架台２０上に置かれた容器３０およびＸ線用コリメータ４０、ならびに、排気装置５０を備える。光源１０は、容器３０の内部に入力されるべき超短パルスの高強度レーザ光９１を出力するものである。架台２０の上には、ゴニオステージ３９を介して容器３０が置かれ、また、支持部材４１を介してＸ線用コリメータ４０が置かれている。架台２０の上に光源１０が置かれていてもよい。また、容器３０には排気管５１を介して排気装置５０が接続されている。容器３０は、光源から出力されるレーザ光９１が外部から所定ラインに沿って内部へ入力されるものであり、外形が円柱形状を呈しており、内部を排気することが可能な容器である。
【００２２】
容器３０は、所定ラインに沿ってレーザ光９１を外部から内部へ通過させるレーザ光入射窓３１と、容器３０の内部にある結晶９０で発生したＸ線９３を内部から外部へ通過させるＸ線出射窓３２とを有する。所定ライン（レーザ光入射ライン）は、円柱形状の容器３０の中心軸に一致するラインである。レーザ光入射窓３１は、円柱形状の容器３０の底面の中央領域に設けられていて、レーザ光９１を低損失で透過させ得るガラス材料からなる。レーザ光入射窓３１は、容器３０の内部にある結晶９０で発生したＸ線９３を通過させ得る材料および厚みからなる金属膜であり、例えばベリリウムからなる。Ｘ線９３の放射方向は、所定ライン（レーザ光入射ライン）に垂直な面に平行である。
【００２３】
容器３０の内部には、第１反射鏡３３、支持部材３４、第２反射鏡３５、支持部材３６、ＸＹステージ３７およびゴニオステージ３８が設けられている。容器３０の内部に、支持部材３４を介して第１反射鏡３３が設けられ、支持部材３６を介して第２反射鏡３５が設けられている。また、容器３０の内部にゴニオステージ３８が設けられ、そのゴニオステージ３８の上にＸＹステージ３７が設けられている。
【００２４】
第１反射鏡３３は、レーザ光入射窓３１を経て容器３０の内部へ入力されて所定ラインに沿って入射されたレーザ光９１を、所定ラインと異なる方向へ反射させる。第２反射鏡３５は、第１反射鏡３３により反射されて到達したレーザ光９１を、所定ラインに垂直な面に平行であって入射方向と異なる方向へ反射させる。また、第２反射鏡３５は、軸はずし放物面鏡となっており、反射させたレーザ光９１を集光させる。ＸＹステージ３７は、電子放出手段により放出された電子の入射に伴いＸ線を発生させる結晶９０を保持する。ゴニオステージ３８は、ＸＹステージ３７および結晶９０を回転移動させる第１移動手段として作用する。ゴニオステージ３８による回転移動の中心軸は、結晶９０への電子の入射位置を通り所定ラインに平行なラインである。
【００２５】
なお、電子放出手段は、容器３０の内部に設けられ、第２反射鏡３５により反射されたレーザ光９１をターゲットに照射して該ターゲットから電子を放出させるものである。本実施形態では、この電子放出用のターゲットは結晶９０の表面に設けられている。詳細については後述する。
【００２６】
ゴニオステージ３９は、所定ライン（レーザ光入射ライン）を中心軸として容器３０を回転移動させる第２移動手段として作用する。この容器３０の回転移動の際には、容器３０の内部にある各要素および結晶９０も、所定ライン（レーザ光入射ライン）を中心軸として回転移動する。
【００２７】
Ｘ線用コリメータ４０は、架台２０の上に支持部材４１を介して設けられていて、容器３０内の結晶９０で発生して容器３０外へ出力されたＸ線９３のうち特定方向に進むＸ線９３を選択的に出力する。排気装置５０は、排気管５１を介して容器３０に接続されていて、容器３０の内部を排気して真空にする。
【００２８】
図６は、本実施形態に係るＸ線発生装置１におけるＸ線放射用の結晶９０および電子放出用のターゲット８０の構成を示す断面図である。この図に示されるように、結晶９０の表面は結晶格子面に平行である。結晶９０の該表面に電子放出手段としてのターゲット８０として薄膜が設けられている。このターゲット８０は、効率よく電子９２を放出するために金属薄膜であるのが好ましく、例えばチタン，タンタルまたは金の蒸着膜などからなる。第２反射鏡３５により反射されたレーザ光９１がターゲット８０に集光照射されると、ターゲット８０においてプラズマが発生して、ターゲット８０から電子９２が放出され、その電子９２は結晶９０に入射される。
【００２９】
ターゲット８０からの電子９２の放出方向は、ターゲット８０へのレーザ光９１の入射方向と等しく、鋭い指向性を有する。例えば、集光強度１０１８Ｗ／ｃｍ２以上のパルスレーザ光９１がターゲット８０に照射されて生じたレーザプラズマからは、鋭い指向性を有しエネルギーが数〜数十ＭｅＶの電子９２が、レーザ光のパルス長と同程度（数十〜１００ｆｓ）の短時間内に大量に放出される。このターゲット８０から放出された電子９２が結晶９０に入射されると、ＰＸＲ現象により結晶９０からＸ線９３が放射される。
【００３０】
次に、本実施形態に係るＸ線発生装置１の動作について説明する。まず、容器３０の内部は、排気管５１を介して接続されている排気装置５０により排気され真空とされる。光源１０から出力された超短パルスの高強度レーザ光９１は、所定ラインに沿って容器３０のレーザ光入射窓３１を通過して、容器３０の内部へ入力される。容器３０の内部へ入力されたレーザ光９１は、所定ライン（レーザ光入射ライン）に沿って第１反射鏡３３に入射され、第１反射鏡３３および第２反射鏡３５により順次に反射される。
【００３１】
第２反射鏡３５により反射されたレーザ光９１は、ＸＹステージ３７により保持された結晶９０の表面に形成された金属薄膜ターゲット８０に集光照射される。このとき、ターゲット８０へのレーザ光９１の入射方向は、所定ライン（レーザ光入射ライン）に垂直な面に平行である。レーザ光９１がターゲット８０に集光照射されると、ターゲット８０においてプラズマが発生して、ターゲット８０から電子９２が放出され、その電子９２は結晶９０に入射される。
【００３２】
ゴニオステージ３８およびゴニオステージ３９により、結晶９０の格子面と電子９２の入射方向との角度θおよび結晶９０の格子面間隔ｄは、或る次数ｎ１に対してブラッグ条件と同様の条件を満たすよう調整されている。したがって、ＰＸＲ現象により、「Ｅ１＝ｃｎ１／（２ｄ sinθ）」なる式で表されるエネルギーＥ１を有するＸ線９３が結晶９０で放射される。このときの結晶９０の格子面からのＸ線９３の放射方向は、結晶９０の格子面への電子９２の入射方向に対して角度２θをなしており、所定ライン（レーザ光入射ライン）に垂直な面に平行である。この結晶９０で発生したＸ線９３は、容器３０のＸ線出射窓３２を通過して、容器３０の外部へ出力される。そして、容器３０の外部へ出力されたＸ線９３のうち特定方向に進むＸ線がＸ線用コリメータ４０により選択的に出力される。
【００３３】
ＰＸＲ現象を発現させる場合、結晶９０に入射される電子９２の速度（エネルギー）は相対論的であることが必要である。すなわち、電子９２の速度は光速レベルであることが必要である。例えば、エネルギー１ＭｅＶの電子は、速度が０.９４ｃ（光速の９４％）であり、ＰＸＲ現象を発現させるのに十分である。また、エネルギー１０ＭｅＶの電子の速度は０.９９８８ｃに達し、エネルギー１００ＭｅＶの電子の速度は０.９９９９９ｃに対応しており、何れもＰＸＲ現象を発現させる条件を十分に満足する。レーザ光９１を金属薄膜ターゲット８０に集光照射してエネルギー１ＭｅＶ以上の電子９２を発生させるためには、その集光強度は１０１７Ｗ／ｃｍ２以上であることが必要である。これは、ピーク出力０.１ＴＷのレーザ光９１を１０μｍ×１０μｍの範囲に集光した場合に相当する。
【００３４】
なお、ピーク出力１ＴＷ以上のレーザ光９１を１０μｍ×１０μｍ以下の範囲に集光して、集光強度１０１８Ｗ／ｃｍ２を得ることが好適である。ピーク出力１ＴＷを得るためには、レーザ光９１のパルス幅が１００ｆｓであり、エネルギーが１００ｍＪであることが必要である。ここで、レーザ光９１のパルス幅が短い場合、少ないエネルギーで同じピーク出力が得られる。例えば、パルス幅５０ｆｓの場合、エネルギー５０ｍＪでピーク出力１ＴＷが得られる。また、ピーク出力が小さい場合であっても狭い領域にレーザ光９１を集光できるのであれば、同じ集光強度を得ることができる。例えば、上記の集光強度１０１８Ｗ／ｃｍ２を得る場合、パルス幅１００ｆｓ、エネルギー２５ｍＪでピーク出力が０.２５ＴＷと少なくても、集光範囲を５μｍ×５μｍにできれば良い。
【００３５】
レーザプラズマを利用して高エネルギー電子を発生させる場合、重要なパラメータは集光強度（Ｗ／ｃｍ２）であり、この集光強度を実現するためのレーザ光９１のパルス幅およびエネルギーならびにターゲット８０での集光範囲は上記のように適宜選定することができる。
【００３６】
本実施形態に係るＸ線発生装置１は、ＰＸＲ現象を利用するものであるので、出力されるＸ線９３の波長を変化させることができる。すなわち、Ｘ線発生装置１は、容器３０の内部にあるゴニオステージ３８により、結晶９０への電子の入射位置を通り所定ライン（レーザ光入射ライン）に平行なラインを中心軸として結晶９０を角度αだけ回転移動させることにより、結晶９０の結晶面への電子９２の入射角を(θ＋α)に変更することができる。或る次数ｎ２に対してブラッグ条件と同様の条件を満たすように入射角(θ＋α)が調整されると、ＰＸＲ現象により、「Ｅ２＝ｃｎ２／（２ｄ sin(θ＋α）」なる式で表されるエネルギーＥ２を有するＸ線９３が結晶９０で放射される。
【００３７】
このときの結晶９０の格子面からのＸ線９３の放射方向は、結晶９０の格子面への電子９２の入射方向に対して角度２(θ＋α)をなしており、所定ライン（レーザ光入射ライン）に垂直な面に平行である。この結晶９０で発生したＸ線９３は、容器３０のＸ線出射窓３２を通過して、容器３０の外部へ出力される。しかし、このままでは、入射角(θ＋α)のときに発生するＸ線は、入射角θのときに発生したＸ線の放射方向と異なる方向に放射され、Ｘ線用コリメータ４０によりコリメートされ得ない。
【００３８】
そこで、Ｘ線発生装置１は、容器３０の外部にあるゴニオステージ３９により、所定ライン（レーザ光入射ライン）を中心軸として、角度(−２α)だけ、容器３０を回転移動させるとともに、容器３０の内部にある各要素および結晶９０も同時に回転移動させる。その結果、入射角(θ＋α)のときに発生するＸ線は、入射角θのときに発生したＸ線の放射方向と同じ方向に放射され、Ｘ線出射窓３２を通過して容器３０の外部へ出力され、Ｘ線用コリメータ４０によりコリメートされ得るようになる。Ｘ線出射窓３２は、このように容器３０が回転移動した場合にもＸ線９３を外部へ出力させ得るように、容器３０の周方向に長い形状を有している。
【００３９】
一般に、固体物質にレーザ光が集光照射されると、レーザ光照射領域の表面は加工される。したがって、ターゲット８０の１つの領域では１回しかＸ線９３を発生させることができない。そこで、本実施形態に係るＸ線発生装置１では、繰り返してＸ線９３を発生させるために、ＸＹステージ３７により結晶９０を移動させて、常に新しい領域にレーザ光を照射するようにする。すなわち、結晶９０を保持するＸＹステージ３７は、その結晶９０の格子面に平行な２次元の方向に結晶９０を平行移動させることができる。ＸＹステージ３７により結晶９０が平行移動されても、ブラッグ条件は維持され、結晶９０から放射されるＸ線９３のエネルギーおよび放射方向は変わらない。
【００４０】
また、一般に、レーザ光照射によって固体表面が加工されるとき、その表面の物質などが周囲に飛散し、レーザ光未照射の領域の表面に飛散物が付着する恐れがある。そこで、本実施形態に係るＸ線発生装置１では、このような飛散物の付着を防止するために、図７に示されるような保護部材８１が設けられる。保護部材８１は、結晶９０の表面に設けられたターゲット８０へのレーザ光９１の入射位置に該レーザ光９１を通過させる貫通孔８１Ａを有し、レーザ光未照射の領域の表面への飛散物の付着を防止してターゲット８０を保護するものである。保護部材８１は、支持部材８２を介してゴニオステージ３８の上面に固定されており、ＸＹステージ３７により結晶９０が平行移動されても、貫通孔９１Ａの位置は変化しない。
【００４１】
これまでに説明してきた実施形態では、結晶９０の表面にターゲット８０として薄膜が設けられていた。しかし、電子放出手段としてのターゲット８０は、その他に種々の態様があり得る。
【００４２】
図８は、本実施形態に係るＸ線発生装置１における結晶９０およびターゲット８０の他の構成例を示す図である。この構成例では、ターゲット８０としての薄膜は、結晶９０の表面に設けられているのではなく、第２反射鏡３５と結晶９０との間の空間に設けられている。このターゲット８０は、一方向に長いテープ状であるのが好適であり、また、効率よく電子９２を放出するために金属薄膜であるのが好適であり、例えば、チタンやタンタルなどの厚さ５〜１０μｍのテープが用いられる。また、ターゲット８０と結晶９０との間の空間に、ターゲット８０から放出された電子９２をコリメートする電子用コリメータ８３が設けられるのが好適である。
【００４３】
図８に示される構成例では、第２反射鏡３５により反射されたレーザ光９１が薄膜ターゲット８０に集光照射されると、そのターゲット８０においてプラズマが発生して、ターゲット８０から電子９２が放出される。その電子９２は、電子用コリメータ８３により方向性が整えられて、結晶９０に入射される。そして、電子９２が入射された結晶９０ではＰＸＲ現象によりＸ線９３が放射される。
【００４４】
なお、図８に示される構成例では、薄膜ターゲット８０の１つの領域では１回しか電子９２を放出させることができない。そこで、薄膜ターゲット８０を平行移動させる機構が設けられるのが好ましい。また、薄膜ターゲット８０がテープ状のものであれば、ボビンに巻かれたテープ状の薄膜ターゲット８０を一端から繰り出す機構が設けられるのが好ましい。
【００４５】
図９は、本実施形態に係るＸ線発生装置１における結晶９０およびターゲット８０の更に他の構成例を示す図である。この構成例では、ターゲット８０として、第２反射鏡３５と結晶９０との間に存在するアルゴン，窒素およびキセノンなどのガスが用いられる。ターゲット８０としてのガスを容器３０の内部に供給するガス供給手段が設けられているのが好ましい。このガスターゲット８０は、レーザ光９１のパルスに同期して容器３０内に供給される。
【００４６】
図９に示される構成例では、第２反射鏡３５により反射されたレーザ光９１がガスターゲット８０に集光照射されると、そのターゲット８０においてプラズマが発生して、ターゲット８０から電子９２が放出される。その電子９２は結晶９０に入射される。そして、電子９２が入射された結晶９０ではＰＸＲ現象によりＸ線９３が放射される。
【００４７】
なお、図９に示される構成例では、ガスを連続して容器３０内に供給することは容易であり、長時間にわたってＸ線９３を放射することが可能である。また、ガスターゲット８０で放出される電子９２は、数十ＭｅＶのエネルギーで、かつ、高い指向性を持つので、強度の強いＸ線９３を放射することができる。
【００４８】
図６に示された構成例では、Ｘ線放射用の結晶９０と電子放出用のターゲット８０とが一体であったので、レーザ光９１のパルス照射の度に結晶９０を平行移動させる必要があった。これに対して、図８および図９それぞれに示される構成例では、Ｘ線放射用の結晶９０と電子放出用のターゲット８０とが分離されているので、結晶９０は電子照射ではダメージを受けず何度でも使用することができ、したがって、ＸＹステージ３７および保護部材８１は不要である。
【００４９】
本実施形態に係るＸ線発生装置１は、ＰＸＲ現象を利用してコヒーレントな硬Ｘ線を発生させることができるものであり、レーザプラズマ中に形成された反転分布を利用するＸ線レーザ装置（以下「比較例」という。）と比較して、以下のような優位点を有する。すなわち、比較例では３４０ｅＶが現在の最高エネルギーであるが、本実施形態では容易に１０ｋｅＶ以上の単色Ｘ線が得られる。本実施形態では、結晶に入射されるレーザ光または電子の角度を変化させることで、発生させるＸ線の波長を容易に変化させることができる。本実施形態では、結晶への入射角度を変化させる場合、容器３０を回転移動させることにより、出射されるＸ線の方向を一定とすることができ、使用する際の操作性が優れる。また、比較例では、ガスターゲットそのものがＸ線源となるのに対して、本実施形態では、Ｘ線放射用の結晶９０と電子放出用のターゲット８０とが分離したような配置も可能であるので、装置の構成の自由度が高い。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】ＰＸＲ現象によるＸ線発生を説明する図である。
【図２】本実施形態に係るＸ線発生装置１の外観を示す斜視図である。
【図３】本実施形態に係るＸ線発生装置１の容器３０の内部の構成を示す斜視図である。
【図４】本実施形態に係るＸ線発生装置１の容器３０の内部を所定ライン（レーザ光入射ライン）に沿った方向に見たときの図である。
【図５】本実施形態に係るＸ線発生装置１の容器３０の内部を上方から見たときの図である。
【図６】本実施形態に係るＸ線発生装置１における結晶９０およびターゲット８０の構成を示す断面図である。
【図７】本実施形態に係るＸ線発生装置１における結晶９０，ターゲット８０および保護部材８１の構成を示す斜視図である。
【図８】本実施形態に係るＸ線発生装置１における結晶９０およびターゲット８０の他の構成例を示す図である。
【図９】本実施形態に係るＸ線発生装置１における結晶９０およびターゲット８０の更に他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…Ｘ線発生装置、１０…光源、２０…架台、３０…容器、３１…レーザ光入射窓、３２…Ｘ線出射窓、３３…第１反射鏡、３４…支持部材、３５…第２反射鏡、３６…支持部材、３７…ＸＹステージ、３８…ゴニオステージ、３９…ゴニオステージ、４０…Ｘ線用コリメータ、４１…支持部材、５０…排気装置、５１…排気管、８０…ターゲット、８１…保護部材、８２…支持部材、８３…電子用コリメータ、９０…結晶、９１…レーザ光、９２…電子、９３…Ｘ線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力する光源と、
前記光源から出力されるレーザ光が外部から所定ラインに沿って内部へ入力される容器と、
前記容器の内部に設けられ、前記容器の内部へ入力されて前記所定ラインに沿って入射されたレーザ光を、前記所定ラインと異なる方向へ反射させる第１反射鏡と、
前記容器の内部に設けられ、前記第１反射鏡により反射されて到達したレーザ光を、前記所定ラインに垂直な面に平行であって入射方向と異なる方向へ反射させる第２反射鏡と、
前記容器の内部に設けられ、前記第２反射鏡により反射されたレーザ光をターゲットに照射して該ターゲットから電子を放出させる電子放出手段と、
前記容器の内部に設けられ、前記電子放出手段により放出された電子の入射に伴いＸ線を発生させる結晶を保持し、この結晶への電子の入射位置を通り前記所定ラインに平行なラインを中心軸として前記結晶を回転移動させる第１移動手段と、
前記所定ラインを中心軸として前記容器を回転移動させる第２移動手段と、
を備えることを特徴とするＸ線発生装置。
【請求項２】
前記結晶で発生して前記容器の外部へ出力されたＸ線のうち特定方向に進むＸ線を選択的に出力するＸ線用コリメータを更に備え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】
前記容器が、内部を排気することが可能な容器であって、前記所定ラインに沿ってレーザ光を外部から内部へ通過させるレーザ光入射窓と、前記結晶で発生したＸ線を内部から外部へ通過させるＸ線出射窓とを有し、
前記容器の内部を排気する排気手段を更に備える、
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】
前記電子放出手段が、前記結晶の表面に設けられた薄膜を前記ターゲットとし、該ターゲットにレーザ光を照射して該ターゲットから電子を放出させる、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】
前記電子放出手段が、前記第２反射鏡と前記結晶との間に設けられた薄膜を前記ターゲットとし、該ターゲットにレーザ光を照射して該ターゲットから電子を放出させる、ことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項６】
前記電子放出手段が、前記第２反射鏡と前記結晶との間に存在するガスを前記ターゲットとし、該ターゲットにレーザ光を照射して該ターゲットから電子を放出させる、ことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項１】
レーザ光を出力する光源と、
前記光源から出力されるレーザ光が外部から所定ラインに沿って内部へ入力される容器と、
前記容器の内部に設けられ、前記容器の内部へ入力されて前記所定ラインに沿って入射されたレーザ光を、前記所定ラインと異なる方向へ反射させる第１反射鏡と、
前記容器の内部に設けられ、前記第１反射鏡により反射されて到達したレーザ光を、前記所定ラインに垂直な面に平行であって入射方向と異なる方向へ反射させる第２反射鏡と、
前記容器の内部に設けられ、前記第２反射鏡により反射されたレーザ光をターゲットに照射して該ターゲットから電子を放出させる電子放出手段と、
前記容器の内部に設けられ、前記電子放出手段により放出された電子の入射に伴いＸ線を発生させる結晶を保持し、この結晶への電子の入射位置を通り前記所定ラインに平行なラインを中心軸として前記結晶を回転移動させる第１移動手段と、
前記所定ラインを中心軸として前記容器を回転移動させる第２移動手段と、
を備えることを特徴とするＸ線発生装置。
【請求項２】
前記結晶で発生して前記容器の外部へ出力されたＸ線のうち特定方向に進むＸ線を選択的に出力するＸ線用コリメータを更に備え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】
前記容器が、内部を排気することが可能な容器であって、前記所定ラインに沿ってレーザ光を外部から内部へ通過させるレーザ光入射窓と、前記結晶で発生したＸ線を内部から外部へ通過させるＸ線出射窓とを有し、
前記容器の内部を排気する排気手段を更に備える、
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】
前記電子放出手段が、前記結晶の表面に設けられた薄膜を前記ターゲットとし、該ターゲットにレーザ光を照射して該ターゲットから電子を放出させる、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】
前記電子放出手段が、前記第２反射鏡と前記結晶との間に設けられた薄膜を前記ターゲットとし、該ターゲットにレーザ光を照射して該ターゲットから電子を放出させる、ことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【請求項６】
前記電子放出手段が、前記第２反射鏡と前記結晶との間に存在するガスを前記ターゲットとし、該ターゲットにレーザ光を照射して該ターゲットから電子を放出させる、ことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−２１０４５（Ｐ２００９−２１０４５Ａ）
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８１１６３（Ｐ２００７−１８１１６３）
【出願日】平成１９年７月１０日（２００７．７．１０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、文部科学省、科学技術試験研究委託費、光技術を融合した生体機能計測技術の研究開発、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月１０日（２００７．７．１０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、文部科学省、科学技術試験研究委託費、光技術を融合した生体機能計測技術の研究開発、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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