JP2010025740A - Ｘ線集光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも光子密度の高い、エネルギー幅が狭くほぼ単色のＸ線を発生することができるＸ線集光装置を提供すること。
【解決手段】本発明のＸ線集光装置は、白色Ｘ線を集光する装置であって、複数の結晶素子（１１）を備え、楕円（１２）の一方の焦点（Ａ）に位置する光源から放射されたＸ線（１３）が結晶素子（１１）によってブラッグ反射されて楕円（１２）の他方の焦点（Ｂ）に集光するように、各々の結晶素子（１１）の結晶格子面の方向が形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、Ｘ線集光装置に関し、特に白色Ｘ線をほぼ単色化して１点に集めることができるＸ線集光装置に関する。

Ｘ線は種々の方法で発生され、種々の用途に使用されている。Ｘ線を発生させる方法としては、Ｘ線管、シンクロトロン放射を利用してＸ線を発生する方法、みらくる型放射光発生装置によるＸ線発生方法、加速器の高エネルギー電子ビームを用いたＸ線レーザーを発生する方法、パラメトリックＸ線を発生する方法などが知られている。みらくる型放射光発生装置は、放射光発生装置として、電子蓄積リングを用いた小型の放射光発生装置である。下記特許文献１には、小型低エネルギー電子蓄積リングを用いた小型の放射光発生装置の応用として、卓上型放射光治療診断装置が開示されている。

発生したＸ線は、用途によっては単色化され、集光されて使用される。例えば、下記特許文献２には、内面が全反射面になっている直円筒の鏡でＸ線を反射させ、反射されたＸ線を、円筒軸上に配置されたピンホールを通過させることによって、単色化することが開示されている（図９の（ａ）参照）。また、特許文献２には、直円筒の代わりにトロイダル円筒の鏡を使用して、Ｘ線エネルギーにかかわらず、円筒軸上の１点に集光させることも開示されている（図９の（ｂ）参照）。
特開２００５−２３７７３０号公報 特開平１０−１７０６９９号公報

Ｘ線を使用する場合、用途によっては光子密度の高い単色Ｘ線が必要となる。しかし、従来のＸ線発生装置および集光光学系では、十分な光子密度の単色Ｘ線を得ることはできなかった。例えば、上記特許文献２の直円筒型の鏡を使用する場合には、単色のＸ線を得ることはできるが、光子密度が十分ではない。また、トロイダル円筒型の鏡を使用すれば、光子密度の高いＸ線を得ることはできるが、単色化することはできない。

従って、本発明の目的は、従来よりも光子密度の高い、エネルギー幅が狭くほぼ単色のＸ線を発生することができるＸ線集光装置を提供することにある。

本発明の目的は、以下の手段によって達成される。

即ち、本発明に係るＸ線集光装置は、Ｘ線を集光する装置であって、複数の結晶素子を備え、楕円の一方の焦点に位置する光源から放射されたＸ線が前記結晶素子によってブラッグ反射されて前記楕円の他方の焦点に集光するように、各々の前記結晶素子の結晶格子面の方向が形成されていることを特徴としている。

前記結晶素子は筒状に配置されていることができる。

また、前記光源は、電子蓄積リング内に配置されたターゲットであることができる。

また、前記楕円の他方の焦点を通過した後に発散するＸ線を再度集光する光学装置をさらに備え、
前記光学装置が複数の第２の結晶素子を有し、
前記楕円の他方の焦点が第２の楕円の一方の焦点に位置し、
前記第２の楕円の一方の焦点を通過するＸ線が前記第２の結晶素子によってブラッグ反射されて前記第２の楕円の他方の焦点に集光するように、前記第２の結晶素子の結晶格子面の方向が形成されていることができる。

本発明によれば、白色Ｘ線から、１点に集光させた光子密度の高い、エネルギー幅が狭くほぼ単色のＸ線を得ることができる。特に、Ｘ線源としてみらくる型放射光発生装置を使用すれば、１ミクロン程度に集光させることが可能である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態に関して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るＸ線集光装置１の概略構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＸ線集光装置１の一部を示す断面図（ｘｙ面）である。本Ｘ線集光装置１は、複数の結晶素子１１を、所定の軸（ｚ軸）の周りに、筒を形成するように配置して構成されている。図２に示したように、各結晶素子１１は、所定の厚さｔ、幅Ｗ及び長さＬの板状であり、その表面は、ｘ軸を通る平面上で、破線で示した楕円１２に沿った形状をしている。点Ａ及び点Ｂはｘ軸上に位置する楕円１２の焦点である。そして、複数の結晶素子１１がｚ軸の周りに、ｚ軸から等距離に配置されて、Ｘ線集光装置１を形成している。即ち、Ｘ線集光装置１の、ｘｙ平面に平行な断面は円形である。

図２に示した楕円１２は次の式１によって表される。

ｘ^２／ａ^２＋ｙ^２／ｂ^２＝１ ・・・（式１）
ここで、ａは、２つの焦点Ａ、Ｂを結ぶ楕円軸（ｘ軸方向）の長さの１／２であり、ｂはｙ軸方向の楕円軸の長さの１／２である。

各結晶素子１１は、その表面上の各点において、結晶格子面が楕円１２の接線方向に平行になるように形成されている。楕円の焦点の一方から放射された光は、他方の焦点に集光することが知られている。従って、図２において、楕円１２の一方の焦点Ａから放射された白色のＸ線１３は、結晶素子１１によって反射（ブラッグ反射）されて、楕円１２の他方の焦点Ｂに集光する。このとき、入射Ｘ線１３と反射Ｘ線１４との成す角度は、楕円１２上の各点、即ち結晶素子１１上の各点において異なる。例えば、点Ｃにおける入射Ｘ線と反射Ｘ線との成す角度β1は、点Ｄにおける入射Ｘ線と反射Ｘ線との成す角度β2とは異なる（β1≠β2）。即ち、Ｘ線の入射角度は結晶素子１１上の各点において異なる（θ1≠θ2）。ブラッグ反射されるＸ線の波長はＸ線の入射角度に依存するので、焦点Ｂに集光されるＸ線は単色Ｘ線ではないが、波長の広がりの幅が比較的小さく、単色に近いＸ線である。これに対して、上記した特許文献２では反射鏡を使用するので、白色Ｘ線が入射する場合、反射されるＸ線も白色Ｘ線である。

さらに、Ｘ線集光装置１において、長さＬが短ければ、Ｘ線の入射角度の変化も小さくなるので、焦点Ｂに集光されるＸ線の波長の広がり（即ち、エネルギーの広がり）を狭くすることができる。例えば、反射Ｘ線の中心エネルギーを１５ｋｅＶとした場合、エネルギーの広がりを±２ｋｅＶと非常に狭くすることができる。

ここで、各結晶素子１１は、例えば、バルクの液晶から、結晶格子面が表面に平行になるように、所定幅Ｗの平板状の結晶素子を切り出した後、これに外力を加えて曲げることによって製造することができる。このとき、結晶素子１１の表面が、楕円１２の一部に沿った形状になるように曲げ加工する。これによって、各結晶素子１１の表面において、結晶格子面を楕円１２の接線方向にすることができる。

図１のＸ線集光装置１では、所定幅Ｗの細長い結晶素子１１が筒状に配置されているが、結晶素子１１の形状および配置はこれに限定されず、結晶素子１１の表面が、式１で表される楕円に沿って形成されていればよい。

例えば、長さＬが比較的長く、楕円の扁平率が小さく円に近い形状であれば、Ｘ線集光装置１の中央部のｚ軸周りの長さが、開口部のｚ軸周りの長さよりも大きくなる。従って、隣接する結晶素子１１相互の隙間を小さくして、Ｘ線集光装置１を形成するには、結晶素子１１の幅Ｗを一定にするのではなく、中央部の幅よりも長手方向の端部の幅を小さくすればよい。

また、ｚ軸方向にも複数の結晶素子を配置してＸ線集光装置を構成してもよい。即ち、図３、図４に示したように結晶素子１１ａを配置してＸ線集光装置１ａを構成する場合には、各結晶素子１１ａを切り出すときに、小さい結晶片を格子面に平行に切り出せばよい。あるいは、結晶を切り出すときに、格子面に平行ではなく、格子面に対して曲率を持たせて切り出すことにより、比較的大きな結晶を用いて構成することができる。これらの場合には、切り出された結晶に対して曲げ加工を行わなくてもよい。

一例として、図５〜７に、Ｘ線光源としてみらくる型放射光発生装置を用いた場合を示す。放射光発生装置２は、シンクロトロンリング２１内に入力ポートから入射する電子２２を、パータベータ２３及び加速器２４で軌道制御及び加速して周回させ、電子ビーム２５を形成する。電子ビーム２５を形成する電子は、周回軌道上に配置されたターゲット２６に入射し、Ｘ線２７を放射する。放射されたＸ線２７は、出力ポートから取り出され、Ｘ線集光装置１ｂに入射し、Ｘ線集光装置１ｂを構成する結晶素子によってブラッグ反射され、ほぼ単色化されて点Ｂに集光される。このＸ線集光装置１ｂは、図１のＸ線集光装置１と同様に、筒状に形成されている。なお、本発明のＸ線集光装置は、筒状に形成されなくてもよい。

図６は、図５の一部の拡大図である。Ｘ線集光装置１ｂを構成する結晶素子１１ｂは、上記したように式１で表される楕円沿った形状をしており、Ｘ線集光装置１ｂは、Ｘ線光源であるターゲット２６が楕円の一方の焦点Ａに位置するように配置されている。このようにＸ線集光装置１ｂが配置されているので、ターゲット２６から放射されるＸ線２７は、Ｘ線集光装置１ｂを構成する結晶素子１１ｂによって反射され、楕円の他方の焦点Ｂに集光される。これによって、例えば、光源点Ａから２５ｃｍの位置で６ｃｍの広がりをもつ白色Ｘ線の全てを波長の広がりの狭いＸ線として１点（焦点Ｂ）に集中させることができ、光子密度を約１００倍に高めることが可能となる。また、図６に示したように、焦点Ｂの位置にピンホール１５を配置し、焦点Ｂから１ｍｍの位置にサンプル１６を配置すれば、焦点Ｂから１ｍの位置で１０００倍の拡大イメージを得ることができる。さらに、フレネルゾーンプレート１７を用いれば、解像度３０ｎｍを実現することが可能である。

また、図６に示したＸ線集光装置１ｂの焦点距離（Ｘ線集光装置１ｂと焦点Ｂとの距離）は比較的短いので、焦点Ｂにサンプルを配置して結晶構造解析を行うことは容易ではない。これを改善するためには、集光した後に発散するＸ線を再度集光させる光学系を装備すればよい。例えば、図７に示したように、点Ｂに対してＸ線集光装置１ｂと回転対称な位置に、Ｘ線集光装置１ｂと同じ光学装置１ｃを配置すれば、点Ｂで集光したＸ線を光学装置１ｃで反射して楕円の焦点Ｅに集光させることができる。これによって、集光点Ｅの位置は、光学装置１ｃから比較的遠くなるので、サンプルの配置が容易になり、本発明のＸ線集光装置を蛋白質構造解析などに適用することができる。なお、光学装置１ｃは、Ｘ線集光装置１ｂと同じものに限定されず、ほぼ単色化されたＸ線の波長を維持するために、Ｘ線集光装置１ｂによって点Ｂ方向に反射される波長のＸ線を反射することができる光学装置であればよい。

また、光源からのＸ線発散角が小さい場合には、光源から放射されるＸ線を全てＸ線集光装置に照射することが容易であるが、Ｘ線発散角が大きい場合には、光源から放射されるＸ線のうち、Ｘ線集光装置によって反射されることなく直接焦点を通過するＸ線が存在する。これを排除するためには、図８に示したように、光源Ａと焦点Ｂとの間に遮蔽物１８を備えることが望ましい。遮蔽物１８の形状及び大きさは、光源Ａから直接焦点Ｂに向かうＸ線１３ａを遮蔽できるように、光源ＡからのＸ線の発散角を考慮して適宜設計すればよい。

以上、実施の形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されず、種々の変更を加えて実施することができ、それらも本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の実施の形態に係るＸ線集光装置の概略構成を示す斜視図である。 図１に示したＸ線集光装置の一部を示す断面図である。 本発明の別の実施の形態に係るＸ線集光装置の概略構成を示す斜視図である。 図３に示したＸ線集光装置の一部を示す断面図である。 Ｘ線光源としてみらくる型放射光発生装置を用いた場合を示す断面図である。 図５に示したＸ線集光装置の拡大図である。 さらに光学装置を備えて構成する場合を示す断面図である。 遮蔽物を備えて構成する場合を示す断面図である。 Ｘ線を単色化及び集光させる従来の光学系を示す断面図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ Ｘ線集光装置
１ｃ 光学装置
１１、１１ａ、１１ｂ 結晶素子
１２ 楕円
１３、１３ａ、１４ Ｘ線
１５ ピンホール
１６ サンプル
１７ フレネルゾーンプレート
１８ 遮蔽物
２ 放射光発生装置
２１ シンクロトロンリング
２２ 電子
２３ パータベータ
２４ 加速器
２５ 電子ビーム
２６ ターゲット
２７ Ｘ線
Ａ、Ｂ 楕円の焦点

Claims (4)

1. Ｘ線を集光する装置であって、
   複数の結晶素子を備え、
   楕円の一方の焦点に位置する光源から放射されたＸ線が前記結晶素子によってブラッグ反射されて前記楕円の他方の焦点に集光するように、各々の前記結晶素子の結晶格子面の方向が形成されていることを特徴とするＸ線集光装置。
2. 前記結晶素子が筒状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線集光装置。
3. 前記光源が、電子蓄積リング内に配置されたターゲットであることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線集光装置。
4. 前記楕円の他方の焦点を通過した後に発散するＸ線を再度集光する光学装置をさらに備え、
   前記光学装置が複数の第２の結晶素子を有し、
   前記楕円の他方の焦点が第２の楕円の一方の焦点に位置し、
   前記第２の楕円の一方の焦点を通過するＸ線が前記第２の結晶素子によってブラッグ反射されて前記第２の楕円の他方の焦点に集光するように、前記第２の結晶素子の結晶格子面の方向が形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のＸ線集光装置。

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