Linear accelerator equipped with high electron capture rate self-focusing type cavity to the appropriate incident voltage |
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申请号 | JP9050089 | 申请日 | 1989-04-10 | 公开(公告)号 | JP2869084B2 | 公开(公告)日 | 1999-03-10 |
申请人 | セージェーエール メヴ; | 发明人 | DOMINITSUKU TORONKU; | ||||
摘要 | |||||||
权利要求 | 【請求項1】−粒子を入射するための電子銃と、 −この電子銃の下流に位置して、マイクロ波の電界の位相が反転する前にすべての電子が通過する場合の長さよりもわずかに長く上流側の第1の部分と下流側の第2の部分とを有する第1の加速キャビティと、次いで第2の加速キャビティとを入射方向に沿って少なくとも備えるマイクロ波式加速キャビティ列と、 −上記第1のキャビティの内部のマイクロ波電界が上記第2のキャビティの内部のマイクロ波電界よりも小さくなるようにする手段と を備える荷電粒子用加速器であって、 −上記第1のキャビティの内部での電界の分布曲線がこの第1のキャビティの第1および第2の部分の間の平面に対して非対称な輪郭を有するようにする手段を備え、 この第1のキャビティの第1の部分での電界の平均値はこの第1のキャビティの第2の部分での平均値よりも小さいことを特徴とする加速器。 【請求項2】上記第1の部分が上記第2の部分よりも長いことを特徴とする請求項1に記載の加速器。 【請求項3】上記第1のキャビティの第1の部分の断面積がこのキャビティの第2の部分の断面積よりも小さいことを特徴とする請求項1または2に記載の加速器。 【請求項4】上記第1の部分が、第2の部分の中での電界共振モ−ドに対する遮断導波管を構成することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の加速器。 【請求項5】波長の1/8よりも長いドリフト空間によって上記の2つのキャビティが隔離されており、π結合モードにおいて、上記第2のキャビティの入口の電界が自己集束することを特徴とする請求項1に記載の加速器。 【請求項6】上記第1のキャビティに磁界集束手段がさらに設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の加速器。 |
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说明书全文 | 【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、適当な入射電圧に対して電子捕獲率が高い自己集束式キャビティに関するものである。 本発明は特に線形加速器の分野に応用され、その中には特に工業的制御に用いられるタイプと医学の分野に応用されるタイプとがある。 本発明は、このような加速器に対して信頼性と使用効率を向上させるのに役立つ。 従来の技術 線形加速器は、荷電粒子(たいていの場合は電子)を入射するための電子銃を主構成要素として備えている。 加速構造体の主たる機能は、入射された電子をできるだけ多く捕獲することである。 加速構造体の別の機能は、電子を集群化して、電子が加速キャビティを通過したときに運動エネルギーが一様に変化しているようにすることである。 加速構造体のさらに別の機能は、電子を集束して、集群化された電子ビームにできるだけ多くの運動量をターゲットに衝突する瞬間に与えることである。 最後に、加速構造体は、十分に加速することにより必要なエネルギを電子に与えられるようになっている必要がある。 集束性を向上させるため、加速する電子ビームが第1 電子ビームが発散するのを防ぐため、本願出願人が19 上記のフランス国特許出願においては、少なくとも第1のキャビティの出口でこの同期を外れる。 実際上の観点からすると、キャビティは、マイクロ波電磁界がキャビティの軸線の周囲に存在している空間である。 電子はこの軸線に沿ってキャビティを出ていく。 キャビティには入射電子を受け入れるための入口開孔と、電子を外に出すための対向位置の出口開孔とが設けられている。 入口開孔と出口開孔は、従来と同様にキャビティの内側に向かう突起部を有する。 これらの開孔を取り囲む突起部は、キャビティのノーズとして知られている。 キャビティの壁はもちろん金属である。 開孔の近くの電気力線がキャビティの入口開孔と出口開孔の間のすべての地点でこのキャビティの軸線と平行になっていることはない。 これに対して電界の振幅と周波数を同じにしたまま第1のキャビティを長くする場合には、電子ビームが出口開孔を出る瞬間またはその前にこの電界の位相が反転する。 従って、電界消失後のこの反転の結果として得られる電気力線は、この瞬間に全体としてキャビティの入口の方向を向く。 これは電子ビームを遅くする効果をもつので具合が悪い。 しかし、この反転電界の径方向成分は正しい方向を向いているため、上記のことによって、放出された電子が径方向に再び集束する。 次に、集束することによる利得があっても過度に運動エネルギが失われないようにして第1のキャビティの長さの増加を調節することが好ましい。 従って、この特許出願では、線形加速器の第1の加速用キャビティの長さL 1が L 1 =k′βλ 0となる必要があることを決定できた。 この式で、k′は値0.5を取ることが望ましい係数であり、βは光の伝播速度に対する電子の平均速度であり、λ 0は発生したマイクロ波の波長である。 この方法の問題点は捕獲率である。 実際、電子銃から入射された電子(電子ビームのうちの最後に入射された電子)はこのようにして遅延されるために第1のキャビティ内での電界の位相の反転と比べて到着するのが遅くなり過ぎる。 従って、電子は電子銃の方向に戻されてアノードで回収される。 従って、加速器の効率が低下する。 この問題点にもかかわらず十分な出力を得るためには出力の大きな電子銃を用いることが考えられる。 例えば電子銃のカソードをより高温に加熱する。 この方法にはカソード技術に関係した問題点がある。 このような状態で使用すると電子銃の寿命は長くない。 やはり本願出願人により1985年9月10日に出願された第2の出願であるフランス国特許出願第85 13416号に基づくフランス国特許出願公開第2587164号には、電子の予備集群化と加速を行う装置が提示された。 この装置では、捕獲率が100%に近い値になる。 この発明では、捕獲率を向上させるためには第1のキャビティ内の電界を十分小さくして電子銃からの電子が第1のキャビティの出口に到達するのを妨げないようにするだけで十分なことを原理的に確認することができた。 実際には、これは、第1のキャビティ内の電界の値を第2のキャビティ内の電界の値よりも小さくする必要があることを意味する。 実際には、これら電界の比は約2である。 電界の位相が反転する瞬間には、第1のキャビティの入口の電界によって電子がこの第1のキャビティを通過するのが妨げられることはなく、これに対して第1のキャビティの出口の電界は、(例えばより大きな電界を有する第2のキャビティの入口で反射されて)カソードに向かって戻る途中の電子が越えるべきポテンシャル障壁となると思われる。 障壁の高さは、一方では、遅延電子がこの第1 このようにして、すべての電子がポテンシャル障壁を越える。 この場合にも、第1と第2のキャビティの中の電界の振幅の比を調節して決める。 上記の第2の特許出願では、80kVの高電圧で電子を放出する電子銃の場合に この関係式で、V 0は第1のキャビティの入口の電子のエネルギであり(単位eVで表されるV 0の数値は単位Vで表される入射高電圧の数値と等しい)、E 1はこのキャビティ内の電界の平均振幅であり、T 1は電子が実際に獲得したエネルギと、電界と電子の間の同期状態がキャビティのあらゆる地点で維持されている場合に電子が獲得するであろうエネルギとの比を表す平均通過角係数である。 平均通過角係数は、入口と出口の間の電磁波の移相係数θと以下の関係式 T 1 =sin(θ/2)/(θ/2) にあることが知られている。 実際には、第1のキャビティの入口と出口の間の平均移相量が約πラジアンであると、T 1は約0.64になる。 上記の2つの好ましい方法を組み合わせることは理論上は可能である。 この組み合わせ法では、同期用の通常の第1のキャビティよりも長い第1のキャビティを用い、このキャビティにパワーを供給して第2のキャビティ内よりも小さな電界を発生させる。 実際上の観点からは、第1のキャビティと第2のキャビティの結合用の開孔のサイズを変えることによりこれら2つのキャビティの間の電磁結合係数を変化させ、第2のキャビティに存在している電界(場合によってはこの電界そのものが第3のキャビティ内の電界によって誘起される)により誘起された第1のキャビティ内の電界が第2のキャビティ内の電界よりも小さくなるようにする。 発明が解決しようとする課題 実際には、これら2つの方法の組み合わせは、たとえ電界の比が例えば2に等しくとも電子銃の電圧範囲が極めて高いときにしか可能ではない。 例えば、上記の第2 ところで、キャビティ同士がこのように異なる電界と結合しているときには、結合が不安定である。 その結果、第1のキャビティ内の4.5MV/mという一定の値を維持することができず、電界がゆらぐ。 調節条件は微妙で信頼性がほとんどない。 さらに、第1のキャビティ内に蓄えられているマイクロ波の電磁エネルギは電界の振幅の2乗に比例し、従って電界そのものよりも早く減少する。 電界の小さなキャビティの中に到達する電子ビームの最初の小電子群の電子は蓄えられている電磁エネルギを完全に取り出す。 この結果、電子ビームの最後の小電子群はもはや第1のキャビティ内の電界の影響をまったく受けない。 このとき、加速器は機能しない。 上記の2つの方法を組み合わせることにより得られたであろう最高性能はもはや生じない。 本発明は、上記の問題点を解決して、電子捕獲率の高い自己集束式加速構造体を得ることを目的とする。 課題を解決するための手段 すなわち、自己集束のためには上記の第1の特許出願の自己集束の効果を利用し、電子捕獲率を高くするには上記の第2の特許出願の効果を適当な入射電圧に対して利用する。 本発明の基本的な思想は、第1のキャビティの形状を変化させて、このキャビティ内での電界をこのキャビティの中心に対して非対称に変化させることである。 つまり、電界の絶対値の形状を、軸線に沿った延長部分と最大値の振幅を決定した後に最適化する。 簡単に説明すると、第1のキャビティは、電界の値が小さい第1の部分と、電界が強いその下流の第2の部分とを備えている。 第1の部分では電子は適度に加速されるが、特に集群化される。 遅延電子は最初に到着した電子よりも全体としてより好ましい電界の位相にされるため、最初の電子に追いつく。 第1のキャビティから第2 しかし、電界の非対称性により急激な減速が妨げられ、従って大きな集束力の発生が妨げられる。 次に、第2のキャビティ内と、さらには、必要に応じて設けられていて加速器の残り部分を構成する第3のキャビティ内で、電子はこれらキャビティが発生させる公知の加速効果を受ける。 しかし、これに加えて第2のキャビティ内の電界の立ち上がりの位置を変化させることにより、径方向の集束効果を付加する。 このようにすることは従来は難しかった。 というのは、第1のキャビティ内のエネルギの平均ゲインが全体として第2のキャビティ内よりも高く、より硬い電子ビームとなるからである。 このようにして、求める効果がすべて得られる。 集群作用は、 本発明に従うと、 − 粒子を入射するための電子銃と、 − この電子銃の下流に位置して、マイクロ波の電界の位相が反転する前にすべての電子が通過する場合の長さよりもわずかに長く上流側の第1の部分と下流側の第2 本発明は、添付の図面を参照した以下の説明によりさらによく理解できよう。 なお、図面は単に実施例を示したものであって、本発明を限定することはない。 実施例 第1図は、本発明の荷電粒子用加速器を示している。 上で説明したように、第1のキャビティ10は、このキャビティ10内のマイクロ波の電界の位相が反転する前にすべての電子がこのキャビティ10を通過することを望む場合の通常の長さよりもわずかに長い。 この長さは、例えば上記の第1の特許出願に記載されているのとほぼ同じ長さである。 このようにすると、この第1のキャビティの出口で電子が軸線6のまわりに再び集束する。 さらに、結合孔8は、キャビティ10内のマイクロ波の電界の振幅が、最も電界が強い地点でもキャビティ11内の電界の振幅よりも小さいようなサイズにする。 実際には、上で説明したように、これら2つの電界の比は約2である。 結合孔8の断面積を計算することにより、振幅の比を所定の値にすることができる。 本発明によれば、第1のキャビティは、この第1のキャビティ内の電界の絶対値がこのキャビティの中央面14 第2図を見ると本発明で利用される物理現象を理解することができる。 この図面には、第1のキャビティ10内の電界の振幅Eが、このキャビティの軸線6に沿った点を横座標とした関数として示されている。 点線で示されている電界の理想曲線19には2つの平坦部があり、それぞれの振幅の値はE m 、E Mとなっている。 電子銃から入射される電子は電界の値がE mの部分15にまず入る。 この結果、電子を停止させることなく長手方向に集群化することができる。 特に、最初に到着した電子はわずかに減速されることがあるのに対し、最後に到着した電子はわずかに加速されて電子が再集束し、電子ビームを構成する。 この集群化は、入射電子のエネルギを非常に適切なものとすることにより容易に実現できる。 これは、入射電圧の小さな電子銃を用いるという本発明の追求する利点と同じ方向である。 実際、すべての電子はゆっくりと移動するため、電子間の速度差を大きくして集群化を望み通りに行うのがより簡単である。 この結果、すべての電子は、キャビティ10の第2の部分16に入るときに十分に集群化されている。 この第2の部分の内部は電界が強い。 従ってこの中の電子は大きく加速される。 この条件では電子は大きく加速されるが、 従って電子は下流の第2のキャビティ11に到着し、この第2のキャビティ内の電界の大きな振幅によって本来の加速がなされる。 実際には、平均加速電界は、第2のキャビティ内では約20MV/mであり、第1のキャビティの第2の部分内では10MV/mであり、第1のキャビティの第1の部分内では5MV/mである。 本発明を説明するのにπ 実際には値E m 、E Mは理想値に対応するため、このような値を実際に実現することは非常に難しい。 実際、上記のような遮断導波管を実現しても2つの平坦部を有するように電界を分布させることはできない。 このような構成にすると、電界の絶対値が、軸線6に沿った横座標の関数として表した場合にかなり規則的に上昇するようにできるだけである。 しかし、中央平面14に対して電界は明かに非対称である。 左側に位置する部分は平均値E 傾斜20ではなく一定の値の平坦部E Mをもつことの利点は、横座標の臨界領域Z Cでの電界の径方向成分の振幅にある。 この領域は、キャビティ内で一部の電子の運動エネルギが最低になる臨界点に対応しているという意味で臨界領域である。 実際、電界の径方向の成分(集束ぼかし成分)は、軸線6の横座標に沿った方向についての電界の微分に比例する。 この電界は、変化が小さいほど(平坦であるほど)集束をぼかす力が弱い。 実際には、電界より弱い第1の部分が電界のより強い部分と少なくとも同じ長さになるようにする必要がある。 また、電界の絶対値の軸線に沿った方向の変化が凹状になるようにすることも考えられる。 このようにすると、キャビティが始まる地点のかなりの大きさの予備変調と、領域Z Cの近くの適当な振幅変化とを組み合わせることができる。 キャビティ10の形状を変化させて小径部分15を付加すると、このキャビティの共振周波数が変化する可能性がある。 半径17を、このキャビティが従来のタイプであった場合に本来とるべき値よりもわずかに大きくしてこの周波数を一定に保つ。 従って、部分15からなる小径部を付加することに関係した容量値の減少を相殺することによりインダクタンスを上昇させる。 電子を集束させるために外部から印加する補助磁界がまったくないと、臨界電子と呼ばれる一部の電子は不完全にしか制御できないことがわかる。 この不完全な制御により径方向のぼやけが発生する。 第1のキャビティの幾何学的形状をより細かく最適化し、集束用の小さな磁界を印加することによりこの問題点を解決することができる。 逆方向に出発し、再び停止し、前向きに再び出発する大きく減速された、あるいは停止した臨界電子の運動を解析することにより、小さい磁界であってもその大きな効果をよりよく理解することができる。 これが縦振動の場合である。 第3図は、このような縦振動を表している。 この図面は、1つの臨界電子(第1のキャビティの第1の部分に最初に到着した電子のうちの1つ)の運動の解析結果を示している。 この図面では、電子の軌跡の様々な点における速度が縦方向(軸方向)成分と径方向成分に理解されている。 最初は減速兼ぼかし用であり、次に加速兼集束用となる電界Eも時間変化を考慮して示されている。 第4図と第5図は、第1のキャビティの別の実施例の概略断面図である。 第4図では、キャビティの左側部分が従来のキャビティに設けられた小径部22となっていることがはっきりとわかる。 この従来のキャビティの直径は、入射されるマイクロ波の共振周波数と同じ共振周波数を得るためにはわずかに大きくする必要がある。 第5 第6図は、第1図に示されたキャビティの好ましい形状の斜視図である。 この場合、結合開孔23はない。 この第1のキャビティの上流部分と下流部分は、それぞれ長さ24、25が互いにほぼ等しい。 左側部分の半径26は右側部分の半径27の半分よりも小さい。 この第1のキャビティの出口にキャビティのノーズが存在している(第1 第1のキャビティの内部では電界が全体として上昇するため、軸線6に沿って移動すると上で説明したぼやけが発生する。 電界が反転して遅延かつ集束機能をもつようになった後にのみ電子を放出させることにより自己集束を起こすことが可能である。 特に、次のキャビティ11 実際には、ドリフト空間29の長さは、第2のキャビティの入口の加速振幅が最大振幅の半分よりも大きくなるような長さにする必要がある。 この結果、ドリフト空間 実際には、本発明では、従来例と比べて径方向の制御力を向上させることにより、40kVの電子銃を用いて約75 第1図は、本発明の線形加速器の図である。 第2図は、本発明の効果を実現するための実際の電界と理想の電界の分布を示すグラフである。 第3図は、第1のキャビティ内の臨界電子の軌跡を表すグラフである。 第4図、第5図、第6図は、第1図の加速器の第1のキャビティの実施例の断面図ならびに斜視図である。 (主な参照番号) 1……電子銃、2……カソード、3……中空アノード、 ───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl. 6 ,DB名) H01J 23/20 H05H 9/00 - 9/04 H05H 7/14 - 7/20 |