Beam tube as well as the beam tube with particle accelerator

本発明は荷電粒子ビームを案内するためのビーム管並びにかかるビーム管を備えた粒子加速器に関する。

かかるビーム管は特に荷電粒子用粒子加速器に装備されている。 荷電粒子ビームは例えば電子、原子核、イオン化原子、荷電分子あるいは荷電分子片を包含することができる。 荷電粒子ビームの加速はビーム管で取り囲まれたビーム案内空洞部において行われる。 その空洞部は通常は粒子加速器の運転中に真空引きされている。 そのために一般に、ビーム管に真空ポンプ装置が付設されている。

空洞部と荷電粒子ビームを周囲と区画するビーム管は加速電界によって静電的に負荷されている。 この電界の電界強さが大きくなるにつれて、ビーム管の内壁の表面から迷走電子が発せられる確率が増大する。 この過程はまず、そして多くは、いわゆるウィスカーで生ずる。 ウィスカーは全表面特に金属表面に生ずる直径が僅少μｍで長さが数１００μｍまでの針状単結晶である。 ウィスカーの尖端に増大した電界が生ずる。 これによって、ウィスカーの尖端から迷走電子が発せられる。 これらの迷走電子は荷電粒子ビームと同じように電界により加速される。 かかる迷走電子がビーム管の内壁に衝突すると、その衝突時に二次電子が発生される。 この過程は自励現象である。 最終的に、内壁に放電が生じ、従って荷電粒子を加速する電界の落ち込みが生じてしまう。

この問題を解決するために特許文献１で、荷電粒子ビームを案内する空洞部が中空円筒状絶縁コアで直接取り囲まれている高グラジエント絶縁体（ＨＧＩ＝High Gradient Insulator）とも呼ばれるビーム管が知られている。 その絶縁コアは誘電体で作られた多数の薄いリング（厚さ約０．２５ｍｍ）を有し、これらのリングは端面側にそれぞれ１つの薄い金属層（厚さ約４００００オングストローム）が設けられている。 その絶縁コアを製造するために複数のリングが中空円筒の形に結合されている。 隣り合うリングの互いに接する金属層は圧力下および温度影響下で溶融し、金属リングの形に結合する。

ＨＧＩはビーム管の絶縁破壊強さを高める。 つまりＨＧＩの内壁に二次電子が生ずると、ＨＧＩにおける隣接する金属リングが荷電される。 従って、この電荷はそのつど二次電子で直接負荷されたすべての金属リングにわたり分配される。 このことはＨＧＩの内壁における電荷を均一化させ、従って、二次電子の著しい増加傾向を低減させる。

隣接する金属リングにおける電荷の分配は純粋な容量的分配である。 従ってその原理は稀な、且つ短い電圧パルスに対してしか機能しない。 金属リングが絶縁コアの誘電体に埋設され、従って荷電された電荷が沿面距離にわたってただゆっくり流れるので、金属リングの荷電は有効には防止されない。 従って、高率の加速パルスを高率で発生する直線加速器の運転では絶縁破壊確率が増大する。

本発明は低い絶縁破壊確率を有するビーム管を提供するという課題を基礎としている。 さらに本発明はかかるビーム管を備えた粒子加速器を提供するという課題を基礎としている。

ビーム管についての課題は本発明に基づいて請求項１の特徴組合せによって解決される。 そのためにビーム案内空洞部は中空円筒状絶縁コアで直接取り囲まれている。 この絶縁コアは誘電作用支持基材とその中に保持された電気導体とで形成されている。 その導体は複数の導体ループに分けられており、これらの導体ループは絶縁コアの周囲を種々の軸方向位置で完全に周回している。 個々の導体ループは互いに導電結合されている。

電気導体としては、銅や金などのような金属が利用され得る。 誘電体としては、例えばＳｉＯ ₂ 、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 、ポリカーボネート、ポリアクリル、ガラスあるいはセラミックスが採用され得る。

特に誘電作用支持基材内にビーム管に沿って連続して配置された複数の金属層例えば金属板が設けられ得る。 これらの金属層は中間電極として用いられる。 これらの金属層は電気導体によって互いに導電結合されている。 これによって、その構造は本質的に上述のＨＧＩに相当している。 金属層の導電結合を通って場合によっては衝突電子が放流し得る。

金属層の低インピーダンス接続はかかるビーム管を備えた誘導式粒子加速器において誘導発電機の負荷を生じさせ、従って加速電圧の減少を生じさせるかもしれない。 しかし、複数の導体ループにとして導かれる電気導体によって、ビーム管表面における金属層が本質的に誘導結合されていることが保証される。 これは特にビーム管のパルス運転時に有利である。 これによって、絶縁区間の金属電極近傍への容量結合が達成される。 しかし場合によっては電荷は短時間で（しかし加速周期に対しては長く）放流でき、これによって、高い繰返し率の場合でも自己発生的な絶縁破壊過程が抑えられる。

いま絶縁コアにおける空洞部の側の内壁に二次電子が生じると、隣接する複数の導体ループが二次電子の電荷で直接に点状に負荷される。 いまやこれらの電荷はそれらの導体ループに円周方向に分布される。 導体ループ全体が互いに導電結合されているので、電荷は二次電子に直に接していない導体ループにも分布される。 従って、二次電子の著しい増加に対する確率性および絶縁体の絶縁破壊が有効に減少される。 これによって、かかるビーム管を備えた粒子加速器は高率の加速パルスでおよび／又は増大された電界エネルギで、絶縁破壊確率性が顕著に増大することなしに稼動できる。

目的に適って、ビーム管は金属ハウジングで取り囲まれている。 かかる金属ハウジングは例えば互いに密封された管部材で作ることができ、ビーム案内真空空洞部を供給するために真空ポンプ装置によって簡単に真空引きできる。 しかしこの金属ハウジングは加速電界の供給のために設けられた装置を有することもでき、又はかかる装置の構成部品を形成することもできる。

目的に適った発展形態において、誘電体支持基材に保持された電気導体は金属ハウジングに少なくとも一点で導電結合されている。

この変形例の目的に適った発展形態において、電気導体の互いに間隔を隔てられた少なくとも二点がハウジングに導電結合されている。 これによって、電気導体の内部に電位降下は存在しない。

これらの導体ループは閉鎖されたリング状に形成でき、主に円筒長手方向に延びる複数の導体部材によって互いに導電結合され得る。

しかし電気導体の導体ループは、有利な発展形態において、中空円筒状絶縁コアの中心長手軸線の周りにねじ巻き状コイルの形で巻回され、これによって、らせん状コイルを形成している。 そのようにして導体はインダクタンスとして作用し、加速電界の高周波成分を減衰する。

目的に適った変形例において、この電気導体は誘電作用支持基材に埋設されている。 絶縁コアを製造するために例えば環状空間を形成するための円筒状中子を備えた中空円筒の形を有する型が利用される。 その環状空間の中に例えば金属線から成りねじ巻き状コイルの形に曲げられた電気導体が入れられる。 続いて環状空間が中空円筒状絶縁コアを形成するために誘電作用支持基材で電気導体と一緒に充填される。 その誘電体は例えばその充填後に型内で凝固する合成樹脂などのような流動性合成樹脂材料である。 しかし、流動性ばら積み材として充填され温度下および／又は圧力下で凝固される粉末状誘電体でもよい。

他の目的に適った変形例において、電気導体は中空円筒状支持基材の内壁に固定され、特に接着されている。 この場合、電気導体はプリントあるいは蒸着されることもできる。

他の有利な変形例において、電気導体並びに誘電作用支持基材は線状テープとして形成され、中空円筒状絶縁コアを形成するために二重コイルの形に入り交じって巻回されている。 この絶縁コアの形を作るために、両テープが例えば組立具としての円筒体の周りに巻回され、続いて互いに固定される。

中空円筒状絶縁コアの製造に対する上述したすべての変形例は比較的簡単に従って安価に実施できる。

製造最終状態において、電気導体は有利には支持基材を完全に貫通している。 換言すれば、中空円筒状絶縁コアの内壁並びに外壁は金属導体部分を有している。 これによって、絶縁コアにおいて、大きな電荷量を収容するのに適している多量の電気導体材料が構成材料に使える。

粒子加速器についての上述の課題は本発明に基づいて請求項１０に記載の特徴によって解決される。 それに応じてこの粒子加速器は請求項１から９のいずれか１項に記載のビーム管を有している。 この粒子加速器は例えば研究目的に採用され得るが、医学治療装置としても採用され得る。 この粒子加速器は特に特許文献２に詳細に記載されているように誘電壁加速器（Dielectric Wall Accelerator＝DWA）として形成されている。

この粒子加速器は特にパルス運転で作動することができ、電磁誘導に基づいており、即ち、加速電界は磁束変化によって粒子飛行経路の周りに発生される。

以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

ビーム管４の一部を含めた粒子加速器の部分部位の三次元断面図。

粒子加速器２は例えば加速電界が直流電圧によって又は交流電圧によって供給される直線加速器（非特許文献１）として形成されている。 しかし誘電壁加速器としても形成できる。

ビーム管４は単に中空円筒として概略的に示されている。 これは管状の金属ハウジング５を有している。 これはしかし組込み物、例えば図に示されていない真空ポンプ装置を有することもできる。 ビーム管４は同様に中空円筒状の絶縁コア６を収容している。 絶縁コア６はまたビームを案内する円筒状空洞部８を直接取り囲んでいる。 この空洞部８において単に記号的に表された荷電粒子ビーム１０が案内され加速される。

粒子加速器２は電磁誘導の原理が基礎となっている。 これは図に記号的に表された磁界１２を、荷電粒子ビーム１０に対する方向矢印と一致する粒子飛行経路の周りに発生する。 図においてその磁界１２は空洞部８の周り又は荷電粒子ビーム１０の粒子飛行経路の周りに閉路磁界線を形成する。 磁界１２の磁束の時間的変化によって、荷電粒子ビーム１０を矢印の方向に加速する図に示されていない電界が発生される。

中空円筒状絶縁コア６は誘電作用支持基材１４とその中に保持された電気導体１６とで形成されている。 電気導体１６は絶縁コア６の周囲を、その中心長手軸線１８から見て、異なった位置で周回している複数の導体ループ２０に分けられている。 これらの導体ループ２０は互いに導電結合され、らせん状コイルを形成している。

誘電作用支持基材１４内にビーム管の軸線に沿って連続する複数の金属層例えば金属板（ここでは図示せず）を入れることができる。 この場合、誘電作用支持基材は特許文献１の図２Ａに示されているような構造を有している。 これらの金属層は環状導体ループ２０によって互いに接続されている。 これらの金属層の導電結合を通じて場合によって衝突電子が放流し得る。 絶縁コア６を製造するために例えば電気導体１６がねじ巻き状コイルの形態に曲げられ、中空円筒状支持基材１４の内壁に固定されている。 しかしこの電気導体は、プリント回路板への導体帯のプリントのために採用されているような金属製の導電性ペーストによって中空円筒状支持基材１４の内壁にプリントすることもできる。

らせん状電気導体１６の両端は電気導体接続線２２を介してビーム管４又はその金属ハウジング５に、従って粒子加速器２の接地電位に接続されている。

空洞部８は粒子加速器２の運転中に真空引きされている。

加速電界によってビーム管壁から放出された迷走電子および二次電子は、絶縁コア６への衝突時に電気導体１６の１つあるいは複数の導体ループ２０に突き当たり、これを荷電する。 導体ループ１６の相互の導電結合によって、二次電子の電荷は中心長手軸線１８の方向において電気導体１６に沿って分配される。 このようにして、二次電子の著しい増加の危険、従って粒子加速器２の絶縁破壊確率が低くなる。 従って、粒子加速器２は高い加速電界強度で稼動でき、高い加速パルス率で稼動できる。

また電気導体１６をコイル状に形成することによって、高周波の交番電界がろ過される。

２ 粒子加速器 ４ ビーム管 ６ 絶縁コア ８ 空洞部１０ 荷電粒子ビーム１２ 磁界１４ 支持基材１６ 電気導体１８ 中心長手軸線２０ 導体ループ２２ 電気導体接続線