JP2003031400A

JP2003031400A - 高周波電子銃

Info

Publication number: JP2003031400A
Application number: JP2001210415A
Authority: JP
Inventors: Fumihiko Oda; 史彦小田; Minoru Yokoyama; 横山　　稔
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2003-01-31

Abstract

(57)【要約】【課題】熱陰極型高周波電子銃において、バックボン
バードメントの影響を相殺して経時による電子エネルギ
ーの変化を抑え、マクロパルス内で均質な電子ビームを
発生させるようにする。【解決手段】熱陰極２と高周波空洞１を備えた高周波
電子銃であって、高周波パルスと同期したレーザパルス
光４を生成するレーザ発生装置１４とレーザパルス光の
強度を高周波パルスの持続時間内で調整するレーザ強度
調整機構１４を備えて、レーザパルス光４を熱陰極２に
照射して電子放出量を調整し電子ビームのエネルギーを
安定化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱陰極と高周波空
洞を組み合わせて高輝度の電子ビームを得る高周波電子
銃に関し、特に自由電子レーザのために電子ビームを供
給する高周波電子銃に関する。

【０００２】

【従来の技術】自由電子レーザ装置などの電子ビーム源
として、陰極材を熱することにより放射した電子を高周
波空洞（加速空洞）で加速して高速な電子ビームを射出
する熱陰極型高周波電子銃がよく用いられる。

【０００３】熱陰極型高周波電子銃は、コンパクトかつ
比較的低価格であり高輝度の電子ビームを得ることがで
きるが、高周波空洞内の電子が加速用高周波の減速位相
で逆方向に加速されて陰極に衝突するバックボンバード
メントが起こり、マクロパルス内で放出電流が増加して
いく現象が生じる。このため、電子ビーム特性の変動が
許容範囲に収まるようなマクロパルスとして使用できる
時間幅が数μｓに制限され、また電流の増加に伴って電
子ビームのエネルギーが減少するため、特に自由電子レ
ーザなどエネルギー単色性が必要となる装置に応用する
ことが困難になる短所を有する。

【０００４】熱陰極に対するバックボンバードメントを
低減させる方法として、特開平６−８６６８０号公報
に、凹面に形成した高周波空洞の底面の中心に電子源を
設置することにより、高周波電界の位相が反転したとき
には電子ビームの径が電子源周囲の凹壁面に向かって漸
次拡幅するように流れて電子源に集中しないようにした
方法が開示されている。この方法では、高周波空洞の形
状が特殊であるため複雑な設計と工作を必要とする上、
バックボンバードメントの影響を効果的に排除するもの
ではなく、熱陰極型高周波電子銃の応用には大きな制約
が残っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、熱陰極型高周波電子銃において、
バックボンバードメントの影響を相殺して経時による電
子エネルギーの変化を抑えてマクロパルス内で均質な電
子ビームを発生させるようにすることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の高周波電子銃は、熱陰極と高周波空洞を備
えて高周波パルス状の電子ビームを発生する高周波電子
銃であって、高周波パルスと同期したレーザパルス光を
生成するレーザ発生装置とレーザパルス光の強度を高周
波パルスの持続時間内で調整するレーザ強度調整機構を
備えて、レーザパルス光を熱陰極に照射して電子放出量
を調整し電子ビームのエネルギーを安定化させることを
特徴とする。

【０００７】熱陰極の表面にレーザ光を照射すると、レ
ーザ光の強度に対応して熱陰極の温度が上昇し陰極から
放出される電子が増加する。したがって、加熱ヒータあ
るいは陰極への通電など通常の熱陰極加熱エネルギーを
少し抑制して、不足のエネルギーをレーザ光で補うよう
にすることができる。本発明の高周波電子銃は、応答性
が高く制御性の良いレーザ光を補助熱源として利用する
ので、バックボンバードメントによりいわゆるマクロパ
ルスなどの高周波パルス継続期間中に放出電子が増加し
ても、その増加分だけレーザエネルギーを減少させて電
子放出量を相殺することにより電子ビームのエネルギー
を安定させることができる。

【０００８】また、いわゆるミクロパルスのタイミング
に合わせて、高周波の加速位相時にレーザを照射して電
子放出を増加させる一方、逆加速位相時にはレーザ光照
射を停止して電子放出量を抑制するようにすると、バッ
クボンバードメントにより熱陰極面に衝突する電子が少
なくなって熱陰極の昇温を小さくすることができ、マク
ロパルス内における経時による電流増加を抑制してエネ
ルギー変化が小さくなる。なお、レーザ発生装置とレー
ザ強度調整機構をそれぞれ備える代わりに、レーザ強度
調整機構を内部に備えたレーザ発生装置を使用しても本
発明の技術的思想を変更しないことはいうまでもない。

【０００９】本発明の高周波電子銃に用いるレーザ強度
調整機構は、ポッケルス素子などの電気光学素子と偏光
板と電気光学素子調整装置を備え、電気光学素子に印加
する電圧を調整して電気光学素子を透過するレーザパル
ス光の偏光を調整し偏光板を通過させることにより光強
度を調整するものであってもよい。透明体に電場を加え
たときに屈折率が変化するポッケルス効果やカー効果を
用いた電気光学素子は、偏光素子として偏光板と一緒に
使用することにより超高速レーザ用シャッターとして利
用することができ、たとえば２ｐｓ程度の応答速度を有
するものもある。

【００１０】このため、上記レーザ強度調整機構を用い
れば、たとえば数ｐｓの時間幅を持つミクロパルスが多
数集合して数μｓの時間幅を持つマクロパルスを形成す
るような電子ビームに適用することができるので、自由
電子レーザ装置の高周波電子銃における電子ビーム調整
が十分可能である。また、電気光学素子に印加する電圧
を高周波パルスが始まる直前に切断して印加電圧の立ち
下がり波形を利用して高周波パルス内におけるレーザパ
ルス光の強度を漸減させるようにしてもよい。

【００１１】いわゆるマクロパルス継続期間中には、バ
ックボンバードメント効果により陰極の加熱が進み電子
放出量が増加する。その増加状態は条件が変化しない限
り毎回ほぼ同じである。電気光学素子に印加する電圧
は、供給回路に容量成分が含まれていれば電流供給を遮
断した後でも徐々に低減する垂下特性を示す。そこで、
回路定数を調整することにより、マクロパルス継続期間
中の電子放出量増加率に見合う減衰特性を与えるように
すれば、複雑で高価な電源装置を用いなくても満足なレ
ーザ強度調整を行うことができる。

【００１２】なお、熱陰極はランタンヘキサボライド
（ＬａＢ_６）の結晶体あるいは焼結体で形成することが
好ましい。希土類元素のホウ素化物は仕事関数が低く、
とりわけランタンヘキサボライドは２．６ｅＶと極めて
低い。また、単結晶化すると放射電流が安定化し電気伝
導度も高いので空間電荷制限領域で動作させる必要性が
少ない。このため、熱陰極材料として適当である。本発
明の高周波電子銃は、特にエネルギー単色性を特徴とす
る自由電子レーザ装置に適用することにより高い効果を
発揮する。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下実施例を用いて本発明を詳細
に説明する。図１は第１の実施例の高周波電子銃の構成
図、図２は第１実施例における駆動系を示すブロック
図、図３は第２の実施例の高周波電子銃の構成図、図４
は第２実施例における動作を説明する時間変化図、図５
は電気光学素子への印加電圧を表す波形図である。

【００１４】

【実施例１】第１実施例の高周波電子銃は、図１に示す
ように、高周波空洞１を備える。高周波空洞１は、その
端部に熱陰極２を備え、側部に高周波電力９を導入する
高周波入力ポート７を備え、熱陰極２に対向する位置に
電子ビーム出力ポート６が設けられ、さらにレーザ４を
導入して熱陰極２の表面に照射するためのレーザ導入ポ
ート５を備えている。

【００１５】熱陰極２は熱陰極加熱ヒータ３により加熱
されて高周波空洞１内に熱電子を放出し、高周波入力ポ
ート７から導入される高周波電力９が高周波空洞内の電
子８をバンチ化し数ＭｅＶ程度に加速して、電子ビーム
出力ポート６から射出する。自由電子レーザを発生する
ために使用するときは、たとえば数μｓ持続する電子バ
ンチを１秒間に２０回程度含むような電子ビームを出現
させるためのマクロパルスを含む高周波電力９を印加す
る。たとえば２８５６ＭＨｚのＲＦを用いた場合、マク
ロパルスには、１０ｐｓ幅のミクロパルスが３５０ｐｓ
おきに繰り返し含まれている。

【００１６】本実施例の熱陰極２には、電熱ヒータによ
る加熱に加えて、さらにマクロパルスに同期したレーザ
４を表面に照射させて加熱して電子を加重して放出させ
る。すなわち、図２に示すように、高周波電力を供給す
るクライストロン１３は、タイミングディレイ・トリガ
ー装置１０が電子ビームをバンチ化して加速するための
タイミングパルスを生成し、この基準パルスをオシュレ
ータ１１とパルス電源装置１２に伝送する。オシュレー
タ１１とパルス電源１２の出力はクライストロン１３に
供給されて、高周波の出力タイミングを制御し、所定の
出力波形を有する高周波電力９を高周波空洞１に供給し
て、電子ビームを形成する。

【００１７】一方、レーザ発振器１４は、タイミングデ
ィレイ・トリガー装置１０から基準パルスを取り込ん
で、マクロパルスのタイミングでレーザ４を発生して熱
陰極２の表面を加熱する。電熱ヒータは応答性が良くな
いため、熱陰極加熱ヒータ３は熱陰極２から常時電子を
高周波空洞１内に放出する。したがって、高周波電力が
逆位相にあるときには、電子を熱陰極２の表面に衝突さ
せるバックボンバードメントが生じて熱陰極２の温度を
徐々に上昇させ、熱電子の発生量を増加させる。

【００１８】本実施例の高周波電子銃は、応答性が良い
レーザ照射を使用して、マクロパルスの存在する期間だ
け追加して加熱し、電子放出量を調整する。レーザエネ
ルギーは、マクロパルス期間中に熱陰極が昇温するにし
たがって徐々に減少させるようにする。こうして、放出
電子量を所定の値付近に保持することにより、高周波エ
ネルギーをほぼ等量に移転した電子ビームを得ることが
でき、マクロパルス継続中における自由電子レーザの作
用が一定になる。

【００１９】なお、ミクロパルスのタイミングに合わせ
てレーザを照射して、高周波エネルギーが逆位相にある
ときには熱陰極表面からの電子放出を抑制するようにす
ることもできる。このような高周波電子銃では、高周波
が逆位相にあるときに逆走して電極面に衝突する電子が
少なくなるため、熱陰極の過熱を防止して電流の増加を
防ぐことができる。

【００２０】

【実施例２】第２実施例の高周波電子銃は、図３に示す
ように、第１実施例の高周波電子銃の熱陰極照射用レー
ザに電気光学素子を利用したレーザ強度調整機構を使用
したものである。その他の事項には大きな差異がないの
で、第１実施例と異なる部分を中心にして説明する。本
実施例の高周波電子銃は、レーザ導入ポート５の外側に
ポッケルスセル２１と偏光板２２を備え、熱陰極２を照
射するレーザ４をこれらの素子に通して強度調整するよ
うにしたものである。

【００２１】圧電性を示す対称性の透明結晶に電場を加
えると電場の強さに比例した屈折率変化を生じ、いわゆ
るポッケルス効果を呈する。ポッケルスセル２１は、ポ
ッケルス効果を利用した光学素子である。バリウムチタ
ン酸化物（ＢaＴiＯ_３）などの強誘電体結晶を光軸に垂
直に切り出し、その光軸方向に数ｋＶの電圧をかけると
電圧に比例して複屈折が変化する。ポッケルスセル２１
は、印加電圧を調整することにより結晶体を透過するレ
ーザ光の偏光角を変化させることができる。

【００２２】そこで、たとえば図中矢印２３で示すよう
に紙面に対して平行な水平偏光のレーザ光４を、図中方
向マーク２４で示すように紙面に対して垂直な偏光方向
を持つ偏光板２２に当てると、レーザ光４は偏光板２２
で阻止されて熱陰極２に到達しない。しかし、図示しな
いポッケルスセル調整装置により適当な電圧を印加した
ポッケルセル２１に水平偏光のレーザ光４を入射させる
と、ポッケルス素子の複屈折が変化するのでレーザ光の
偏向角が変化して垂直方向の偏光成分が発生する。この
ように楕円偏光を持つようになったレーザ光を偏光板２
２に当てると、レーザ光に含まれる垂直方向の偏光成分
が偏光板２２を通過するので、レーザ光４が熱陰極２に
到達して加熱する。

【００２３】このように、ポッケルスセル２１と偏光板
２２を組み合せた機構は、レーザ光の光強度調整装置と
して利用することができる。このような電気光学効果を
利用したレーザ高強度調整機構は、応答時間が２ｐｓに
達するものもあり、自由電子レーザに使用するミクロパ
ルスの周期ごとにレーザ照射を断続させる目的に使用す
ることができる。本実施例のレーザ光強度調整装置は、
印加電圧により偏光軸の変化量を調整することができる
ので、透過エネルギーを適当に調整することができる。
なお、ポッケルス効果と似た電気光学効果に屈折率の変
化が電場の２乗に比例するカー効果があるが、カー効果
を利用しても同様の光学シャッターを構成することがで
きる。

【００２４】さらに、バックボンバードメントによる熱
陰極の昇温を相殺する方法として、ポッケルスセル２１
と偏光板２２を用いて、照射レーザのパワーをマクロパ
ルス内で漸減させるようにする簡便な方法がある。図４
は、この方法を説明する時間変化図で、図４（ａ）は高
周波空洞１に入力する高周波電力の変化を表し、図４
（ｂ）はポッケルスセル２１への印加電圧の変化を表
し、図４（ｃ）はポッケルスセル２１を通過した後のレ
ーザの円偏光度を表し、図４（ｄ）は偏光板２２を透過
するレーザーパワーを表し、図４（ｅ）は電子ビーム電
流を表す。なお図４（ｅ）において、点線はレーザを照
射しないときに得られるビーム電流、実線はレーザを照
射したときのビーム電流を表す。

【００２５】高周波電力は、多数のミクロパルスを等間
隔に含むマクロパルスとして、高周波空洞１に間欠的に
与えられる（図４（ａ））。マクロパルスは普通、数μ
ｓ持続する。ポッケルスセル２１には、マクロパルスの
持続期間に電圧を印加する。印加電圧は、印加の初期に
高くその後徐々に低下するようにする（図４（ｂ））。
すると、ポッケルスセル２１を通過するレーザ光の偏光
軸は、マクロパルスの立ち上がり初期に大きく変化し、
その後のマクロパルス持続中に漸減する（図４
（ｃ））。

【００２６】したがって、熱陰極２に照射するレーザ光
４のパワーは、マクロパルスの立ち上がりに大きく、そ
の後徐々に減少する（図４（ｄ））。一方、レーザ照射
がなければ、図４（ｅ）に点線で表すように、バックボ
ンバードメントにより熱陰極２が徐々に昇温するためマ
クロパルス持続時間中にビーム電流が漸増する。そこ
で、図４（ｄ）に示したレーザパワー供給量により熱陰
極２の温度を調整して点線で表した電流増加を相殺する
ようにすると、図４（ｅ）の実線に示すように、マクロ
パルス持続期間中ほぼ一定のビーム電流を得るようにす
ることができる。

【００２７】図４（ｂ）に示すような電圧変化は、精密
な電圧調整装置を使用すれば得ることができるが、マク
ロパルスの持続時間は数μｓに過ぎないから、必要な減
少曲線に正確に合わせるためには高度な調整機構が必要
とされる。本実施例の高周波電子銃は、図５に示すよう
な、放電特性を利用する方法を使用することにより、上
記要求に応えることができる。図５は、ポッケルスセル
２１への印加電圧を供給する電源装置の出力端における
電圧変化を示すものである。

【００２８】電源装置は出力端にほぼ１次遅れ特性を有
する容量回路を備え、電子ビームバンチ化のタイミング
を調整するタイミングディレイ・トリガーからのトリガ
ー信号により放電を始める。放電を始めるタイミング
は、マクロパルスが開始される時刻より所定時間τだけ
先行する時刻とする。

【００２９】ポッケルスセル２１に電圧を印加する回路
は、高速シャッタを備えて、マクロパルス期間のみ電源
と接続して電力を供給する。供給電圧は、１次遅れ回路
において放電による垂下特性を示すことになり、電圧の
低減ペースは放電を開始する時刻と電源の接続を開始す
る時刻の差τにより決まる。したがって、この時刻差τ
を適当に調整することにより、バックボンバードメント
による昇温を丁度相殺するようなレーザパワー変化を選
択することが可能となる。このような放電特性を利用し
た機構は、単に容量素子と抵抗素子を組み合わせて簡単
に作成することができるので、極めて経済的に得ること
ができる。

【００３０】なお、上記２つの実施例では、便宜上偏光
方向を特定して説明したが、偏光板を通過する偏光成分
の遮断時と通過時のおける差が問題となり、他の任意の
方向であっても良いことはいうまでもない。また、実施
例では、自由電子レーザを主要な目的として説明してい
るが、本バックボンバードメントにより熱陰極が昇温し
て電子ビームが不安定になることが問題になるような任
意の応用に対して発明が利用できることはいうまでもな
い。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、高周波電子銃においてバック
ボンバードメントにより電子ビームの特性が変化するの
を相殺して均質な電子ビームを供給することができる。
特にエネルギーの単色性が重要な指標となる自由電子レ
ーザに適用することにより、期待される良質なレーザを
得ることができるようになる。本発明の高周波電子銃を
用いて生成させた自由電子レーザを用いれば、マクロバ
ンチ内においてレーザ特性が変化変動しないので、自由
電子レーザの作用効果を同じマクロバンチ内で測定した
レーザ特性に基づいて評価することができ、実験の能率
と信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の高周波電子銃の構成図で
ある。

【図２】第１実施例における駆動系を説明するブロック
図である。

【図３】本発明の第２実施例の高周波電子銃の構成図で
ある。

【図４】第２実施例における動作を説明する時間変化図
である。

【図５】第２実施例における電子光学素子への印加電圧
の波形図である。

【符号の説明】

１高周波空洞２熱陰極３熱陰極加熱ヒータ４レーザ５レーザ導入ポート６電子ビーム出力ポート７高周波入力ポート８放出電子９高周波電力１０タイミングディレイ・トリガー装置１１オシュレータ１２パルス電源１３クライストロン１４照射用レーザ発振器２１ポッケルスセル２２偏光板２３レーザ偏光方向２４偏光板偏光方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｓ 3/30 Ｈ０１Ｓ 3/30 ＡＦターム(参考） 2G085 AA03 BA01 BA05 BE09 CA02 CA21 CA22 CA24 EA06 2H079 AA02 BA01 BA02 DA03 KA05 5C030 BB04 BC02 5F072 AC10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱陰極と高周波空洞を備えて高周波パル
ス状の電子ビームを発生する高周波電子銃において、前
記高周波パルスと同期したレーザパルス光を生成するレ
ーザ発生装置と該レーザパルス光の強度を前記高周波パ
ルスの持続時間内で調整するレーザ強度調整機構を備
え、該レーザパルス光を前記熱陰極に照射して電子放出
量を調整し電子ビームのエネルギーを安定化させること
を特徴とする高周波電子銃。
【請求項２】前記レーザ強度調整機構が、電気光学素
子と偏光板と電気光学素子調整装置を備え、該電気光学
素子調整装置が前記電気光学素子に印加する電圧を調整
して該電気光学素子を透過する前記レーザパルス光の偏
光を調整し該レーザパルス光が前記偏光板を通過する間
に光強度を調整するものであることを特徴とする請求項
１記載の高周波電子銃。
【請求項３】前記電気光学素子がポッケルス素子であ
ることを特徴とする請求項２記載の高周波電子銃。
【請求項４】前記電気光学素子に印加する電圧を前記
高周波パルスが始まる直前に切断することにより印加電
圧の立ち下がり波形を利用して前記高周波パルス内にお
ける前記レーザパルス光の強度を漸減させることを特徴
とする請求項２または３記載の高周波電子銃。
【請求項５】前記レーザ強度調整機構が、前記高周波
パルスが電子を加速する位相に合わせて前記レーザパル
ス光を前記熱陰極に照射させるようにしたことを特徴と
する請求項１から３のいずれかに記載の高周波電子銃。