JP2004111065A

JP2004111065A - Electron generating device

Info

Publication number: JP2004111065A
Application number: JP2002268030A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Tanaka; 田中　博文; Tetsuya Nakanishi; 中西　哲也
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: JP3948378B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of generating electron for the electron generating device supplying electron to an electron accelerator, by which, the electron having phase width narrower than that in the past, equivalent to the acceleration phase width at the acceleration electric field of an electron accelerator can be generated at low cost without enlarging an RF power source capacity. <P>SOLUTION: A superposed RF voltage, formed by superposing a prescribed multiple RF voltage, of which frequency is integral multiple of the frequency of an acceleration voltage, on the frequency same as that of the acceleration voltage, is generated, and the superposed RF voltage is made to exceed a cut off voltage only once within one cycle of the base RF voltage. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子加速装置への電子の入射用として用いられる電子発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に係る電子発生装置は、電子を発生させ、電子加速装置へ加速用電子を供給するための装置である。電子加速装置は、電子発生装置から供給された電子を、そこに設置した電子加速手段により、加速するための装置で、所定のエネルギーまで加速された電子は、照射等の目的に利用される。電子加速装置に使用する電子加速手段には、通常、高周波加速空洞（ＲＦ加速空洞と略称する。ＲＦ＝Ｒａｄｉｏ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を使用し、このＲＦ加速空洞に形成されたＲＦ加速電界を利用して、ＲＦ加速空洞を通過する電子を加速するという方法を採る。
【０００３】
ところで、ＲＦ加速空洞での加速については、ＲＦ加速電界による加速の原理により、加速電界の正弦波３６０°中、特定の位相幅（加速位相）に属する電子のみが加速可能であり（例えば、非特許文献１参照。）、それ以外の位相の電子は加速途中に設計軌道からはずれたり、減速位相となったりして、真空ダクト等に衝突して失われる。この電子の消失は、不経済というだけでなく消失時の制動放射により、放射線の発生を伴う。従って、これを避けるために、電子を加速周波数に同期して発生させ、ある位相幅の電子のみを取り出して、電子加速装置に供給するという手法が用いられる。
【０００４】
電子発生装置では電子発生手段である電子銃を構成するカソード電極に高電圧を印加して電子を生成するが、上記電子加速装置のＲＦ加速電界と同期した形で電子を得る為には上記カソード電極へ印加する高電圧は、ＲＦ加速電界と同一周期でパルス状に運転するのが望ましい。しかし、加速周波数は通常数１００ＭＨｚ程度であり、カソード電極へ印加電圧を供給する電源の仕様をこの周波数に合わせることは非常に難しい。従って、通常はカソード電極の前方にグリッド電極を配置し、グリッド電極とカソード電極間の電位差を、直流電圧に、加速電界と同一周波数の高周波電圧（以降ＲＦ電圧と記載する。）を加えたものにするという方法をとる。すなわち、グリッド電極とカソード電極間には直流電圧と、加速電界と同一周波数のＲＦ電圧とを合わせた合成ＲＦ電圧が印加される。更に、グリッド／カソード間に直流バイアス電圧を印加してカットオフ電圧を設定する。これにより、カソード電位に対するグリッド電位がこのカットオフ電圧を越えたときには、電子発生装置から電子ビームが発生する。更に、このカットオフ電圧と上記ＲＦ電圧のピーク値とを調整することにより、取り出すことのできる電子の数（即ち電流値）と、その位相幅を調節することができる。加速に供される位相幅は小さいものなので、これに対応すべく、前記グリッド電極に印加される合成ＲＦ電圧の正弦波尖塔部分のみが取り出されるようにカットオフ電圧のレベルは前記合成ＲＦ電圧波形に対して高い位置で設定される。したがって、電子発生装置は、所謂Ｃ級増幅モードで運転されることとなる。従来は、このような方法で位相幅（パルス幅）約６０°以下の電子を発生させていた（例えば、非特許文献２参照）。
【０００５】
ここで、電子加速手段で加速できる加速位相幅は正弦波３６０°中の精々２０°〜３０°であるが、電子発生装置で発生した電子の位相幅が従来の約６０°のままであったとすると、例えば加速位相幅を３０°として、電子の差し引き位相幅約３０°分は加速中に真空ダクトに衝突し失われる。数１０ｋＷといった大強度ビームを加速する電子加速装置ではこの衝突による真空ダクトの熱除去が大掛かりとなり、また、電力効率が悪い装置となる。
そこで位相幅を更に小さくすることが求められるが、このためにはＲＦ電圧を大きくし、カットオフ電圧を相対的に高い位置に設定する必要がある。このことを示したのが、図７と図８である。図８は図７に示すＲＦ電圧がカットオフ電圧を越える領域の近傍を拡大して示したものである。尚、この図の縦軸は符号を反転させて描いてある点に留意のこと。図８の実線が、従来のグリッド／カソード間にかける合成ＲＦ電圧の時間変化を示す波形であり、破線が、位相幅を小さくした場合の合成ＲＦ電圧の時間変化を示す波形である。この例では、カットオフ電圧を超える合成ＲＦ電圧の位相幅を、従来の例えば１／２にしつつ、この位相幅に相当するカットオフ電圧を超える部分の合成ＲＦ電圧の時間変化を示す波形の面積が、実線／破線の両方で等しくなるようにした場合のグリッド／カソード間にかける合成ＲＦ電圧の変化の例を示している。本来は両者での電子発生数、即ち電流値と、その位相幅を比較対象とすべきであるが、ここでは、説明の便宜上、発生電子の位相幅とその数とは、カットオフ電圧を超える部分の合成ＲＦ電圧の位相幅とその同一位相幅に対応する面積に対応するものとして簡略化した。カットオフ電圧を超える部分の位相幅を狭くし、且つ電流値を維持するためには、図７に示すように、ＲＦ電圧を著しく大きくする必要が生じる。ＲＦ周波数は加速周波数と同じでなければならないので、加速周波数が数１００ＭＨｚといった高周波になると、ＲＦ電圧を大きくすることは高周波電源の負担が大きくなり、電子発生装置を全体として著しく高価なものになってしまう。
【０００６】
位相幅の低減要求が大きくない場合は、必要なＲＦ電圧はそれほど大きくはならないが、このような高い周波数領域では、信号伝送時の放射損失やインピーダンスのミスマッチによる信号の反射による損失が起こる。この場合、高周波電源は、その損失を補填するだけの裕度を持っていなければならなくなり、高周波電源の負担が大きくなってしまう。高周波信号伝送時の放射損失を改善するには、ＲＦ電圧伝送信号線を導体でシールドするとよいが、電子銃のような電子発生手段では、カソード電極にヒータが設置され、これでカソード電極を過熱することにより、電子を発生させているため、直流のヒータ電源からカソード電極に設置されているヒータまで、ヒータ線を引くことが必要になる。このヒータ線も併せて頑丈なシールド対策を施すことにより、インピーダンスのミスマッチを抑えて、反射を低減している例がある（例えば、特許文献１参照。）が、ヒータ線へのシールド対策は電子銃を大型にしてしまい、電子発生装置のコストアップの要因になる。
【０００７】
【非特許文献１】
大柳宏之編「シンクロトロン放射光の基礎」、丸善（株）発行、平成８年３月、ｐ６４
【非特許文献２】
「放射線と産業」、財団法人　原子力弘済会　資料センター発行、Ｎｏ７８（１９９８）、ｐ２７〜ｐ３２掲載のＡヘレール等著「ＩＢＡ社工業用高電圧高出力電子線加速器ロードトロン」、ｐ２８
【特許文献１】
特開平７−１６１３３０号公報（請求項１、請求項２、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、位相幅を小さくするには、高周波電源の負担も含めて電子発生装置のコストが上昇してしまうため、簡単な方法で、安価に発生電子の位相幅を小さくすることができる電子発生装置の実現が待たれていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子発生装置は、高周波加速電界により電子を加速する電子加速手段を有する電子加速装置に対して、前記高周波加速電界に同期して、電子を発生し供給する電子発生装置において、電子発生手段としてカソード電極とグリッド電極とアノード電極とを備え、直流のバイアス電圧を供給するバイアス電源と、前記高周波加速電界と同一周波数の基本高周波電圧を供給する基本高周波電源と、前記高周波加速電界に同期し、前記加速電界の、２以上の整数倍周波数をもつ定倍高周波電圧を供給する定倍高周波電源とを備え、更に、前記バイアス電圧と、前記基本高周波電圧と、前記定倍高周波電圧とを重畳した重畳高周波電圧を生成する重畳手段を備え、この重畳高周波電圧を前記カソード電極と前記グリッド電極間に供給し、且つ、前記重畳高周波電圧が、前記バイアス電圧により設定されるカットオフ電圧を超える回数が、前記高周波加速電界の１周期中、１回であることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の電子発生装置は、前記重畳手段に前記定倍高周波電圧の位相を前記基本高周波電圧の位相からずらすための位相調整器を備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の電子発生装置は、電子発生手段としてカソード電極とグリッド電極とアノード電極とを備え、前記カソード電極に高周波電圧を印加するための外部導体シールドで囲まれた導体を伝送路として有し、併せて前記カソード電極に配設されたヒータに電圧を供給するヒータ線を有する電子発生装置において、前記カソード電極近傍において、前記外部導体シールドに、前記高周波電圧中最短波長の１／４０以下の貫通穴を配設し、前記ヒータ線用の外部導体シールドを設置することなく、前記貫通穴を介して前記ヒータ線を前記ヒータに接続するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電子発生装置の概略構成図である。以下では、電子加速装置のＲＦ加速電界と同一周波数のＲＦ電圧を基本ＲＦ電圧と、その電源を基本ＲＦ電源と呼ぶこととする。また、ＲＦ加速電界周波数の整数倍（２倍以上）の周波数を持つＲＦ電圧を定倍ＲＦ電圧と、その電源を定倍ＲＦ電源と呼ぶこととする。
図において、１０１はカソード電極、１０２はグリッド電極、１０３はアノード電極、１０４は直流高圧電源、１０５はバイアス電源、１０６は基本及び定倍ＲＦ電圧をカソード電極１０１へ伝送するＲＦ電圧伝送信号線、１０７は直流電圧をカソード電極１０１へ供給するための直流電圧伝送線、１０８はカソード電極１０１に設置してあるヒータに電力を供給するためのヒータ線、１１０は基本ＲＦ電源、１１１は定倍ＲＦ電源、１３０はカソード電極１０１から発生し、電子発生装置から引き出される電子ビームである。
【００１３】
次に動作について説明する。
カソード電極１０１に配設したヒータに、ヒータ線１０８を介して電力を供給して、カソード電極１０１を加熱して熱電子を発生させる。グリッド電極１０２とカソード電極１０１との間には、バイアス電源１０５、基本ＲＦ電源１１０、及び定倍ＲＦ電源１１１が接続され、直流バイアス電圧と、基本ＲＦ電圧と、定倍ＲＦ電圧とが重畳された重畳ＲＦ電圧が供給される。ここで、基本ＲＦ電圧の周波数は、ＲＦ加速電界の周波数と同じとし、定倍ＲＦ電圧の周波数は、ＲＦ加速電界の周波数の整数倍（２倍以上）と同じとする。バイアス電源１０５によりグリッド／カソード電極間に印加されるバイアス電圧値によりカットオフ電圧が設定される。尚、基本ＲＦ電源１１０と定倍ＲＦ電源１１１の接続については、図１では概念的に示すにとどめており、基本ＲＦ電圧と、定倍ＲＦ電圧の重畳手段の詳細については図３、図４で後述することにする。
【００１４】
図２は、定倍ＲＦ電圧が基本ＲＦ電圧の５倍の周波数を持つとした場合を例に取り、重畳された重畳ＲＦ電圧の時間変化を、従来型の合成ＲＦ電圧の時間変化と比較して示した図である。図２は、特定の位相幅で、カットオフ電圧を超える部分の重畳ＲＦ電圧波形の面積が合成ＲＦ電圧波形の面積と同じになるようにした場合の重畳ＲＦ電圧の時間変化を示したものである。基本ＲＦ電圧の１周期中、この重畳ＲＦ電圧がカットオフ電圧を超えるのは１回のみである。したがって、加速位相に同期して加速位相幅に対応して電子を発生することができ、加速に供さず加速途中で消滅するような電子は発生させないように調節することができるようになる。カットオフ電圧を１周期に１回だけ超えるようにするためには、定倍ＲＦ電圧の値と基本ＲＦ電圧の値と、バイアス電圧の値を変えることによって調整することができる。このカットオフ電圧を超える部分の近傍を拡大して示すと図８に類似の図になる。従来方式の場合に必要となる合成ＲＦ電圧の様子を示す図７と本発明に係る図２とを比較すればわかるように、この発明を使用した場合、基本及び定倍ＲＦ電圧とも、図７に示す方式でのＲＦ電圧に比べ大幅に低減することができる。電子発生装置の本体は安全上の見地から、接地しておく必要があるので、アノード電極１０３は通常接地されている。よって電子ビームを取り出すにはグリッド電極１０２とカソード電極１０１は負電圧とする必要がある。この電子の取りだし用に高電圧を供給するのが直流高圧電源１０４である。通常は−３０ｋＶ程度から−２００ｋＶ程度の負の高電圧がカソード電極にかけられる。なお、本実施例におけるＲＦ電源は、ＲＦ増幅器と同義で用いている。
【００１５】
図３は本発明の実施の形態１に係る、電子発生装置のグリッド電極１０２とカソード電極１０１の間にかける前記重畳ＲＦ電圧を発生させる重畳手段の具体例を示す機器構成のブロック図であり、図１で概念的に示した基本ＲＦ電源１１０と定倍ＲＦ電源１１１の部分を、より具体的に示したものの一例である。図３において、１１２は電子加速手段の加速位相に同期した基準信号、１１３は基準信号１１２を分配するための信号分配器、１１４はＲＦ加速電界と同一周波数の基本ＲＦ電圧を発生させる基本ＲＦ増幅器で、図１の基本ＲＦ電源１１０に対応する。１１５はＲＦ加速電界の周波数の２以上の整数倍である定倍ＲＦ電圧信号を発生する定倍器、１１６はこの定倍ＲＦ電圧を増幅する定倍ＲＦ増幅器で、図１の定倍ＲＦ電源１１１に対応する。１１７は定倍ＲＦ電圧信号の位相を基本ＲＦ電圧信号に対してずらす位相調整器、１１８はカソード電極につながる電圧信号線で、ＲＦ電圧伝送信号線１０６に対応する。
【００１６】
次に図３のブロック図の動作について説明する。
既に説明した通り、電子発生装置で発生させる電子ビームは電子加速手段のＲＦ加速電界（ここでは、ＲＦを例えば５００ＭＨｚと仮定する。）の加速位相に同期している必要がある。その加速位相に同期した基準信号１１２が信号分配器１１３に入る。信号分配器１１３では５００ＭＨｚの基準信号を２つに分離する。その内の一方の信号は基本ＲＦ増幅器１１４の入力信号となり、他方の信号は定倍器１１５の入力信号となる。例えば３倍の定倍器では、５００ＭＨｚの基準信号が１５００ＭＨｚの信号となる。上記定倍された信号が定倍ＲＦ増幅器１１６の入力信号となり、定倍ＲＦ増幅器１１６で増幅された１５００ＭＨｚの信号は位相調整器１１７で所定量、位相がずらされ、基本ＲＦ増幅器１１４の出力信号と、位相調整器１１７の出力信号の和である重畳ＲＦ電圧信号が、電圧信号線１１８によりカソード電極１０１に供給される。尚、図１のこの部分に対応するＲＦ電源では、位相調整器などの詳細は省略して、概念のみを示してある点に留意のこと。この位相調整器１１７では、定倍ＲＦ電圧の位相を基本ＲＦ電圧の位相に対して調整することにより、重畳ＲＦ電圧のカットオフ電圧を超える部分の電圧の値と共に、時間変化の波形、即ち位相幅を調節することができる。したがって、電子発生装置から発生する電子の数（電流）と、位相、及び位相幅を制御することができ、その結果、電子加速装置に入射された電子は、電子加速手段で有効に加速できるようなり、電流値を調節することもできるようになる。
【００１７】
図４に、図３のバリエーションを示す。図４は、図３の２台の増幅器１１４と１１７を広帯域ＲＦ増幅器１１９として１台にまとめたものである。動作は、増幅器で増幅した結果を重畳するか、重畳した結果を増幅するかの違いであり、最終出力は同じものとなる。
尚、図３において、位相調整器を基本ＲＦ増幅器１１４の後段にも設置し、重畳ＲＦ電圧全体の位相を加速電界の位相に対して調節できるようにしても良いし、図３の位相調整器１１７を、基本ＲＦ電圧とＲＦ電圧を重畳した後に設置してもよい。後者の場合は、基本ＲＦ電圧と定倍ＲＦ電圧の相互の位相を調節することはできなくなるが、前者、後者とも、重畳ＲＦ電圧の位相を全体として加速電界の位相に対して調節することができ、加速位相との位相関係を調整し、発生電子を効率良く加速に供することができるようになる。また、図４についても、位相調整器の設置について、上記と同様のバリエーションが考えられ、同様の効果を奏することができる。
以上の説明では、全て位相調整器１１７の設置を前提としてきたが、必ずしも採用しなくてもよい。その場合は、上述の位相調整器１１７に関する機能はなくなるが、重畳ＲＦ電圧の生成という基本的な機能は維持される。
【００１８】
以上説明したように、本発明によると、電子発生数を維持したままで、低コストな電源を用いて電子発生装置から発生させる電子の位相幅を狭くすることができる。このような電子発生装置を電子加速装置の電子入射器として使用した場合、加速位相から外れる電子の割合、即ち消失する電子の割合を大きく低減でき、したがって、電子の消失に伴う電子加速装置に対する熱負荷や放射線発生量を低減できるので、大電流の加速が可能となる。また、本実施の形態による電子発生装置の出力の時間特性をコンピュータシミュレーションにより計算評価した例によると、電子ビーム位相幅を６０°と同程度の４５°にした場合、基本及び定倍ＲＦ電源のパワーは１．７Ｗ程度で済み、従来例と比較して１／５０以下となることがわかった。したがって、小出力のＲＦ電源で、同程度の位相幅仕様の電子ビームを取り出すことが可能であるということになる。このことから、本発明によると、電源が２台必要にはなるものの、電源コストの低減という点で効果が大きい。
【００１９】
なお、本実施の形態の電子発生装置は、電子ライナックやシンクロトロン、ロードトロンなど従来型の電子加速装置だけでなく、現在開発中のＣＷ（連続波）マイクロトロンなどの、ＲＦ加速電界で電子を加速する加速装置全般に対して電子入射するための電子発生装置としても全く同様の効果を奏する。
【００２０】
実施の形態２
本発明の実施の形態２を、図５を用いて説明する。
図５は、本発明の電子発生装置のカソード電極にかけるＲＦ電圧の伝送部分とヒータ通電部分の概略図を示すものである。図において、１０１、１０２、１０４、１０６、１０８はこれまでの説明と同じものである。１４０はＲＦ電圧発生部で、これは図１の１１０または１１１のＲＦ電源若しくは両者を併せたものに相当する。１５０はＲＦ電圧伝送信号線１０６の外部導体シールド、１６０はヒータ線１０８を介してカソード電極１０１に設置してあるヒータに直流電圧を供給するためのヒータ電源、１７０はカソード電極１０１に設置したヒータにヒータ線１０８を接続するためにひき込み用として外部導体シールド１５０に設けられた貫通穴、１８０はフェライトコアである。
【００２１】
ここで、ヒータ線１０８は非同軸型のケーブル（絶縁物で被覆された複数の導線からなるもの）又は通常市販されている同軸ケーブルまたは、これと同種のケーブルである。ＲＦ電圧伝送信号線１０６は金属板からなり、通常、カソード電極１０１付近で円錐状に広げられ、更に円筒状にして、カソード電極１０１に接続される。また、外部導体シールド１５０も金属板からなり、ＲＦ電圧伝送信号線１０６を囲むようにして、通常、カソード電極１０１付近で円錐状に広げられ、更に円筒状にして、グリッド電極１０２に接続される。ここで言う外部導体シールドとは、ヒータ線に対して言及する場合も含めて、また、このヒータ線が同軸／非同軸ケーブルの場合を含めて、これを更に導体で囲いシールドするために設置されるものを言い、前記同軸ケーブルとして一体となり組み込まれたシールドを含まないものとする。
【００２２】
次に動作について説明する。
カソード電極１０１から電子を取り出す為に、カソード電極１０１にはヒータが設置されている。ヒータ線１０８を介して、ヒータ電源１６０でこのヒータに電力を供給することにより、カソード電極１０１を加熱し、熱電子を放出させ電子ビームを得る。この時のＲＦ電圧信号の必要性については実施の形態１で既に述べてきたところであり、カソード電極１０１にかけるＲＦ電圧が数１００ＭＨｚ程度になると単純な信号線の場合、電磁放射の影響で信号強度の損失が大きくなるため、これを低減するために、ＲＦ電圧伝送信号線１０６は、外部導体シールド１５０とあわせ、同軸線路を形成している。従来は、前記特開平７−１６１３３０の図１に示すように、ヒータ線１０８用に外部導体シールドを別途設置し、前記ＲＦ電圧伝送信号線１０６の外部導体シールド１５０に直交する形で接続していたが、本発明では、ヒータ線１０８用の外部導体シールドを設置せず、ＲＦ電圧伝送信号線１０６用の外部導体シールド１５０のカソード電極近傍における円錐状若しくは円筒状に広げた部分の近傍に設けた貫通穴１７０から、ヒータ線１０８を外部導体シールド１５０の内側に挿入し、その内側に設置されているＲＦ電圧伝送信号線１０６のカソード電極近傍における円錐状若しくは円筒状に広げた部分の近傍に設けた貫通穴（図５では明示していない。）を介して、図５に示すようにヒータ及びＲＦ電圧伝送信号線１０６と接続する。尚、外部導体シールド１５０はグリッド電極に接続する。
【００２３】
通常、このような形で外部導体シールド１５０に貫通穴１７０を設けヒータ線１０８を外部導体シールドなしでカソード電極１０１に配設したヒータに接続すると、この貫通穴１７０により、インピーダンスが変化し、インピーダンスのミスマッチによるＲＦ信号の反射の影響が問題になると考えられていた。しかし、この貫通穴１７０の直径が、信号として扱っている高周波の波長の１／４０よりも小さい場合は、外部導体シールドなしのケーブルが貫通穴１７０内に導入接続されてもインピーダンスのミスマッチによる反射の影響を低減することができることがわかった。この発明は、この貫通穴１７０の大きさを規定することにより、高周波の反射を低減し、その結果、従来例にあるような、ヒータ線１０８に対する、大きな容積を占める外部導体シールドを省略しても、反射によるＲＦ電圧信号の低減を最小限に抑えることができるというもので、電子発生装置を簡略化でき、簡略化しても、反射の影響を低減できることから、反射による損失相当分だけＲＦ電源の負担を軽くすることができる。そのため、簡便、安価な電子発生装置を実現することができる。
【００２４】
ここで、貫通穴１７０の直径を高周波の波長の１／４０以下とした理由は次の通りである。
図６は、高周波反射率の貫通穴直径依存性をシミュレーション評価したもので、外部導体シールドの外形サイズとして、現在実用的に考えられる１００ｍｍを仮定して貫通穴１７０の直径と反射率との関係を評価したものである。横軸は高周波の波長に対する貫通穴直径の比である。この図より、高周波波長の１／４０以下の貫通穴直径であれば、反射率は無視できる程小さくなることがわかる。例えば、５００ＭＨｚの高周波の場合には、波長は約６００ｍｍであり、この場合のＲＦ電圧伝送信号線１０６の外部導体シールド１５０にあけられた穴の直径は６００／４０＝１５ｍｍ以下とする。そうすることで、ＲＦ電圧発生部１４０で発生させたＲＦ電圧の伝送部での減衰を小さくすることが可能で、カソード電極１０１に効率的にＲＦ電圧を供給することが可能となる。ＲＦ電圧発生部１４０とヒータ電源１６０は、高圧電源１０４により電位的にフローティングした状態で用いる。また、ＲＦ電圧がヒータ線１０８を通して、ヒータ電源１６０に流れ込むことを防ぐ為に、フェライトコア１８０中にヒータ線１０８を通し、インダクタンスを大きくする。フェライトコア１８０は高周波領域まで高透磁率の材料、例えばファインメットやメタグラス等でも良い。
尚、実施の形態１で説明したような、ＲＦ電圧伝送信号線１０６を介して、基本ＲＦ電圧、定倍ＲＦ電圧が重畳した信号が伝送されている場合は、より短い波長を基準にして、貫通穴直径は、その１／４０以下にする必要がある。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によると、高周波加速電界により電子を加速する電子加速手段を有する電子加速装置に対して、前記高周波加速電界に同期して、電子を発生し供給する電子発生装置において、電子発生手段としてカソード電極とグリッド電極とアノード電極とを備え、直流のバイアス電圧を供給するバイアス電源と、前記高周波加速電界と同一周波数の基本高周波電圧を供給する基本高周波電源と、前記高周波加速電界に同期し、前記加速電界の、２以上の整数倍周波数をもつ定倍高周波電圧を供給する定倍高周波電源とを備え、更に、前記バイアス電圧と、前記基本高周波電圧と、前記定倍高周波電圧とを重畳した重畳高周波電圧を生成する重畳手段を備え、この重畳高周波電圧を前記カソード電極と前記グリッド電極間に供給し、且つ、前記重畳高周波電圧が、前記バイアス電圧により設定されるカットオフ電圧を超える回数が、前記高周波加速電界の１周期中、１回であるため、従来よりも著しく小さい容量の高周波電源で、位相幅の小さい電子を発生させることができるので、安価な電子発生装置を実現することができる。
【００２６】
本発明によると、前記重畳手段に前記定倍高周波電圧の位相を前記基本高周波電圧の位相からずらすための位相調整器を備えたため、位相幅の小さい電子を、従来よりも著しく小さい容量の高周波電源で発生させることができるとともに、位相幅と発生電子の電流値をより簡便に調整可能になり、安価な電子発生装置を実現することができる。
【００２７】
本発明によると、電子発生手段としてカソード電極とグリッド電極とアノード電極とを備え、前記カソード電極に高周波電圧を印加するための外部導体シールドで囲まれた導体を伝送路として有し、併せて前記カソード電極に配設されたヒータに電圧を供給するヒータ線を有する電子発生装置において、前記カソード電極近傍において、前記外部導体シールドに、前記高周波電圧中最短波長の１／４０以下の貫通穴を配設し、前記ヒータ線用の外部導体シールドを設置することなく、前記貫通穴を介して前記ヒータ線を前記ヒータに接続することにより、ヒータ線用の外部導体シールドなしで、反射を低減できるため、位相幅を小さくする際に必要とされる高周波電源容量を低減でき、外部導体シールド削除分も含め、安価な電子発生装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電子発生装置の概略構成図。
【図２】本発明の実施の形態１に係る重畳ＲＦ電圧の時間変化と従来型の合成ＲＦ電圧の時間変化とを比較して示した図。
【図３】本発明の実施の形態１に係る、電子発生装置のグリッド電極とカソード電極間に供給する重畳ＲＦ電圧を発生させる重畳手段の機器構成例１のブロック図。
【図４】本発明の実施の形態１に係る、電子発生装置のグリッド電極とカソード電極の間にかける重畳ＲＦ電圧を発生させる重畳手段の機器構成例２のブロック図。
【図５】本発明の実施の形態２に係る電子発生装置のカソード電極にかけるＲＦ電圧の伝送部分とヒータ通電部分の概略図。
【図６】高周波反射率の貫通穴直径依存性を示すシミュレーション評価図。
【図７】従来の位相幅に対応するＲＦ電圧、及び、従来方式による、位相幅を小さくするために必要なＲＦ電圧の時間変化波形の比較図。
【図８】従来の位相幅に対応するＲＦ電圧、及び、従来方式による、位相幅を小さくするために必要なＲＦ電圧の時間変化波形のカットオフ電圧近傍の拡大図。
【符号の説明】
１０１　カソード電極、１０２　グリッド電極、１０３　アノード電極、１０４　直流高圧電源、１０５　バイアス電源、１０６　ＲＦ電圧伝送信号線、１０７　直流電圧印加線、１０８　ヒータ線、１１０　基本ＲＦ電源、１１１　定倍ＲＦ電源、１１２　基準信号、１１３　信号分配器、１１４　基本ＲＦ増幅器、１１５　定倍ＲＦ増幅器、１１６　定倍ＲＦ増幅器、１１７　位相調整器、１１８　電圧信号線、１１９　広帯域ＲＦ増幅器、１３０　電子ビーム、１４０　ＲＦ電圧発生部、１５０　外部導体シールド、１６０　ヒータ電源、１７０　外部導体シールド貫通穴、１８０　フェライトコア。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electron generator used for electron injection into an electron accelerator.
[0002]
[Prior art]
An electron generation device according to the present invention is a device for generating electrons and supplying acceleration electrons to an electron accelerator. The electron accelerator is a device for accelerating electrons supplied from an electron generator by an electron accelerating means installed therein. The electrons accelerated to a predetermined energy are used for purposes such as irradiation. Generally, a high-frequency acceleration cavity (abbreviated as RF acceleration cavity; RF = Radio-Frequency) is used as an electron acceleration means used in the electron acceleration device, and an RF acceleration electric field formed in the RF acceleration cavity is used. , The electron passing through the RF accelerating cavity is accelerated.
[0003]
By the way, regarding the acceleration in the RF accelerating cavity, only electrons belonging to a specific phase width (acceleration phase) can be accelerated during a 360 ° sine wave of the accelerating electric field due to the principle of acceleration by the RF accelerating electric field (for example, non-acceleration). In addition, electrons in other phases deviate from the design trajectory during acceleration or have a deceleration phase, and collide with a vacuum duct or the like and are lost. This loss of electrons is not only uneconomical, but also involves the generation of radiation due to bremsstrahlung upon loss. Therefore, in order to avoid this, a method is used in which electrons are generated in synchronization with the acceleration frequency, and only electrons having a certain phase width are extracted and supplied to the electron accelerator.
[0004]
In the electron generating device, a high voltage is applied to a cathode electrode constituting an electron gun, which is an electron generating means, to generate electrons. In order to obtain electrons in synchronization with the RF acceleration electric field of the electron accelerator, the cathode is used. The high voltage applied to the electrodes is desirably operated in a pulsed manner in the same cycle as the RF acceleration electric field. However, the acceleration frequency is usually on the order of several hundred MHz, and it is very difficult to match the specifications of a power supply for supplying an applied voltage to the cathode electrode with this frequency. Therefore, usually, a grid electrode is arranged in front of the cathode electrode, and a potential difference between the grid electrode and the cathode electrode is obtained by adding a DC voltage to a high-frequency voltage having the same frequency as the accelerating electric field (hereinafter referred to as an RF voltage). Take the method of. That is, a combined RF voltage, which is a combination of a DC voltage and an RF voltage having the same frequency as the acceleration electric field, is applied between the grid electrode and the cathode electrode. Further, a DC bias voltage is applied between the grid and the cathode to set a cutoff voltage. Thus, when the grid potential with respect to the cathode potential exceeds this cutoff voltage, an electron beam is generated from the electron generator. Further, by adjusting the cutoff voltage and the peak value of the RF voltage, the number of electrons that can be extracted (that is, the current value) and the phase width thereof can be adjusted. Since the phase width provided for acceleration is small, the level of the cut-off voltage is adjusted so that only the sine-wave spike portion of the composite RF voltage applied to the grid electrode is taken out. Is set at a higher position with respect to. Therefore, the electron generator is operated in a so-called class C amplification mode. Conventionally, electrons having a phase width (pulse width) of about 60 ° or less have been generated by such a method (for example, see Non-Patent Document 2).
[0005]
Here, the acceleration phase width that can be accelerated by the electron acceleration means is at most 20 ° to 30 ° in the sine wave 360 °, but the phase width of the electrons generated by the electron generator remains at about 60 ° in the related art. Then, for example, assuming that the acceleration phase width is 30 °, the electron subtraction phase width of about 30 ° collides with the vacuum duct during acceleration and is lost. In an electron accelerator that accelerates a high intensity beam such as several tens of kW, heat removal from the vacuum duct due to the collision becomes large, and the power efficiency is low.
Therefore, it is required to further reduce the phase width. For this purpose, it is necessary to increase the RF voltage and set the cutoff voltage at a relatively high position. This is shown in FIG. 7 and FIG. FIG. 8 is an enlarged view of the vicinity of the region where the RF voltage shown in FIG. 7 exceeds the cutoff voltage. Note that the vertical axis of this figure is drawn with the sign inverted. The solid line in FIG. 8 is a waveform showing the time change of the composite RF voltage applied between the conventional grid and the cathode, and the broken line is the waveform showing the time change of the composite RF voltage when the phase width is reduced. In this example, while the phase width of the combined RF voltage exceeding the cutoff voltage is reduced to, for example, の of the conventional one, the area of the waveform indicating the temporal change of the combined RF voltage in the portion exceeding the cutoff voltage corresponding to this phase width Shows an example of a change in the composite RF voltage applied between the grid and the cathode when equalization is made in both the solid line and the broken line. Originally, the number of generated electrons in both cases, that is, the current value, and the phase width thereof should be compared, but here, for convenience of explanation, the phase width of the generated electrons and the number thereof exceed the cutoff voltage. It is simplified as corresponding to the phase width of the combined RF voltage of the portion and the area corresponding to the same phase width. In order to reduce the phase width of the portion exceeding the cutoff voltage and maintain the current value, it is necessary to significantly increase the RF voltage as shown in FIG. Since the RF frequency must be the same as the acceleration frequency, when the acceleration frequency becomes a high frequency such as several hundred MHz, increasing the RF voltage increases the burden on the high-frequency power supply, and makes the entire electron generator extremely expensive. Would.
[0006]
If the request for reducing the phase width is not large, the required RF voltage does not become so large. However, in such a high frequency region, radiation loss during signal transmission and loss due to signal reflection due to impedance mismatch occur. In this case, the high-frequency power supply must have enough margin to compensate for the loss, and the load on the high-frequency power supply increases. To reduce radiation loss during high-frequency signal transmission, it is better to shield the RF voltage transmission signal line with a conductor. However, in electron generating means such as an electron gun, a heater is installed on the cathode electrode, which heats the cathode electrode. In this case, since electrons are generated, it is necessary to draw a heater line from a DC heater power supply to a heater provided on the cathode electrode. In some cases, the heater wire is also provided with robust shielding measures to suppress impedance mismatch and reduce reflection (for example, see Patent Document 1). This increases the size of the gun and increases the cost of the electron generator.
[0007]
[Non-patent document 1]
Hiroyuki Oyanagi, "Basics of Synchrotron Radiation", published by Maruzen Co., Ltd., March 1996, p.64.
[Non-patent document 2]
"Radiation and Industry", published by the Nuclear Energy Society of Japan, No. 78 (1998), A Heler et al., P27-p32, "IBA Industrial High Voltage High Power Electron Beam Accelerator Roadtron", p28
[Patent Document 1]
JP-A-7-161330 (Claim 1, Claim 2, FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, reducing the phase width increases the cost of the electron generator, including the burden on the high-frequency power supply. Therefore, it is possible to reduce the phase width of the generated electrons by a simple method at low cost. The realization of the generator was awaited.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
An electron generating apparatus according to the present invention is provided with an electron generating apparatus that generates and supplies electrons in synchronization with the high-frequency accelerating electric field. A bias power supply that includes a cathode electrode, a grid electrode, and an anode electrode as means and supplies a DC bias voltage, a basic high-frequency power supply that supplies a basic high-frequency voltage having the same frequency as the high-frequency acceleration electric field, and is synchronized with the high-frequency acceleration electric field A constant-frequency high-frequency power supply for supplying a constant-frequency high-frequency voltage having an integer multiple of 2 or more of the accelerating electric field, and further comprising the bias voltage, the basic high-frequency voltage, and the constant-frequency high-frequency voltage. A superimposing means for generating a superimposed superimposed high-frequency voltage, supplying the superimposed high-frequency voltage between the cathode electrode and the grid electrode, and Serial superposed high frequency voltage, the number of times greater than the cut-off voltage set by the bias voltage, in one cycle of the high frequency acceleration electric field, is characterized in that it is one.
[0010]
The electron generating apparatus according to the present invention is characterized in that the superimposing means includes a phase adjuster for shifting the phase of the fixed high-frequency voltage from the phase of the basic high-frequency voltage.
[0011]
The electron generating device of the present invention includes a cathode electrode, a grid electrode, and an anode electrode as electron generating means, and has, as a transmission line, a conductor surrounded by an external conductor shield for applying a high-frequency voltage to the cathode electrode, In addition, in the electron generating device having a heater wire for supplying a voltage to a heater disposed on the cathode electrode, the outer conductor shield may pass through the outer conductor shield near 1/40 or less of the shortest wavelength in the high-frequency voltage in the vicinity of the cathode electrode. A hole is provided, and the heater wire is connected to the heater via the through hole without installing an outer conductor shield for the heater wire.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the electron generator according to Embodiment 1 of the present invention. Hereinafter, an RF voltage having the same frequency as the RF acceleration electric field of the electron accelerator is referred to as a basic RF voltage, and its power source is referred to as a basic RF power source. Further, an RF voltage having a frequency that is an integral multiple (two or more times) of the RF acceleration electric field frequency is referred to as a fixed RF power, and a power source thereof is referred to as a constant RF power source.
In the figure, 101 is a cathode electrode, 102 is a grid electrode, 103 is an anode electrode, 104 is a DC high-voltage power supply, 105 is a bias power supply, 106 is an RF voltage transmission signal line for transmitting basic and fixed-size RF voltage to the cathode electrode 101, Reference numeral 107 denotes a DC voltage transmission line for supplying a DC voltage to the cathode electrode 101; 108, a heater line for supplying power to a heater installed on the cathode electrode 101; 110, a basic RF power supply; A power source 130 is an electron beam generated from the cathode electrode 101 and extracted from the electron generator.
[0013]
Next, the operation will be described.
Electric power is supplied to the heater disposed on the cathode electrode 101 via the heater wire 108 to heat the cathode electrode 101 and generate thermoelectrons. A bias power supply 105, a basic RF power supply 110, and a fixed RF power supply 111 are connected between the grid electrode 102 and the cathode electrode 101, and the DC bias voltage, the basic RF voltage, and the fixed RF power voltage are superimposed. The superimposed RF voltage is supplied. Here, the frequency of the basic RF voltage is the same as the frequency of the RF accelerating electric field, and the frequency of the constant-frequency RF voltage is the same as an integral multiple (two times or more) of the frequency of the RF accelerating electric field. A cutoff voltage is set by a bias voltage value applied between the grid and the cathode electrode by the bias power supply 105. Note that the connection between the basic RF power supply 110 and the fixed-size RF power supply 111 is conceptually shown in FIG. 1, and details of the means for superimposing the basic RF voltage and the fixed-size RF voltage are shown in FIGS. Will be described later.
[0014]
FIG. 2 shows an example in which the constant-frequency RF voltage has a frequency five times that of the basic RF voltage, and compares the time change of the superimposed RF voltage with the time change of the conventional combined RF voltage. FIG. FIG. 2 shows a time change of the superimposed RF voltage when the area of the superimposed RF voltage waveform in a portion exceeding the cutoff voltage at a specific phase width is made equal to the area of the composite RF voltage waveform. is there. This superimposed RF voltage exceeds the cutoff voltage only once during one cycle of the basic RF voltage. Therefore, electrons can be generated in accordance with the acceleration phase width in synchronization with the acceleration phase, and adjustment can be performed so as not to generate electrons which are not used for acceleration and disappear during the acceleration. In order to exceed the cutoff voltage only once in one cycle, the cutoff voltage can be adjusted by changing the value of the fixed RF voltage, the value of the basic RF voltage, and the value of the bias voltage. FIG. 8 is an enlarged view of the vicinity of the portion exceeding the cutoff voltage. As can be seen from a comparison between FIG. 7 showing the state of the combined RF voltage required in the case of the conventional method and FIG. 2 according to the present invention, when the present invention is used, both the basic and the fixed-size RF voltages are shown in FIG. Can be greatly reduced as compared with the RF voltage in the method shown in FIG. Since the main body of the electron generator needs to be grounded from the viewpoint of safety, the anode electrode 103 is usually grounded. Therefore, in order to extract an electron beam, the grid electrode 102 and the cathode electrode 101 need to have a negative voltage. The DC high voltage power supply 104 supplies a high voltage for taking out the electrons. Usually, a negative high voltage of about -30 kV to about -200 kV is applied to the cathode electrode. Note that the RF power supply in this embodiment is used synonymously with an RF amplifier.
[0015]
FIG. 3 is a block diagram of a device configuration showing a specific example of the superimposing means for generating the superimposed RF voltage applied between the grid electrode 102 and the cathode electrode 101 of the electron generator according to Embodiment 1 of the present invention, This is an example of a more specific example of the basic RF power supply 110 and the fixed-power RF power supply 111 conceptually shown in FIG. In FIG. 3, reference numeral 112 denotes a reference signal synchronized with the acceleration phase of the electron acceleration means, reference numeral 113 denotes a signal distributor for distributing the reference signal 112, and reference numeral 114 denotes a basic RF amplifier for generating a basic RF voltage having the same frequency as the RF acceleration electric field. And corresponds to the basic RF power supply 110 of FIG. A constant-frequency multiplier 115 generates a constant-frequency RF voltage signal which is an integer multiple of 2 or more of the frequency of the RF acceleration electric field, and a constant-frequency RF amplifier 116 amplifies the constant-frequency RF voltage. 111. Reference numeral 117 denotes a phase adjuster for shifting the phase of the fixed-size RF voltage signal with respect to the basic RF voltage signal. Reference numeral 118 denotes a voltage signal line connected to the cathode electrode, and corresponds to the RF voltage transmission signal line 106.
[0016]
Next, the operation of the block diagram of FIG. 3 will be described.
As described above, the electron beam generated by the electron generator needs to be synchronized with the acceleration phase of the RF acceleration electric field (here, RF is assumed to be, for example, 500 MHz) of the electron acceleration means. The reference signal 112 synchronized with the acceleration phase enters the signal distributor 113. The signal distributor 113 separates the 500 MHz reference signal into two. One of the signals becomes an input signal of the basic RF amplifier 114, and the other signal becomes an input signal of the constant multiplier 115. For example, in a tripler, a 500 MHz reference signal becomes a 1500 MHz signal. The multiplied signal becomes the input signal of the fixed RF amplifier 116, and the 1500 MHz signal amplified by the fixed RF amplifier 116 is shifted in phase by a predetermined amount by the phase adjuster 117. And a superimposed RF voltage signal which is the sum of the output signals of the phase adjuster 117 is supplied to the cathode electrode 101 via the voltage signal line 118. It should be noted that in the RF power supply corresponding to this part of FIG. 1, the details such as the phase adjuster are omitted, and only the concept is shown. The phase adjuster 117 adjusts the phase of the fixed RF voltage with respect to the phase of the basic RF voltage, so that the voltage of the portion exceeding the cutoff voltage of the superimposed RF voltage and the waveform of the time change, that is, the phase The width can be adjusted. Therefore, the number (current), phase, and phase width of the electrons generated from the electron generator can be controlled, and as a result, the electrons incident on the electron accelerator can be effectively accelerated by the electron accelerator. That is, the current value can be adjusted.
[0017]
FIG. 4 shows a variation of FIG. FIG. 4 shows the two amplifiers 114 and 117 shown in FIG. The operation is the difference between superimposing the result amplified by the amplifier or amplifying the superimposed result, and the final output is the same.
In FIG. 3, a phase adjuster may be provided after the basic RF amplifier 114 so that the phase of the entire superimposed RF voltage can be adjusted with respect to the phase of the accelerating electric field. 117 may be installed after the basic RF voltage and the RF voltage are superimposed. In the latter case, the mutual phase of the basic RF voltage and the constant-frequency RF voltage cannot be adjusted. However, in the former and the latter, the phase of the superimposed RF voltage as a whole can be adjusted with respect to the phase of the acceleration electric field. By adjusting the phase relationship with the acceleration phase, generated electrons can be efficiently used for acceleration. Also, in FIG. 4, the same variation as described above can be considered for the installation of the phase adjuster, and the same effect can be obtained.
In the above description, it is assumed that the phase adjuster 117 is installed, but it is not always necessary to employ the phase adjuster 117. In that case, the function relating to the phase adjuster 117 described above is eliminated, but the basic function of generating the superimposed RF voltage is maintained.
[0018]
As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the phase width of electrons generated from an electron generator using a low-cost power supply while maintaining the number of generated electrons. When such an electron generator is used as an electron injector of an electron accelerator, the proportion of electrons that deviate from the acceleration phase, that is, the proportion of electrons that disappear, can be greatly reduced. Since a load and a radiation generation amount can be reduced, acceleration of a large current becomes possible. Further, according to an example in which the time characteristic of the output of the electron generator according to the present embodiment is calculated and evaluated by computer simulation, when the electron beam phase width is set to 45 °, which is almost the same as 60 °, the basic and fixed-size RF power supplies It was found that the power was only about 1.7 W, which was 1/50 or less as compared with the conventional example. Therefore, it is possible to extract an electron beam having the same phase width specification with a small output RF power supply. From this, according to the present invention, although two power supplies are required, the effect is large in terms of reduction of power supply cost.
[0019]
The electron generator of the present embodiment is not limited to a conventional electron accelerator such as an electron linac, a synchrotron, and a roadtron, but also an electron accelerating electric field such as a CW (continuous wave) microtron under development. Exactly the same effect can be obtained as an electron generating device for injecting electrons into the entire accelerating device for accelerating.
[0020]
Embodiment 2
Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a schematic view showing a portion for transmitting an RF voltage applied to the cathode electrode of the electron generating device of the present invention and a portion for energizing the heater. In the figure, 101, 102, 104, 106 and 108 are the same as those described so far. An RF voltage generator 140 corresponds to the RF power supply 110 or 111 in FIG. 1 or a combination of both. 150 is an outer conductor shield of the RF voltage transmission signal line 106, 160 is a heater power supply for supplying a DC voltage to the heater installed on the cathode electrode 101 via the heater wire 108, 170 is a heater installed on the cathode electrode 101 A through-hole 180 is provided in the outer conductor shield 150 for drawing in to connect the heater wire 108 to the heater wire 108, and a ferrite core 180 is provided.
[0021]
Here, the heater wire 108 is a non-coaxial cable (consisting of a plurality of conductors covered with an insulating material), a coaxial cable which is generally commercially available, or a cable of the same type. The RF voltage transmission signal line 106 is formed of a metal plate, and is generally expanded in a conical shape near the cathode electrode 101, further formed into a cylindrical shape, and connected to the cathode electrode 101. Further, the outer conductor shield 150 is also made of a metal plate, and is generally expanded in a conical shape near the cathode electrode 101 so as to surround the RF voltage transmission signal line 106, and is further formed into a cylindrical shape and connected to the grid electrode 102. The term “outer conductor shield” as used herein includes a case where a heater wire is referred to, and also includes a case where the heater wire is a coaxial / non-coaxial cable, and is further provided to shield the surrounding by a conductor. And does not include a shield integrally incorporated as the coaxial cable.
[0022]
Next, the operation will be described.
In order to extract electrons from the cathode electrode 101, the cathode electrode 101 is provided with a heater. Power is supplied to this heater by the heater power supply 160 via the heater wire 108, thereby heating the cathode electrode 101 and emitting thermoelectrons to obtain an electron beam. The necessity of the RF voltage signal at this time has already been described in the first embodiment. When the RF voltage applied to the cathode electrode 101 becomes about several hundred MHz, in the case of a simple signal line, the signal intensity is affected by electromagnetic radiation. In order to reduce the loss, the RF voltage transmission signal line 106 forms a coaxial line together with the outer conductor shield 150. Conventionally, as shown in FIG. 1 of JP-A-7-161330, an external conductor shield is separately provided for the heater wire 108 and connected to the external conductor shield 150 of the RF voltage transmission signal line 106 at right angles. However, in the present invention, the outer conductor shield for the heater wire 108 is not provided, but is provided near the conical or cylindrical portion of the outer conductor shield 150 for the RF voltage transmission signal line 106 near the cathode electrode. The heater wire 108 is inserted from the through hole 170 into the inside of the outer conductor shield 150, and the RF voltage transmission signal line 106 installed inside the heater wire 108 is placed near the conical or cylindrical portion near the cathode electrode. Through the provided through-holes (not shown in FIG. 5), they are connected to the heater and the RF voltage transmission signal line 106 as shown in FIG. Note that the outer conductor shield 150 is connected to the grid electrode.
[0023]
Normally, when a through hole 170 is provided in the outer conductor shield 150 in such a form and the heater wire 108 is connected to a heater disposed on the cathode electrode 101 without the outer conductor shield, the impedance changes due to the through hole 170, It has been considered that the effect of the reflection of the RF signal due to the mismatching becomes a problem. However, if the diameter of the through-hole 170 is smaller than 1/40 of the wavelength of the high-frequency wave handled as a signal, even if a cable without an outer conductor shield is introduced and connected into the through-hole 170, reflection due to impedance mismatching occurs. It has been found that the effect of can be reduced. The present invention reduces the reflection of high frequency by defining the size of the through hole 170. As a result, the outer conductor shield occupying a large volume for the heater wire 108 as in the conventional example is omitted. In addition, since the reduction of the RF voltage signal due to reflection can be minimized, the electron generator can be simplified, and even if it is simplified, the influence of reflection can be reduced. Can be lightened. Therefore, a simple and inexpensive electron generator can be realized.
[0024]
Here, the reason why the diameter of the through hole 170 is 1/40 or less of the wavelength of the high frequency wave is as follows.
FIG. 6 is a simulation evaluation of the dependence of the high-frequency reflectance on the diameter of the through-hole. The relationship between the diameter of the through-hole 170 and the reflectance is assumed assuming that the outer conductor shield has an outer size of 100 mm, which is currently considered practical. Is evaluated. The horizontal axis is the ratio of the diameter of the through hole to the wavelength of the high frequency. From this figure, it can be seen that if the diameter of the through-hole is 1/40 or less of the high-frequency wavelength, the reflectance becomes so small that it can be ignored. For example, in the case of a high frequency of 500 MHz, the wavelength is about 600 mm, and in this case, the diameter of the hole formed in the outer conductor shield 150 of the RF voltage transmission signal line 106 is set to 600/40 = 15 mm or less. By doing so, it is possible to reduce the attenuation of the RF voltage generated by the RF voltage generation section 140 in the transmission section, and it is possible to efficiently supply the RF voltage to the cathode electrode 101. The RF voltage generator 140 and the heater power supply 160 are used in a state where they are floating in potential by the high voltage power supply 104. In order to prevent the RF voltage from flowing into the heater power supply 160 through the heater wire 108, the inductance is increased by passing the heater wire 108 through the ferrite core 180. The ferrite core 180 may be made of a material having a high magnetic permeability up to a high-frequency region, for example, finemet or metaglass.
When a signal in which the basic RF voltage and the fixed RF voltage are superimposed is transmitted via the RF voltage transmission signal line 106 as described in the first embodiment, a shorter wavelength is used as a reference. The diameter of the through hole needs to be 1/40 or less.
[0025]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is provided an electron accelerating device having electron accelerating means for accelerating electrons by a high-frequency accelerating electric field. A bias power supply including an electrode, a grid electrode, and an anode electrode, supplying a DC bias voltage, a basic high-frequency power supply supplying a basic high-frequency voltage having the same frequency as the high-frequency acceleration electric field, and synchronizing with the high-frequency acceleration electric field, A constant-frequency high-frequency power supply for supplying a constant-frequency high-frequency voltage having an integral multiple frequency of 2 or more of the acceleration electric field, and further comprising a bias voltage, the basic high-frequency voltage, and the constant-frequency radio-frequency voltage superimposed. Superimposing means for generating a high-frequency voltage; supplying the superimposed high-frequency voltage between the cathode electrode and the grid electrode; Since the frequency voltage exceeds the cut-off voltage set by the bias voltage once during one cycle of the high-frequency acceleration electric field, an electron having a much smaller capacity than a conventional high-frequency power supply and a small phase width is used. Can be generated, so that an inexpensive electron generator can be realized.
[0026]
According to the present invention, since the superimposing means is provided with a phase adjuster for shifting the phase of the constant-frequency high-frequency voltage from the phase of the basic high-frequency voltage, an electron having a small phase width can be supplied to a high-frequency power supply having a significantly smaller capacity than the conventional one. In addition, the phase width and the current value of the generated electrons can be more easily adjusted, and an inexpensive electron generator can be realized.
[0027]
According to the present invention, a cathode electrode, a grid electrode, and an anode electrode are provided as electron generation means, and a conductor surrounded by an outer conductor shield for applying a high-frequency voltage to the cathode electrode is provided as a transmission line, and In an electron generating apparatus having a heater wire for supplying a voltage to a heater provided on a cathode electrode, a through hole having a length of 1/40 or less of the shortest wavelength in the high-frequency voltage is provided in the outer conductor shield near the cathode electrode. By connecting the heater wire to the heater through the through hole without installing an external conductor shield for the heater wire, reflection can be reduced without an external conductor shield for the heater wire. In addition, the high-frequency power supply capacity required for reducing the phase width can be reduced, and an inexpensive It can be current.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electron generating device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a comparison between a time change of a superimposed RF voltage and a time change of a conventional combined RF voltage according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram of a device configuration example 1 of a superimposing unit that generates a superimposed RF voltage to be supplied between a grid electrode and a cathode electrode of the electron generating device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram of a device configuration example 2 of a superimposing unit that generates a superimposed RF voltage applied between a grid electrode and a cathode electrode of the electron generator according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view of a portion for transmitting an RF voltage applied to a cathode electrode and a portion for energizing a heater of the electron generator according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a simulation evaluation diagram showing the through-hole diameter dependence of high-frequency reflectance.
FIG. 7 is a comparison diagram of an RF voltage corresponding to a conventional phase width and a time change waveform of an RF voltage required to reduce the phase width according to the conventional method.
FIG. 8 is an enlarged view of an RF voltage corresponding to a conventional phase width and a vicinity of a cutoff voltage of a time-varying waveform of the RF voltage required to reduce the phase width according to the conventional method.
[Explanation of symbols]
101 Cathode electrode, 102 Grid electrode, 103 Anode electrode, 104 DC high voltage power supply, 105 Bias power supply, 106 RF voltage transmission signal line, 107 DC voltage application line, 108 Heater line, 110 Basic RF power supply, 111 Constant RF power supply, 112 Reference signal, 113 signal distributor, 114 basic RF amplifier, 115 constant-frequency RF amplifier, 116 constant-frequency RF amplifier, 117 phase adjuster, 118 voltage signal line, 119 broadband RF amplifier, 130 electron beam, 140 RF voltage generator, 150 outer conductor shield, 160 heater power supply, 170 outer conductor shield through hole, 180 ferrite core.

Claims

For an electron accelerator having electron acceleration means for accelerating electrons by a high-frequency acceleration electric field, an electron generator that generates and supplies electrons in synchronization with the high-frequency acceleration electric field,
A cathode electrode, a grid electrode, and an anode electrode are provided as electron generation means,
A bias power supply that supplies a DC bias voltage, a basic high-frequency power supply that supplies a basic high-frequency voltage having the same frequency as the high-frequency acceleration electric field, and a frequency that is an integer multiple of 2 or more of the acceleration electric field in synchronization with the high-frequency acceleration electric field. A constant-frequency high-frequency power supply for supplying a constant-frequency high-frequency voltage
Furthermore, the bias voltage, the basic high-frequency voltage, the superimposition means for generating a superimposed high-frequency voltage superimposed on the constant-frequency high-frequency voltage,
This superimposed high-frequency voltage is supplied between the cathode electrode and the grid electrode,
The number of times the superimposed high-frequency voltage exceeds a cutoff voltage set by the bias voltage is one time in one cycle of the high-frequency acceleration electric field.

2. The electron generating apparatus according to claim 1, wherein the superimposing means includes a phase adjuster for shifting a phase of the fixed high-frequency voltage from a phase of the basic high-frequency voltage.

Providing a cathode electrode, a grid electrode, and an anode electrode as electron generating means, having a conductor surrounded by an outer conductor shield for applying a high-frequency voltage to the cathode electrode as a transmission path,
An electron generator having a heater line for supplying a voltage to a heater disposed on the cathode electrode,
In the vicinity of the cathode electrode, a through hole of 1/40 or less of the shortest wavelength in the high-frequency voltage is provided in the outer conductor shield,
Without installing an outer conductor shield for the heater wire,
An electron generator, wherein the heater wire is connected to the heater through the through hole.