JP2004127691A

JP2004127691A - 粒子加速器及びその電子ビーム収束方法

Info

Publication number: JP2004127691A
Application number: JP2002289460A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Matsuo; 松尾　健一
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】装置構成がコンパクトで、かつ、電子ビーム特性が良好な粒子加速器及びその電子ビーム収束方法を提供するものである。
【解決手段】本発明に係る粒子加速器１１は、加速管１２の一方端から入射された電子ビームｂ３を、加速空洞に通して高周波加速するものであって、加速空洞壁に一対のリング状の高周波電極用ディスク１４，１４を近接して設けて対ディスク１３を形成すると共に、その対ディスク１３を加速管１２の長手方向に多数個形成し、各対ディスク１３の高周波電極用ディスク１４，１４内部にそれぞれスリット２２を形成し、各スリット２２にリング状の磁性体ディスク２３を挿入すると共に、近接する磁性体ディスク２３，２３間に磁性体からなる連結リング２４を設けたものである。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子加速器及びその電子ビーム収束方法に係り、特に、線形加速器及びその電子ビーム収束方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子、陽子、又はイオンなどのように電荷を持っている粒子（荷電粒子）の加速を行う粒子加速器の一つに、線形加速器（リニアック）がある。このリニアックは、直線状の加速管の一方端から入射された荷電粒子（リニアックでは主に電子ビーム）を、加速管の内部（加速空洞）に通し、一定周波数の高周波で電子ビームを真っ直ぐに加速している。
【０００３】
加速管に入射された電子ビームを高周波加速する際、電子ビームの荷電粒子（電子）が空間電荷により反発し、ビーム径が広がってしまう。ビーム径が広がると、電子ビームが加速空洞壁に衝突して電子が消失し、電子ビームのビーム効率（透過率）が低下してしまう。また、空間的に広がった電子ビームは、異なった速度変調を受けるため、エネルギー的にも不均一なビームとなってしまう。
【０００４】
従来においては、以下に示す２つの方法を用いて電子ビームの広がりを防いでいた（電子ビームの収束を行っていた）。
【０００５】
▲１▼　ソレノイド電磁石を用いた収束方法は、図６に示すように、加速管（例えば、バイペリオディック型加速管）６１の周囲にソレノイドコイル６２ａ，６２ｂを巻き付けてソレノイド電磁石を設けることで、加速管６１の長手方向（電子ビームｂ１の進行方向（図６中では右方向））に一様な静磁界Ｂ１が形成される。この一様磁界により、電子ビームｂ１はローレンツ力を受けて収束し、平行ビームとなる。
【０００６】
▲２▼　磁気レンズを用いた収束方法は、図７に示すように、磁性体からなるリング状のヨーク７２内部にソレノイドコイル７３及びスペーサ（例えば、Ａｌスペーサ）７４を備えた磁気レンズ７１を、図６に示した加速管６１の下流側（出口側）に配置することで、電子ビームｂ２の進行方向（図７中では右方向）に静磁界Ｂ２（＞Ｂ１）が形成される。この静磁界Ｂ２により、電子ビームｂ２は局所的にローレンツ力を受けて収束し、平行ビームとなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、▲１▼の方法の場合、加速管６１の周囲にソレノイドコイル６２ａ，６２ｂを巻き付けるため、加速管６１の径が大きくなってしまう。また、加速管６１の中心軸上に一様磁界を発生させるためには、大電流が必要となってしまう。
【０００８】
▲２▼の方法の場合、加速管と別体の磁気レンズ７１を必要とすることから、加速器が大型化してしまう。また、ソレノイドコイル７３では、▲１▼よりも大きな静磁界Ｂ２を発生させて電子ビームｂ２を収束させているため、▲１▼よりも大きな電流が必要となってしまう。
【０００９】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、装置構成がコンパクトで、かつ、電子ビーム特性が良好な粒子加速器及びその電子ビーム収束方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る粒子加速器は、加速管の一方端から入射された電子ビームを、加速空洞に通して高周波加速する粒子加速器において、加速空洞壁に一対のリング状の高周波電極用ディスクを近接して設けて対ディスクを形成すると共に、その対ディスクを加速管の長手方向に多数個形成し、各対ディスクの高周波電極用ディスク内部にそれぞれスリットを形成し、各スリットにリング状の磁性体ディスクを挿入すると共に、近接する磁性体ディスク間に磁性体からなる連結リングを設けたものである。
【００１１】
これによって、加速管における各対ディスクを、高周波電極としてのみならず、磁極としても機能させるため、従来のように、加速管の周囲にソレノイドコイルを巻き付けたり、加速管の下流側に磁気レンズを配置する必要がなくなる。その結果、装置構成のコンパクト化を図ることができる。
【００１２】
また、請求項２の発明は、上記磁性体ディスク及び上記連結リングを、半割可能に分割形成したものである。
【００１３】
また、請求項３の発明は、上記連結リングの内周部又は外周部にソレノイドコイルを設けたものである。
【００１４】
また、請求項４の発明は、上記各スリットに、リング状で、永久磁石からなる磁性体ディスクを挿入したものである。
【００１５】
一方、本発明に係る粒子加速器の電子ビーム収束方法は、加速管の一方端から入射された電子ビームを、加速空洞に通して高周波加速する粒子加速器の電子ビーム収束方法において、加速空洞壁に一対のリング状の高周波電極用ディスクを近接して設けて対ディスクを形成すると共に、その対ディスクを加速管の長手方向に多数個形成し、各対ディスクの高周波電極用ディスク内部にそれぞれスリットを形成し、各スリットにリング状の磁性体ディスクを挿入すると共に、近接する磁性体ディスク間に磁性体からなる連結リングを設け、磁性体ディスク間に起磁力を与えて加速管の長手方向に一様な静磁界を形成し、その一様磁界により、各対ディスクのリング穴を通る電子ビームをローレンツ力により収束させるものである。
【００１６】
これによって、加速管における各対ディスクが、高周波電極としてのみならず、磁極としても機能するため、各対ディスクにおいて高周波加速と磁気収束を同時に行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態に係る粒子加速器（リニアック）１１は、直線状の加速管１２の一方端（図１中では左端）から入射された電子ビームｂ３を、加速空洞壁に長手方向に複数個設けられた対ディスク１３のリング穴１５に通し、一定周波数の高周波で電子ビームを真っ直ぐに加速するものであり、電子ビーム軸Ｃに対して軸対称な構造である。
【００１９】
加速管１２は、リング体１６，１６同士を向かい合わせて連結してなるユニットＵを多数個連結してなるものであり、各リング体１６は径方向（図１中では上下方向）に半割可能に形成される。各リング体１６の向かい合わせ面の内周部には、径方向内側に鍔状に突出する高周波電極用ディスク１４が一体に形成される。ユニットＵの向かい合うディスク１４，１４により、対ディスク１３が形成される。各リング体１６は、Ｃｕ又はＣｕ合金で、好ましくは無酸素銅（ＯＦＣ）で構成される。
【００２０】
図１の要部Ａ（図１中の破線領域）の拡大図を図２に示すように、対ディスク１３の各ディスク１４内部にはそれぞれスリット２２が形成され、各スリット２２にはリング状の磁性体ディスク２３がそれぞれ挿入して設けられる。磁性体ディスク２３，２３間で挟まれたスリット２２には、磁性体からなる連結リング２４が配設される。連結リング２４の内周部（又は外周部）にはソレノイドコイル２５が設けられ、連結リング２４とソレノイドコイル２５とでソレノイド電磁石が構成される。
【００２１】
また、図３に示すように、磁性体ディスク２３，２３及び連結リング２４は、各ユニットＵのスリット２２に対する取付け性を考慮して、分割線Ｌによりそれぞれ半割可能に形成される。
【００２２】
また、磁性体ディスク２３，２３と連結リング２４とは締結部材（例えば、ボルトやねじ）により連結される。この連結された磁性体ディスク２３，２３及び連結リング２４もまた、締結部材（例えば、ボルトやねじ）によりリング体１６，１６に連結される。
【００２３】
加速管１２における長手方向の中途部（図１中では中央部）には、高周波Ｗを導波するための高周波導波管１８が設けられる。
【００２４】
各磁性体ディスク２３の形状は、円盤状又はそれに近い形が好ましい。これによって、ディスク１４，１４のリング穴１５近傍部間ｇに効率よく、かつ、一様な静磁界Ｂ３を発生させることができる。また、磁性体ディスク２３，２３及び連結リング２４を構成する磁性体としては、鉄などが挙げられる。
【００２５】
次に、本実施の形態に係る粒子加速器１１を用いた電子ビーム収束方法を添付図面に基いて説明する。
【００２６】
図１に示した加速管１２の一方端から電子ビームｂ３を入射する。加速空洞に入射された電子ビームｂ３は、加速空洞中央部に突出する対ディスク１３のリング穴１５を通る。
【００２７】
加速管１２には、高周波導波管１８から一定周波数の高周波Ｗによる進行波が導波されており、これによって、隣接する対ディスク１３，１３の、対向するディスク１４，１４間に高周波電界Ｅが形成され、各対ディスク１３は高周波電極として機能することになる。この高周波電界Ｅによって、リング穴１５を通る電子ビームｂ３が加速される。
【００２８】
この時、連結リング２４の内周部に設けたソレノイドコイル２５に電流を流すことで、ソレノイド電磁石に起磁力が生じ、対ディスク１３における各ディスク１４のスリット２２内に設けた磁性体ディスク２３が磁極として機能することになる。これによって、対ディスク１３における磁性体ディスク２３，２３間に磁路が形成され、加速空洞におけるディスク１４，１４のリング穴近傍部間ｇに、電子ビームｂ３の進行方向（図２中では右方向）と同方向の一様な静磁界（漏れ磁界）Ｂ３が形成される。つまり、各対ディスク１３が、それぞれ図７に示した磁気レンズ７１と同様の働きをすることになる。一様磁界Ｂ３の磁界強度は、ソレノイドコイル２５に流す電流を制御することで、自在に制御することができる。
【００２９】
この一様磁界Ｂ３によって、空間電荷のために加速管１２の径方向外向きに力を受ける電子に、フレミング左手の法則に従って径方向内向きのローレンツ力が作用する。その結果、電子ビームｂ３は径方向内向きに収束され、らせんを描きながら電子ビーム軸Ｃと略平行に高周波加速される。よって、電子ビームｂ３は略均一な速度変調を受け、エネルギー的に均一な（ビーム特性が良好な）電子ビームｂ３となる。また、電子ビームｂ３は電子ビーム軸Ｃと略平行に高周波加速されることから、電子の広がり・消失を極力防ぐことができ、ビーム効率（透過率）も例えば８０〜９０％と良好となる。
【００３０】
また、加速空洞内の全ての対ディスク１３を、高周波電極のみならず磁極としても機能させることで、粒子加速器１１は、小型の磁気レンズを多数個内蔵したリニアックとみなすことができる。このため、対ディスク１３において、電子ビームｂ３の高周波加速と共に磁気収束も行うことができる。よって、加速管１２の周囲にソレノイドコイルを巻き付けたり（図６参照）、また、加速管１２の下流側（出口側）に磁気レンズを配置する（図７参照）ことが必要で無くなり、装置構成のコンパクト化および設置スペースの狭小化を図ることができる。
【００３１】
また、ソレノイドコイル２５の電子ビーム軸Ｃからの離間距離は、図６に示したソレノイドコイル６２ａ，６２ｂ又は図７に示したソレノイドコイル７３と比較すると短い。このため、対ディスク１３におけるディスク１４，１４間に、ソレノイドコイル２５によって形成する静磁界Ｂ３の磁界強度は、ソレノイドコイル６２ａ，６２ｂで形成する静磁界Ｂ１又はソレノイドコイル７３で形成する静磁界Ｂ２の磁界強度と比べて小さくて済む。その結果、ソレノイドコイル２５に流す電流は、ソレノイドコイル６２ａ，６２ｂ又はソレノイドコイル７３に流す電流と比較して小さくて済む。
【００３２】
次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００３３】
第１の実施の形態に係る粒子加速器１１は、対ディスク１３におけるディスク１４，１４間に形成する静磁界Ｂ３の起磁力としてソレノイド電磁石を用いたものであった。
【００３４】
これに対して、第２の実施の形態に係る粒子加速器４１は、その主な構成は粒子加速器１１と同じまま、静磁界Ｂ３の起磁力として永久磁石を用いるものである。
【００３５】
具体的には、図４に示すように、各ディスク１４のスリット２２に、リング状で、永久磁石からなる磁性体ディスク４３がそれぞれ挿入して設け、磁性体ディスク４３，４３間で挟まれたスリット２２に、磁性体からなる連結リング２４を配設したものである。各ユニットＵのスリット２２に対する取付け性を考慮して、磁性体ディスク４３，４３及び連結リング２４もまた、分割線によりそれぞれ半割可能に形成される（図３参照）。
【００３６】
本実施の形態の粒子加速器４１においても、前実施の形態の粒子加速器１１と同様の作用効果が得られる。粒子加速器４１においては、静磁界Ｂ４の起磁力として永久磁石（磁性体ディスク４３，４３）を用いていることから、静磁界Ｂ４の磁界強度は制御することはできないものの、図２に示したソレノイドコイル２５が不要となることから、装置構成が簡易になり、装置コストの低減を図ることができる。
【００３７】
一方、第１及び第２の実施の形態に係る粒子加速器１１，４１は、各対ディスク１３におけるディスク１４，１４が非常に近接したものであり、バイペリオディック型のリニアックに適用したものであった。
【００３８】
これに対して、第３の実施の形態に係る粒子加速器５１は、その主な構成は粒子加速器１１と同じまま、図５に示すように、各対ディスク５３におけるディスク１４，１４を離間して設けたものである。つまり、バイペリオディック型のリニアックだけではなく、通常のディスク形状のリニアックにも適用可能である。
【００３９】
本実施の形態の粒子加速器５１においても、前実施の形態の粒子加速器１１，４１と同様の作用効果が得られる。また、本実施の形態においては、静磁界Ｂ５の起磁力としてソレノイド電磁石（連結リング２４及びソレノイドコイル２５）を用いた場合について説明を行ったが、第２の実施の形態に係る粒子加速器４１のように、静磁界の起磁力として永久磁石を用いてもよい。
【００４０】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００４１】
【発明の効果】
次のような優れた効果を発揮する。
【００４２】
以上要するに本発明によれば、
（１）　本発明に係る粒子加速器によれば、加速管における各対ディスクを、高周波電極としてのみならず、磁極としても機能させるため、従来のように、加速管の周囲にソレノイドコイルを巻き付けたり、加速管の下流側に磁気レンズを配置する必要がなくなる。その結果、装置構成のコンパクト化を図ることができる。
【００４３】
（２）　加速管における各対ディスクが、高周波電極としてのみならず、磁極としても機能するため、各対ディスクにおいて電子ビームの高周波加速と磁気収束を同時に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る粒子加速器の縦断面図である。
【図２】図１の要部Ａの拡大図である。
【図３】磁性体ディスク及び連結リングの斜視図である。
【図４】第２の実施の形態に係る粒子加速器の縦断面図の要部拡大図である。
【図５】第３の実施の形態に係る粒子加速器の縦断面図の要部拡大図である。
【図６】ソレノイド電磁石を備えた従来の粒子加速器の縦断面図である。
【図７】磁気レンズを備えた従来の粒子加速器の縦断面図である。
【符号の説明】
１１　粒子加速器
１２　加速管
１３　対ディスク
１４　高周波電極用ディスク
１５　リング穴
２２　スリット
２３　磁性体ディスク
２４　連結リング
２５　ソレノイドコイル
４３　磁性体ディスク
ｂ３　電子ビーム
Ｂ３　静磁界

Claims

加速管の一方端から入射された電子ビームを、加速空洞に通して高周波加速する粒子加速器において、加速空洞壁に一対のリング状の高周波電極用ディスクを近接して設けて対ディスクを形成すると共に、その対ディスクを加速管の長手方向に多数個形成し、各対ディスクの高周波電極用ディスク内部にそれぞれスリットを形成し、各スリットにリング状の磁性体ディスクを挿入すると共に、近接する磁性体ディスク間に磁性体からなる連結リングを設けたことを特徴とする粒子加速器。
上記磁性体ディスク及び上記連結リングを、半割可能に分割形成した請求項１記載の粒子加速器。
上記連結リングの内周部又は外周部にソレノイドコイルを設けた請求項１又は２記載の粒子加速器。
上記各スリットに、リング状で、永久磁石からなる磁性体ディスクを挿入した請求項１又は２記載の粒子加速器。
加速管の一方端から入射された電子ビームを、加速空洞に通して高周波加速する粒子加速器の電子ビーム収束方法において、加速空洞壁に一対のリング状の高周波電極用ディスクを近接して設けて対ディスクを形成すると共に、その対ディスクを加速管の長手方向に多数個形成し、各対ディスクの高周波電極用ディスク内部にそれぞれスリットを形成し、各スリットにリング状の磁性体ディスクを挿入すると共に、近接する磁性体ディスク間に磁性体からなる連結リングを設け、磁性体ディスク間に起磁力を与えて加速管の長手方向に一様な静磁界を形成し、その一様磁界により、各対ディスクのリング穴を通る電子ビームをローレンツ力により収束させることを特徴とする粒子加速器の電子ビーム収束方法。