JP2004296302A

JP2004296302A - 荷電粒子発生装置

Info

Publication number: JP2004296302A
Application number: JP2003088033A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Tanaka; 博文田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP4177149B2

Abstract

【課題】ＦＦＡＧ加速器による電子や陽子の大電流加速化の要求につれ、ＫＨｚオーダの高周波繰り返し加速運転が検討されている。またベータトロンについても従来の５０〜３００Ｈｚの繰り返し加速から、同様な高周波繰り返し加速運転による大電流化が要求されている。しかしながら高繰り返しに対応した荷電粒子発生装置は開発されてなく、さらに従来の構造では、周回ビームが衝突して入射効率が低いという問題があった。この問題点を解決するため荷電粒子発生装置から取り出された荷電粒子を偏向して周回ビームの衝突をなくするとともに、半導体スイッチによるパルス電圧印加により、高繰り返しを行う。
【解決手段】アノードにつながった第１の電極と、これに対向して設けられた第２の電極の形成する電界により、取り出された荷電粒子を偏向する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、荷電粒子を加速する荷電粒子加速器に設けられた荷電粒子発生装置に関するもので、特に荷電粒子加速器内部に設置されたものに係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、荷電粒子加速器として、偏向電磁石の発生する磁場が一定で、荷電粒子の加速と共に平衡軌道が周回軌道の外側に広がり加速を行うＦＦＡＧ（ＦｉｘｅｄＦｉｅｌｄＡｌｔｅｒｎａｔｉｎｇＧｒａｄｉｅｎｔ）加速器が示されている（例えば、非特許文献１参照）。
これに対して、平衡軌道が変化せず一定の軌道で加速を行うベータトロン加速器が示されている（例えば、非特許文献２参照）。
また、従来のベータトロン加速器に用いられている電子銃の構造が示されている（例えば、非特許文献３参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
“ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａＦＦＡＧｐｒｏｔｏｎｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ”ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＥＰＡＣ２０００，ＶｉｅｎｎａＡｕｓｔｒｉａ２０００．Ｐ５８１〜Ｐ５８３，Ｆｉｇ１
【非特許文献２】
亀井、木原共著「加速器科学（パリティ物理学コース）」丸善株式会社平成５年９月２０日発行４章ベータトロンＰ３９〜Ｐ４３Ｆｉｇ４．１
【非特許文献３】
熊谷編集「加速器（実験物理学講座２８１」共立出版株式会社１９７５年１２月２５日発行Ｐ５５５図１３．７
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
最近、前記非特許文献１に示されたＦＦＡＧ加速器の原理を利用して、電子や陽子を大電流で加速させるという要求の増加につれ、ＫＨｚオーダの高周波の繰り返し加速を行うことが検討されている。
また、非特許文献２に示されたベータトロンについても、従来の５０〜３００Ｈｚと比較的低周波の繰り返し加速から、同様にＫＨｚオーダの高周波加速による大電流化の検討が行われている。
しかしながら前記のような荷電粒子加速器の高い繰り返しによる大電流化要求に対する、電子やイオン等の荷電粒子発生装置として、前記非特許文献３に示された従来の電子銃では対応することはできない。すなわち、
（１）従来は５０〜６０Ｈｚ、１〜１０μｓｅｃ程度の仕様であり、前記高周波の繰り返し仕様に対しては適用できない。
（２）電子銃を出た電子ビームが周回して戻ってくる時、電子銃に衝突する割合が多く、電子の入射効率が低い。これを解消するには周回毎のエネルギーゲインを上げることも考えられるがベータトロンの場合、加速コア電源のコストアップや加速コアの発熱の問題があり難しい。
（３）また電子銃を出たビーム特性が良くなく、発散ビームとなる。
等の問題点があった。
【０００５】
この発明は前記のような課題を解決するためになされたもので、荷電粒子発生装置から出た荷電粒子を加速器に対して高い効率で入射させるとともに、高い収束性を有する荷電粒子発生装置を提供し、大電流加速を可能としようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
荷電粒子を周回軌道上で加速する荷電粒子加速器に設けられた荷電粒子発生装置において、荷電粒子発生装置は、アノードとカソードと第１および第２の電極とを備えており、アノードはカソードを取り囲んで設けられているとともに、荷電粒子の取り出しを行う取り出し窓を有するものであり、第１の電極はアノードの取り出し窓の一方の縁から取り出される荷電粒子の軌道方向に伸びて周回軌道と取り出される荷電粒子の軌道との間に設けられているとともに、アノードと電気的につながった構造を有するものであり、第２の電極は取り出される荷電粒子の軌道を挟むように第１の電極に対向して設けられており、第１の電極と第２の電極で形成される電界によって、取り出される荷電粒子が偏向されるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は、図示省略した繰り返し加速型の荷電粒子加速器、例えばベータトロンやＦＦＡＧ加速器の内部に設置された電子や陽子等の荷電粒子発生装置１００の断面図であり、とくに荷電粒子取り出し窓部の断面を示した図である。図１において、カソード１には１０ＫＶ〜２００ＫＶの負の電圧が印加されており、これを取り囲むように設けられたアノード３は接地されている。カソード１から出た荷電粒子は、グリッド２を経て、アノード３に設けられた荷電粒子の取り出しを行う取り出し窓３ａに向けて加速される。グリッド２に印加する電界を変えることによって荷電粒子発生装置１００から取り出される荷電粒子の強度が調整される。この時取り出される荷電粒子の軌道６を図１に模式的に示している。アノード３には、荷電粒子取り出し窓３ａの一方の縁３ｂから、取り出される荷電粒子の軌道６に沿って伸びた第１の電極３ｃが設けられている。この実施の形態１による図１に示した第１の電極３ｃは、取り出し窓３ａの中心部から約２５ｍｍ伸延するとともに、取り出される荷電粒子の軌道６に沿って前記第１の電極３ｃの肉厚が薄くなる構造を有している。なおこの図１に示した例では、アノード３と第１の電極３ｃとが一体構造のものを示しているが必ずしも一体である必要はなく、電気的につながった構造であればよい。
【０００８】
前記第１の電極３ｃに対向し取り出される荷電粒子の軌道６を挟むように第２の電極５が設けられている。この第２の電極５には５〜２０ＫＶの正の電圧が印加され、前記第１の電極３ｃと第２の電極５とで形成される電界によって、前記取り出される荷電粒子は図１に示すように軌道６が図の下側方向に曲げられている。繰り返し加速型の荷電粒子加速器では、前記荷電粒子発生装置１００から入射直後の周回荷電粒子は、荷電粒子発生装置１００と接近した軌道７を有している。
なお荷電粒子発生装置１００は図１に示した取り出し窓３ａ以外の部分では円筒状をなすアノード３に取り囲まれてカソード１、グリッド２が設けられているか、あるいはそれぞれが薄肉の円環状のものであってもよい。
【０００９】
前述したように、入射直後の荷電粒子の周回軌道７と、荷電粒子発生装置１００とは接近していて、従来技術のように、電子銃を出た電子ビームが戻ってきた時電子銃に衝突する割合が多いと入射効率が下がる。これを改善しようとすると、ターンセパレーションを大きくする必要がある。ターンセパレーションとは、荷電粒子発生装置１００に最も近い位置での入射ビームつまり取り出し荷電粒子軌道と周回ビームとの軌道間隔のことを言う。この実施の形態１のように、取り出し軌道６に沿って第１の電極３ｃを設け、対向して設けられた第２の電極５に正の電圧を印加すると、取り出された荷電粒子の軌道６は図１に示すよう曲げられる。
【００１０】
図１に示す構造で第２の電極５を設置しないまたは第２の電極５に電圧を印加しない場合の取り出し軌道６と周回軌道７との関係は、後述する図３で詳しく示す。
周回軌道７が荷電粒子発生装置１００に衝突しないようにするには取り出し軌道６と周回軌道７とのターンセパレーションは、従来の技術ではかなり大きい値が必要であり、それを実現するのは容易でない。
本実施の形態１によるターンセパレーションは、例えばビームサイズが半径２ｍｍ、第１の電極３ｃの肉厚が先端で１ｍｍの場合、２ｍｍ×２＋１ｍｍ＝５ｍｍであれば取り出された荷電粒子をロスすることなく、荷電粒子加速器に入射させることが可能である。また、ターンセパレーションが１ｍｍより大きければ入射が可能となる。このようにターンセパレーションが小さいことは、特にベータトロンやＦＦＡＧ加速器に用いられている誘導加速方式ではメリットが大きい。
なお、前記第１の電極３ｃの肉厚を１ｍｍとしたが、０．５ｍｍ以下の薄構造であればさらに入射効率を上げられることは言うまでもない。
また、図１に示した荷電粒子発生装置１００は、周回軌道の内側に設置する例つまり、加速器の中央部付近に設ける例を示したが、これに限らず周回軌道の外側に設けてもよい。
【００１１】
実施の形態２．
実施の形態１では、グリッド２を設け電界を変えることで荷電粒子発生装置１００から出る荷電粒子の強度を調整することを示した。しかし、第２の電極５に印加する電圧を調整して取り出す荷電粒子の強度を調整してもよい。その場合グリッド２が不要となり、荷電粒子発生装置１００の構造および電源が単純化される。
【００１２】
実施の形態３．
この発明の実施の形態１に示した荷電粒子発生装置１００に印加する高圧電源２００の構成の一例を図２に示す。
前述した図１のカソード１とアノード３との距離を出来るだけ狭くすることは、荷電粒子発生装置１００の小型化に有効である。この距離は絶縁距離であり、印加電圧と雰囲気（真空）によって一義的に決まる。しかしながら印加する電圧をパルスとし、両電極１、３間に印加する時間を、荷電粒子加速器の入射タイミングに合わせた時間とすることによって、前記両電極１、３間の距離を狭くすることが可能である。加速器が例えば１ＫＨｚ繰り返し、パルス幅１０μｓで入射の場合、荷電粒子発生装置１００にも、１ＫＨｚ、パルス幅１０μｓの高電圧を印加するシステムが望ましい。
従来、上記のような短いパルスの高電圧を発生させる為には、サイラトロンのような真空管を用いることが一般的であった。しかしメンテナンス、耐久性を配慮すると図２のようなシステムを採用することが望ましい。
【００１３】
図２において、荷電粒子発生装置用電源２００は、直流の高圧電源２１が設けられており、例えば電子ビームを６０ＫｅＶで取り出す際には、マイナス６０ＫＶの直流電圧を発生して半導体スイッチ２４に出力する。この半導体スイッチ２４はＭＯＳＦＥＴなど数ＫＨｚの早い切り替えが可能なものであり、前記直流高圧電源２１の発生する直流電圧をＯＮ、ＯＦＦした繰り返し数が前記数ＫＨｚのパルス電圧を、カソード１に印加する。グリッド２２、ヒータ（フィラメント）電源２３は負の高電圧に対し浮いている必要があり図３に示すような配線となる。
なお、前記繰り返し数は前述したように、加速器のビーム繰り返し数と同期させる。また、図２に示したグリッド電源２２は、実施の形態２の場合には必要としない。
【００１４】
次に、本発明の実施の形態１による荷電粒子発生装置１００の軌道解析の２例を図３、図４に基づいて説明する。
図は電極形状をモデル化して電界分布を計算し、電子ビーム軌道解析を実施した例を示す。図ではアノード３の一部分のみが示されており、カソード１や第１の電極３ｃ、第２の電極５が示されてないが、それらを考慮したモデルで電界計算およびビーム軌道解析を実施している。図３でアノード３の直径を２０ｍｍの場合３１と、直径４０ｍｍの場合３２を示している。
図示省略したカソード１には負の６０ＫＶの電圧が印加されており、電子ビームは６０ＫｅＶのエネルギで出射される。荷電粒子発生装置１００は図示省略された磁場発生装置の出力する５０ガウスの磁場中に置かれており、出射された電子ビームは概円軌道を周回する。このビームシミュレーションは荷電粒子加速器で加速を行わないとした条件で計算をしており、電子ビームは周回後にも同じ位置に戻ってきている。
電子ビーム軌道３３は第１の電極３ｃがない時の軌道を示し、電子ビーム軌道３４は第１の電極３ｃがあり、第２の電極５に正の１０ＫＶが印加されている時の荷電粒子発生装置１００からの出射されたビーム軌道であり、その軌道３４で出射された電子ビームが周回して戻った軌道を７に示す。
なおこの時、第１の電極３ｃの長さは取り出し窓中央より２５ｍｍとしている。
【００１５】
このように荷電粒子発生装置１００から出た電子ビームは、第１の電極３ｃと第２の電極５の電界の影響で図の下側に曲げられて、その後は周回概円軌道となる。図３の条件では周回ビームは直径２０ｍｍのアノード３１をかわすことができるが、直径４０ｍｍのアノード３２はかわすことができない。従って上記条件では図１に示すアノード３の外径を２０ｍｍ程度にしておく必要があることがわかる。
【００１６】
一方、図４は第２の電極５に印加する電圧を正の２０ＫＶとした時の計算結果である。図４の条件では周回ビーム７は、直径２０ｍｍのアノード３１および直径４０ｍｍのアノード３２の双方の電極をかわすことができている。このように第２の電極５に印加する電圧を調整することで周回可能な電子ビームの割合、すなわちビーム電流を調整することが可能である。このことは、図１に示したグリッド２の有無にかかわらず可能であり、グリッド２の無しのときに効果が大である。ここで第２の電極５に印加する電圧を高く設定し過ぎると（本計算条件では３０ＫＶ以上）、電極間に放電が発生したり、取り出しビームサイズが増大してしまう。上記条件では１０ＫＶ程度が最も良いビーム条件を作ることができる。また、印加する電圧は実施の形態３で示したようなパルス高電圧とする方が望ましく、またアノード３とカソード１との距離はなるべく小さい方が望ましい。
【００１７】
実施の形態４．
実施の形態４を図に基づいて説明する。
図５（ａ）に実施の形態４による荷電粒子発生装置１００の断面図による構成を示す。
実施の形態１に示した図１とは、第２の電極の構造が相違して第２の電極５ａとしている以外は同一である。図に示すように第２の電極５ａの前記第１の電極３ｃに対向する側に凸部５ｂを設けることによって、取り出しビーム軌道６上の電界分布に収束作用をもたせることが可能となり、取り出しビームの広がりを抑えることができる。
すなわち、カソード１から発生する電子ビーム６はある幅を有しており、第２の電極５ａの偏向作用で電子ビームを曲げると電子ビームが広がって（ビームサイズが大きくなって）、安定周回できない可能性があるが、前記図５（ａ）に示した第２の電極５ａの形状とすることで電子ビームの広がりを抑えている。この構成の荷電粒子発生装置１００のビームシミュレーション結果を図６に示す。縦軸、横軸はビーム座標を示し、単位はｍである。ビームの広がりは全幅で最大８ｍｍ程度ある。この取り出しの後に荷電粒子加速器中の周回軌道を加速されるが、周回磁界に収束作用があり、ビームサイズの加速中の最大幅は１０ｍｍ程度で安定加速が可能である。
なお、図５（ｂ）に示すように、第２の電極５ｃは凸部５ｂ、凹部５ｄを設けたものであっても同様に電界分布に収束作用をもたせることも可能である。また前記凹部５ｄのみを設けてもよい。
【００１８】
なお、この実施の形態１〜４の荷電粒子発生装置１００では荷電粒子として電子の場合で説明したが、電子に限定されるものでなく、陽子等の荷電粒子であってもよいことは言うまでもない。
【００１９】
【発明の効果】
この発明は以上述べたような構成の荷電粒子発生装置であるので、以下のような効果がある。
すなわち、荷電粒子を周回軌道上で加速する荷電粒子加速器に設けられた荷電粒子発生装置において、荷電粒子発生装置は、アノードとカソードと第１および第２の電極とを備えており、アノードはカソードを取り囲んで設けられているとともに、荷電粒子の取り出しを行う取り出し窓を有するものであり、第１の電極はアノードの取り出し窓の一方の縁から取り出される荷電粒子の軌道方向に伸びて周回軌道と取り出される荷電粒子の軌道との間に設けられているとともに、アノードと電気的につながった構造を有するものであり、第２の電極は取り出される荷電粒子の軌道を挟むように第１の電極に対向して設けられており、第１の電極と第２の電極で形成される電界によって、取り出された荷電粒子が偏向されるものであるので、取り出された荷電粒子をロスすることなく加速器に入射させることが可能となり、大電流ビーム加速が可能となる。また、ターンセパレーションが小さいので、加速器装置が小型となるという特徴も有する。
さらには、第２の電極に印加する電圧を調整することにより、加速器中を周回可能なビーム電流を調整可能という優れた効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による荷電粒子発生装置を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態３による荷電粒子発生装置に印加する高電圧の構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１による荷電粒子発生装置の軌道解析の例を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１による荷電粒子発生装置の軌道解析の他の例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態４による荷電粒子発生装置を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態４による荷電粒子発生装置の軌道解析の例を示す図である。
【符号の説明】
１カソード、３，３１，３２アノード、３ａ取り出し窓、
３ｂ一方の縁、３ｃ第１の電極、５，５ａ，５ｃ第２の電極、
６，３４，３６取り出し荷電粒子軌道、７，３５周回軌道、
２１直流高圧電源、２４半導体スイッチ、１００荷電粒子発生装置。

Claims

荷電粒子を周回軌道上で加速する荷電粒子加速器に設けられた荷電粒子発生装置において、前記荷電粒子発生装置は、アノードとカソードと第１および第２の電極とを備えており、前記アノードは前記カソードを取り囲んで設けられているとともに、荷電粒子の取り出しを行う取り出し窓を有するものであり、前記第１の電極は前記アノードの前記取り出し窓の一方の縁から取り出される荷電粒子の軌道方向に伸びて前記周回軌道と前記取り出される荷電粒子の軌道との間に設けられているとともに、前記アノードと電気的につながった構造を有するものであり、前記第２の電極は前記取り出される荷電粒子の軌道を挟むように前記第１の電極に対向して設けられており、前記第１の電極と前記第２の電極で形成される電界によって、取り出される荷電粒子が偏向されることを特徴とする荷電粒子発生装置。
前記第１の電極の肉厚が、伸びる方向に薄くなっている構造であることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子発生装置。
前記荷電粒子加速器はベータトロン加速器またはＦＦＡＧ加速器のいずれかとすることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子発生装置。
前記カソードに印加される電圧は、直流高圧電源から発生させた直流電圧を半導体スイッチでスイッチングしたパルス電圧電源から供給されるものであり、そのパルスのタイミングは前記荷電粒子加速器の荷電粒子の入射のタイミングと同一であることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子発生装置。
前記第２の電極の前記第１の電極と対向する側には、凸部あるいは凹部またはその双方のいずれかが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子発生装置。