JP2006309968A - 電磁波発生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】円形加速器からなる電磁波発生装置において、円形加速器を構成する偏向電磁石が、その形状により、入射または加速電子に対して収束機能を有することにより、当該加速器が、電子の入射、加速の全過程でその径方向の所定範囲で安定な電子周回軌道を有し、この安定な電子周回軌道上にターゲットが設置され、このターゲットの設置位置に対応して、周回する電子ビームが前記ターゲットに衝突する領域と、前記ターゲットに衝突しない領域が設定され、偏向電磁石の偏向磁界及び電子ビーム加速の両時間変化パターンの制御により、これらの領域間を電子が周回しつつ移動して、前記ターゲットと衝突することでX線を発生させるようにした。
【選択図】 図1
Description
また、電子蓄積リングを利用した電磁波発生装置は、入射器と電子蓄積リングから構成されており、所定のエネルギーにまで加速された電子ビームが入射器から電子蓄積リングに入射され、同リング内の一定軌道上を周回する。周回軌道上にはターゲットが配置されており、周回電子との衝突により、X線が発生する。(特許文献1)
ベータトロン加速装置を利用した電磁波発生装置(非特許文献1)では、加速装置内を周回する電子相互間のクーロン反発力の影響で大電流加速が難しい。その結果、加速電子ビームの強度は、線形加速器を使った電磁波発生装置よりも1〜2桁程度弱いものとなる。また、このタイプの加速装置では、電子ビームは周回中に所定エネルギーにまで加速されるが、その間、周回軌道が一定であり、ターゲットに衝突させる為には電子ビームの軌道を、X線発生用のターゲットの配置されている位置にまでずらす必要がある。しかし、周回軌道からずらしたビームは、その後安定周回することができず、ターゲットへの繰り返し衝突を図ることは困難である。このよう理由から、発生X線強度は低く、ベータトロン加速装置を利用した電磁波発生装置を産業・医療応用分野に適用することは殆どできなかった。
図1、図2は、それぞれ、実施の形態1にかかる電磁波発生装置の構成例1と構成例2とを示したものである。いずれの例もAG(Alternatig Gradient)収束加速器(図1は非特許文献2、図2は特許文献2より)を使用している点で共通しており、その特徴を生かした所定の制御を行うことにより高性能の電磁波発生装置が実現できる。
電子発生手段11で発生した電子ビームは、電磁波発生装置内に入射されると、スパイラル偏向電磁石による偏向を受けることにより、装置内を周回しながら加速コア14の磁界で誘起される電界により図の周方向に加速されることになる。本装置内の電子ビームはスパイラル磁極12の部分で略円弧軌道に沿って、スパイラル磁極12がない部分は直線に近い軌道に沿って走行し、両軌道を合わせて周回軌道を構成する。スパイラル偏向電磁石部を通過するときの電子ビームの偏向半径は、加速に伴う電子ビームのエネルギーの増加と、当該偏向電磁石の偏向磁界強度に応じて変化する。通常は、加速と共に、偏向半径は増大し、電子周回軌道は径方向に拡大して行く。電子発生手段11からの電子の入射は一定時間連続して行われるので、初期に入射した電子はより外側の軌道を、後に入射した電子は内側の軌道を、そして、その間に入射した電子は、両軌道間の軌道上を周回する。そのため、加速器内での電子は径方向に広がった周回軌道を周回することになる。この点でベータトロン加速装置を利用した電磁波発生装置と基本的に異なる。
図2において、21は電子発生手段11からの電子ビームを電磁波発生装置内に導くためのセプタム電極、22は走行電子ビームの軌道を偏向して周回軌道を形成するための偏向電磁石、23は電子ビームを加速する加速コア、24は電子ビームがその中を周回する真空ダクト、25a,b,c,dはそれぞれ真空ダクト24内の電子ビームの代表的な周回軌道、26は加速コア23に電力を供給するための加速コア用電源、27は偏向電磁石用電源、15はX線発生源となるターゲットである。
電子発生手段11で発生した電子ビームはセプタム電極21を介して入射され、偏向電磁石23の部分では略円弧軌道となり周回軌道を形成する。周回電子ビームは加速コア23に交流磁界をかけて電磁誘導によって発生した誘導電界により加速される。電子は真空ダクト24中を周回する。25a,b,c,dは電子ビームの代表的な周回軌道である。この場合も、図1の場合と同様に、電子ビームが安定して周回できる領域内に、電子ビームがターゲット15に衝突しない領域A(周回軌道25a、bが属している領域)と、ターゲット15に衝突する領域B(周回軌道25c、dが属している領域)とを設定することができる。
従来のベータトロン装置は、弱収束磁場であり、半径が異なる広い領域で一定の収束力を得ることが難しいが、AG収束加速器の場合、偏向電磁石の形状の工夫により、半径が異なる広い領域で概一定な収束力を実現できるので、周回軌道を自由に変化させることができる。
電子ビームは径方向にある幅を持って、例えば偏向電磁石部における円弧軌道の半径がr1からr2の範囲(r1<r2と仮定する。)で周回しているが、このr1より大きくr2よりも小さいある半径r0で、偏向磁界と加速コア磁界とはベータトロン加速条件に近い条件を保って変化している。従って、電子ビームのエネルギーが加速により変化すると上記r0以外を周回中の電子ビームはr0周辺に集まってくる。マクロにみると加速とともにビームサイズが徐々に小さくなりながら加速されることになる。偏向磁界の増加速度と、加速コア磁界の増加速度との兼ね合いにより上記半径r0が決まる。電子ビームは所定のエネルギー幅で、且つ径方向に広がった状態で加速される。入射当初の径方向への周回軌道の広がりは、上記の様に加速と共に減少するが、軌道の広がりは依然、残った状態で加速される。いずれにせよ電子ビーム加速時間38a内では、電子ビームの周回軌道を、衝突しない領域Aの範囲内に留まるように制御する。
本実施の形態は入射時の電子ビーム周回軌道の径方向への広がりの程度を実施の形態1の場合に比べて大きくするというものである。その場合の偏向磁界と加速コア磁界の時間変化パターンの例を図5に示す。図において、番号が同じものは図3の説明と同じである。図5の1回目の電子入射の例は、偏向磁界の時間変化31を全過程で一定にした例である。この場合、加速に伴う電子ビームの周回軌道の径方向への拡大は図3の場合よりも大きくなる。図5の2回目の電子入射の例は、電子ビームの入射時に偏向磁界を減少させる例である。この場合は、加速に伴う電子ビームの周回軌道の径方向への拡大は、偏向磁界を一定にした場合よりも更に大きくなる。何れの場合も、所定のエネルギーまで電子ビームを加速するために必要な装置サイズが大きくなるという欠点はあるが、逆に周回軌道上の電子ビーム密度は低減することになるため、電子の入射時間を長くして大電流を入射することができる。従って、より大きな電流ビームの加速が可能となり、実施の形態1の場合よりも更にX線強度を大きくすることが可能となる。また、上述の点以外については実施の形態1で述べた効果と同様の効果を有する。
実施の形態3は、電子の再度の入射を経ることなく高速に電子ビームのエネルギーを可変にすることにより、発生するX線のエネルギーを高速に切り替えるというものである。図6にその場合の偏向磁界と加速コア磁界の時間変化パターンの例を示す。図において31から39aまでの説明は、図3の場合と同じである。ここで、36aは偏向磁界一定制御終了時間を示すと共に、電子ビーム加速時間38aに相当する電子ビーム再加速時間43aの開始の時間でもある。41aは電子ビーム再加速時間43aの終了の時間であるとともに、ターゲット衝突時間39aに相当するターゲット再衝突時間44aの開始の時間でもある。そして、42aはターゲット再衝突時間44aの終了時間である。
時間33aから36aまでの過程は図3の場合と同じである。異なるのは、ターゲット衝突時間39aの時間の途中で再度、電子ビーム加速時間38aに相当する電子ビーム再加速時間43aを設けて電子ビームをターゲット15との衝突位置から一旦外すと共に、再加速した後に、再度ターゲット15の位置に戻す点である。
実施の形態1から3ではいずれも電子ビームを電磁波発生装置の内側から入射するものとして説明したが、これに限定する必要はなく、電磁波発生装置の外周近傍に電子発生手段11を設置し、電子発生手段11からの電子ビームを電磁波発生装置の外周近傍から入射することもできる。このような入射を実現するためには、入射時及び加速に伴い電子ビームの周回軌道を径方向に縮小させなければならない。このことを、図3を使って説明する。
本実施の形態は電子ビームのエネルギーを保ったまま、電子ビームを、衝突しない領域Aと衝突領域Bとの間で行き来させるというものである。図6により説明する。図6では、ターゲット衝突時間39aとターゲット再衝突時間44aとでは電子ビームのエネルギーが異なっていたが、電子ビーム加速時間43aでの加速コア磁界を制御することにより電子ビームのエネルギーを一定値に保ったまま偏向磁界の増減により周回軌道を変えることができる。
Claims (9)
- 電子を発生させる電子発生手段と、前記電子発生手段からの電子を入射する入射手段と、前記入射された電子を加速する加速手段と、前記入射または加速電子を偏向させるための偏向磁界を発生させる偏向電磁石と、前記加速された電子を衝突させ電磁波を発生させるターゲットとを有する円形加速器からなる電磁波発生装置において、前記偏向電磁石は、その形状により、入射または加速電子に対して収束機能を有し、前記加速器は、前記収束機能を有する偏向電磁石により、電子の入射、加速の全過程で当該加速器の径方向の所定範囲で安定な電子周回軌道を有するものであり、前記ターゲットは、前記安定な電子周回軌道上に設置され、このターゲットの設置位置に対応して、前記安定な電子周回軌道の範囲内で、周回する電子ビームが前記ターゲットに衝突する領域と、この領域に隣接する、前記ターゲットに衝突しない少なくとも1の領域が設定され、偏向電磁石の偏向磁界及び電子ビーム加速の両時間変化パターンの制御により、これらの領域間を電子周回軌道が移動して、前記ターゲットと周回電子ビームとが衝突することで電磁波を発生させることを特徴とする電磁波発生装置。
- 1回の入射において、ターゲットに衝突しない領域からターゲットに衝突する領域への電子ビームの移動を2回以上とすることを特徴とした請求項1に記載の電磁波発生装置。
- 1回の入射毎に、入射完了時を起点とした、電子周回軌道を、ターゲットに衝突しない領域から、ターゲットに衝突する領域へ移動させるタイミングを可変に制御することを特徴とした請求項1または2に記載の電磁波発生装置。
- 電子ビームの入射、加速中、偏向磁界を一定に制御することを特徴とした請求項1に記載の電磁波発生装置。
- 電子ビームの入射時間中、偏向磁界を時間と共に減少させる制御をすることを特徴とした請求項1に記載の電磁波発生装置。
- 電子が電磁波発生装置の外周から入射され、加速に伴い、当該電子の周回軌道が径方向に縮小されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電磁波発生装置。
- ターゲットが、ワイヤーであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電磁波発生装置。
- ターゲットは、ワイヤーに取り付けられた、ワイヤーを構成する材料の実効原子番号よりも大きな実効原子番号を有する材料であることを特徴とする請求項7に記載の電磁波発生装置。
- ターゲットは、重金属材料であることを特徴とする請求項8に記載の電磁波発生装置。
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