JP2505354B2 - 光制御加速器システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高エネルギー電子ビ
ームを得るために使用される電子加速器システムに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】光とほぼ同じ速度で運動する電子群を標
的と衝突させ発生する粒子群の観測を行い、自然界の基
本法則の研究が進められている。ほぼ光速度で運動する
電子を得るため、物質中に存在する電子を取り出し、加
速する必要が有る。従来、この目的で使用される加速器
システムとして、電子ビームと加速空洞内に発生させる
周期電界の同期を高周波電気信号によって行う第３図に
示すようなシステムが知られている。

【０００３】この電子加速器システムは、基準高周波電
気信号を発生する基準周波数発振器２１０と、基準高周
波電気信号を分周する分周器２２０と、分周器２２０の
出力信号により駆動されるレーザ発振器２３０と、この
レーザ発振器２３０の発行するパルス光を受光して電子
を放出する光電面１３１および該電子を加速する高周波
加速空洞を１３２を有する電子銃１３０と、基準高周波
電気信号の位相を調整する位相シフタ２４０と、位相調
整された高周波電気信号を増幅するＲＦアンプ２５０
と、このＲＦアンプの出力信号により駆動されマイクロ
波を発生するクライストロン２６０と、マイクロ波を高
周波加速空洞へ伝送する導波路２７０とから構成され
る。

【０００４】この電子加速器システムでは、システム動
作のタイミングは基準周波数発振器２１０の発生する高
周波電気信号を基本に生成される。この基準周波数発振
器２１０が発生する高周波電気信号を分周器２２０で分
周したパルス信号でレーザ発振器２３０を駆動して得た
レーザ光を電子銃１３０の光電面１３１に照射し、光電
面１３１から光電効果によって加速空洞中へ放出された
電子群を得る。こうして得た電子群は、高周波加速空洞
１３２に印加された高周波電界によって加速され、夫々
の電子についてほぼ同一のエネルギおよび運動量を有し
た電子束として電子銃１３０から出射される。

【０００５】この時、高周波加速空洞１３２に印加され
る電界は、光電面１３１からの電子群の放出と同期する
必要がある。この目的のため、基準周波数発振器２１０
が発生した電気信号を位相シフタ２４０でタイミング調
整して得た電気信号でＲＦアンプ２５０を介して高周波
信号発生器であるクライストロン２６０を駆動する。こ
うして発生した高周波信号を導波路２７０を経由して電
子銃１３０の高周波カプラを介して伝送し、高周波加速
空洞１３２に電子加速用電界を前述の電子群放出に同期
して生成する。最適な同期タイミングで電子群を加速す
るために、位相シフタの位相シフト量を調整する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の電子加速器シス
テムは、以上のような方法によって、物質からの電子の
放出と高周波加速電界の加速空洞への印加の正確な同期
を図るためには、高周波信号の分周器および位相シフタ
等の高周波電気回路を複雑な構成としなければならな
い。これらの回路の複雑化は、必然的に各回路のジッタ
に起因する生成加速電界の位相ぶれと動作安定性の欠如
をもたらした。さらに、複雑な高周波回路群はこれらを
制御する制御系の増加および複雑化を招き、コストの増
加をもたらしていた。

【０００７】特に、各回路要素のジッタに起因する加速
電界の位相ぶれは、電子群の夫々の電子の加速後のエネ
ルギ分布において大きな広がりを生じさせる。この電子
群における電子エネルギの不均一性は、その結果として
加速されない電子を増加させる。また、自由電子レーザ
の応用においては、レーザ共振器のレーザゲインを著し
く低下させていた。これらの効率低下を生じさせないた
めには、加速電界の位相ぶれを１０ｐｓｅｃ以下に抑止
する必要があるが、従来の電気信号を用いた方法では、
この抑止を実現することは現状の技術では困難であっ
た。

【０００８】本発明は、上記の問題点を解消するために
なされたものであって、エネルギ均一性のよい、高エネ
ルギ電子ビームを効率よく生成する加速器システムを提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる光制御加
速器システムは、物質中に存在する電子の取出しと電子
を加速するための高周波加速空洞への高周波電界の印加
の同期を、光信号および光学的手段を用いて実現を図る
ものである。

【００１０】具体的には、本発明の一つの光制御加速器
システムは、周期的なパルス列を発生するレーザ光源
と、レーザ光源が発生した光パルス列から二つの同タイ
ミング光パルス列を生成する分岐手段と、この分岐手段
の出力光パルス列の一方に時間的遅延を施す光学的遅延
手段と、この遅延手段を介して光パルス列を受光して電
子を放出する第１の光電面および該放出電子を加速する
高周波加速空洞を有する電子銃と、前記の分岐手段の出
力光パルス列の他方のパルス周期を短くするパルス多重
化手段と、このパルス多重化手段を介して多重化光パル
スを受光して電子を放出する第２の光電面を有し該放出
電子を加速しマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置
と、このマイクロ波発生装置で発生したマイクロ波を前
記電子銃の高周波加速空洞に伝送する導波路と、を備え
ることを特徴とする。

【００１１】また、本発明の他の光制御加速器システム
は、周期的なパルス列を発生するレーザ光源と、このレ
ーザ光源が発生した光パルス列から二つの同タイミング
光パルス列を生成する第１の分岐手段と、第１の分岐手
段の出力パルス列の一方に時間的遅延を施す第１の光学
的遅延手段と、遅延手段を介して光パルス列を受光して
電子を放出する第１の光電面および該放出電子を加速す
る第１の高周波加速空洞を有する電子銃と、第１の分岐
手段の出力光パルス列の他方のパルス周期を短くするパ
ルス多重化手段と、このパルス多重化手段の出力する多
重化光パルス列から所定の数の多重化光パルス列を生成
する第２の分岐手段と、第２の分岐手段の出力である夫
々の多重化光パルス列に対して個別の時間的遅延を施す
第２の光学的遅延手段と、第２の光学的遅延手段を介し
て多重化光パルスを受光して電子を放出する第２の光電
面を有し、該放出電子を加速しマイクロ波を発生する複
数のマイクロ波発生装置と、第１の高周波加速空洞と直
接的または間接的に連通する第２の加速空洞を有する一
つ以上の加速管と、各マイクロ波発生装置の発生したマ
イクロ波を前記第１の高周波加速空洞または前記第２の
高周波加速空洞ごとに個別に伝送する前記マイクロ波発
生装置と同数の導波路と、を備えることを特徴とする。
この場合、マイクロ波発生装置の数は、電子銃の数に加
速管の数を加えた結果に等しい。

【００１２】

【作用】本発明の一つの光制御加速器システムでは、加
速器システムの同期を図るにあたって、一つのレーザ光
源が発生する周期的な光パルス列を基準として使用され
る。この基準光パルス列を二つの同タイミング光パルス
列に分岐し、一方の光パルス列を光学的遅延手段により
時間的遅延を施して電子銃の光電面に照射する光パルス
列を生成するとともに、他方の光パルス列をパルス多重
化手段によって周期を小さくしてマイクロ波発生装置の
光電面に照射する光パルス列を生成する。マイクロ波発
生装置では、その光電面に照射される光パルス周期と同
一周期のマイクロ波を発生する。このマイクロ波を導波
路を介して伝送し、加速用高周波電界を電子銃内の高周
波加速空洞に発生させる。電子銃の光電面からの電子放
出と高周波加速空洞電子加速用高周波電界のタイミング
は、光学的遅延手段の遅延時間を調整することにより正
確に同期が図られる。

【００１３】本発明の他の光制御加速器システムにおい
ても、加速器システムの同期を図るにあたって一つのレ
ーザ光源が発生する周期的なパルス列を基準として使用
する。この基準発振パルス列を第１の分岐手段により二
つの同タイミングのパルス列に分岐し、一方のパルス列
を第１の光学的遅延手段により光学的遅延手段を施して
電子銃の第２の光電面に照射する光パルス列を生成する
するとともに、他方のパルス列をパルス多重化手段によ
って周期を小さくした多重化パルス列を生成する。この
多重化パルス列を第２の分岐手段によりマイクロ波発生
装置の数と同数の前記多重化パルス列と同タイミングの
パルス列を生成する。こうして得た複数のパルス列の夫
々に対して異なった光学的遅延を第２の光学的遅延手段
により付与し、夫々の第１の光電面に照射する光パルス
列を生成する。マイクロ波発生装置で発生した第１の光
電面に照射された光パルス周期と同一周期のマイクロ波
を導波路を介して伝送し、加速用高周波電界を電子銃内
の第２の高周波加速空洞および加速管内の第３の高周波
加速空洞に発生させる。電子銃の第２の光電面からの電
子放出と電子加速用高周波電界のタイミングは、第１お
よび第２の光学的遅延手段の遅延時間を調整することに
より正確に同期が図られる。このシステムにおいては、
電子銃が出射した加速電子群をさらに加速することが可
能である。

【００１４】以上のように、本発明に係わる光制御加速
器システムでは、同期合わせを光信号および光学的手段
によって実施しているので、極めて正確な同期化が可能
となるとともに、電気信号および電気的手段において必
然的に発生する大きな位相ぶれの回避が可能である。

【００１５】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例を
説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同
一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【００１６】図１は第１実施例に係わる光制御加速器シ
ステムのブロック構成図であり、そして、これが従来の
ものと比べて特徴的なことは、加速器システムのタイミ
ング制御の基本となる信号を一つの周期的なパルス列を
発生するレーザ光源から生成し、同期かが必要な信号の
生成およびこれらの信号間のタイミング調整を全て光学
的器で行うよう構成されていることである。

【００１７】この光制御加速器システムは、周期的なパ
ルス列を発生するレーザ光源１１０と、レーザ光源が発
生した光パルス列から二つの同タイミング光パルス列を
生成する分岐器１５１と、この分岐器の出力光パルス列
の一方に時間的遅延を施す光学的遅延器１６１と、この
遅延器を介して光パルス列を受光して電子を放出する光
電面１３１および該放出電子を加速する高周波加速空洞
１３２を有する電子銃１３０と、分岐器１５１の出力光
パルス列の他方のパルス周期を短くするパルス多重化器
１７０と、このパルス多重化器１７０を介して多重化光
パルスを受光して電子を放出する光電面１２１を有し該
放出電子を加速しマイクロ波を発生するマイクロ波発生
装置１２０と、このマイクロ波発生装置１２０で発生し
たマイクロ波を前記電子銃１３０の高周波加速空洞１３
２に伝送する導波路１４０とから構成される。

【００１８】レーザ光源１１０の発生する周期的なパル
ス列は、まず、ハーフミラー等からなる分岐器１５１を
経由して同タイミングの二つのパルス列となる。一方の
パルス列は、ミラー群等からなる光学的遅延器１６１を
介して、電子銃本体１３０に備えられた光電面１３１に
照射するパルス列に変換される。他方のパルス列は、ミ
ラーおよびハーフミラー群等からなるパルス多重化器１
７０によりパルス繰返し数が逓倍され、マイクロ波発生
装置１２０に備えられた光電面１２１に照射する一つの
多重化パルス列を得る。

【００１９】このパルス列光で光電面１２１を照射する
と光電面１２１から電子が周期的に放出される。放出さ
れた電子が電界発生器１２２を通過することで励起し、
周期的に電子ビームが生じ周囲にマイクロ波を発生す
る。このマイクロ波を導波路１４０を用いて電子銃１３
０へ伝達し、高周波加速空洞１３２内に高周波加速電界
を印加される。光電面１３１から放出された電子群は、
この加速電界により加速され所定の運動エネルギと運動
方向を付与され電子銃１３０から出射される。以上の光
制御加速器システムは、電子の発生と加速電界の印加の
同期合わせを、光信号を光学的的手段で処理して行って
いるので、従来の電気信号による加速器システムでの同
期合わせに比較して、大きな位相ぶれの問題が発生せ
ず、極めて正確に同期化を図ることができる。

【００２０】つぎに、第２実施例に関して説明する。図
２は、第２実施例に係わる光制御加速器システムのブロ
ック構成図である。このシステムは、第１実施例のシス
テムに、加速管１８０ａ、ｂを二つ付加するとともに、
それぞれの加速管１８０ａ、ｂの高周波加速空洞１８１
ａ、ｂに印加する加速用高周波電界を発生するマイクロ
波発生装置１２０ｂ、ｃと、パルス多重化器１７０が生
成した一つの多重化パルスより夫々のマイクロ波発生用
多重化パルス列を生成するハーフミラー等からなる第２
の分岐器１５２、ミラーおよびハーフミラー等からなる
第２の光学的遅延器１６２と、マイクロ波発生装置１２
０ｂ、ｃで発生のマイクロ波を加速管１８０ａ、ｂへ伝
達する導波路１４０ｂ、ｃとを加えて構成される。

【００２１】このシステムでは、上記第１実施例で説明
した一つの多重化パルスを、第２の分岐器１５２によ
り、設置されるマイクロ波発生装置と同数の多重化パル
ス列に分岐する。これらの多重化パルス列に、それぞれ
異なった時間遅延が第２の光学的遅延器１６２によって
施され、マイクロ波発生装置１２０ａ、ｂ、ｃの光電面
１２１ａ、ｂ、ｃを照射するパルス光が生成される。各
マイクロ波発生装置１２０で発生したマイクロ波は、導
波路１４０ａ、ｂ、ｃを経由して電子銃１３０の高周波
加速空洞１３１および加速管１８０ａ、ｂの高周波加速
空洞１８１ａ、ｂに伝達される。

【００２２】以上の光制御加速器システムは、第１実施
例と同様に電子の発生と加速電界の印加の同期合わせを
全て光信号を光学的手段で処理して行っているので、従
来の電気信号による加速器システムでの同期合わせに比
較して、大きな位相ぶれの問題が発生せず、極めて正確
に同期化を図ることができるとともに、第１実施例で得
られる加速電子ビームをさらに加速することが可能であ
る。

【００２３】本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、変形が可能である。例えば、第２実施例では加速
管の数を二つとしたが、この加速管は一つでもよいし、
また、三つ以上でもよい。加速管の数を増やすほど高エ
ネルギの電子ビームを得ることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上、詳細に説明した通り本発明によれ
ば、電子銃の光電面からの電子放出と電子加速用高周波
電界印加の同期化を光信号を光学的手段で処理すること
によって図るので、大きな位相ぶれの問題が発生せず、
極めて正確に同期を図ることができ、均一性よく加速さ
れた電子ビームを効率よく提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わる光制御加速器シ
ステムのブロック構成図である。

【図２】本発明の第１の実施例に係わる光制御加速器シ
ステムのブロック構成図である。

【図３】従来の加速器システムのブロック構成図であ
る。

【符号の説明】

１１０…レーザ発振器，１２０…マイクロ波発生装置，
１２１…光電面，１２２…電界発生器，１３０…電子
銃，１３１…光電面，１３２…高周波加速空洞，１４０
…導波路，１５１、１５２…分岐器，１６１、１６２…
光学的遅延器，１７０…パルス多重器，２１０…基準周
波数発振器，２２０…分周器，２３０…レーザ発振器，
２４０…位相シフタ，２５０…ＲＦアンプ，２６０…ク
ライストロン，２７１…導波路。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期的なパルス列を発生するレーザ光源
   と、 前記レーザ光源が発生した光パルス列から二つの同タイ
   ミング光パルス列を生成する分岐手段と、 前記分岐手段の出力光パルス列の一方に時間的遅延を施
   す光学的遅延手段と、 前記遅延手段を介して光パルス列を受光して電子を放出
   する第１の光電面および該放出電子を加速する高周波加
   速空洞を有する電子銃と、 前記分岐手段の出力光パルス列の他方のパルス周期を短
   くするパルス多重化手段と、 前記パルス多重化手段を介して多重化光パルスを受光し
   て電子を放出する第２の光電面を有し該放出電子を加速
   しマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置と、 前記
   マイクロ波発生装置で発生したマイクロ波を前記電子銃
   の高周波加速空洞に伝送する導波路と、 を備えることを特徴とする光制御加速器システム。
2. 【請求項２】 周期的なパルス列を発生するレーザ光源
   と、 前記レーザ光源が発生した光パルス列から二つの同タイ
   ミング光パルス列を生成する第１の分岐手段と、 前記第１の分岐手段の出力パルス列の一方に時間的遅延
   を施す第１の光学的遅延手段と、 前記遅延手段を介して光パルス列を受光して電子を放出
   する第１の光電面および該放出電子を加速する第１の高
   周波加速空洞を有する電子銃と、 前記第１の分岐手段の出力光パルス列の他方のパルス周
   期を短くするパルス多重化手段と、 前記パルス多重化手段の出力する多重化光パルス列から
   所定の数の多重化光パルス列を生成する第２の分岐手段
   と 前記第２の分岐手段の出力である夫々の多重化光パルス
   列に対して個別の時間的遅延を施す第２の光学的遅延手
   段と、 前記第２の光学的遅延手段を介して多重化光パルスを受
   光して電子を放出する第２の光電面を有し、該放出電子
   を加速しマイクロ波を発生する複数のマイクロ波発生装
   置と、 前記第１の高周波加速空洞と直接的または間接的に連通
   する第２の加速空洞を有する一つ以上の加速管と、 前記各マイクロ波発生装置の発生したマイクロ波を前記
   第１の高周波加速空洞または前記第２の高周波加速空洞
   ごとに個別に伝送する前記マイクロ波発生装置と同数の
   導波路と、 を備えることを特徴とする光制御加速器システム。
3. 【請求項３】 前記マイクロ波発生装置の数は、前記電
   子銃の数に前記加速管の数を加えた結果に等しいことを
   特徴とする請求項２に記載の光制御加速器システム。