JP2680452B2 - 静電加速器使用自由電子レーザ装置 - Google Patents
静電加速器使用自由電子レーザ装置Info
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- JP2680452B2 JP2680452B2 JP31407789A JP31407789A JP2680452B2 JP 2680452 B2 JP2680452 B2 JP 2680452B2 JP 31407789 A JP31407789 A JP 31407789A JP 31407789 A JP31407789 A JP 31407789A JP 2680452 B2 JP2680452 B2 JP 2680452B2
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- laser
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、工業化学、製薬、医療分野における物質組
成の分光分析や光励起反応プロセスに利用することを目
的とした産業用自由電子レーザ装置、特に静電加速器を
使用する自由電子レーザとしてそのエネルギー回収を効
果的に行い得るようにした構造に関する。
成の分光分析や光励起反応プロセスに利用することを目
的とした産業用自由電子レーザ装置、特に静電加速器を
使用する自由電子レーザとしてそのエネルギー回収を効
果的に行い得るようにした構造に関する。
（従来の技術） 近年、電磁波の利用は基礎研究にとどまらず、計測、
検査機器から加工、反応装置などの生産機器に到るまで
拡がり、これに伴い単色、コヒーレントで強力な電磁波
に対する要求は急速に高まっている。とりわけ、レーザ
は強力な単色コヒーレント光の光源として、各種の分光
分析をはじめ計測、加工に数々の技術革新をもたらして
きた。ところが従来のレーザは原子、分子もしくは固体
中の電子準位間の遷移の誘導放射を利用した一種の増幅
器なので、それぞれの媒質固有のきまった発振波長の電
磁波しか得られないという難点があった。特に紫外域以
下の短波長のレーザは、この波長に対して充分な利得を
確保できる適当な準位を持つ媒質が発見されていないの
で、実用段階に到っていない。また従来のレーザは原理
的に気体または固体媒質の中を透過させて増幅する機構
に依存しているので、媒質の冷却や損傷の問題があっ
て、出力には上限がある。有機液体レーザの色素レーザ
は、ある範囲で波長可変という特徴を持つが、同じよう
な理由で、実用出力が得られていない。
検査機器から加工、反応装置などの生産機器に到るまで
拡がり、これに伴い単色、コヒーレントで強力な電磁波
に対する要求は急速に高まっている。とりわけ、レーザ
は強力な単色コヒーレント光の光源として、各種の分光
分析をはじめ計測、加工に数々の技術革新をもたらして
きた。ところが従来のレーザは原子、分子もしくは固体
中の電子準位間の遷移の誘導放射を利用した一種の増幅
器なので、それぞれの媒質固有のきまった発振波長の電
磁波しか得られないという難点があった。特に紫外域以
下の短波長のレーザは、この波長に対して充分な利得を
確保できる適当な準位を持つ媒質が発見されていないの
で、実用段階に到っていない。また従来のレーザは原理
的に気体または固体媒質の中を透過させて増幅する機構
に依存しているので、媒質の冷却や損傷の問題があっ
て、出力には上限がある。有機液体レーザの色素レーザ
は、ある範囲で波長可変という特徴を持つが、同じよう
な理由で、実用出力が得られていない。
一方、レーザの利用は、新材料分野ではレーザプロセ
ッシング、光化学反応、また原子力分野ではレーザ核融
合、同位体分離、また医薬、生体分野では外科手術、生
体計測ど、実証レベルではあるが、広般な応用分野に拡
がってきており、それらの実用化のために、（ａ）任意
の波長、特に短波長領域も可能で、（ｂ）大出力で、
（ｃ）高効率という要請に応えられる新しいレーザ光源
の出現が待たれている。
ッシング、光化学反応、また原子力分野ではレーザ核融
合、同位体分離、また医薬、生体分野では外科手術、生
体計測ど、実証レベルではあるが、広般な応用分野に拡
がってきており、それらの実用化のために、（ａ）任意
の波長、特に短波長領域も可能で、（ｂ）大出力で、
（ｃ）高効率という要請に応えられる新しいレーザ光源
の出現が待たれている。
この動向に対して自由電子レーザは、上記の従来のレ
ーザ方式とは発振機構が異なり、高エネルギーの電子ビ
ームがウィグラー（wiggler）磁場のなかで蛇行すると
きに生じるシンクロトロン放射（synchrotron radiatio
n）と、その電磁波が電子の進行方向の密度分布に変調
を与える効果とが一種の共鳴現象を起こすことによって
一種の誘導放射作用が生じることを利用したものである
ので、前記要請に応えられる可能性がある。この場合、
発振波長はウィグラー周期に比例し、電子ビームのエネ
ルギーの２乗に反比例するので、適切な加速器の選択と
運転条件の設定によって任意の波長が得られる特徴を持
つ。また飽和時の出力は電子の電流値に比例し、電磁場
が伝搬するのは真空空間なので、原理的に出力に制限が
ない。このような特質から次世代の産業用光源として期
待され開発が進められている。
ーザ方式とは発振機構が異なり、高エネルギーの電子ビ
ームがウィグラー（wiggler）磁場のなかで蛇行すると
きに生じるシンクロトロン放射（synchrotron radiatio
n）と、その電磁波が電子の進行方向の密度分布に変調
を与える効果とが一種の共鳴現象を起こすことによって
一種の誘導放射作用が生じることを利用したものである
ので、前記要請に応えられる可能性がある。この場合、
発振波長はウィグラー周期に比例し、電子ビームのエネ
ルギーの２乗に反比例するので、適切な加速器の選択と
運転条件の設定によって任意の波長が得られる特徴を持
つ。また飽和時の出力は電子の電流値に比例し、電磁場
が伝搬するのは真空空間なので、原理的に出力に制限が
ない。このような特質から次世代の産業用光源として期
待され開発が進められている。
自由電子レーザの電子ビーム源として静電型加速器
（例えばバンデグラフ、ペレトロンなど）用いることは
知られている。その加速エネルギーは精々数MeVである
が、DC電流が得られ、エネルギーの単色性、安定性にす
ぐれているという特徴がある。この特徴を利用して、ミ
リ波〜赤外波長で単色性にすぐれ高効率の自由電子レー
ザの実現される可能性がある。また加速器本体が比較的
小型、安価であることから、医療、工業用装置としても
期待されている。しかし、致命的欠点として、ビーム電
流があまり大きくとれない（〜数＋μＡ程度）ので、そ
のままではレーザ発振を起こすことは不可能である。
（例えばバンデグラフ、ペレトロンなど）用いることは
知られている。その加速エネルギーは精々数MeVである
が、DC電流が得られ、エネルギーの単色性、安定性にす
ぐれているという特徴がある。この特徴を利用して、ミ
リ波〜赤外波長で単色性にすぐれ高効率の自由電子レー
ザの実現される可能性がある。また加速器本体が比較的
小型、安価であることから、医療、工業用装置としても
期待されている。しかし、致命的欠点として、ビーム電
流があまり大きくとれない（〜数＋μＡ程度）ので、そ
のままではレーザ発振を起こすことは不可能である。
この欠点を補う従来技術としては、第５および６図に
示すような、電子ビームエネルギー回収系を持った静電
加速器を使用する自由電子レーザ装置が知られ、数Ａの
ビーム電流を得、100〜800μｍの発振に成功している。
この装置では、ペレトロン型加速器（１）のSF6タンク
中に収められた高圧ターミナル（２）の電子銃（３）よ
り発射された電子ビームは加速管（４）にて3MeVまで加
速された後、ウィグラーマグネット（５）に入り、レー
ザ発振に寄与する。役目を終えた電子ビームは、減速管
（６）にて減速され、ふたたび高圧ターミナル（２）に
戻され、コレクター（７）によって電荷回収される。
示すような、電子ビームエネルギー回収系を持った静電
加速器を使用する自由電子レーザ装置が知られ、数Ａの
ビーム電流を得、100〜800μｍの発振に成功している。
この装置では、ペレトロン型加速器（１）のSF6タンク
中に収められた高圧ターミナル（２）の電子銃（３）よ
り発射された電子ビームは加速管（４）にて3MeVまで加
速された後、ウィグラーマグネット（５）に入り、レー
ザ発振に寄与する。役目を終えた電子ビームは、減速管
（６）にて減速され、ふたたび高圧ターミナル（２）に
戻され、コレクター（７）によって電荷回収される。
（発明が解決しようとする問題点） 従来技術の第５および６図に示す静電加速器を用いた
自由電子レーザには次の欠点がある。
自由電子レーザには次の欠点がある。
加速管（４）と減速管（６）の２本の加速管が必要に
なる。
なる。
加速管では、そこで加速するビーム電流に比べて、充
分大きな電流を抵抗体に流して、その分割電圧を加速電
極に与え、安定な加速電場を確保している。従って２本
の加（減）速管を用いる場合にはそれだけ大きな電荷輸
送機構が必要となり、加速器自体が、またそれに続く電
子循環ビームラインが大きくなってしまい、結局価格に
反映する。勿論、それだけ多くの電力を消費し、効率が
悪い。
分大きな電流を抵抗体に流して、その分割電圧を加速電
極に与え、安定な加速電場を確保している。従って２本
の加（減）速管を用いる場合にはそれだけ大きな電荷輸
送機構が必要となり、加速器自体が、またそれに続く電
子循環ビームラインが大きくなってしまい、結局価格に
反映する。勿論、それだけ多くの電力を消費し、効率が
悪い。
（問題点を解決するための手段） 本発明は、従来技術の前記問題点を解決するため、静
電加速器を使用する自由電子レーザとして、エネルギー
回収の効率化をはかることのできる構成配置を与える。
そのため減速管は１本の加速管に兼用可能とし、この部
分で回収電子ビームエネルギーの直接回収を図るように
する。さらに静電加速器の部分においても回収可能とし
電子銃の電子ビームの放射に有効利用できるようにす
る。
電加速器を使用する自由電子レーザとして、エネルギー
回収の効率化をはかることのできる構成配置を与える。
そのため減速管は１本の加速管に兼用可能とし、この部
分で回収電子ビームエネルギーの直接回収を図るように
する。さらに静電加速器の部分においても回収可能とし
電子銃の電子ビームの放射に有効利用できるようにす
る。
この目的で、本発明の静電加速器使用自由電子レーザ
装置は、構成としては、静電型加速器を電子ビーム源と
した自由電子レーザ装置において（Ｉ）静電加速器から
の出射電子ビームの軌道と、ウィグラー電磁石を貫通さ
せたあとの回収電子ビームの軌道とが、ひとつの加速管
を共有できるように、これら２つの電子ビームを同時に
偏向させて振り分ける扇形状の電磁石を配備し、（II）
引出し電極部がコレクターを兼ねるような電子銃を高圧
ターミナルに備えることを特徴とする。
装置は、構成としては、静電型加速器を電子ビーム源と
した自由電子レーザ装置において（Ｉ）静電加速器から
の出射電子ビームの軌道と、ウィグラー電磁石を貫通さ
せたあとの回収電子ビームの軌道とが、ひとつの加速管
を共有できるように、これら２つの電子ビームを同時に
偏向させて振り分ける扇形状の電磁石を配備し、（II）
引出し電極部がコレクターを兼ねるような電子銃を高圧
ターミナルに備えることを特徴とする。
（作用） 本発明によると次の作用が生ずる。
（１） ひとつの加速管に、電子ビームの加速と減速回
収の作用をさせることができる。
収の作用をさせることができる。
（２） 既存のシングルエンド型静電加速器にコレクタ
ーの作用をする装備を付加するだけでそのまま利用でき
る。
ーの作用をする装備を付加するだけでそのまま利用でき
る。
（３） 従って偏向磁石などを含めた装置規模が従来の
ものに比べ、約1/2に小型化できる。
ものに比べ、約1/2に小型化できる。
（実施例） 以下、本発明は第１〜３図および第４図に示す実施例
により一層具体的に説明する。第１図は静電加速器とし
てディスクトロン型静電加速器（ペレトロン型の変形
で、ペレットを絶縁ディスクの円周に配置し、そのディ
スクを回転することで電荷輸送を行う高電圧発生器）を
用いた実施例の構成配置を示し、第２図はその具体化装
置の機器配置を示すための平面図、第３図はその側面図
を示す。
により一層具体的に説明する。第１図は静電加速器とし
てディスクトロン型静電加速器（ペレトロン型の変形
で、ペレットを絶縁ディスクの円周に配置し、そのディ
スクを回転することで電荷輸送を行う高電圧発生器）を
用いた実施例の構成配置を示し、第２図はその具体化装
置の機器配置を示すための平面図、第３図はその側面図
を示す。
ディスクトロン型静電加速器（11）の高圧ターミナル
（２）中の電子銃（３）より発射された電子ビームは加
速管（14）で加速された後、扇形の偏向電磁石（15）お
よび矩形偏向磁石（16）によってウィグラー系に入射さ
れる。
（２）中の電子銃（３）より発射された電子ビームは加
速管（14）で加速された後、扇形の偏向電磁石（15）お
よび矩形偏向磁石（16）によってウィグラー系に入射さ
れる。
この実施例ではウィグラー系は、光クライトロン（kl
ystron）、すなわちモジュレータマグネット（17）、分
散用３極ウィグラー（17′）およびヘリカルウィグラー
マグネット（18）とから構成される。ここで発生したシ
ンクロトロン放射光（synchrotron radiation）は２つ
の反射鏡（19）によって形成されるファブリペロー（Fa
bry-Perot）型共振器の間を往復するうちに増幅され、
全反射でない反射鏡からレーザビーム出力として出射さ
れる。
ystron）、すなわちモジュレータマグネット（17）、分
散用３極ウィグラー（17′）およびヘリカルウィグラー
マグネット（18）とから構成される。ここで発生したシ
ンクロトロン放射光（synchrotron radiation）は２つ
の反射鏡（19）によって形成されるファブリペロー（Fa
bry-Perot）型共振器の間を往復するうちに増幅され、
全反射でない反射鏡からレーザビーム出力として出射さ
れる。
ウィグラーを出た電子ビームは２つの偏向電磁石（2
0）によって180°方向を曲げられ矩形偏向電磁石（21）
を経て、再び前記扇形偏向電磁石（15）に今度は反対側
から入射し曲げられ、出射時とほぼ同じ軌道に載せら
れ、前記加速管（14）に今度は減速位相で遡り、この間
に減速される電子ビームの運動エネルギーは加速側に回
収される。
0）によって180°方向を曲げられ矩形偏向電磁石（21）
を経て、再び前記扇形偏向電磁石（15）に今度は反対側
から入射し曲げられ、出射時とほぼ同じ軌道に載せら
れ、前記加速管（14）に今度は減速位相で遡り、この間
に減速される電子ビームの運動エネルギーは加速側に回
収される。
高圧ターミナル（12）まで戻った電子は、ウィグラー
で電磁波を放出して、いくらかエネルギー損失している
から電子銃（13）のチップまでは戻れない。戻った電子
は、電子銃の引出し電極（13a）やその下流に用意され
た電極（22）によって回収され、昇圧器（23）で昇圧さ
れ再びチップから出射されることになる。
で電磁波を放出して、いくらかエネルギー損失している
から電子銃（13）のチップまでは戻れない。戻った電子
は、電子銃の引出し電極（13a）やその下流に用意され
た電極（22）によって回収され、昇圧器（23）で昇圧さ
れ再びチップから出射されることになる。
第４図は、変形実施例の高圧ターミナルの部分を示
す。高圧ターミナル（12A）内に内蔵扇形偏向電磁石（2
4）を設けて、電子銃（13A）とコレクター（25）とを分
離させてもよいことを示す。
す。高圧ターミナル（12A）内に内蔵扇形偏向電磁石（2
4）を設けて、電子銃（13A）とコレクター（25）とを分
離させてもよいことを示す。
（発明の効果） 以上のように、本発明によると、任意の波長のレーザ
を効率よく大きなエネルギーで出力することのできる小
形で簡略化されて安価に構成できる工業的レーザ装置を
得ることができる。
を効率よく大きなエネルギーで出力することのできる小
形で簡略化されて安価に構成できる工業的レーザ装置を
得ることができる。
第１図は本発明の１実施例の静電加速器使用自由電子レ
ーザ装置の構成配置図、第２図はその具体化装置の平面
図、第３図はその部分破断側面図、第４図は本発明の変
形実施例の高圧ターミナル部分の構成配置図、第５図は
従来技術の静電加速器使用自由電子レーザ装置の部分破
断斜視概念図、第６図はその要部の構成配置図である。 （１）……ペレトロン型加速器、（２）……高圧ターミ
ナル、（３）……電子銃、（４）……加速管、（５）…
…ウィグラーマグネット、（６）……減速管、（７）…
…コレクター、（11）……ディスクトロン型静電加速
器、（12）（12A）……高圧ターミナル、（13）（13A）
……電子銃、（13a）……引出し電極、（14）……加速
管、（15）……扇形偏向電磁石、（16）（21）……矩形
偏向電磁石、（17）……モジュレータマグネット、（1
7′）……分散用３極ウィグラー、（18）……ウィグラ
ーマグネット、（19）……反射鏡、（20）……偏向電磁
石、（22）……電極、（23）……昇圧器、（24）……内
蔵扇形偏向電磁石、（25）……コレクター。
ーザ装置の構成配置図、第２図はその具体化装置の平面
図、第３図はその部分破断側面図、第４図は本発明の変
形実施例の高圧ターミナル部分の構成配置図、第５図は
従来技術の静電加速器使用自由電子レーザ装置の部分破
断斜視概念図、第６図はその要部の構成配置図である。 （１）……ペレトロン型加速器、（２）……高圧ターミ
ナル、（３）……電子銃、（４）……加速管、（５）…
…ウィグラーマグネット、（６）……減速管、（７）…
…コレクター、（11）……ディスクトロン型静電加速
器、（12）（12A）……高圧ターミナル、（13）（13A）
……電子銃、（13a）……引出し電極、（14）……加速
管、（15）……扇形偏向電磁石、（16）（21）……矩形
偏向電磁石、（17）……モジュレータマグネット、（1
7′）……分散用３極ウィグラー、（18）……ウィグラ
ーマグネット、（19）……反射鏡、（20）……偏向電磁
石、（22）……電極、（23）……昇圧器、（24）……内
蔵扇形偏向電磁石、（25）……コレクター。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 浩司 兵庫県神戸市灘区篠原伯母野山町２―３ ―１
Claims (1)
- 【請求項１】静電型加速器を電子ビーム源とした自由電
子レーザ装置において、 （Ｉ） 静電加速器からの出射電子ビームの軌道と、ウ
イグラー電磁石を貫通させたあとの回収電子ビームの軌
道とが、ひとつの加速管を共有できるように、これら２
つのの電子ビームを同時に偏向させて振り分ける扇形状
の電磁石を配備し、 （II） 引出し電極部がコレクターを兼ねるような電子
銃を高圧ターミナルに備える、 ことを特徴とする電荷回収機構を持つ静電加速器使用自
由電子レーザー装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31407789A JP2680452B2 (ja) | 1989-12-01 | 1989-12-01 | 静電加速器使用自由電子レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31407789A JP2680452B2 (ja) | 1989-12-01 | 1989-12-01 | 静電加速器使用自由電子レーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03173491A JPH03173491A (ja) | 1991-07-26 |
| JP2680452B2 true JP2680452B2 (ja) | 1997-11-19 |
Family
ID=18048952
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31407789A Expired - Lifetime JP2680452B2 (ja) | 1989-12-01 | 1989-12-01 | 静電加速器使用自由電子レーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2680452B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2680940B1 (fr) * | 1991-08-28 | 1997-01-03 | Commissariat Energie Atomique | Accelerateur electrostatique et laser a electrons libres utilisant cet accelerateur. |
-
1989
- 1989-12-01 JP JP31407789A patent/JP2680452B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03173491A (ja) | 1991-07-26 |
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