JP2869084B2 - 適当な入射電圧に対して電子捕獲率が高い自己集束式キャビティを備える線形加速器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、適当な入射電圧に対して電子捕獲率が高い
自己集束式キャビティに関するものである。本発明は特
に線形加速器の分野に応用され、その中には特に工業的
制御に用いられるタイプと医学の分野に応用されるタイ
プとがある。本発明は、このような加速器に対して信頼
性と使用効率を向上させるのに役立つ。

従来の技術 線形加速器は、荷電粒子（たいていの場合は電子）を
入射するための電子銃を主構成要素として備えている。
この電子銃の下流側には、互いに前後に並べて配置され
たキャビティ列を有する加速構造体が接続されている。
キャビティにはマイクロ波パワー信号が供給される。例
えば荷電粒子が電子である場合には、電子銃は、従来と
同様に、開孔のあるアノードに対向する位置にカソード
を備えている。カソードとアノードの間に印加される高
電圧により発生する電界の効果により、電子がカソード
から飛び出す。電子は、アノードに到着する前に速度が
大きくなり、アノードの開孔を通過して電子銃から外に
出る。電子銃の下流に位置する加速構造体は従って電子
に多くの効果を及ぼす必要がある。

加速構造体の主たる機能は、入射された電子をできる
だけ多く捕獲することである。加速構造体の別の機能
は、電子を集群化して、電子が加速キャビティを通過し
たときに運動エネルギーが一様に変化しているようにす
ることである。加速構造体のさらに別の機能は、電子を
集束して、集群化された電子ビームにできるだけ多くの
運動量をターゲットに衝突する瞬間に与えることであ
る。最後に、加速構造体は、十分に加速することにより
必要なエネルギを電子に与えられるようになっている必
要がある。

集束性を向上させるため、加速する電子ビームが第１
のキャビティから出るときにぼけるのを回避することが
まず考えられた。実際、第１のキャビティの出口では電
子はまだ十分加速されておらず、そのエネルギは速度が
光速に既に近くとも1MeVよりも小さい。この結果、加速
された電子の質量は静止状態の質量とほぼ同じである。
このような電子はビーム内で非常によく動くことができ
る。

電子ビームが発散するのを防ぐため、本願出願人が19
83年９月２日に出願したフランス国特許出願第83 14090
号に基づくフランス国特許出願公開第2551617号及び対
応する米国特許第4639641号では第１のキャビティを長
くすることが提案されている。実際、加速器の連続した
キャビティは、相互の間が例えばπモードで共振し、連
続したキャビティ内で位相が逆転したマイクロ波電磁界
を発生させる。従って、集群化された電子ビームは、１
つのキャビティ内で大きな電界を受ける。このとき、隣
接するキャビティ内では電界は大きな値ではあるが方向
が反対である。キャビティの長さは、電界があらゆる地
点で零になった瞬間に電子ビームがキャビティを出るよ
うな長さである。この電子ビームは、このキャビティ内
でマイクロ波信号が適当な位相になった瞬間に次のキャ
ビティに侵入する。必要であれば、ドリフト空間をキャ
ビティ間に設けて位相の同期を容易にすることができ
る。電子ビームは次のキャビティの中でも加速される。

上記のフランス国特許出願においては、少なくとも第
１のキャビティの出口でこの同期を外れる。実際上の観
点からすると、キャビティは、マイクロ波電磁界がキャ
ビティの軸線の周囲に存在している空間である。電子は
この軸線に沿ってキャビティを出ていく。キャビティに
は入射電子を受け入れるための入口開孔と、電子を外に
出すための対向位置の出口開孔とが設けられている。入
口開孔と出口開孔は、従来と同様にキャビティの内側に
向かう突起部を有する。これらの開孔を取り囲む突起部
は、キャビティのノーズとして知られている。キャビテ
ィの壁はもちろん金属である。開孔の近くの電気力線が
キャビティの入口開孔と出口開孔の間のすべての地点で
このキャビティの軸線と平行になっていることはない。
実際、電気力線はキャビティのノーズで閉じている必要
がある。電子ビームがキャビティを出るときに電界がま
だ非常に強くて全体として次のキャビティの方向を向い
ているのであれば（結局、同期条件が満足されている
か、さらには電子のエネルギのゲインが最適化されてい
る場合には）、電気力線は出口開孔の近くで発散する。
電子はこのとき非常に動きやすくなっているため、この
発散効果を強く受ける。そこでビームがぼける。

これに対して電界の振幅と周波数を同じにしたまま第
１のキャビティを長くする場合には、電子ビームが出口
開孔を出る瞬間またはその前にこの電界の位相が反転す
る。従って、電界消失後のこの反転の結果として得られ
る電気力線は、この瞬間に全体としてキャビティの入口
の方向を向く。これは電子ビームを遅くする効果をもつ
ので具合が悪い。しかし、この反転電界の径方向成分は
正しい方向を向いているため、上記のことによって、放
出された電子が径方向に再び集束する。次に、集束する
ことによる利得があっても過度に運動エネルギが失われ
ないようにして第１のキャビティの長さの増加を調節す
ることが好ましい。従って、この特許出願では、線形加
速器の第１の加速用キャビティの長さＬ₁が Ｌ₁＝ｋ′βλ₀ となる必要があることを決定できた。この式で、ｋ′は
値0.5を取ることが望ましい係数であり、βは光の伝播
速度に対する電子の平均速度であり、λ₀は発生したマ
イクロ波の波長である。

この方法の問題点は捕獲率である。実際、電子銃から
入射された電子（電子ビームのうちの最後に入射された
電子）はこのようにして遅延されるために第１のキャビ
ティ内での電界の位相の反転と比べて到着するのが遅く
なり過ぎる。従って、電子は電子銃の方向に戻されてア
ノードで回収される。従って、加速器の効率が低下す
る。この問題点にもかかわらず十分な出力を得るために
は出力の大きな電子銃を用いることが考えられる。例え
ば電子銃のカソードをより高温に加熱する。この方法に
はカソード技術に関係した問題点がある。このような状
態で使用すると電子銃の寿命は長くない。

やはり本願出願人により1985年９月10日に出願された
第２の出願であるフランス国特許出願第85 13416号に基
づくフランス国特許出願公開第2587164号には、電子の
予備集群化と加速を行う装置が提示された。この装置で
は、捕獲率が100％に近い値になる。この発明では、捕
獲率を向上させるためには第１のキャビティ内の電界を
十分小さくして電子銃からの電子が第１のキャビティの
出口に到達するのを妨げないようにするだけで十分なこ
とを原理的に確認することができた。実際には、これ
は、第１のキャビティ内の電界の値を第２のキャビティ
内の電界の値よりも小さくする必要があることを意味す
る。実際には、これら電界の比は約２である。電界の位
相が反転する瞬間には、第１のキャビティの入口の電界
によって電子がこの第１のキャビティを通過するのが妨
げられることはなく、これに対して第１のキャビティの
出口の電界は、（例えばより大きな電界を有する第２の
キャビティの入口で反射されて）カソードに向かって戻
る途中の電子が越えるべきポテンシャル障壁となると思
われる。障壁の高さは、一方では、遅延電子がこの第１
のキャビティの出口開孔を通過する瞬間のこの第１のキ
ャビティ内のマイクロ波の位相によって決まる。このポ
テンシャル障壁は、他方ではマイクロ波の振幅にも本質
的に依存している。従って、この振幅の値を小さくする
ことによりこのポテンシャル障壁の高さも低くすること
ができることが容易にわかる。上記の第２の特許出願が
目的とするのはこの方法である。

このようにして、すべての電子がポテンシャル障壁を
越える。この場合にも、第１と第２のキャビティの中の
電界の振幅の比を調節して決める。上記の第２の特許出
願では、80kVの高電圧で電子を放出する電子銃の場合に
3GHzで共振するＳバンドのマイクロ波に対してはこれら
振幅の比は1.5と３の間の値が好ましいことが述べられ
ている。この特許出願によると、以下の関係式 Ｅ₁・Ｌ₁・Ｔ₁≦1.5V₀ を満たす必要がある。

この関係式で、Ｖ₀は第１のキャビティの入口の電子
のエネルギであり（単位eVで表されるＶ₀の数値は単位
Ｖで表される入射高電圧の数値と等しい）、Ｅ₁はこの
キャビティ内の電界の平均振幅であり、Ｔ₁は電子が実
際に獲得したエネルギと、電界と電子の間の同期状態が
キャビティのあらゆる地点で維持されている場合に電子
が獲得するであろうエネルギとの比を表す平均通過角係
数である。平均通過角係数は、入口と出口の間の電磁波
の移相係数θと以下の関係式 Ｔ₁＝sin（θ/2）／（θ/2） にあることが知られている。実際には、第１のキャビテ
ィの入口と出口の間の平均移相量が約πラジアンである
と、Ｔ₁は約0.64になる。

上記の２つの好ましい方法を組み合わせることは理論
上は可能である。この組み合わせ法では、同期用の通常
の第１のキャビティよりも長い第１のキャビティを用
い、このキャビティにパワーを供給して第２のキャビテ
ィ内よりも小さな電界を発生させる。実際上の観点から
は、第１のキャビティと第２のキャビティの結合用の開
孔のサイズを変えることによりこれら２つのキャビティ
の間の電磁結合係数を変化させ、第２のキャビティに存
在している電界（場合によってはこの電界そのものが第
３のキャビティ内の電界によって誘起される）により誘
起された第１のキャビティ内の電界が第２のキャビティ
内の電界よりも小さくなるようにする。

発明が解決しようとする課題 実際には、これら２つの方法の組み合わせは、たとえ
電界の比が例えば２に等しくとも電子銃の電圧範囲が極
めて高いときにしか可能ではない。例えば、上記の第２
の特許出願に記載された例では電子銃に最低でも80kVの
電圧が必要とされる。これとは逆に、特にサイズ（サイ
ズを変えることにより最終的にはビームの直径を減らす
ことが可能になる）とコストの問題があるために適当な
電圧、例えば40kVの電子銃を利用しようとする場合に
は、上記の式を適用すると第１のキャビティ内に存在す
べき電界が小さな値に留まらなくてはならなくなる。一
例を挙げると、この電界は4.5MV/mに制限されるべきで
あるのに対し、第２のキャビティ内の電界は約20MV/mと
なることを示すことができた。

ところで、キャビティ同士がこのように異なる電界と
結合しているときには、結合が不安定である。その結
果、第１のキャビティ内の4.5MV/mという一定の値を維
持することができず、電界がゆらぐ。調節条件は微妙で
信頼性がほとんどない。

さらに、第１のキャビティ内に蓄えられているマイク
ロ波の電磁エネルギは電界の振幅の２乗に比例し、従っ
て電界そのものよりも早く減少する。電界の小さなキャ
ビティの中に到達する電子ビームの最初の小電子群の電
子は蓄えられている電磁エネルギを完全に取り出す。こ
の結果、電子ビームの最後の小電子群はもはや第１のキ
ャビティ内の電界の影響をまったく受けない。このと
き、加速器は機能しない。

上記の２つの方法を組み合わせることにより得られた
であろう最高性能はもはや生じない。

本発明は、上記の問題点を解決して、電子捕獲率の高
い自己集束式加速構造体を得ることを目的とする。

課題を解決するための手段 すなわち、自己集束のためには上記の第１の特許出願
の自己集束の効果を利用し、電子捕獲率を高くするには
上記の第２の特許出願の効果を適当な入射電圧に対して
利用する。本発明の基本的な思想は、第１のキャビティ
の形状を変化させて、このキャビティ内での電界をこの
キャビティの中心に対して非対称に変化させることであ
る。つまり、電界の絶対値の形状を、軸線に沿った延長
部分と最大値の振幅を決定した後に最適化する。

簡単に説明すると、第１のキャビティは、電界の値が
小さい第１の部分と、電界が強いその下流の第２の部分
とを備えている。第１の部分では電子は適度に加速され
るが、特に集群化される。遅延電子は最初に到着した電
子よりも全体としてより好ましい電界の位相にされるた
め、最初の電子に追いつく。第１のキャビティから第２
のキャビティに侵入するときに、十分に集群化された電
子は、第１のキャビティにおけるよりも第２のキャビテ
ィでより多数が加速される。次に、電子がこのように集
群化され加速されたときには、電界が消え、最終的に反
転する。電子は、第１のキャビティの出口窓を通過する
前にわずかに減速される（このことはわずかながら好ま
しくない）が、特に好ましいことに、第１のキャビティ
の出口の逆転電界の径方向の成分によって自己集束す
る。

しかし、電界の非対称性により急激な減速が妨げら
れ、従って大きな集束力の発生が妨げられる。次に、第
２のキャビティ内と、さらには、必要に応じて設けられ
ていて加速器の残り部分を構成する第３のキャビティ内
で、電子はこれらキャビティが発生させる公知の加速効
果を受ける。しかし、これに加えて第２のキャビティ内
の電界の立ち上がりの位置を変化させることにより、径
方向の集束効果を付加する。このようにすることは従来
は難しかった。というのは、第１のキャビティ内のエネ
ルギの平均ゲインが全体として第２のキャビティ内より
も高く、より硬い電子ビームとなるからである。このよ
うにして、求める効果がすべて得られる。集群作用は、
第１のキャビティの第１の部分で行われ、100％の捕獲
は、形成中の電子ビームに影響を及ぼす第１のキャビテ
ィの第２の部分の大きな加速電界により実現される。自
己集束は、第１のキャビティの出口でぼけがなく（さら
にはわずかな集束が起こり）、しかも第２のキャビティ
の入口で強力に集束されることが組み合わさって実現さ
れる。上記の３つの効果は、互に結合された連続する２
つのキャビティ内で発生する。

本発明に従うと、 − 粒子を入射するための電子銃と、 − この電子銃の下流に位置して、マイクロ波の電界の
位相が反転する前にすべての電子が通過する場合の長さ
よりもわずかに長く上流側の第１の部分と下流側の第２
の部分とを有する第１の加速キャビティと、次いで第２
の加速キャビティとを入射方向に沿って少なくとも備え
るマイクロ波式加速キャビティ列と、 − 上記第１のキャビティの内部のマイクロ波電界が上
記第２のキャビティの内部のマイクロ波電界よりも小さ
くなるようにする手段と を備える荷電粒子用加速器であって、 − 上記第１のキャビティの内部での電界の分布曲線が
この第１のキャビティの第１および第２の部分の間の平
面に対して非対称な輪郭を有するようにする手段を備
え、この第１のキャビティの第１の部分での電界の平均
値はこの第１のキャビティの第２の部分での平均値より
も小さいことを特徴とする加速器が提供される。

本発明は、添付の図面を参照した以下の説明によりさ
らによく理解できよう。なお、図面は単に実施例を示し
たものであって、本発明を限定することはない。

実施例 第１図は、本発明の荷電粒子用加速器を示している。
荷電粒子は、ここでは、電子銃１が発生させた電子であ
る。電子銃１は、電子放出用カソード２と、開孔４を有
する中空アノード３とを備えており、カソードとアノー
ドによって放出された電子が、下流に位置する加速キャ
ビティ列５に入射される。加速キャビティ列５は、入射
方向に向かって、加速軸線６に沿って並んだ所定数のマ
イクロ加速キャビティを備えている。これらキャビティ
は電子銃の下流に位置している。これらキャビティは、
マイクロ波源（図示せず）により発生し、これらキャビ
ティのうちの１つの中で例えば径方向の結合７によって
印加されるマイクロ波電磁界を受ける。マイクロ波電磁
エネルギを各キャビティに供給するには、例えば結合孔
８、９を用いてキャビティ相互間を結合させる。この結
合は例えば磁気結合にすることができる。結合孔は、第
１のキャビティ10と第２のキャビティ11の間、この第２
のキャビティ11と第３のキャビティ12の間にそれぞれ位
置している。キャビティ12はマイクロ波電磁エネルギを
受ける。キャビティ13などの他のキャビティも下流に配
置することができる。その数と機能は加速器を出るとき
に加速される粒子ビームに必要とされるエネルギに依存
する。

上で説明したように、第１のキャビティ10は、このキ
ャビティ10内のマイクロ波の電界の位相が反転する前に
すべての電子がこのキャビティ10を通過することを望む
場合の通常の長さよりもわずかに長い。この長さは、例
えば上記の第１の特許出願に記載されているのとほぼ同
じ長さである。このようにすると、この第１のキャビテ
ィの出口で電子が軸線６のまわりに再び集束する。さら
に、結合孔８は、キャビティ10内のマイクロ波の電界の
振幅が、最も電界が強い地点でもキャビティ11内の電界
の振幅よりも小さいようなサイズにする。実際には、上
で説明したように、これら２つの電界の比は約２であ
る。結合孔８の断面積を計算することにより、振幅の比
を所定の値にすることができる。

本発明によれば、第１のキャビティは、この第１のキ
ャビティ内の電界の絶対値がこのキャビティの中央面14
に対して対称でないようにする手段を備えている。例え
ば、中央面14はキャビティ10を長手方向にほぼ同じ長さ
の２つの部分に分割している。実際、このキャビティは
この中央面の左側の第１の部分と右側の第２の部分とを
備えている。左側部分15はサイズが右側部分16よりも小
さい。下流の部分16は、円柱の形状である場合には、こ
のキャビティ内でマイクロ波電磁界がTM₀₁モードで共振
することができる直径17を有する。これとは逆に、左側
部分15は直径18がこれよりも小さく例えば直径17の半分
であるため、共振が減衰する。この部分15は、第２の部
分16に起こっている共振モードに対する遮断導波管を構
成する。従って、第１の部分15の電界は第２の部分16の
電界よりも弱い。

第２図を見ると本発明で利用される物理現象を理解す
ることができる。この図面には、第１のキャビティ10内
の電界の振幅Ｅが、このキャビティの軸線６に沿った点
を横座標とした関数として示されている。点線で示され
ている電界の理想曲線19には２つの平坦部があり、それ
ぞれの振幅の値はＥ_m、Ｅ_Mとなっている。電子銃から入
射される電子は電界の値がＥ_mの部分15にまず入る。こ
の結果、電子を停止させることなく長手方向に集群化す
ることができる。特に、最初に到着した電子はわずかに
減速されることがあるのに対し、最後に到着した電子は
わずかに加速されて電子が再集束し、電子ビームを構成
する。この集群化は、入射電子のエネルギを非常に適切
なものとすることにより容易に実現できる。これは、入
射電圧の小さな電子銃を用いるという本発明の追求する
利点と同じ方向である。

実際、すべての電子はゆっくりと移動するため、電子
間の速度差を大きくして集群化を望み通りに行うのがよ
り簡単である。

この結果、すべての電子は、キャビティ10の第２の部
分16に入るときに十分に集群化されている。この第２の
部分の内部は電界が強い。従ってこの中の電子は大きく
加速される。この条件では電子は大きく加速されるが、
あらかじめ集群化されているために一様に加速されるこ
とに注目されたい。電子がキャビティ10の出口から出る
前に電界の位相が零となり、場合によってはさらに反転
する。極めて短い間、電子はもはや加速されず、あるい
は再集束している間は減速されることさえある。従っ
て、上記の第１の特許出願に記載した技術的効果が利用
される。しかし、第１のキャビティの第２の部分の電界
の値が適当であることを考慮すると、電子はこの第２の
部分を通過している間に十分に加速されていて位相の反
転によるポテンシャル障壁を越えることができる。

従って電子は下流の第２のキャビティ11に到着し、こ
の第２のキャビティ内の電界の大きな振幅によって本来
の加速がなされる。実際には、平均加速電界は、第２の
キャビティ内では約20MV/mであり、第１のキャビティの
第２の部分内では10MV/mであり、第１のキャビティの第
１の部分内では5MV/mである。本発明を説明するのにπ
モード結合をここでは例にとったが、通常の反転を行う
異なる結合モードにも本発明を応用することができる。

実際には値Ｅ_m、Ｅ_Mは理想値に対応するため、このよ
うな値を実際に実現することは非常に難しい。実際、上
記のような遮断導波管を実現しても２つの平坦部を有す
るように電界を分布させることはできない。このような
構成にすると、電界の絶対値が、軸線６に沿った横座標
の関数として表した場合にかなり規則的に上昇するよう
にできるだけである。しかし、中央平面14に対して電界
は明かに非対称である。左側に位置する部分は平均値Ｅ
_mであり、右側に位置する部分は平均値がＥ_M′の電界を
受ける。この結果として予期した複数の技術的効果が発
生するが、これらの効果を完全に区別することはもはや
できない。集群化は第１の部分で特に好ましいのに対
し、加速は第２の部分で特に好ましいことがわかる。例
えば、実際の電界曲線は、比較的ゆっくりと上昇20し、
キャビティ10の出口で急激に下降21する傾斜を有する三
角形で表された輪郭線の付近をわずかに上下する。

傾斜20ではなく一定の値の平坦部Ｅ_Mをもつことの利
点は、横座標の臨界領域Ｚ_Cでの電界の径方向成分の振
幅にある。この領域は、キャビティ内で一部の電子の運
動エネルギが最低になる臨界点に対応しているという意
味で臨界領域である。実際、電界の径方向の成分（集束
ぼかし成分）は、軸線６の横座標に沿った方向について
の電界の微分に比例する。この電界は、変化が小さいほ
ど（平坦であるほど）集束をぼかす力が弱い。

実際には、電界より弱い第１の部分が電界のより強い
部分と少なくとも同じ長さになるようにする必要があ
る。また、電界の絶対値の軸線に沿った方向の変化が凹
状になるようにすることも考えられる。このようにする
と、キャビティが始まる地点のかなりの大きさの予備変
調と、領域Ｚ_Cの近くの適当な振幅変化とを組み合わせ
ることができる。

キャビティ10の形状を変化させて小径部分15を付加す
ると、このキャビティの共振周波数が変化する可能性が
ある。半径17を、このキャビティが従来のタイプであっ
た場合に本来とるべき値よりもわずかに大きくしてこの
周波数を一定に保つ。従って、部分15からなる小径部を
付加することに関係した容量値の減少を相殺することに
よりインダクタンスを上昇させる。

電子を集束させるために外部から印加する補助磁界が
まったくないと、臨界電子と呼ばれる一部の電子は不完
全にしか制御できないことがわかる。この不完全な制御
により径方向のぼやけが発生する。第１のキャビティの
幾何学的形状をより細かく最適化し、集束用の小さな磁
界を印加することによりこの問題点を解決することがで
きる。逆方向に出発し、再び停止し、前向きに再び出発
する大きく減速された、あるいは停止した臨界電子の運
動を解析することにより、小さい磁界であってもその大
きな効果をよりよく理解することができる。これが縦振
動の場合である。

第３図は、このような縦振動を表している。この図面
は、１つの臨界電子（第１のキャビティの第１の部分に
最初に到着した電子のうちの１つ）の運動の解析結果を
示している。この図面では、電子の軌跡の様々な点にお
ける速度が縦方向（軸方向）成分と径方向成分に理解さ
れている。最初は減速兼ぼかし用であり、次に加速兼集
束用となる電界Ｅも時間変化を考慮して示されている。
電子は縦方向で２回停止するが、好ましくない径方向の
速度をほとんど常に有するため、軸線から大きく離れ
る。しかし、たとえ小さくとも磁界を付加することによ
り、電子が方位角の方向に回転し、その結果として径方
向の制御が可能となる。ここで、縦方向を向いた一定の
磁界を、従来から公知の任意の手段を用いて印加するこ
とができる。特に、第１図には一部しか示されていない
環状マグネット40を付加することができる。

第４図と第５図は、第１のキャビティの別の実施例の
概略断面図である。第４図では、キャビティの左側部分
が従来のキャビティに設けられた小径部22となっている
ことがはっきりとわかる。この従来のキャビティの直径
は、入射されるマイクロ波の共振周波数と同じ共振周波
数を得るためにはわずかに大きくする必要がある。第５
図では、（軸線６に垂直な方向に測定された）断面積が
右側部分よりも小さいキャビティ10の左側部分が、結合
開孔23によってこの右側部分から隔離されている。この
結合開孔は、キャビティの２つの部分で連続している波
の間で位相のドリフトがないように構成されている必要
がる。この場合、第５図には、先に引用した特許出願の
互いにカップルした２つのキャビティではなく単一のキ
ャビティが示されている。

第６図は、第１図に示されたキャビティの好ましい形
状の斜視図である。この場合、結合開孔23はない。この
第１のキャビティの上流部分と下流部分は、それぞれ長
さ24、25が互いにほぼ等しい。左側部分の半径26は右側
部分の半径27の半分よりも小さい。この第１のキャビテ
ィの出口にキャビティのノーズが存在している（第１
図）と、先端効果とわずかに似て、このノーズに向けて
電気力線が集中する効果がある。これも全体として電子
を集束させる効果をもつ。

第１のキャビティの内部では電界が全体として上昇す
るため、軸線６に沿って移動すると上で説明したぼやけ
が発生する。電界が反転して遅延かつ集束機能をもつよ
うになった後にのみ電子を放出させることにより自己集
束を起こすことが可能である。特に、次のキャビティ11
内の電界が強い集束性をもっているときにのみこのキャ
ビティ内への電子の侵入を許可することにより集束効果
を増大させることができる。実際には、キャビティ11内
のこの電界の位相がわずかに進んでこの電界の瞬間的な
振幅が大きくなるまで待つ必要がある。この目的で、第
１のキャビティ10をドリフト空間29を介して第２のキャ
ビティ11と連続する。ドリフト空間29の長さは、第２の
キャビティ内のマイクロ波信号の位相の変化を基準にし
た場合に電子ビームが入るのを遅らせるのに十分な長さ
である。

実際には、ドリフト空間29の長さは、第２のキャビテ
ィの入口の加速振幅が最大振幅の半分よりも大きくなる
ような長さにする必要がある。この結果、ドリフト空間
29は、ビームが第１のキャビティを出るときに電子の集
束をぼやけさせる径方向成分が丁度完全に打ち消されて
いるのであれば波長のほぼ1/8になる。この値はまった
く合理的であり、実際に使用される結合孔とノーズの厚
さによく合っている。

実際には、本発明では、従来例と比べて径方向の制御
力を向上させることにより、40kVの電子銃を用いて約75
％の捕獲率を得ることができた。加速されるビームの断
面で得られる電流密度は約５倍大きくなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の線形加速器の図である。 第２図は、本発明の効果を実現するための実際の電界と
理想の電界の分布を示すグラフである。 第３図は、第１のキャビティ内の臨界電子の軌跡を表す
グラフである。 第４図、第５図、第６図は、第１図の加速器の第１のキ
ャビティの実施例の断面図ならびに斜視図である。 （主な参照番号） １……電子銃、２……カソード、３……中空アノード、
４……開孔、５……加速キャビティ列、８、９……結合
孔、10、11、12、13……キャビティ、14……中央平面、
15……左側部分、16……右側部分、22……小径部、23…
…結合開孔、28……ノーズ、29……ドリフト空間、40…
…環状マグネット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01J 23/20 H05H 9/00 - 9/04 H05H 7/14 - 7/20

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】−粒子を入射するための電子銃と、 −この電子銃の下流に位置して、マイクロ波の電界の位
   相が反転する前にすべての電子が通過する場合の長さよ
   りもわずかに長く上流側の第１の部分と下流側の第２の
   部分とを有する第１の加速キャビティと、次いで第２の
   加速キャビティとを入射方向に沿って少なくとも備える
   マイクロ波式加速キャビティ列と、 −上記第１のキャビティの内部のマイクロ波電界が上記
   第２のキャビティの内部のマイクロ波電界よりも小さく
   なるようにする手段と を備える荷電粒子用加速器であって、 −上記第１のキャビティの内部での電界の分布曲線がこ
   の第１のキャビティの第１および第２の部分の間の平面
   に対して非対称な輪郭を有するようにする手段を備え、
   この第１のキャビティの第１の部分での電界の平均値は
   この第１のキャビティの第２の部分での平均値よりも小
   さいことを特徴とする加速器。
2. 【請求項２】上記第１の部分が上記第２の部分よりも長
   いことを特徴とする請求項１に記載の加速器。
3. 【請求項３】上記第１のキャビティの第１の部分の断面
   積がこのキャビティの第２の部分の断面積よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の加速器。
4. 【請求項４】上記第１の部分が、第２の部分の中での電
   界共振モ−ドに対する遮断導波管を構成することを特徴
   とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の加速器。
5. 【請求項５】波長の1/8よりも長いドリフト空間によっ
   て上記の２つのキャビティが隔離されており、π結合モ
   ードにおいて、上記第２のキャビティの入口の電界が自
   己集束することを特徴とする請求項１に記載の加速器。
6. 【請求項６】上記第１のキャビティに磁界集束手段がさ
   らに設けられていることを特徴とする請求項１〜５のい
   ずれか１項に記載の加速器。