JP3261634B2 - 改良された入射空洞構造を有する線形加速器 - Google Patents

改良された入射空洞構造を有する線形加速器

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、概して線形粒子加速器
の分野に関するもので、より厳密には電子及び他の荷電
粒子ビームを生成するための定常波タイプのマイクロ波
線形加速器の分野に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】定常波タイプのマイクロ波線形加速器
は、荷電粒子のビームを高速に加速するための、ビーム
に沿ってともに結合され連続的に配置された、マイクロ
波空洞共鳴器の一連を有する構造をとってきた。荷電粒
子は、比較的低いエネルギーで加速器の入射端における
第一空洞に注入され、さらに連続する空洞を通過するに
従ってマイクロ波場で加速される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ビームが電子から成る
場合には、注入は、加速器の入射端に配置された、速度
と軌道のある分布を伴った電子群を放射する高温カソー
ドから成る電子銃によって達成される。加速された電子
は、連続空洞の中へ入射するに従い、集中し、集束する
はずである。それゆえ実際には、電子銃によって注入さ
れたほんの少しの粒子が、加速器によって生成されたビ
ームの中へ組み込まれる。この受け取られる電子の部分
を最大限にすることが所望される。
【０００４】多数の退けらえた電子は第一空洞の壁を打
つ。しかしながら退けられた電子の幾つかは集束し、口
を通って後方に加速され、十分なエネルギーで後方に放
射される。これらの電子は電子銃の領域を占領し、カソ
ードを打つ。この現象は“後方衝撃”（back-bombardme
nt)として知られている。これら後方衝撃電子は、カソ
ード材質にダメージを与え、電子銃の動作を害する恐れ
がある。従って加速器の入射端での粒子の後方衝撃の量
を最小限にすることも所望される。
【０００５】
【課題を解決するための手段】開示する定常波タイプの
線形加速器（４０）は、入射端での第一マイクロ波空洞
（４２）が拒絶された電子による後方衝撃の量を最小限
にし、加速ビームの中に捕獲された粒子の集束効率及び
粒子部分を増加させるために設計されている。第一空洞
（４２）は粒子の口（２）において再入ノーズ（チャネ
ル）（３）を有するよう設計され、その結果ビーム粒子
は、最初に再入ノーズの内部を形成するドリフト管領域
（３０）に入射する。その後粒子は第一空洞（４２）の
なかへ進入する。ビームに捕獲されたそれらの粒子は、
第二ドリフト管領域（３１）を通過し、第二空洞（４
３）の中へ、さらに加速器（４０）の残りの部分へ進入
する。第二ドリフト管領域（３１）は先細りで、上流
（左）端でのこの領域の直径は、第一ドリフト管領域
（３０）の実質的に均一の直径より短い。後方衝撃粒子
は、第一ドリフト管領域（３０）と口（２）を通って逆
走し、加速器（４０）から現れる。
【０００６】第一空洞（４２）に対するこの構造は、従
来の空洞構造と比較して後方衝撃の量の重要な削減を与
える利点をもつ。第一空洞（４２）に対する本構造は、
第一空洞（４２）内での電場の大きさを減少させる。さ
らにノーズ（３）の形状は、口（２）に向かって逆走す
る粒子を拡散する傾向にある。それゆえ、後方に伝搬さ
れる粒子の数及びこれらの粒子の平均エネルギーは、従
来の空洞に比べ減少する。
【０００７】さらに、本構造は、第一空洞（４２）内の
ビームに捕獲された粒子を、より緩やかに集束する。こ
の効果は、第一空洞（４２）内での電場傾斜の大きさが
減少する事実から生じる。さらに緩やかな集束により、
粒子がビーム中に捕獲される効率は増加する。つまり、
この構造は、加速器から後方に放射される粒子の数とエ
ネルギーを減少させ、加速するビームの平均を増加させ
る。
【０００８】これらの利点及び本発明の他の特徴は、添
付された図面とともに以下の好適実施例の詳細な説明に
より明らかとなるであろう。
【０００９】
【実施例】図１は本発明に従った定常波タイプのマイク
ロ波線形粒子加速器４０を示す。粒子ソース１は部分的
略図として示されている。このソースから放射された粒
子が、口２を通って加速器に進入し、一連の加速空洞４
２、４３、４４を通過する。最初の三つの加速部分のみ
が図に示されている。右方にのびた付加的部分は描かれ
ていないが有ってもよい。
【００１０】第一マイクロ波空洞４２は、壁４によって
限定されている。粒子は、空洞４２内に伸張した再入ノ
ーズ３を通って進入する。このノーズ３は、口２に結合
されたチャネルから成るドリフト領域３０を有し、入射
粒子は、このドリフト領域チャネル３０を通って空洞４
２の内部に進入する。入射粒子は速度及び軌道の分布を
もつ。この空洞４２内部の電磁場により、この粒子部分
は集束しビーム軸に沿って加速され口３１を通って隣の
空洞４３の中に進行する束(bunch)に形成される。この
口３１は空洞４３内に伸張した再入ノーズ５内のドリフ
ト領域である。ドリフト領域３１は、ドリフト領域３０
の実質的に均一の直径より上流（左）端での方が狭くな
る先細り直径を有する。束はこの空洞４３の中でマイク
ロ波場によって同様に加速される。このようにして、粒
子ビームは、空洞間を走行する際それぞれ通過するドリ
フト領域３２及び３３を有する再入ノーズ１０、１２及
び１３により結合された空洞４４を通って走行し続け
る。束はビームが加速器を通過するときにそれぞれの空
洞部分で加速される。
【００１１】図１に示されたマイクロ波構造は、“側方
連結空洞タイプ”（side-coupled cavity type）のもの
である。空洞７はビーム軸を外れて配置され、開口部８
を通して空洞４２に、開口部９を通して空洞４３に結合
されている。空洞２０は開口部１９を通して空洞４３
に、開口部２１を通して空洞４４に結合されている。空
洞２３は開口部２２を通して空洞４４に結合されてい
る。従って空洞はすべて、加速構造の全長に沿ってお互
いに結合され、マイクロ波パワーは一連の空洞全体に供
給される。装置は定常波モードで動作し、すなわちビー
ム中央線空洞４２、４３、及び４４内の領域はビーム束
を加速し、側方連結空洞７、２０、及び２３内の領域は
ビームに影響しない。これは“π／２モード”として知
られていて、なぜなら中央線に結合された空洞と側方連
結空洞との間で、電磁場は位相で９０度異なる位相関係
を有するためである。それゆえ隣接した中央線空洞は、
電磁場の中で１８０゜位相のずれをもつ。
【００１２】前記構造の利点は、加速器のこのタイプの
従来設計である図２に示された構造と比較することによ
り評価される。これらの設計の違いは、第一空洞４２´
内の再入ノーズ及びドリフト領域の配置にある。図２の
従来構造において、再入ノーズ３´は第一空洞４２´の
下流の壁８´の上に配置され、このノーズ３´のドリフ
ト領域３１´はまた、隣接する空洞４３に伸張したノー
ズ５´のドリフト領域でもある。この点は図１の再入ノ
ーズ３の配置及び構造との対照的である。再入ノーズ３
の幾何学的パラメータは、従来のノーズ３´と同じ共鳴
振動数を生成するよう設計されている。
【００１３】再入ノーズ３の配置におけるこの改良及び
先細りドリフト領域３１の設計は、入射空洞４２内の粒
子ビームに著しい効果をもたらす。ノーズ３の先端から
第二空洞４３の中央までの距離は、図２の従来構造の対
応する距離より短いので、第一空洞４２における電場
は、集束効果を損なうことなく減少可能である。さら
に、電場の形状は図１に示されたようになり、その結果
ビーム軸に沿って口２に向かって逆走する粒子は、ドリ
フト領域３０及び３１の相対的な直径のためにビーム軸
をそれて拡散する傾向にある。対照的に、図２の第一空
洞４２´における逆走粒子は、吸い込み口に向かって集
中する傾向にある。正味の効果は、後方衝撃粒子の強度
及びエネルギーが実質的に本構造において減少するとい
うことである。
【００１４】この結果は、電子放射銃パルスの間に、後
方衝撃粒子によって起こるカソード１４の電流の下降を
測定することによって確かめられた。この改良は、二つ
のうち少なくとも一つの要因によって後方衝撃電流を減
少させることが可能であるということが、典型的動作条
件のもとで発見された。
【００１５】さらに、入射空洞の再入ノーズの構造にお
ける本改良は、後方衝撃粒子のエネルギーを減少させる
ことも発見された。典型的動作条件のもとで、この減少
はほぼ三つの要因によるもので有り得る。従って、典型
的動作条件のもとで、後方衝撃によるカソード１４内へ
のパワーの下降における全ての減少は、少なくとも六つ
の要因によるもので有り得る。
【００１６】本発明の前記説明は、図示と説明のために
提供された。それは余すところなく語られたものでも、
本発明をここで示された厳密な形式に限定するものでも
なく、多くの修正及び変形が、上記教示に照らして可能
である。実施例は、発明の原理と、それによって他の当
業者が様々な実施例と様々な企図された特殊使用に適合
する修正をもって、本発明を最適に利用することができ
るような実用的応用を、最良に説明するために選ばれ説
明されている。本発明の思想及び範囲は特許請求の範囲
によって画成させるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】部分的略図として示されたビーム粒子ソースを
有し、ビーム軸が断面上にあるところの、本発明に従っ
た定常波タイプの線形加速器の部分の横断面図である。
【図２】部分的略図として示されたビーム粒子ソースを
有し、ビーム軸が断面上にあるところの、従前の設計に
従った定常波タイプの線形加速器の部分の横断面図であ
る。
【符号の説明】
４０ マイクロ波線形加速器 ２ 口 ３ 再入ノーズ １４ カソード ４２ 第一空洞 ４３ 第二空洞 ４４ 第三空洞 ３０ ドリフト導管 ３１ 先細り内部形状のドリフト導管 ３２ ドリフト導管 ３３ ドリフト導管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭48−42300（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−35896（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−76700（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−313900（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−230700（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−107499（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−69900（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05H 9/04 H05H 7/18 H05H 9/00

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】荷電粒子を加速するための線形加速器であ
    って、 荷電粒子を生成するための粒子ソースと、 第１サイド及び第１サイドと反対側の第２サイドを有す
    る第１空洞と、 第１サイドに隣接して前記第１空洞内に突起し、そこを
    通って前記粒子ソース及び前記第１空洞に通じるチャネ
    ルを有するくぼみ形ノーズと、 前記第１空洞の第２サイドに隣接する第１サイド及び第
    １サイドと反対側の第２サイドを有する第２空洞と、 前記くぼみ形ノーズ内のチャネルと一列をなし、前記第
    １空洞及び前記第２空洞に通じる先細り導管であって、
    前記第１空洞の第２サイドに隣接する第１直径と第２空
    洞の第１サイドに隣接する第１直径より大きい第２直径
    を有する先細り導管と、 電磁場を内部に生成するために前記第１空洞及び前記第
    ２空洞に結合された電源と、 から成る線形加速器。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の線形加速器であって、さ
    らに、前記第２空洞の第２サイドに隣接し、前記先細り
    導管と一列をなし及び前記第２空洞に通じる導管から成
    る線形加速器。
  3. 【請求項３】請求項２に記載の線形加速器であって、前
    記先細り導管及び前記導管は荷電粒子に対する複数のド
    リフト領域から成る、ところの線形加速器。
  4. 【請求項４】請求項２に記載の線形加速器であって、さ
    らに、 複数の付加的空洞であって、前記複数の付加的空洞の最
    初のひとつは前記導管に通じるところの付加的空洞と、 前記先細り導管と一列をなす複数の付加的導管であっ
    て、前記複数の付加的導管の各々は前記複数の付加的空
    洞の２つに通じているところの付加的導管と、から成る
    線形加速器。
  5. 【請求項５】請求項１に記載の線形加速器であって、さ
    らに、前記くぼみ形ノーズ内のチャネル及び前記先細り
    導管の軸をはずれて配置された側方連結空洞から成り、
    前記側方連結空洞は前記第１空洞及び前記第２空洞と通
    じている、ところの線形加速器。
  6. 【請求項６】請求項１に記載の線形加速器であって、前
    記先細り導管は前記第１空洞の第２サイドと同一平面上
    にあり、前記第２空洞の第１サイドに隣接する前記第２
    空洞内に突起する側壁を有する、ところの線形加速器。
  7. 【請求項７】粒子ソースによって生成された荷電粒子を
    加速するための線形加速器であって、 粒子ソースに結合された口と、 第１サイド及び第１サイドの反対側の第２サイドを有す
    る第１空洞と、 第１サイドに隣接して前記第１空洞内に突起し、そこを
    通って前記口に結合するチャネルを有するくぼみ形ノー
    ズと、 前記第１空洞の第２サイドに隣接する第１サイド及び第
    １サイドと反対側の第２サイドを有する第２空洞と、 前記くぼみ形ノーズ内のチャネルと一列をなし、前記第
    １空洞及び前記第２空洞と通じる導管であって、前記第
    １空洞の第２サイドと同一平面上にありかつ前記第２空
    洞の第１サイドに隣接して前記第２空洞内に突起する側
    壁を有するところの導管と、 前記第１空洞及び前記第２空洞内に定常波モードで電磁
    場を生成するための前記第１空洞及び前記第２空洞に結
    合されたマイクロ波パワー生成器と、 から成る線形加速器。
  8. 【請求項８】請求項７に記載の線形加速器であって、さ
    らに前記導管を一列をなす複数の付加的導管であって、
    前記複数の付加的導管の最初のひとつは前記第２空洞に
    通じるところの付加的導管と、 複数の付加的空洞であって、前記複数の付加的空洞の各
    々は少なくともひとつの前記複数の付加的導管と通じる
    ところの付加的空洞と、 から成る線形加速器。
  9. 【請求項９】請求項７に記載の線形加速器であって、さ
    らに、前記くぼみ形ノーズ内のチャネル及び前記導管の
    軸からはずれて配置された側方連結空洞から成り、前記
    側方連結空洞は前記第１空洞及び前記第２空洞と通じる
    ところの線形加速器。
  10. 【請求項１０】請求項７に記載の線形加速器であって、 くぼみ形ノーズを通るチャネルは前記口の直径より大き
    い直径を有し、 前記導管は先細りにされており、前記第１空洞の第２サ
    イドに隣接する第１直径と第２空洞の第１サイドに隣接
    する第２直径を有し、第１直径は第２直径より小さいと
    ころの線形加速器。
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