JP3268237B2

JP3268237B2 - フォトカソードを用いた電子銃

Info

Publication number: JP3268237B2
Application number: JP20319097A
Authority: JP
Inventors: 方一鷲尾
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-07-29
Filing date: 1997-07-29
Publication date: 2002-03-25
Anticipated expiration: 2017-07-29
Also published as: US6094010A; JPH1145676A; EP0895266A1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子銃に関し、特
に電子ビームのエネルギを増大し、電子ビーム取り出し
の繰り返し周波数を高くするのに適した電子銃に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】フォトカソードを用いた高周波電子銃
（ＲＦガン）は、空洞を画定する導電性の容器、空洞内
に光電子を放出するフォトカソード、空洞内に高周波電
場を発生させる導波路を含んで構成される。フォトカソ
ードに周期的に光を照射すると、空洞内にパルス的に光
電子が放出される。この光電子が、空洞内に発生した高
周波電場によって集束、加速される。高周波電場は、フ
ォトカソードへの光照射に同期して印加される。例え
ば、光照射の繰り返し周波数は１０Ｈｚ程度にされる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】電子銃から周期的に放
出される電子ビームの繰り返し周波数を高くすることが
望まれている。また、取り出される電子ビームのエネル
ギを高くすることが望まれている。

【０００４】本発明の目的は、電子ビーム取り出しの繰
り返し周波数を高くし、高エネルギの電子ビームの取り
出しに適した電子銃を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、電子ビームが伝搬する空洞を画定する導電性容器
と、光照射によって前記空洞内に光電子を放出するフォ
トカソードと、前記空洞内にマイクロ波を導入する導波
管と、記導電性容器の壁に設けられ、前記空洞内に放出
された光電子を空洞外に導出するための開口部と、記導
電性容器を強制的に冷却するための冷媒を流す流路とを
有し、前記導電性容器が、円筒状の内周面を画定する円
筒部と、該円筒状の内周面の軸方向のある位置におい
て、全周囲からその中心軸に向かって庇状に突出し、中
心部分に貫通孔を画定する突出部とを有する電子銃が提
供される。

【０００６】空洞内にマイクロ波を導入すると、空洞内
に高周波電場が励起される。この電場により、フォトカ
ソードから放出された光電子が加速される。また、高周
波電場により、導電性容器の温度が上昇する。流路に冷
媒を流すことにより、温度上昇を抑制することができ
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】本願発明の実施例を説明する前
に、フォトカソードを用いた高周波電子銃（ＲＦガン）
の構造及び動作原理について説明する。

【０００８】図６は、最も簡単なＲＦガンの概略断面図
を示す。導電性の容器１００によりキャビティ１０１が
画定されている。容器１００の内面にフォトカソード１
０２が取り付けられている。容器１００の壁に設けられ
た窓１０３を通してキャビティ１０１内に光が入射し、
フォトカソード１０２の表面を照射する。フォトカソー
ド１０２からキャビティ１０１内に光電子が放出され
る。

【０００９】容器１００に取り付けられた導波管１０４
を通してキャビティ１０１内にマイクロ波が入射し、キ
ャビティ１０１内に高周波電場が励起される。フォトカ
ソード１０２から放出された光電子が、高周波電場によ
り加速され、容器１００の壁に設けられた開口１０５を
通って外部に放出される。

【００１０】通常、フォトカソード１０２にパルス的に
光が照射され、光の照射に同期したパルス状の電子ビー
ムが取り出される。マイクロ波は、光の照射に同期して
断続的にキャビティ１０１内に入射される。

【００１１】従来、フォトカソードを用いたＲＦガン
は、主に研究用装置として開発されてきた。このため、
電子ビームの取り出しの繰り返し周波数が１０Ｈｚ程度
以下となる条件で使用されていた。

【００１２】本願発明者は、解析的検討により電子ビー
ム取り出しの繰り返し周波数を高くしていくと、容器の
温度上昇により安定した動作が困難になることを見出し
た。以下に、本願発明者の行った解析について説明す
る。

【００１３】図６に示す容器１００を、銅製の中空の円
筒状形状と仮定し、１次元簡易モデルについて解析的検
討を行った。円筒状容器の内周面から熱が流入し、外周
面から放熱される。内周面からの入熱量をＱ_in（ｋｃａ
ｌ／ｈｒ）、容器の熱伝導率をλ（ｋｃａｌ／ｍ／ｈｒ
／℃）、容器の長さをＬ（ｃｍ）、容器の内周面の温度
をθ₁（℃）、外周面の温度をθ₂（℃）、容器の内周
面の半径をｒ₁（ｃｍ）、外周面の半径をｒ₂（ｃｍ）
とすると、

【００１４】

【数１】Ｑ_in＝２πλＬ（θ₁−θ₂）／ｌｎ（ｒ₂／ｒ₁） …（１）が成立する。

【００１５】定常状態では、内周面からの入熱量と外周
面からの放熱量が等しくなくなる。このため、容器の外
周面における境膜伝熱係数をｈ（ｋｃａｌ／ｍ²／ｈｒ
／℃）、周囲の温度をθ₃（℃）とすると、

【００１６】

【数２】Ｑ_in＝ｈ×２πｒ₂Ｌ（θ₂−θ₃） …（２）が成立する。

【００１７】ＲＦ電力を入力したときの円筒状容器の内
周面における電力損失をｑ_in（Ｗ／ｃｍ²）とすると、
内周面からの入熱量Ｑ_inは、Ｑ_in＝ｑ_in（２πｒ₁Ｌ／１０００）×３６００／４．１８…（３）と表される。

【００１８】エミッタンスの高い電子ビームを取り出す
には、電子ビームのエネルギをなるべく高くすることが
好ましい。例えば、４．３ＭｅＶの電子ビームを得るた
めには、入力するＲＦ電力を６〜７ＭＷとする必要があ
る。ＲＦ電力を６〜７ＭＷ、電子ビーム取り出しの繰り
返し周波数を５０Ｈｚ、１周期あたりの入射時間を３．
５μｓとしたとき、経験的に銅表面において約５Ｗ／ｃ
ｍ²程度の電力損失を生ずると考えられる。ｑ_in＝５Ｗ
／ｃｍ²、λ＝３３２ｋｃａｌ／ｍ／ｈｒ／℃、Ｌ＝
３．２ｃｍ、ｒ₁＝４．１２５ｃｍ、ｒ₂＝６．６７ｃ
ｍとした場合、式（３）からＱ_in＝３５７．１５ｋｃａ
ｌ／ｈｒとなる。これを式（１）に代入すると、θ₁−
θ₂＝２．５７℃となる。すなわち、円筒状容器の内周
面から５Ｗ／ｃｍ²の入熱があると、内周面と外周面と
の間に２．５７℃の温度差が生ずることになる。

【００１９】銅表面を自然対流で除熱する場合の境膜伝
熱係数ｈは、約１０ｋｃａｌ／ｍ²／ｈｒ／℃程度であ
る。式（２）において外気温度θ₃を２５℃とすると、
θ₂＝２６８８℃となる。このように、自然対流による
除熱では、銅の融点以上まで温度が上昇することにな
り、６〜７ＭＷのＲＦ電力を入力できないことがわか
る。

【００２０】円筒状容器の外周面の温度を４０℃とする
ために必要な境膜伝熱係数ｈは、式（２）においてθ₂
＝４０℃とすることにより、ｈ＝１７７５ｋｃａｌ／ｍ
²／ｈｒ／℃となる。この程度の境膜伝熱係数は、乱流
域の水流を用いることにより達成可能である。

【００２１】上記考察から、空冷により円筒状容器を十
分冷却することは困難であるが、水冷により十分な冷却
が可能であると思われる。

【００２２】次に、図１及び図２を参照して、本発明の
実施例によるＲＦガンについて説明する。

【００２３】図１（Ａ）は、実施例によるＲＦガンの断
面図を示す。銅製の円筒状の容器１により空洞２が画定
されている。円筒状容器１の一方の端は、銅製の蓋３で
密閉されている。蓋３と円筒状容器１との間には、金属
製のＯリングが介在し、気密性が保たれている。円筒状
容器１の他端は、中央に円形の開口４が形成されたフラ
ンジ構造を有する。

【００２４】蓋３の内面のほぼ中央に、マグネシウム製
のフォトカソード５が取り付けられている。

【００２５】円筒状容器１の内周面の軸方向の所定の位
置に、全周囲からその中心軸に向かって庇状に突出した
突出部６が形成されている。突出部６は、その中心部分
に円形の貫通孔７を画定する。突出部６により、空洞２
が、フォトカソード５側の第１空洞２ａと開口４側の第
２空洞２ｂに分離される。

【００２６】蓋３の内部に流路１０が形成されている。
流路１０は、蓋３の中心軸に関して４回回転対称になる
ように配置された４つの流路から構成される。各流路１
０は、蓋３の外周面から中心軸に向かって延在し、中心
に至る手前で折り返し、外周面に戻る。

【００２７】円筒状容器１に、流路１１及び１２が形成
されている。流路１１は、円筒状容器１の中心軸方向に
関して突出部６に対応する位置に設けられている。流路
１２は、円筒状容器１の開口４が設けられた端部近傍に
形成されている。

【００２８】図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ｂ１
−Ｂ１における断面図、すなわち流路１１の形成された
位置における断面図を示す。図１（Ｂ）の一点鎖線Ａ１
−Ａ１における断面が図１（Ａ）に相当する。流路１１
は、円筒状容器１の外周面から半径方向に沿い突出部６
の内部まで延在する。円筒状容器１の内周面よりも径の
小さな位置において折り返され、半径方向に沿って外周
面に戻る。

【００２９】図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ｃ１
−Ｃ１における断面図、すなわち流路１２の形成された
位置における断面図を示す。図１（Ｃ）の一点鎖線Ａ１
−Ａ１における断面が図１（Ａ）に相当する。流路１２
は、８本設けられている。各流路１２は、図１（Ａ）に
示すように、円筒状容器１の中心軸に平行に延在する流
路部分、及びその両端においてその流路部分にそれぞれ
連通し、円筒状容器１の外周面に開口する２本の流路部
分から構成される。なお、図１（Ｃ）に示すように、流
路１２が中心軸に対して回転対称になるように配置され
ていないのは、図２（Ｂ）を参照して後述する導波管の
配置を考慮したためである。

【００３０】図２（Ａ）は、図１（Ｂ）の一点鎖線Ａ２
−Ａ２における断面図を示す。第１空洞２ａの側壁に２
つのレーザ導入孔２０が形成されている。レーザ導入孔
２０にはレーザ光を透過する窓２１が設けられ、空洞２
内が気密に保たれている。レーザ導入孔２０から第１空
洞２ａ内に入射したレーザ光は、フォトカソード５を照
射する。

【００３１】図２（Ｂ）は、図１（Ｂ）の一点鎖線Ｂ２
−Ｂ２における断面図を示す。導波管８が円筒状容器１
の側壁を貫通し、第２空洞２ｂに連通している。導波管
８が取り付けられた位置に対向する側壁部に、真空ダク
ト９が取り付けられている。真空ダクト９を介して空洞
２ａ及び２ｂ内が真空排気される。

【００３２】次に、図１及び図２に示すＲＦガンの動作
について説明する。図２（Ａ）に示すレーザ導入孔２０
から第１空洞２ａ内に、波長２６６ｎｍ、パルス幅５〜
１０ｐｓのＮｄ：ＹＬＦレーザ光を入射する。レーザ光
がフォトカソード５を照射すると、フォトカソード５か
ら光電子が放出される。

【００３３】レーザ光の照射に同期して、図２（Ｂ）に
示す導波管８から第２空洞２ｂ内に、周波数２．８５６
ＧＨｚ、電力６〜７ＭＷのマイクロ波を、１周期あたり
約１μｓの期間だけ入射する。第１空洞２ａ及び第２空
洞２ｂ内に高周波電場が励起される。

【００３４】フォトカソード５から放出された光電子
が、第１空洞２ａ及び第２空洞２ｂ内に励起された高周
波電場により加速され、開口４を通って外部に放出され
る。このようにして、パルス状の電子ビームが得られ
る。

【００３５】図１（Ａ）に示す流路１０、１１及び１２
に、冷却水を流しておく。冷却水により、円筒状容器１
及び蓋３の温度上昇を抑制することができる。ＲＦガン
の各部の熱膨張が抑制され、第１空洞２ａ及び第２空洞
２ｂの寸法ずれによる動作の不安定性を解消することが
できる。また、大電力のマイクロ波の入射が可能になる
ため、光エネルギの電子ビームを得ることができる。さ
らに、電子ビーム取り出しの繰り返し周波数を高めるこ
とが可能になる。

【００３６】次に、水冷の効果を検証したシミュレーシ
ョン結果について説明する。シミュレーションに用いた
ＲＦガンのモデルは、中心軸に関して回転対称とした。
従って、各流路１０、１１及び１２は、中心軸に関して
回転対称な円環状形状を有する。

【００３７】図３は、シミュレーションモデルの回転中
心軸３０を含む断面の片側を示す。シミュレーションモ
デルにおける蓋３の厚さは２６ｍｍ、第１空洞２ａの厚
さは２３ｍｍ、突出部６の厚さは２２ｍｍ、第２空洞２
ｂの厚さは３２ｍｍ、フランジ部の厚さは２１．５ｍｍ
である。また、円筒状容器１の外周面の半径は６６．７
ｍｍ、内周面の半径は４１．２５ｍｍ、突出部６の先端
に画定された貫通孔７及び開口４の半径は１２．５ｍｍ
である。

【００３８】流路１０は蓋３の内部に埋め込まれてい
る。その内周面の半径は２０ｍｍ、外周面の半径は４０
ｍｍ、軸方向の厚さは９ｍｍ、第１空洞２ａの図の上面
との間隔は１０ｍｍである。冷却水は、流路１０の外周
面から内周面に向かって径方向に流れる。

【００３９】流路１１は突出部６の内部に埋め込まれて
いる。その内周面の半径は２６．２５ｍｍ、外周面の半
径は３６．２５ｍｍ、軸方向の厚さは９ｍｍ、第２空洞
２ｂの図の上面との間隔は２ｍｍである。冷却水は、流
路１１の外周面から内周面に向かって径方向に流れる。

【００４０】流路１２は円筒状容器１のフランジ部近傍
に埋め込まれている。その内周面の半径は４３．２５ｍ
ｍ、外周面の半径は５２．２５ｍｍ、軸方向の厚さは１
０ｍｍ、第２空洞２ｂの図の下面を延長した平面との間
隔は２ｍｍである。冷却水は、流路１２の図の上面から
下面に向かって中心軸３０に平行な方向に流れる。各流
路とも、水の流入面と流出面（図３において二重線で示
す面）においては断熱状態であり、水流に平行な面での
み熱の流入があると仮定した。

【００４１】ＲＦガンの内面をＳ１からＳ２３までの２
３個の領域に分け、各領域ごとに入熱量を仮定した。領
域Ｓ１からＳ２３までの各領域ごとに仮定した入熱量
は、それぞれ０．３３Ｗ／ｃｍ²、１．４０Ｗ／ｃ
ｍ²、２．６４Ｗ／ｃｍ²、２．８６Ｗ／ｃｍ²、２．
４４Ｗ／ｃｍ²、２．４０Ｗ／ｃｍ²、２．７５Ｗ／ｃ
ｍ²、２．５３Ｗ／ｃｍ²、０．６５Ｗ／ｃｍ²、０．
０００８Ｗ／ｃｍ²、０．０００２Ｗ／ｃｍ²、０．０
０３Ｗ／ｃｍ²、０．０１Ｗ／ｃｍ²、１．１７Ｗ／ｃ
ｍ²、４．６２Ｗ／ｃｍ²、５．０６Ｗ／ｃｍ²、４．
４１Ｗ／ｃｍ²、４．４２Ｗ／ｃｍ²、４．４１Ｗ／ｃ
ｍ²、５．０６Ｗ／ｃｍ²、４．６２Ｗ／ｃｍ ²、１．
１９Ｗ／ｃｍ²、０．０１Ｗ／ｃｍ²である。なお、こ
れらの入熱量の分布は、経験上得られたデータに従って
決定した。また、その最大値が約５Ｗ／ｃｍ²になるよ
うに決めた。

【００４２】ＲＦガンの外周面は対大気放熱条件（境膜
伝熱係数ｈ＝１０ｋｃａｌ／ｈｒ／ｍ²／℃）、内面
（領域Ｓ１〜Ｓ２３）は断熱条件とした。また、各流路
の流入面においては流速が一定であり、流出面において
は流量が保存されると仮定した。外気温度は２５℃、
冷却水の流入面における温度は２５℃、流速は０．５ｍ
／ｓである。この条件で、流路１０、１１及び１２を流
れる冷却水の流量は、それぞれ６７．８リットル／ｍｉ
ｎ、６１．５リットル／ｍｉｎ、及び８１．０リットル
／ｍｉｎになる。

【００４３】図４は、ＲＦガン内の温度分布を示す。図
４内に示す曲線は等温線であり、各等温線に対応して温
度を示している。開口部４近傍で最も高温になり、その
温度は約３２５Ｋ（５２℃）であった。また、最低温度
は、約３１８Ｋ（４５℃）であった。最高温度と最低温
度との差は約７℃である。

【００４４】これに対し、冷却水用の流路を形成しない
場合について同様の条件でシミュレーションしたとこ
ろ、突出部６の先端で最高温度約２３１０Ｋ（２０３７
℃）を示し、外周面のコーナ部で最低温度約２３００Ｋ
（２０２７℃）を示した。最高温度と最低温度との温度
差は、約１０℃であった。

【００４５】このように、ＲＦガンの容器内に冷却水用
の流路を埋め込み、冷却水を流して冷却することによ
り、ＲＦガンの温度上昇を抑え、温度差も減少させるこ
とができる。

【００４６】なお、図３に示すシミュレーションモデル
では、ＲＦガンの容器内に円環状の流路を形成してい
る。これに対し、図１（Ａ）に示すＲＦガンの各流路
は、中心軸の回りに全周にわたって連続して配置されて
はいない。このため、図１（Ａ）に示すＲＦガンでは、
シミュレーションモデルよりも冷却性能が低下すると考
えられる。そこで、図３に示すシミュレーションモデル
よりも条件を厳しくし、流路１１の第２空洞２ｂ側の面
を断熱状態と仮定した場合（ケース１）、及び流路１１
の第２空洞２ｂ側の面と流路１２の中心軸３０側の面を
断熱状態と仮定した場合（ケース２）について、シミュ
レーションを行った。その他の条件は、上記シミュレー
ションの場合と同様とした。

【００４７】ケース１の場合、最高温度は約３３１Ｋ
（５８℃）、最低温度は３２１Ｋ（４８℃）であり、最
大温度差は１０℃であった。ケース２の場合、最高温度
は約３４１Ｋ（６８℃）、最低温度は３２１Ｋ（４８
℃）であり、最大温度差は２０℃であった。このよう
に、図３のシミュレーションモデルに比べて、温度上昇
幅が大きくなる。しかし、空冷のみの場合に比べて温度
上昇幅は少なくなっており、水冷の効果が現れている。

【００４８】図１及び図２に示した実施例を、実際のＲ
Ｆガンに適用する場合には、ＲＦガンの寸法、印加する
ＲＦ電力、繰り返し周波数等の実際の使用条件に応じ
て、好適な流路形状、流路数、冷却水の流量等を求める
ことが好ましい。

【００４９】次に、図５を参照して、図１に示す流路１
１の他の構成例について説明する。図５は、図１の一点
鎖線Ｂ１−Ｂ１に相当する断面図を示す。流路３１が、
円筒状容器１の外周面から壁内に入り込み、中心の貫通
孔７の周囲を回って外周面に戻っている。流路３１は、
５つの直線状の流路部分３１Ａ〜３１Ｅにより構成され
る。

【００５０】流路部分３１Ｂ〜３１Ｅの各々は、貫通孔
７を取り囲む正方形の各辺に沿って配置されている。各
流路部分３１Ｂ〜３１Ｅは、円筒状容器１の外周面から
この正方形の各辺に沿って直線状の孔を堀ることにより
形成される。流路部分３１Ｃ〜３１Ｅを構成する孔は、
それぞれ流路部分３１Ｂ〜３１Ｄに連通する深さまで掘
られている。流路部分３１Ｂを構成する孔は、流路部分
３１Ｅに連通する直前で止まり、その先端において、流
路部分３１Ｅに平行に掘られた流路部分３１Ａに連通し
ている。流路部分３１Ｂ〜３１Ｄの各開口部は、蓋で塞
がれている。

【００５１】各流路部分３１Ｂ〜３１Ｅの一部は、図１
（Ａ）における突出部６の内部、すなわち円筒状容器１
の内径よりも径の小さな部分を通過する。円形断面の中
心から流路部分３１Ｂ〜３１Ｅの中心までの距離は、例
えば約１９ｍｍである。なお、その他の部分の大きさ
は、図３で説明した通りである。このような構成とする
ことにより、突出部６を効果的に冷却することができ
る。

【００５２】図５では、正方形の各辺に沿った直線状の
流路部分を有する流路について示したが、貫通孔７のま
わりをほぼ１周するその他の形状の流路も設けてもよ
い。例えば５角形以上の多角形の外周、円周等に沿う流
路を設けてもよい。この場合も、流路の一部が円筒状容
器１の内径よりも径の小さな部分を通過するように構成
することが好ましい。

【００５３】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＲＦガンの温度上昇を抑制することができ、電子ビーム
のエネルギを増大し、電子ビーム取り出しの繰り返し周
波数を高くすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるＲＦガンの断面図であ
る、

【図２】本発明の実施例によるＲＦガンの断面図であ
る、

【図３】ＲＦガンのシミュレーションモデルの部分断面
図である。

【図４】ＲＦガン内の温度分布を示す図である。

【図５】ＲＦガンの流路の他の構成例を示す断面図であ
る。

【図６】従来のＲＦガンの断面図である。

【符号の説明】

１円筒状容器２空洞３蓋４開口５フォトカソード６突出部７貫通孔８導波管９真空ダクト１０、１１、１２、３１流路２０レーザ導入孔２１窓３１Ａ〜３１Ｅ流路部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/073 H01J 37/248

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電子ビームが伝搬する空洞を画定する導
電性容器と、光照射によって前記空洞内に光電子を放出するフォトカ
ソードと、前記空洞内にマイクロ波を導入する導波管と、前記導電性容器の壁に設けられ、前記空洞内に放出され
た光電子を空洞外に導出するための開口部と、前記導電性容器を強制的に冷却するための冷媒を流す流
路とを有し、前記導電性容器が、円筒状の内周面を画定する円筒部と、該円筒状の内周面の軸方向のある位置において、全周囲
からその中心軸に向かって庇状に突出し、中心部分に貫
通孔を画定する突出部とを有する電子銃。
【請求項２】前記流路が、前記導電性容器の壁内に埋
設されている請求項１に記載の電子銃。
【請求項３】前記流路が、前記導電性容器の外周面か
ら壁内に入り込み、前記突出部の内部において、少なく
とも一部が前記円筒部の内周面の内径よりも径の小さな
位置を通過し、前記導電性容器の外周面に達する請求項
１に記載の電子銃。
【請求項４】前記流路が、前記突出部の内部において
前記円筒部の内周面の内径よりも径の小さな位置で折り
返され、外周面に戻ってくる請求項３に記載の電子銃。
【請求項５】前記流路が、前記突出部の中心の貫通孔
の周囲を回り、外周面に達する請求項３に記載の電子
銃。
【請求項６】前記流路が、前記円筒部の中心軸に平行
な方向に流れる部分を有する請求項１に記載の電子銃。