JP3308941B2 - 電子ビーム加速器を利用した産業用エックス線源及び電子線源 - Google Patents

電子ビーム加速器を利用した産業用エックス線源及び電子線源

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    • H01J2235/1006—Supports or shafts for target or substrate

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子ビーム源及び
エックス線源に関するものであり、より詳しくは10MeV
級、数kW以上のビームエネルギーと出力を有し、連続的
に運転される電子ビーム加速器とこれから引き出される
電子ビームを利用し、半径方向に集束され、また、空間
的に均一な電子ビーム及びエックス線を照射できる照射
装置を含んだ電子線源及びエックス線源に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】電子線源とエックス線源は、その構成が
同一で単に照射装置の電子引き出し窓にエックス線発生
用ターゲットを追加的に含むか否かにより、エックス線
源と電子線源が変わるので、本発明でエックス線源や電
子線源と限定するのが困難でエックス線源及び電子線源
と命名する。
【０００３】産業用電子ビーム加速器は、その加速方法
により、直流高電圧加速方式と高周波加速方式に分ける
ことができる。
【０００４】直流高電圧加速方式は、得ようとするビー
ムエネルギーに該当する直流電圧を電極間に印加して電
子を加速する方法で、連続ビームを得ることができ、エ
ネルギー変換効率が高い。しかし、加速エネルギーに該
当する高電圧を発生させなければならないため装置の大
きさは、高エネルギーになるほど大きくなって産業的に
利用可能な範囲は、電子ビーム加速器のビームエネルギ
ーが5MeV以下の加速器である。
【０００５】高周波加速方式は、進行波(travelling wa
ve)ないし定常波(standing wave)の形態を有する高周波
電界(electrical field)を利用して電子を加速する方法
であり、相対的に小さい装置を利用して高いエネルギー
の電子ビームを得ることができる。
【０００６】現在産業用として応用される電子ビーム加
速器は、照射(irradiation)対象物質の放射化(activati
on)のため使用可能な電子ビームエネルギーが10MeV以下
に規定されているので、高周波加速方式を利用した電子
加速器は、主にビームエネルギーが5ないし10MeVの領域
で用いられている。
【０００７】現在10MeVのビームエネルギーを有する産
業用電子ビーム加速器は、RF線形加速器(radio frequen
cy linear accelerator、以下RF Linacと称する)と1980
年代末フランス原子力庁(CEA)のポトラー(J.Pottler)に
より提案されたロードトロン(Rhodotron)がある。
【０００８】RF Linacは、科学用として広く用いられる
高エネルギー線形電子加速器の加速原理を利用したもの
であり、進行波を利用して電子を加速する。
【０００９】高出力RF Linacの場合、加速器の空洞壁(c
avity wall)で起きるRF電力の損失と電子ビーム損失の
ため生じる不均一な熱により、歪み(distortion)が起
き、このためビーム不安定性(instability)が生じるこ
とがある。このような理由で産業用として応用されるRF
Linacは、平均出力が25kW程度であり、不連続的なパル
スモードで動作する。
【００１０】これに反しロードトロンは、数mの波長を
有する低い周波数の電磁波(Electromagnetic wave)を利
用し、同軸空洞を用いるためRF電力損失により発生され
る空洞の熱負荷が既存のRF Linacの場合より小さく、こ
のような理由で高いビーム出力を有する電子ビームを得
ることができる。したがって、現在世界的に用いられる
産業用加速器市場中10MeV、25kW以上の電子ビームを要
求する所では、ロードトロンがほぼ唯一に用いられてい
る実情である。
【００１１】しかし、上述のロードトロンは、加速に用
いられる定常波モードがTEM波(Transverse Electromagn
etic wave)であるため加速時加速空洞の中央でいくつの
ビームが同時に交差する構造を有するようになるので、
高出力へ行くほどビーム損失を引き起こす可能性があ
る。
【００１２】一方、電子ビーム及びエックス線照射装置
は、前記加速器により加速された電子ビームを医療機器
や電線、飲食物等被照射物に照射する装置であり、電子
ビーム源(source)として用いる時は、照射装置の引き出
し部に大気圧との気圧差を維持するための引き出し窓を
設け、X線源として用いる時は、引き出し部にX線発生用
ターゲットを設ける。したがって、引き出し部を除いて
はX線源と電子ビーム源に用いる照射装置が同一であ
る。
【００１３】従来のX線照射装置は、図5に示されたよう
に、加速器で加速された電子ビーム74は、平板形状のエ
ックス線ターゲット76に衝突し、この時、発生されるエ
ックス線は、ターゲットを透過して加工しようとする製
品(図示せず)に照射される。
【００１４】ところが、このような従来のエックス線照
射装置は、エックス線が片方向でのみ照射されるので、
加工製品に均一なエックス線照射がむずかしい。また、
加工製品に均一にエックス線照射されないと、局部的な
加熱により製品に損傷を負わせたり、外形が変形される
等の問題が生じる。
【００１５】前記のような問題点を解決するため従来に
は、不均一なエックス線照射を防止するため加工製品を
回転させながら均一な照射を受けるようにする装置を別
途に準備しなければならない不便な点があるだけでな
く、このような装置に適用できる製品も限界がある。
【００１６】また、加速された電子が制動放射(braking
radiation)によりエックス線を生じるようになる時、
低エネルギー電子ビームの場合、全立体角(4π)方向に
均一なエックス線を生じるようになるけれど、電子の加
速エネルギーが数MeVを越えるようになると発生された
大部分のエックス線は、電子の方向と一致する方向に最
大の強度(intensity)を有することになる。
【００１７】しかし、平板のターゲット76に加速された
電子を偏向磁石等で偏向させ入射させる従来のエックス
線発生システムでは、入射する電子がターゲットに対し
て垂直に入射できない。したがって、照射しようとする
製品に最大のエックス線エネルギーを照射させることが
できないだけでなく、発生されたエックス線の損失をも
たらす。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記説明し
た従来の加速器及び照射装置の問題点を解決するため案
出されたこととして、本発明の目的は、同軸空洞内にTM
010モードを加速モードとして用いて10MeV級のエネルギ
ーと数kW以上の出力を有する連続運転が可能で加速空洞
内に電子ビームの交差がならない電子ビーム加速器とこ
れから引き出された電子ビームを利用して電子ビーム及
びエックス線を照射できる照射装置で形成された電子ビ
ーム源及びエックス線源を提供する。
【００１９】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め本発明では、a)同軸を有するシリンダ形態の内部導体
及び外部導体と、前記内部導体と外部導体の両端を密封
しながら支える二つの側面導体を有しており、前記内部
導体と外部導体と側面導体とで形成された空間が真空で
ある同軸加速空洞と、b)前記同軸加速空洞の一つの側面
導体側で反対側側面導体側に前記同軸加速空洞内に電子
ビームを入射させる電子銃と、c)前記同軸加速空洞の二
つの側面導体側に位置し、同軸加速空洞を通過する電子
を180゜偏向させる複数個の偏向電磁石と、d)前記同軸
加速空洞にRFを印加して前記同軸加速空洞内に加速モー
ドとしてTM010モードの電磁界(electromagnetic field)
を形成するRFシステムを含む加速器と、前記加速器で加
速された電子ビームを被照射物に照射する照射装置とを
含むエックス線源及び電子線源を提供する。
【００２０】本発明では、また前記複数個の同軸加速空
洞を採択して偏向電磁石の個数を減らしたエックス線源
及び電子線源を提供する。
【００２１】本発明で望ましくは、前記同軸加速空洞は
真空容器に受容される。
【００２２】
【発明の実施の形態】 以下、添付図面を参照しながら本
発明の望ましい実施例をより詳しく説明する。
【００２３】図1は、本発明の第1実施例によるエックス
線源及び電子ビーム源の概略図であり、説明の便宜のた
め一部が切開されて示されている。示したように、本実
施例は、同軸空洞を有する加速器100と、前記加速器100
とビームライン(beam line)40で連結されたエックス線
照射装置70及び電子ビーム照射装置80等で構成されてい
る。
【００２４】前記加速器100は、同軸加速空洞30と、前
記同軸加速空洞30に電子ビームを入射させる電子銃10
と、前記同軸加速空洞30を通過する電子を180゜偏向さ
せる偏向電磁石20、20aと、前記同軸加速空洞30にRFを
印加して所定の電磁界を形成するRFシステム60とで構成
されている。
【００２５】前記同軸加速空洞30は、同軸を有するシリ
ンダ形態の内部導体31と外部導体32、そして二導体31、
32の両端を密封しながら電子銃10と偏向電磁石20、20a
に向ける通路が各々位置した側面導体39で形成されてお
り、前記RFシステム60からRFを引き出す導波管(Wave gu
ide)61が外部導体32に連結されている。この導波管61
は、同軸線(coaxial line)で置き換えられることができ
る。
【００２６】一方、本実施例では、同軸加速空洞30を2
個を用いて直列に連結しており、これは図2で再び説明
する。
【００２７】本実施例の同軸加速空洞30は、望ましくは
真空容器50に受容されており、真空容器50は、構造的に
大気圧を効果的に耐えることができる形態を有し、この
ような真空容器50を採択する場合には、前記電子銃10及
び偏向電磁石20、20aは各々真空容器50の側壁に位置す
るようになって真空ポート51を通して真空を維持するこ
とになる。シリンダ形状の真空容器50の所定位置に円周
方向で多数個の診断ポート(diagnostics port)52が配列
されている。
【００２８】すなわち、真空容器50内には、内部導体31
と外部導体32と側面導体39からなる同軸加速空洞30が形
成されており、偏向電磁石20、20aは、側面導体39と連
結され、真空容器50の同軸加速空洞30位置に放射線形状
で配列されている。
【００２９】一方、RFシステム60は、電磁波を印加して
空洞30内に加速に必要なTM010モードを形成する。前記T
M010モードは、電磁波の進行方向に対して磁界が垂直で
あり、前記加速空洞30の中心軸(center axis)から一定
な距離が離れた同軸面で最大の電界と0の磁界値を有す
ることを特徴とし、ちょうどこの位置で電子の加速がお
こなわれる。
【００３０】以下、前記のような構成を有する本発明に
よる加速器の作動関係を説明する。
【００３１】真空容器50の一側外壁に装着された電子銃
10から電子を加速空洞30内に入射させ、電子は加速周期
に会い加速される。
【００３２】このように加速された電子は、真空容器50
の直線長さ方向に配置された反対側の偏向電磁石20aに
より180°回転後加速空洞30内に再入射され、加速空洞
の電界により再び加速され、再び電子銃10側の偏向電磁
石20に反射される。このような加速動作を数回繰り返す
ことにより10MeV程度の高いエネルギーを得るようにな
る。
【００３３】前記で説明した本発明の実施例による電子
ビーム加速器100は、数m波長(周波数は100ないし200MH
z)の電磁波を用いるため加速空洞30の熱負荷が相対的に
小さくて数kWないし数百kW級の高出力電子ビームを得る
ことができる。また、各偏向電磁石20、20aに向けるビ
ームライン36に出力ポートを装着し、多様なエネルギー
の電子ビームを引き出すことができる。
【００３４】一方、この過程で磁界内にで電子の回転半
径は、電子の運動エネルギーと印加された磁界値により
決定され、だんだんエネルギーが増加する電子を加速周
期に同期化させるためには、電磁石の磁界値と位置を各
段階における電子のエネルギーを考慮して決定しなけれ
ばならない。この際ビーム光学(beam optics)により、
集束電磁石(focusing magnet)が必要に応じて添加され
ることもできる。
【００３５】前記方法で電子ビームと加速電磁波の位相
を容易に合わせで同期化(synchronization)を容易にで
きることになる。
【００３６】上述の加速方式により加速された電子ビー
ムは、90°偏向電磁石41などを通してX線発生用ターゲ
ット76を有するX線照射装置70と引き出し窓81を有する
電子ビーム照射装置80に至って被照射物90の電子ビーム
照射ないしエックス線照射等に利用される。
【００３７】一方、加速器100の電磁波／ビーム出力変
換効率は、空洞30外部に位置した180°偏向電磁石20の
個数により制限され、本実施例では、前記偏向電磁石の
個数を減らすため加速空洞を二つ設けている。
【００３８】図2は、二つの同軸空洞33、34を利用して
電子を加速する本発明の実施例による加速器の原理を示
す図面であり、二つの同軸空洞33、34に印加される電磁
波は、相互180°の位相差(Phase difference)を有す
る。電子銃10から第1同軸空洞33の加速電界の位相に同
期化され、入射された電子は、電界により加速され、前
記同軸空洞33、34の長さと同軸空洞33、34間のビームラ
イン35の長さを適切に選択するとビームライン35を経て
第2同軸空洞34に入射された電子は、再び加速電界によ
り加速される。第2同軸空洞34外部に出てきた電子は、
偏向電磁石20aにより第2同軸空洞34に再び入射され、こ
の時もやはり加速電界により再び加速される。前記のよ
うな原理で電子ビームが偏向電磁石20、20a間で二回加
速されるので、同一なビーム出力に対して一つの加速空
洞を用いたものより偏向電磁石20、20aの個数を減らす
ことができる。
【００３９】以上で説明した本発明による加速器と従来
の加速器を比較して下の表1にまとめる。
【００４０】
【表１】
【００４１】図3（A）ないし図3（B）は、図1に概略示
した本発明による均一なエックス線照射装置の具体的な
構成及び動作原理を示す図面であり、電子ビーム照射装
置に対しては、図3（A）のエックス線ターゲット76を引
き出し窓に交替して設ければよい。したがって、電子ビ
ーム照射装置に対しては、その説明を省略する。
【００４２】本発明の目的によって電子ビーム及びエッ
クス線を空間的に均一に照射できるようにするために
は、図3（A）ないし図3（B）に示されたエックス線照射
装置70の動作条件は、次の通りである。
【００４３】すなわち、加速された電子は、エックス線
ターゲット76に空間的に均一に入射されなければならな
く、エックス線ターゲット76の中心に向けて入射される
べきであり、その入射角が90°になるべきである。
【００４４】上記の動作条件を満足させるため本発明で
は、加速された電子を横方向及び縦方向にすべて偏向さ
せる2次元偏向磁石71と偏向された電子の軌道74をエッ
クス線ターゲット76の中心に向けて半径方向に入射する
ように電子ビーム誘導装置である磁気回路75を含んでい
る。
【００４５】加速器で高いエネルギーを得た電子は、最
初に2次元偏向磁石71を通過する。前記偏向電磁石71
は、加速された電子を横方向及び縦方向すべて偏向させ
るため2次元偏向を起こす。縦方向偏向は、ターゲット7
6に縦方向で電子が均一に入射できるように偏向させ、
これは図3Bに示している。
【００４６】図3（A）に示した横方向偏向は、縦方向偏
向とはやや異なるように制御されるべきである。ターゲ
ット76に入射される電子ビームが横方向に均一に照射さ
れては、実際ターゲット76に照射される電子ビームは均
一に照射できない。むしろ横方向で調べる時、ターゲッ
ト76の両端に照射される電子ビームの分布が中心より多
くなければならないことが分かる。実際に重要なこと
は、ターゲット76の円周方向に均一な電子ビームを照射
しなければならないので、上記の条件を満足できるよう
に横方向の偏向をコントロールしなければならなく、こ
れは偏向時間による電流の波形をコントロールすること
により得ることができる。
【００４７】前記2次元偏向磁石71を通して偏向された
電子は、一連の磁石と磁極により発生された磁界が存在
する領域75に入っていくようになり、この時、電子はロ
ーレンツ力(Lorentz force)を受けて電子の軌道は、エ
ックス線ターゲット76の中心に向けて半径方向に入射す
ることになる。
【００４８】図4は、本実施例により電子ビームを誘導
する磁気回路75の構成をより詳しく示したものであり理
解のため図3（A）、図3（B）と磁気回路の配置方向を別
にして示しており、二つに分離して示しているが、これ
は理解の便宜のためのものであり、一つで形成すること
ができる。ここで磁気回路75は、磁性体75aにソレノイ
ドコイル75bを巻線してエックス線ターゲット76を中心
に半径方向に磁界を誘導させている。
【００４９】磁性体75aは、電子ビームの軌跡74が通過
できる間隔をおいて相互向かい合う形状でソレノイドコ
イル75bに電流を通電させることにより磁界を形成する
ことになる。この際形成される磁界の強度は、二つの電
極の間隔dによって変わり、これはソレノイドコイル75b
の巻線数及び電流と、偏向電磁石71との距離、ターゲッ
ト76の位置などを考慮して決定される。
【００５０】一方、前記エックス線ターゲット76には、
加速により高いエネルギー(数MeV)の電子が入射するこ
とにより多くの熱が生じ、これを効果的に取り除くため
前記エックス線ターゲット76内に冷却通路77を設けて解
決できる。
【００５１】そして、加速された電子がターゲット76に
入射するようになるとターゲット76を構成する物質がス
パッタリング(sputtering)され、出てくることになる。
のみならず多様なメカニズムを介して気体が生じ、これ
は電子加速器100本体に流入され、電子ビームの損失を
もたらす。このような真空の低下を防ぐため真空箱78と
電子加速器の本体は、ウィンドウ72により空間的に分離
されており、ターゲット76が位置する真空箱78もやはり
真空ポート73を設けて真空ポンプにより真空を維持させ
ている。
【００５２】前記で説明した本発明による照射装置と従
来の照射装置を比較すると下の表2のようである。
【００５３】
【表２】
【００５４】
【発明の効果】上述の本発明による電子ビーム及びエッ
クス線発生源は、次のような効果がある。
【００５５】第一には、本発明による電子ビーム加速器
は、加速モードとして同軸加速空洞のTM010モードを用
いることにより、空洞内にで電子ビームが相互交差しな
い構造を有するため電子ビームの損失を排除できる。
【００５６】第二には、真空容器を別途に設けることに
より加速空洞の大気圧による変形を防止できる。
【００５７】第三には、RF源(source)として、三極管ま
たは、四極管であるグリッドチューブ(grid tube)を用
いて適合な周波数(200MHz領域)を用いることにより装置
の密集化をなすことができる。
【００５８】本発明は、 以外にも多様な長所及び特徴を
有しており、その他特徴は、上述の実施例を通して分か
ることである。
【００５９】一方、前記で本発明による実施例を説明し
たがこれは例示であり、多様な変化と変形が可能である
が、これはすべて本発明の権利範囲に属することであ
り、これは添付された請求範囲を通して分かる。
【００６０】例えば電子ビーム照射装置で適用される電
子ビーム誘導装置の磁性体の形状や形態、その間隔は変
形できるが、これは本発明の精神を外れないことであ
る。
【００６１】また、同軸空洞として2個が直列に連結さ
れたことを示しているが一つの空洞を用いることができ
ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例によるエックス線源及び電子
ビーム源の概略図であり理解のため一部切開された図面
である。
【図2】本発明の他の実施例による二つの同軸空洞を用
いた電子加速器の原理を示す加速器の斜視図である。
【図3】（Ａ）は、本発明によるエックス線照射装置の
正面図、（Ｂ）は、本発明によるエックス線照射装置の
側面図である。
【図4】図3A及び図3Bの磁気回路を理解しやすく表現し
た図面である。
【図5】従来のエックス線照射装置の平面図である。
【符号の説明】
10 電子銃 20、20a 180°偏向電磁石 30 同軸加速空洞 31 内部導体 32 外部導体 33 第1同軸空洞 34 第2同軸空洞 40 ビームライン 50 真空容器 60 RFシステム 70 エックス線照射装置 71 2次元偏向磁石 72 ウィンドウ 73 真空ポート 74 電子ビーム 75 磁気回路 76 エックス線ターゲット 77 冷却通路 78 真空箱 80 電子ビーム照射装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クォン ヒョク ジュン トンアアパート ６−407 プッピョン １ドン プッピョンク インチョン 大 韓民国 (72)発明者 キム ヨン ホァン マドン 501 チルソン２アパート ク ロ１ドン クロク ソウル 大韓民国 (72)発明者 リ カン オク チュゴンアパート 605−406 サンゲ７ ドン ノウォンク ソウル 大韓民国 (56)参考文献 特開 平１−176644（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−318698（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−4076（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−101600（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−72600（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−62376（ＪＰ，Ａ) 特開2000−171599（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−144099（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−326192（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−263196（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−94867（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−288097（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G21K 5/02 G21K 5/04 H05G 2/00 H05H 7/18

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 a)同軸を有するシリンダ形態の内部導体
    及び外部導体と、前記内部導体と外部導体の両端を密封
    しながら支える二つの側面導体を有しており、前記内部
    導体と外部導体と側面導体からなる空間が真空である同
    軸加速空洞と、b)前記同軸加速空洞の一つの側面導体側
    から反対側側面導体側に前記同軸加速空洞内に電子を入
    射させる電子銃と、c)前記同軸加速空洞の二つの側面導
    体に位置し、同軸加速空洞を通過する電子を180°偏向
    させる複数個の偏向電磁石と、d)前記同軸加速空洞にRF
    を印加するRFシステムとを含んでおり、前記同軸加速空
    洞内にTM010モードを加速モードとして用いることを特
    徴とする加速器と、前記加速器で加速された電子ビーム
    を被照射物に照射する照射装置とを含むことを特徴とす
    るエックス線源及び電子線源。
  2. 【請求項２】 前記同軸空洞が外部の大気圧により変形
    されることを防止するための真空容器をさらに含むこと
    を特徴とする請求項1に記載のエックス線源及び電子線
    源。
  3. 【請求項３】 a)各々同軸を有するシリンダ形態の内部
    導体及び外部導体と、前記内部導体と外部導体の両端を
    密封しながら支える二つの側面導体を各々有しており、
    前記内部導体と外部導体と側面導体で形成された空間は
    真空であり、電子ビームが通過しながら加速され、両者
    が前記電子ビームの加速方向にビームラインにより所定
    間隔離隔され、同軸連結された第1及び第2同軸加速空洞
    と、b)前記第1同軸加速空洞の側面導体中前記第2同軸加
    速空洞と連結されていない側面導体側から前記第1、2同
    軸加速空洞が連結された方向に電子を入射させる電子銃
    と、c)前記第1同軸加速空洞の電子ビームが入射される
    方向の側面導体と、前記第2同軸加速空洞の側面導体中
    前記第1同軸加速空洞と連結されていない側面導体側に
    各々位置し、前記第1、2同軸加速空洞を通過する電子を
    180°偏向させる複数個の偏向電磁石と、d)前記第1、2
    同軸加速空洞にRFを印加するRFシステムとを含んでお
    り、前記各同軸加速空洞内にTM010モードを加速モード
    とすることを特徴とする加速器と、前記加速器で加速さ
    れた電子ビームを被照射物に照射する照射装置とを含む
    ことを特徴とするエックス線源及び電子線源。
  4. 【請求項４】 前記同軸空洞が外部の大気圧により変形
    されることを防止するための真空容器をさらに含むこと
    を特徴とする請求項3に記載のエックス線源及び電子線
    源。
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