JP3784927B2 - 電子ビーム加速装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビームローディングによる加速エネルギ変動が発生する電子リニアック装置等に利用することができる電子ビーム加速装置関する。
本発明装置は、高出力陽子リニアック装置及びイオン照射装置にもに利用することができる。
（用語の説明）
（１）「ビームローディング」とは、加速管で電子ビームを加速することにより、加速管内の加速高周波のエネルギーが電子ビームに移り、加速エネルギーが低下する現象をいう。電子ビームの電流量が大きい程、加速エネルギーの低下量も大きい。
【０００２】
この現象は、丁度電池に電流を流した時に、電池の内部抵抗により電池の端子電圧が低下する現象に似ている。
（２）「加速位相のクレスト部分」とは、図１０に示す加速電界の頂部のことをいう。この加速位相のクレスト部分は、最も有効に電子を加速出来る部分である。
【０００３】
隣接する２つのクレスト部分の間隔は、電子バンチの間隔に等しくする必要がある。
（３）「電子バンチ」
電子リニアック装置では、加速位相のクレスト部分に電子を集中する必要があるため、電子は細かな固まりに分割されている。このそれぞれの固まりを電子バンチという。
（４）「ルミノシティ」
電子リニアック装置では、電子ビームはバンチとなって加速されているが、この電子バンチ内の電子の密度をルミノシティという。
【０００４】
電子ビームの電流量が一定の場合には、電子バンチが径方向にも進行方向にも小さく圧縮されていればいる程、ルミノシティは高い。
（５）「基準位相」とは、加速管内で加速高周波の加速位相のクレスト部分に丁度電子バンチがのるような加速高周波の位相であり、加速管に繋がるパルス電子源により、一意に決まる。
（６）「高周波」には、ＲＦ波、マイクロ波も含まれる。
【０００５】
【従来の技術】
従来の技術を図６〜図８に示す。
図６は、従来装置の構成を示す図、
図７は、従来装置の加速高周波源の電子ビーム入力のタイミングを示す図、
図８は、従来装置のエネルギー変動の例を示す図である。
【０００６】
従来の装置は、図６に示すように、安定化高周波発振器１と、バッファアンプ２と、ドライバアンプ１０と、クライストロンアンプ１１と、加速管５１と、パルス電子源５４により構成される。
【０００７】
加速管５１の入り口での加速高周波の出力は、図７に示すように、ステップ状に立ち上がる。
従来装置の加速エネルギーは、図８に示すように、電子ビームＯＮと同時に、定常状態より大幅に高いエネルギーの電子が加速管５１から出力され、その後加速エネルギーが低下して、定常状態になる。
【０００８】
すなわち、従来の装置では、加速高周波源からの加速高周波供給後、加速管のフィリングタイムが経過した後（即ち加速管内部に加速用の高周波エネルギの蓄積が完了した後）、電子ビームパルスを入力して加速をおこなつているが、この場合に電子ビームパルスの立ち上がり時に、加速管のフィリングタイム程度の間、定常状態よりも高い加速エネルギのビームが出力される。
【０００９】
これは、加速管に供給される加速マイクロ波に加えて、加速管内に蓄積された加速高周波がビーム加速に寄与するために発生するものであり、エネルギーの変動量は定常状態の数１０％にも達する場合がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術には、次のような問題がある。
（１）電子ビームパルス立ち上がり時に加速管のフィリングタイム程度の間、定常状態よりも高い加速エネルギのビームが出力されるという現象を軽減するために、加速高周波供給後、加速管のフィリングタイムが経過する前に、電子ビームを入力する等の対策が行われているが、十分な加速エネルギ変動抑制効果が得られず、広いテール部分を持ったエネルギースペクトルとなるのが現状である。
【００１１】
特に大出力の電子リニアック装置の場合では、このテール部分がビーム輸送系でのビームロスの原因となり、ビームラインの熱損傷や放射化に繋がる。
（２）エネルギ変動を抑制する方法としては、他にエネルギ幅圧縮装置（以下ＥＣＳという。ＥＣＳ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）を使用することがある。
【００１２】
これは、偏向磁石等によるエネルギー分析を行つて、高エネルギ成分の電子と低エネルギ成分の電子で光路差が発生するようにして、電子バンチの幅を広げ、高エネルギ成分が減速電界、低エネルギ成分が加速電界を受けるような位相でエネルギ幅圧縮用の加速管に入力する方法である。
【００１３】
しかし、十分なエネルギ幅圧縮効果を得るためには、バンチ幅がかなり広がつてしまい、衝突実験等の用途ではルミノシティの低下が問題となる。
（３）また、ＥＣＳ用の偏向磁石が４台必要であり、電子エネルギが高い場合には、大型の磁石となってしまい、磁石電源及び磁石で設置場所及びコスト増の原因となる。
【００１４】
本発明は、これらの問題を解決することができる装置（すなわち、ビームパルス立ち上がり時のエネルギ変動を抑制して、良好なエネルギースペクトル特性を達成することが出来る装置）を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
（第１の手段）本発明に係る電子ビーム加速装置は、安定化高周波発振器１と、加速用大出力パルス高周波源１１と、加速管２１を前記順に具備する装置において、（Ａ）安定化高周波発振器１により発生した高周波を等分に分割する３ｄＢデバイダ３と、（Ｂ）分割された高周波のそれぞれの位相を調整する位相変調器（４、５）と、（Ｃ）位相が調整された各々の高周波を合成する手段６と、（Ｄ）前記合成手段６から合成高周波を入力して、加速管２１に加速用大出力パルス高周波を出力する加速用大出力パルス高周波源１１と、（Ｅ）前記加速管２１に電子ビームを出力するパルス電子源２４と、（Ｆ）前記各々の位相変調器（４、５）に、各々の分割高周波毎の位相変調指示を行うことにより、加速用高周波パルスの立ち上がり部分に振幅変調を与えて、電子ビームパルスの立ち上がり部分で発生するビームローディング効果による加速エネルギの変動を補正する手段７とを有することを特徴とする。
（第２の手段）本発明に係る電子ビーム加速装置は、第１の手段において、加速管（２１）に入力する加速用高周波の位相が変化しないように、加速用大出力パルス高周波源１１における振幅変調時の加速用高周波の位相変動を補正して所要の振幅変調を与えるときに、３ｄＢデバイダ３により等分に分割された２系統の高周波のそれぞれに位相変調を与えた後、べクトル合成することにより任意の振幅及び位相変調を行うことを特徴とする。
（第３の手段）本発明に係る電子ビーム加速装置は、第１の手段において、加速用大出力パルス高周波源１１において出力電力に対応して発生する位相変調を補うよう、各々の分割高周波毎の変調指示を行う位相変調制御手段を有することを特微とする。
【００１６】
すなわち、本発明装置は、加速高周波源のパルス立ち上がり時の振幅に変調をかけ、ビームローディング効果をキャンセルすることにより、ビームパルス立ち上がり時のエネルギ変動を抑制することを特徴とする。
【００１７】
したがって、ビームローディングの深い電子リニアック装置においても、ビームパルス立ち上がり時のエネルギー変動を抑制することができ、良好なエネルギースペクトル特性が確保することが出来る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を図１〜図５、および図９〜図１２に示す。
図１は、第１の実施の形態の構成および動作原理を示す図、
図２は、加速高周波源の振幅変調例と電子ビーム入力のタイミングを示す図、
図３は、エネルギー変動の補正結果を示す図、
（図２に示す加速高周波源及び電子ビーム入力を行った場合の加速エネルギのシミュレーション結果を示す図）、
図４は、定常状態での加速管内の電界レベルの分布を示す図、
図５は、３ｄＢデバイダとして用いるＹ型電力分配器を示す図、
図９は、電子ビームがない場合の定常状態の加速管内の電界を示す図、
図１０は、加速位相のクレスト部おょび電子バンチの説明図、
図１１は、電子の加速に要するエネルギーと電子速度の関係を示す図、
図１２は、加速管内において電子バンチに作用する加速高周波に基づく加速電界の説明図である。
【００１９】
本発明装置は、加速用大出力パルス高周波源１１からの加速波の立上がりを図３のｃ線のように滑らかに立上げ、オーバーシュートすることなくｂ線につなげるために、図２に示す通り加速高周波の立上がり部分の加速管のフィリングタイムに対応する間に、低い出力からフル出力に立上がり、その後は電子ビームパルスの終了までフル出力を維持するように、加速管に入力する加速高周波を振幅変調することにより、加速エネルギの変動を抑制することを目的とする。
【００２０】
ビームローディング効果を補正して、電子ビームパルスの立ち上がり部分で発生する加速エネルギの変動を防止するためには、電子ビームパルスＯＮの時点で加速管内の電界分布が定常状態での加速管内電界分布と同一のものとなつている必要がある。
【００２１】
その為に、図１の加速高周波発生手段３１（安定化高周波発振器１からクライストロンアンプ１１まで）において、つぎの条件を満たす加速高周波を作成し、加速管２１に出力する。
（条件ａ）
図１０に示す加速高周波（加速電界）の隣接する２つの加速位相のクレスト部分の間隔（距離）を、パルス電子源２４からの電子バンチ２９の間隔（距離）に等しくし、
（条件ｂ）
加速管２１に出力する加速高周波（加速電界）の位相は、基準位相に対して位相変化が無いようにする。
【００２２】
具体的には、クライストロンアンプ１１は出力レベルにより位相が変化するため、その位相の変化をキャンセルして加速管入り口２２で位相変化が無いように、第１位相変調器４及び第２位相変調器５で補正用の位相変調を与え、条件ｂを満たすようにする。
（条件ｃ）
電子ビームＯＮの時点で、図４に示す管内電界分布を達成するために、加速高周波立ち上がり部分で、加速管のフィリングタイムに相当する期間、加速高周波に振幅変調をかけて、低い出力からフル出力まで変化させる。
（加速管の中での作動）
上記加速高周波（加速電界）を加速管２１に出力することにより、加速管の中では、パルス電子源２４からの電子ビーム（電子バンチ）は、次のように作動する。
【００２３】
電子の質量は、電荷に比べて極めて軽いため、加速されやすく、すぐ光速に近づく。
通常、加速管で加速する電子は、別の手段で１０ＭｅＶ以上のエネルギーに加速されており、この時点では電子の速度は図１１に示す通り、光速の９９．９％程度となっている。
【００２４】
特殊相対性理論によれば、物質は光速を越えることが出来ず、電子は加速とともにますます光速に近付くが、光速を越えることが出来ず、電子は加速とともに質量が増加する。１０ＭｅＶの電子は静止している時の電子の２０倍程度になっている。
【００２５】
加速管内での電子は、速度を速められる程度は少なく、加速とともに質量が増加する。
それとともに、加速管内では、図１２に示すように加速高周波により加速電界が光速で進んでいる。
【００２６】
電子バンチ２９も、ほぼ光速で加速管内を進行するが、もし加速高周波（加速電界）の加速位相の頂上部（クレスト部分）が丁度電子バンチ２９に当たるようにすれば（この場合の加速高周波は条件ｂにより基準位相になっている）、電子バンチ２９は常に最大の加速電界を感じて進み、最も効率良く加速される。
【００２７】
加速とともに、電子の速度は光速のまま殆ど変化せず、質量がますます増加していく。
このように電子と加速高周波（加速電界）が同一の速度で進んで加速されていく様子は、馬の鼻先で人参をぶら下げて走る状態に似ている。
（加速管内の電界レベル分布）
図４には、進行波型レギュラＣＧ加速管で、減衰定数０．５７Ｎｅｐｅｒキャビティ数８０個（加速管実効長２．８ｍ）のものを仮定し、周波数は２８５６ＭＨｚ、加速管入り口での加速高周波の電力を１２ＭＷとした場合の定常状態での加速管内の電界レベル分布を示す。
【００２８】
図４中ａは加速管入り口付近の電界レベルであり、図４中ｂは加速管出口の電界レベルである。
電子ビームＯＮの定常状態では、下流に進むに従って電子ビームの加速のために加速高周波のエネルギが消費され、図４に示す通り電界レベルは減少する。
【００２９】
電子ビームが無い場合の定常状態では、進行波型レギュラＣＧ管の管内電界分布は、ほぼ一定レベルとなる（実際には図９に示す通り、下流へ進むに従いキャビティのシャントインピーダンスが上昇するため電界レベルは若干増加する）。
【００３０】
もし加速高周波の立ちあがり部分で振幅変調をかけず、図７に示す従来装置通りのステップ状の加速高周波を加速管に入力した場合、電子ビームＯＮの時点での加速管内の電界レベル分布は、図９に示す状態となる。
【００３１】
電子ビームＯＮの時点で、図４に示す管内電界分布を達成するためには、加速高周波立ち上がり部分で、加速管のフィリングタイムに相当する期間、加速高周波に振幅変調をかけて、低い出力からフル出力まで変化させる必要がある。
【００３２】
図２中のａは、電子ビームＯＮの時点で、図４に示す加速管内の電界レベル分布を発生させるのに必要な加速高周波の出力パタンを数値解析的に求めたものである。
【００３３】
加速高周波は、最初フルの出力に対して５％から立ち上がり、図２のａに示すパタンで、加速管のフィリングタイムに相当する０．８６４μｓｅｃで、フルの出力に達する。
【００３４】
この後、電子ビームパルスの終了時点まで、フル出力を継続して、電子ビームパルスの終了とともにＯＦＦとする。
電子ビームパルスは、加速高周波がフル出力となると同時にＯＮとする。
【００３５】
図３は、上記の通りとした場合の加速エネルギの数値シミュレーシヨン結果である。
実際に電子ビームがＯＮとなって加速されるのは、図３中ａの時点以降であるが、図８に見られるような電子ビームＯＮ後の大きなエネルギ変動が完全に補正され、電子ビームパルスの立ち上がり時点から一定の加速エネルギが得られていることが判る。
（振幅変調、位相変調を発生する手段、および加速高周波発生手段）
図１には、以上のような加速高周波の振幅変調を発生する手段を含めた装置の実施形態及び振幅変調発生の原理図を示す。
【００３６】
安定化発振器１で発生された２８５６ＭＨｚの信号は、バッファアンプ２で増幅され、３ｄＢデバイダ３で等分に分けられてそれぞれ第１位相変調器４及び第２位相変調器５に入る。
【００３７】
３ｄＢデバイダ３としては、マイクロストリップ線路で構成される１段のＹ型電力分配器が使用できる。
両位相変調器（４、５）は、位相変調制御器７からの第１位相変調制御信号８及び第２位相変調制御信号９で制御される。
【００３８】
両位相変調器（４、５）からの信号は、コンバイナ６でベクトル加算される。
そのべクトル加算の状態例を図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示す。
図１（Ｂ）は、合成振幅ゼロの場合のベクトル加算例であり、
第１位相変調器４からの高周波信号は基準位相２０から−９０度ずれて（図１中１３）変調され、
第２位相変調器５からの高周波信号は基準位相２０から＋９０度ずれて（図１中１４）変調され、
両信号のベクトルは、互いに１８０度ずれて、結果的に合成振幅はゼロ（図１中１５）となっている。
【００３９】
基準位相２０は、加速管内で加速高周波の加速位相のクレスト部分に丁度電子バンチがのるような加速高周波の位相であり、本装置の前段に繋がるパルス電子源２４により、一意に決まる。
【００４０】
図１中（Ｃ）は、合成振幅及び位相がゼロでない場合のべクトルの加算例である。
第１位相変調器４からの高周波信号は基準位相２０から−８０度ずれて変調され（図１中１７）、
第２位相変調器５からの高周波信号は基準位相２０から＋７０度ずれて変調されて（図１中１８）、
これらのベクトルの加算結果（図１中１９）は、基準位相２０から−５度ずれた合成結果となっている。
【００４１】
このように、２分割された高周波信号にそれぞれ所要の位相変調を与え、これらのべクトル加算をすることにより、任意の振幅及び位相の変調を行うことができる。
【００４２】
コンバイナ６としては、上記の１段のＹ型電力分配器の入力ポートを逆にして使用することにより、容易に実現することが出来る。
コンバイナ６でベクトル加算された高周波信号は、ドライバアンプ１０でクライストロンアンプ１１のドライブが可能な数百ｗ程度まで電力増幅され、更にクライストロンアンプ１１で加速高周波として高いピーク電力まで増幅されて加速管２１に供給される。
【００４３】
加速管側として必要なのは加速高周波の振幅変調であり、位相は基準位相のままで変化しないことが必要であるが、クライストロンアンプ１１は出力レベルにより位相が変化するため、その位相の変化をキャンセルして加速管入り口２２で位相変化が無いように、第１位相変調器４及び第２位相変調器５で補正用の位相変調を与える。
【００４４】
クライストロンアンプ１１の位相特性はクライストロンの設計により決定され、球種が決まれば一意に決まる。
図１の位相変調制御器７で制御する振幅、位相変調は、加速管パラメータ、電子ビーム電流、クライストロンの特性で変化するため、制御コンピュータ等により条件に応じて適切なプログラムを選定して制御信号（図１中８及び９）を発生する。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は前述のように構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
（１）ビームローディングの深い電子リニアック装置においても、ビームパルス立ち上がり時のエネルギー変動を抑制することができる。
（２）そのため、良好なエネルギースペクトル特性が確保することが出来、エネルギースペクトルの大幅な改善が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の構成および動作原理を示す図。
【図２】加速高周波源の振幅変調例と電子ビーム入力のタイミングを示す図。
【図３】エネルギー変動の補正結果を示す図。
【図４】定常状態での加速管内の電界レベルの分布を示す図。
【図５】３ｄＢデバイダとして用いるＹ型電力分配器の構造を示す図。
【図６】従来装置の構成を示す図。
【図７】従来装置の加速高周波源の電子ビーム入力のタイミングを示す図。
【図８】従来装置のエネルギー変動の例を示す図。
【図９】電子ビームがない場合の定常状態の加速管内の電界を示す図。
【図１０】加速位相のクレスト部おょび電子バンチの説明図。
【図１１】電子の加速に要するエネルギーと電子速度の関係を示す図。
【図１２】加速管内において電子バンチに作用する加速高周波に基づく加速電界の説明図。
【符号の説明】
１ …安定化高周波発振器
２ …バッファアンプ
３ …高周波分割手段（３ｄＢデバイダ）
４ …第１位相変調器
５ …第２位相変調器
６ …高周波を合成する手段（コンバイナ）
７ …相変調制御器
８ …第１位相変調制御信号
９ …第２位相変調制御信号
１０…ドライバアンプ
１１…加速用大出力パルス高周波源（クライストロンアンプ）
１３…第１位相変調器の出力ベクトル図
１４…第２位相変調器の出力ベクトル図
１５…合成ベクトル
１７…第１位相変調器の出力ベクトル図
１８…第２位相変調器の出力ベクトル図
１９…合成ベクトル
２０…基準位相
２１…加速管
２２…加速管入り口
２３…加速管出口
２４…パルス電子源
２５…余剰加速高周波
２６…加速管入り口での加速高周波
２７…電子ビーム
２８…加速電子ビーム
２９…電子バンチ
３０…加速位相のクレスト部分
３１…加速高周波発生手段
５１…加速管
５２…加速管入り口
５３…加速管出口
５４…パルス電子源
５５…余剰加速高周波
５６…加速管入り口での加速高周波
５７…電子ビーム
５８…加速電子ビーム

Claims (3)

1. 安定化高周波発振器（１）と、加速用大出力パルス高周波源（１１）と、加速管（２１）を前記順に具備する装置において、（Ａ）安定化高周波発振器（１）により発生した高周波を等分に分割する３ｄＢデバイダ（３）と、（Ｂ）分割された高周波のそれぞれの位相を調整する位相変調器（４、５）と、（Ｃ）位相が調整された各々の高周波を合成する手段（６）と、（Ｄ）前記合成手段（６）から合成高周波を入力して、加速管（２１）に加速用大出力パルス高周波を出力する加速用大出力パルス高周波源（１１）と、（Ｅ）前記加速管（２１）に電子ビームを出力するパルス電子源（２４）と、（Ｆ）前記各々の位相変調器（４、５）に、各々の分割高周波毎の位相変調指示を行うことにより、加速用高周波パルスの立ち上がり部分に振幅変調を与えて、電子ビームパルスの立ち上がり部分で発生するビームローディング効果による加速エネルギの変動を補正する手段（７）とを有することを特徴とする電子ビーム加速装置。
2. 加速管（２１）に入力する加速用高周波の位相が変化しないように、加速用大出力パルス高周波源（１１）における振幅変調時の加速用高周波の位相変動を補正して所要の振幅変調を与えるときに、３ｄＢデバイダ（３）により等分に分割された２系統の高周波のそれぞれに位相変調を与えた後、べクトル合成することにより任意の振幅及び位相変調を行うことを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム加速装置。
3. 加速用大出力パルス高周波源（１１）において、出力電力に対応して発生する位相変調を補うよう、各々の分割高周波毎の変調指示を行う位相変調制御手段を有するを特微とする請求項１に記載の電子ビーム加速装置。

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