JP4056448B2 - 複数ビーム同時加速空洞 - Google Patents

Description

本発明は複数ビーム同時加速空洞に関し、複数の電子ビームを平行にして通過させつつ複数の電子ビームを同時に加速または減速することができるようにしたものである。

放射光（Synchrotron Radiation）は、生物，物理，化学，医学，工学などの広範な分野の研究対象として原子・電子レベルでの構造情報を提供する研究ツールとして位置づけられる。この放射光は、原理的には次のようにして発生する。即ち、高エネルギーの電子が磁場の中を運動すると、電子はフレミングの左手の法則にしたがって円運動の中心に向かって力を受けて軌道が曲げられる。このとき、電子の周りにあった電磁波が振り落とされるようにして、電磁波が、電子の円軌道の接線方向に放射される。この放射された電磁波を放射光という。

放射光を発生させる装置として、エネルギー回収型加速器がある。このエネルギー回収型加速器を、概念図である図８を参照して説明する。電子銃１で生成された電子を入射加速器２で比較的低いエネルギーＥ_Oまで加速し、これを超伝導線形加速器３に入力してより高いエネルギーＥまで加速する。加速された電子は軌道４，５，６を通って再び超伝導線形加速器３に戻ってくる。軌道を周回してきた電子が超伝導線形加速器３に戻ってくると共に、電子銃１で生成され入射加速器２で加速された別の電子が超伝導線形加速器３に入力される。そして電子が円形軌道部分４，６及び直線軌道部分５を通過する際に放射光を発生する。

電子が超伝導線形加速器３に戻ってくる際に、加速時と加速電圧が１８０°ずれた位相にくるようにすれば電子は減速されて、超伝導線形加速器３の出口では、戻ってきた電子のエネルギーレベルはエネルギーＥ_Oに戻り、電子はさらに減速器７によって十分減速された後、ビームダンプ８で捨てられる。つまり、各電子は１回のみ周回する。

電子が加速時に消費したエネルギーは、電子が超伝導線形加速器３で減速される際に加速空洞で回収されて、次にくる電子の加速に使われる。このため、理想的には、超伝導加速器３に投入されたエネルギーがすべて放射光として放出されることになる。

上述したエネルギー回収型加速器を利用すれば、高効率の自由電子レーザシステムや、高輝度・短パルスの放射光設備を実現することが可能となる。

つぎに、超伝導線形加速器３を構成する従来の線形加速器１０を、図９を参照して説明する。この線形加速器１０を多数台（数十台〜数百台）、直列接続することにより、図８に示す超伝導線形加速器３が構成される。

図９に示すように、従来の線形加速器１０では、外装ケースとなる真空槽１１の内周面に、熱シールド板１２が配置されている。熱シールド板１２は、外部から真空槽１１内に侵入してこようとする放射熱を遮断する。真空槽１１の内部には液体ヘリウム槽１３が配置されている。

超伝導材（例えばニオブ等）で形成した加速空洞１４と加速空洞１５は、直線的に連結されており、加速空洞１４，１５の空洞内部空間が連結されて直線状の空間を形成している。加速空洞１４は、中空で偏平な球状（ちょうど「算盤の玉」を中空にしたような形状）になっているセル１４ａ〜１４ｉを直列的に連結してなる空洞共振器であり、加速空洞１５は、中空で偏平な球状になっているセル１５ａ〜１５ｉを直列的に連結してなる空洞共振器である。後述するように、加速空洞１４，１５には高周波電力が供給され、加速空洞１４，１５内には高周波の電界による定在波が形成される。各セル１４ａ〜１４ｉ、１５ａ〜１5ｉの長さは、この定在波の波長（λ）の半波長（λ／２）の長さと等しくなっている。

連結された加速空洞１４，１５は、液体ヘリウム槽１３の内部に配置されている。そして、液体ヘリウム槽１３の内周面と加速空洞１４，１５の外周面との間の空間に、液体ヘリウムが供給されている。この液体ヘリウムにより、加速空洞１４，１５が冷却される。

加速空洞１４の左端（上流端）には、ビームパイプ１６が連結されており、このビームパイプ１６は、液体ヘリウム槽１３の左端面及び真空槽１１の左端面を、水密・気密状態で貫通している。同様に、加速空洞１５の右端（下流端）には、ビームパイプ１７が連結されており、このビームパイプ１７は、液体ヘリウム槽１３の右端面及び真空槽１１の右端面を、水密・気密状態で貫通している。

ビームパイプ１６のうち真空槽１１の外側に突出した部分には、入力側の収束磁石１８が環装されており、ビームパイプ１７のうち真空槽１１の外側に突出した部分には、出力側の収束磁石１９が環装されている。収束磁石１８，１９は、それぞれ複数の四極磁石により構成されている。四極磁石とは、周方向に沿いＮ極，Ｓ極，Ｎ極，Ｓ極の４つの磁極を有する磁石であり、２つの（上流側と下流側の）四極磁石は、周方向に沿うＮ極，Ｓ極の配置位置が９０°ずれており、２つの四極磁石を通過する電子ビームを収束（強収束）するものである。

同軸導波路で形成した高周波入力カプラ２０は、加速空洞１４に高周波電力を供給し、同軸導波路で形成した高周波入力カプラ２１は、加速空洞１５に高周波電力を供給する。高周波カプラ２０，２１を介して加速空洞１４，１５に供給する高周波電力は、同一の高周波電源から供給されており、両高周波電力の周波数は同じであり、位相も調整されている。高周波電力の周波数としては、例えば１．３ＧＨｚの周波数を採用している。

加速空洞１４，１５に高周波電力を供給すると、加速空洞１４，１５の内部空間である空洞内部空間には、高周波電力の周波数と同じ共振周波数となっている電界の定在波が発生する。したがって、高周波電力の周波数が例えば１．３ＧＨｚであれば、電界の定在波の共振周波数も１．３ＧＨｚとなる。

入射加速器（図８参照）から送られてきた加速電子ビームＢ１（図中で黒塗りの楕円で示している）は、ビームパイプ１６に入力され、このビームパイプ１６を通過する際に収束磁石１８により収束され、加速空洞１４，１５の空洞内部空間を直進し、ビームパイプ１７を介して利用系に出力され、しかも、ビームパイプ１７を通過する際に収束磁石１８により収束される。
利用系から回収してきた減速電子ビームＢ２（図中で白抜きの楕円で示している）は、ビームパイプ１６に入力され、このビームパイプ１６を通過する際に収束磁石１８により収束され、加速空洞１４，１５の空洞内部空間を直進し、ビームパイプ１７を介してビームダンプ（図８参照）に向けて出力され、しかも、ビームパイプ１７を通過する際に収束磁石１８により収束される。

しかも、加速空洞１４，１５の空洞内部空間では、同一の一本の軌道の上を、加速電子ビームＢ１と減速電子ビームＢ２が交互に直進する。ちょうど、加速電子ビームＢ１と減速電子ビームＢ２の位相が１８０°ずれて交互に直進する。

加速電子ビームＢ１は、空洞内部空間に形成された定在波により加速され、減速電子ビームＢ２は、加速電子ビームＢ１に対して位相が１８０°ずれている（即ち、定在波に対して位相が１８０°ずれている）ため、定在波により減速され、減速された分のエネルギーを定在波に与える。換言すると、定在波が減速電子ビームＢ２を減速させることにより、減速電子ビームＢ２のエネルギーを回収する。回収したエネルギーは、加速電子ビームＢ１を加速するのに利用される。このようにエネルギー回収をしているため、入力する高周波電力は少なくて済む。

ここで、収束磁石１８，１９により、電子ビームＢ１，Ｂ２を収束しなければならない理由を説明する。
電子ビームＢ１，Ｂ２は、それぞれ多数の電子が集まったものであるため、同じ電気特性（マイナス極性）の電子同士は反発し、この反発力により電子ビームＢ１，Ｂ２が広がろうとする。電子ビームＢ１，Ｂ２が大きく広がると、電子ビームを構成する電子がビームパイプ１６，１７または加速空洞１４，１５の壁面に衝突してしまい、加速や減速ができなくなってしまう。
このような、電子ビームＢ１，Ｂ２の広がりを抑制するために、収束磁石１８，１９により、電子ビームＢ１，Ｂ２の収束を行っている。このため、電子ビームＢ１，Ｂ２は、加速空洞１４，１５の壁面に衝突することなく、空洞内部空間を通過することができる。

「放射光将来計画検討報告 −ＥＲＬ光源と利用研究−」 高エネルギー加速器研究機構発行 ２００３年３月 Ｐ１〜Ｐ６，Ｐ１２８〜Ｐ１２９

ところで、収束磁石１８，１９の強度(発生する磁界の強さ)は、電子ビームのエネルギーによって最適化される。
しかし、図９に示す従来の線形加速器１０では、加速空洞１４，１５の空洞内部空間の同一の一本の軌道上を、加速電子ビームＢ１と減速電子ビームＢ２とが交互に直進する。したがって、加速電子ビームＢ１は、上流側（収束磁石１８側）では加速前であるためエネルギーが小さく、下流側（収束磁石１９側）では加速後であるためエネルギーが大きいのに対して、減速電子ビームＢ２は、上流側（収束磁石１８側）では減速前であるためエネルギーが大きく、下流側（収束磁石１９側）では減速後であるためエネルギーが小さい。
つまり、収束磁石１８の位置では、エネルギーの小さい加速電子ビームＢ１とエネルギーの大きい減速電子ビームＢ２が通過し、収束磁石１９の位置では、エネルギーの大きい加速電子ビームＢ１とエネルギーの小さい減速電子ビームＢ２が通過する。
さらに、放射光のプロファイル（時間的・空間的な分布形状）をシャープにするには、加速した後の加速電子ビームＢ１の広がりをなるべく抑えることが要求される。

この結果、シャープなプロファイルの放射光を得ることを目標としつつ、収束磁石１８，１９では、エネルギーの異なる電子ビームＢ１，Ｂ２を収束しなければならないため、収束磁石１８，１９の強度を最適に設定するのが非常に困難であった。
現実的には、エネルギーの異なる電子ビームＢ１，Ｂ２が、加速空洞１４，１５の壁面に衝突することなく空洞内部空間を通過できることを優先するため、加速後の加速電子ビームＢ１の収束度が若干不足することがあり、放射光のプロファイルがある程度犠牲になることもあった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、複数の電子ビームを平行に通過させて各電子ビームを同時に加速または減速することができる複数ビーム同時加速空洞を提供することにより、
収束磁石の最適設計が容易に行え、ひいては、シャープなプロファイルを持った放射光を発生させることができるようにすることを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、高周波電力が供給されると空洞内部空間に、ビーム進行方向の電界が最大になる極が１つできるモノポールモードの電界の定在波が形成されると共に、収束磁石が環装されるビームパイプが端部に連結された加速空洞を複数有しており、
前記加速空洞は並列状態で配置されており、並列配置された各加速空洞が結合空洞により連結されていることを特徴とする。

また本発明の構成は、高周波電力が供給されると空洞内部空間に、ビーム進行方向の電界が最大になる極が複数できるマルチポールモードの電界の定在波が形成され、前記マルチポールモードの電界の定在波により電子ビームの加速または減速をする複数の加速空洞を有しており、
複数の前記加速空洞は直線的に連結されており、
直線的に連結された前記加速空洞の端部には、収束磁石が環装される複数のビームパイプが連結されており、このビームパイプの数は前記極の数と同じであり、各ビームパイプが連結される位置は、電界の極ができる位置に合わせていることを特徴とする。

また本発明の構成は高周波電力が供給されると空洞内部空間に、ビーム進行方向の電界が最大になる極が１つできるモノポールモードの電界の定在波が形成されると共に、収束磁石が環装されるビームパイプが端部に連結された加速空洞を複数有しており、
前記加速空洞は並列状態で配置されていると共に、各加速空洞は複数のセルを直列的に連結して形成されており、並列配置された隣接する加速空洞は、隣接する一方の加速空洞の各セルと隣接する他方の加速空洞の各セルとがそれぞれ連結されていることを特徴とする。

本発明では、複数の電子ビームを分離して平行に通過させることができるため、各電子ビームを収束する収束磁石を各電子ビーム毎に分離することができる。この結果、収束磁石の強度設定を容易に行うことができる。また、シャープなプロファイルを持った放射光を発生させることができる。

本発明では、複数ビーム同時加速空洞の内部に複数の平行なビーム軌道を形成し、複数の電子ビームを分離して、各ビーム軌道に沿い通過させるようにする。このように、複数の電子ビームを分離して複数ビーム同時加速空洞の内部に平行に通過させることにより、各電子ビームを収束する収束磁石を、電子ビーム毎に分離して設置することができる。

本発明の第１の実施例に係る複数ビーム同時加速空洞を用いた線形加速器１００を、図１を参照しつつ説明する。同図に示すように、真空槽１０１の内周面には熱シールド板１０２が配置されており、この真空槽１０１の内部には液体ヘリウム槽１０３が配置されている。また、同軸導波路で形成した高周波入力カプラ１０４，１０５が備えられている。ここまでの構成は、図９に示す従来の線形加速器１０と同様である。

本実施例では、特殊構造となっている複数ビーム同時加速空洞１２０が、液体ヘリウム槽１０３の内部に配置されており、液体ヘリウム槽１０３の内周面と複数ビーム同時加速空洞１２０の外周面との間の空間に、冷却用の液体ヘリウムが供給されている。なお、複数ビーム同時加速空洞１２０は、超伝導材（例えばニオブ等）により形成されている。

複数ビーム同時加速空洞１２０は、４本の加速空洞１２１，１２２，１２３，１２４を有している。各加速空洞１２１〜１２４は、中空で偏平な球状（ちょうど「算盤の玉」を中空にしたような形状）になっている複数のセルを直列的に連結してなる空洞共振器であり、各セルの長さ（軸方向長さ）は、空洞内部空間に形成する電界の定在波の波長（λ）の半波長（λ／２）の長さと等しくなっている。

左側（上流側）の加速空洞１２１と加速空洞１２２は並列状態で配置されており、両加速空洞１２１，１２２は結合空洞１２５を介して「高周波的」に結合（連結）されている。また加速空洞１２１，１２２の長手方向（軸方向）に関して、加速空洞１２１を形成する各セルの位置（位相）と、加速空洞１２２を形成する各セルの位置（位相）とが一致するように、加速空洞１２１，１２２が並列配置されている。

ここで、結合空洞１２５が、加速空洞１２１，１２２を「高周波的」に結合している意味を説明する。
これは、加速空洞１２１，１２２を結合空洞１２５により結合した場合に、各加速空洞のそれぞれの空洞内部空間に形成する電界の定在波の共振周波数が、結合しない単独の各加速空洞１２１，１２２のそれぞれの空洞内部空間に形成される電界の定在波の共振周波数と等しくなるように、形状と大きさが設計された結合空洞１２５により結合していることを意味する。なお、結合空洞１２５は、どの位置に配しても良い。

同様に、右側（下流側）の加速空洞１２３と加速空洞１２４は並列状態で配置されており、両加速空洞１２３，１２４は結合空洞１２６を介して「高周波的」に結合（連結）されている。また加速空洞１２３，１２４の長手方向（軸方向）に関して、加速空洞１２３を形成する各セルの位置（位相）と、加速空洞１２４を形成する各セルの位置（位相）とが一致するように、加速空洞１２３，１２４が並列配置されている。「高周波的」に結合の意味は、上述したのと同様である。

更に、上側の加速空洞１２１と加速空洞１２３は、直線的に連結されており、加速空洞１２１，１２３の空洞内部空間が連結されて直線状の空間を形成している。同様に、下側の加速空洞１２２と加速空洞１２４は、直線的に連結されており、加速空洞１２２，１２４の空洞内部空間が連結されて直線状の空間を形成している。

加速空洞１２１の左端（上流端）には、ビームパイプ１２７が連結されており、このビームパイプ１２７は、液体ヘリウム槽１０３の左端面及び真空槽１０１の左端面を、水密・気密状態で貫通している。そして、ビームパイプ１２７のうち真空槽１０１の外側に突出した部分には、四極磁石である収束磁石１１１が環装されている。
加速空洞１２２の左端（上流端）には、ビームパイプ１２８が連結されており、このビームパイプ１２８は、液体ヘリウム槽１０３の左端面及び真空槽１０１の左端面を、水密・気密状態で貫通している。そして、ビームパイプ１２８のうち真空槽１０１の外側に突出した部分には、四極磁石である収束磁石１１２が環装されている。

加速空洞１２３の右端（下流端）には、ビームパイプ１２９が連結されており、このビームパイプ１２９は、液体ヘリウム槽１０３の右端面及び真空槽１０１の右端面を、水密・気密状態で貫通している。そして、ビームパイプ１２９のうち真空槽１０１の外側に突出した部分には、四極磁石である収束磁石１１３が環装されている。
加速空洞１２４の右端（下流端）には、ビームパイプ１３０が連結されており、このビームパイプ１３０は、液体ヘリウム槽１０３の右端面及び真空槽１０１の右端面を、水密・気密状態で貫通している。そして、ビームパイプ１３０のうち真空槽１０１の外側に突出した部分には、四極磁石である収束磁石１１４が環装されている。

上流側（左側）の加速空洞１２１，１２２及び結合空洞１２５には、高周波入力カプラ１０４を介して高周波（例えば１．３ＧＨｚ）の高周波電力が供給され、下流側（右側）の加速空洞１２３，１２４及び結合空洞１２６には、高周波入力カプラ１０５を介して高周波（例えば１．３ＧＨｚ）の高周波電力が供給される。高周波入力カプラ１０４，１０５を介して入力する高周波電力は、同一の高周波電源から供給されたものであり、両高周波電力の周波数は同じで位相も調整されている。

このため、上側の加速空洞１２１，１２３の空洞内部空間には、高周波電力の周波数と同じ共振周波数（例えば１．３ＧＨｚ）となっている電界の定在波が発生し、下側の加速空洞１２２，１２４の空洞内部空間にも、高周波電力の周波数と同じ共振周波数（例えば１．３ＧＨｚ）となっている電界の定在波が発生し、しかも、上側の空洞内部空間に発生した定在波と下側の空洞内部空間に発生した定在波の位相は、ちょうど１８０°ずれている。更に、加速空洞１２１，１２２，１２３，１２４の各空洞内部空間に発生する電界の定在波は、電界が最大になる極が１つできるモノポールモードになっている。

このような構成となっている線形加速器１００では、加速電子ビームＢ１を、上側の加速空洞１２１，１２３の空洞内部空間を通して加速し、減速電子ビームＢ２を、下側の加速空洞１２２，１２４の空洞内部空間に通して減速する。つまり、加速電子ビームＢ１と減速電子ビームＢ２を分離して、別の軌道に沿い直進させる。

つまり、入射加速器（図８参照）から送られてきた加速電子ビームＢ１（図中で黒塗りの楕円で示している）は、ビームパイプ１２７に入力され、このビームパイプ１２７を通過する際に収束磁石１１１により収束され、上側の加速空洞１２１，１２３の空洞内部空間を直進し、ビームパイプ１２９を介して利用系に出力され、しかも、ビームパイプ１２９を通過する際に収束磁石１１３により収束される。

また、利用系から回収してきた減速電子ビームＢ２（図中で白抜きの楕円で示している：加速電子ビームＢ１に対して位相が１８０°ずれている）は、ビームパイプ１２８に入力され、このビームパイプ１２８を通過する際に収束磁石１１２により収束され、下側の加速空洞１２２，１２４の空洞内部空間を直進し、ビームパイプ１３０を介してビームダンプ（図８参照）に向けて出力され、しかも、ビームパイプ１３０を通過する際に収束磁石１１４により収束される。

上側の加速空洞１２１，１２３の空洞内部空間と、下側の加速空洞１２２，１２４の空洞内部空間は、結合空洞１２５，１２６により高周波的に結合されているため、減速電子ビームＢ２を減速することにより下側の空洞内部空間にて回収したエネルギーは、上側の空洞内部空間にて加速電子ビームＢ１を加速する際に利用される。

本実施例では、上側の加速空洞１２１，１２３の空洞内部空間には、加速電子ビームＢ１のみが通過する。このため、上側の加速電子ビーム用の収束磁石１１１，１１３は、加速電子ビームＢ１の広がりをなるべく抑えてシャープなプロファイルの放射光を得ることを目標としつつ、加速電子ビームＢ１が空洞壁面に衝突することなく上側の加速空洞１２１，１２３の空洞内部空間を直進できるように加速電子ビームＢ１を収束するだけでよいため、収束磁石１１１，１１３の最適な強度は簡単に設定することができる。ひいては、シャープなプロファイルとなっている放射光を発生させることができる。

また、下側の加速空洞１２２，１２４の空洞内部空間には、減速電子ビームＢ２のみが通過する。このため、下側の減速電子ビーム用の収束磁石１１２，１１４は、減速電子ビームＢ２が空洞壁面に衝突することなく下側の加速空洞１２２，１２４の空洞内部空間を直進できるように減速電子ビームＢ２を収束するだけでよいため、収束磁石１１２，１１４の最適な強度は簡単に設定することができる。

結局、第１の実施例で用いた複数ビーム同時加速空洞１２０では、加速電子ビームＢ１と減速電子ビームＢ２を、平行な別々の軌道に沿い通過させ、加速電子ビームＢ１を加速すると同時に減速電子ビームＢ２を減速させることができる。このため、加速電子ビーム用の収束磁石１１１，１１３と、減速電子ビーム用の収束磁石１１２，１１４とを分離することができ、加速電子ビーム用の収束磁石１１１，１１３の強度と、減速電子ビーム用の収束磁石１１２，１１４の強度を、それぞれ個別に、容易に最適設定することができる。

本発明の第２の実施例に係る複数ビーム同時加速空洞を用いた線形加速器１００Ａを、図２を参照しつつ説明する。同図に示すように、真空槽１０１の内周面には熱シールド板１０２が配置されており、この真空槽１０１の内部には液体ヘリウム槽１０３が配置されている。また、同軸導波路で形成した高周波入力カプラ１０４，１０５が備えられている。また収束磁石１１１〜１１４を備えている。ここまでの構成は、図１に示す線形加速器１００と同様である。

本実施例では、特殊構造となっている複数ビーム同時加速空洞２００が、液体ヘリウム槽１０３の内部に配置されており、液体ヘリウム槽１０３の内周面と複数ビーム同時加速空洞２００の外周面との間の空間に、冷却用の液体ヘリウムが供給されている。なお、複数ビーム同時加速空洞２００は、超伝導材（例えばニオブ等）により形成されている。

複数ビーム同時加速空洞２００は、加速空洞２０１と加速空洞２０２を直線的に連結して構成されており、加速空洞２０１，２０２の空洞内部空間が連結されている。各加速空洞２０１，２０２は、縦断面で見たときに（図２に示す状態で見たときに）中空で偏平な球状（ちょうど「算盤の玉」を中空にしたような形状）になっている複数のセルを、直列的に連結してなる空洞共振器であり、各セルの長さ（軸方向長さ）は、空洞内部空間に形成する電界の定在波の波長（λ）の半波長（λ／２）の長さと等しくなっている。

しかも、図２のIII-III断面である図３（ｂ）に示すように、加速空洞２０１（２０２）は、横断面で見たときに、楕円または偏平形状となっており、高周波入力カプラ１０４，１０５を通して、加速空洞２０１，２０２に高周波電力（例えば１．３ＧＨｚの周波数の電力）を供給すると、図３（ａ）（ｂ）に示すように、加速空洞２０１，２０２の空洞内部空間には、ビーム進行方向の電界が最大になる極が２つできるダイポールモード（ＴＭ１１０モード）の電界の定在波（共振周波数は例えば１．３ＧＨｚ）が発生する。なおこの図の場合、第１の極の電界と、第２の極の電界は位相が１８０°ずれている。空洞の形状を調整すれば、同じ周波数の高周波電力を供給した際、第１の極と第２の極の位相差がないモードを実現することもできる。このモードは、二つの空洞が結合してできたモードと見ることもできるが、このようなモードについても原理的には、利用可能である。

このとき、加速空洞２０１，２０２は、横断面で見たときに楕円または偏平形状となっているため、周方向に関して、極（ポール）のできる位置は一定になる。この結果、加速空洞２０１，２０２の長手方向（軸方向）に沿い、各セルにできる第１の極が一列に並んで第１のビーム軌道が形成されると共に、各セルにできる第２の極が一列に並んで第２のビーム軌道が形成される。

なお、図１に示す第１の実施例では、各加速空洞１２１〜１２４の各空洞内部空間には、電界が最大となる極が１つできる、モノポールモードの定在波が発生している。

図２に戻り説明を続けると、加速空洞２０１の左端部（上流端）のうち第１のビーム軌道に位置する部分には、ビームパイプ２０３が連結されており、このビームパイプ２０３は、液体ヘリウム槽１０３の左端面及び真空槽１０１の左端面を、水密・気密状態で貫通している。そして、ビームパイプ２０３のうち真空槽１０１の外側に突出した部分には、四極磁石である収束磁石１１１が環装されている。
加速空洞２０１の左端部（上流端）のうち第２のビーム軌道に位置する部分には、ビームパイプ２０４が連結されており、このビームパイプ２０４は、液体ヘリウム槽１０３の左端面及び真空槽１０１の左端面を、水密・気密状態で貫通している。そして、ビームパイプ２０４のうち真空槽１０１の外側に突出した部分には、四極磁石である収束磁石１１２が環装されている。

加速空洞２０２の右端部（下流端）のうち第１のビーム軌道に位置する部分には、ビームパイプ２０５連結されており、このビームパイプ２０５は、液体ヘリウム槽１０３の右端面及び真空槽１０１の右端面を、水密・気密状態で貫通している。そして、ビームパイプ２０５のうち真空槽１０１の外側に突出した部分には、四極磁石である収束磁石１１３が環装されている。
加速空洞１２４の右端部（下流端）のうち第２のビーム軌道に位置する部分には、ビームパイプ２０６が連結されており、このビームパイプ２０６は、液体ヘリウム槽１０３の右端面及び真空槽１０１の右端面を、水密・気密状態で貫通している。そして、ビームパイプ２０６のうち真空槽１０１の外側に突出した部分には、四極磁石である収束磁石１１４が環装されている。

このような構成となっている線形加速器１００Ａでは、加速電子ビームＢ１を、加速空洞２０１，２０２の空洞内部空間のうち第１のビーム軌道に沿い通して加速し、減速電子ビームＢ２を、加速空洞２０１，２０２の空洞内部空間のうち第２のビーム軌道に沿い通して減速する。つまり、加速電子ビームＢ１と減速電子ビームＢ２を、同一の空洞内部空間の別の（第１，第２の）ビーム軌道に沿い分離して直進させる。

つまり、入射加速器（図８参照）から送られてきた加速電子ビームＢ１（図中で黒塗りの楕円で示している）は、ビームパイプ２０３に入力され、このビームパイプ２０３を通過する際に収束磁石１１１により収束され、加速空洞２０１，２０２の空洞内部空間のうち第１のビーム軌道に沿い直進し、ビームパイプ２０５を介して利用系に向けて出力され、しかも、ビームパイプ２０５を通過する際に収束磁石１１３により収束される。

また、利用系から回収してきた減速電子ビームＢ２（図中で白抜きの楕円で示している：加速電子ビームＢ１に対して位相が１８０°ずれている）は、ビームパイプ２０４に入力され、このビームパイプ２０４を通過する際に収束磁石１１２により収束され、加速空洞１２２，１２４の空洞内部空間のうち第２のビーム軌道に沿い直進し、ビームパイプ２０６を介してビームダンプ（図８参照）に向けて出力され、しかも、ビームパイプ２０６を通過する際に収束磁石１１４により収束される。

第１のビーム軌道と第２のビーム軌道は、加速空洞２０１，２０２の空洞内部空間（同一の空洞内部空間）にあるため、減速電子ビームＢ２を減速することにより第２のビーム軌道にて回収したエネルギーは、第１のビーム軌道にて加速電子ビームＢ１を加速する際に利用される。

本実施例では、加速空洞２０１，２０２の空洞内部空間のうち第１のビーム軌道には、加速電子ビームＢ１のみが通過する。このため、加速電子ビーム用の収束磁石１１１，１１３は、加速電子ビームＢ１の広がりをなるべく抑えてシャープなプロファイルの放射光を得ることを目標としつつ、加速電子ビームＢ１が空洞壁面に衝突することなく加速空洞２０１，２０２の空洞内部空間の第１のビーム軌道に沿い直進できるように加速電子ビームＢ１を収束するだけでよいため、収束磁石１１１，１１３の最適な強度は簡単に設定することができる。ひいては、シャープなプロファイルとなっている放射光を発生させることができる。

また、加速空洞２０１，２０２の空洞内部空間のうち第２のビーム軌道には、減速電子ビームＢ２のみが通過する。このため、減速電子ビーム用の収束磁石１１２，１１４は、減速電子ビームＢ２が空洞壁面に衝突することなく加速空洞２０１，２０２の空洞内部空間の第２のビーム軌道に沿い直進できるように減速電子ビームＢ２を収束するだけでよいため、収束磁石１１２，１１４の最適な強度は簡単に設定することができる。

結局、第２の実施例で用いた複数ビーム同時加速空洞２００では、加速電子ビームＢ１と減速電子ビームＢ２を、平行な別々の第１のビーム軌道と第２のビーム軌道に沿い通過させ、加速電子ビームＢ１を加速すると同時に減速電子ビームＢ２を減速させることができる。このため、加速電子ビーム用の収束磁石１１１，１１３と、減速電子ビーム用の収束磁石１１２，１１４とを分離することができ、加速電子ビーム用の収束磁石１１１，１１３の強度と、減速電子ビーム用の収束磁石１１２，１１４の強度を、それぞれ個別に、容易に最適設定することができる。

［応用例］
なお、図２に示す線形加速器１００Ａは、エネルギー回収型の線形加速器として使用する以外にも使用用途がある。即ち、位相の揃った２つの電子ビームを同期して利用したいニーズに対しては、２つの電子ビームを同期して（位相を合わせて）線形加速器１００Ａに入力して、複数ビーム同時加速空洞２００の空洞内部空間にできる電界の定在波の加速位相にのせるようにすれば、２つの電子ビームを同時に加速することができる。

また、複数ビーム同時加速空洞２００の空洞内部空間に形成する、電界のモードを、ＴＭ２１０，ＴＭ４１０とモード次数を高次にしていけば、４つの電子ビームの同時加速（または、２つを加速、２つを減速）や（図５（ｃ）参照）、８つの電子ビームの同時加速（または、４つを加速、４つを減速）が可能となる。

また、複数ビーム同時加速空洞として、矩形断面の空洞を採用すれば、奇数の電子ビームの同時加速（または、一部を加速、残りを減速）が可能となる（図５（ｆ）参照）。

図５は円筒型空洞と矩形空洞に形成し得る電界モードを示している。
例えば、図５（ｃ）に示すように、円筒型空洞で電界モードをＴＭ２１モードにすれば、４つの電子ビームの同時加速（または、２つを加速、２つを減速）させることができる。
また例えば、図５（ｇ）に示すように、矩形空洞で電界モードをＴＭ３１とすれば、３つの電子ビームの同時加速（または、一部を加速、残りを減速）させることができる。

図６は本発明の第３の実施例に係る複数ビーム同時加速空洞３００を示す横断面図である。この複数ビーム同時加速空洞３００は、並列状態で配置した２本の加速空洞３０１，３０２を有している。しかも、加速空洞３０１の各セルと、加速空洞３０２の各セルとが、一対一に対応してそれぞれ連結されている。なお図示はしていないが、加速空洞３０１，３０２の端部には、収束磁石が環装されたビームパイプが連結されている。

この複数ビーム同時加速空洞３００に高周波電力を印加すると、加速空洞３０１の空洞内部空間にはモノポールの電界の定在波が発生し、加速空洞３０２の空洞内部空間にもモノポールの電界の定在波が発生する。このとき、加速空洞３０１の空洞内部空間の電界と、加速空洞３０２の空洞内部空間の電界とは位相が１８０°ずれている。見方を変えれば、複数ビーム同時加速空洞３００の全体の内部空間に、ダイポールの電界が発生していることになる。したがって、この複数ビーム同時加速空洞を用いて線形加速器を構成すれば、２つの電子ビームを平行に通過させて、各電子ビームを同時に加速または減速させることができる。さらに、形状を変えると、同じ周波数の高周波電力を投入した際に、隣り合うセルの位相が０°の条件を得ることも可能である。このような状態での使用も原理的には可能である。

図７は本発明の第４の実施例に係る複数ビーム同時加速空洞４００を示す横断面図である。この複数ビーム同時加速空洞４００は、並列状態で配置した４本の加速空洞４０１，４０２，４０３，４０４を有している。しかも、加速空洞４０１の各セルと、加速空洞４０２の各セルとが、一対一に対応してそれぞれ連結され、加速空洞４０１の各セルと、加速空洞４０３の各セルとが、一対一に対応してそれぞれ連結され、加速空洞４０２の各セルと、加速空洞４０４の各セルとが、一対一に対応してそれぞれ連結され、加速空洞４０３の各セルと、加速空洞４０４の各セルとが、一対一に対応してそれぞれ連結されている。なお図示はしていないが、加速空洞４０１，４０２，４０３，４０４の端部には、収束磁石が環装されたビームパイプが連結されている。

この複数ビーム同時加速空洞４００に高周波電力を印加すると、加速空洞４０１〜４０４の各空洞内部空間にはモノポールの電界の定在波が発生する。このとき、加速空洞４０１，４０４の空洞内部空間の電界と、加速空洞４０２，４０３の空洞内部空間の電界とは位相が１８０°ずれている。見方を変えれば、複数ビーム同時加速空洞４００の全体の内部空間に、４つの極（ポール）の電界が発生していることになる。したがって、この複数ビーム同時加速空洞を用いて線形加速器を構成すれば、４つの電子ビームを平行に通過させて、各電子ビームを同時に加速または減速させることができる。

なお上述した各実施例では、中空で偏平な球状の複数のセルを直列的に連結してなる加速空洞（空洞共振器）を採用したが、他のタイプの加速空洞を用いても本発明を実施できることは言うまでもない。例えば、円筒部材（超伝導材）と、この円筒部位の内部空間の軸方向に離間して配置した仕切板（超伝導材）とで形成してなる加速空洞（空洞共振器）を採用して、本発明を実施できる。このような円筒部材と仕切板で形成した加速空洞では、隣接する仕切板の一方と他方との間が、１つのセルとなっており、複数のセルが直列的に連結して形成されていることにおいては違いはない。

本発明の複数ビーム同時加速器によれば、複数の電子ビームを分離して加速または減速できるため、次世代の放射光設備等に利用することが可能である。

本発明の第１の実施例に係る複数ビーム同時加速空洞を用いた線形加速器を示す構成図である。 本発明の第２の実施例に係る複数ビーム同時加速空洞を用いた線形加速器を示す構成図である。 ＴＭ１１０モードの電界を示す説明図である。 ＴＭ０１０モードの電界を示す説明図である。 円筒形空洞と矩形空洞のＴＭモードを示す説明図である。 本発明の第３の実施の形態に係る複数ビーム同時加速空洞を示す横断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る複数ビーム同時加速空洞を示す横断面図である。 エネルギー回収型加速器を示すシステム構成図である。 従来の線形加速器を示す構成図である。

符号の説明

１ 電子銃
２ 入射加速器
３ 超伝導線形加速器
４，５，６ 軌道
７ 減速機
８ ビームダンプ
１０ 成形加速空洞
１１ 真空槽
１２ 熱シールド板
１３ 液体ヘリウム槽
１４，１５ 加速空洞
１６，１７ ビームパイプ
１８，１９ 収束磁石
２０，２１ 高周波入力カプラ
１００，１００Ａ 線形加速空洞
１０１ 真空槽
１０２ 熱シールド板
１０３ 液体ヘリウム槽
１０４，１０５ 高周波入力カプラ
１１１〜１１４ 収束磁石
１２０ 複数ビーム同時加速空洞
１２１〜１２４ 加速空洞
１２５，１２６ 結合空洞
１２７〜１３０ ビームパイプ
２００ 複数ビーム同時加速空洞
２０１，２０２ 加速空洞
２０３〜２０６ ビームパイプ
３００，４００ 複数ビーム同時加速空洞
Ｂ１ 加速電子ビーム
Ｂ２ 減速電子ビーム

Claims (3)

1. 高周波電力が供給されると空洞内部空間に、ビーム進行方向の電界が最大になる極が１つできるモノポールモードの電界の定在波が形成されると共に、収束磁石が環装されるビームパイプが端部に連結された加速空洞を複数有しており、
   前記加速空洞は並列状態で配置されており、並列配置された各加速空洞が結合空洞により連結されていることを特徴とする複数ビーム同時加速空洞。
2. 高周波電力が供給されると空洞内部空間に、ビーム進行方向の電界が最大になる極が複数できるマルチポールモードの電界の定在波が形成され、前記マルチポールモードの電界の定在波により電子ビームの加速または減速をする複数の加速空洞を有しており、
   複数の前記加速空洞は直線的に連結されており、
   直線的に連結された前記加速空洞の端部には、収束磁石が環装される複数のビームパイプが連結されており、このビームパイプの数は前記極の数と同じであり、各ビームパイプが連結される位置は、電界の極ができる位置に合わせていることを特徴とする複数ビーム同時加速空洞。
3. 高周波電力が供給されると空洞内部空間に、ビーム進行方向の電界が最大になる極が１つできるモノポールモードの電界の定在波が形成されると共に、収束磁石が環装されるビームパイプが端部に連結された加速空洞を複数有しており、
   前記加速空洞は並列状態で配置されていると共に、各加速空洞は複数のセルを直列的に連結して形成されており、並列配置された隣接する加速空洞は、隣接する一方の加速空洞の各セルと隣接する他方の加速空洞の各セルとがそれぞれ連結されていることを特徴とする複数ビーム同時加速空洞。

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