JP4457207B2 - 超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大電流電子ビームを、エネルギーの損失なしに、連続的及び非連続的に加速及び減速することが可能であり、しかもエネルギー効率の非常に高い超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置に関するものである。
【０００２】
特に、本発明の装置は、ヘリウム４の超流動現象の発生する温度２Ｋ付近からヘリウム３の超流動現象の発生する温度程度を動作下限領域とし、液体ヘリウム温度の４Ｋ、及びそれより遙に高い温度を動作可能領域とする広い温度領域で超伝導状態となる、多種類の低臨界温度及び高臨界温度で動作可能な超伝導体で製作された空洞共振器を利用して、大電流電子ビームを、エネルギー無損失で、連続及び非連続的に加速及び減速を行なう事が可能なエネルギー効率の非常に高い超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来の常伝導リニアック駆動自由電子レーザー（ＦＥＬ）装置は、空洞共振器が銅製で投入高周波電力の数％しかビームエネルギーに変換できないため、自由電子レーザー発振後の残留ビームエネルギーは非常に小さく、回収する意味を持たなかった。
【０００４】
また、従来の超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置は、ほぼ１００％の高周波電力からビームへの変換効率を持つため、始めてエネルギー回収をする意味が発生した。しかし、残留エネルギーを回収される電子ビームは、３６０度周回させられ、加速方向と同じ方向に、超伝導リニアックの主要部分を通過して減速されるので、加速される電子と減速される電子のエネルギー、すなわち、両電子の速度が大きく異なる。このため、例えば４０ＭｅＶの超伝導リニアック駆動自由電子レーザー（ＦＥＬ）の場合、エネルギー回収されない部分となる入射エネルギーは、十分に高く、加速される電子と減速される電子の速度差があまりないほどの相対論的なエネルギーでなければならない。したがって、普通１０ＭｅＶ程度の入射系（超伝導リニアックの前段４分の１と電子銃等の部分より構成される、以下入射系と略称）を用い、その入射エネルギーである数十％程度の大きな部分を損失として回収をあきらめ、捨てなければならなかった。従って、回収率は最高で７５％、通常６０−５０％程度であった。
【０００５】
勿論回収を行っていない超伝導リニアック装置の場合は、光に変換されるエネルギーである１％以下の部分しか利用されていなかった。この場合、回収によっても１％から其の数倍の数％程度に成る程度であった。このため非常に大きなエネルギーの電子ビームをビームダンプに捨てるため膨大な放射線発生やビームダンプの熱除去に関して大きな問題が発生した。
【０００６】
【発明が解決しようとする問題点】
本発明の目的は、このような問題点を解決して、入射系（電子銃）におけるエネルギー損失の殆どない、全部の高周波のエネルギーが回収されることのできる、高出力、高効率、高品質、安価、安全、且つ放射線発生がほとんどない事を特徴とする超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置を提供することにある。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
本発明者は、この問題点解決のため鋭意研究の結果、次の構成の超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置に想到した。
【０００８】
即ち，本発明においては、入射系における損失が避けられない３６０度周回輸送系を用いて電子の加速方向と減速方向を同一に取る従来の装置の替わりに、超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置の後端部に組み込まれた単一電磁石または複合電磁石輸送系を用いて電子ビーム軌道を１８０度半回転させ、さらに迂回偏向電磁石（シケイン電磁石系）等で光と電子ビームの分離を行うことにより、干渉のない、または干渉を実質的になくしてレーザー（電磁波）の発振を行わせ、残留エネルギーを持った電子ビームを、加速方向と１８０度反対方向に超伝導リニアック駆動装置に再入射させることにより減速させ、加速電子と時間反転した減速電子が常に同じ超伝導リニアック装置中を同じ場所、同じ重心速度で、必要な同一の高周波エネルギーとビームエネルギーの交換を行なう超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置を構成した。
【０００９】
これにより、入射系損失がない高出力、高効率、高品質、安価、安全、且つ放射線発生がほとんどない事を特徴とする超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置を実現した。
【００１０】
また、本発明の超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置においては、液体ヘリウム温度で、又はそれより遙に高い温度で超伝導状態となる低臨界温度又は高臨界温度を有する超伝導体で製作された入射エネルギー損失の無視できる空洞共振器を備えた超伝導リニアック装置（線型高周波加速器）を利用して、電子を、高精度、高出力、高効率で加速させ、この加速された電子に交互磁場、交互電場、電磁場又はこれらの組み合わせによって加減速運動を起こさせて、電子群に集群させることによって全体的、集団的に電子群に協同の運動をさせて非常に大きなレーザー（電磁波）の発生を起こさせる超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置であって、
（１）今まで無駄となっていたレーザー（電磁波）発振後の電子エネルギーの回収を実現するための減速と目的である自由電子レーザー装置からのレーザー（電磁波）の発生とを、超伝導リニアック駆動装置に、電子群内の時間の遅れ進みのない等時性の性質を持つ１８０度反転する電場、磁場あるいはその組み合わせ等を用いる光共振器系を直接又は間接に接合して、電子ビームを加速方向と１８０度反転した方向を減速方向とすること、
（２）電子ビームは、同じ超伝導リニアック駆動装置の空洞共振器の中で、同時刻あるいは定常的に加速状態と減速状態にあり、それぞれのエネルギーの重心又は、エネルギーの平均値が大きくずれていないか、または殆ど同一であること、 （３）使用される殆ど総ての荷電粒子ビーム光学素子は加速方向と減速方向で同一またはその近傍の値で最適化できること、および／または
（４）電子群中の時間差が厳密に最小で、等時性がある低いエネルギーまで回収可能で、その回収効率が１００％であるか、または非常に大きくなることを特徴とする超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置を発明するに至った。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の構成を図面について具体的に説明する。図１において、超伝導リニアック駆動装置、自由電子レーザー装置、１８０度等時性反転輸送系が示されている。
【００１２】
１は超伝導リニアック駆動装置、２は電子銃と直流加速器系、３は入射系集群装置、４は低エネルギー迂回偏向電磁石、５は１８０度等時性偏向電磁石、６は指向性放射光発生装置（アンジュレーター）、７は光共振器系、８は高エネルギー迂回偏向電磁石、９は直流減速器である。
【００１３】
電子銃は、高圧ガスで絶縁が確保された、１０００ｋＶ程度以上の高電圧を０．１Ａ以上の大電流容量で発生できる電源を持ち、それからの発生電子ビームの繰り返しが可変で連続動作もできるものである。使用する電子銃は、熱電子を１ナノ秒以下に成形して発生させ、これを集群させ加速に必要な数十ピコ秒以下のもっと狭い時間幅にする電子銃、または光陰極をレーザーで照射して光電子を最初から数十ピコ秒程度のレーザーの幅で発生させる電子銃である。
【００１４】
この電子銃としては、独立した２個の加速と減速用のセラミック又はガラス等の絶縁物で製作された単管を持ち、低エネルギー迂回偏向電磁石４で、直流減速器９と（電子銃と直流加速器系２の）加速器とに電子ビームを振り分ける電子銃、または単一の同様の管で同時に減速と加速した電子ビームを受け付ける電子銃を使用する。
【００１５】
電子銃で発生した電子は、入射系集群装置３及び低エネルギー迂回偏向電磁石４を経て、超伝導リニアック駆動装置１で最終エネルギーまで加速され、高エネルギー迂回偏向電磁石８を経由し、１８０度等時性偏向電磁石５で時間の遅れ無しに周回して、再度、高エネルギー迂回偏向電磁石８を経由し、指向性放射光発生装置６、光共振器系７および高エネルギー迂回偏向電磁石８からなる自由電子レーザー装置を経由して、超伝導リニアック駆動装置１の高エネルギー側から打ち込まれ、加速時と逆向きに減速位相に時間反転して通過し、超伝導リニアック駆動装置１の入口まで出てくる。この時、電子ビームは、エネルギーを回収しながらレーザー（電磁波）発振で失ったエネルギー分の２−３倍相当のエネルギー分散を持っている。これを上に述べた減速専用の直流加速器９、または電子銃と兼用の減加速両用の直流加速器２において電位差でエネルギー回収する。
【００１６】
エネルギー分散が大きい場合、または電子銃と兼用の直流加速器２でのエネルギー回収が不要である場合のように、放射線発生を出来るだけ下げる必要がない場合には、電子銃でのエネルギー回収は行わず、超伝導リニアック駆動装置出口でビームを捨てる。
【００１７】
また、超伝導の高周波電子銃を用いて、減速回収と加速を行わせることも可能で、それらを超伝導リニアック駆動装置の最初の空洞共振器を用いて行う。この時は電子発生と集群入射はこの最初の段で行われる。
【００１８】
超伝導リニアック駆動装置の構造は、図２に示されるように、主として空洞共振器（１）、熱シールド（３）及び熱シールド（４）から構成され、空洞共振器が熱シールド（３）に収容された液体ヘリウム（６）に浸漬されている。熱シールド（３）および（４）がそれぞれ冷凍機（２）および（５）で冷却されている。空洞共振器（１）には高周波入力アンテナ（７）が結合されている。電子銃から発生した電子が矢印に示される方向に通過して加速される。
【００１９】
【実施例】
超伝導リニアック駆動装置は、Ｎｂ系の材料を用いて薄膜やシート成型したもので製作した。電子銃は、熱電子銃で独立の加速減速器を持ち、連続及び非連続の両方の運転が可能で、電子の集群により短パルス電子を発生させる。高周波入力アンテナが取り付けられた比較的低い周波数で使用される超伝導リニアック駆動装置に収納された液体またはミスト状のヘリウムを収納する容器は、ステンレス系の材料を用いて製作し、また２重に設けられた熱シールドは、その外側を断熱多層膜で外からの熱輻射が遮断された後、銅、銀等の熱伝導率の良い薄板材料を用いて製作する。
【００２０】
単重熱シールドは、８０Ｋを、また２重熱シールドは、より外側の８０Ｋ及び内側の４０Ｋの各々を冷却する専用冷凍機又は多段式冷凍機の８０Ｋ及び４０Ｋステージを、リニアック駆動装置の外側から直接導入して柔らかな銅編組線等で接続して熱伝導により、冷却される。
【００２１】
空洞共振器は、液体ヘリウム収納容器内部に設けられた空洞共振器本体近傍に、ガスシールド方式で断熱された多段式冷凍機の４Ｋ熱交換器を固定又は半固定して、あるいは固定せず導入し、蒸発ヘリウムの容器内再凝縮または熱伝導により発生熱、入熱を除去して、冷却される。この実施例では移送を行なわないシステムであるため移送損失はない。
【００２２】
この超伝導リニアック駆動装置により加速される電子ビームは、外部からは浅く結合された高周波入力アンテナにより、高周波エネルギーを供給されるために１８０度折り返し輸送された電子ビームの減速によって、最初の加速によって外部に与えられた、その殆ど全部の高周波エネルギーを得ることが出来る。このとき浅く結合されているため、このアンテナから高周波電源、及びこれに結合されているダミー負荷に高周波電力が流失して大きな損失となることはない。このため結合係数は出来るだけ浅く取る必要がある。
【００２３】
ビームを半周させ、１８０度周回する等時性電磁石又は複合磁石輸送系は、医療用リニアック、質量分析計等の電子ビーム輸送装置として良く使用されていた。ここでは、電子ビームは、時間差を無視できる等時性を用いて、進行軸に沿って加速周期の半分だけ、遅らせて、超伝導リニアック駆動装置の出口から加速方向と逆方向に減速位相で再入射される。
【００２４】
すると時間反転されたことになり、エネルギー拡がり以外は殆どのビームの性質と光共振器系は、同じ荷電粒子ビーム的な性質を持つことが出来て、超伝導リニアック駆動装置の中では殆どの物理加速減速過程が時間反転して行われる。このため、超伝導リニアック装置の出口までは、ビームの速度重心は変わらず、ビームの損失無しに、減速位相で電子ビームのエネルギーが回収される。
【００２５】
そのため、超伝導リニアック駆動装置は、あたかも何も有用な仕事しておらず、ただ無為に電子ビームエネルギーを高くして、また低くするために働いているように見える。これは波長を短くするために必要ではあるが、光のエネルギーは超伝導リニアック駆動装置からは供給されない。光のエネルギーは電子銃の回収用減速電源と加速電源の負荷となって高圧電源から供給されることになる。このとき回収される電子ビームのエネルギーの分散は大きいが、電子エネルギーは低いので放射線の発生は最小で、医用Ｘ線発生装置と同等以下ですませることが出来る。
【００２６】
電子銃に、この直流加速器を用いずに超伝導高周波電子銃を用いるときは、この電子銃、と超伝導リニアック駆動装置の最初の段のみが仕事をすることになる。これ以外の超伝導リニアック駆動装置の空洞共振器は上記と同様に仕事をしないことになる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のごとく、本発明の装置は、「電子を、液体ヘリウム温度の、及びそれより遙に高い温度で超伝導状態となるところの低臨界温度及び高臨界温度の超伝導体で製作された損失の無視できる空洞共振器を利用して、高精度、高出力、高効率で加速し、これを交互磁場、交互電場、電磁場又はこれらの組み合わせによって加減速運動を電子群におこさせ（以下、指向性放射光発生装置またはアンジュレーターと略称）、集群させることによって全体的、集団的に集群された電子群に協同の運動させることによって非常に大きなレーザー（電磁波）の発生を起こさせる装置において、今まで無駄となっていた発振後の電子エネルギーの回収を実現するための減速と目的である自由電子レーザー装置からのレーザー（電磁波）の発生を、超伝導リニアック駆動装置に、電子群内の時間の遅れ進みのない等時性の性質を持つ１８０度ビームを周回させる電場磁場あるいはその組み合わせ等を用いる光共振器系を直接又は間接に接合して、加速方向と１８０度反転した方向に減速方向とする事、
電子は、同じ超伝導リニアック駆動装置の空洞共振器中で、同時刻あるいは定常的に加速状態と減速状態にあり、それぞれのエネルギー重心又は、エネルギーの平均値が大きくずれておらず、または殆ど同一であることにより、使用される殆ど総ての荷電粒子ビーム光学素子は加速方向と減速方向で同一またはその近傍の値で最適化できる事、さらに電子群中の時間差が厳密に最小で、速度変化が大きな低いエネルギーまで回収でき、その高周波エネルギーの回収効率が１００％か、１００％に非常に近い事を特徴とする超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置」である。
【００２８】
かかる本発明の装置により、（１）常伝導リニアック自由電子レーザー（ＦＥＬ）、（２）３６０度周回型エネルギー回収を行う超伝導リニアックＦＥＬ、および（３）このエネルギー回収を行わない超伝導リニアックＦＥＬ等において使用する従来の技術では困難であったところの、非常に高効率で、高周波電力が非常に小さい、運転時とビーム遮断時の放射線発生がほとんどない、かつ本質的に安全な、容易に自動化が可能なビーム加速、レーザー（電磁波）発振、冷凍動作等の運転をを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置の説明図である。
【図２】本発明で使用される超伝導リニアック駆動装置の構造を示す図である。
【符号の説明】
１ 超伝導リニアック装置
２ 電子銃と直流加速器系
３ 入射系集群装置
４ 低エネルギー迂回偏向電磁石系
５ １８０度等時性偏向電磁石
６ 指向性放射光発生装置（アンジュレーター）
７ 光共振器系
８ 高エネルギー迂回偏向電磁石
９ 直流減速器
（１）超伝導加速空洞共振器
（２）冷凍機
（３）熱シールド１
（４）熱シールド２
（５）熱シールド用冷凍機
（６）液体ヘリウム
（７）高周波入力アンテナ

Claims (3)

1. 電子を、超伝導体で製作されたエネルギー損失の無視できる空洞共振器を利用して加速し、前記電子をアンジュレーター装置に入射してレーザーを発生させる超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置において、
   加速された電子の進行方向を該電子が等時性を有した状態で１８０度反転させる、等時性偏向電磁石を備え、
   進行方向を１８０度反転された前記電子を、等時性を有した状態で該電子の加速時とは逆向きに再び前記空洞共振器に入射し、該電子を減速させることにより該電子のエネルギーを回収することを特徴とする、超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置。
2. 前記空洞共振器の中で加速方向及び減速方向の電子が定常的に存在し、該加速方向及び減速方向の電子のエネルギーの重心又はエネルギーの平均値が等時性を有するエネルギーの範囲内で同一となることにより、加速方向及び減速方向の電子の両方が通過する総ての電子ビーム光学素子は加速方向と減速方向とで同一の電場若しくは磁場の値で最適化でき、等時性を有する範囲にエネルギーが分散した電子群のエネルギーを回収できることを特徴とする、請求項１記載の超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置。
3. 前記加速された電子を、前記等時性偏向電磁石による反転前と反転後の２回又はどちらか１回、前記アンジュレーター装置に通過させることにより、１往復につき１個若しくは２個のレーザー（電磁波）を発生させることを特徴とする請求項１又は２記載の超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置。

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