JP5828429B2 - 光陰極高周波電子銃空洞装置 - Google Patents

光陰極高周波電子銃空洞装置 Download PDF

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Description

本発明は、光陰極へのレーザー光の入射によって生成された電子を高周波電力の導入された高周波加速空洞内に形成される共振状態の高周波電場によって加速して高速電子ビームとして出力する光陰極高周波電子銃空洞装置に関し、より詳細には、高輝度電子ビーム発生用の各種の加速器、電子銃、レーザー逆コンプトン散乱によるＸ線発生装置等の小型化を可能にする超小型の光陰極高周波電子銃空洞装置に関する。
電子ビームを生成して出力する電子源装置は、電子銃のみならず、加速器（電子シンクロトロン、線形加速器、等）などの各種装置に電子ビームを入射するための電子ビーム供給源として幅広く利用されている。また、Ｘ線生体イメージング装置、Ｘ線吸収イメージング装置等のＸ線装置のＸ線源として、近年、レーザー逆コンプトン散乱を用いた小型Ｘ線源の開発が進められている。レーザー逆コンプトン散乱を用いたＸ線源とは、加速された電子ビームにレーザー光を衝突（逆コンプトン散乱）させることによって、所定のエネルギーを有した光子ビーム（Ｘ線）を生成するものである。そして、そのような小型Ｘ線源等の実現のために、大強度・高品質な電子ビームを生成可能な小型の電子源装置が現在必要とされている。
電子源装置の開発においては、旧来より熱電子銃（熱陰極を用いた電子発生方式）を用いたマルチバンチ電子ビームの生成・加速の研究等が行われてきた。そして、この熱電子銃方式で電子ビームの品質を十分に改善するに至らない状況の中で、近年、電子を短い距離で効果的に加速するための画期的な電子加速方法及び加速空洞、所謂、ＢＮＬ（Ｂｒｏｏｋｈａｖｅｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）型高周波加速空洞が考案された。この方法は、高周波の電界によって電子加速を行うものであり、従来の直流電界による電界強度の約１０倍以上の電界強度を発生できるため、電子銃の小型化を期待させるものであった。
図１２に示すように、このＢＮＬ型高周波加速空洞は、ハーフセル（０．５セル）５とフルセル（１．０セル）６とを連結した基本構造をとっており、ハーフセル５の電子ビーム軸方向（図中左右方向）の長さは、ビームの拡散低減のためにフルセル６の軸方向長さの０．６倍に設定されている。導波管内を伝達されてきた高周波電力は、まずフルセル６の壁面に設けられた高周波電力入力カプラーポート１０（カップリング孔）を通ってフルセル６内に供給され、続いて両セル間の絞り部（アイリス）を通ってハーフセル５内に供給される。ハーフセル５は、レーザー光の注入用のレーザー入射ポート９と、取り外し可能な端板２Ｂとを備えており、端板２Ｂの中心に金属（Ｃｕ、Ｍｇ、等）製の光陰極７が設けられている。端板２Ｂは真空シール（ヘリコフレックスシール）２Ｓを介してハーフセル本体に取り付けられており、メインテナンスや陰極材料研究のための光陰極７の交換の際には、端板２Ｂがハーフセル本体から取り外される。ハーフセル５の共振周波数の調整は、ヘリコフレックスシール２Ｓの締付トルクを調節してセルの体積を増減させることによって行われ、一方、フルセル６の共振周波数の調整は、フルセル６の空洞壁に開けられたチューナー穴（直径１０ｍｍ）内を上下可能な調整ロッド（対称的に計二本）の位置を調整することで行われる。
特開平０６−１７６７２３号公報 特許第３１１９２８５号公報 特開平０７−２２６３００号公報 特開２００２−３１３２１８号公報 特開平０５−０２９０９７号公報 特開平０７−２９６９９８号公報 特開２００８−１１７６６７号公報
Carlsten, B. E., NuclearInstruments and Methods in Physics Research A, volume 285, Issue 1-2, 1989, Pages313-319. Wang, X. J., Qiu, X., Ben-Zvi,I., Physical Review E−Statistical Physics, Plasmas,Fluid, and Related Interdisciplinary Topics, Volume 54, Issue 4, SUPPL. A,1996, Pages R3121-R3124. Qiu, X., Batchelor, K., Ben-Zvi,I., Wang, X.-J, Physical Review Letters, Volume 76, Issue 20, 1996, Pages3723-3726. Bossart, R., Braun, H., Dehler,M., Godot, J.-C., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, SectionA: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 375,Issue 1-3, 1996, Pages ABS7-ABS8. K. Hirano, M. Fukuda, M. Takano,Y. Yamazaki, T. Muto, S. Araki, N. Terunuma, M. Kuriki, M. Akemoto, H. Hayano,J. Urakawa, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Volume 560,2006, Pages 233-239. N. Terunuma, A. Murata, M.Fukuda, K. Hirano, Y. Kamiya, T. Kii, M. Kuriki, R. Kuroda, H. Ohgaki, K.Sakaue, M. Takano, T. Takatomi, J. Urakawa, M. Washio, Y. Yamazaki, J. Yang,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Volume 613, 2010, Pages1-8.
このＢＮＬ型高周波加速空洞では、ハーフセル側の端部に電子源としての陰極７を設けることによって陰極面８での電界強度の最大化を図り、また、フルセル側に高周波電力の入力のための高周波電力入力カプラーポート１０を設けることによって高周波共振状態を発生させている。これらは、例えば、非特許文献１、２、３、及び４に報告されている。しかしながら、従来型のＢＮＬ型高周波加速空洞には、高周波の共振に好ましくない、つまり空洞内面の平滑性／形状や共振を阻害するような構造、例えば高周波加速空洞３１の端部のシール構造（ヘリコフレックスシール２Ｓ）等のために、高周波共振状態の安定的維持が難しいという問題があった。
一般に、高周波加速空洞を構成する空洞セルの形状は、使用する特定の高周波電力入力波の周波数と空洞形状によって決定される空洞共振周波数とが一致するように設計され、空洞共振性能はＱ値（高周波の共振安定性の指標）で表わすことができる。しかし、従来、空洞形状から空洞共振周波数を求めることは行われているが、高周波電力の周波数から適切な空洞形状を導くことは殆ど行われていない。例えば、従来のＢＮＬ型高周波加速空洞には通称、Ｄｉｓｋ Ｌｏａｄｅｄ定在波型のダンベル形状の空洞セルが使用されているが、電子銃用の高周波加速空洞に関する内面が曲面形状の空洞セルの設計については殆ど知られていない。
また、高周波加速空洞の製造は通常、無酸素銅材の切削加工によって行われているが、空洞内面の研磨はダイヤモンド砥粒等の研磨材を用いた機械研磨によって行われており、研磨材の砥粒サイズに限界があるために原子レベルの平滑性を得ることは困難であり、そのために高周波電力の空洞内放電を抑制することが困難であるという問題があった。空洞内放電があると、陰極に印加する高周波電力の上限を低く抑えざるを得なくなり、そのために、生成された電子ビームの高周波電力による加速も低下し、これがエミッタンス（電子ビームの断面方向の広がり具合を定量的に表す指標）の増加要因ともなってしまう。
従来、電子発生源としては前述のように熱陰極を用いた電子発生方式がとられていたが、この方式には、放出熱電子のエネルギーが不揃いであるために上記エミッタンスが大きく、ビームの品質が落ちるという欠点があり、また、暗電流が本質的に発生してしまうという問題があった。このように熱陰極方式では高品質の電子ビームの発生が困難であることから、電子発生源を光陰極とする方式が提案された。光陰極方式は、暗電流発生の問題はあるものの、電子発生方式に光電効果を利用しているため、放出された電子ビームの放出方向及びエネルギーが極めてよく揃っており、エミッタンス値を熱陰極のものよりも、１桁ないし２桁近くも改善できるという特長を期待してのことであった。これらは、例えば、特許文献１、２、３、及び４に開示されている。しかしながら、従来の金属陰極（Ｃｕ、Ｍｇ、等）を用いた光陰極方式には、量子効率が低く、電界電子放出に起因した暗電流（上記放電等の原因となる）の発生の抑制が難しいという問題があった。量子効率の低い光陰極には、電子ビーム生成に大強度のレーザーパルスが必要になると共に、マルチバンチビームの生成が困難であり、電子源装置が単バンチビーム生成に限定されてしまうという問題がある。マルチバンチ電子ビーム生成用のレーザーにおいてはバンチ当たりのパワーを十分に高くすることができず、これに低量子効率の光陰極の使用は適さない。
空洞セルの製作誤差、温度上昇による空洞セルの形状変化、ビーム電流の発生等により、高周波電力周波数と空洞共振周波数との間にずれが発生するので、これを補正するために、一般的には、高周波共振チューナーを用いることが行われている。従来の高周波共振チューナーとしては、空洞セルの容量を変化させるように構成された所謂、容量型高周波共振チューナーや、空洞セルのインダクタンスを変化させるように構成された所謂、誘導型高周波共振チューナーが知られている。これらは、高周波加速空洞の空洞セルに設けられた小さな貫通孔にチューナー先端を差し込むことによって使用されていた。この方法は、例えば、特許文献５、及び６に開示されている。しかしながら、従来の高周波共振チューナーには、空洞セルの穿孔部分の空隙における放電やチューナーの摺動による焼き付きなどによる共振周波数離調の問題があった。
本発明者らは、先に、光陰極として、高周波加速空洞との接触部分において導電性のＲＦコンタクターを付帯する光陰極プラグを用いることによって暗電流を抑制できることを見いだし、非特許文献５、及び６に発表した。また、空洞セル内に挿入しないで空洞セルの共振周波数を外部から機械的に調整するための非挿入式高周波共振チューナーを用いることによって高周波の良好な共振状態を発生させることが可能であることが見いだされ、この方式は、例えば、特許文献７に開示されており、上記非特許文献５、及び６にも発表されている。
本発明者らは、従来のＢＮＬ型高周波加速空洞に前記の導電性ＲＦコンタクターを付帯する光陰極プラグ及び非挿入式高周波共振チューナーを設けた装置を用いて実験を行ったが、これでも１０キロワット級の高強度高品質の電子ビームを安定的に発生することは困難であった。
本発明の目的は、上記の事情に鑑み、高輝度電子ビーム発生用の各種の加速器、電子銃、レーザー逆コンプトン散乱によるＸ線発生装置等の小型化を可能にする、小型かつ大強度高品質の電子ビームを発生可能な光陰極高周波電子銃空洞装置を提供することである。より具体的には、キロワット級の大強度高品質電子ビームを発生可能な超小型の光陰極高周波電子銃空洞装置を提供することである。
本発明者らは、上記の目的を達成するために研究を重ねた結果、高周波加速空洞として特に加速高周波高電界に適した定在波の波形に近似した平滑な曲面形状を内面に持つ空洞セルを内部に有した高周波加速空洞を用い、これに光陰極、レーザー入射ポート、高周波電力入力カプラーポート、真空排気ポート、及び高周波共振チューナーを設けた新型の光陰極高周波電子銃空洞装置が非常に有効であることを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
そして、本発明は、ＢＮＬ型高周波加速空洞により構成される光陰極高周波電子銃空洞装置において、空洞セル内面の形状を加速高周波電界に適した定在波の波形に近似した平滑な曲面形状とするために、三角関数曲線、円弧、楕円、及び放物線のうち何れかの曲線で形作られる曲面形状を内面に持つ空洞セルを複数個連結した高周波加速空洞と、前記空洞セルを複数個連結した高周波加速空洞の端部に設けられた光陰極と、前記高周波加速空洞の電子ビームの取り出し口の後方において、前記光陰極に対向する位置に設けられ該光陰極に供給されるレーザー光の前記高周波加速空洞内への入射に用いられるレーザー入射ポートと、前記高周波加速空洞の側部に設けられ、該高周波加速空洞内への高周波電力の入力に用いられる高周波電力入力カプラーポートと、前記高周波加速空洞の側部に設けられ、該高周波加速空洞の真空排気に用いられる真空排気ポートと、前記高周波加速空洞の側部に設けられ、前記空洞セルにおける高周波の共振周波数の調節に用いられる高周波共振チューナーと、を備え、前記空洞セルの内面は、鋭角部を有さない前記曲面形状のみで構成され、前記空洞セルの頭頂部及び該空洞セルの連結部であるアイリスの各コーナー及び各エッジは曲面形状を成しており、その曲率半径Ｒは５ｍｍ≦Ｒ≦２０ｍｍの範囲にあって、且つ前記空洞セルの内面の表面粗さが０.０５μメートル以下であることを特徴とする光陰極高周波電子銃空洞装置を提供するものである。
また、上記光陰極高周波電子銃空洞装置において、前記光陰極が、前記高周波加速空洞との接触部分において導電性のＲＦコンタクターを付帯し且つＣｓ２Ｔｅの陰極面を持つ光陰極プラグであり、前記高周波共振チューナーが、前記空洞セル内に周波数調整ロッドを挿入することなく前記空洞セルにおける前記共振周波数を外部から機械的に調節するように前記高周波加速空洞の側部に設けられた非挿入式高周波共振チューナーであるのが更に好適である。
また、レーザー逆コンプトン散乱によるＸ線発生装置の電子源装置として用いられるために３キロワット以上のマルチパンチ電子ビームを生成することができる上記光陰極高周波電子銃空洞装置であるのが更に好適である。
本発明の光陰極高周波電子銃空洞装置によれば、従来装置比で約１０分の１以下の長さの超小型の電子源装置において、高周波電界強度、高周波共振空洞のＱ値、陰極の量子効率、及び発生電子の電荷量を飛躍的に向上させ、かつ、空洞内での放電及び暗電流を飛躍的に低減することができ、これによって、大強度高品質の電子ビームを発生することができる。従って、従来困難であった大強度高品質電子ビーム発生用の加速器、電子銃、レーザー逆コンプトン散乱によるＸ線発生装置等の小型化に有効である。例えば、空洞全長が３６ｃｍ程度の本発明の光陰極高周波電子銃空洞装置によって、高周波電界強度を１４０ＭＶ／ｍ（従来の直流電子銃の電界強度の約１４倍）に、高周波の共振安定性の指標である高周波共振空洞のＱ値を１５０００（従来の高周波加速空洞のＱ値の約２倍）に、暗電流を１００ピコアンペア以下（従来の高周波電子銃の暗電流の１００分の１以下）に、光陰極の量子効率を数％程度（従来の陰極の量子効率の約１０００倍）に、及び、光電子ビームの電荷量を１パルス当たり１０マイクロクーロン（従来の光陰極電子源の電荷量の約１万倍）にでき、これにより、平均電流が０．５ｍＡで１２ＭｅＶの大強度電子ビームを発生することができる。この全長３６ｃｍ程度の大強度電子ビーム発生装置は、１０キロワット級の高品質電子ビーム発生装置である。
本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の外観の一例を示す上面図である。 図１の光陰極高周波電子銃空洞装置の一部断面正面図である。 本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の実施例１の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の実施例２の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の実施例３の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の実施例４の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の実施例５の構成を示す断面図である。 従来の光陰極高周波電子銃空洞装置の構成を示す断面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の外観の一例を示す上面図であり、図２は図１の光陰極高周波電子銃空洞装置の一部断面正面図である。図に示すように、本実施形態の光陰極高周波電子銃空洞装置は、略円筒形状のハウジング２２（周壁部２２ａ）を本体として構成されており、該ハウジング２２は、例えば、真空中でのガス放出量が少なく優れた熱的・電気的性質を有する無酸素銅で形成されている。このハウジング２２を加工（内面加工、ポート穴加工等）することにより、本実施形態の光陰極高周波電子銃空洞装置における高周波加速空洞１が形成される。なお、ハウジング２２として例えばハーフセル部分用とフルセル部分用とを別個に用意し、各々を個別に加工し、後にこれらを連結加工して高周波加速空洞１を形成するなどの製造方法も可能である。
高周波加速空洞１内には、例えば後述する図１１（実施例５）に示すように、その一端に、レーザー光の入射に対して光電効果により電子を放出する光陰極（実施例５ではＲＦコンタクターを付帯した光陰極プラグ１５）が配置されており、空洞内の光陰極側にハーフセル５が形成され、これに続いてフルセル６が形成されている。ハウジング２２（高周波加速空洞１）には、高周波加速空洞１内で生成・加速された電子ビームを取り出すための電子ビーム取り出し口４、高周波電力を高周波加速空洞１内に入力するための高周波電力入力カプラーポート１０、高周波加速空洞１の真空排気のための真空排気ポート１１、及び高周波加速空洞１の内部を外部から観察するためのビューポート２４が設けられている。なお、図１の例では、後述する実施例５における非挿入式高周波共振チューナー１６が各セル当たり４個（例えば、図２に示すように高周波加速空洞１の中心Ｏに対して対称に且つ放射状に）設けられていると共に、実施例５におけるＲＦコンタクターを付帯した光陰極プラグ１５を高真空状態を保ったまま高周波加速空洞１までガイドするためのガイド部材２６がハウジング２２に取り付けられている。
高周波電力入力カプラーポート１０に取り付けられた導波管を通って伝送されてきた所定周波数の高周波電力は、高周波電力入力カプラーポート１０を介してまず高周波加速空洞１のフルセル６内に供給され、続いて両セル間の絞り部（アイリス）を通ってハーフセル５内に供給され、これにより、空洞内部に高周波の共振状態（定在波）が形成される。一方、電子ビーム取り出し口４の後方に設けられたレーザー入射ポート９を介して高周波加速空洞１内に入射されたレーザー光が光陰極に照射され、光陰極において光電効果によって生成された電子が上記共振状態の高周波により引き出し・加速され、この加速電子ビームが電子ビーム取り出し口４を介して射出される。
以下において、本実施形態の光陰極高周波電子銃空洞装置の特徴を概略的に説明し、その後に具体的な各実施例の説明を行う。
従来のＢＮＬ型高周波加速空洞の多くは、通称、Ｄｉｓｋ Ｌｏａｄｅｄ定在波型のダンベル形状の空洞セルから構成されており、電子銃用の高周波加速空洞に関して曲面形状の空洞セルは殆ど知られていない。本発明者らは、加速高周波高電界に適した定在波の波形に近似した平滑な曲面形状を内面に持つ空洞セルを内部に有した高周波加速空洞が、高電界化、良好な共振状態の発生、放電防止、及び暗電流の抑制のために顕著な効果を与えることを見いだし、このような曲面形状をもつ空洞セル、特に電子銃用の空洞セルを作製することに成功した。
上記の加速高周波高電界に適した定在波の波形に近似した平滑な曲面形状を内面に持つ空洞セルとは、空洞セルの内面の曲線が高周波の定在波の波形曲線に近似していることを意味する。三角関数曲線、円孤、楕円、及び放物線が上記波形曲線に近似している。本実施形態における空洞セルは、その頭頂部（セルの径が大きい部分）及びアイリス（セルを連結している部分であり電子ビームの通路となる）の各コーナー及び各エッジが上記の平滑な曲面形状を有する。該曲面形状の曲率半径は、使用する高周波の周波数及び空洞の大きさに基づいて適宜設定する。
本発明の光陰極高周波電子銃空洞装置における空洞セルの内面の平滑化は、空洞内での放電防止と高周波電界強度の安定的維持のために重要である。高電界化、良好な共振状態の発生、放電防止、及び暗電流の抑制に与える平滑化の効果は、上記曲面形状の効果よりも格段に大きい。平滑性が高いほど空洞内での放電の可能性が少なくなるので、空洞セル内面の平滑性は特別な事情がない限り高ければ高いほどよい。本実施形態では、空洞セル内面の平滑性を表面粗さ（算術平均粗さ）で評価する。本実施形態で用いることができる高周波加速空洞１の空洞セルの内面の表面粗さ（算術平均粗さ）は、好ましくは０．０５μｍ以下であり、より好ましくは０．０２μｍ以下である。表面粗さが０．０５μｍ以下であれば、放電の可能性を著しく低減できるので好ましい。該範囲の平滑性は、従来の高周波加速空洞内面の平滑性に比べて飛躍的に高いので、高周波加速空洞の電界強度及びＱ値を著しく向上させる効果が高く、電子加速のための共振状態を安定的に維持する効果が高い。本実施形態における空洞セル内面の平滑化は、例えば、切削１次加工後のセルに単結晶ダイヤモンド工具を用いた精密切削・研磨を行うことによって実施することができる。
本実施形態では、上述のような平滑な曲面形状を有する空洞セルを内部に有した新型の高周波加速空洞１を用いる。空洞セルはハーフセル（０．５セル）５及びフルセル（１．０セル）６である。通常、ハーフセル５の後ろにフルセル６が連結された構造を有する。セルを連結している部分は前述のように通称「アイリス」と呼ばれ、電子ビームの通路となる。ハーフセル５を設けるのは、ハーフセル５の端部に陰極を設けることによって陰極面８における電界強度を最大にするためである。フルセル６を設けるのは、電子をさらに加速させるための高周波電力を与えるためである。従って、フルセル６のセル数を増やすごとに電子の速度を累積的に加速することができる。本実施形態で用いる高周波加速空洞１の空洞セル数は、好ましくは１．５セル以上であり、より好ましくは３．５セル以上である。０．５セルだけでも高強度の電子ビームを取り出すことは可能であるが、キロワット級の電子ビームを取り出すためには１．５セル以上であることが好ましく、また、１０キロワット級の電子ビームを取り出すためには３．５セル以上であることが好ましい。
本実施形態では、陰極として光電子放出型の光陰極を用いる。光陰極は、放出される光電子のエミッタンス値を熱陰極の熱電子よりも１桁ないし２桁近くも良くすることができるからである。本実施形態で用いる光陰極の材質としては、従来知られている各種の光半導体薄膜材料を用いることができるが、好ましくはセシウムを中心としたアルカリ金属と他の化合物、例えば、ＣｓＩ、ＣｓＩ−Ｇｅ等のａｌｋａｌｉ ｉｏｄｉｄｅ、Ｋ２ＣｓＳｂ、Ｎａ２Ｋ（Ｃｓ）Ｓｂ等のａｌｋａｌｉ ａｎｔｉｍｏｎｉｄｅ、及びＣｓ２Ｔｅ、ＲｂＣｓＴｅ等のａｌｋａｌｉ ｔｅｌｌｕｒｉｄｅであり、より好ましくはａｌｋａｌｉ ｔｅｌｌｕｒｉｄｅであり、さらに好ましくはＣｓ２Ｔｅである。Ｃｓ２Ｔｅは、使用雰囲気が超高真空でありライフタイムが真空度と残留ガスによって大きく左右されるという問題があるものの、波長が２７０ｎｍ以下の紫外レーザーによって比較的高い量子効率で光電子を放出するという特長を有するのでさらに好ましい。本実施形態で光陰極を高周波加速空洞のハーフセル側の端部に設けるのは、前述のように陰極面８における高周波の電界強度を最大にするためである。また、本実施形態では、光陰極として好ましくは着脱交換が可能なプラグ形状の光陰極プラグを用い、より好ましくは高周波加速空洞と光陰極プラグとの接触部分において導電性のＲＦコンタクターを付帯する光陰極プラグを用いる。光陰極プラグの使用は、性能劣化した光陰極のフレッシュな光陰極への交換、陰極材料研究のための光陰極の交換等を容易化すると共に、光陰極付きの端板を、真空シール（ヘリコフレックスシール）を介してハーフセル本体に取り付ける従来装置における形状複雑化に起因したＱ値低下や放電発生等の問題を低減するものである。また、導電性のＲＦコンタクターの付帯は、光陰極面８における高周波放電を抑制する上で好ましい。
本実施形態では、高周波加速空洞１（図７乃至図１１を参照）の電子ビーム取り出し口４の後方において光陰極に対向する位置にレーザー入射ポート９（図１参照）を設ける。陰極面８に対してレーザー入射角度を垂直にすることができるため、照射部のスポットを極小にすることができ、これがエミッタンスを極小にする上で好ましいからである。従来はＢＮＬ型高周波加速空洞のハーフセル５の端部に光陰極７を設け、同ハーフセル５の側部から光陰極面８にレーザーの斜め入射を行っていたので、陰極面８での放出電子のエミッタンスを極小にすることが困難であったが、これに対して、本発明者等は、光陰極面８に対して垂直乃至垂直近傍の角度でレーザー入射することによってエミッタンスを極小にできることを見いだした。なお、本実施形態では、必要に応じて、高周波加速空洞１における電子ビーム取り出し口４の後方においてソレノイド１７や偏向磁石１８等を設けることができる。ソレノイド１７の使用は、通過電子ビームのエミッタンスの増大を抑制するためであり、又、偏向電磁石１８の使用は、レーザー入射ポート９を光陰極に対向した位置に取り付けるためである。
本実施形態では、高周波加速空洞１の側部に高周波電力入力カプラーポート１０を設ける。好ましくはフルセル６の側部に設ける。フルセル６の側部に設けるのは、光陰極から放出される電子を高周波電界の電場によってさらに加速する上で好ましいからである。取り付け位置は、ハーフセル５の隣のフルセル６（第１番目）に取り付けるのが好ましい。
本実施形態では、高周波加速空洞１の側部に真空排気ポート１１を設ける。好ましくは高周波電力入力カプラーポート１０に対向する位置に真空排気ポート１１を設ける。真空排気ポート１１を設けるのは、空洞内を真空排気するためであるが、高周波電力入力カプラーポート１０に対向する位置に設けるのは、回転対称軸上の加速電場の一様性を保つために好ましいからである。
本実施形態では、高周波加速空洞１の側部に高周波共振チューナーを設ける。チューナーの取り付け位置は、好ましくは、空洞セルの側部において空洞セルの頭頂部付近で空洞セルの対称的な調整を可能とするような位置に設ける。チューナーの設置数は、特に制限されるものではないが、好ましくは、対称的な調整を可能にするために１セル当たり２個以上を設ける。本実施形態では、高周波共振チューナーとして、高周波加速空洞の空洞セルに設けられた小さな貫通孔にチューナー先端を差し込んで使用するタイプの従来型チューナー１２も用いることができるが、好ましくは、空洞セルに挿入しないで空洞セルの共振周波数を外部から機械的に調整することができる非挿入式高周波共振チューナー１６を用いる。非挿入式高周波共振チューナー１６は、空洞セル内面に挿入しないで使用するので、空洞セル内面の連続的平滑性を損なうことがなく、また、従来のチューナーの使用時に見られる摺動部の焼き付きや放電による共振周波数離調の問題がないので、共振状態を安定的に維持できる効果がある。非挿入式高周波共振チューナー１６としては、例えば、特許文献７に記載されているようなチューナーを用いることができる。
以上のように、本実施形態の光陰極高周波電子銃空洞装置は、高周波加速空洞、光陰極、レーザー入射ポート、高周波電力入力カプラーポート、真空排気ポート、及び高周波共振チューナーを備えた光陰極高周波電子銃空洞装置であるが、高周波加速空洞として特に加速高周波高電界に適した定在波の波形に近似した平滑な曲面形状を内面に持つ空洞セルを内部に有した高周波加速空洞１を用い、これに最新の光陰極、高周波共振チューナーを設けることによって、従来にない超小型の装置による大強度高品質の電子ビームの発生が可能となる。
本実施形態の光陰極高周波電子銃空洞装置は、以下に示すように超小型の高周波加速空洞を用いて１０キロワット級の大強度高品質電子ビームの発生を可能にするので、高輝度電子ビーム発生用の各種の加速器、電子銃、レーザー逆コンプトン散乱によるＸ線発生装置等の小型化のために極めて有効である。特に、本実施形態の空洞装置によって発生可能な１０キロワット級で加速電子の運動エネルギーが６ＭｅＶから１２ＭｅＶの大強度高品質電子ビームは、画期的な診断治療、滅菌、電子線回折、分析、光反応、等の新しい光利用の分野を開拓する上で有効である。
以下に実施例等を挙げて本実施形態の光陰極高周波電子銃空洞装置についてより具体的に説明する。図１２は比較例として用いた従来の光陰極高周波電子銃空洞装置の構成を示す断面図であり、図７乃至図１１は、本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の各実施例（実施例１〜実施例５）の構成をそれぞれ示す断面図である。上記の各装置を用いて、空洞内の真空度を１０−６Ｐａのレベルに維持し、波長２６６ｎｍのモードロックレーザーを光陰極に照射し、２８５６ＭＨｚの高周波をセルに導入することによって電子ビームの発生実験を行った。光陰極に対して斜め位置のレーザー入射ポートからの斜め照射角度は、光陰極面８の垂線に対して約７０度とした（比較例）。光陰極に対向する位置に設けたレーザー入射ポートからの照射角度は、光陰極面８に垂直とした（実施例１〜５）。高周波加速空洞の性能を表す高周波電界強度、Ｑ値、及び暗電流は、それぞれビーズパータベイション法（bead perturbation method）、スペクトラムアナライザーとＣＴ（Current Transformer）を用いて測定した。光陰極の性能を表す量子効率は、発生ビーム強度とレーザーパルス強度の測定から求めた。発生電子ビームの特性を表す１パルス当たりの電荷量は、ＣＴを用いて測定した。
 比較例
非特許文献１の記載に従ってＢＮＬ型１．５セル高周波加速空洞３１を作製し、これに市販の光陰極７（住友重機械工業株式会社製造：Ｃｕ光陰極）、レーザー入射ポート９、高周波電力入力カプラーポート１０、真空排気ポート１１、及び市販の挿入型高周波共振チューナー１２（住友重機械工業株式会社製造：Ｔ１３４２）を設けた図１２に示すような装置を作製した。図１２に示す高周波加速空洞３１の端部に設けたヘリコフレックスシール２Ｓは、その締め付け強度の調節によってハーフセル５の共振調整に用いられる。また、フルセル６の共振調整のためにフルセル６の側部に挿入型高周波共振チューナー１２を２個設けた。この装置を用いて電子ビームの発生実験を行った。その結果、高周波加速空洞３１における高周波電界強度は約１００ＭＶ／ｍ、Ｑ値は約７９００、暗電流は約１０ナノアンペア、光陰極７の量子効率は約２×１０−３％、発生電子ビームの電荷量は１パルス当たり約１ナノクーロン、平均電流は約５０ナノアンペアであった（単バンチ、５０Ｈｚ運転）。
（平滑な曲面形状を有する空洞セルの効果）
無酸素銅材の切削加工によって粗空洞セルを作製し、該空洞セル内面に単結晶ダイヤモンド工具を用いて精密切削及び精密研磨を施すことによって加速高周波高電界に適した定在波の波面形状に近似した曲面形状を有するハーフセル５及びフルセル６を作製した。作製した空洞セルの頭頂部近傍及びアイリスにおける曲面形状は円孤で作られる曲面であり曲率半径Ｒは、５ｍｍ≦Ｒ≦２０ｍｍの範囲にあった。作製した空洞セル内面の表面粗さ（算術平均粗さ）を測定した結果、表面粗さが０．０５μｍ以下であることを確認した。表面粗さは、表面粗さ・輪郭形状測定器（株式会社ミツトヨ製造：ミツトヨフォームトレーサーＣＳ−５０００）を用いて測定した。上記ハーフセル５とフルセル６を連結加工することによって１．５個のセルを有した新型の高周波加速空洞１（全長約２５ｃｍ）を作製した。該高周波加速空洞１のハーフセル側の端部に市販の光陰極７（住友重機械工業株式会社製造：Ｃｕ光陰極）を設け、該高周波加速空洞１の電子ビーム取り出し口４にレーザー入射ポート９を設け、該高周波加速空洞１のフルセル６の側部に高周波電力入力カプラーポート１０を設け、該高周波加速空洞１の側部に真空排気ポート１１を設け、及び該高周波加速空洞１のハーフセル５及びフルセル６の側部に市販の容量型高周波共振チューナー１２（住友重機械工業株式会社製造：Ｔ１３４２）を設けることによって図７に示すような光陰極高周波電子銃空洞装置（実施例１）を作製した。上記高周波共振チューナー１２は、各セルの側部にそれぞれ２個設けた。上記装置を用いて電子ビーム発生実験を行った。その結果、高周波加速空洞１における高周波電界強度は約１１０ＭＶ／ｍ、Ｑ値は約８８００、暗電流は約３０００ピコアンペア、発生電子ビームの電荷量は１パルス当たり約０．０１マイクロクーロン、平均電流は約０．１マイクロアンペアであった。この結果から、本実施例１の光電子高周波加速空洞装置によって従来のＢＮＬ型高周波加速空洞装置よりも高周波電界強度を約１．１倍向上させ、Ｑ値を約１．１倍向上させ、暗電流を約３．３分の１に低減させ、発生電子ビームの電荷量を約１０倍向上させ、平均電流を約２倍向上させることが可能であることがわかった（１００ bunches/pulse、１０Ｈｚ運転）。
（着脱交換可能な光陰極プラグの効果）
実施例１における市販の光陰極７の代わりに着脱交換可能な光陰極プラグ１４を設けた図８に示すような光陰極高周波電子銃空洞装置（実施例２）を用いて電子ビーム発生実験を行った。着脱交換可能な光陰極プラグ１４として、非特許文献６、及び７に記載のＣｓ２Ｔｅ蒸着光陰極プラグを作製し、これを用いた。その結果、高周波加速空洞１における高周波電界強度は約１２０ＭＶ／ｍ、Ｑ値は約１１０００、暗電流は約１０００ピコアンペア、量子効率は約２％、発生電子ビームの電荷量は１パルス当たり約０．３マイクロクーロン、平均電流は約３マイクロアンペアであった。この結果から、着脱交換可能な光陰極プラグ１４（Ｃｓ２Ｔｅ）を設けた本実施例２の光陰極高周波電子銃空洞装置によって、実施例１の結果よりもさらに暗電流を約３分の１に低減させ、発生電子ビームの電荷量を約３０倍向上させ、平均電流を約３０倍向上させることが可能であることがわかった（１００ｂｕｎｃｈｅｓ／ｐｕｌｓｅ、１０Ｈｚ運転）。
（導電性のＲＦコンタクターを付帯した着脱交換可能な光陰極プラグの効果）
実施例１における市販の光陰極７の代わりに導電性のＲＦコンタクターを付帯する着脱交換可能な光陰極プラグ１５を設けた図９に示すような光電子高周波加速空洞装置（実施例３）を用いて電子ビーム発生実験を行った。導電性のＲＦコンタクターを付帯した着脱交換可能な光陰極プラグ１５として、非特許文献６に記載の導電性ＲＦコンタクターを付帯したＣｓ２Ｔｅ蒸着光陰極プラグを作製し、これを用いた。その結果、高周波加速空洞１における高周波電界強度は約１２０ＭＶ／ｍ、Ｑ値は約１２０００、暗電流は約１００ピコアンペア、量子効率は約２％、発生電子ビームの電荷量は１パルス当たり約０．５マイクロクーロン、平均電流は約５マイクロアンペアであった。この結果から、導電性のＲＦコンタクターを付帯した着脱交換可能な光陰極プラグ１５（Ｃｓ２Ｔｅ）を設けた本実施例３の光陰極高周波電子銃空洞装置によって、実施例１の結果よりもさらに暗電流を約３０分の１に低減させ、発生電子ビームの電荷量を約５０倍向上させ、平均電流を約５０倍向上させることが可能であることがわかった（５０ｂｕｎｃｈｅｓ／ｐｕｌｓｅ、１０Ｈｚ運転）。
（非挿入式高周波共振チューナーの効果）
実施例１における市販の挿入式高周波共振チューナー１２の代わりに非挿入式高周波共振チューナー１６を設けた図１０に示すような光陰極高周波電子銃空洞装置（実施例４）を用いて電子ビーム発生実験を行った。該非挿入式高周波共振チューナー１６は、各セルの側部に４個設けた。非挿入式高周波共振チューナー１６として、特許文献７に記載の非挿入式高周波共振チューナーを作製し、これを用いた。その結果、高周波加速空洞１における高周波電界強度は約１３０ＭＶ／ｍ、Ｑ値は約１３０００、暗電流は約１０００ピコアンペア、発生電子ビームの電荷量は１パルス当たり約０．２５マイクロクーロン、平均電流は約２．５マイクロアンペアであった。この結果から、非挿入式高周波共振チューナー１６を設けた本実施例４の光陰極高周波電子銃空洞装置によって、実施例１の結果よりもさらに高周波電界強度を約１．２倍向上させ、Ｑ値を約１．５倍向上させ、暗電流を約３０分に１以下に低減させ、発生電子ビームの電荷量を約２５倍向上させ、平均電流を約２５倍向上させることが可能であることがわかった（５００ｂｕｎｃｈｅｓ／ｐｕｌｓｅ、１０Ｈｚ運転）。
（高周波加速空洞に導電性のＲＦコンタクターを付帯した着脱交換可能な光陰極プラグ及び非挿入式高周波共振チューナーを設けたことによる効果）
実施例１における市販の光陰極７の代わりに導電性ＲＦコンタクターを付帯した着脱交換可能な蒸着光陰極プラグ１５を設けると共に、実施例１における市販の挿入式高周波共振チューナー１２の代わりに非挿入式高周波共振チューナー１６を設けた図１１に示すような光陰極高周波電子銃空洞装置（実施例５）を用いて電子ビーム発生実験を行った。導電性のＲＦコンタクターを付帯する着脱交換可能な光陰極プラグ１５は実施例３と同様であり、又、非挿入式高周波共振チューナー１６は実施例４と同様である。非挿入式高周波共振チューナー１６は、各セルの側部に４個設けた。その結果、高周波加速空洞１における高周波電界強度は約１４０ＭＶ／ｍ、Ｑ値は約１５０００、暗電流は約１００ピコアンペア、光陰極の量子効率は約２％、発生電子ビームの電荷量は１パルス当たり約９マイクロクーロン、平均電流は約９０マイクロアンペアであった。この結果から、導電性のＲＦコンタクターを付帯した着脱交換可能な光陰極プラグ１５（Ｃｓ２Ｔｅ）及び非挿入式高周波共振チューナー１６を設けた本実施例５の光陰極高周波電子銃空洞装置によって、実施例１の結果よりもさらに高周波電界強度を約１．３倍向上させ、Ｑ値を約１．７倍向上させ、光陰極の量子効率を約１０００倍向上させ、暗電流を約３０分の１以下に低減させ、発生電子ビームの電荷量を約９００倍向上させ、平均電流を約９００倍向上させることが可能であることがわかった（３０００ bunches/pulse、１０Ｈｚ運転）。
以上の比較例及び実施例１〜５の装置の主要構成及び実験結果をまとめると、それぞれ以下の表１及び表２となる。
Figure 0005828429
Figure 0005828429
以上の結果から、本実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置を用いて、従来の装置に比べて著しく高強度高品質の電子ビームを発生させることが可能であることが確認された。特に、本実施形態の光陰極高周波電子銃空洞装置における新型の高周波加速空洞は、顕著な暗電流の抑制効果、及び顕著な電子ビームの電荷量の向上効果を与えるので、その結果、平均電流を著しく向上させ、電子銃の小型化を可能にする。また、該新型の高周波加速空洞に新型の光陰極プラグ１４またはＲＦコンタクター付光陰極プラグ１５、及び非挿入式高周波チューナー１６を設けることによって、高周波電界強度、Ｑ値、暗電流、量子効果、電子ビームの電荷量、及び平均電流に対して予想外の非常に高い複合効果を与えることが可能である。
なお、上記実施形態においては１．５セル型（ハーフセル１個＋フルセル１個）の光陰極高周波電子銃空洞装置について主に説明したが、３．５セル型（ハーフセル１個＋フルセル３個）光陰極高周波電子銃空洞装置等、フルセル数の異なる光陰極高周波電子銃空洞装置にも当然適用可能である。
本発明の光陰極高周波電子銃空洞装置は、超小型の高周波加速空洞を用いて１０キロワット級の大強度高品質電子ビームの発生を可能にすると共に、高輝度電子ビーム発生用の各種の加速器、電子銃、レーザー逆コンプトン散乱によるＸ線発生装置等の小型化のために極めて有効である。特に、本発明の装置によって発生させることができる１０キロワット級で加速電子の運動エネルギーが６ＭｅＶから１２ＭｅＶの大強度高品質電子ビームは、画期的な診断治療、滅菌、電子線回折、分析、光反応、等の新しい光利用の分野を開拓する上で有効であり、本発明は産業上の利用可能性を有する。
１ 高周波加速空洞
２ 高周波加速空洞の端部
３ 高周波加速空洞の側部
４ 電子ビーム取り出し口
５ ハーフセル
６ フルセル
７ 光陰極
８ 光陰極面
９ レーザー入射ポート
１０ 高周波電力入力カプラーポート
１１ 真空排気ポート
１２ 高周波共振チューナー
１４ 光陰極プラグ
１５ ＲＦコンタクターを付帯した光陰極プラグ
１６ 非挿入式高周波共振チューナー
１７ ソレノイド
１８ 偏向磁石
２２ ハウジング
２２ａ ハウジングの周壁部
２４ 空洞内部を外部から観察するためのビューポート
２６ ガイド部材

Claims (3)

  1. ＢＮＬ型高周波加速空洞により構成される光陰極高周波電子銃空洞装置において、
    空洞セル内面の形状を加速高周波電界に適した定在波の波形に近似した平滑な曲面形状とするために、三角関数曲線、円弧、楕円、及び放物線のうち何れかの曲線で形作られる曲面形状を内面に持つ空洞セルを複数個連結した高周波加速空洞と、
    前記空洞セルを複数個連結した高周波加速空洞の端部に設けられた光陰極と、
    前記高周波加速空洞の電子ビームの取り出し口の後方において、前記光陰極に対向する位置に設けられ該光陰極に供給されるレーザー光の前記高周波加速空洞内への入射に用いられるレーザー入射ポートと、
    前記高周波加速空洞の側部に設けられ、該高周波加速空洞内への高周波電力の入力に用いられる高周波電力入力カプラーポートと、
    前記高周波加速空洞の側部に設けられ、該高周波加速空洞の真空排気に用いられる真空排気ポートと、
    前記高周波加速空洞の側部に設けられ、前記空洞セルにおける高周波の共振周波数の調節に用いられる高周波共振チューナーと、を備え、
    前記空洞セルの内面は、鋭角部を有さない前記曲面形状のみで構成され、前記空洞セルの頭頂部及び該空洞セルの連結部であるアイリスの各コーナー及び各エッジは曲面形状を成しており、その曲率半径Ｒは５ｍｍ≦Ｒ≦２０ｍｍの範囲にあって、且つ前記空洞セルの内面の表面粗さが０.０５μメートル以下であることを特徴とする光陰極高周波電子銃空洞装置。
  2. 前記光陰極が、前記高周波加速空洞との接触部分において導電性のＲＦコンタクターを付帯し且つＣｓ２Ｔｅの陰極面を持つ光陰極プラグであり、
    前記高周波共振チューナーが、前記空洞セル内に周波数調整ロッドを挿入することなく前記空洞セルにおける前記共振周波数を外部から機械的に調整するように前記高周波加速空洞の側部に設けられた非挿入式高周波共振チューナーである、ことを特徴とする請求項１に記載の光陰極高周波電子銃空洞装置。
  3. レーザー逆コンプトン散乱によるＸ線発生装置の電子源装置として用いられるために３キロワット以上のマルチバンチ電子ビームを生成することができることを特徴とする請求項２に記載の光陰極高周波電子銃空洞装置。
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