JP6091332B2

JP6091332B2 - マイクロトロン

Info

Publication number: JP6091332B2
Application number: JP2013110573A
Authority: JP
Inventors: 文雄酒井
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2033-05-27
Also published as: JP2014229575A

Description

本発明は、マイクロトロンに関する。

マイクロトロンは、線形加速器と円形加速器とを組み合わせた構造を有する加速器である。マイクロトロンは比較的コンパクトでありながら高いエネルギ分解能をもった出力ビームを提供するので、医学、物理学の分野のみならず他の分野でも広く利用されている。本出願人は例えば特許文献１において、レーストラック型のマイクロトロンを提案している。

特開２００２−２８０２００号公報

マイクロトロンでは、通常、１００ｋｅＶ程度の比較的低いエネルギの粒子を入射し、周回毎に数ＭｅＶ（例えば、６ＭｅＶ）の加速が行われている。このとき、各周回での加速空洞での位相がそろうことが安定的に加速する条件である。各周回の軌道長が加速空洞の周期長の整数倍に一致していないと、加速空洞での加速位相がずれてきて、安定的な加速が困難となる。

最近、フォトカソードＲＦガン等を入射装置として、マイクロトロンと組み合わせることにより、短パルス、高電流密度の電子線パルスを得る試みがなされている。しかしながら、既述のように各ターン毎に位相が合う必要から、従来では入射エネルギを周回毎のエネルギゲインの整数倍にする必要がある。結果的に、初期のエネルギを高くする必要があるが、高エネルギの入射装置は比較的高価、複雑である。また、入射ビームのエネルギを高くするために追加の加速空洞を設けたとしてもやはり高額、複雑となる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、安定的な加速を実現しつつ入射エネルギの選択の幅を広げることができるマイクロトロンの提供にある。

本発明のある態様はマイクロトロンに関する。このマイクロトロンは、一部が相互に共有された複数の周回電子軌道を画定するよう構成された一対の偏向電磁石と、周回電子軌道の共有部分に配置され、電子ビームのエネルギを増加させる加速管と、周回電子軌道に電子ビームを入射させる電子ビーム源と、を備える。マイクロトロンは、電子ビーム源から周回電子軌道に入射する際の電子ビームのエネルギをＥ_ｉｎｔ、電気素量をｅ、円周率をπ、一対の偏向電磁石の磁束密度の大きさをＢ、光速をｃ、一対の偏向電磁石間の自由空間距離をＬ、前記加速管の周期長をλ、任意の自然数をｐ、と表すとき、

を満たすよう構成される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、安定的な加速を実現しつつ入射エネルギの選択の幅を広げることができるマイクロトロンを提供できる。

実施の形態に係るマイクロトロンの構成を示す模式図である。図１の電子ビーム加速管の断面図である。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

図１は、実施の形態に係るマイクロトロン１の構成を示す模式図である。マイクロトロン１は、一対の偏向電磁石１０と、電子ビーム加速管１１と、電子ビーム源１３と、契機信号発生器１４と、アクチュエータ２０と、マイクロ波発生源３２と、を備える。

一対の偏向電磁石１０の各々は、図１の紙面に直交する方向に略一様な磁場（磁束密度の大きさＢ）を発生させる。アクチュエータ２０は、一対の偏向電磁石１０の一方を他方に向けて動かすことで一対の偏向電磁石１０間の自由空間距離Ｌを可変とする。

マイクロトロン１においては、一対の偏向電磁石１０の作用により、真空容器（不図示）内に、曲率半径の異なる複数のレーストラック型の周回電子軌道２が画定されている。各電子軌道２は、２つの直線部分２ａ、２ｂと２つの半円周部分２ｃにより構成される。一方の直線部分２ａは、すべての周回電子軌道により共有される。他方の直線部分２ｂは、半円周部分２ｃの曲率半径により、その位置が定まる。半円周部分２ｃの曲率半径は、一対の偏向電磁石１０の各々の磁極間に入射する電子の持つエネルギにより定まる。

周回電子軌道２の共有部分２ａの一部に沿って、電子ビーム加速管１１が配置されている。マイクロ波発生源３２から出力される加速周波数ｆ（例えば、約２．９ＧＨｚ）のマイクロ波が、導波管（不図示）を経由して電子ビーム加速管１１に導入される。電子ビーム加速管１１は、マイクロ波が発生する高周波電界により、入射した電子ビームのエネルギを増加させる。電子のエネルギが増加すると、周回電子軌道２の半円周部分２ｃの曲率半径が大きくなる。従って、電子が電子ビーム加速管１１を通過するごとに、その電子の描く軌道の半円周部分２ｃの曲率半径が大きくなる。電子ビーム加速管１１は、電子ビームが電子ビーム加速管１１を通過するごとに、電子ビームに加速エネルギδＥ（例えば、５ＭｅＶ〜１０ＭｅＶ）を与える。

周回電子軌道２を所定回数周回した電子ビームは、周回電子軌道２の最外周軌道に対応する直線部分２ｄ上に配置されている電磁石１５によってその進行方向を変えられ、周回電子軌道２から離脱する。周回電子軌道２から離脱した電子ビーム（例えば、１５０ＭｅＶ〜２５０ＭｅＶ）は、取出管１６内をその軸方向に進行し、外部に取り出される。外部に取り出された電子ビームは様々な用途に利用可能であるが、一例として、逆コンプトン散乱によるＸ線／γ線発生装置に利用されてもよい。そのような発生装置が発生するＸ線／γ線は例えば核分光装置や医療機器に使用されてもよい。

電子ビーム源１３は、契機信号発生器１４から与えられる契機信号に基づいて、パルス状の電子ビームを出射する。契機信号発生器１４は、マイクロ波発生源３２から出力されるマイクロ波の位相が電子ビームの位相と同期するように契機信号を発生する。

電子ビーム源１３として、例えば、特開平１１−４５６７６号公報に開示されたフォトカソード付きＲＦ電子銃を用いることができる。このようなフォトカソード付きＲＦ電子銃をマイクロトロン１の電子ビーム源１３として組み入れることにより、短パルス、高電流密度の電子線パルスを得ることができる。この場合、契機信号発生器１４として、パルスレーザ発振器が用いられる。契機信号発生器１４は、マイクロ波発生源３２から出力される加速周波数ｆのマイクロ波に同期して、ＲＦ電子銃のフォトカソードに短パルスレーザビームを入射させる。

電子ビーム源１３から出射したパルス状電子ビームは、電子ビーム加速管１１の入射端１１ａから周回電子軌道２ａに沿って加速管１１内に入射エネルギＥ_ｉｎｔで入射する。電子ビーム源１３は、入射エネルギＥ_ｉｎｔが可変となるよう、特に微調整可能なように構成されている。電子ビーム加速管１１により加速された電子ビームは、電子ビーム加速管１１の出射端１１ｂから出射する。出射端１１ｂから出射した電子ビームは、レーストラック型の周回電子軌道２を描いて電子ビーム加速管１１の入射端１１ａに戻ってくる。この周回運動を繰り返すことにより、電子ビームは徐々に加速され、周回電子軌道２が徐々に大きくなる。

図２は、電子ビーム加速管１１の断面図である。図２は電子ビーム加速管１１の加速管軸４０を含む断面を示す。電子ビーム加速管１１は、電子ビーム加速管１１の筐体となる円筒部４２と、円筒部４２の中に共軸に周期的に配置された複数の開口付円板４４と、電子４６が入射する入射口４８と、電子ビーム加速管１１によって加速された電子が円筒部４２内から出射する出射口５０と、電子を加速するためのマイクロ波の入口５２と、マイクロ波の出口５４と、を有する。複数の開口付円板４４は、加速管軸４０に沿って周期長λで等間隔に配置されている。周期長λはマイクロ波の加速周波数ｆに対応し、本実施の形態では、λ＝ｃ／ｆが成り立つ。ｃは光速である。例えば、加速周波数ｆが３ＧＨｚであれば、周期長λは約１０ｃｍとなる。

マイクロ波の入口５２から入射したマイクロ波は円筒部４２内にマイクロ波電界Ｅを作る。このマイクロ波は円筒部４２内をマイクロ波位相速度で進行し、電子の加速と管内損失で電力を消費し、残りの電力はマイクロ波の出口５４から取り出される。加速される電子４６は、入射口４８から入射し、出射口５０に向かって粒子速度で進む。マイクロ波位相速度と電子の粒子速度とを実質的に等しくし、電子をマイクロ波の加速位相に同期させることにより、電子が加速される。

電子ビーム源１３から周回電子軌道２に入射する際の電子ビームの入射エネルギＥ_ｉｎｔ、一対の偏向電磁石１０の磁束密度の大きさＢ、一対の偏向電磁石１０間の自由空間距離Ｌ、電子ビーム加速管１１の周期長λ、について、本実施の形態に係るマイクロトロン１は以下の関係が成立するよう構成される。

ここで、ｅは電気素量、πは円周率、ｃは光速、ｐは任意の自然数である。

加えて、電子ビームが電子ビーム加速管１１を通過するごとに電子ビーム加速管１１が電子ビームに与える加速エネルギδＥ、一対の偏向電磁石１０の磁束密度の大きさＢ、電子ビーム加速管１１の周期長λ、について、本実施の形態に係るマイクロトロン１は以下の関係が成立するよう構成される。

ここで、ｎは任意の自然数である。

ｍ周目（ｍは自然数）の周回電子軌道２の軌道長Ｄ_ｍは以下の数式で表される。

これに式１および式２を代入することにより、軌道長Ｄ_ｍは以下のように表される。

したがって、本実施の形態に係るマイクロトロン１では、ｍ周目の周回電子軌道２の軌道長Ｄ_ｍはｍの値によらずに電子ビーム加速管１１の周期長λの自然数倍となる。その結果、周回電子軌道２の各周回での電子ビーム加速管１１における位相が揃うので、電子ビームを安定的に加速することができる。

また、本実施の形態に係るマイクロトロン１では、任意の入射エネルギＥ_ｉｎｔに対して、アクチュエータ２０によって自由空間距離Ｌを調節することにより式１を成立させることができる。したがって、任意の入射エネルギＥ_ｉｎｔについてマイクロトロン１での安定的な加速が可能となる。特に、加速エネルギδＥに対して入射エネルギＥ_ｉｎｔが無視できない場合（例えば、加速エネルギδＥと入射エネルギＥ_ｉｎｔとが同等な場合）でも、本実施の形態に係るマイクロトロン１では安定的な電子ビームの加速が実現される。

また、本実施の形態に係るマイクロトロン１では、入射エネルギＥ_ｉｎｔの微調整が可能となっているので、式１が成立するように入射エネルギＥ_ｉｎｔを合わせ込むことが可能となる。

以上、実施の形態に係るマイクロトロン１について説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では、入射エネルギＥ_ｉｎｔや自由空間距離Ｌを可変とする場合について説明したが、これに限られず、代替的または追加的に、一対の偏向電磁石１０の磁束密度の大きさＢや周期長λを可変としてもよい。

実施の形態では、電子の静止質量（０．５１１ＭｅＶ）が無視できる場合について説明したが、これに限られず、例えば入射エネルギＥ_ｉｎｔに電子の静止質量を含めてもよい。

実施の形態では、電子ビーム加速管１１として進行波型線形加速器を採用する場合について説明したが、これに限られず、例えば、誘導型線形加速器やＲＦＱ型線形加速器などの他の形式の線形加速器を採用してもよい。

実施の形態では、電子ビーム源１３から出射したパルス状電子ビームは、電子ビーム加速管１１の入射端１１ａから周回電子軌道２ａに沿って加速管１１内に入射する場合について説明したが、これに限られない。例えば、電子ビーム源１３から出射したパルス状電子ビームは、電子ビーム加速管１１の出射端１１ｂから周回電子軌道２ａに沿って電子ビーム加速管１１内に入射してもよい。この場合、電子ビーム加速管１１により加速された電子ビームは、入射端１１ａ側の偏向電磁石１０により折り返され、周回電子軌道２の直線部分２ａに沿って電子ビーム加速管１１の入射端１１ａに戻る。電子ビーム加速管１１の入射端１１ａに戻った電子ビームは、再び電子ビーム加速管１１により加速され、出射端１１ｂから出射する。
なお、実施の形態では、電子ビームの折り返しが発生しない分、電子ビームの質、例えばエミッタンスを向上させることができる。

１マイクロトロン、２周回電子軌道、１０一対の偏向電磁石、１１電子ビーム加速管、１３電子ビーム源、２０アクチュエータ。

Claims

一部が相互に共有された複数の周回電子軌道を画定するよう構成された一対の偏向電磁石と、
周回電子軌道の共有部分に配置され、電子ビームのエネルギを増加させる加速管と、
周回電子軌道に電子ビームを入射させる電子ビーム源と、を備え、
前記電子ビーム源から周回電子軌道に入射する際の電子ビームのエネルギをＥ_ｉｎｔ、電気素量をｅ、円周率をπ、前記一対の偏向電磁石の磁束密度の大きさをＢ、光速をｃ、前記一対の偏向電磁石間の自由空間距離をＬ、前記加速管の周期長をλ、任意の自然数をｐ、と表すとき、
前記電子ビーム源から周回電子軌道に入射する際の電子ビームのエネルギＥ _ｉｎｔ、前記一対の偏向電磁石の磁束密度の大きさＢ、前記一対の偏向電磁石間の自由空間距離Ｌ、前記加速管の周期長λ、について、

を満たすよう構成されることを特徴とするマイクロトロン。
前記一対の偏向電磁石の一方を他方に向けて動かすことで前記一対の偏向電磁石間の自由空間距離を可変とするアクチュエータをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のマイクロトロン。
前記電子ビーム源は、前記電子ビーム源から周回電子軌道に入射する際の電子ビームのエネルギが可変となるよう構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロトロン。
電子ビームが前記加速管を通過するごとに前記加速管が電子ビームに与えるエネルギをδＥ、任意の自然数をｎ、と表すとき、
電子ビームが前記加速管を通過するごとに前記加速管が電子ビームに与えるエネルギδＥ、前記一対の偏向電磁石の磁束密度の大きさＢ、前記加速管の周期長λ、について、

を満たすよう構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマイクロトロン。