JP6587093B2 - 荷電粒子加速器 - Google Patents

Description

本発明は荷電粒子加速器に関し、特に、電子銃を用いて発生させた荷電粒子を加速するための荷電粒子加速器に関する。

電子やイオン等の荷電粒子に外部からエネルギを与えて人工的に高速状態に加速する加速器は、様々な産業分野に使用されている。特に電子線は広く産業分野に使用されており、高分子材料の架橋や重合を促進したり、医療器具等を滅菌したりするのに利用されている（例えば特許文献１）。荷電粒子加速器は、荷電粒子を発生させる荷電粒子発生源を加速器本体に接続し、荷電粒子発生源から放出された荷電粒子が、加速電極のビーム経路を通って加速電極間の加速ギャップで加速されるものである。ここで、荷電粒子として電子を発生させる電子銃としては、電子を放出する陰極の種類によって、熱陰極型、冷陰極型、及び光陰極型（フォトカソード型）に大別される。熱陰極型とは、陰極への直接通電による加熱又は陰極をヒータにより間接加熱して熱電子を発生させるものである（例えば特許文献２）。また、冷陰極型とは、陰極表面に高電圧を与えたときに生じる電界放出現象により、陰極を加熱せずに電子を発生させるものである（例えば特許文献３）。また、光陰極型とは、陰極にレーザ光を照射して光電子を発生させるものである（例えば特許文献４）。

また、特許文献５に開示のように、熱陰極型の電子銃において、陰極の電子出射面に対して常にその法線方向からレーザ光を照射することで陰極の加熱を行うものも存在する。

特開２０１５−０２２９６７号公報 特開２００３−２０３５７９号公報 特開平８−１８５８０５号公報 特開平７−０６５７０７号公報 特開平８−１４８３００号公報

荷電粒子加速器において、例えば空間電荷効果が強く作用する低エネルギの大強度電子又はイオンビームを取り扱う場合に、ビーム発散力が問題となる場合がある。ここで、空間電荷効果とは、ビーム中の荷電粒子間に働くクーロン反発力によりビームの発散が生じ、荷電粒子の空間、エネルギ、運動量分布が影響を受けてしまう現象をいい、その作用はエネルギの増加とともに減少していく。したがって、低エネルギ状態での輸送距離が長くなるにつれて、荷電粒子が散逸してしまうことが問題となり得ていた。また、荷電粒子が発散しないように輸送するためのビーム収束機構等も必要となり、装置が大掛かりとなっていた。

さらに、熱陰極型電子銃を備えた荷電粒子加速器では、熱陰極をヒータ等により加熱する必要があり、電子銃の内部にヒータ電流供給用の配線や電流導入端子が必要となっていた。このため、内部構造が複雑化すると共に、使用材料によってはガス放出等により荷電粒子加速器内部の真空状態が悪化するおそれもあった。さらに、ヒータの断線等のおそれもあり、安定した電子ビームを得ることが難しい場合もあった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、熱陰極型の電子銃の加熱手段としてレーザ光を用いることで電子銃を加速器本体内部に設置可能であり、高い効率でビームを輸送することが可能な荷電粒子加速器を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による荷電粒子加速器は、外導体と、外導体内部に設けられる一対の加速電極と、を有する加速空洞であって、一対の加速電極はビーム経路を有し、互いに対向して配置されることで加速電極間に加速ギャップが形成される、加速空洞と、熱陰極材料と、熱陰極材料を加熱するためのレーザ光源と、レーザ光源による加熱を増強するために熱陰極材料に付着される熱吸収率増強材料と、を有する電子銃であって、熱陰極材料が加速空洞の加速電極のビーム経路内に配置される、電子銃と、を具備するものである。

ここで、電子銃は、熱陰極材料が加速空洞の加速電極のビーム経路内の加速ギャップ側に配置され、熱陰極材料の加速ギャップ側の反対側に熱吸収率増強材料が付着され、加速電極外部から熱吸収率増強材料に向かってレーザを照射するようにレーザ光源が配置されるものであれば良い。

また、熱吸収率増強材料は、カーボン系材料であれば良い。

また、熱陰極材料は、ＬａＢ_６又はＩｒＣｅの少なくとも１つからなるものであれば良い。

また、加速空洞は、ビーム経路が直線状の線形加速空洞であれば良い。

また、加速空洞は、ビーム経路を蛇行させる蛇行型加速空洞であっても良く、さらに、荷電粒子を蛇行させながら加速するために、加速空洞の外部に配置され加速される荷電粒子ビームの方向が蛇行するように偏向させるための偏向部を具備するものであれば良い。

本発明の荷電粒子加速器には、電子銃の熱陰極材料部分を加速空洞内部に設置可能となり、加速ギャップまでのビーム輸送距離が短縮されることで空間電荷効果の影響を減らし、熱陰極材料を加熱するためのヒータや配線、電流導入端子等も不要であるという利点がある。

図１は、本発明の荷電粒子加速器を説明するための概略側断面図である。 図２は、本発明の荷電粒子加速器の荷電粒子源を説明するための概略拡大側断面図である。 図３は、本発明の荷電粒子加速器の加速空洞が蛇行型加速空洞の場合を説明するための概略側断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の荷電粒子加速器を説明するための概略側断面図である。図示の通り、荷電粒子を加速するための本発明の荷電粒子加速器は、加速空洞１０と、電子銃２０とから主に構成されている。

加速空洞１０は、電子銃２０から放出された荷電粒子を加速するために用いられるものである。本発明の荷電粒子加速器においては、加速空洞１０は、例えば図示のようにビーム経路が直線状の線形加速空洞であれば良い。加速空洞１０は、外導体１１と、一対の加速電極１２とから構成されている。外導体１１は、加速空洞１０の外形を画定するものであり、内部を真空状態に保てるものであれば良い。加速電極１２は、外導体１１の内部に設けられるものである。加速電極１２は、ビーム経路１３を有している。ビーム経路１３は、電子銃２０から放出された荷電粒子が通る通路であり、例えば円筒形の孔である。一対の加速電極１２は、互いに対向して配置されることで、加速電極１２間に加速ギャップＧが形成されている。なお、本発明の荷電粒子加速器では、用いられる加速空洞は荷電粒子を加速可能なものであれば良く、従来の又は今後開発されるべきあらゆる加速空洞が利用可能である。

電子銃２０は、熱陰極材料２１と、熱吸収率増強材料２２と、レーザ光源２３とから主に構成されている。熱陰極材料２１は、具体的には、例えばＬａＢ_６やＩｒＣｅ等であれば良い。熱吸収率増強材料２２は、レーザ光源２３による加熱を増強するために熱陰極材料２１に付着されるものである。熱陰極材料２１をレーザ光源２３のレーザ光で直接加熱しても十分高温まで加熱することは困難である。このため、本発明では、熱吸収率増強材料２２を用いることで、レーザ光による加熱を増強させている。熱吸収率増強材料２２は、レーザ光による加熱を増強できる材料であれば良く、例えばカーボン系材料であれば良い。より具体的には、熱吸収率増強材料２２は、グラファイトであれば良い。この熱吸収率増強材料２２にレーザ光源２３からレーザ光を照射することで、熱陰極材料２１を高温まで加熱することが可能となる。より具体的には、例えば１４００℃から１５００℃程度まで加熱することが可能となる。

そして、本発明の電子銃２０は、熱陰極材料２１が加速空洞１０の内部、より具体的には、加速電極１２のビーム経路１３内に配置されている。図２を用いて電子銃２０をより詳細に説明する。図２は、本発明の荷電粒子加速器の荷電粒子源を説明するための概略拡大側断面図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示の通り、電子銃２０は、熱陰極材料２１がカソード支持電極２５の加速ギャップＧ側端部に固定されている。カソード支持電極２５は、ビーム経路１３の径よりも小さいスリーブ状のものであり、例えば中空円筒形状である。カソード支持電極２５の長さは、熱陰極材料２１が加速電極１２のビーム経路１３内に配置される長さで決定されれば良い。即ち、一対の加速電極１２間の加速ギャップＧに近い位置に熱陰極材料２１を配置すべく、ビーム経路１３の出口付近までカソード支持電極２５を伸ばしている。そして、カソード支持電極２５のレーザ光源２３側には、フランジ２６が設けられている。フランジ２６は、加速空洞１０の外導体１１にねじ等により固定するために用いられる。また、フランジ２６と加速空洞１０の外導体１１を、絶縁碍子等を介して固定することにより、カソード支持電極２５にビーム取り出し電圧を印加することも可能である。このとき、加速ギャップＧの電界による影響を避けるために、加速ギャップＧと熱陰極材料２１の間に、中間電極を配置しても良い。さらに、カソード支持電極２５を、例えば２重円筒構造にして、熱陰極材料２１の加速ギャップＧ側近傍にグリッド電極を配置することで、ビーム取り出しにおいて３極管構造とすることも可能である。

そして、図２に示される通り、電子銃２０は、熱陰極材料２１が加速空洞１０の加速電極１２のビーム経路１３内の加速ギャップＧ側に配置されている。また、熱陰極材料２１の加速ギャップＧ側の反対側に熱吸収率増強材料２２が付着されている。即ち、熱吸収率増強材料２２は、レーザ光源２３側に配置されている。そして、レーザ光源２３は、加速電極１２の外部から熱吸収率増強材料２２に向かってレーザを照射するように配置されている。即ち、レーザ光源２３は、加速空洞１０内部には配置する必要がない。レーザ光源２３からのレーザ光が熱吸収率増強材料２２に到達するように、カソード支持電極２５のレーザ光源２３側にはレーザを適切に通過させる材料からなるガラス窓２７等が適宜配置されれば良い。これにより、加速空洞１０内部を密閉することが可能となる。

本発明の荷電粒子加速器では、このように電子銃を構成することで、加速ギャップにダイレクトに高い効率で電子を放出することが可能となる。したがって、従来必要であった電子が発散しないように輸送するためのビーム収束機構が不要となるため、このためのスペースも不要であり、また安価に構成可能となる。さらに、ヒータ等が不要であるため、電流供給用の配線や導入端子が不要であり、加速空洞の真空状態を良好に維持することも可能である。

次に、本発明の荷電粒子加速器を蛇行型に応用した場合について説明する。図３は、本発明の荷電粒子加速器の加速空洞が蛇行型加速空洞の場合を説明するための概略側断面図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示例では、ビーム経路を蛇行させる蛇行型加速空洞１５としている。また、一対の加速電極１６には、複数のビーム経路１７が設けられている。そして、蛇行型加速空洞１５の外部には、偏向部１８が設けられている。偏向部１８は、荷電粒子を蛇行させながら加速するために、加速される荷電粒子ビームの方向が蛇行するように偏向させるものである。蛇行型加速空洞としては、例えば同軸空洞型電子加速器（ロードトロン）や折畳み軌道高周波加速器（リッジトロン）等に用いられる加速空洞を用いることが可能である。

この例でも、電子銃２０は、熱陰極材料２１が加速空洞１５内部、即ち、加速電極１６のビーム経路１７内に配置されるように構成されている。具体的には、最初のビーム経路１７の出口付近である加速ギャップＧに近い位置に熱陰極材料２１が配置されている。このように、本発明の荷電粒子加速器は、蛇行型であっても加速空洞１５内部に熱陰極材料２１を配置することが可能となり、加速ギャップＧにダイレクトに荷電粒子を放出することが可能となる。

なお、本発明の荷電粒子加速器は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１０ 加速空洞
１１ 外導体
１２，１６ 加速電極
１３，１７ ビーム経路
１５ 蛇行型加速空洞
１８ 偏向部
２０ 電子銃
２１ 熱陰極材料
２２ 熱吸収率増強材料
２３ レーザ光源
２５ カソード支持電極
２６ フランジ
２７ ガラス窓

Claims (6)

1. 荷電粒子を加速するための荷電粒子加速器であって、該荷電粒子加速器は、
   外導体と、外導体内部に設けられる一対の加速電極と、を有する加速空洞であって、一対の加速電極には円筒形の孔のビーム経路が構成され、互いに対向して配置されることで加速電極間に加速ギャップが形成される、加速空洞と、
   熱陰極材料と、熱陰極材料を固定するための、加速電極の円筒形の孔のビーム経路に嵌合する中空円筒形のカソード支持電極と、熱陰極材料を加熱するためのレーザ光源と、レーザ光源による加熱を増強するために熱陰極材料に付着される熱吸収率増強材料と、を有する電子銃であって、熱陰極材料がカソード支持電極の加速ギャップ側端部に固定されることで前記加速空洞の加速電極のビーム経路内の出口付近に配置される、電子銃と、
   を具備することを特徴とする荷電粒子加速器。
2. 請求項１に記載の荷電粒子加速器において、前記電子銃は、熱陰極材料が加速空洞の加速電極のビーム経路内の加速ギャップ側に配置され、熱陰極材料の加速ギャップ側の反対側に熱吸収率増強材料が付着され、加速電極外部から熱吸収率増強材料に向かってレーザを照射するようにレーザ光源が配置されることを特徴とする荷電粒子加速器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の荷電粒子加速器において、前記熱吸収率増強材料は、カーボン系材料であることを特徴とする荷電粒子加速器。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の荷電粒子加速器において、前記熱陰極材料は、ＬａＢ_６又はＩｒＣｅの少なくとも１つからなることを特徴とする荷電粒子加速器。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の荷電粒子加速器において、前記加速空洞は、ビーム経路が直線状の線形加速空洞であることを特徴とする荷電粒子加速器。
6. 請求項１乃至請求項５の何れかに記載の荷電粒子加速器において、前記加速空洞は、ビーム経路を蛇行させる蛇行型加速空洞であり、
   さらに、荷電粒子を蛇行させながら加速するために、加速空洞の外部に配置され加速される荷電粒子ビームの方向が蛇行するように偏向させるための偏向部を具備する、
   ことを特徴とする荷電粒子加速器。