JPH0320880B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ミリメートル波及びサブミリ波発生
器に使用され得る電子加速装置に係る。本発明は
更に、この種の加速装置を備えた発生器に係る。

自由電子レーザの如きサブミリ波発生器は既に
公知であり、特にエル・アール・エリアス（L.R.
Elias）他による論文、“フイジカル・レビユー・
レターズ”1976年、36巻、717ページ以降に記載
されている。

自由電子レーザに於いては、光速度ｃに近い速
度Vzで方向Ozに進む電子ビームは、Ozに対して
横向き方向で周期的に加速される。

これらの周期的な横向き加速は通常、ピツチＰ
及び軸Ozの螺旋状磁場の生成又は、軸Ozに垂直
であり、同一周期Ｐで空間的に分布する互いに逆
向きの２個の横向き磁場の生成により得られる。

この種のレーザの場合に生じる問題は、横向き
加速の周期Ｐの値を選択するときに、相反する２
つの要件が存在することである。

−一方では、Ozに対して横向き方向で周期的に
加速される電子が軸Ozに沿つて放出する放射
光線の周波数νは式 ν＝V_Z／Ｐ・１／１−V²／c² で示されるので周期Ｐに反比例する。従つて周
波数増加のためにはＰの値として可能な限り低
い値を選択するのが有利である。

−他方では、電子によつて放射される出力は、横
向き加速の平方に比例する。高加速を得るため
に高強度の磁場が必要であるが、このような磁
場を得るために周期Ｐの値が高強度の磁場生成
用導体に実質的に適応し得る高い値でなければ
ならない。従つて、放射出力を増加するために
はＰの値として可能な限り高い値を選択するの
が有利である。

自由電子レーザを利用する場合、数十ギガヘル
ツの周波数と数テスラの振幅を持つ交流磁場とを
同時に得るためには、レーザの長さが相当に延長
されるという欠点を避けることができない。更に
この種のレーザは効率が低く、放射出力のレベル
も低い。

本発明の電子加速装置及び前記加速装置を備え
た発生器は、従来技術による公知の設計概念とは
異なる概念に基いて設計されている。

本発明の発生器によれば、標準電子管と同様の
寸法を維持しつつ高周波数と高放射出力とを同時
に達成することが可能である。

従つて、軸Ozに沿つた長さ１乃至２ｍの管の
場合、２乃至3MeVのビームで約300GHzの周波
数が得られる。

この発生器は、50％のオーダの高い効率を有し
ており、陰極−陽極バイアス回路内の電流約10ｍ
Ａで放射出力7.5KWが得られる。

この発生器の別の利点は、極めて高い直流電圧
（陽極と陰極との間で約200KV）の必要が無く、
前記直流電圧の値が広範囲に亘つて変化し得るこ
とである。

本発明の電子加速装置は、電子銃と遅延線とを
有している真空容器と、遅延線と軸Ozに関して
同位置で真空容器を包囲しているコイルとを備え
ており、電子銃は光速度より実質的に小さい軸
Oz方向速度及び零でない横向き速度で軸Ozに沿
つて伝搬する電子ビームを生成するように構成さ
れており、遅延線は遅延線が軸Ozに沿つた長手
方向高周波電界を生成するために設けられている
高周波発生器によつて給電されるように構成され
ており、コイル軸はOzに沿つて電子ビームが伝
搬する方向に緩やかに増加する磁場を生成するよ
うに構成されている。

本発明は更に、本発明の電子加速装置を含むミ
リメートル波及びサブミリ波発生器に係る。

このミリメートル波及びサブミリ波発生器に於
いて、電子ビームは空洞共振器に侵入する。この
空洞共振器を（ｅ／m₀）・Ｂ・（Ｗ／W₀）²よりや
や高い角速度即ち角周波数ω_Mに対応する周波数
F_Mに同調させておく。

この式において、Ｂは磁場の強さ、ｅは電子の
電荷、m₀は静止状態における電子の質量、W₀及
びＷはそれぞれ静止状態及び励起状態における電
子のエネルギーである。

空洞共振器と軸Ozに関して同じ部分で真空容
器を包囲するコイルは、軸Ozに沿つた均一磁場
を生成する。

以後の記載より明らかな如く、本発明の電子加
速装置は、ミリメートル波及びサブミリ波発生器
に於いて使用され得る。

加速装置を、この種の発生器以外の装置に於い
て使用することも可能である。

本発明の発生器が、従来のミリメートル波及び
サブミリ波発生器と同じ用途を有すること、例え
ばレーダー伝送、プラズマ装置内の測定、同位体
分離等に使用しれることに注目されたい。

本発明の別の特徴は、添付図面に基く下記の記
載より明らかにされるであろう。

種々の図に於いて、同じ参照符号は同じ素子を
示すが、種々の素子の寸法及び比率は判り易く変
更されている。

第１図は、前記の如き従来技術による自由電子
レーザ内の磁場分布と電子軌道とを示す。

この種のレーザに於いて、光速度に近い速度
Vzで方向Ozに進む電子ビーム１が軸Ozに直角な
横向き方向で周期的に加速されることは前記にも
指摘した。

このために、軸Ozに対して横向きであり互い
に逆向きの２個の磁場B₁，B₂を所定の長さＬに
亘つて成立させることが可能である。該磁場B₁，
B₂は長さＬに沿つて同じ周期Ｐで周期的に分布
している。

電子ビーム１は磁場B₁，B₂によつて図示の如
く上下に移動し、従つて該ビームに横向き加速が
与えられる。電子は、横向き加速の平方に比例す
る出力を放射する。

第４図は、本発明の発生器の１個の具体例の軸
Ozに沿つた長手方向断面図である。

前記発生器２は２部から成り、−第１部３では
電子ビーム１の加速が生起し、−第２部４ではミ
リメートル波及びサブミリ波の抽出が行なわれ
る。

先ず、電子加速装置３に関して説明する。

加速装置３は、真空レーザ管５内部に配置され
た電子銃を含む。電子銃は、軸Ozに対して横向
き方向の速度が零でなくOzに沿つた速度Vzの電
子ビームを生成する。速度Vzは光速度より実質
的に小さく、例えばVz＝0.1・ｃである。

第２図は電子銃の出口が描く螺旋形軌道を示
す。

従来の実用技術によれば、この種の電子銃は、
中空円筒状ビームを生成するリング伏陰極７を含
む。

銃の設計に関する一般的概念はすでに公知であ
る。この問題に関する適切な情報は、特に、1979
年７月12日のポリテクニツク・インステイテユー
ト・オブ・グルノーブルにジエー・エル・アリロ
ツトＪ、Ｌ、Aliotが提出した論文“中心注入ジ
ヤイロトロン型の高周波発生器用注入装置
Injecton for high−frequency wave generator
of the central−injection gyrotron type”に記
載されている。

また、中空円筒状ビームに代えて薄い偏向ビー
ムを使用して本発明の加速装置を作動させてもよ
い。

第４図は、電子銃の陰極７と２部６，８から成
る陽極とを極めて概略的に示す。

陰極と陽極との間に印加される直流高電圧は、
電子ビームに軸方向速度Vzを与えるように選択
される。

集束コイル９は電子銃と軸Ozに関して同じ部
分で真空レーザ管を包囲する。この部分では真空
レーザ管は直流高電圧を受容するため、ガラス又
はセラミツク材料から成る絶縁材で構成されてい
る。

該コイル９は、加速装置の残りの部分に於いて
成立した磁場と逆向きの磁場を生成する。加速装
置の残りの走行部分で電子ビームが軸を中心とす
る螺旋状通路を進むことを確保するために前記の
逆向き磁場が必要である。

真空レーザ管５は、電子ビームの次に遅延線１
０を含む。遅延線１０は軸Ozに沿つて配置され
ており、高周波発生器１１から給電される。

前記遅延線が軸Ozに沿つた軸方向高周波電界
を発生させ得ることが必要である。通常、遅延線
は第４図に示す如き絞りを有する導波管から成
る。例えば螺線の如き別の形状の遅延線の使用も
可能である。

前記発生器１１により送出される周波数は本発
明発生器により送出される周波数とは異なつてい
る。通常、発生器１１により送出される周波数は
本発明の発生器により送出される周波数より遥か
に小さく1GHz乃至10GHzの範囲である。

電子ビームは、絞りを有する導波管１０に入る
と直ちに磁場の作用を受ける。該磁場はコイル１
２により生成され軸Ozに沿つて増加する強さを
持つ。

各電子は絞りを有する導波管１０に入ると直ち
に、軸Ozに漸近する螺旋状通路を進み始める。

第３図に、軸に沿つて増大する磁場の磁力線が
細線によつて示される。これらの磁力線は次第に
軸Ozへ近づく。

第３図に描かれた太線は、管型磁場の周辺で螺
旋形の通路を辿り軸Ozへ近付いてくる電子の軌
道を示す。

磁場が増大することによつて、軸Ozを巡る電
子の回転速度が増大し得る。高周波発生器１１に
よつて発せられた軸方向エネルギは横向きエネル
ギに変換され、これによつて電子に大きい横向き
加速が与えられる。

このようにして電子は、例えば4Woに等しい
エネルギに達し得、Wo＝511KeVは静止状態に
おける電子エネルギである。

軸Ozに沿つてコイル１２によつて生成される
磁場の増大は徐々に起こる。例として、各電子は
絞りを有する導波管１０の中で約10回回転する。

電子が強さＢの磁場に設置される時、磁界に対
して垂直な平面における該電子の回転速度は、 ωs＝ｅ／mo・Ｂ・Wo／Ｗ であり、この式においてｅは電子の電荷、Moは
静止状態における電子の質量、Wo及びＷはそれ
ぞれ、静止状態及び励振状態における電子のエネ
ルギである。

各電子は、Ozに沿つてゆつくり増大する磁場
に、及び軸Ozに沿つて振幅Ｅを有する、高周波
発生器１１によつて生成された電界に設置される
と、螺旋形の通路を辿る。Ｏからｚまでの電子の
運動は加速 −eE−ｅ・Ｃ／ｍ・δB／δZ を有し、ここでＣは運動定数であり、 Ｃ＝ｅ・Ｂ・r²／２ と表わされ、ｒは電子が辿る螺旋形通路の半径で
ある。

電子に伝達されるエネルギは、高周波発生器１
１によつて軸Ozに沿つて生成された振幅Ｅの電
界から発生する。

加速装置の入口から出口に至る電子ビームのエ
ネルギの変化量は次の方程式によつて与えられ
る。

W₂−W₁＝∫₁ ²E・dz この方程式から、加速装置の入口から出口に至
るビームのエネルギの変化は軸Ozに沿つた電子
の速度Vzの変化に依拠しないことが演繹される。

従つて速度Vzは軸Ozに沿つて一定であり得
る。そこで、軸Ozに沿つて振幅Ｅを有する電界
の値と磁場のOzに沿つた変化との間に以下の関
係が成り立つはずである。

−Ｅ（１−Vz²／c²）＝Ｃ／ｍ・δB／δz 一定の速度Vzを得るためには従つて、コイル
１２によつて生成された増大する磁場に作用を及
ぼさなければならない。

以下において、4Woの最終エネルギを得るこ
とが望ましい場合に対応する数値例を掲げる。

等式Ｗ＝4Woから出発して、 という関係から電子の合計速度 Ｖ＝0.9682・ｃ が得られる。

電子銃の諸特性、特に陰陽極間の直流電圧を設
定する時、一定の軸方向速度として用いられる値
は Vz＝0.1・ｃ に等しく、横向き速度として用いられる値は
0.9630・ｃに等しい。

次いで以下の値が決定される。

−初期磁場：1436T −最終磁場：3T −サイクロトロン振動数：（ｅ／dπmo）・Ｂ＝
84GHz −シンクロトロン振動数：（ｅ／dπm）・Ｂ＝21G
Hz −初期軌道半径：10^-2ｍ −最終軌道半径：0.219×10^-2ｍ −運動定数Ｃ ：1.149×10^-24（国際単位） −初期エネルギ：W₁＝1.314Wo ここでW₁は遅延線の入口における電子のエ
ネルギを表わす。

−総加速エネルギ：1372KeV −直高電圧 ：160KV −加速装置の長さ：＞13×10^-3ｍ ここまでの説明は本発明による発生器２の、電
子ビーム１の加速が行なわれる第一の部分３につ
いてのものである。次に該発生器の、ミリメート
ル波及びサブミリ波の抽出が行なわれる第二の部
分４の具体例について説明する。

この第二の部分において、発生器２の真空容器
５の直径は加速装置３の部分における直径よりも
小さい。

これによつて該容器とコイル１２との間に、例
えば金属製の傾斜した２個のミラー１３を挿入し
得る。これらのミラーは電子によつて放出された
コヒーレントな放射光線を受け、続く利用のため
にこの放射光線を軸Ozに対して平行な方向へ反
射する。

ミラー１３の長方形の特定面が第５図に示され
ており、この図は本発明による発生器の、第４図
の面Ｆにおける横断面図である。

発生器の第二の部分４において、コイル１２は
軸Ozに沿つて一様な磁場を生成する。

加速された電子によつて放出される放射光線が
コヒーレントになるように、加速装置から出た電
子ビームは平行な２個の反射板１４の間に通され
る。

これらの２個の反射板はＮ・λ_M／２に等しい距離 だけ隔たつており、ここでＮは整数、λ_Mは得ら
れるべきコヒーレントな放射光線の波長で、この
放射光線については以下により詳しく明示する。

各反射板１４は、放射光線の一部を通過させ残
りを反射する部分反射領域１５と、反射領域１６
とを有する。反射板の反射領域はそれぞれ、他の
反射板の部分反射領域に対向して配置される。

従つて放射光線は、この放射光線が２個の反射
板を透過し得る各領域において、対向する二方向
へ真空容器５を通つて（この部分において容器は
ガラス製）集められる。

ミラー１３は、コイル１２の存在により放射光
線が反射板に対して直角に伝搬し得ないため、放
射光線をOz方向へ偏向するのに役立つ。

事実上、ミリメートル波及びサブミリ波の抽出
が行なわれる発生器の第二の部分４は、λ_Mに対
応する周波数F_Mに同調された空胴共振器を構成
する。

この空胴共振器は開放型であり得、言い換えれ
ば、例えば第４図に示した具体例の場合の如く平
行な２個の反射板によつて構成され得る。

該空胴共振器はまた閉鎖型でもあり得、例えば
導波管の一部によつて構成され得る。

Ｊ、シユヴインガー（Ｊ、Schwinger）によつ
て研究がなされ、「フイジカル・レビユー」
（“Physical Review”）1949年６月15日号、第75
巻第12号1912〜1925ページにおいて公表された論
文中で特に報告された研究の結果として、強さＢ
の磁場に設置されたエネルギＷの電子は角速度 ωs＝ｅ／mo・Ｂ・Wo／Ｗ で回転するが、しかしその最適な放射はωsの調
波のあたりで起こる。即ちωm＝Ｋ・ωsであり、
これはＫ（Ｗ／Wo）³に関して、つまりｅ／mo・Ｂ・ （Ｗ／Wo）²よりも僅かに高い角周波数ω_Mについて最 大値を取るということが知られている。

実際、例振されたシンクロトロン放射が常に、
共振器の振動数のごく近い、かつシンクロトロン
調波の振動数により高い振動数において起こるこ
とは周知である。

前記の数値例の場合において波長λ_M及び振動
数F_Mは実質的に、λ_M＝222μｍ及びF_M＝1344GHz
の値を有する。

本発明による加速装置が線形であることによつ
て、例えばしぼりの開口幅のような加速パラメー
タは粒子の質量及び管３の軸に沿つて様々である
粒子速度に適応するよう線方向に沿つて変更され
得る。

このような適応は、円形加速においては不可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術による自由電子レーザ内の磁
場分布と電子軌道とを示す説明図、第２図及び第
３図は本発明の発生器の２点に於ける１個の電子
の軌道の説明図、第４図は本発明の発生器の１個
の具体例の軸Ozに沿つた長手方向断面図、第５
図は第４図の平面Ｆに沿つた横断面図である。 １……電子ビーム、２……発生器、３……電子
加速装置、５……真空レーザ管、６，８……陽
極、７……陰極、９……コイル、１０……遅延
線、１１……発生器、１２……コイル、１３……
ミラー、１４……反射板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電子銃と遅延線とを有している真空容器と、
   前記遅延線と軸Ozに関して同じ部分で前記真空
   容器を包囲しているコイルとを備えており、前記
   電子銃は光速度より実質的に小さい軸Oz方向速
   度及び零でない横向き速度で軸Ozに沿つて伝搬
   する電子ビームを生成するように構成されてお
   り、前記遅延線は該遅延線が前記軸Ozに沿つた
   長手方向高周波電界を生成するために設けられて
   いる高周波発生器によつて給電されるように構成
   されており、前記コイルは前記軸Ozに沿つて前
   記電子ビームが伝搬する方向に緩やかに増加する
   磁場を生成するように構成されていることを特徴
   とする電子加速装置。 ２ 前記遅延線が少なくとも１つの絞りを有する
   道波管から構成されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の加速装置。 ３ 前記電子ビームの各電子が前記遅延線の内側
   で巻き数約10の螺線を描くことを確保すべく前記
   軸Ozに沿つた磁場の強さが徐々に増加すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項に
   記載の加速装置。 ４ 前記磁場を生成する前記コイルは、前記電子
   ビームの軸方向速度を一定にするために前記長手
   方向高周波電界の強さＥと前記軸Ozに沿つた磁
   場の強さＢの変化との間に関係式 −Ｅ｛１−（V_Z ²／c²）｝ ＝（Ｃ／ｍ）・（δB／δz） が成立し、式中、V_Zは前記電子ビームの軸方向
   速度、ｃは光速度、Ｃは運動定数、ｍは加速電子
   の質量であるように構成されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項から第３項のいずれか
   一項に記載の加速装置。 ５ 電子銃と遅延線とを有している真空容器と、
   前記遅延線と軸Ozに関して同じ部分で前記真空
   容器を包囲しているコイルとを備えており、前記
   電子銃は光速度より実質的に小さい軸Oz方向速
   度及び零でない横向き速度で軸Ozに沿つて伝搬
   する電子ビームを生成するように構成されてお
   り、前記遅延線は該遅延線が前記軸Ozに沿つた
   長手方向高周波電界を生成するために設けられて
   いる高周波発生器によつて給電されるように構成
   されており、前記コイルは前記軸Ozに沿つて前
   記電子ビームが伝搬する方向に緩やかに増加する
   磁場を生成するように構成されている電子加速装
   置を含んでおり、前記電子ビームが前記遅延線を
   通過後に空洞共振器に侵入し、該空洞共振器を
   （ｅ／m₀）・Ｂ・（Ｗ／W₀）²よりやや高い角周波
   数ω_Mに対応する周波数F_Mに同調させておき、前
   記空洞共振器と前記軸Ozに関して同じ部分で前
   記真空容器を包囲する前記コイルが前記軸Ozに
   沿つた均一な磁場を生成しており、式中、ｅは電
   子の電荷、m₀は静止状態における電子の質量、
   Ｂは磁場の強さ、Ｗは励起状態における電子のエ
   ネルギー、W₀は静止状態における電子エネルギ
   ーであることを特徴とするミリメートル波及びサ
   ブミリ波発生器。 ６ 前記空洞共振器が前記電子ビームの通路の両
   側の平行な２つの反射板を含んでおり、２つの該
   反射板はＮ・（λ_M／２）に等しい距離だけ離間し
   ており、式中、Ｎは整数、λ_Mは角周波数ω_Mに対
   応する波長であることを特徴とする特許請求の範
   囲第５項に記載の発生器。 ７ 前記反射板の各々は部分反射領域と完全反射
   領域とを含んでおり、一方の前記反射板の前記完
   全反射領域は他方の前記反射板の前記部分反射領
   域に対向して配置されており、当該発生器の前記
   真空容器と均一な磁場を生成する前記コイルとの
   間であつて前記電子ビームから放射された放射光
   線が前記反射板を透過する部分と前記軸Ozに関
   して同じ部分に２つの傾斜ミラーがそれぞれ配置
   されており、該２つの傾斜ミラーは前記放射光線
   を前記軸Ozの方向に偏向せしむべく構成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第６項に記
   載の発生器。 ８ 前記空洞共振器が導波管の一部分から成つて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第５項に記
   載の発生器。