JPS5919439B2 - 高周波電子加速器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は加速技術に関し、更に詳しくいえば強力なイオ
ン化源とじで産業に使用される高周波加速器に関する。

加速管と、加速粒子に必要なエネルギーを与える高電圧
電源とを有する直動電子加速器は最も広く知られている
。

そのような電子加速器の欠点は加速管の製作が面倒であ
ること、加速管に適切な強さの電界をかけることに問題
が生ずることである。

ＩＭｅＶ またはそれ以上のレベルまで電子エネルギー
を上昇させることおよび大出力ビームを得ることが求め
られる場合には、上記の問題はもつと大きくなる。

進行波形高周波電子加速器も広く知られている。

それらの加速器は直列に接続された何台かの加速共振器
（ひだ付導波管）と、電子銃と、高周波電源とを備え、
この高周波電１源は独立した発振器（たとえばマグネト
ロン）と、この発振器から直列接続された共振器へ高周
波電力を伝送させるための装置と、真空装置と、整合負
荷と、加速器に沿ってビームを集束させる磁気装置とを
備えている。

そのような加速器においては加速管は用いないから電界
の強さの問題は生じない。

しかし、そのような加速器においては、上記のような種
類の加速のやり方では電力損失が大きく強力な電子ビー
ムの作用の下に共振器に寄生振動が生ずるために出力を
大きくできない。

更に、発振周波数と出力を決定する発振器を設けること
により、共振加速構造の高周波特性に影響を及ぼす共振
電流の制御が行いにくくなるとともに、この構造の固有
周波数を正確に保つことが必要となる。

この周波数の維持は一般に温度調節によって行われる。

整合負荷を設けると加速器の効率が低下する。

効率は発振器から共振加速装置へ高周波電力を供給する
伝送装置を設けることによっても低下する。

長い伝送装置を用いると、ビームを加速器の中に確実に
通すために、別に磁気集束装置を必要とする。

本発明の目的は、平均電力の大きな電子ビームを発生で
きる高周波電子加速器を提供することである。

本発明の別の目的は効率の高い高周波電子加速器を提供
することである。

本発明の更に別の目的は高周波電子加速器の構造を簡単
にし、製作を容易にすることである。

これらの目的を達成するために本発明による高周波電子
加速器は、加速共振器２を納める金属製の真空ケース１
と、加速共振器２の軸線に沿って電子ビームを供給する
電子銃３と、高周波エネルギーを電子ビームに与える高
周波電力源とを備え、この高周波電力源は加速共振器２
にとりつげられた１本の発振管４で構成された自励発振
器で構成され、加速共振器２の空洞内には分離コンデン
サ６を有する結合ループが納められ、この結合ループは
発振管４の陽極に直結されて、加速共振器２と組合わさ
れて発振管４の陽極回路に発振装置を形成していること
を特徴とする。

また本発明による高周波電子加速器は、前記加速共振器
２が一対のコツプ形部材２ａ、２ｂを有し、これらの部
材の開口部側の一部は互いに重なり合うように嵌合し、
高周波電流路を閉じるためのコンデンサを構成するギャ
ップ１９を設けることにより互いに電気絶縁され、一方
の部材２ｂに直流電圧が加えられることを特徴とする。

本発明の高周波電子加速器によって、加速される電子ビ
ームの平均出力を高くすることができる。

自励発振器の機能と電子加速回路の機能との組合わせに
より、電子加速器の効率が高くなるとともに、構造が簡
単となって大きさが小さくなり、また、製作も容易とな
る。

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図に示すように、本発明の高周波電子加速器は共振
器２を納める金属製の真空ケース１を有する。

共振器２の端面中央部には内部突起が設けられる。

一方の共振器突起に設けられている電子銃３によって放
出された電子は、共振器２０回転軸に沿って加速される
。

高周波エネルギーを電子ビームに伝える高周波電力源は
、１本の発振管４を用いて構成された自励発振器で構成
される。

発振管４はグリッド接地構成の強力なパルス発振三極管
である。

この発振管４は共振器２にとりつけられる。

共振器２の空洞内には結合ループ５が挿入される。

発振管の陽極電圧中の直流分を高周波成分から分離する
ために、結合ループ５に分離コンデンサ６が設けられる
。

結合ループ５は発振管４の陽極に直結され、加速共振器
２に組合わされて、発振管４の陽極回路中に発振装置を
構成する。

この自励発振器は、発振ｇ４（ハ）電極と陽極の間に挿
入されるコンデンサ７により構成される内部帰還を用い
る。

発振管４のグリッドはコンデンサ８により高周波接地さ
れ、・くイアスミ圧は、発振管４のグリッドと発振器の
ケースとの間に挿入された・くイアス抵抗９により与え
られる。

発振管４の陰極加熱電力は加熱電源１０から供給さｒる
。

陽極電圧は陽極電源１１から与えられる。

この加速器がパルスモードで動作する時は陽極電源はパ
ルストランス１２を含むことがある。

帰還の振幅と位相との微調節は陰極ループ１３を用いて
行われる。

発振管４の陽極回路中に、結合ループ５と分離コンデン
サ６と加速共振器２とで構成されている発振装置の等価
回路を第１Ａ図に示す。

この等価回路において、Ｃａｃは発振管４の陽極とグリ
ッド間のキャパシタンスであり、ｒｌは結合ループ５の
直列抵抗であり、Ｌは結合ループ５および発振管４の陽
極のインダクタンスであり、ｃｏは分離コンデンサ６の
キャパシタンスであり、ｒ２は共振器２の直列抵抗であ
り％ Ｃｐ ｔ Ｌｐは共振器２と等価のキャパシタン
スおよびインダクタンスであり、ＭはインダクタンスＬ
とＬｐ間の相互インダクタンスである。

この第１Ａ図に示されている等価回路かられかるように
この発振装置は、キャパシタンスＣａｃ と抵抗ｒ１
とインダクタンスＬとキャパシタンスＣ８からなる第１
の発振回路と、インダクタンスＬと抵抗ｒ２とキャパシ
タンスＣＰからなる第２の発振回路とが相互インダクタ
ンスＭを介して結合されている。

第１の発振回路の発振周波数は必ずしも第２の発振回路
の発振周波数とは等しくないが数条の範囲内である。

第１の発振周波数をどのような値に選択するか、相互イ
ンダクタンスＭをどのような値に選択するかということ
により、第２の発振回路で加速された電子ビームの高周
波電力を変化させることができる。

第２図に示す高周波電子加速器の別の実施例では、加速
共振器は一対のコツプ形部材２ａ、２ｂで作られる。

高周波電流路を閉じるために、部材２ａと２ｂをコンデ
ンサ１４を介して接続させる。

コンデンサ１４は部材２ａと２ｂの間に並列に挿入され
た多数のセラミックコンデンサの形で作ることができる
が、この加速器の信頼度を向上させるために、コンデン
サ１４は開口部の一部が互いに重なり合うように嵌合し
ているコツプ形部材２ａ、２ｂでなるべく構成する。

電源１６から負電圧がチョーク１５を介して一方の部材
２ｂに与えられる。

第３図に示す実施例では、共振器の外側部材２ａの縁１
７がケース１に結合される。

第４図に示す実施例はパルスモードで動作するように作
られている。

発振管４の陽極には別の正電源が接続される。

電源１８がパルストランス１２０２次巻線を介して発振
管４の陽極に接続される。

第５図は本発明の高周波電子加速器の一実施例の詳細な
構造を示す断面図である。

自励発振器の陽極回路の一部を構成する銅製のトロイダ
ル加速電極２は、一対のコツプ形部材２ａ、２ｂの形で
作られる。

これらの部材は共振器２の高周波電流路を閉じるための
コンデンサ１４を構成するギャップ１９を形成するため
に、これらのコツプ形部材２ａ、２ｂの開口部の一部は
互いに重なり合うように嵌合している。

真空ケース１はインジムのシール２０で閉じられる。

部材２ａと２ｂの間のギャップを通じて洩れる高周波電
力の損失を減少させるために、外側部材２ａの縁部１７
は真空ケース１の全周に、たとえば溶接で電気的に結合
される。

共振器２の内側部材２ｂと真空ケース１との間の空洞の
固有周波数は、加速器の共振器２の固有周波数とは十分
に異なるように選択される。

高周波共振放電を抑制し、加速ギャップ２１からイオン
を排出させるために、共振器２の内側部材２ｂには高周
波チョーク１５を介して負電圧が印加される。

外側部材２ａから電気絶縁されている内側部材２ｂは３
本の支持絶縁体２２の上にとりつけられる。

発振管４は共振器２の外端面上に直接配置される。

発振管４の陽極は中間フィーダなしに誘導結合ループ５
によって共振器に接続される。

分離コンデンサ６は真空ギャップを隔てて向い合って配
置される平板２３で構成される。

発振器の、銅製スクリーン２４と、陽極水タンク２５と
、結合ループ５の抵抗と、結合ループ５０回路中の共振
器の抵抗とを有する分布リアクタンスパラメータより成
る、陽極回路は発振装置を構成する。

この発振装置においては、一方の周波数は高Ｑ加速共振
器の固有周波数に近く、発振器の発振周波数を定めるの
はこの周波数である。

発振器は、発振管４の陰極と陽極の間に挿入された別の
コンデンサ７により構成された内部帰還路を有する。

このコンデンサ７は発振管４の陽極の上に空隙によりそ
の陽極から分離されて置かれる円板で構成される。

第５図に示すように、発振管４の陽極はスクリーン２４
によって保護される。

帰還比とその位相との微調整は陰極ループ１３によって
行われる。

電子銃３は共振器２０部材２ａの内部突起に直接とりつ
けられる。

共振器２のこの構造は外部から帯電粒子を注入される場
合の動作にも用いることができる。

共振器２から加速電子ビームを取り出すために、内側部
材２ｂの内部突出部の壁に中心穴２６が設けられる。

真空ケース１は冷陰極イオンポンプ２７によって排気さ
れる。

ビームを走査して大気中に放出させるための出口装置２
８は、真空ケース１の下側の底壁に固定される。

次に、この高周波電子加速器の動作を説明する。

真空ケース１を排気してから、電子銃３の電源と発振管
の加熱電源１０とが附勢される。

陽極電源１１が附勢されると、発振器は高Ｑ加速共振器
２の固有周波数に近い周波数で自励発振し、その加速ギ
ャップに高電圧が現われる。

この電圧の値は結合ループ５０面積と電源電圧とに関係
する。

電子は電子銃３の陰極から高周波電圧の正の半サイクル
によってとり出され、共振器２の加速ギャップ２１で加
速される。

結合ループの面積を変えることにより、この装置は電子
ビームの与えられた出カッベルにおいて種々の加速電圧
に整合させることができる。

陰極ループ１３の長さを変えることにより、帰還比と位
相を正しく合わせることができる。

加速器の安定度を向上させ、電子銃３の寿命な長くシ、
共振器２における高周波共振放電を抑制するために、共
振器２の内側部材２ ｂ ［を源１６か数ＫＶの負電圧
が印加され、加速ギャップ２１の中に生ずるイオンは出
口２６を通って排出される。

共振器２０部材２ａと２ｂの間のギャップ１９を通って
洩れる高周波電力の損失を減少させるために、外側部材
２ａの縁部１γは真空ケース１の全周に電気的に結合さ
れ、内側部材２ｂとケース１との間の空洞の固有周波数
は加速共振器２の固有周波数とは十分に異なるように選
択される。

部材２ｂとケース１とを結合させることにより、両者間
の空洞の中に高周波信号が入り込むことを防ぐことがで
きる。

パルスモードと連続モードの両方で動作できる以上説明
した実施例とは異なって、第４図に示す実施例はパルス
モー上°だけで動作するように作られている。

発振振幅が安定となるまでに経過する時間は、加速共振
器２の性能と帰還比とて関係するばかりでなく、発振の
初期振幅すなわち発振開始条件と、次のパルスのスター
ト時まで加速共振器２が補助的に励振されているかどう
かにも大きく関係する。

従って、加速共振器２における発振開始までの時間を短
縮するためには（これは有用なパルス長が長くなるため
に効率が高くなることニ等しい）、パルスとパルスの間
の時間中に−ｔｉＪ器２が補助的に励振されるように、
発振管４の陽極に独立した電源１８からパルストランス
１２を介して正の＠流電圧を印加する。

第５図に示す加速器は次のような仕様を有する。

動作周波数１１０ＭＨ２゜共振器２の分法抵抗値４メグ
オーム。

補助励振電圧８００■。共振器２の内側部材２ｂに印加
される電圧６Ｋｖ０幅が１０ｃＩｎの加速ギャップ２１
に印加される電圧１．５Ｍｖ０陽極電圧２３ＫＶ０パル
スの持続時間４００マイクロ秒、繰り返えし周波数５０
Ｈ２゜本発明の加速器をパルス出力が２ＭＷのパルス発
振三極管４を用いて製作した。

この加速器の平均損失電力は４〜５ＫＷで、平均電子ビ
ーム出力は２０ＫＷであった。

従って電子効率は８０％であった。

動作試験中は前記仕様どおりに故障なしに５００時間連
続連続上た。

加速ギャップの間の最高電圧は２ＭＶであった。

十分な出力を有する変調器であれば、どのような種類の
ものでも発振器４への電力供給用として使用できる。

共振器２における３５０ＫＶの電圧によりこの加速器は
連続モードで動作できる。

本発明の加速器は構造が簡単で信頼性が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高周波加速器の結線図、第１Ａ図は同
高周波加速器の発振装置の等何回路、第２図は加速ギャ
ップにおける高周波共振放電の抑制とイオンの排出とを
行う装置を組込んだ第１図と同じ加速器の結線図、第３
図は共振器の外側部材の縁部な金属製真空ケースの全周
部に電気的に結合させた第１図に示す加速器の結線図、
第４図は陽極に接続された独立の直に’ｌ源を有する第
１図に示す加速器の結線図、第５図は真空ギャップを隔
てて向い合う平板で構成された結合ループの分離コンデ
ンサを有する同じ加速器の断面図である。 １・・・・・・ケース、２・・・・・・トロイダル共振
器、２ａ。 ２ｂ・・・・・・共振器の部材、３・・・・・・電子銃
、４・・・・・・発振器、５・・・・・・結ループ、６
・・・・・・分離コンデンサ、１４・・・・・・コンデ
ンサ、１７・・・・・・縁部、１８・・・・・・正電源
、１９・・・・・・ギャップ、２３・・・・・・板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加速共振器２を納める金属製の真空ケース１と、加
   速共振器２の軸線に沿って電子ビームを供給する電子銃
   ３と、高周波エネルギーを電子ビームに与える高周波電
   力源とを備え、この高周波電力源は加速共振器２にとり
   つけられた１本の発振管４で構成された自励発振器で構
   成され、加速共振器２の空洞内には分離コンデンサ６を
   有する結合ループが納められ、この結合ループは発振管
   ４の陽極に直結されて、加速共振器２と組合わされて発
   振管４の陽極回路に発振装置を形成していることを特徴
   とする高周波電子加速器。 ２、特許請求の範囲第１項記載の加速器において、結合
   ループ５の分離コンデンサ６は真空で隔てられる平板２
   ３で構成されていることを特徴とする高周波電子加速器
   。 ３ 加速共振器２を納める金属製の真空ケース１と、加
   速共振器２の軸線に沿って電子ビームを供給する電子銃
   ３と、高周波エネルギーを電子ビームに与える高周波電
   力源とを備え、前記加速共振器２は一対のコツプ形部材
   ２ａ、２ｂを有し、これらの部材の開口部側の一部は互
   いに重なり合うように嵌合し、高周波電流路を閉じるた
   めのコンデンサを構成するギャップ１９を設けることに
   より互いに電気絶縁され、一方の部材２ｂに直流電圧が
   加えられ、前記高周波電力源は加速共振器２にとりつけ
   られた１本の発振管４で構成された自励発振器で構成さ
   れ、加速共振器２の空洞内には分離コンデンサ６を有す
   る結合ループが納められ、この結合ループは発振管４の
   陽極に直結されて、加速共振器２と組合わされて発振管
   ４の陽極回路に発振装置を形成していることを特徴とす
   る高周波電子加速器。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の加速器において、他方
   の部材２ａの縁部１７はケース１の全周縁部に電気的に
   結合されていることを特徴とする高周波高子加速器。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の加速器において、結合
   ループ５の分離コンデンサ６は真空で隔てられる平板２
   ３で構成されていることを特徴とする高周波電子加速器
   。