KR101828864B1 - 광음극 고주파 전자총 공동 장치 - Google Patents

광음극 고주파 전자총 공동 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 광음극 고주파 전자총 공동 장치는, 고주파 가속 공동(1), 광음극(8;15), 레이저 입사 포트(9), 고주파 전력 입력 커플러 포트(10), 및 고주파 공진 튜너(16)를 구비하며, 방전 방지·고주파 전계의 고강도화·고주파의 공진 안정성의 향상을 위해서, 그 내면에 있어서 예각부를 가지지 않으면서 평활한 곡면만으로 형성된 공동(空洞) 셀을 내부에 가지는 초소형의 고주파 가속 공동을 이용하는 것을 특징으로 한다. 또한, 광음극면에서의 전계(電界) 강도를 최대로 하기 위해서 광음극을 고주파 가속 공동의 하프 셀(5)의 단부에 마련하고, 쇼트 번치 광전자의 품질을 최선으로 하기 위해서 레이저 입사 포트를 고주파 가속 공동의 전자빔 출구의 후방에 있어서 광음극과 대향되는 위치에 마련하여 레이저 수직 입사를 확보하고, 고주파의 전계 강도를 높이기 위해서 고주파 전력 입력 커플러 포트를 고주파 가속 공동의 셀의 측부에 마련하였다. 이에 의해, 대강도 고품질의 전자빔을 발생할 수 있는 소형의 광음극 고주파 전자총 공동 장치가 제공 가능해졌다.

Description

광음극 고주파 전자총 공동 장치{PHOTO-CATHODE HIGH-FREQUENCY ELECTRON-GUN CAVITY APPARATUS}
본 발명은 광음극(光陰極)으로의 레이저광의 입사에 의해서 생성된 전자를 고주파 전력이 도입된 고주파 가속 공동(空洞) 내에 형성되는 공진(共振) 상태의 고주파 전장(電場)에 의해 가속되어 고속 전자빔으로서 출력하는 광음극 고주파 전자총 공동 장치에 관한 것으로 더 상세하게는 고휘도 전자빔 발생용의 각종 가속기, 전자총, 레이저 역(逆) 컴프턴(compton) 산란에 의한 X선 발생 장치 등의 소형화를 가능하게 하는 초소형의 광음극 고주파 전자총 공동 장치에 관한 것이다.
전자빔을 생성하여 출력하는 전자원 장치는 전자총뿐만 아니라, 가속기(전자 싱크로트론, 선형 가속기 등) 등의 각종 장치에 전자빔을 입사하기 위한 전자빔 공급원으로서 폭넓게 이용되고 있다. 또한, X선 생체 이메징 장치, X선 흡수 이메징 장치 등의 X선 장치의 X선원으로서, 근년 레이저 역 컴프턴 산란을 이용한 소형 X선원의 개발이 진행되고 있다. 레이저 역 컴프턴 산란을 이용한 X선원이란, 가속된 전자빔에 레이저광을 충돌(역 컴프턴 산란)시킴으로써 소정의 에너지를 가진 광자 빔(X선)을 생성하는 것이다. 그리고, 그러한 소형 X선원 등의 실현을 위해서, 강도가 크고 고품질의 전자빔을 생성할 수 있는 소형의 전자원 장치가 현재 요구되고 있다.
전자원 장치의 개발에 있어서는, 종래부터 열전자총(열음극을 이용한 전자 발생 방식)을 이용한 멀티 번치 전자빔의 생성·가속의 연구 등을 해 왔다. 그리고, 이 열전자총 방식으로 전자빔의 품질을 충분히 개선하기에 이르지 못한 상황 속에서, 근년 전자를 짧은 거리에서 효과적으로 가속하기 위한 획기적인 전자 가속 방법 및 가속 공동, 소위, BNL(Brookhaven National Laboratory)형 고주파 가속 공동이 고안되었다. 이 방법은 고주파의 전계에 의해서 전자 가속을 행하는 것으로 종래의 직류 전계에 의한 전계 강도의 약 10배 이상의 전계 강도를 발생할 수 있어서 전자총의 소형화를 기대시키는 것이었다.
도 12에서와 같이, 이 BNL형 고주파 가속 공동은, 하프 셀(0.5셀)(5)과 풀 셀(1.0셀)(6)을 연결한 기본 구조를 취하고 있으며, 하프 셀(5)의 전자빔 축 방향(도면 중 좌우방향)의 길이는 빔의 확산 저감을 위해서 풀 셀(6)의 축 방향 길이의 0.6배로 설정되어 있다. 도파관(導波管) 내부를 전달되어 온 고주파 전력은 우선 풀 셀(6)의 벽면에 마련된 고주파 전력 입력 커플러 포트(10)(커플링 홀)를 통과해서 풀 셀(6) 내로 공급되고, 계속해서 양 셀간의 조임부(아이리스)를 지나 하프 셀(5) 내에 공급된다. 하프 셀(5)은 레이저광 주입용의 레이저 입사 포트(9)와, 빼낼 수 있는 단판(端板)(2B)을 구비하고 있으며, 단판(2B)의 중심에 금속(Cu,Mg 등)제의 광음극(7)이 설치되어 있다. 단판(2B)은 진공 씰(헤리코플렉스 씰)(2S)을 통해서 하프 셀 본체에 설치되어 있으며, 유지 보수나 음극재료 연구를 위한 광음극(7)의 교환시에는 단판(2B)이 하프 셀 본체로부터 떼어 내진다. 하프 셀(5)의 공진 주파수의 조정은 헤리코프렉스(HELICOFLEX) 씰(2S)의 조임 토오크를 조절해서 셀의 체적을 증감시킴으로써 이루어지며, 또한 풀 셀(6)의 공진 주파수의 조정은 풀 셀(6)의 공동벽에 뚫린 튜너 홀(직경10mm) 내를 상하 가능한 조정 로드(대칭적으로 총 2개)의 위치를 조정함으로써 행해진다.
일본특허공개공보 특개평06-176723호 일본특허등록공보 제3119285호 일본특허공개공보 특개평07-226300호 일본특허공개공보 특개2002-313218호 일본특허공개공보 특개평05-029097호 일본특허공개공보 특개평07-296998호 일본특허공개공보 2008-117667호
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 EStatistical 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.
이 BNL형 고주파 가속 공동에서는, 하프 셀 측의 단부에 전자원로서의 음극 (7)을 마련함으로써 음극면(8)에서의 전계 강도의 최대화를 도모하며, 또한, 풀 셀 측에 고주파 전력의 입력을 위한 고주파 전력 입력 커플러 포트(10)를 마련함으로써 고주파 공진 상태를 발생시키고 있다. 이들은, 예를 들면 비특허문헌 1, 2, 3, 및 4에 보고되어 있다. 그러나, 종래형의 BNL형 고주파 가속 공동에는 고주파의 공진에 바람직하지 않은, 즉 공동 내면의 평활성/형상이나 공진을 저해하는 구조, 예를 들면 고주파 가속 공동(31)의 단부의 씰 구조(헤리코프렉스씰, 2S) 등을 위해서 고주파 공진 상태의 안정적 유지가 어려운 문제가 있었다.
일반적으로, 고주파 가속 공동을 구성하는 공동 셀의 형상은, 사용하는 특정의 고주파 전력 입력파의 주파수와 공동 형상에 의해서 결정되는 공동 공진 주파수가 일치하도록 설계되어, 공동 공진 성능은 Q값(고주파의 공진 안정성의 지표)으로 나타낼 수 있다. 그러나, 종래, 공동 형상으로부터 공동 공진 주파수를 구하는 것은 행해졌지만, 고주파 전력의 주파수로부터 적절한 공동 형상을 이끄는 것은 거의 이루어지지 않았다. 예를 들면, 종래의 BNL형 고주파 가속 공동으로는 통칭, Disk Loaded 정재파형(定在波型)의 덤벨 형상의 공동 셀이 사용되고 있지만, 전자총용의 고주파 가속 공동에 관한 내면이 곡면 형상의 공동 셀의 설계에 관해서는 거의 알려지지 않았다.
또한, 고주파 가속 공동의 제조는, 통상 무산소 구리재의 절삭 가공에 의해서 행해지고 있지만, 공동 내면의 연마는 다이아몬드 연마 입자 등의 연마재를 이용한 기계 연마에 의해서 행해지고 있어 연마재의 연마 입자 사이즈에 한계가 있기 때문에 원자 레벨의 평활성을 얻는 것은 곤란하고, 그 때문에 고주파 전력의 공동 내 방전을 억제하는 것이 곤란한 문제가 있었다. 공동 내 방전이 있으면, 음극에 인가되는 고주파 전력의 상한을 낮게 억제하지 않을 수 없게 되고, 그 때문에 생성된 전자빔의 고주파 전력에 의한 가속도 저하하고, 이것이 이미턴스(전자빔의 단면 방향의 퍼짐 상태를 정량적으로 나타내는 지표)의 증가 요인도 되어 버린다.
종래, 전자 발생원으로서는 전술과 같이 열음극(熱陰極)을 이용한 전자 발생 방식이 취해지고 있었지만, 이 방식에는 방출 열전자의 에너지가 고르지 않기 때문에 상기 이미턴스가 크고, 빔의 품질이 떨어지는 결점이 있으며, 또한 암전류(暗 電流)가 본질적으로 발생되어 버리는 문제가 있었다. 이와 같이 열음극 방식으로는 고품질의 전자빔의 발생이 곤란하기 때문에 전자 발생원을 광음극으로 하는 방식이 제안되었다. 광음극 방식은 암전류 발생의 문제는 있지만, 전자 발생 방식으로 광전 효과를 이용하고 있어서, 방출된 전자빔의 방출 방향 및 에너지가 매우 잘 갖추어져 있으며, 이미턴스 값을 열음극의 것보다, 1자리수 내지 2자리수 가깝게도 개선할 수 있는 특징을 기대한 것이었다. 이것들은, 예를 들면, 특허문헌 1, 2, 3, 및 4에 개시되어 있다. 그렇지만, 종래의 금속음극(Cu, Mg 등)을 이용한 광음극 방식으로는, 양자 효율이 낮고 전계 전자 방출에 기인한 암전류(상기 방전등의 원인이 된다)의 발생의 억제가 어렵다고 하는 문제가 있었다. 양자 효율이 낮은 광음극에는, 전자빔 생성에 대강도(大强度)의 레이저 펄스가 요구되면서 동시에 멀티 번치 빔의 생성이 곤란하고, 전자원 장치가 싱글 번치 빔 생성으로 한정되어 버리는 문제가 있다. 멀티 번치 전자빔 생성용의 레이저에 있어서는 번치당 파워를 충분히 높게 하지 못하고, 이에 저(低) 양자 효율의 광음극의 사용은 적합하지 않다.
공동 셀의 제작 오차, 온도 상승에 의한 공동 셀의 형상 변화, 빔 전류의 발생 등에 의해 고주파 전력 주파수와 공동 공진 주파수 사이에 차이가 발생하므로, 이것을 보정하기 위해서 일반적으로는 고주파 공진 튜너를 이용하고 있다. 종래의 고주파 공진 튜너로서는 공동 셀의 용량을 변화시키도록 구성된 소위, 용량형 고주파 공진 튜너나, 공동 셀의 인덕턴스를 변화시키도록 구성된 소위, 유도형 고주파 공진 튜너가 알려져 있다. 이것들은 고주파 가속 공동의 공동 셀에 마련된 작은 관통홀에 튜너 선단을 끼워넣어서 사용되었다. 이 방법은 예를 들면, 특허문헌 5 및 6에 개시되어 있다. 그러나, 종래의 고주파 공진 튜너에는 공동 셀의 천공부분의 공극에서의 방전이나 튜너의 슬라이딩에 의한 버닝(燒付) 등으로 인한 공진 주파수 이조(離調)의 문제가 있었다.
본 발명자들은 우선 광음극으로서 고주파 가속 공동과의 접촉 부분에 있어서 도전성의 RF 콘택터를 부대(附帶)하는 광음극 플러그를 이용함으로써 암전류를 억제할 수 있음을 알아내고, 비특허문헌 5 및 6에 발표했다. 또한, 공동 셀 내에 삽입하지 않고 공동 셀의 공진 주파수를 외부로부터 기계적으로 조정하기 위한 비삽입식 고주파 공진 튜너를 이용함으로써 고주파의 양호한 공진 상태를 발생시키는 것이 가능하다는 것을 알아내고, 이 방식은, 예를 들면 특허문헌 7에 개시되고 있으며 상기 비특허문헌 5 및 6에도 발표되어 있다.
본 발명자들은 종래의 BNL형 고주파 가속 공동에 상기의 도전성 RF 콘택터를 부대하는 광음극 플러그 및 비삽입식 고주파 공진 튜너를 마련한 장치를 이용하여 실험하였지만, 이것도 10킬로와트급의 고강도 고품질의 전자빔을 안정적으로 발생하는 것은 곤란했다.
본 발명의 목적은 상기 사정을 감안하여 고휘도 전자빔 발생용의 각종 가속기, 전자총, 레이저 역 컴프턴 산란에 의한 X선 발생 장치 등의 소형화를 가능하게 하는 소형이며 대강도 고품질의 전자빔을 발생할 수 있는 광음극 고주파 전자총 공동 장치를 제공하는 것이다. 보다 구체적으로는 킬로와트급의 대강도 고품질 전자빔을 발생할 수 있는 초소형의 광음극 고주파 전자총 공동 장치를 제공하는 것이다.
본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해서 연구를 거듭한 결과, 고주파 가속 공동으로서 특히 가속 고주파 고전계에 적합한 정재파의 파형에 근사한 평활한 곡면 형상을 내면에 가지는 공동 셀을 내부에 가진 고주파 가속 공동을 이용하고,이것에 광음극, 레이저 입사 포트, 고주파 전력 입력 커플러 포트, 진공 배기 포트 및, 고주파 진동 튜너를 마련한 신형의 광음극 고주파 전자총 공동 장치가 매우 유효한 것임을 알아내어 이 지견을 근거로 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
그리고, 본 발명은, BNL형 고주파 가속 공동으로 구성되는 광음극 고주파 전자총 공동 장치에 있어서, 공동 셀 내면의 형상을 가속 고주파 전계에 적합한 정재파의 파형에 근사한 평활한 곡면 형상으로 하기 위해, 상기 공동 셀 내면에 삼각함수 곡선, 원호, 타원, 및 포물선 중 어느 한 곡선으로 형태가 만들어진 곡면 형상을 내면에 가지는 공동 셀을 여러 개 연결한 고주파 가속 공동과,　그 고주파 가속 공동의 상기 공동 셀의 단부에 마련된 광음극과, 상기 고주파 가속 공동의 전자빔 출구의 후방에 있어서 상기 광음극에 대향되는 위치에 마련되어 그 광음극에 공급되는 레이저광의 상기 고주파 가속 공동 내로의 입사에 이용되는 레이저 입사 포트와, 상기 고주파 가속 공동의 측부에 마련되어 그 고주파 가속 공동 내로의 고주파 전력의 입력에 이용되는 고주파 전력 입력 커플러 포트와, 상기 고주파 가속 공동의 측부에 마련되어 그 고주파 가속 공동의 진공 배기에 이용되는 진공 배기 포트와, 상기 고주파 가속 공동의 측부에 마련되어 상기 공동 셀에서의 고주파의 공진 주파수의 조절에 이용되는 고주파 공진 튜너를 구비하며, 상기 공동 셀의 내면은 예각부를 갖지 않는 상기 곡면 형상만으로 구성되어, 상기 공동 셀의 두정부 근방 및 아이리스에서의 곡면 형상은 원호로 만들어지고, 그 곡률반경(R)은 5mm≤R≤20mm의 범위이며, 또한 상기 공동 셀 내면의 표면 조도가 0.05μ미터 이하인 것을 특징으로 하는 광음극 고주파 전자총 공동 장치를 제공하는 것이다.
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또한, 상기 광음극 고주파 전자총 공동 장치에 있어서, 상기 광음극이, 상기 고주파 가속 공동과의 접촉 부분에 있어서 도전성의 RF 콘택터를 부대하며 Cs2Te의 음극면을 가지는 광음극 플러그이며, 상기 고주파 공진 튜너가, 상기 공동 셀 내에 주파수 조정 로드를 삽입하는 일 없이 상기 공동 셀에서의 상기 공진 주파수를 외부에서 기계적으로 조절하도록 상기 고주파 가속 공동의 측부에 마련된 비삽입식 고주파 공진 튜너인 것이 더 적합하다.
또한, 레이저 역 컴프턴 산란에 의한 X선 발생 장치의 전자원 장치로서 이용되기 때문에 3킬로와트 이상의 멀티 번치 전자빔을 생성할 수 있는 상기 광음극 고주파 전자총 공동 장치인 것이 더 적합하다.
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본 발명의 광음극 고주파 전자총 공동 장치에 따르면, 종래 장치비로 약 10분의 1 이하의 길이의 초소형의 전자원 장치에 있어서, 고주파 전계 강도, 고주파 공진 공동의 Q값, 음극의 양자 효율, 및 발생 전자의 전하량을 비약적으로 향상시키며, 또한 공동 내에서의 방전 및 암전류를 비약적으로 저감할 수 있으며 이에 의해 대강도 고품질의 전자빔을 발생할 수 있다. 따라서, 종래 곤란하였던 대강도 고품질 전자빔 발생용의 가속기, 전자총, 레이저 역 컴프턴 산란에 의한 X선 발생 장치 등의 소형화에 유효하다. 예를 들면, 공동 전체 길이가 36cm정도의 본 발명의 광음극 고주파 전자총 공동 장치에 의해서 고주파 전계 강도를 140MV/m(종래의 직류 전자총의 전계 강도의 약 14배)로, 고주파의 공진 안정성의 지표인 고주파 공진 공동의 Q값을 15000(종래의 고주파 가속 공동의 Q값의 약 2배)로, 암전류를 100피코암페어 이하(종래의 고주파 전자총의 암전류의 100분의 1 이하)로, 광음극의 양자 효율을 수%정도(종래의 음극의 양자 효율의 약 1000배)로, 및, 광전자 빔의 전하량을 1펄스당 10마이크로클롬(microcoulomb)(종래의 광음극 전자원의 전하량의 약 1만배)으로 할 수 있고, 이에 의해 평균 전류가 0.5mA로 12MeV의 대강도 전자빔을 발생할 수 있다. 이 전체 길이 36cm정도의 대강도 전자빔 발생 장치는 10킬로와트급의 고품질 전자빔 발생 장치이다
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 광음극 고주파 전자총 공동 장치의 외관의 일례를 나타내는 상면도이고,
도 2는 도 1의 광음극 고주파 전자총 공동 장치의 일부 단면 정면도이고,
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 광음극 고주파 전자총 공동 장치의 실시예 1의 구성을 나타내는 단면도이고,
도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 광음극 고주파 전자총 공동 장치의 실시예 2의 구성을 나타내는 단면도이고,
도 9는 본 발명의 실시형태에 의한 광음극 고주파 전자총 공동 장치의 실시예 3의 구성을 나타내는 단면도이고,
도 10은 본 발명의 실시형태에 의한 광음극 고주파 전자총 공동 장치의 실시예 4의 구성을 나타내는 단면도이고,
도 11은 실시형태에 의한 광음극 고주파 전자총 공동 장치의 실시예 5의 구성을 나타내는 단면도이고,
도 12는 종래의 광음극 고주파 전자총 공동 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 광음극 고주파 전자총 공동 장치의 외관의 일례를 나타내는 상면도(上面圖)이며, 도 2는 도 1의 광음극 고주파 전자총 공동 장치의 일부 단면 정면도이다. 도면에서 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 광음극 고주파 전자총 공동 장치는 대략 원통 형상의 하우징(22)(周壁部,22a)을 본체로서 구성하고 있으며, 그 하우징(22)은 예를 들면 진공중에서의 가스 방출량이 적고 뛰어난 열적·전기적 성질을 가지는 무산소 구리로 형성되어 있다. 이 하우징(22)을 가공(내면 가공, 포트 홀 가공 등)함으로써, 본 실시형태의 광음극 고주파 전자총 공동 장치에서의 고주파 가속 공동(1)이 형성된다. 그리고 또한, 하우징(22)으로서 예를 들면 하프 셀 부분용과 풀 셀 부분용을 별도로 준비하고, 각각을 개별적으로 가공하고, 나중에 이들을 연결 가공해서 고주파 가속 공동(1)을 형성하는 등의 제조 방법도 가능하다.
고주파 가속 공동(1) 내에는 예를 들면 후술하는 도 11(실시예 5)에서 나타내는 바와 같이 그 일단에 레이저광의 입사에 대해서 광전 효과로 전자를 방출하는 광음극(실시예 5에서는 RF 콘택터를 부대한 광음극 플러그(15))이 배치되어 있으며, 공동 내의 광음극 측에 하프 셀(5)이 형성되고, 이것에 이어서 풀 셀(6)이 형성되어 있다. 하우징(22)(고주파 가속 공동(1))에는 고주파 가속 공동(1) 내에서 생성·가속된 전자빔을 꺼내기 위한 전자빔 출구(4), 고주파 전력을 고주파 가속 공동(1) 내에 입력하기 위한 고주파 전력 입력 커플러 포트(10), 고주파 가속 공동(1)의 진공 배기를 위한 진공 배기 포트(11), 및 고주파 가속 공동(1)의 내부를 외부에서 관찰하기 위한 뷰 포트(24)가 마련되어 있다. 또한, 도 1의 예에서는 후술하는 실시예 5에서의 비삽입식 고주파 공진 튜너(16)가 각 셀 당 4개(예를 들면, 도 2에서 나타내도록 고주파 가속 공동(1)의 중심(O)에 대해서 대칭이며 방사상으로) 마련되어 있으면서 동시에, 실시예 5에서의 RF 콘택터를 부대한 광음극 플러그(15)를 고진공 상태를 유지한 채로 고주파 가속 공동(1)까지 가이드하기 위한 가이드부재(26)가 하우징(22)에 장착되어 있다.
고주파 전력 입력 커플러 포트(10)에 장착된 도파관(導波管)을 통해서 전송되어 온 소정 주파수의 고주파 전력은, 고주파 전력 입력 커플러 포트(10)를 통해서 우선 고주파 가속 공동(1)의 풀 셀(6) 내에 공급되고, 계속해서 양 셀간의 조임부(아이리스)를 지나 하프 셀(5) 내에 공급되고, 이에 의해 공동 내부에 고주파의 공진 상태(정재파)가 형성된다. 한편, 전자빔 출구(4)의 후방에 마련된 레이저 입사 포트(9)를 통해서 고주파 가속 공동(1) 내에 입사된 레이저광이 광음극에 조사되고, 광음극에 있어서 광전 효과로 생성된 전자가 상기 공진 상태의 고주파에 의해 인출·가속되고, 이 가속 전자빔이 전자빔 출구(4)를 통해서 사출(射出)된다.
이하 있어서, 본 실시형태의 광음극 고주파 전자총 공동 장치의 특징을 개략적으로 설명하고, 그 후에 구체적인 각 실시 예의 설명을 행한다.
종래의 BNL형 고주파 가속 공동의 상당수는, 통칭 Disk　Loaded 정재파형의 덤벨 형상의 공동 셀로 구성되고, 전자총용의 고주파 가속 공동에 관해서 곡면 형상의 공동 셀은 거의 알려지지 않았다. 본 발명자들은 가속 고주파 고전계(高電界)에 적절한 정재파의 파형에 근사한 평활한 곡면 형상을 내면에 가진 공동 셀을 내부에 가진 고주파 가속 공동이, 고전계화, 양호한 공진 상태의 발생, 방전 방지, 및 암전류의 억제를 위해서 현저한 효과를 주는 것을 찾아내, 이러한 곡면 형상을 가지는 공동 셀, 특히 전자총용의 공동 셀을 제작하는 것에 성공했다.
상기의 가속 고주파 고전계에 적절한 정재파의 파형에 근사한 평활한 곡면 형상을 내면에 가지는 공동 셀이란, 공동 셀의 내면의 곡선이 고주파의 정재파의 파형 곡선에 근사한 것을 의미한다. 삼각함수 곡선, 원호, 타원, 및 포물선이 상기 파형 곡선에 근사하다. 본 실시형태에 있어서의 공동 셀은 그 두정부(셀의 지름이 큰 부분) 및 아이리스(셀을 연결하고 있는 부분으로 전자빔의 통로가 된다)의 각 코너 및 각 엣지가 상기의 평활한 곡면 형상을 가진다. 그 곡면 형상의 곡률 반경은 사용하는 고주파의 주파수 및 공동의 사이즈를 근거로 적절히 설정한다.
본 발명의 광음극 고주파 전자총 공동 장치에 있어서의 공동 셀의 내면의 평활화는 공동 내에서의 방전 방지와 고주파 전계 강도의 안정적 유지를 위해서 중요하다. 고전계화, 양호한 공진 상태의 발생, 방전 방지, 및 암전류의 억제에 주는 평활화의 효과는, 상기 곡면 형상의 효과보다 현격히 크다. 평활성이 높을수록 공동 내에서의 방전의 가능성이 적어지므로, 공동 셀 내면의 평활성은 특별한 사정이 없는 한 높으면 높을수록 좋다. 본 실시형태에서는 공동 셀 내면의 평활성을 표면 조도(산술 평균 조도)로 평가한다. 본 실시형태에서 이용할 수 있는 고주파 가속 공동(1)의 공동 셀의 내면의 표면 조도(산술 평균 조도)는 바람직하게는 0.05㎛이하이며, 더 바람직하게는 0.02㎛이하이다. 표면 조도가 0.05㎛이하이면, 방전의 가능성을 현저하게 줄일 수 있어서 바람직하다. 그 범위의 평활성은 종래의 고주파 가속 공동 내면의 평활성에 비해 비약적으로 높기 때문에, 고주파 가속 공동의 전계 강도 및 Q값을 현저하게 향상시키는 효과가 높고, 전자 가속을 위한 공진 상태를 안정적으로 유지하는 효과가 높다. 본 실시형태에서의 공동 셀 내면의 평활화는 예를 들면, 절삭 1차 가공 후의 셀에 단결정 다이아몬드 공구를 이용한 정밀 절삭·연마를 함으로써 실시할 수 있다.
본 실시형태에서는 상술한 바와 같은 평활한 곡면 형상을 가지는 공동 셀을 내부에 가진 신형의 고주파 가속 공동(1)을 이용한다. 공동 셀은 하프 셀(0.5셀)(5) 및 풀 셀(1.0셀)(6)이다. 통상적으로, 하프 셀(5) 뒤에 풀 셀(6)이 연결된 구조를 가진다. 셀을 연결하고 있는 부분은 전술한 바와 같이 통칭 「아이리스」로 불려 전자빔의 통로가 된다. 하프 셀(5)을 마련하는 것은, 하프 셀(5)의 단부에 음극을 마련함으로써 음극면(8)에서의 전계 강도를 최대로 하기 때문이다. 풀 셀(6)을 마련하는 것은 전자를 한층 더 가속시키기 위한 고주파 전력을 주기 때문이다. 따라서, 풀 셀(6)의 셀 수를 늘릴 때마다 전자 속도를 누적적으로 가속할 수 있다.본 실시형태에서 이용하는 고주파 가속 공동(1)의 공동 셀수는, 바람직하게는 1.5 셀 이상이며, 더 바람직하게는 3.5셀 이상이다. 0.5셀만으로도 고강도의 전자빔을 내는 것은 가능하지만, 킬로와트급의 전자빔을 내기 위해서는 1.5셀 이상인 것이 바람직하고, 또한, 10킬로와트급의 전자빔을 내기 위해서는 3.5셀 이상인 것이 바람직하다.
본 실시형태에서는 음극으로서 광전자 방출형의 광음극를 이용한다. 광음극은 방출되는 광전자의 이미턴스 값을 열음극의 열전자보다 1자리수 내지 2자리수 가깝게도 할 수 있기 때문이다. 본 실시형태에서 이용되는 광음극의 재질로서는 종래 알려져 있는 각종의 광반도체 박막 재료를 이용할 수 있지만, 바람직하게는 세슘을 중심으로 한 알칼리 금속과 다른 화합물, 예를 들면, CsI, CsI-Ge 등의 alkali iodide, K2CsSb, Na2K(Cs)Sb 등의 alkali antimonide, 및 Cs2Te, RbCsTe 등의 alkali telluride이며, 더 바람직하게는 alkali telluride이고, 더 바람직하게는 Cs2Te이다. Cs2Te는 사용 분위기가 초고진공이며, 수명이 진공도와 잔류 가스에 의해서 크게 좌우된다는 문제가 있지만, 파장이 270nm이하의 자외(紫外) 레이저에 의해서 비교적 높은 양자 효율로 광전자를 방출한다는 특징을 가지고 있기 때문에 더 바람직하다. 본 실시형태에서 광음극를 고주파 가속 공동의 하프 셀측의 단부에 마련하는 것은, 전술한 바와 같이 음극면(8)에서의 고주파 전계 강도를 최대로 하기 때문이다. 또한, 본 실시형태에서는, 광음극으로서 바람직하게는 착탈 교환이 가능한 플러그 형상의 광음극 플러그를 이용하고, 더 바람직하게는 고주파 가속 공동과 광음극 플러그와의 접촉 부분에 있어서 도전성의 RF 콘택터를 부대하는 광음극 플러그를 이용한다. 광음극 플러그의 사용은, 성능이 열화된 광음극을 새로운 광음극으로 교환, 음극 재료 연구를 위한 광음극의 교환 등을 용이하게 하면서 동시에 광음극이 구비된 단판(端板)을, 진공 씰(헤리코프렉스 씰)을 통해서 하프 셀 본체에 장착하는 종래 장치에서의 형상 복잡화에 기인한 Q값 저하나 방전 발생 등의 문제를 줄이는 것이다. 또한, 도전성의 RF 콘택터의 부대는, 광음극면(8)에 있어서의 고주파 방전을 억제하는데 있어서 바람직하다.
본 실시형태에서는 고주파 가속 공동(1)(도 7 내지 도 11을 참조)의 전자빔 출구(4)의 후방에 있어서 광음극에 대향되는 위치에 레이저 입사 포트(9)(도 1 참조)를 마련한다. 음극면(8)에 대해서 레이저 입사 각도를 수직으로 할 수 있기 때문에 조사부(照射部)의 스팟을 극소로 할 수 있으며, 이것이 이미턴스를 극소로 하는데 있어서 바람직하기 때문이다. 종래는 BNL형 고주파 가속 공동의 하프 셀(5)의 단부에 광음극(7)을 마련하여, 동 하프 셀(5)의 측부에서부터 광음극면(8)에 레이저를 비스듬히 입사(入射)하고 있어서, 음극면(8)에서의 방출 전자 이미턴스를 극소로 하는 것이 곤란하였으나, 이에 대해 본 발명자들은 광음극면(8)에 대해서 수직 내지 수직 근방의 각도로 레이저 입사함으로써 이미턴스를 극소로 할 수 있음을 알아내었다. 그리고 또한, 본 실시형태에서는 필요에 따라서 고주파 가속 공동(1)에서의 전자빔 출구(4)의 후방에 있어서 솔레노이드(17)이나 편향 자석(18) 등을 마련할 수 있다. 솔레노이드(17)의 사용은 통과 전자빔의 이미턴스의 증대를 억제하기 위해서이며, 또한 편향 전자석(18)의 사용은 레이저 입사 포트(9)를 광음극에 대향한 위치에 설치하기 위해서이다.
본 실시형태에서는 고주파 가속 공동(1)의 측부에 고주파 전력 입력 커플러 포트(10)를 마련한다. 바람직하게는 풀 셀(6)의 측부에 마련한다. 풀 셀(6)의 측부에 마련하는 것은 광음극에서 방출되는 전자를 고주파 전계의 전장에 의해서 한층 더 가속하는데 있어서 바람직하기 때문이다. 설치 위치는 하프 셀(5)의 근처 풀 셀 (6)(첫 번째)에 설치하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에서는 고주파 가속 공동(1)의 측부에 진공 배기 포트(11)를 마련한다. 바람직하게는 고주파 전력 입력 커플러 포트(10)에 대향되는 위치에 진공 배기 포트(11)를 마련한다. 진공 배기 포트(11)를 마련하는 것은, 공동 내를 진공 배기하기 위해서지만, 고주파 전력 입력 커플러 포트(10)에 대향되는 위치에 마련하는 것은, 회전 대칭축 상의 가속 전장의 통일성을 유지하기 위해서 바람직하기 때문이다.
본 실시형태에서는 고주파 가속 공동(1)의 측부에 고주파 공진 튜너를 마련한다. 튜너의 설치 위치는 바람직하게는 공동 셀의 측부에 있어서 공동 셀의 두정부 부근에서 공동 셀의 대칭적인 조정을 가능하게 하는 위치에 마련한다. 튜너의 설치수는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 대칭적인 조정을 가능하게 하기 위해서 1셀당 2개 이상을 마련한다. 본 실시형태에서는 고주파 공진 튜너로서 고주파 가속 공동의 공동 셀에 설치된 작은 관통홀에 튜너 끝을 끼워넣어서 사용하는 타입의 종래형 튜너(12)도 이용할 수 있지만, 바람직하게는 공동 셀에 삽입하지 않고 공동 셀의 공진 주파수를 외부로부터 기계적으로 조정할 수 있는 비삽입식 고주파 공진 튜너(16)를 이용한다. 비삽입식 고주파 공진 튜너(16)는 공동 셀 내면에 삽입하지 않고 사용하기 때문에 공동 셀 내면의 연속적 평활성을 저해하지 않으며, 또한 종래의 튜너 사용시에 보여지는 슬라이딩부의 버닝(燒付)이나 방전에 의한 공진 주파수 이조의 문제가 없기 때문에, 공진 상태를 안정적으로 유지할 수 있는 효과가 있다. 비삽입식 고주파 공진 튜너(16)로서는, 예를 들면, 특허문헌 7에 기재되어 있는 튜너를 이용할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태의 광음극 고주파 전자총 공동 장치는 고주파 가속 공동, 광음극, 레이저 입사 포트, 고주파 전력 입력 커플러 포트, 진공 배기 포트, 및 고주파 공진 튜너를 구비한 광음극 고주파 전자총 공동 장치이지만, 고주파 가속 공동으로서 특히 가속 고주파 고전계에 적절한 정재파의 파형에 근사한 평활한 곡면 형상을 내면에 가지는 공동 셀을 내부에 가진 고주파 가속 공동(1)을 이용하고, 이에 최신의 광음극, 고주파 공진 튜너를 마련함으로써, 종래에 없는 초소형의 장치에 의한 대강도 고품질의 전자빔의 발생이 가능해진다.
본 실시형태의 광음극 고주파 전자총 공동 장치는 아래에서 나타내는 바와 같이 초소형의 고주파 가속 공동을 이용해 10킬로와트급의 대강도 고품질 전자빔의 발생을 가능하게 하므로, 고휘도 전자빔 발생용의 각종의 가속기, 전자총, 레이저 역 컴프턴 산란에 의한 X선 발생 장치 등의 소형화를 위해서 매우 효과적이다. 특히, 본 실시형태의 공동 장치에 의해서 발생 가능한 10킬로와트급으로 가속 전자의 운동 에너지가 6MeV에서 12MeV의 대강도 고품질 전자빔은, 획기적인 진단치료, 멸균, 전자선 회절, 분석, 광반응 등의 새로운 광이용의 분야를 개척하는데 있어서 유효하다.
[실시예]
이하에 실시예 등을 들어서 본 실시형태의 광음극 고주파 전자총 공동 장치에 관해 보다 구체적으로 설명한다. 도 12는 비교예로서 이용한 종래의 광음극 고주파 전자총 공동 장치의 구성을 나타내는 단면도이며, 도 7 내지 도 11은, 본 발명의 실시형태에 의한 광음극 고주파 전자총 공동 장치의 각 실시예(실시예 1 ~ 실시예 5)의 구성을 각각 나타내는 단면도이다. 상기의 각 장치를 이용하여, 공동내의 진공도를 10-6Pa의 레벨로 유지하고, 파장 266nm의 모드 록킹 레이저를 광음극에 조사하고, 2856MHz의 고주파를 셀에 도입함으로써 전자빔의 발생을 실험하였다. 광음극에 대해서 비스듬한 위치의 레이저 입사 포트로부터의 비스듬한 조사 각도는, 광음극면(8)의 수선(垂線)에 대해서 약 70도로 하였다(비교예). 광음극에 대향되는 위치에 마련한 레이저 입사 포트로부터의 조사 각도는 광음극면(8)에 수직으로 하였다(실시예1~5). 고주파 가속 공동의 성능을 나타내는 고주파 전계 강도, Q값, 및 암전류는 각각 비즈 퍼터베이션법(bead perturbation method), 스펙트럼 애널라이저와 CT(Current Transformer)를 이용해서 측정했다. 광음극의 성능을 나타내는 양자 효율은 발생 빔 강도와 레이저 펄스 강도의 측정으로부터 구했다. 발생 전자빔의 특성을 나타내는 1펄스당 전하량은 CT를 이용해서 측정하였다.
[비교예]
비특허 문헌 1의 기재에 따라서 BNL형 1.5셀 고주파 가속 공동(31)을 제작하고, 이것에 시판의 광음극(7)(스미토모 중기계공업주식회사 제조：Cu광음극), 레이저 입사 포트(9), 고주파 전력 입력 커플러 포트(10), 진공 배기 포트(11), 및 시판의 삽입형 고주파 공진 튜너(12)(스미토모 중기계공업주식회사 제조：T1342)를 마련한 도 12에서와 같은 장치를 제작하였다. 도 12에 나타내는 고주파 가속 공동 (31)의 단부에 마련한 헤리코프렉스 씰(2S)은 그 조임 강도의 조절에 의해서 하프 셀(5)의 공진 조정에 이용된다. 또한, 풀 셀(6)의 공진 조정을 위해서 풀 셀(6)의 측부에 삽입형 고주파 공진 튜너(12)를 두 개 마련했다. 이 장치를 이용해 전자빔의 발생 실험을 행하였다. 그 결과, 고주파 가속 공동(31)에서의 고주파 전계 강도는 약 100MV/m, Q값은 약 7900, 암전류는 약 10나노암페어, 광음극(7)의 양자 효율은 약 2×10-3%, 발생 전자빔의 전하량은 1펄스당 약 1나노클롬(nanocoulomb), 평균 전류는 약 50나노암페어였다(싱글 번치, 50Hz운전).
[실시예 1]
(평활한 곡면 형상을 가지는 공동 셀의 효과)
무산소 구리재의 절삭 가공에 따라서 거친 공동(粗空洞) 셀을 제작하고, 그 공동 셀 내면에 단결정 다이아몬드 공구를 이용해서 정밀 절삭 및 정밀 연마를 행함으로써 가속 고주파 고전계에 적합한 정재파의 파면 형상에 근사한 곡면 형상을 가지는 하프 셀(5) 및 풀 셀(6)을 제작했다. 제작한 공동 셀의 두정부 근방 및 아이리스에서의 곡면 형상은 원호로 만들어지는 곡면으로 곡률반경(R)은 5mm≤R≤20mm의 범위에 있었다. 제작한 공동 셀 내면의 표면 조도(산술 평균 조도)를 측정한 결과, 표면 조도가 0.05m이하임을 확인하였다. 표면 조도는 표면 조도·윤곽 형상 측정기(주식회사 미츠토요 제조：미츠토요 폼트레이서 CS-5000)를 이용해서 측정했다. 상기 하프 셀(5)과 풀 셀(6)을 연결 가공함으로써 1.5개의 셀을 가진 신형의 고주파 가속 공동(1)(전체 길이 약 25cm)을 제작했다. 그 고주파 가속 공동(1)의 하프 셀측의 단부에 시판의 광음극(7)(스미토모 중기계공업 주식회사 제조：Cu광음극)을 마련하고, 그 고주파 가속 공동(1)의 전자빔 출구(4)에 레이저 입사 포트(9)를 마련하고, 그 고주파 가속 공동(1)의 풀 셀(6)의 측부에 고주파 전력 입력 커플러 포트(10)을 마련하고, 그 고주파 가속 공동(1)의 측부에 진공 배기 포트(11)를 마련하고, 및 그 고주파 가속 공동(1)의 하프 셀(5) 및 풀 셀(6)의 측부에 시판의 용량형 고주파 공진 튜너(12)(스미토모 중기계공업 주식회사 제조：T1342)를 마련함으로써 도 7에 나타내는 광음극 고주파 전자총 공동 장치(실시예 1)를 제작했다. 상기 고주파 공진 튜너(12)는 각 셀의 측부에 각각 2개 마련했다. 상기 장치를 이용하여 전자빔 발생 실험을 실시했다. 그 결과, 고주파 가속 공동(1)에서의 고주파 전계 강도는 약 110MV/m, Q값은 약 8800, 암전류는 약 3000피코암페어, 발생 전자빔의 전하량은 1펄스당 약 0.01마이크로클롬, 평균전류는 약 0.1마이크로암페어였다. 이 결과로부터, 본 실시예 1의 광전자 고주파 가속 공동 장치에 의해서 종래의 BNL형 고주파 가속 공동 장치보다 고주파 전계 강도를 약 1.1배 향상시키고, Q값을 약 1.1배 향상시키며, 암전류를 약 3.3분의 1로 저감시키고, 발생 전자빔의 전하량을 약 10배 향상시키고, 평균 전류를 약 2배 향상시키는 것이 가능하다는 것을 알았다(100bunches/pulse, 10Hz운전).
[실시예 2]
(착탈 교환 가능한 광음극 플러그의 효과)
실시예 1에서의 시판의 광음극(7) 대신에 착탈 교환 가능한 광음극 플러그(14)를 마련한 도 8에서와 같은 광음극 고주파 전자총 공동 장치(실시예 2)를 이용해서 전자빔 발생 실험을 행하였다. 착탈 교환 가능한 광음극 플러그(14)로서 비특허문헌 6 및 7에 기재된 Cs2Te 증착 광음극 플러그를 제작하고, 이것을 이용했다. 그 결과, 고주파 가속 공동(1)에서의 고주파 전계 강도는 약 120MV/m, Q값은 약 11000, 암전류는 약 1000피코암페어, 양자 효율은 약 2%, 발생 전자빔의 전하량은 1펄스당 약 0.3마이크로클롬, 평균 전류는 약 3마이크로암페어였다. 이 결과로부터, 착탈 교환 가능한 광음극 플러그(14)(Cs2Te)를 마련한 본 실시예 2의 광음극 고주파 전자총 공동 장치에 의해서 실시예 1의 결과보다 한층 더 암전류를 약 3분의 1로 저감시키고, 발생 전자빔의 전하량을 약 30배 향상시켜, 평균 전류를 약 30배 향상시키는 것이 가능하다는 것을 알았다(100bunches/pulse, 10Hz운전).
[실시예 3]
(도전성의 RF 콘택터를 부대한 착탈 교환 가능한 광음극 플러그의 효과)
실시예 1에서의 시판의 광음극(7) 대신에 도전성의 RF 콘택터를 부대하는 착탈 교환 가능한 광음극 플러그(15)를 마련한 도 9에 나타낸 광전자 고주파 가속 공동 장치(실시예3)를 이용해서 전자빔 발생 실험을 행하였다. 도전성의 RF 콘택터를 부대한 착탈 교환 가능한 광음극 플러그(15)로서 비특허문헌 6에 기재된 도전성 RF 콘택터를 부대한 Cs2Te 증착 광음극 플러그를 제작하여, 이를 이용하였다. 그 결과, 고주파 가속 공동(1)에서의 고주파 전계 강도는 약 120MV/m, Q값은 약 12000, 암전류는 약 100피코암페어, 양자 효율은 약 2%, 발생 전자빔의 전하량은 1 펄스당 약 0.5마이크로클롬, 평균 전류는 약 5마이크로암페어였다. 이 결과로부터, 도전성의 RF 콘택터를 부대한 착탈 교환 가능한 광음극 플러그(15)(Cs2Te)를 마련한 본 실시예 3의 광음극 고주파 전자총 공동 장치에 의해서 실시예 1의 결과보다 한층 더 암전류를 약 30분의 1로 저감시키고, 발생 전자빔의 전하량을 약 50배 향상시키고, 평균 전류를 약 50배 향상시키는 것이 가능함을 알았다(50bunches/pulse, 10Hz운전).
[실시예 4]
(비삽입식 고주파 공진 튜너의 효과)
실시예 1에서의 시판의 삽입식 고주파 공진 튜너(12) 대신에 비삽입식 고주파 공진 튜너(16)를 마련한 도 10에 나타내는 광음극 고주파 전자총 공동 장치(실시예 4)를 이용해서 전자빔 발생 실험을 실시했다. 그 비삽입식 고주파 공진 튜너 (16)는 각 셀의 측부에 4개 마련했다. 비삽입식 고주파 공진 튜너(16)로서 특허문헌 7에 기재된 비삽입식 고주파 공진 튜너를 제작하여 이를 이용했다. 그 결과, 고주파 가속 공동(1)에서의 고주파 전계 강도는 약 130MV/m, Q값은 약 13000, 암전류는 약 1000피코암페어, 발생 전자빔의 전하량은 1펄스당 약 0.25 마이크로클롬, 평균 전류는 약 2.5마이크로암페어였다. 이 결과로부터, 비삽입식 고주파 공진 튜너(16)을 마련한 본 실시예 4의 광음극 고주파 전자총 공동 장치에 의해서 실시예 1의 결과보다 한층 더 고주파 전계 강도를 약 1.2배 향상시키고, Q값을 약 1.5배 향상시키고, 암전류를 약 30분에 1이하로 저감시키고, 발생 전자빔의 전하량을 약 25배 향상시키고, 평균 전류를 약 25배 향상시키는 것이 가능하다는 것을 알았다(500bunches/pulse, 10Hz운전).
[실시예 5]
(고주파 가속 공동에 도전성의 RF 콘택터를 부대한 착탈 교환 가능한 광음극 플러그 및 비삽입식 고주파 공진 튜너를 마련한 것에 따른 효과)
실시예 1에서의 시판의 광음극(7) 대신에 도전성 RF 콘택터를 부대한 착탈 교환 가능한 증착 광음극 플러그(15)를 마련하면서 동시에 실시예 1에서의 시판의 삽입식 고주파 공진 튜너(12) 대신에 비삽입식 고주파 공진 튜너(16)를 마련한 도 11에 나타내는 광음극 고주파 전자총 공동 장치(실시예 5)를 이용해서 전자빔 발생 실험을 하였다. 도전성의 RF 콘택터를 부대하는 착탈 교환 가능한 광음극 플러그(15)는 실시예 3과 같고, 또한 비삽입식 고주파 공진 튜너(16)는 실시예 4와 같다. 비삽입식 고주파 공진 튜너(16)는 각 셀의 측부에 4개 마련했다. 그 결과, 고주파 가속 공동(1)에서의 고주파 전계 강도는 약 140MV/m, Q값은 약 15000, 암전류는 약 100피코암페어, 광음극의 양자 효율은 약 2%, 발생 전자빔의 전하량은 1펄스당 약 9마이크로클롬, 평균 전류는 약 90마이크로암페어였다. 이 결과로부터, 도전성의 RF 콘택터를 부대한 착탈 교환 가능한 광음극 플러그(15)(Cs2Te) 및 비삽입식 고주파 공진 튜너(16)를 마련한 본 실시예 5의 광음극 고주파 전자총 공동 장치에 의해서 실시예 1의 결과보다 한층 더 고주파 전계 강도를 약 1.3배 향상시키고, Q값을 약 1.7배 향상시키고, 광음극의 양자 효율을 약 1000배 향상시켜 암전류를 약 30분의 1 이하로 저감시키고, 발생 전자빔의 전하량을 약 900배 향상시키고, 평균 전류를 약 900배 향상시키는 것이 가능하다는 것을 알았다(3000bunches/pulse, 10Hz운전).
이상의 비교예 및 실시예 1~5의 장치의 주요 구성 및 실험 결과를 정리하면 각각 이하의 표 1 및 표 2가 된다.
Figure 112013025405240-pct00001
Figure 112013025405240-pct00002
이상의 결과로부터, 본 실시 형태에 따른 광음극 고주파 전자총 공동 장치를 이용하여, 종래의 장치에 비해 현저히 고강도 고품질의 전자빔을 발생시킬 수 있음을 확인하였다. 특히, 본 실시형태의 광음극 고주파 전자총 공동 장치에서의 신형의 고주파 가속 공동은, 현저한 암전류의 억제 효과, 및 현저한 전자빔의 전하량의 향상 효과를 주기 때문에, 그 결과 평균 전류를 현저하게 향상시켜 전자총의 소형화를 가능하게 한다. 또한, 그 신형의 고주파 가속 공동에 신형의 광음극 플러그(14) 또는 RF 콘택터가 구비된 광음극 플러그(15), 및 비삽입식 고주파 튜너(16)를 설치함으로써, 고주파 전계 강도, Q값, 암전류, 양자 효과, 전자빔의 전하량, 및 평균 전류에 대해서 예상 밖의 매우 높은 복합 효과를 주는 것이 가능하다.
그리고 또한 상기 실시형태에 있어서는 1.5셀형(하프 셀 1개＋풀 셀 1개)의 광음극 고주파 전자총 공동 장치에 관해 주로 설명했지만, 3.5셀형(하프 셀 1개＋풀 셀 3개) 광음극 고주파 전자총 공동 장치 등, 풀 셀 수가 다른 광음극 고주파 전자총 공동 장치에도 당연히 적용 가능하다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명의 광음극 고주파 전자총 공동 장치는 초소형의 고주파 가속 공동을 이용하여 10킬로와트급의 대강도 고품질 전자빔의 발생을 가능하게 하면서 동시에, 고휘도 전자빔 발생용의 각종의 가속기, 전자총, 레이저 역 컴프턴 산란에 의한 X선 발생 장치 등의 소형화를 위해서 매우 효과적이다. 특히, 본 발명의 장치에 의해서 발생시킬 수 있는 10킬로와트급으로 가속 전자의 운동 에너지가 6MeV에서 12MeV의 대강도 고품질 전자빔은, 획기적인 진단 치료, 멸균, 전자선 회절, 분석, 광 반응 등의 새로운 광 이용의 분야를 개척하는데 있어서 효과적이며 본 발명은 산업상의 이용 가능성을 가진다.
1; 고주파 가속 공동
2; 고주파 가속 공동의 단부(端部)
3; 고주파 가속 공동의 측부(側部)
4; 전자빔 출구
5; 하프 셀
6; 풀 셀
7; 광음극
8; 광음극면
9; 레이저 입사 포트
10; 고주파 전력 입력 커플러 포트
11; 진공 배기 포트
12; 고주파 공진 튜너
14; 광음극 플러그
15; RF 콘택터를 부대한 광음극 플러그
16; 비삽입식 고주파 공진 튜너
17; 솔레노이드
18; 편향 자석
22; 하우징
22a; 하우징의 주벽부(周壁部)
24; 공동 내부를 외부에서 관찰하기 위한 뷰 포트
26; 가이드 부재

Claims (11)

  1. BNL형 고주파 가속 공동으로 구성되는 광음극 고주파 전자총 공동 장치에 있어서,
    공동 셀 내면의 형상을 가속 고주파 전계를 얻을 수 있는 정재파의 파형에 근사한 평활한 곡면 형상으로 하기 위해, 삼각함수 곡선, 원호, 타원, 및 포물선 중 어느 한 곡선으로 형태가 만들어진 곡면 형상을 내면에 가지는 공동 셀을 여러 개 연결한 고주파 가속 공동과,　
    그 고주파 가속 공동의 상기 공동 셀의 단부에 마련된 광음극과,
    상기 고주파 가속 공동의 전자빔 출구의 후방에 있어서 상기 광음극에 대향되는 위치에 마련되어 그 광음극에 공급되는 레이저광의 상기 고주파 가속 공동 내로의 입사에 이용되는 레이저 입사 포트와,
    상기 고주파 가속 공동의 측부에 마련되어 그 고주파 가속 공동 내로의 고주파 전력의 입력에 이용되는 고주파 전력 입력 커플러 포트와,
    상기 고주파 가속 공동의 측부에 마련되어 그 고주파 가속 공동의 진공 배기에 이용되는 진공 배기 포트와,
    상기 고주파 가속 공동의 측부에 마련되어 상기 공동 셀에서의 고주파의 공진 주파수의 조절에 이용되는 고주파 공진 튜너를 구비하며,
    상기 공동 셀의 내면은 예각부를 갖지 않는 상기 곡면 형상만으로 구성되어, 상기 공동 셀의 두정부 근방 및 아이리스에서의 곡면 형상은 원호로 만들어지고, 그 곡률반경(R)은 5mm≤R≤20mm의 범위이며, 또한 상기 공동 셀 내면의 표면 조도가 0.05μ미터 이하인 것을 특징으로 하는 광음극 고주파 전자총 공동 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 광음극이 상기 고주파 가속 공동과의 접촉 부분에 있어서 도전성의 RF 콘택터를 부대하며 Cs2Te의 음극면을 가지는 광음극 플러그이며,
    상기 고주파 공진 튜너가, 상기 공동 셀 내에 주파수 조정 로드를 삽입하는 일 없이 상기 공동 셀에서의 상기 공진 주파수를 외부에서 기계적으로 조절하도록상기 고주파 가속 공동의 측부에 마련된 비삽입식 고주파 공진 튜너인 것을 특징으로 하는 광음극 고주파 전자총 공동 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 레이저 역 컴프턴 산란에 의한 X선 발생 장치의 전자원 장치로서 이용되기 때문에 3킬로와트 이상의 멀티 번치 전자빔을 생성할 수 있는 것을 특징으로 하는 광음극 고주파 전자총 공동 장치.
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  10. 삭제
  11. 삭제
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