WO2012043475A1 - 光陰極高周波電子銃空洞装置 - Google Patents

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順治 浦川
信浩 照沼
俊和 高富
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Definitions

  • the present invention accelerates electrons generated by incidence of laser light to the photocathode by a high frequency electric field in a resonant state formed in a high frequency accelerating cavity into which high frequency power is introduced, and outputs the same as a high speed electron beam. More specifically, the present invention relates to an electron gun cavity device, and more specifically, an ultra-compact photocathode high-frequency electron gun that enables miniaturization of various accelerators for generating high-intensity electron beams, electron guns, and X-ray generators by laser reverse compton scattering It relates to a hollow device.
  • Electron source devices that generate and output electron beams are widely used not only for electron guns, but also widely as electron beam sources for injecting electron beams into various devices such as accelerators (electron synchrotrons, linear accelerators, etc.) It is done. Further, in recent years, development of a compact X-ray source using laser inverse Compton scattering has been promoted as an X-ray source of an X-ray apparatus such as an X-ray biological imaging apparatus, an X-ray absorption imaging apparatus and the like. An X-ray source using laser inverse Compton scattering is to generate a photon beam (X-ray) having a predetermined energy by causing the laser beam to collide with the accelerated electron beam (reverse Compton scattering). . And, in order to realize such a compact X-ray source etc., a compact electron source device capable of generating a high intensity and high quality electron beam is currently required.
  • thermoelectron gun electroelectron generation method using a hot cathode
  • BNL Brookhaven National Laboratory
  • This method performs electron acceleration by a high frequency electric field, and can generate an electric field strength of about 10 times or more of the electric field strength by a conventional DC electric field, so that miniaturization of the electron gun is expected.
  • this BNL type high frequency acceleration cavity has a basic structure in which a half cell (0.5 cell) 5 and a full cell (1.0 cell) 6 are connected, and the electron beam axial direction of the half cell 5
  • the length (in the horizontal direction in the drawing) is set to 0.6 times the axial length of the full cell 6 in order to reduce the diffusion of the beam.
  • the high frequency power transmitted in the waveguide is first supplied into the full cell 6 through the high frequency power input coupler port 10 (coupling hole) provided on the wall surface of the full cell 6, and then the narrowed portion between both cells It is supplied into the half cell 5 through the (iris).
  • the half cell 5 includes a laser incident port 9 for injecting a laser beam and a removable end plate 2B, and a photocathode 7 made of metal (Cu, Mg, etc.) is provided at the center of the end plate 2B. ing.
  • the end plate 2B is attached to the half cell body via a vacuum seal (helicoflex seal) 2S, and the end plate 2B is removed from the half cell body when replacing the photocathode 7 for maintenance or cathode material research. .
  • Adjustment of the resonance frequency of the half cell 5 is performed by adjusting the tightening torque of the helico flex seal 2S to increase or decrease the volume of the cell, while adjustment of the resonance frequency of the full cell 6 is opened on the cavity wall of the full cell 6 It is performed by adjusting the position of the adjustment rod (totally two symmetrical) which can move up and down in the tuner hole (diameter 10 mm) (see FIG. 4).
  • the cathode 7 as an electron source is provided at the end on the half cell side to maximize the electric field strength at the cathode surface 8, and a high frequency for inputting high frequency power on the full cell side.
  • a high frequency resonance condition is generated.
  • the shape of the cavity cell that constitutes the high frequency acceleration cavity is designed such that the frequency of the specific high frequency power input wave used and the cavity resonant frequency determined by the cavity shape match, and the cavity resonance performance is It can be expressed as an index of high frequency resonance stability.
  • the conventional BNL type high frequency accelerating cavity is generally called Disk Loaded standing wave type dumbbell-shaped hollow cell, but the design of the hollow cell having a curved inner surface for the high frequency accelerating cavity for electron gun Is hardly known.
  • the production of high frequency accelerated cavities is usually performed by cutting of an oxygen-free copper material
  • the inner surface of the cavity is polished by mechanical polishing using an abrasive such as diamond abrasive grains.
  • an abrasive such as diamond abrasive grains.
  • the upper limit of the high frequency power applied to the cathode has to be kept low, and the acceleration of the generated electron beam by the high frequency power is also reduced, which causes the emittance (the spread of the electron beam in the cross sectional direction It also becomes an increase factor of the index that quantitatively represents the condition.
  • the photocathode system has the problem of dark current generation, but uses the photoelectric effect for the electron generation system, so the emission direction and energy of the emitted electron beam are very well aligned, and the emittance value of the hot cathode is I was expecting the feature to be able to improve by one or two digits rather than one.
  • Patent Documents 1, 2, 3 and 4. disclose, for example, in Patent Documents 1, 2, 3 and 4.
  • the quantum efficiency is low, and it is difficult to suppress the generation of dark current (causing the above-mentioned discharge etc.) caused by the electric field electron emission. There was a problem that.
  • the photocathode with low quantum efficiency In the photocathode with low quantum efficiency, a laser pulse with high intensity is required for electron beam generation, generation of multi-bunch beam is difficult, and there is a problem that the electron source device is limited to single bunch beam generation. is there. In a laser for multi-bunch electron beam generation, the power per bunch can not be made sufficiently high, and the use of a low quantum efficiency photocathode is not suitable for this.
  • a gap between the high frequency power frequency and the cavity resonant frequency is generated due to manufacturing error of the cavity cell, shape change of the cavity cell due to temperature rise, generation of beam current, etc. It is practiced to use a high frequency resonant tuner.
  • a so-called capacitive high frequency resonance tuner configured to change the capacitance of the hollow cell and a so-called inductive high frequency resonance tuner configured to change the inductance of the hollow cell are known. It is done. These were used by plugging the tuner tip into a small through hole provided in the cavity cell of the high frequency acceleration cavity (see FIG. 4). This method is disclosed, for example, in Patent Documents 5 and 6.
  • the conventional high frequency resonance tuner has a problem of resonance frequency detuning due to discharge in the air gap of the perforated portion of the hollow cell or burn-in due to sliding of the tuner.
  • the present inventors conducted experiments using a device provided with a photocathode plug and a non-insertion type high frequency resonant tuner in which the above-mentioned conductive RF contactor is attached to a conventional BNL type high frequency acceleration cavity. It has been difficult to stably generate high-grade, high-quality electron beams of the same grade.
  • the object of the present invention is to provide a compact, high-intensity, high-quality device that enables downsizing of various accelerators for generating high-intensity electron beams, electron guns, and X-ray generating devices by laser inverse Compton scattering. It is an object of the present invention to provide a photocathode high frequency electron gun cavity device capable of generating an electron beam. More specifically, it is an object of the present invention to provide a very compact photocathode high-frequency electron gun cavity device capable of generating kilowatt-class high-intensity high-quality electron beams.
  • the inventors of the present invention have a hollow cell having a smooth curved surface shape similar to the waveform of a standing wave suitable as a high frequency accelerating cavity, particularly for an accelerating high frequency high electric field.
  • a new photocathode high frequency electron gun cavity device with a photocathode, laser incident port, high frequency power input coupler port, vacuum exhaust port, and high frequency resonant tuner is very effective.
  • the present invention has been completed based on this finding.
  • the present invention provides a high frequency acceleration cavity internally including a hollow cell having a smooth curved surface shape approximate to the waveform of a standing wave suitable for an accelerated high frequency high electric field, and the hollow cell of the high frequency acceleration cavity.
  • a photocathode provided at an end portion, and a position opposite to the photocathode behind the electron beam outlet of the high frequency acceleration cavity and incidence of laser light supplied to the photocathode into the high frequency acceleration cavity
  • a high frequency power input coupler port provided on the side of the high frequency acceleration cavity and used for inputting high frequency power into the high frequency acceleration cavity, and provided on the side of the high frequency acceleration cavity.
  • An evacuation port used to evacuate a high frequency acceleration cavity, and a side of the high frequency acceleration cavity used to adjust a high frequency resonance frequency in the hollow cell Comprising a high frequency resonant tuner, the inner surface of the cavity cell, there is provided a photocathode RF gun cavity apparatus characterized by being constituted only by the curved surface having no sharp corners.
  • the curved surface shape in the vicinity of the top of the hollow cell and in the iris is a curved surface made of a circular arc, and the curvature radius R is in the range of 5 mm ⁇ R ⁇ 20 mm, and further, the photocathode high frequency electron gun In the cavity device, the surface roughness of the inner surface of the cavity cell is preferably 0.05 ⁇ m or less.
  • the photocathode is a photocathode plug which can be attached to and detached from the high frequency acceleration cavity.
  • the photocathode plug is a photocathode plug including a conductive RF contactor at a contact portion between the plug and the RF acceleration cavity.
  • the high frequency resonance tuner mechanically adjusts the resonance frequency in the hollow cell from the outside without inserting a frequency adjustment rod into the hollow cell. More preferably, it is a non-insertion type high frequency resonance tuner provided on the side of the acceleration cavity.
  • the cathode surface of the photocathode be made of Cs 2 Te.
  • the RF accelerating cavity has a half cell and one or more full cells, and the RF power input coupler port is provided on the side of the full cell adjacent to the half cell. It is.
  • the RF accelerating cavity has three or more full cells.
  • the vacuum exhaust port be provided at a position facing the high frequency power input coupler port.
  • the photocathode high frequency electron gun cavity device it is more preferable that two or more of the high frequency resonance tuners are provided in each cell of the high frequency acceleration cavity.
  • the photocathode high frequency electron gun cavity device of the present invention in an ultra-compact electron source device having a length of about 1/10 or less in comparison with the conventional device, high frequency electric field strength, Q value of high frequency resonant cavity, quantum of cathode It is possible to dramatically improve the efficiency and the charge amount of generated electrons, and to dramatically reduce the discharge and dark current in the cavity, thereby generating a high-intensity high-quality electron beam. it can. Therefore, it is effective for downsizing of an accelerator for generating high-intensity and high-quality electron beams, an electron gun, an X-ray generator by laser inverse Compton scattering, and the like, which are conventionally difficult.
  • the photocathode RF gun cavity device of the present invention having a cavity length of about 36 cm, the index of the resonance stability of RF at an RF field strength of 140 MV / m (about 14 times that of a conventional DC electron gun)
  • the dark current of the high frequency resonant cavity is 15000 (approximately twice the Q value of the conventional high frequency accelerating cavity) and the dark current is 100 picoamperes or less (one hundredth or less of the dark current of the conventional high frequency electron gun).
  • the quantum efficiency of the photocathode is about several percent (about 1000 times the quantum efficiency of the conventional cathode), and the charge of the photoelectron beam is 10 microcoulombs per pulse (about 1 of the charge of the conventional photocathode electron source)
  • a high intensity electron beam of 12 MeV can be generated at an average current of 0.5 mA.
  • This high intensity electron beam generator of about 36 cm in total length is a high quality electron beam generator of 10 kilowatts.
  • FIG. 6 is a photographic image showing a photocathode plug with a conductive RF contactor used in the photocathode RF gun cavity apparatus.
  • FIG. 6 is a photographic image showing a photocathode plug with a conductive RF contactor used in the photocathode RF gun cavity apparatus.
  • FIG. 6 is a schematic diagram which shows the working principle of the insertion type high frequency resonance tuner used for a photocathode high frequency electron gun cavity apparatus.
  • FIG. 1 is a top view showing an example of the appearance of a photocathode high frequency electron gun cavity device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional front view of the photocathode high frequency electron gun cavity device of FIG.
  • the photocathode high frequency electron gun cavity device of the present embodiment is configured with a substantially cylindrical housing 22 (peripheral wall 22a) as a main body, and the housing 22 is, for example, a gas in vacuum. It is formed of oxygen-free copper with low thermal emission and excellent thermal and electrical properties.
  • the housing 22 is processed (internal surface processing, port hole processing, etc.) to form the high frequency acceleration cavity 1 in the photocathode high frequency electron gun cavity apparatus of the present embodiment.
  • a manufacturing method is also possible in which, for example, half-cell parts and full-cell parts are separately prepared as the housing 22, and each is separately processed, and these are then connected and processed to form the high frequency acceleration cavity 1.
  • a photocathode (an RF contactor in Example 5) emits electrons to one end of the high frequency accelerating cavity 1 by the photoelectric effect when laser light is incident thereon.
  • a photocathode plug 15) is attached, and a half cell 5 is formed on the photocathode side in the cavity, and a full cell 6 is subsequently formed.
  • An electron beam outlet 4 for taking out an electron beam generated and accelerated in the high frequency acceleration cavity 1, and a high frequency power input for inputting high frequency power into the high frequency acceleration cavity 1 in the housing 22 (high frequency acceleration cavity 1)
  • a coupler port 10, an evacuation port 11 for evacuation of the high frequency acceleration cavity 1, and a view port 24 for observing the inside of the high frequency acceleration cavity 1 from the outside are provided.
  • four non-insertion type high frequency resonance tuners 16 in the fifth embodiment described later are arranged per cell (for example, as shown in FIG.
  • a guide member 26 is attached to the housing 22 for guiding the photocathode plug 15 attached to the RF contactor in the fifth embodiment to the high frequency acceleration cavity 1 while maintaining a high vacuum state.
  • the high frequency power of the predetermined frequency transmitted through the waveguide attached to the high frequency power input coupler port 10 is first supplied into the full cell 6 of the high frequency acceleration cavity 1 via the high frequency power input coupler port 10 and so on Then, it is supplied into the half cell 5 through the diaphragm (iris) between the two cells, whereby a high frequency resonance state (standing wave) is formed inside the cavity.
  • the photocathode is irradiated with the laser beam incident into the high frequency accelerating cavity 1 through the laser incident port 9 provided behind the electron beam outlet 4 and the photocathode produces electrons generated by the photoelectric effect. It is extracted and accelerated by the high frequency in the resonance state, and the accelerated electron beam is emitted through the electron beam outlet 4.
  • Many conventional BNL type high frequency accelerating cavities are generally called Disk Loaded standing wave type dumbbell shaped cavity cells, and curved surface shaped cavity cells are hardly known for high frequency accelerating cavities for electron guns .
  • the inventors of the present invention have made it possible to increase the electric field and make a good resonance state in a high frequency acceleration cavity having a hollow cell having a smooth curved surface shape close to the waveform of a standing wave suitable for accelerated high frequency high electric field. It has been found to give remarkable effects for generation, discharge prevention, and suppression of dark current, and succeeded in fabricating a hollow cell having such a curved shape, in particular, a hollow cell for an electron gun.
  • each corner and each edge of the top of the head (the part where the diameter of the cell is large) and the iris (the part which connects the cells and becomes the electron beam path) have the above smooth curved surface. It has a shape.
  • the radius of curvature of the curved surface shape is appropriately set based on the frequency of the high frequency to be used and the size of the cavity.
  • the smoothing of the inner surface of the cavity cell in the photocathode RF gun cavity device of the present invention is important for preventing discharge in the cavity and for stably maintaining the RF field strength.
  • the smoothing effect given to the high electric field, the generation of a good resonance state, the prevention of discharge, and the suppression of dark current is much larger than the effect of the above-mentioned curved surface shape. Since the higher the smoothness, the less the possibility of discharge in the cavity, the smoothness of the inner surface of the cavity cell should be as high as possible unless there are special circumstances.
  • the smoothness of the inner surface of the hollow cell is evaluated by surface roughness (arithmetic mean roughness).
  • the surface roughness (arithmetic mean roughness) of the inner surface of the hollow cell of the high frequency acceleration cavity 1 that can be used in the present embodiment is preferably 0.05 ⁇ m or less, and more preferably 0.02 ⁇ m or less.
  • a surface roughness of 0.05 ⁇ m or less is preferable because the possibility of discharge can be significantly reduced. Since the smoothness in this range is dramatically higher than the smoothness of the inner surface of the conventional high frequency acceleration cavity, the effect of significantly improving the electric field strength and Q value of the high frequency acceleration cavity is high, and the resonance state for electron acceleration is high. The effect of maintaining stable is high.
  • the smoothing of the inner surface of the hollow cell in this embodiment can be performed, for example, by performing precision cutting and polishing using a single crystal diamond tool on the cell after the primary cutting.
  • a new type of high frequency acceleration cavity 1 having a hollow cell having a smooth curved surface shape as described above is used.
  • the hollow cells are half cell (0.5 cell) 5 and full cell (1.0 cell) 6.
  • the full cell 6 is connected behind the half cell 5.
  • the portion connecting the cells is generally called "iris" as described above and serves as a path for the electron beam.
  • the half cell 5 is provided in order to maximize the electric field strength at the cathode surface 8 by providing the cathode at the end of the half cell 5.
  • the reason for providing the full cell 6 is to provide high frequency power to further accelerate electrons. Therefore, the velocity of electrons can be cumulatively accelerated as the number of cells of the full cell 6 is increased.
  • the number of hollow cells of the high frequency acceleration cavity 1 used in the present embodiment is preferably 1.5 cells or more, and more preferably 3.5 cells or more. Although it is possible to extract high-intensity electron beams with only 0.5 cells, it is preferable to use 1.5 cells or more to extract kilowatt-class electron beams, and 10 kilowatt-class electron beams. In order to take out, it is preferable that it is 3.5 cells or more.
  • a photoemission type photocathode is used as the cathode. This is because the photocathode can improve the emittance value of emitted photoelectrons by one to two orders of magnitude better than that of the thermionic cathode.
  • alkali metals mainly composed of cesium and other compounds, for example, CsI, CsI- Alkali iodides such as Ge, alkali antimonide such as K 2 CsSb, Na 2 K (Cs) Sb, and alkali telluride such as Cs 2 Te and RbCsTe, more preferably alkali telluride, still more preferably Cs 2 Te is there.
  • CsI, CsI- Alkali iodides such as Ge
  • alkali antimonide such as K 2 CsSb, Na 2 K (Cs) Sb
  • alkali telluride such as Cs 2 Te and RbCsTe
  • Cs 2 Te has a problem that the operating atmosphere is ultra-high vacuum and its lifetime is largely dependent on the vacuum degree and residual gas, it emits photoelectrons with relatively high quantum efficiency by an ultraviolet laser with a wavelength of 270 nm or less It is further preferable because it has the feature of The reason why the photocathode is provided at the half cell side end of the high frequency acceleration cavity in the present embodiment is to maximize the electric field strength of the high frequency in the cathode surface 8 as described above.
  • a plug-shaped photocathode plug is preferably used as the photocathode, which can be detachably replaced.
  • light is attached to the conductive RF contactor at the contact portion between the high-frequency accelerating cavity and the photocathode plug.
  • the cathode plug (see FIG. 3) is used.
  • the use of the photocathode plug facilitates replacement of the degraded photocathode with a fresh photocathode, replacement of the photocathode for cathode material research, etc., and the vacuum sealing of the end plate with the photocathode (helico
  • the present invention is intended to reduce problems such as a drop in Q value and the occurrence of discharge due to a complicated shape in a conventional device attached to a half cell main body via a flex seal). Further, the attachment of the conductive RF contactor is preferable in suppressing high frequency discharge at the photocathode surface 8.
  • a laser incident port 9 (see FIG. 1) is provided at a position facing the photocathode behind the electron beam outlet 4 of the high frequency acceleration cavity 1 (see FIGS. 7 to 11). Since the laser incident angle can be made perpendicular to the cathode surface 8, the spot of the irradiated portion can be minimized, which is preferable in minimizing the emittance.
  • the photocathode 8 is provided at the end of the half cell 5 of the BNL type high-frequency accelerating cavity, and oblique incidence of the laser is performed from the side of the half cell 5 to the photocathode surface 8.
  • the present inventors have found that the emittance can be minimized by entering the laser at an angle perpendicular or nearly perpendicular to the photocathode surface 8.
  • the solenoid 17 and the deflection magnet 18 can be provided behind the electron beam outlet 4 in the high frequency acceleration cavity 1 as needed.
  • the use of the solenoid 17 is to suppress the increase in the emittance of the passing electron beam, and the use of the deflection electromagnet 18 is to attach the laser entrance port 9 to a position facing the photocathode.
  • the high frequency power input coupler port 10 is provided on the side of the high frequency acceleration cavity 1. Preferably, it is provided on the side of the full cell 6. It is preferable to provide on the side of the full cell 6 in order to further accelerate the electrons emitted from the photocathode by the electric field of the high frequency electric field.
  • the attachment position is preferably attached to the full cell 6 (first) next to the half cell 5.
  • the vacuum exhaust port 11 is provided on the side of the high frequency acceleration cavity 1.
  • an evacuation port 11 is provided at a position opposite to the high frequency power input coupler port 10.
  • the purpose of providing the evacuation port 11 is to evacuate the inside of the cavity.
  • providing the evacuation port 11 at a position opposite to the high frequency power input coupler port 10 It is because it is preferable in order to maintain sex.
  • a high frequency resonance tuner is provided on the side of the high frequency acceleration cavity 1.
  • the mounting position of the tuner is preferably provided at a side of the hollow cell such that it enables symmetrical adjustment of the hollow cell near the top of the hollow cell.
  • the number of tuners installed is not particularly limited, but preferably, two or more per cell are provided to enable symmetrical adjustment.
  • a conventional tuner 12 see FIG. 4 of a type in which a tuner tip is inserted into a small through hole provided in a hollow cell of a high frequency acceleration cavity can be used.
  • non-insertion type high frequency resonant tuner 16 which can externally adjust the resonant frequency of the cavity cell externally without inserting it into the cavity cell. Since the non-insertion type high frequency resonance tuner 16 is used without being inserted into the inner surface of the hollow cell, the continuous smoothness of the inner surface of the hollow cell is not impaired, and the seizing of the sliding portion observed when using the conventional tuner or Since there is no problem of resonance frequency detuning due to discharge, there is an effect that the resonance state can be stably maintained.
  • a tuner as described in Patent Document 7 see FIGS. 5 and 6) can be used.
  • the photocathode high frequency electron gun cavity apparatus includes the high frequency acceleration cavity, the photocathode, the laser incident port, the high frequency power input coupler port, the vacuum exhaust port, and the high frequency resonant tuner.
  • a gun cavity device which uses a high frequency acceleration cavity 1 internally having a hollow cell having a smooth curved surface shape similar to the standing wave waveform particularly suitable for high frequency high frequency electric field as a high frequency acceleration cavity, By providing the latest photocathode and high-frequency resonant tuner, it becomes possible to generate high-intensity high-quality electron beams with an unprecedented ultra-small device.
  • the photocathode high frequency electron gun cavity device of this embodiment enables generation of a high intensity high quality electron beam of 10 kilowatts class by using an ultra-compact high frequency accelerated cavity as shown below, so that high intensity electron beam generation is performed. It is very effective for the miniaturization of various accelerators, electron guns, X-ray generators by laser inverse Compton scattering, etc.
  • high-intensity high-quality electron beams of kinetic energy of 6 MeV to 12 MeV with 10 kW class that can be generated by the cavity device of the present embodiment are revolutionary diagnostic treatment, sterilization, electron diffraction, analysis, light It is effective in developing new light application fields such as reactions.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional photocathode high frequency electron gun cavity device used as a comparative example
  • FIGS. 7 to 11 are examples of the photocathode high frequency electron gun cavity device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of (Examples 1 to 5). Using the above devices, the vacuum level in the cavity is maintained at a level of 10 -6 Pa, a mode locked laser with a wavelength of 266 nm is irradiated to the photocathode, and a high frequency of 2856 MHz is introduced into the cell.
  • the oblique irradiation angle from the laser incident port at the oblique position with respect to the photocathode was about 70 degrees with respect to the vertical line of the photocathode surface 8 (comparative example).
  • the irradiation angle from the laser incident port provided at the position facing the photocathode was perpendicular to the photocathode surface 8 (Examples 1 to 5).
  • the high frequency electric field strength, Q value, and dark current representing the performance of the high frequency acceleration cavity were measured using a bead perturbation method, a spectrum analyzer and a CT (Current Transformer), respectively.
  • the quantum efficiency, which represents the performance of the photocathode was determined from measurements of the generated beam intensity and the laser pulse intensity.
  • the amount of charge per pulse which represents the characteristics of the generated electron beam, was measured using CT.
  • a BNL type 1.5 cell high frequency acceleration cavity 31 is manufactured according to the description of Non-Patent Document 1, and a commercially available photocathode 7 (manufactured by Sumitomo Heavy Industries, Ltd .: Cu photocathode), laser incident port 9, high frequency power input
  • An apparatus as shown in FIG. 12 provided with the coupler port 10, the vacuum exhaust port 11, and the commercially available insertion type high frequency resonance tuner 12 (manufactured by Sumitomo Heavy Industries, Ltd .: T1342) was manufactured.
  • the helico flex seal 2S provided at the end of the high frequency acceleration cavity 31 shown in FIG. 12 is used for resonance adjustment of the half cell 5 by adjusting its tightening strength.
  • the high frequency electric field strength in the high frequency accelerating cavity 31 is about 100 MV / m
  • the Q value is about 7900
  • the dark current is about 10 nanoamps
  • the quantum efficiency of the photocathode 7 is about 2 ⁇ 10 -3 %
  • the generated electron beam The amount of charge was about 1 nanocoulomb per pulse, and the average current was about 50 nanoamperes (single bunch, 50 Hz operation).
  • a rough cavity cell is fabricated by cutting oxygen free copper material, and the inside surface of the cavity cell is precision cut and polished using a single crystal diamond tool to obtain a standing wave wavefront shape suitable for accelerated high frequency high electric field
  • Half cells 5 and full cells 6 having curved surface shapes similar to each other were produced.
  • the curved surface shape in the vicinity of the top of the hollow cell and the iris produced was a curved surface made of an arc, and the radius of curvature R was in the range of 5 mm ⁇ R ⁇ 20 mm.
  • the surface roughness was 0.05 ⁇ m or less.
  • the surface roughness was measured using a surface roughness / contour profiler (manufactured by Mitutoyo Co., Ltd .: Mitutoyofoam tracer CS-5000).
  • a surface roughness / contour profiler manufactured by Mitutoyo Co., Ltd .: Mitutoyofoam tracer CS-5000.
  • a commercially available photocathode 7 manufactured by Sumitomo Heavy Industries, Ltd. manufactured by Cu Photocathode
  • a laser incident port 9 is attached to the electron beam outlet 4 of the high frequency acceleration cavity 1.
  • a commercially available capacitive high frequency resonance tuner 12 manufactured by Sumitomo Heavy Industries, Ltd .: T1342
  • a photocathode high frequency electron gun cavity apparatus Example 1 as shown in FIG. 7 was produced.
  • the two high frequency resonance tuners 12 are provided on the side of each cell. Electron beam generation experiments were conducted using the above-described apparatus.
  • the high frequency electric field strength in the high frequency acceleration cavity 1 is about 110 MV / m
  • the Q value is about 8800
  • the dark current is about 3000 picoamperes
  • the charge amount of the generated electron beam is about 0.01 microcoulomb per pulse
  • the average current is It was about 0.1 microampere.
  • the high frequency electric field strength is improved by about 1.1 times and the Q value is improved by about 1.1 times by the photoelectron high frequency accelerating cavity device of the first embodiment over the conventional BNL type high frequency accelerating cavity device.
  • the charge amount of the generated electron beam could be improved by about 10 times
  • the average current could be improved by about 2 times (100 bunches / pulse, 10 Hz operation). ).
  • the high frequency electric field strength in the high frequency accelerating cavity 1 is about 120 MV / m
  • the Q value is about 11000
  • the dark current is about 1000 picoamperes
  • the quantum efficiency is about 2%
  • the charge amount of the generated electron beam is about 0.
  • the photocathode RF gun cavity apparatus of the second embodiment provided with the detachable photocathode plug 14 (Cs 2 Te) further reduces the dark current to about one third of the result of the first embodiment. It has been found that it is possible to reduce the charge amount of the generated electron beam by about 30 times and to improve the average current by about 30 times (100 bunches / pulse, 10 Hz operation).
  • the high frequency electric field strength in the high frequency accelerating cavity 1 is about 120 MV / m
  • the Q value is about 12000
  • the dark current is about 100 picoamperes
  • the quantum efficiency is about 2%
  • the generated electron beam charge amount is about 0. Five microcoulombs
  • the average current was about 5 microamperes.
  • the photocathode high frequency electron gun cavity device of the third embodiment provided with the detachable and replaceable photocathode plug 15 (Cs 2 Te) accompanied by the conductive RF contactor is more than the result of the first embodiment. It has been found that it is possible to reduce the dark current by about 30 times, improve the charge amount of the generated electron beam by about 50 times, and improve the average current by about 50 times (50 bunches / pulse at 10 Hz operation) ).
  • Four non-insertion type high frequency resonance tuners 16 were provided on the side of each cell.
  • the non-insertion type high frequency resonance tuner 16 the non-insertion type high frequency resonance tuner (see FIGS. 5 and 6) described in Patent Document 7 was manufactured and used.
  • the high frequency electric field strength in the high frequency accelerating cavity 1 is about 130 MV / m
  • the Q value is about 13000
  • the dark current is about 1000 picoamperes
  • the charge amount of the generated electron beam is about 0.25 microcoulombs per pulse
  • the average current is It was about 2.5 microamperes.
  • the dark current can be reduced to 1 or less in about 30 minutes
  • the charge amount of the generated electron beam can be improved by about 25 times
  • the average current can be improved by about 25 times I found it (500 bunches / pulse, 10 Hz operation).
  • a removable exchangeable deposited photocathode plug 15 accompanied by a conductive RF contactor is provided instead of the commercially available photocathode 7 in the first embodiment, and a non-insertion type instead of the commercially available insertion type high frequency resonant tuner 12 in the first embodiment.
  • Electron beam generation experiments were conducted using a photocathode high frequency electron gun cavity apparatus (Example 5) as shown in FIG. 11 provided with a high frequency resonance tuner 16.
  • the detachable and interchangeable photocathode plug 15 with the conductive RF contactor is the same as that of the third embodiment, and the non-insertion type high frequency resonant tuner 16 is the same as that of the fourth embodiment.
  • Four non-insertion type high frequency resonance tuners 16 were provided on the side of each cell.
  • the high frequency electric field strength in the high frequency accelerating cavity 1 is about 140 MV / m
  • the Q value is about 15000
  • the dark current is about 100 picoamperes
  • the quantum efficiency of the photocathode is about 2%
  • the charge of generated electron beam is per pulse About 9 microcoulombs
  • the average current was about 90 microamperes.
  • the photocathode high frequency electron gun cavity device of the fifth embodiment provided with the detachable and exchangeable photocathode plug 15 (Cs 2 Te) accompanied by the conductive RF contactor and the non-insertion type high frequency resonance tuner 16.
  • the high frequency electric field strength is further improved by about 1.3 times
  • the Q value is improved by about 1.7 times
  • the quantum efficiency of the photocathode is improved by about 1000 times
  • the dark current is about 30 minutes. It has been found that it is possible to reduce it to 1 or less, improve the charge amount of the generated electron beam by about 900 times, and improve the average current by about 900 times (3000 bunches / pulse, 10 Hz operation).
  • the new type high frequency accelerating cavity in the photocathode high frequency electron gun cavity device of the present embodiment has a remarkable suppressing effect of dark current and a remarkable improving effect of the charge amount of electron beam, and as a result, the average current It significantly improves and enables the miniaturization of the electron gun.
  • the 1.5 cell type (one half cell + one full cell) photocathode RF gun cavity device has been mainly described in the above embodiment, the 3.5 cell type (one half cell + three full cells)
  • the present invention is naturally applicable to photocathode RF gun cavity devices having different numbers of full cells, such as photocathode RF gun cavity devices.
  • the photocathode high frequency electron gun cavity device of the present invention enables generation of high intensity high quality electron beam of 10 kilowatts class using ultra-compact high frequency acceleration cavity, and various accelerators for generating high brightness electron beam, It is extremely effective for downsizing of an electron gun, an X-ray generator by laser inverse Compton scattering, and the like.
  • high-intensity high-quality electron beams with kinetic energy of 6 MeV to 12 MeV with 10 kW class which can be generated by the device of the present invention are revolutionary diagnostic treatment, sterilization, electron diffraction, analysis, light
  • the present invention is useful for developing new light utilization fields such as reactions, etc., and the present invention has industrial applicability.

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Abstract

　本発明の陰極高周波電子銃空洞装置は、高周波加速空洞（１）、光陰極（８；１５）、レーザー入射ポート（９）、高周波電力入力カプラーポート（１０）、及び高周波共振チューナー（１６）を備え、放電防止・高周波電界の高強度化・高周波の共振安定性の向上のために、その内面において鋭角部を有さず平滑な曲面だけで形成された空洞セルを内部に有する超小型の高周波加速空洞を用いることを特徴とする。更に、光陰極面での電界強度を最大にするために光陰極を高周波加速空洞のハーフセル（５）の端部に設け、短バンチ光電子の品質を最良にするためにレーザー入射ポートを高周波加速空洞の電子ビーム取り出し口の後方において光陰極と対向する位置に設けてレーザー垂直入射を確保し、高周波の電界強度を高めるために高周波電力入力カプラーポートを高周波加速空洞のセルの側部に設けた。これにより、大強度高品質の電子ビームを発生できる、小型の光陰極高周波電子銃空洞装置が提供可能となった。

Description

光陰極高周波電子銃空洞装置
　本発明は、光陰極へのレーザー光の入射によって生成された電子を高周波電力の導入された高周波加速空洞内に形成される共振状態の高周波電場によって加速して高速電子ビームとして出力する光陰極高周波電子銃空洞装置に関し、より詳細には、高輝度電子ビーム発生用の各種の加速器、電子銃、レーザー逆コンプトン散乱によるＸ線発生装置等の小型化を可能にする超小型の光陰極高周波電子銃空洞装置に関する。
　電子ビームを生成して出力する電子源装置は、電子銃用のみならず、加速器（電子シンクロトロン、線形加速器、等）などの各種装置に電子ビームを入射するための電子ビーム供給源として幅広く利用されている。また、Ｘ線生体イメージング装置、Ｘ線吸収イメージング装置等のＸ線装置のＸ線源として、近年、レーザー逆コンプトン散乱を用いた小型Ｘ線源の開発が進められている。レーザー逆コンプトン散乱を用いたＸ線源とは、加速された電子ビームにレーザー光を衝突（逆コンプトン散乱）させることによって、所定のエネルギーを有した光子ビーム（Ｘ線）を生成するものである。そして、そのような小型Ｘ線源等の実現のために、大強度・高品質な電子ビームを生成可能な小型の電子源装置が現在必要とされている。
　電子源装置の開発においては、旧来より熱電子銃（熱陰極を用いた電子発生方式）を用いたマルチバンチ電子ビームの生成・加速の研究等が行われてきた。そして、この熱電子銃方式で電子ビームの品質を十分に改善するに至らない状況の中で、近年、電子を短い距離で効果的に加速するための画期的な電子加速方法及び加速空洞、所謂、ＢＮＬ（Brookhaven National Laboratory）型高周波加速空洞が考案された。この方法は、高周波の電界によって電子加速を行うものであり、従来の直流電界による電界強度の約１０倍以上の電界強度を発生できるため、電子銃の小型化を期待させるものであった。
　図１２に示すように、このＢＮＬ型高周波加速空洞は、ハーフセル（０．５セル）５とフルセル（１．０セル）６とを連結した基本構造をとっており、ハーフセル５の電子ビーム軸方向（図中左右方向）の長さは、ビームの拡散低減のためにフルセル６の軸方向長さの０．６倍に設定されている。導波管内を伝達されてきた高周波電力は、まずフルセル６の壁面に設けられた高周波電力入力カプラーポート１０（カップリング孔）を通ってフルセル６内に供給され、続いて両セル間の絞り部（アイリス）を通ってハーフセル５内に供給される。ハーフセル５は、レーザー光の注入用のレーザー入射ポート９と、取り外し可能な端板２Ｂとを備えており、端板２Ｂの中心に金属（Ｃｕ、Ｍｇ、等）製の光陰極７が設けられている。端板２Ｂは真空シール（ヘリコフレックスシール）２Ｓを介してハーフセル本体に取り付けられており、メインテナンスや陰極材料研究のための光陰極７の交換の際には、端板２Ｂがハーフセル本体から取り外される。ハーフセル５の共振周波数の調整は、ヘリコフレックスシール２Ｓの締付トルクを調節してセルの体積を増減させることによって行われ、一方、フルセル６の共振周波数の調整は、フルセル６の空洞壁に開けられたチューナー穴（直径１０ｍｍ）内を上下可能な調整ロッド（対称的に計二本）の位置を調整することで行われる（図４参照）。
特開平０６－１７６７２３号公報 特許第３１１９２８５号公報 特開平０７－２２６３００号公報 特開２００２－３１３２１８号公報 特開平０５－０２９０９７号公報 特開平０７－２９６９９８号公報 特開２００８－１１７６６７号公報
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 E－Statistical 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.
　このＢＮＬ型高周波加速空洞では、ハーフセル側の端部に電子源としての陰極７を設けることによって陰極面８での電界強度の最大化を図り、また、フルセル側に高周波電力の入力のための高周波電力入力カプラーポート１０を設けることによって高周波共振状態を発生させている。これらは、例えば、非特許文献１、２、３、及び４に報告されている。しかしながら、従来型のＢＮＬ型高周波加速空洞には、高周波の共振に好ましくない、つまり空洞内面の平滑性／形状や共振を阻害するような構造、例えば高周波加速空洞３１の端部のシール構造（ヘリコフレックスシール２Ｓ）等のために、高周波共振状態の安定的維持が難しいという問題があった。
　一般に、高周波加速空洞を構成する空洞セルの形状は、使用する特定の高周波電力入力波の周波数と空洞形状によって決定される空洞共振周波数とが一致するように設計され、空洞共振性能はＱ値（高周波の共振安定性の指標）で表わすことができる。しかし、従来、空洞形状から空洞共振周波数を求めることは行われているが、高周波電力の周波数から適切な空洞形状を導くことは殆ど行われていない。例えば、従来のＢＮＬ型高周波加速空洞には通称、Ｄｉｓｋ　Ｌｏａｄｅｄ定在波型のダンベル形状の空洞セルが使用されているが、電子銃用の高周波加速空洞に関する内面が曲面形状の空洞セルの設計については殆ど知られていない。
　また、高周波加速空洞の製造は通常、無酸素銅材の切削加工によって行われているが、空洞内面の研磨はダイヤモンド砥粒等の研磨材を用いた機械研磨によって行われており、研磨材の砥粒サイズに限界があるために原子レベルの平滑性を得ることは困難であり、そのために高周波電力の空洞内放電を抑制することが困難であるという問題があった。空洞内放電があると、陰極に印加する高周波電力の上限を低く抑えざるを得なくなり、そのために、生成された電子ビームの高周波電力による加速も低下し、これがエミッタンス（電子ビームの断面方向の広がり具合を定量的に表す指標）の増加要因ともなってしまう。
　従来、電子発生源としては前述のように熱陰極を用いた電子発生方式がとられていたが、この方式には、放出熱電子のエネルギーが不揃いであるために上記エミッタンスが大きく、ビームの品質が落ちるという欠点があり、また、暗電流が本質的に発生してしまうという問題があった。このように熱陰極方式では高品質の電子ビームの発生が困難であることから、電子発生源を光陰極とする方式が提案された。光陰極方式は、暗電流発生の問題はあるものの、電子発生方式に光電効果を利用しているため、放出された電子ビームの放出方向及びエネルギーが極めてよく揃っており、エミッタンス値を熱陰極のものよりも、１桁ないし２桁近くも改善できるという特長を期待してのことであった。これらは、例えば、特許文献１、２、３、及び４に開示されている。しかしながら、従来の金属陰極（Ｃｕ、Ｍｇ、等）を用いた光陰極方式には、量子効率が低く、電界電子放出に起因した暗電流（上記放電等の原因となる）の発生の抑制が難しいという問題があった。量子効率の低い光陰極には、電子ビーム生成に大強度のレーザーパルスが必要になると共に、マルチバンチビームの生成が困難であり、電子源装置が単バンチビーム生成に限定されてしまうという問題がある。マルチバンチ電子ビーム生成用のレーザーにおいてはバンチ当たりのパワーを十分に高くすることができず、これに低量子効率の光陰極の使用は適さない。
　空洞セルの製作誤差、温度上昇による空洞セルの形状変化、ビーム電流の発生等により、高周波電力周波数と空洞共振周波数との間にずれが発生するので、これを補正するために、一般的には、高周波共振チューナーを用いることが行われている。従来の高周波共振チューナーとしては、空洞セルの容量を変化させるように構成された所謂、容量型高周波共振チューナーや、空洞セルのインダクタンスを変化させるように構成された所謂、誘導型高周波共振チューナーが知られている。これらは、高周波加速空洞の空洞セルに設けられた小さな貫通孔にチューナー先端を差し込むことによって使用されていた（図４参照）。この方法は、例えば、特許文献５、及び６に開示されている。しかしながら、従来の高周波共振チューナーには、空洞セルの穿孔部分の空隙における放電やチューナーの摺動による焼き付きなどによる共振周波数離調の問題があった。
　本発明者らは、先に、光陰極として、高周波加速空洞との接触部分において導電性のＲＦコンタクターを付帯する光陰極プラグ（図３）を用いることによって暗電流を抑制できることを見いだし、非特許文献５、及び６に発表した。また、空洞セル内に挿入しないで空洞セルの共振周波数を外部から機械的に調整するための非挿入式高周波共振チューナー（図５，図６参照）を用いることによって高周波の良好な共振状態を発生させることが可能であることが見いだされ、この方式は、例えば、特許文献７に開示されており、上記非特許文献５、及び６にも発表されている。
　本発明者らは、従来のＢＮＬ型高周波加速空洞に前記の導電性ＲＦコンタクターを付帯する光陰極プラグ及び非挿入式高周波共振チューナーを設けた装置を用いて実験を行ったが、これでも１０キロワット級の高強度高品質の電子ビームを安定的に発生することは困難であった。
　本発明の目的は、上記の事情に鑑み、高輝度電子ビーム発生用の各種の加速器、電子銃、レーザー逆コンプトン散乱によるＸ線発生装置等の小型化を可能にする、小型かつ大強度高品質の電子ビームを発生可能な光陰極高周波電子銃空洞装置を提供することである。より具体的には、キロワット級の大強度高品質電子ビームを発生可能な超小型の光陰極高周波電子銃空洞装置を提供することである。
　本発明者らは、上記の目的を達成するために研究を重ねた結果、高周波加速空洞として特に加速高周波高電界に適した定在波の波形に近似した平滑な曲面形状を内面に持つ空洞セルを内部に有した高周波加速空洞を用い、これに光陰極、レーザー入射ポート、高周波電力入力カプラーポート、真空排気ポート、及び高周波共振チューナーを設けた新型の光陰極高周波電子銃空洞装置が非常に有効であることを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
　そして、本発明は、加速高周波高電界に適した定在波の波形に近似した平滑な曲面形状を内面に持つ空洞セルを内部に有した高周波加速空洞と、該高周波加速空洞の前記空洞セルの端部に設けられた光陰極と、前記高周波加速空洞の電子ビーム取り出し口の後方において前記光陰極に対向する位置に設けられ該光陰極に供給されるレーザー光の前記高周波加速空洞内への入射に用いられるレーザー入射ポートと、前記高周波加速空洞の側部に設けられ該高周波加速空洞内への高周波電力の入力に用いられる高周波電力入力カプラーポートと、前記高周波加速空洞の側部に設けられ該高周波加速空洞の真空排気に用いられる真空排気ポートと、前記高周波加速空洞の側部に設けられ前記空洞セルにおける高周波の共振周波数の調節に用いられる高周波共振チューナーと、を備え、前記空洞セルの内面は、鋭角部を有さない曲面のみで構成されていることを特徴とする光陰極高周波電子銃空洞装置を提供するものである。
　ここで、前記空洞セルの頭頂部近傍及びアイリスにおける曲面形状は円孤で作られる曲面であって、その曲率半径Ｒは、５ｍｍ≦Ｒ≦２０ｍｍの範囲にあり、さらに、上記光陰極高周波電子銃空洞装置において、前記空洞セルの前記内面の表面粗さが０．０５μメートル以下であるのが好適である。
　また、上記光陰極高周波電子銃空洞装置において、前記光陰極が前記高周波加速空洞に対して着脱交換可能な光陰極プラグであるのが更に好適である。
　また、上記光陰極高周波電子銃空洞装置において、前記光陰極プラグが、該プラグと前記高周波加速空洞との接触部分において導電性のＲＦコンタクターを付帯する光陰極プラグであるのが更に好適である。
　また、上記光陰極高周波電子銃空洞装置において、前記高周波共振チューナーが、前記空洞セル内に周波数調整ロッドを挿入することなく前記空洞セルにおける前記共振周波数を外部から機械的に調節するように前記高周波加速空洞の側部に設けられた非挿入式高周波共振チューナーであるのが更に好適である。
　また、上記光陰極高周波電子銃空洞装置において、前記光陰極の陰極面がＣｓ２Ｔｅによりなるのが更に好適である。
　また、上記光陰極高周波電子銃空洞装置において、前記高周波加速空洞がハーフセルと一以上のフルセルを有し、前記高周波電力入力カプラーポートが前記ハーフセルに隣接するフルセルの側部に設けられるのが更に好適である。
　また、上記光陰極高周波電子銃空洞装置において、前記高周波加速空洞が三以上のフルセルを有するのが更に好適である。
　また、上記光陰極高周波電子銃空洞装置において、前記真空排気ポートが前記高周波電力入力カプラーポートに対向する位置に設けられるのが更に好適である。
　また、上記光陰極高周波電子銃空洞装置において、前記高周波共振チューナーが前記高周波加速空洞の各セルに二個以上設けられるのが更に好適である。
　本発明の光陰極高周波電子銃空洞装置によれば、従来装置比で約１０分の１以下の長さの超小型の電子源装置において、高周波電界強度、高周波共振空洞のＱ値、陰極の量子効率、及び発生電子の電荷量を飛躍的に向上させ、かつ、空洞内での放電及び暗電流を飛躍的に低減することができ、これによって、大強度高品質の電子ビームを発生することができる。従って、従来困難であった大強度高品質電子ビーム発生用の加速器、電子銃、レーザー逆コンプトン散乱によるＸ線発生装置等の小型化に有効である。例えば、空洞全長が３６ｃｍ程度の本発明の光陰極高周波電子銃空洞装置によって、高周波電界強度を１４０ＭＶ／ｍ（従来の直流電子銃の電界強度の約１４倍）に、高周波の共振安定性の指標である高周波共振空洞のＱ値を１５０００（従来の高周波加速空洞のＱ値の約２倍）に、暗電流を１００ピコアンペア以下（従来の高周波電子銃の暗電流の１００分の１以下）に、光陰極の量子効率を数％程度（従来の陰極の量子効率の約１０００倍）に、及び、光電子ビームの電荷量を１パルス当たり１０マイクロクーロン（従来の光陰極電子源の電荷量の約１万倍）にでき、これにより、平均電流が０．５ｍＡで１２ＭｅＶの大強度電子ビームを発生することができる。この全長３６ｃｍ程度の大強度電子ビーム発生装置は、１０キロワット級の高品質電子ビーム発生装置である。
本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の外観の一例を示す上面図である。 図１の光陰極高周波電子銃空洞装置の一部断面正面図である。 光陰極高周波電子銃空洞装置に用いられる導電性のＲＦコンタクターを付帯する光陰極プラグ示す写真イメージである。 光陰極高周波電子銃空洞装置に用いられる挿入式高周波共振チューナーの作動原理を示す模式図である。 光陰極高周波電子銃空洞装置に用いられる非挿入式高周波共振チューナーの作動原理を示す模式図である。 非挿入式高周波共振チューナーの具体的構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の実施例１の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の実施例２の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の実施例３の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の実施例４の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の実施例５の構成を示す断面図である。 従来の光陰極高周波電子銃空洞装置の構成を示す断面図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　図１は本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の外観の一例を示す上面図、図２は図１の光陰極高周波電子銃空洞装置の一部断面正面図である。図に示すように、本実施形態の光陰極高周波電子銃空洞装置は、略円筒形状のハウジング２２（周壁部２２ａ）を本体として構成されており、該ハウジング２２は、例えば、真空中でのガス放出量が少なく優れた熱的・電気的性質を有する無酸素銅で形成されている。このハウジング２２を加工（内面加工、ポート穴加工等）することにより、本実施形態の光陰極高周波電子銃空洞装置における高周波加速空洞１が形成される。なお、ハウジング２２として例えばハーフセル部分用とフルセル部分用とを別個に用意し、各々を個別に加工し、後にこれらを連結加工して高周波加速空洞１を形成するなどの製造方法も可能である。
　高周波加速空洞１内には、例えば後述する図１１（実施例５）に示すように、その一端に、レーザー光の入射に対して光電効果により電子を放出する光陰極（実施例５ではＲＦコンタクターを付帯した光陰極プラグ１５）が配置されており、空洞内の光陰極側にハーフセル５が形成され、これに続いてフルセル６が形成されている。ハウジング２２（高周波加速空洞１）には、高周波加速空洞１内で生成・加速された電子ビームを取り出すための電子ビーム取り出し口４、高周波電力を高周波加速空洞１内に入力するための高周波電力入力カプラーポート１０、高周波加速空洞１の真空排気のための真空排気ポート１１、及び高周波加速空洞１の内部を外部から観察するためのビューポート２４が設けられている。なお、図１の例では、後述する実施例５における非挿入式高周波共振チューナー１６が各セル当たり４個（例えば、図２に示すように高周波加速空洞１の中心Ｏに対して対称に且つ放射状に）設けられていると共に、実施例５におけるＲＦコンタクターを付帯した光陰極プラグ１５を高真空状態を保ったまま高周波加速空洞１までガイドするためのガイド部材２６がハウジング２２に取り付けられている。
　高周波電力入力カプラーポート１０に取り付けられた導波管を通って伝送されてきた所定周波数の高周波電力は、高周波電力入力カプラーポート１０を介してまず高周波加速空洞１のフルセル６内に供給され、続いて両セル間の絞り部（アイリス）を通ってハーフセル５内に供給され、これにより、空洞内部に高周波の共振状態（定在波）が形成される。一方、電子ビーム取り出し口４の後方に設けられたレーザー入射ポート９を介して高周波加速空洞１内に入射されたレーザー光が光陰極に照射され、光陰極において光電効果によって生成された電子が上記共振状態の高周波により引き出し・加速され、この加速電子ビームが電子ビーム取り出し口４を介して射出される。
　以下において、本実施形態の光陰極高周波電子銃空洞装置の特徴を概略的に説明し、その後に具体的な各実施例の説明を行う。
　従来のＢＮＬ型高周波加速空洞の多くは、通称、Ｄｉｓｋ　Ｌｏａｄｅｄ定在波型のダンベル形状の空洞セルから構成されており、電子銃用の高周波加速空洞に関して曲面形状の空洞セルは殆ど知られていない。本発明者らは、加速高周波高電界に適した定在波の波形に近似した平滑な曲面形状を内面に持つ空洞セルを内部に有した高周波加速空洞が、高電界化、良好な共振状態の発生、放電防止、及び暗電流の抑制のために顕著な効果を与えることを見いだし、このような曲面形状をもつ空洞セル、特に電子銃用の空洞セルを作製することに成功した。
　上記の加速高周波高電界に適した定在波の波形に近似した平滑な曲面形状を内面に持つ空洞セルとは、空洞セルの内面の曲線が高周波の定在波の波形曲線に近似していることを意味する。三角関数曲線、円孤、楕円、及び放物線が上記波形曲線に近似している。本実施形態における空洞セルは、その頭頂部（セルの径が大きい部分）及びアイリス（セルを連結している部分であり電子ビームの通路となる）の各コーナー及び各エッジが上記の平滑な曲面形状を有する。該曲面形状の曲率半径は、使用する高周波の周波数及び空洞の大きさに基づいて適宜設定する。
　本発明の光陰極高周波電子銃空洞装置における空洞セルの内面の平滑化は、空洞内での放電防止と高周波電界強度の安定的維持のために重要である。高電界化、良好な共振状態の発生、放電防止、及び暗電流の抑制に与える平滑化の効果は、上記曲面形状の効果よりも格段に大きい。平滑性が高いほど空洞内での放電の可能性が少なくなるので、空洞セル内面の平滑性は特別な事情がない限り高ければ高いほどよい。本実施形態では、空洞セル内面の平滑性を表面粗さ（算術平均粗さ）で評価する。本実施形態で用いることができる高周波加速空洞１の空洞セルの内面の表面粗さ（算術平均粗さ）は、好ましくは０．０５μｍ以下であり、より好ましくは０．０２μｍ以下である。表面粗さが０．０５μｍ以下であれば、放電の可能性を著しく低減できるので好ましい。該範囲の平滑性は、従来の高周波加速空洞内面の平滑性に比べて飛躍的に高いので、高周波加速空洞の電界強度及びＱ値を著しく向上させる効果が高く、電子加速のための共振状態を安定的に維持する効果が高い。本実施形態における空洞セル内面の平滑化は、例えば、切削１次加工後のセルに単結晶ダイヤモンド工具を用いた精密切削・研磨を行うことによって実施することができる。
　本実施形態では、上述のような平滑な曲面形状を有する空洞セルを内部に有した新型の高周波加速空洞１を用いる。空洞セルはハーフセル（０．５セル）５及びフルセル（１．０セル）６である。通常、ハーフセル５の後ろにフルセル６が連結された構造を有する。セルを連結している部分は前述のように通称「アイリス」と呼ばれ、電子ビームの通路となる。ハーフセル５を設けるのは、ハーフセル５の端部に陰極を設けることによって陰極面８における電界強度を最大にするためである。フルセル６を設けるのは、電子をさらに加速させるための高周波電力を与えるためである。従って、フルセル６のセル数を増やすごとに電子の速度を累積的に加速することができる。本実施形態で用いる高周波加速空洞１の空洞セル数は、好ましくは１．５セル以上であり、より好ましくは３．５セル以上である。０．５セルだけでも高強度の電子ビームを取り出すことは可能であるが、キロワット級の電子ビームを取り出すためには１．５セル以上であることが好ましく、また、１０キロワット級の電子ビームを取り出すためには３．５セル以上であることが好ましい。
　本実施形態では、陰極として光電子放出型の光陰極を用いる。光陰極は、放出される光電子のエミッタンス値を熱陰極の熱電子よりも１桁ないし２桁近くも良くすることができるからである。本実施形態で用いる光陰極の材質としては、従来知られている各種の光半導体薄膜材料を用いることができるが、好ましくはセシウムを中心としたアルカリ金属と他の化合物、例えば、CsI、CsI-Ge等のalkali iodide、K2CsSb、Na2K(Cs)Sb等のalkali antimonide、及びCs2Te、RbCsTe等のalkali tellurideであり、より好ましくはalkali telluride であり、さらに好ましくはCs2Teである。Cs2Teは、使用雰囲気が超高真空でありライフタイムが真空度と残留ガスによって大きく左右されるという問題があるものの、波長が２７０ｎｍ以下の紫外レーザーによって比較的高い量子効率で光電子を放出するという特長を有するのでさらに好ましい。本実施形態で光陰極を高周波加速空洞のハーフセル側の端部に設けるのは、前述のように陰極面８における高周波の電界強度を最大にするためである。また、本実施形態では、光陰極として好ましくは着脱交換が可能なプラグ形状の光陰極プラグを用い、より好ましくは高周波加速空洞と光陰極プラグとの接触部分において導電性のＲＦコンタクターを付帯する光陰極プラグ（図３参照）を用いる。光陰極プラグの使用は、性能劣化した光陰極のフレッシュな光陰極への交換、陰極材料研究のための光陰極の交換等を容易化すると共に、光陰極付きの端板を、真空シール（ヘリコフレックスシール）を介してハーフセル本体に取り付ける従来装置における形状複雑化に起因したＱ値低下や放電発生等の問題を低減するものである。また、導電性のＲＦコンタクターの付帯は、光陰極面８における高周波放電を抑制する上で好ましい。
　本実施形態では、高周波加速空洞１（図７乃至図１１を参照）の電子ビーム取り出し口４の後方において光陰極に対向する位置にレーザー入射ポート９(図１参照)を設ける。陰極面８に対してレーザー入射角度を垂直にすることができるため、照射部のスポットを極小にすることができ、これがエミッタンスを極小にする上で好ましいからである。従来はＢＮＬ型高周波加速空洞のハーフセル５の端部に光陰極８を設け、同ハーフセル５の側部から光陰極面８にレーザーの斜め入射を行っていたので、陰極面８での放出電子のエミッタンスを極小にすることが困難であったが、これに対して、本発明者等は、光陰極面８に対して垂直乃至垂直近傍の角度でレーザー入射することによってエミッタンスを極小にできることを見いだした。なお、本実施形態では、必要に応じて、高周波加速空洞１における電子ビーム取り出し口４の後方においてソレノイド１７や偏向磁石１８等を設けることができる。ソレノイド１７の使用は、通過電子ビームのエミッタンスの増大を抑制するためであり、又、偏向電磁石１８の使用は、レーザー入射ポート９を光陰極に対向した位置に取り付けるためである。
　本実施形態では、高周波加速空洞１の側部に高周波電力入力カプラーポート１０を設ける。好ましくはフルセル６の側部に設ける。フルセル６の側部に設けるのは、光陰極から放出される電子を高周波電界の電場によってさらに加速する上で好ましいからである。取り付け位置は、ハーフセル５の隣のフルセル６（第１番目）に取り付けるのが好ましい。
　本実施形態では、高周波加速空洞１の側部に真空排気ポート１１を設ける。好ましくは高周波電力入力カプラーポート１０に対向する位置に真空排気ポート１１を設ける。真空排気ポート１１を設けるのは、空洞内を真空排気するためであるが、高周波電力入力カプラーポート１０に対向する位置に真空排気ポート１１を設けるのは、回転対称軸上の加速電場の一様性を保つために好ましいからである。
　本実施形態では、高周波加速空洞１の側部に高周波共振チューナーを設ける。チューナーの取り付け位置は、好ましくは、空洞セルの側部において空洞セルの頭頂部付近で空洞セルの対称的な調整を可能とするような位置に設ける。チューナーの設置数は、特に制限されるものではないが、好ましくは、対称的な調整を可能にするために１セル当たり２個以上を設ける。本実施形態では、高周波共振チューナーとして、高周波加速空洞の空洞セルに設けられた小さな貫通孔にチューナー先端を差し込んで使用するタイプの従来型チューナー１２（図４参照）も用いることができるが、好ましくは、空洞セルに挿入しないで空洞セルの共振周波数を外部から機械的に調整することができる非挿入式高周波共振チューナー１６を用いる。非挿入式高周波共振チューナー１６は、空洞セル内面に挿入しないで使用するので、空洞セル内面の連続的平滑性を損なうことがなく、また、従来のチューナーの使用時に見られる摺動部の焼き付きや放電による共振周波数離調の問題がないので、共振状態を安定的に維持できる効果がある。非挿入式高周波共振チューナー１６としては、例えば、特許文献７に記載されているようなチューナー（図５，図６参照）を用いることができる。
　以上のように、本実施形態の光陰極高周波電子銃空洞装置は、高周波加速空洞、光陰極、レーザー入射ポート、高周波電力入力カプラーポート、真空排気ポート、及び高周波共振チューナーを備えた光陰極高周波電子銃空洞装置であるが、高周波加速空洞として特に加速高周波高電界に適した定在波の波形に近似した平滑な曲面形状を内面に持つ空洞セルを内部に有した高周波加速空洞１を用い、これに最新の光陰極、高周波共振チューナーを設けることによって、従来にない超小型の装置による大強度高品質の電子ビームの発生が可能となる。
　本実施形態の光陰極高周波電子銃空洞装置は、以下に示すように超小型の高周波加速空洞を用いて１０キロワット級の大強度高品質電子ビームの発生を可能にするので、高輝度電子ビーム発生用の各種の加速器、電子銃、レーザー逆コンプトン散乱によるＸ線発生装置等の小型化のために極めて有効である。特に、本実施形態の空洞装置によって発生可能な１０キロワット級で加速電子の運動エネルギーが６ＭｅＶから１２ＭｅＶの大強度高品質電子ビームは、画期的な診断治療、滅菌、電子線回折、分析、光反応、等の新しい光利用の分野を開拓する上で有効である。
　以下に実施例等を挙げて本実施形態の光陰極高周波電子銃空洞装置についてより具体的に説明する。図１２は比較例として用いた従来の光陰極高周波電子銃空洞装置の構成を示す断面図であり、図７乃至図１１は、本発明の実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置の各実施例（実施例１～実施例５）の構成をそれぞれ示す断面図である。上記の各装置を用いて、空洞内の真空度を１０－６Ｐａのレベルに維持し、波長２６６ｎｍのモードロックレーザーを光陰極に照射し、２８５６ＭＨｚの高周波をセルに導入することによって電子ビームの発生実験を行った。光陰極に対して斜め位置のレーザー入射ポートからの斜め照射角度は、光陰極面８の垂線に対して約７０度とした（比較例）。光陰極に対向する位置に設けたレーザー入射ポートからの照射角度は、光陰極面８に垂直とした（実施例１～５）。高周波加速空洞の性能を表す高周波電界強度、Ｑ値、及び暗電流は、それぞれビーズパータベイション法（bead perturbation method）、スペクトラムアナライザーとＣＴ（Current Transformer）を用いて測定した。光陰極の性能を表す量子効率は、発生ビーム強度とレーザーパルス強度の測定から求めた。発生電子ビームの特性を表す１パルス当たりの電荷量は、ＣＴを用いて測定した。
比較例
　非特許文献１の記載に従ってＢＮＬ型１．５セル高周波加速空洞３１を作製し、これに市販の光陰極７（住友重機械工業株式会社製造：Ｃｕ光陰極）、レーザー入射ポート９、高周波電力入力カプラーポート１０、真空排気ポート１１、及び市販の挿入型高周波共振チューナー１２（住友重機械工業株式会社製造：Ｔ１３４２）を設けた図１２に示すような装置を作製した。図１２に示す高周波加速空洞３１の端部に設けたヘリコフレックスシール２Ｓは、その締め付け強度の調節によってハーフセル５の共振調整に用いられる。また、フルセル６の共振調整のためにフルセル６の側部に挿入型高周波共振チューナー１２を２個設けた。この装置を用いて電子ビームの発生実験を行った。その結果、高周波加速空洞３１における高周波電界強度は約１００ＭＶ／ｍ、Ｑ値は約７９００、暗電流は約１０ナノアンペア、光陰極７の量子効率は約２×１０－３％、発生電子ビームの電荷量は１パルス当たり約１ナノクーロン、平均電流は約５０ナノアンペアであった（単バンチ、５０Ｈｚ運転）。
（平滑な曲面形状を有する空洞セルの効果）
　無酸素銅材の切削加工によって粗空洞セルを作製し、該空洞セル内面に単結晶ダイヤモンド工具を用いて精密切削及び精密研磨を施すことによって加速高周波高電界に適した定在波の波面形状に近似した曲面形状を有するハーフセル５及びフルセル６を作製した。作製した空洞セルの頭頂部近傍及びアイリスにおける曲面形状は円孤で作られる曲面であり曲率半径Ｒは、５ｍｍ≦Ｒ≦２０ｍｍの範囲にあった。作製した空洞セル内面の表面粗さ（算術平均粗さ）を測定した結果、表面粗さが０．０５μｍ以下であることを確認した。表面粗さは、表面粗さ・輪郭形状測定器（株式会社ミツトヨ製造：ミツトヨフォームトレーサーＣＳ－５０００）を用いて測定した。上記ハーフセル５とフルセル６を連結加工することによって１．５個のセルを有した新型の高周波加速空洞１（全長約２５ｃｍ）を作製した。該高周波加速空洞１のハーフセル側の端部に市販の光陰極７（住友重機械工業株式会社製造：Ｃｕ光陰極）を設け、該高周波加速空洞１の電子ビーム取り出し口４にレーザー入射ポート９を設け、該高周波加速空洞１のフルセル６の側部に高周波電力入力カプラーポート１０を設け、該高周波加速空洞１の側部に真空排気ポート１１を設け、及び該高周波加速空洞１のハーフセル５及びフルセル６の側部に市販の容量型高周波共振チューナー１２（住友重機械工業株式会社製造：Ｔ１３４２）を設けることによって図７に示すような光陰極高周波電子銃空洞装置（実施例１）を作製した。上記高周波共振チューナー１２は、各セルの側部にそれぞれ２個設けた。上記装置を用いて電子ビーム発生実験を行った。その結果、高周波加速空洞１における高周波電界強度は約１１０ＭＶ／ｍ、Ｑ値は約８８００、暗電流は約３０００ピコアンペア、発生電子ビームの電荷量は１パルス当たり約０．０１マイクロクーロン、平均電流は約０．１マイクロアンペアであった。この結果から、本実施例１の光電子高周波加速空洞装置によって従来のＢＮＬ型高周波加速空洞装置よりも高周波電界強度を約１．１倍向上させ、Ｑ値を約１．１倍向上させ、暗電流を約３．３分の１に低減させ、発生電子ビームの電荷量を約１０倍向上させ、平均電流を約２倍向上させることが可能であることがわかった（１００ bunches/pulse、１０Ｈｚ運転）。
（着脱交換可能な光陰極プラグの効果）
　実施例１における市販の光陰極７の代わりに着脱交換可能な光陰極プラグ１４を設けた図８に示すような光陰極高周波電子銃空洞装置（実施例２）を用いて電子ビーム発生実験を行った。着脱交換可能な光陰極プラグ１４として、非特許文献６、及び７に記載のＣｓ２Ｔｅ蒸着光陰極プラグを作製し、これを用いた。その結果、高周波加速空洞１における高周波電界強度は約１２０ＭＶ／ｍ、Ｑ値は約１１０００、暗電流は約１０００ピコアンペア、量子効率は約２％、発生電子ビームの電荷量は１パルス当たり約０．３マイクロクーロン、平均電流は約３マイクロアンペアであった。この結果から、着脱交換可能な光陰極プラグ１４（Ｃｓ２Ｔｅ）を設けた本実施例２の光陰極高周波電子銃空洞装置によって、実施例１の結果よりもさらに暗電流を約３分の１に低減させ、発生電子ビームの電荷量を約３０倍向上させ、平均電流を約３０倍向上させることが可能であることがわかった（１００ bunches/pulse、１０Ｈｚ運転）。
（導電性のＲＦコンタクターを付帯した着脱交換可能な光陰極プラグの効果）
　実施例１における市販の光陰極７の代わりに導電性のＲＦコンタクターを付帯する着脱交換可能な光陰極プラグ１５を設けた図９に示すような光電子高周波加速空洞装置（実施例３）を用いて電子ビーム発生実験を行った。導電性のＲＦコンタクターを付帯した着脱交換可能な光陰極プラグ１５として、非特許文献６に記載の導電性ＲＦコンタクターを付帯したＣｓ２Ｔｅ蒸着光陰極プラグ（図３参照）を作製し、これを用いた。その結果、高周波加速空洞１における高周波電界強度は約１２０ＭＶ／ｍ、Ｑ値は約１２０００、暗電流は約１００ピコアンペア、量子効率は約２％、発生電子ビームの電荷量は１パルス当たり約０．５マイクロクーロン、平均電流は約５マイクロアンペアであった。この結果から、導電性のＲＦコンタクターを付帯した着脱交換可能な光陰極プラグ１５（Ｃｓ２Ｔｅ）を設けた本実施例３の光陰極高周波電子銃空洞装置によって、実施例１の結果よりもさらに暗電流を約３０分の１に低減させ、発生電子ビームの電荷量を約５０倍向上させ、平均電流を約５０倍向上させることが可能であることがわかった（５０ bunches/pulse、１０Ｈｚ運転）。
（非挿入式高周波共振チューナーの効果）
　実施例１における市販の挿入式高周波共振チューナー１２の代わりに非挿入式高周波共振チューナー１６を設けた図１０に示すような光陰極高周波電子銃空洞装置（実施例４）を用いて電子ビーム発生実験を行った。該非挿入式高周波共振チューナー１６は、各セルの側部に４個設けた。非挿入式高周波共振チューナー１６として、特許文献７に記載の非挿入式高周波共振チューナー（図５，図６参照）を作製し、これを用いた。その結果、高周波加速空洞１における高周波電界強度は約１３０ＭＶ／ｍ、Ｑ値は約１３０００、暗電流は約１０００ピコアンペア、発生電子ビームの電荷量は１パルス当たり約０．２５マイクロクーロン、平均電流は約２．５マイクロアンペアであった。この結果から、非挿入式高周波共振チューナー１６を設けた本実施例４の光陰極高周波電子銃空洞装置によって、実施例１の結果よりもさらに高周波電界強度を約１．２倍向上させ、Ｑ値を約１．５倍向上させ、暗電流を約３０分に１以下に低減させ、発生電子ビームの電荷量を約２５倍向上させ、平均電流を約２５倍向上させることが可能であることがわかった（５００ bunches/pulse、１０Ｈｚ運転）。
（高周波加速空洞に導電性のＲＦコンタクターを付帯した着脱交換可能な光陰極プラグ及び非挿入式高周波共振チューナーを設けたことによる効果）
　実施例１における市販の光陰極７の代わりに導電性ＲＦコンタクターを付帯した着脱交換可能な蒸着光陰極プラグ１５を設けると共に、実施例１における市販の挿入式高周波共振チューナー１２の代わりに非挿入式高周波共振チューナー１６を設けた図１１に示すような光陰極高周波電子銃空洞装置（実施例５）を用いて電子ビーム発生実験を行った。導電性のＲＦコンタクターを付帯する着脱交換可能な光陰極プラグ１５は実施例３と同様であり、又、非挿入式高周波共振チューナー１６は実施例４と同様である。非挿入式高周波共振チューナー１６は、各セルの側部に４個設けた。その結果、高周波加速空洞１における高周波電界強度は約１４０ＭＶ／ｍ、Ｑ値は約１５０００、暗電流は約１００ピコアンペア、光陰極の量子効率は約２％、発生電子ビームの電荷量は１パルス当たり約９マイクロクーロン、平均電流は約９０マイクロアンペアであった。この結果から、導電性のＲＦコンタクターを付帯した着脱交換可能な光陰極プラグ１５（Ｃｓ２Ｔｅ）及び非挿入式高周波共振チューナー１６を設けた本実施例５の光陰極高周波電子銃空洞装置によって、実施例１の結果よりもさらに高周波電界強度を約１．３倍向上させ、Ｑ値を約１．７倍向上させ、光陰極の量子効率を約１０００倍向上させ、暗電流を約３０分の１以下に低減させ、発生電子ビームの電荷量を約９００倍向上させ、平均電流を約９００倍向上させることが可能であることがわかった（３０００ bunches/pulse、１０Ｈｚ運転）。
　以上の比較例及び実施例１～５の装置の主要構成及び実験結果をまとめると、それぞれ以下の表１及び表２となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　以上の結果から、本実施形態による光陰極高周波電子銃空洞装置を用いて、従来の装置に比べて著しく高強度高品質の電子ビームを発生させることが可能であることが確認された。特に、本実施形態の光陰極高周波電子銃空洞装置における新型の高周波加速空洞は、顕著な暗電流の抑制効果、及び顕著な電子ビームの電荷量の向上効果を与えるので、その結果、平均電流を著しく向上させ、電子銃の小型化を可能にする。また、該新型の高周波加速空洞に新型の光陰極プラグ１４またはＲＦコンタクター付光陰極プラグ１５、及び非挿入式高周波チューナー１６を設けることによって、高周波電界強度、Ｑ値、暗電流、量子効果、電子ビームの電荷量、及び平均電流に対して予想外の非常に高い複合効果を与えることが可能である。
　なお、上記実施形態においては１．５セル型（ハーフセル１個＋フルセル１個）の光陰極高周波電子銃空洞装置について主に説明したが、３．５セル型（ハーフセル１個＋フルセル３個）光陰極高周波電子銃空洞装置等、フルセル数の異なる光陰極高周波電子銃空洞装置にも当然適用可能である。
　本発明の光陰極高周波電子銃空洞装置は、超小型の高周波加速空洞を用いて１０キロワット級の大強度高品質電子ビームの発生を可能にすると共に、高輝度電子ビーム発生用の各種の加速器、電子銃、レーザー逆コンプトン散乱によるＸ線発生装置等の小型化のために極めて有効である。特に、本発明の装置によって発生させることができる１０キロワット級で加速電子の運動エネルギーが６ＭｅＶから１２ＭｅＶの大強度高品質電子ビームは、画期的な診断治療、滅菌、電子線回折、分析、光反応、等の新しい光利用の分野を開拓する上で有効であり、本発明は産業上の利用可能性を有する。
　１　高周波加速空洞
　２　高周波加速空洞の端部
　３　高周波加速空洞の側部
　４　電子ビーム取り出し口
　５　ハーフセル
　６　フルセル
　７　光陰極
　８　光陰極面
　９　レーザー入射ポート
　１０　高周波電力入力カプラーポート
　１１　真空排気ポート
　１２　高周波共振チューナー
　１４　光陰極プラグ
　１５　ＲＦコンタクターを付帯した光陰極プラグ
　１６　非挿入式高周波共振チューナー
　１７　ソレノイド
　１８　偏向磁石

Claims (11)

  1. 　加速高周波高電界に適した定在波の波形に近似した平滑な曲面形状を内面に持つ空洞セルを内部に有した高周波加速空洞と、
    　該高周波加速空洞の前記空洞セルの端部に設けられた光陰極と、
    　前記高周波加速空洞の電子ビーム取り出し口の後方において前記光陰極に対向する位置に設けられ該光陰極に供給されるレーザー光の前記高周波加速空洞内への入射に用いられるレーザー入射ポートと、
    　前記高周波加速空洞の側部に設けられ該高周波加速空洞内への高周波電力の入力に用いられる高周波電力入力カプラーポートと、
    　前記高周波加速空洞の側部に設けられ該高周波加速空洞の真空排気に用いられる真空排気ポートと、
    　前記高周波加速空洞の側部に設けられ前記空洞セルにおける高周波の共振周波数の調節に用いられる高周波共振チューナーと、を備え、
    　前記空洞セルの内面は、鋭角部を有さない曲面のみで構成されていることを特徴とする光陰極高周波電子銃空洞装置。
  2. 　前記空洞セルの頭頂部近傍及びアイリスにおける曲面形状は円孤で作られる曲面であって、その曲率半径Ｒは、５ｍｍ≦Ｒ≦２０ｍｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の光陰極高周波電子銃空洞装置。
  3. 　前記空洞セルの前記内面の表面粗さが０．０５μメートル以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光陰極高周波電子銃空洞装置。
  4. 　前記光陰極が前記高周波加速空洞に対して着脱交換可能な光陰極プラグであることを特徴とする請求項１乃至３の何れかの項に記載の光陰極高周波電子銃空洞装置。
  5. 　前記光陰極プラグが、該プラグと前記高周波加速空洞との接触部分において導電性のＲＦコンタクターを付帯する光陰極プラグであることを特徴とする請求項４に記載の光陰極高周波電子銃空洞装置。
  6. 　前記高周波共振チューナーが、前記空洞セル内に周波数調整ロッドを挿入することなく前記空洞セルにおける前記共振周波数を外部から機械的に調節するように前記高周波加速空洞の側部に設けられた非挿入式高周波共振チューナーであることを特徴とする請求項１乃至５の何れかの項に記載の光陰極高周波電子銃空洞装置。
  7. 　前記光陰極の陰極面がＣｓ２Ｔｅによりなることを特徴とする請求項１乃至６の何れかの項に記載の光陰極高周波電子銃空洞装置。
  8. 　前記高周波加速空洞がハーフセルと一以上のフルセルを有し、
    　前記高周波電力入力カプラーポートが前記ハーフセルに隣接するフルセルの側部に設けられたことを特徴とする請求項１乃至７の何れかの項に記載の光陰極高周波電子銃空洞装置。
  9. 　前記高周波加速空洞が三以上のフルセルを有することを特徴とする請求項８に記載の光陰極高周波電子銃空洞装置。
  10. 　前記真空排気ポートが前記高周波電力入力カプラーポートに対向する位置に設けられたことを特徴とする請求項１乃至９の何れかの項に記載の光陰極高周波電子銃空洞装置。
  11. 　前記高周波共振チューナーが前記高周波加速空洞の各セルに二個以上設けられたことを特徴とする請求項１乃至１０の何れかの項に記載の光陰極高周波電子銃空洞装置。
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