JPH0345520B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、いろいろなエネルギーを有する荷電
粒子を提供するのに適した線形加速器に関するも
のである。

狭いエネルギー分布を有する荷電粒子ビームを
得ることが非常に望まれている。このようなエネ
ルギーは広い動的な範囲全体にわたつて変化が可
能である。さらに、エネルギーの分布ΔEは、加
速された最終的エネルギーＥの値に依存しないこ
とが望ましい。

線形加速器で、エネルギーを変化可能に制御す
るための簡単なアプローチの一つは、RF（無線周
波数）発生源から加速空洞へ印加するパワーを変
化させることである。加速空洞を横切るビーム粒
子の受ける低加速電場は低い最終的エネルギーで
生じる。発生源と加速器の間でRFパワーを伝え
る導波管内の変化可能な減衰器が加速電場の強度
を選択可能に変化させられる。このアプローチ
は、最終的なビームエネルギーにおける増加した
エネルギー分布ΔEのために、加速されたビーム
の質が劣る難点がある。加速器の大きさは、ビー
ム流及び入力RFパワーのような動作パラメータ
の特定のセツトに対して最適化され得る。しか
し、その最適化は、RFパワーが変化するときに
維持されないので、電子の速度、したがつて空洞
のRF電位に関して電子束の位相が変化すること
になる。従つて、十分に計画された狭いエネルギ
ー分布は崩壊していく。

従来技術の他のアプローチは加速空洞の二つの
進行波区間を直列つなぎにすることである。この
二つの区間は共通の発生源ではあるが、振幅につ
いて選択可能な減衰及び位相の変化を第２空洞に
おこなうことで独立に励起させられる。このよう
な加速器は、本発明と共に同一譲受人に譲渡され
たギンツトンによる米国特許第2920228号及びマ
ロリーによる米国特許第3070726号に記載されて
いる。これら進行波構造物は、側方結合定常波加
速より元々効率が悪い。なぜならば、ビームに移
行しないエネルギーは、加速器の中をRF波動エ
ネルギーが一度通過したあとロード（load）の中
に散逸されなければならず、また、分流器インピ
ーダンスもまた側方結合定常波加速器より効率が
下がるからである。

ビクター・アレクセイ・バグウインによる1978
年10月３日に発行された米国特許第4118653号に
記載され、本発明と共に同じ譲受人に譲渡された
従来技術によるさらに他の加速器は、最適なエネ
ルギー及びエネルギー分布を生じさせる加速器の
進行波区間を続く定常波加速器区間と結合させて
ある。進行波及び定常波の両区間は、定常波区間
の励起のために与えられた減衰を伴なう共通の
RF発生源で励起させられている。加速器の定常
波区間において、加速され束になつたビームに
は、何ら影響を与えるものはない。そのビーム速
度は光の速度に非常に近く、従つてそのエネルギ
ーに実質的に独立である。しかし、この機構は、
加速器区間の二つの大きく異なるタイプに設計さ
れ制作されることを必要とし、複雑な外部マイク
ロ波回路をも必要とする。

可変ビームエネルギーの性能を有する他の定常
波線形加速器が、電磁気的に分離した複数の基本
構造物から成る加速器で具現されている。各基本
構造物は側方空洞結合加速器として設計されてい
る。個々の基本構造物は同中心ではあるが、隣接
した加速空洞が異なる基本構造物の要素であり、
電磁気的に分離するように組み合わされている。
従つて、隘接した空洞は異なつた位相の定常波を
維持することができる。このような加速器を横切
る荷電粒子ビームに対するエネルギー利得は、明
らかに位相分布の関数である。このような綴じ合
わされた基本構造物によつて特徴付けられる加速
器について、最大のビームエネルギーは、隣接し
た空洞がπ２だけ位相の違いがあり、入口付近の
空洞の位相は隣接した出口付近の空洞より遅れて
いて、隣接した加速空洞間の距離が一つのRFサ
イクルで電子の進行する距離の1/4であるときに
成し遂げられる。基本構造物間の位相関係を調整
することで、ビームエネルギーを変えることがで
きる。このような加速器は、ビクター・エイ・バ
グウインにより、1977年５月17日に発行され、本
発明と共に同じ譲受け人に譲渡された米国特許第
4024426号に記載されている。この発明は、効率
及びエネルギー制御がすぐれているけれども、そ
の構造は本発明よりも複雑である。

本発明の目的は、エネルギーを変えられる加速
された粒子を生じさせ、加速器の動的範囲全体に
わたつてビームのエネルギー分布の優れた均一性
を維持する、定常波線形加速器を提供することで
ある。

この目的は、加速器のある選んだ側方空洞にお
ける位相シフトを共振周波数を変えることなくπ
ラジアンに調整して変化させることによつて側方
結合定常波加速器において成し遂げられる。

本発明の特徴の一つは、加速されたビームによ
つて得られるエネルギーが側方空洞、又は位相シ
フトが成し遂げられる空洞を選択することによつ
て変化させられることである。

本発明の他の特徴においては、所望の位相シフ
トがTM₀₁₀モードからTM₀₁₁又はTEMモードへ
選択された側方空洞の励起を変化することによつ
て成し遂げられる。

図面を参照して詳細に説明すれば、従来技術で
の加速器１は複数の空洞共振器３を有する加速器
区間２を含んでいる。ビーム行路４に沿つて連続
して並べられてあるその空洞共振器３は、ビーム
中の荷電粒子と電磁気的相互作用をし、荷電粒子
を加速器区間２の出口付近で効に近い速度に加速
させる。荷電粒子銃５のようなビーム粒子発生源
が加速器区間２の入口に配置され、電子のような
荷電粒子を発生させ、加速器区間２の中に投射さ
せる。高エネルギーのビーム粒子には透過でき、
ガスには遮断させるビーム出力窓６が加速器区間
２の出口付近を横切つて塞いでいる。加速器区間
２及び荷電粒子銃５は、排出管８で加速器区間２
と連結された高真空ポンプ７によつて適切な低圧
10^-6トールまで排気させられる。

加速器区間２は、加速器区間２に、たとえば、
空洞共振器３の一つに１１で示したアイリス
（iris）口を介してエネルギーを伝える導波管
（図示されていない）によつて、連結されたマグ
ネトロンのようなありふれたマイクロ波発生源か
らのマイクロ波エネルギーで励起される。加速器
区間２は定常波加速器、すなわち、結合された空
洞の共振区間である。そしてマイクロ波発生源
は、1.6メガワツトを加速器区間２にほぼ伝達す
る。一般的な実施例として、マイクロ波発生源は
ｓ−バンド動作用に選ばれ、空洞はｓ−バンドで
共振する。加速器区間２の共振マイクロ波電磁場
はビーム４の荷電粒子と電磁気的に相互作用し
て、荷電粒子を加速器の出口で十分に光の速度に
加速する。特に、1.6メガワツトの入力マイクロ
波出力パワーは、4MeVのオーダのエネルギーを
有するビーム４の中の出力電子を発生させる。こ
れら高エネルギー電子を高エネルギーＸ線を発生
させるためにターゲツトに衝突させるのに利用し
てもよく、又は直接対象物に照射するために高エ
ネルギー電子を所望に使つてもよい。

複数の結合空洞１５が加速器区間２の軸線から
それて配置され、隣接した加速空洞３と電磁気的
に結合している。結合空洞１５の各々は、円筒状
の側壁１６及び中心対称に配置され、内側に突き
出している一対の容量性ロード部材１７を含んで
いる。このロード部材１７は、空洞１５に容量的
にロードをかけるために向い合つた端の壁から円
筒状の空洞１５に向つて突き出している。円筒状
の結合空洞１５の各々は、相互作用をする加速空
洞３の内壁と各連結した空洞１５の角と交差する
ようにほぼ接し、加速空洞３と関連した連結して
いる空洞１５との間の電磁波エネルギーの結合を
与える磁場を結合するアイリス１８を画成するよ
うに配置されている。空洞３と結合空洞１５との
相互作用は、実質的に同じ周波数に完全に同調さ
せられている。

第２図で、上方のスケツチは第１図の従来技術
の加速器を略示して示されている。第２図の上方
のスケツチは、最大電場のある瞬間でのRF（無線
周波数）電場の方向を相互作用をする加速空洞の
間〓に矢印で示すことで表わされている。下方の
スケツチは、上のスケツチで示されたその瞬間で
のビーム軸線４（第１図）に沿つた電場の強度の
グラフである。動作中、その間〓は、電子（光の
速度に近い速度を有している）が１つの間〓から
次の間〓にRFサイクルの半分で移動していくよ
うに位置しているので、一つの間〓中の加速電磁
場の作用を受けたあと、それら電子は、そこの電
場の方向が逆転したときにはさらに加速を得るた
めに次の間〓に到達する。各側方空洞の中の電磁
場は、先の相互作用する加速空洞３より1/2πラ
ジアンだけ位相が進められているので、完全な周
期的共振構造物は、空洞当り1/2πラジアンの位
相シフトされたモードで動作する。ビームは側方
の空洞１５と相互作用をしないことから、ビーム
の受ける作用は隣接した相互作用をする加速空洞
間の位相シフトがπの構造物と同等である。末端
の空洞が図で示すような加速空洞であると、実質
的に定常波であるパターンは、側方空洞１５で非
常に僅かな場（〇印で示してある）を有し、これ
ら動作しない空洞でのRFの損失を最少にする。
第１及び第２図で、端の加速空洞３′が半分の空
洞として示されている。これは、ビーム入射状態
を改良し、すべての加速空洞中の一様な場を有す
る好適に対称な共振構造を提供している。

各加速空洞に平均的エネルギー増加E₁を割り
ふることは都合よく、Ｎ個の完全な加速空洞の加
速器構造物に対して、最適な同調では最終的エネ
ルギーＥ＝NE₁が生じるだろう。

一対の隣接した加速空洞間の位相シフトの調整
手段は、本発明において、最終ビームに対して選
択可能なエネルギーを最大に成し遂げられるエネ
ルギーまで達成できるように使われる。第３図で
は、第２図と似ているが、選択された側方空洞の
定常波の位相を変化させることで、隣接した加速
空洞３の間の位相シフトを変化させるための能力
を与えることによつて区別される本発明の構造物
が示されている。好適的実施例の一つにおいて、
隣接した相互作用をする加速空洞の間に導入され
る位相シフトはπから０まで変化する。このこと
は、選択された側方空洞２０の動作をTM₀₁₀モー
ドからTM₀₁₁、又はTEMモードに切り替えるこ
とでおこない得る。TM₀₁₀とは、磁場が第１及び
第２図の結合させるアイリス１８で同じ位相にな
るモードであり、TM₀₁₁、又はTEMとは、第３
及び第４図のアイリス１８′間で位相が反対にな
るモードである。

結果として、ビームが遭遇する電場は、電子が
横断する残りの空洞の中で最大加速となるための
位相とはもはやならずに、事実上減速位相となつ
ていることに気ずくだろう。正味の加速のエネル
ギーは、Ｅ＝（Ｎ−2N₁）E₁となろう。ここで、
N₁は反転した位相を越えた空洞の数である。

位相の切り替えは、選択された側方空洞２０の
共振特性を変えることで成し遂げられる。切り替
え側方空洞の略示的説明図が第４図で示されてい
る。その切り替え側方空洞は、各末端壁から突き
出ている凹状容量のローデイングポストを内包す
る同軸空洞の形をしている。側方空洞２０は、隣
接した相互作用空洞３とアイリス１８′で結合し
ている。TM₀₁₀モードでは、最も大きな電場は軸
線方向に沿つている。金属性ロツド２４が中空の
ローデイングポスト２２の内側に滑入可能に設け
られている。ロツド２４は軸受２６によつて導び
かれ、真空中に軸方向の移動ができるように金属
性たわみベロー２８に連結されている。ローデイ
ングポスト２２とロツド２４とのRF接続は、軸
受け２６を横切る高い電磁波の流れを消す二重の
１／４波長チヨーク３０，３２によつて与えられる。
ロツド２４が第４図のように実線で示された位置
にあるとき、側方空洞２０は相互作用加速空洞３
の共振周波数と同じTM_0k0モードの共鳴周波数と
同調させられる。そのモードを変えるためには、
ロツド２４は、その（実線で示されている）位置
から中空のローデイングポスト２２の内側（点線
で示されている所）に機械的に押し込まれる。す
ると、容量性ロードは増加し、本来のTM₀₁₀モー
ドの共振周波数は減少する。本発明に従うと、ロ
ツド２４は、側方空洞２０がTM₀₁₀モードで、す
なわち相互作用加速空洞３の共振周波数でもはや
共振せず、かわつてTM₀₁₁又はTEMモードで動
作する位置に内側へと移移動させられる。これら
のモードは相互作用加速空洞３の共振周波数と同
じ周波数で共振する。

具体的実施例の一つとして、側方空洞２０の大
きさは、ロツド２４の左端の位置３４で、TM₀₁₁
共振が相互作用空洞の動作周波数であるように選
ばれる。前の相互作用加速空洞３から側方空洞２
０へは又π２ラジアンの位相シフトがあり、側方
空洞２０と次の相互作用空洞３の間にもπ２ラジ
アンの位相シフトがある。しかし、側方空洞２０
の内側での磁場の反転（TM₀₁₁モードでの動作の
結果）は他のπラジアンの位相シフトを与えるの
で、隣接した相互作用加速空洞３の間の正味の連
結では、他の結合空洞１５によつて与えられるπ
ラジアンにかわつて2π又は０ラジアンのシフト
がある。

他の具体的実施例として、ロツド２４が側方空
洞２０を横切つて押し込まれて、ローデイングポ
スト１７′に接触すると、TEMモード共振（両端
を短絡した同一軸線を有する半波長共振）が相互
作用加速空洞３の動作周波数でおこるように、側
方空洞２０の大きさが決められる。このモードで
は、結合空洞１５の両端の間で磁場の反転もある
ので、隣接した相互作用加速空洞３の間の連結の
位相は、πラジアンから前述のように2π又は０
ラジアンのシフトに変化する。当業者にとつて当
然のごとく、TM₀₁₀モードからTEMモードへ切
り替えるための側方空洞２０の最適形状は、
TM₀₁₀モードからTM₀₁₁モードへの切り替えのた
めの空洞２０の最適の形状とは異つている。

第５図は、１つの完全な加速空洞、２つの半分
に切断された形の空洞（最初と終りの２カ所）及
び２つの結合空間からなる一つの加速空間の計算
されたエネルギースペクトルをグラフで示してい
る。これらのスペクトルは、空洞内で正弦波的に
振動する定常波電場と相互作用する電子の加速を
積算することによつて得られる。このような計算
されたスペクトルは、測定されたスペクトルを実
際に再現するために見い出される。スペクトル関
数３８は通常の動作（TM₀₁₀）のスペクトルのよ
うにあらわれている。カーブ４０は、完全な加速
空洞と終りの半分になつた加速空洞とを結合する
側方空洞の切り替えモードで得られたスペクトル
を示している。

位相が反転している結合空洞の数は、粒子のエ
ネルギーの望みの減らし方に応じて決定される。
もちろん、エネルギーの多重ステツプは複数の位
相反転結合空洞を有することによつて得ることが
できる。たとえば、第３図にある端の方の最後の
完全な相互作用加速空洞と端の半分の形をした空
洞との陥にある反転切り替え側方空洞２０を、端
の方の最後の二つの完全な相互作用加速空洞の間
にある他の反転切り替え側方空洞と組合わせたと
したら、二つの切り替え空洞の組合せによつてエ
ネルギー出力が４倍となる。

以上の記載は、本発明の好適実施例として記載
されたもので、何ら限定する意味ではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術による側方空洞を結合した
定常波加速器の略示断面図である。第２図は、第
１図の加速器における電場の方向のスケツチであ
る。第３図は、本発明を実施した加速器における
電場の方向のスケツチである。第４図は、本発明
を実施した加速器において有用な調整可能な側方
空洞の略示断面図である。第５図は、本発明を実
施することによつて生じたビームエネルギー分布
のグラフである。 ２…加速器区間、３…加速空洞、４…ビーム径
路、５…荷電粒子銃、６…ビーム出力窓、７…真
空ポンプ、８…排出管、１３…空洞、１７…容量
性ロード部材、１７′，２２…ローデイングポス
ト、１８，１８′…アイリス、２０…側方空洞、
２４…ロツド、２６…軸受、２８…たわみベロ
ー、３０，３２…チヨーク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 順に電磁気的に結合された少なくとも３個の
   空洞から成り、第１及び第３空洞が粒子ビームの
   通過のための、そして前記ビームに電磁気的エネ
   ルギーを結び付けるための空洞壁を貫通した穴を
   有し、第２空洞が前記第１及び第３空洞のそれぞ
   れに結合はするが、前記ビームと結合しない共振
   粒子加速器において、 前記第１空洞から前記第３空洞に結合された電
   磁波エネルギーの位相に変化を与えるために共振
   周波数を変化させることなく前記第２空洞の共振
   モードパターンを変化させるための手段が含ま
   れ、 その共振モードパターンを変化させるための手
   段は、前記第１空洞と第３空洞との間の位相シフ
   トをπラジアンだけ変化させること、 を特徴とする加速器。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載された加速器で
   あつて、 前記第２空洞が前記ビームからそれて配置され
   ているところの加速器。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載された加速器で
   あつて、 前記第１及び第３空洞が共通壁を有していると
   ろの加速器。 ４ 特許請求の範囲第１項に記載された加速器で
   あつて、 前記第２空洞と前記第１空洞、及び前記第３空
   洞との結合が高無線周波数磁場の領域にあるアイ
   リスによつて行なわれるところの加速器。 ５ 特許請求の範囲第１項に記載された加速器で
   あつて、 前記第２空洞が同軸空洞であり、 共振モードパターンを変化させるための前記手
   段が、中心にある伝導体の長さを変化させるため
   の手段から成るところの加速器。 ６ 特許請求の範囲第５項に記載された加速器で
   あつて、 前記中心にある伝導体の長さが、前記同軸空洞
   を横切る連続的な伝導体を形成するために変化さ
   せられるところの加速器。 ７ (a) 粒子ビームの通過のための空洞壁を貫通
   した穴を有し、前記ビームに電磁気的エネルギ
   ーを結び付けるための少なくとも３個の相互作
   用空洞と、 (b) 前記相互作用空洞の２つずつを結合する少な
   くとも２個の結合空洞と、 (c) 結合した相互作用空洞における電磁波エネル
   ギーの位相に変化を与えるために前記結合空洞
   の２個において共振周波数を変化させることな
   く共振モードパターンを選択的に変化させるた
   めの手段と から成り、 前記電磁波エネルギーの位相変化がπラジアン
   である、 ところの粒子加速器。