JPH0572693B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 電子を放出するカソード手段と、 勾配の急な電気的成分を有する電磁界を維持す
るための内部室を画成する空胴手段であつて、電
子の放出穴を形成する部分を有しているような空
胴手段と、 上記カソード手段から放出された電子が上記内
部室に入り、上記電界成分を受けて加速され、そ
して上記放出穴を通過するように、上記カソード
手段を上記空胴手段に対する位置に取り付ける手
段とを具備したことを特徴とする電子銃。

２ 上記空胴手段は、TM₀₁₀モードのマイクロ波
空胴である請求の範囲第１項に記載の電子銃。

３ 上記カソード手段は、耐火材料の本体と、こ
の耐火材料の本体を熱イオン放出が生じるに充分
な高い温度に加熱する手段とを備えている請求の
範囲第１項に記載の電子銃。

４ 上記耐火材料は、ランタンヘクサボライドで
ある請求の範囲第３項に記載の電子銃。

５ 上記の取付手段は、上記共振空胴手段によつ
て画成された内部室と連通して空胴の一端から終
端まで延びるような半波長スタブを形成する手段
と、上記カソード手段が上記空胴の一端に配置さ
れるように上記終端において上記スタブに上記カ
ソード手段を機械的に取付ける手段とを備え、こ
れにより、上記カソード手段は、上記空胴手段と
同じ電位に維持されながらもそこから熱絶縁され
る請求の範囲第１項に記載の電子銃。

６ 上記空胴手段から出て来る電子の経路に配置
されていて、当該範囲の電子モーメントを規定す
ると共に、この範囲外のモーメントを有する電子
の通過を阻止するようなモーメント分析手段を更
に備えた請求の範囲第１項に記載の電子銃。

７ 上記モーメント分析手段は、上記空胴から出
て来た電子をそれらのモーメントに基づいて横方
向の位置に分散する手段と、このように分散され
る電子の経路に分析スリツトを形成し、上記当該
範囲の電子モーメントに対応する範囲に入らない
ような横座標を有する電子の通過を阻止する手段
とを備えている請求の範囲第６項に記載の電子
銃。

８ 所定の時間インターバル中に電子の通過を阻
止するゲート手段を更に備えた請求の範囲第１項
に記載の電子銃。

９ 上記ゲート手段は、上記空胴手段から出て来
た電子にパルス偏向磁界をかける手段を備えてい
る請求の範囲第８項に記載の電子銃。

１０ リニアアクセラレータに送り込むのに適し
たビーム束を形成する方法において、 数電子ボルトからそれより高い電子ボルトまで
の範囲のエネルギーを有する一般的に連続する電
子の流れを形成し、 上記電子の流れに或る領域においてマイクロ波
電界をかけ、このマイクロ波電界は、その軸に沿
つて高い電気的成分を有していて、該軸に沿つて
電子を加速し、所与の電子は、上記の高い電界の
領域を出る時には、この電子が上記領域に入つた
時のマイクロ波電界の位相に対応するエネルギを
有し、そして このように加速された電子の流れにおいて、所
望の位相範囲に対応するような範囲のエネルギを
有する電子を選択することを特徴とする方法。

技術分野 本発明は、一般に、電子装置に係り、特に、リ
ニアアクセラレータへ送り込むのに適した電子ビ
ームを発生する電子銃に係る。

先行技術 科学的な研究、技術及び医療等の多数の分野で
は、大電流で低エミツタンスの電子ビームが必要
とされている。更に、核物理、放射線写真、放射
線療法及びレーザ技術のような分野では、エネル
ギが10〜100MeVで、瞬時ピーク電流が10〜
100Aで、且つ正規化された電流密度が１×
10^-6A／cm²以上であるような電子ビームが必要と
される。電子のリニアアクセラレータは、原理的
には、このようなビームを発生できるが、典型的
に、アクセラレータの導波管に電子を導入する電
子銃の空間電荷と位相に依存する収束力とによつ
てビームの質が限定される。

リニアアクセラレータに用いるのに適した最も
一般的な形式の電子銃では、熱イオンカソードか
ら放射された電子に直流電界をかけて初期加速を
行ない、次いで、電子を長手方向のマイクロ波電
界に通し、アクセラレータに送り込むのに適した
ビーム束を形成する。典型的な電子銃は、
100KeV程度の電子エネルギを発生するように設
計されている。

従来の直流式の電子銃では、電子が空間電荷に
よる非直線的な力を受け、エミツタンスが増加さ
れる。これらの空間電荷による力は、ビームの電
荷密度が非均一であることによつて生じる。特
に、電荷密度が半径又は方位の関数である場合
は、電子が非直線的な発散力を受け、見掛け上の
ビーム半径及び発散角、ひいては、エミツタンス
が増大する。原理的には、カソードを取り巻く電
極を適当な形状とすることにより、空間電荷によ
るエミツタンスの増加を小さく抑えることはでき
るが、このような技術は、カソードからの電子の
放射が均一であることに基づくものである。実際
には、電子の放射が均一ではないため、電極の形
状を整えるだけでは、空間電荷によるエミツタン
スの増加に対してほんの一部分の不充分な補正が
与えられるに過ぎない。

電子銃を高い直流加速電界において作動して電
子のエネルギを高めることにより、このような空
間電荷の力を減少することができる。然し乍ら、
約100KV／cmより高いパルス電界又は直流電界
の場合には、電極及び絶縁素子からの電子（そし
ておそらくはイオン）の放射が急激に増大し、内
部アークを招く。

又、従来の直流式電子銃では、位相に基づく収
束力を電子が受け、これによつて、エミツタンス
が更に増加する。上記したように、直流電子ビー
ムは、リニアアクセラレータに送り込むに必要な
ビーム束構造とするため、ビーム束形成空胴に通
すことによつて速度変調しなければならない。然
し乍ら、この空胴内の長手方向加速電界により方
位電界が発生し、これは、電子がこの空胴を通過
する時の位相に基づいて電子を収束したり発散し
たりする。このような収束力は、典型的に、長手
方向の電界がゼロを通る時に最大値に達する。従
つて、連続的な流れとしてビーム束形成空胴に入
る電子は、この空胴を通過する時の位相と初期半
径変位とに対応するような横方向モーメントをも
つようにして空胴から放出される。最初の電子ビ
ームの位相がランダムな場合には、マイクロ波電
界によつて誘起される横方向モーメントにより、
ビーム内の電子の発散角の程度が増加し、ひいて
は、エミツタンスが増加する。

米国、カリフオルニア州、スタンフオードに所
在するスタンフオード・リニアアクセラレータ・
センター（SLAC）に設置された長さ２マイルの
アクセラレータは、電子銃システムの本来の特性
によりエミツタンスの高いビームを発生する装置
の一例である。最近までは、電子ビームを非常に
小さくスポツトに収束する必要がなかつたため
に、エミツタンスが高くても、調査研究に基本的
な制約が課せられることはなかつた。然し乍ら、
このビーム特性は、SLACに現在建設中のリニア
コライダには適していないことが分かつた。これ
に対してSLACで開発した解決手段は、特殊設計
の蓄積リングにおけるシンクロトロンの放射減衰
を利用するものである。電子ビームは、主ビーム
ラインから1GeVのエネルギで抽出され、蓄積リ
ングへ注入され、そこで、約10ミリ秒間循環する
ようにされ、そしてアクセラレータに再挿入され
て、最終的なエネルギに加速される。蓄積リング
の電子によつて生じるシンクロトロン放射は、ビ
ームを単色化し、その横方向寸法を減少して、リ
ニアコライダに用いるのに適したビームを形成す
る。然し乍ら、ビームのエミツタンスの問題に対
するこの解決策は、そのコストが約＄15000000と
推定される。

以上の説明から明らかなように、既存の電子銃
技術は、銃の動作に付随して、空間電荷による非
直線的な力と、位相に依存する収束力とが生じる
ために、低エミツタンス、大電流の電子ビームを
発生するのに適していない。更に、既存の電子銃
及びビーム束形成空胴の技術が一応満足できる場
合でも、このようなシステムを作動するに必要な
電源やマイクロ波空胴や収束磁石が高価なもので
ある上に、システムの全体的な信頼性を低下させ
る。

発明の概要 本発明は、主として従来の電子銃のエミツタン
スが高いために生じる空間電荷の非直線的な力と
位相に依存する収束力とを抑制するような電子銃
を提供する。本発明の電子銃は、大電流及び高電
流密度の電子を発生し、信頼性が高く且つ比較的
低コストであることを特徴とする。

例えば、SLACのリニアコライダに対して本発
明の電子銃を用いて電子ビームを発生する場合、
コストの節約を果たすために、ビームの冷却に使
用される蓄積リングの必要性が排除される。電子
銃のコストは、蓄積リングシステムのコストより
約２桁も小さいことが推定される。

広い見地から、本発明では、熱イオンカソード
から放出された電子に強力なマイクロ波電界をか
けて加速を行ない、次いで、狭い範囲のモーメン
トを除く全てのモーメントを阻止し、リニアアク
セラレータに必要なビーム束を形成する。従つ
て、本発明の電子銃は、共振マイクロ波空胴と、
この空胴の壁に取付けられたカソードと、モーメ
ント分析システムとを備えている。

共振マイクロ波空胴は、マイクロ波電力を供給
すると、加速軸に沿つた方向の急勾配な電気成分
を有する電磁界を維持する。この空胴には、カソ
ードに対して或る位置に放出穴が形成されてい
て、放射された電子が加速軸に沿つて加速され、
この放出穴を通過するようになつている。空胴の
長さは、空胴容積内のマイクロ波電磁界によつて
電子を約0.5〜1.0MeVのエネルギに加速してから
上記の穴に電子を通せるような長さに選択され
る。カソード付近の空胴の内面は、直流式の電子
銃に使用されていたものと同様の輪郭とされ、カ
ソード面における最初の熱速度から相対速度まで
電子が加速される時に電子が受ける非直線的な空
間電荷の力に反作用するように構成される。又、
カソード及び放出穴の付近の空胴の内面は、カソ
ードにおいてマイクロ波電界を最大とするような
輪郭にされる。

ビーム束は、分散用磁石及びスリツトを備えた
モーメント分析器によつて形成される。空胴か出
て来た電子は、その電子の放出時のマイクロ波電
界の位相によつて決まるエネルギを有している。
上記の磁石は、エネルギの異なる電子が別々の軌
道をたどるようにし、一方、上記のスリツトは、
所望の狭い範囲に入らないようなエネルギを有す
る電子を阻止するように配置される。従つて、所
望の初期位相値に対応するエネルギを有した電子
のみがモーメント分析器に通され、リニアアクセ
ラレータに送り込むための予め束にされた電子ビ
ームが形成される。束の長さをリニアアクセラレ
ータによつて加速するのに適したものとするた
め、モーメント分析器の時間分布は、電子ビーム
の時間を圧縮するように選択される。

本発明は、空間電荷による力と、位相に依存す
るRF収束力とによつて従来の電子銃に課せられ
た制約を、相当に高いエネルギまで電子を加速で
きるようにすることによつて解消する。適切に設
計されて製造された共振マイクロ波空胴は、約
10⁶V／cmの電界勾配を形成することができ、こ
れは、従来の直流式電子銃の10倍も大きなもので
ある。空間電荷の力は、相対電子ビームの静電力
の打消により、（１／βγ）²として表されるので、
加速電界の10倍の増加により、空間電荷の力が
100分の１に減少される。又、全体的な空間電荷
の力がこのように減少されることにより、力の非
直線成分も減少され、ひいては、非直線成分によ
るエミツタンスの増加も少なくされる。

又、本発明では、位相に依存した収束力も抑制
される。モーメント分析器は、実際には、電子の
位相に基づいて選択を行なうので、空胴内での加
速中にこれらの選択された電子に作用する半径方
向の収束力は、小さな範囲の変化に制限される。
モーメント分析器によつて後で選択される電子
は、電子銃の加速空胴内のマイクロ波電界によつ
て依然として収束（又は発散）されるが、選択さ
れた電子に対する収束作用は、ほゞ一定であり、
従つて、ビームのエミツタンスを変更することは
ない。

本発明の特徴及び効果を更に理解するため、添
付図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の電子銃の上面図、 第２図は、電子銃の概略図、 第３図は、マイクロ波空胴の断面図、 第４Ａ図は、カソード及びその取付けの一実施
例を示す断面図、 第４Ｂ図は、カソード及びその取付けの第２の
実施例を示す断面図、 第５図は、モーメント分析器の磁石の断面図、 第６図は、モーメント分析スロツト及び偏向プ
レートを斜めから見た図、そして 第７図は、特定の条件に対する電子エネルギ対
位相を示すグラフである。

実施例 全システム 第１図及び第２図は、リニアアクセラレータ
（図示せず）に使用する電子銃１０の上面図及び
斜視図である。広い意味で、本発明の電子銃は、
熱イオンカソード１２と、共振マイクロ波空胴１
５と、モーメント分析器１７と、ビーム搬送系統
とを備えている。このビーム搬送系統は、空胴１
５とモーメント分析器１７との間に配置された第
１セグメント２０と、モーメント分析器１７とリ
ニアアクセラレータとの間に配置された第２セグ
メント２２とを備えている。

空胴１５は、円筒状であり、対向した端壁２７
及び２８と、周囲の側壁３０とを有している。カ
ソード１２は、支持構造体３１において上記端壁
２７に沿つてその一般的に中央に取付けられてい
る。端壁２８には、ビーム搬送セグメント２０と
連通する中央の放出穴３２が形成されている。導
波管３５は、導入ポート３７を画成する結合アイ
リスを経て空胴の内部と連通し、標準導波管フラ
ンジ３８によつてマイクロ波出力源に接続されて
いる。モーメント分析器１７は、磁石４０と、そ
の磁界領域において真空室４７内に配置されたス
リツト４５とを含んでいる。真空室４７には、観
察口４８が設けられている。

磁石４０は、モーメント分析器１７に入つた電
子を約270°偏向させた後にモーメント分析器から
出すようにする。第１エネルギE₁の電子の軌道
が実線で示されており、第２エネルギE₂（第１エ
ネルギより小さい）の軌道が破線で示されてい
る。モーメント分析器のスリツト４５は、エネル
ギE₁の電子を通過させるが、エネルギE₂の電子
は阻止するように示されている。

ビーム搬送セグメント２０は、ビームパイプ５
０と、一連の４極収束磁石５２とを備えている。
ビーム搬送セグメント２２は、ビームパイプ５５
と、一連の４極収束磁石５７とを備えている。磁
石５２及び５７には、ビームを繰向できるダイポ
ール磁界を発生する巻線が設けられている。或い
は又、ソレノイド収束磁石と、個別の繰向磁石を
用いてもよい。ビームパイプ５５は、電子銃１０
をリニアアクセラレータの真空系統に接続するた
めの真空フランジ５８で終わる。

作動中、電子は、カソード１２によつて放出さ
れ、空胴１５のマイクロ波磁界によつて加速さ
れ、放出穴３２を通り、ビームパイプ５０を通
り、モーメント分析器１７へ入る。特定の範囲の
エネルギを有する電子がビームパイプ５５を通
り、リニアアクセラレータへ送り込まれる。

マイクロ波空胴 第３図は、導波管３５を二分する直径平面に沿
つて見たマイクロ波空胴１５の断面図である。空
胴１５は、円筒軸に沿つた方向の電気成分を有す
るマイクロ波電界を維持するTM₀₁₀空胴であるの
が好ましい。良く知られているように、TM₀₁₀空
胴の場合、共振周波数は、半径に基づくのであつ
て、軸方向の長さに基づくのではなく、波長λ
は、次式によつて半径Ｒに関係付けされる。

λ＝2.61R カソード１２から放出されて、放出穴３２に向
かつて加速され、次いで、マイクロ波電界を逆転
した時にカソード１２に向かつて加速されて戻さ
れるような電子の数を減少するためには、軸方向
の長さが波長の半分以下であるのが好ましい。マ
イクロ波周波数は、通常は、１〜10GHzの範囲
（波長では３〜30cmの範囲）である。マイクロ波
周波数は、リニアアクセラレータの作動周波数に
等しくセツトするか又はこの周波数の低調波に等
しくセツトしなければならない。

端壁２７は、カソード１２を取り巻いて内方に
延びる一般的にトロイダル状の突起部６０を支持
する。端壁２８は、放出穴３２を取り巻くトロイ
ダル状の突起部６５を支持する。突起部６０は、
カソード１２を取り巻く一般的に円錐台形の面を
画成するように整形され、円錐の角度は、約120°
である。突起部６０の整形は、ジエイ・アール・
ピアース（J.R.Pierce）氏の「進行波管
（Traveling Wave Tubes）」（1950年、ニユーヨ
ークのデイー・バン・ノストランド（D.Van
Nostrand））に述べられていて従来の直流式電子
銃に使用されている公知の方法に合致するもので
ある。このような形状の突起部は、カソードから
放出された電子に対する空間電荷によるエミツタ
ンスの増加を最小とするように、カソード１２の
周りの電界の形を整える。又、突起部６０及び６
５は、電子が受ける電界を増強するようにも作用
する。このような突起部は、直流式の電子銃の場
合は最終的な電子のエネルギに影響を与えない
が、本発明のマイクロ波電子銃においては、電子
のエネルギを増強するように作用する。

空胴１５は、高電圧マイクロ波装置の分野で開
発された加工方法に従つてステンレススチールで
構成されるのが好ましい。例えば、空胴の内面
は、できるだけ滑らかにしなければならず、然も
切削オイルを用いずに加工を行なわねばならな
い。更に、この面は、加工の後に光沢があつては
ならない。というのは、磨滅性の粒子がこの面に
残されると、該面の二次放出特性を増大し、アー
クの発生や絶縁破壊を招くからである。端壁２７
及び２８には、内部流路７０が形成され、これを
通して冷却水を循環させて、端壁に当る電子によ
り発生した熱を消散することができる。

空胴１５は、電子ビームによつて与えられるビ
ーム負荷の有効成分及び無効成分を考慮し、導波
管３５を経てマイクロ波エネルギを供給するマイ
クロ波源に整合される。ビーム負荷の公称有効成
分は、結合アイリスの導入ポート３７を適当な大
きさとすることにより整合される。ビーム負荷の
無効成分は、空胴の共振周波数をシフトする機構
によつて整合される。このため、側壁３０には、
フレキシブルなダイヤフラム７２を画成するため
の薄い部分（例えば、20〜50ミル）が形成され
る。空胴の堅牢な部分に取り付けられたヨーク７
５にはリードスクリユー７３がねじ込まれ、ダイ
ヤフラム７２を変形することができる。

端壁２８には窓７６が設けられており、この窓
は、特定の位相インターバル中にカソード１２に
照射を行なつて電子の流れを増加できるようにす
る。三重モード固定Nd：YAGレーザは、カソー
ドから得られる電子の流れを著しく増加するに充
分な強度の紫外線ビームを発生する。この技術に
よつて促進される電子の放出は、電子銃から得ら
れる正味電流を増加するか、又は作動に要するカ
ソード温度を下げてカソードの寿命を延ばすかの
いずれかに利用される。

カソード及びその取り付け 第４Ａ図は、カソード１２及びカソード取付構
造体３１の構成を示す断面図である。取付構造体
３１は、カソード１２を空胴の壁と同じRF電圧
に維持しつつ熱的な分離を与えるように、空胴の
壁２７に沿つた位置にカソード１２を配置する。
従つて、端壁２７は、半波長の同軸電送線（スタ
ブ）７７を支持し、この伝送線は、空胴壁におけ
る第１（空胴）端７８から、スタブが短絡される
第２（終端接続）端８０まで軸方向外方に延びる。
カソード１２は、空胴端７８に物理的に配置され
るが、その取付は、終端接続端８０で行われる。

カソード１２は、ランタンヘキサボライド又は
他の耐火性熱イオン放射材料の円柱状結晶を耐火
金属カツプ８５に収容したものである。モリブデ
ン又は他の耐火金属ホイルの短い円筒８７がカツ
プ８５及び中空のステンレススチール円筒９０に
スポツト溶接される。スタブの内部導体を形成す
る円筒９０は、終端接続端８０において空胴の壁
に物理的及び電気的に接続される。モリブデンホ
イル円筒８７は、ステンレススチールの円筒９０
からカソード１２を熱分離するに充分な程薄いも
のであり且つ充分な機械的強度を維持するに足る
程短いものである。カソード１２は、熱フイラメ
ント９２によつて加熱され、このフイラメント
は、ホイル円筒８７の内部に配置され、貫通供給
線９５を経て電力を受け取る。フイラメントの所
要電力は、カソードの作動温度と、熱分離の程度
とによつて定められる。フイラメントの典型的な
電力レベルは、５ないし30ワツトの範囲である。

第４Ｂ図は、カソード１２を空胴壁に対して或
る直流電位にバイアスすることのできる別の構造
を示している。この構造は、第４Ａ図のものと２
つの点で異なる。第１に、ステンレススチールの
円筒９０が環状の絶縁体９７により取付構造体か
ら絶縁される。第２に、直流電源を円筒９０（ひ
いては、カソード１２にも）に接続するために更
に別の貫通供給線９８が設けられている。絶縁体
９７は、マイクロ波周波数において見掛け上短絡
回路となるようにできるだけ誘導率の高いセラミ
ツクであるのが好ましい。

比較的低電圧の直流バイアス（100〜1000V）
をカソード１２に印加すると、突起部６０の輪郭
の僅かな誤差、又は作動中に生じるカソードの電
子放出の非均一性が補償されることにより、電子
銃から得られる電子のエミツタンスを最適化する
ことができる。

モーメント分析器 第５図は、モーメント分析器の磁石４０（第２
図にも示す）断面図である。磁石４０の磁界は、
ビーム管５０及び５５がｘ−ｚ平面内にあり、ｙ
−ｚ平面に対して45°の角度にされているような
座標系に対して最も良く説明することができる。
電子の軌道は、ｘ−ｚ平面内にあり、磁界のｙ成
分によつて偏向が与えられる。このｙ成分の大き
さは、ｘ座標についてリニアに変化し、即ち、ｙ
−ｚ平面からの距離と共にリニアに変化する。こ
のような磁界を発生する好ましい磁石の形状は、
実際には、対角カツトの４極構成のもので、軟鉄
の双曲線磁極面１００ａ及び１００ｂと、軟鉄の
フロントプレート１０２と、適当な磁界コイル１
０５とを有するものである。磁界コイル１０５
は、これを付勢すると、所望の磁界を発生する。
フロントプレート１０２には、ビームパイプが室
４７に入れるようにこれを受け入れるスロツト１
０７が形成されている。

「α磁石」として知られているこの種の磁石
は、ギリシヤ文字の「α」のような形状の軌道を
電子がたどるようにする。理論的には、これらの
軌道は、全偏向角が約274°である。然し乍ら、全
部で270°の偏向を必要とするようにビームパイプ
５０及び５５を互いに90°とするのが便利である。
フロントプレート１０２に設けられたスロツト１
０７は、いかなる場合にも、理想とのずれを招く
ので、このスロツト開口の上下に更に別のコイル
１１０を設けて、スロツト領域に局部的な磁界を
発生し、これにより、偏向の微調整を行なえるよ
うにする。

第６図は、モーメント分析器のスリツト４５を
斜めに見たもので、スリツト構造を示すために室
４７の６つの壁のうちの３つが破断されている。
このスリツトは、電子軌道を横切る方向に対し、
或い狭い範囲のモーメントを有する電子だけを通
過できるような大きさとされる。モーメントの範
囲は、２、３度から数度の、例えば、２〜10°の
位相インターバルに対応するのが好ましい。殆ど
の電子は、スリツト４５によつて阻止されるの
で、スリツト構造体には、熱を消散する冷却水の
ための内部流路が設けられている。

又、モーメント分析器には、エネルギに拘りな
く全ての電子が特定の時間以外装置を通過できな
くするように電子ビームに対してゲート機能を果
たす偏向電極プレート１３０が設けられている。
このプレート１３０に高い電位を加えた時には、
入つてきた電子がそれらの経路から分析スリツト
４５のジヨー部を経て偏向され、スリツトに壁に
よつて停止される。電位を取り去ると、電子は、
スリツトを通る通常の軌道に戻る。ビームに対し
てゲート機能を果たすようにする必要性は、リニ
アアクセラレータによつて課せられるもので、リ
ニアアクセラレータを満足に作動するためには、
加速電界がその最終値に達するまで加速空胴への
電子の注入を開始してはならず且つ加速電界が減
衰し始める前に電子の注入を止めなければならな
いことが要求される。従来のパルス銃技術に使用
されている形式の高速サイラトロンを用いて、典
型的に１〜10KVの偏向電圧を切り換えることが
できる。

プレートの駆動に必要な高電圧切換回路の複雑
さを軽減するために、スリツトの出口側に第２の
偏向プレート１３１が追加されることに注意され
たい。通常は、高インピーダンスの負荷をアース
に短絡するか或いは低インピーダンスの高圧電源
に短絡することにより、立上り時間の速い電圧パ
ルスが最も容易に発生される。このような回路の
立上り時間は、負荷の切り換えインピーダンス及
びキヤパシタンスによつて決定され、本発明のキ
ヤパシタプレートの場合は、0.1〜1.0マイクロ秒
程度である。然し、このような回路の立下り時間
は、負荷の高インピーダンスによつて決定され
る。実際には、高い電圧を切り換える場合、立下
り時間を１マイクロ秒以下にすることは困難であ
る。加速空胴が電子で充満されるまで電子ビーム
をスリツトに通さないように第１の偏向プレート
１３０が高い電位に維持され、一方、第２のプレ
ート１３１が最初アース電位に維持される場合
に、電子をアクセラレータに注入できるようにす
るには、プレート１３０をアースへと分路するだ
けでよい。次いで、第２のプレート１３１を高電
圧電源へ短絡して電子ビームをビーム線からモー
メント分析器の真空室４７の壁に向かつて偏向す
るか或いはこの系統の下流にある次の部品に向か
つて偏向するかのいずれかにより、電子ビームを
遮断することができる。

動作 本発明の電子銃の構造について上記したが、そ
の動作及び特性について以下に説明する。

カソード１２は、フイラメント９２により、好
ましくは、1400〜2000℃の温度に加熱される。こ
のようなカソードから得られる電流密度Ｊは、リ
チヤードスンの方程式により、次のように表され
る。

Ｊ＝73T²exp［（−eφ＋ｅ√）／kT］アンペア／cm 但し、 ｅ＝電子の電荷 ＝4.8×10^-10（スタツト・クーロン） Ｅ＝電界強度（スタツト・ボルト／cm） eφ＝電子の仕事関数（エルグ） ｋ＝ボルツマン定数 ＝1.38×10^-16エルグ／〓 Ｔ＝カソードの温度（〓） 温度が1600℃で、電界が400KV／cmである場
合、上記の式は、仕事関数がeφ＝2.6電子ボルト
のランタンヘクサボライドの（110）面から560ア
ンペア／cm²の電流密度が得られることを示す。

不所望な位相を有する電子を除去することによ
つてビーム束が形成されるので、マイクロ波電子
銃のピーク電流は、カソードから得られる平均電
流に匹敵することに注意されたい。これに対し、
従来の直流式の電子銃では、ビーム束形成プロセ
ス中に電子の位相をシフトしてビーム束に電子を
集中させるためにピーク電流が上昇する。従つ
て、従来の電子銃によつて発生される電流に匹敵
するようなピーク電流を維持するために、本発明
の電子銃に用いられるカソードは、従来の直流式
電子銃の典型的な電流密度より高い電流密度で作
動しなければならない。この要件は、耐高温のラ
ンタンヘクサボライドより成るカソードを用いて
得ることのできる高い電流密度によつて満足され
る。モーメント分析器によつて許容される位相範
囲の間に電流を増加するように光電子放出を用い
た場合には、カソードの平均電流密度を減少でき
ることに注意されたい。

マイクロ波エネルギは空胴１５へ送られるが、
リニアアクセラレータへ電力を供給する主導波管
から数メガワツトの電力を取り出すように方向性
カツプラを用いて供給される。どのような電源を
用いるかに拘りなく、電界成分が約200KV／cm
以上であるような定在波が空胴１５に形成され
る。電界の振幅は、電力の平方根として表わさ
れ、その最大値は、空胴１５の絶縁破壊特性によ
つて決定される。適切に形成されたＳバンドのマ
イクロ波空胴においては、２メガボルト／cm以上
の電界勾配が得られることが示されている。
IEEE Trans.Nucl.Sci.、NS−30(4)、3351（1983
年）に掲載されたタナベ・エイジ氏の「Ｓバンド
リニアアクセラレータ空胴の電圧絶縁破壊
（Voltage Breakdown in Ｓ−band Liner
Accelerator Cavities）」という論文を参照され
たい。

空胴の作用は、カソード１２から放出された電
子を加速することであるが、放出穴２７に到達す
る電子のエネルギは、その電子の放出時のRF電
界の位相によつて決まる。

第７図は、電界が400KV／cmで、周波数が
2.856GHzで、経路の長さが３cmであるような特
定の条件に対する電子エネルギ対位相のグラフで
ある。位相０は、電界がゼロで、加速の方向に増
加し始めるような位相として定められる。従つ
て、空胴から出て来る電子は、ほゞ1MeVの最大
値から０まで、エネルギに非常にばらつきがある
ことが明らかである。然し乍ら、エネルギのばら
つきは、位相のばらつきに明確に対応しているか
ら、エネルギ（ひいては、モーメント）の範囲に
課せられた制約により、狭い範囲の位相を有する
電子が発生されることになる。このように、本発
明のモーメント分析器は、リニアアクセラレータ
に送り込むための電子ビーム束を形成する。グラ
フに示された4°の間隔は、828〜849KeVのエネル
ギを有する電子に対応する。

磁石４０の時間分散特性により、束の長さを変
更することができる。より詳細には、装置からの
電子束の物理的な長さは、モーメント分析器１７
により選択された最初の位相範囲と、モーメント
分析器及び搬送系統によつて導入される時間の分
散とに基づいたものである。電子ビームがドリフ
トする場合には、エネルギの高い電子の方がエネ
ルギの低い電子より速く移動し、束の長さが時間
と共に増大する傾向となる。然し乍ら、α磁石で
は、エネルギの高い電子が長い経路を移動し、ひ
いては、モーメント分析器を通過するのに長い時
間を要するから、逆の分散が与えられる。そこ
で、モーメント分析器内のこの分散が、搬送系統
のドリフトスペースによつて導入される分散を打
ち消すように作用する。従つて、正味の時間分散
は、ドリフトスペースの正味の長さと、α磁石の
軌道の長さとに基づいたものとなる。α磁石の磁
界強度、ひいては、α磁石の軌道長さの選択によ
り、正味の分散をゼロにセツトすることができ、
この値においては、アクセラレータに送り込まれ
る束の長さが、カソードから電子が最初に取り出
された位相のばらつきに合致する。或いは又、束
の長さを拡張又は圧縮するように正味の分散をセ
ツトすることもできる。好ましい実施例では、リ
ニアアクセラレータへの入力において束の長さを
最小とするように正味の分散がセツトされる。こ
れにより、加速された電子のエネルギのばらつき
が最小とされる。

結 論 要約すると、本発明によれば、非常に強い電界
で動作することにより、空間電荷による力が除去
もしくは抑制されると共に、リニアアクセラレー
タに送り込むための電子の位相として狭い範囲の
位相のみを選択することにより、位相に依存する
収束力が除去もしくは抑制される。負の方向に分
散するα磁石系統を使用することにより、加速さ
れた電子のエネルギのばらつきを最小とするよう
に電子束の長さを圧縮することができる。

以上、本発明を充分に説明したが、本発明の範
囲から逸脱せずに、種々の変更がなされ得ること
が当業者に明らかである。例えば、第４Ｂ図に示
されたカソードの取り付け法により、カソードに
直流バイアスを印加してマイクロ波空胴の加速特
性を増進することができる。実際には、従来の直
流電子銃技術に用いられる直流電界に比較的小さ
なマイクロ波電界成分を重畳することにより、本
発明のビーム束形成特性を従来の直流電子銃技術
に適用することができる。従つて、20KVのRF
電圧を100KVの直流電圧に重畳し、エネルギの
分布がマイクロ波電界の位相に調整されたビーム
を形成することができる。次いで、モーメント分
析器を用いて、次の加速構造体へ送り込む電子の
位相を選択することができる。更に、スタブの長
さ及びカソードの位置は、固定のものとして示し
たが、スタブの長さを調整するようにスライド構
成にしてもよい。かくて、上記の説明は、単に、
本発明を解説するためのものに過ぎず、本発明
は、特許請求の範囲のみによつて規定されるもの
とする。