JPH07183100A - マイクロトロン電子加速器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】マイクロ波を入力されて高周波加速電界を作る
加速空胴を一様磁界内に配置し、これらの磁界と電界に
より電子を円軌道運動させて加速するマイクロトロン電
子加速器において、電子ビームを取り出す磁気シールド
パイプの径を大きくすることなく、エネルギーによらず
高い効率で電子ビームを取り出す。 【構成】磁気シールドパイプ（７１）の一端又は両端を
パイプの円筒中心軸に対して非垂直な面（角度θｉ、θ
ｏ）で形成し、電子ビームのエミッタンス図の形状を搬
送に適した形に変化させる構成とした。 【効果】磁気シールドパイプに簡単な加工を行うこと
で、電子ビームを高効率で取り出せるマイクロトロン電
子加速器を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロトロン電子加速
器に係り、特に電子ビームの搬送に好適な磁気シールド
パイプをもつマイクロトロン電子加速器に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロトロン電子加速器は、マイクロ
波で電子を加速するものである。マイクロトロンの加速
原理を図７により説明する。マイクロ波３の入力により
高周波電界Ｅを作る加速空胴１を一様磁界Ｂを作る電磁
石２内に配置し、これらの電界Ｅと磁界Ｂにより電子ｅ
を円軌道運動させて加速する構成になっている。電子銃
４０より放出された電子ｅは加速空胴１内に導かれて初
期加速され、一様磁界Ｂ内で円軌道９０Ｂを描いて加速
空胴１内へ再入射する。この後加速空胴１での加速と一
様磁界Ｂ内での円軌道運動が繰り返され、電子ｅは所望
のエネルギーになるまで加速される。加速された電子ｅ
の円軌道は一回加速されるごとに軌道直径がλ／π
（λ：マイクロ波３の自由空間波長）ずつ大きくなる。

【０００３】そこで所望のエネルギーの電子ビームを得
るために一様磁界Ｂ内に偏向用磁気シールドパイプ７１
を移動可能に設置し、所望のエネルギーの電子ビームの
円軌道上に移動させる構成としている。更に、磁気シー
ルドパイプ７１を出た電子ｅを一様磁界Ｂによって一点
に導き、固定した取り出し用磁気シールドパイプ７２で
磁界Ｂ外部へ取り出し、レンズ手段８で集束・発散させ
る構成としている。上記構成において、従来のマイクロ
トロン電子加速器では、偏向用磁気シールドパイプ７１
の両端及び取り出し用磁気シールドパイプ７２の入力端
はパイプの中心軸に対して垂直な一平面で構成されてい
た。なお、この種の従来技術が記載された例として、特
開平４−３６６６００号公報が挙げられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】電子ビームは複数の電
子軌道の集合であり、複数の電子軌道は平行ではなく、
発散あるいは集束したりしている。電子ビームの状態は
エミッタンス図の形状で表される。エミッタンス図は、
電子ビーム断面上での電子軌道の位置と角度の分布図
で、直交する２軸の一方の軸を電子ビームの中心からの
距離、他方の軸を電子ビームの中心に対する角度として
あらわされるものである。分布図形は、直交点部に集中
することが望ましい。マイクロトロン電子加速器では、
取り出す電子のエネルギー値によって電子ビームのエミ
ッタンス図の形状が変化することが分かっている。一般
に低エネルギーの場合には高エネルギーの場合に比べて
角度のばらつきの範囲が大きい。そのためマイクロトロ
ン電子加速器では特に低エネルギーの場合に電子ビーム
が発散する傾向が強く、低エネルギーの場合同じ距離を
搬送することが高エネルギーの場合に比べて困難である
という問題があった。

【０００５】一般に、磁気シールドパイプ入射後の各電
子軌道の角度は入射直前と略同一に保たれる。そのため
磁気シールドパイプ入射前の電子ビームのエミッタンス
図の形状が電子ビーム搬送に不適当なものである場合に
は、多数の電子が磁気シールドパイプの内壁に衝突し、
電子ビームの取り出し効率が悪いという問題があった。
さらに、衝突する電子が多くなると磁気シールドパイプ
の内壁が加熱により損傷を受けるという問題もあった。

【０００６】本発明の目的は、従来技術における上記問
題を解決し、簡単な手段により、磁気シールドパイプの
径を大きくさせることなく、エネルギーの高低によらず
電子ビームを効率良く取り出すことのできるマイクロト
ロン電子加速器を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のマイクロトロン電子加速器は、磁界内で円
軌道運動をしている電子を偏向する磁気シールドパイプ
（偏向用磁気シールドパイプ）、円軌道運動をしている
電子又は上記磁気シールドパイプで偏向された電子を磁
界外部に出す磁気シールドパイプ（取出し用磁気シール
ドパイプ）の入口端又は出口端の少なくとも一つの端面
を、電子ビームのエミッタンス図の形状を搬送に適した
形になるように、上記磁気シールドパイプのパイプの中
心軸に対して非垂直とした。

【０００８】

【作用】磁気シールドパイプの一端又は両端をパイプ中
心軸に対して非垂直な面で構成すれば、一様磁界を遮蔽
する領域が従来技術と比較し変化する。その様子を図２
及び図３を用いて説明する。図２は磁気シールドパイプ
の入力端における電子ビームの軌道の例を示すものであ
る。（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ磁気シールドパイプの
入口端面がパイプ中心軸に対して垂直で電子ビームが低
エネルギーの場合及び高エネルギーの場合を示す。一
方、（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ磁気シールドパイプ
の入口端面がパイプ中心軸に対して非垂直で電子ビーム
が低エネルギーの場合及び高エネルギーの場合を示す。
（ａ）と（ｃ）の比較及び（ｂ）と（ｄ）の比較から分
かるように、電子ビームを構成する各電子軌道はビーム
中心からの距離に応じた変化量で異なる角度を持つよう
になる。すなわち、磁気シールドパイプは電子ビームに
対してレンズ効果を持つようになる。具体的には、
（ｃ）の場合、磁気シールドパイプ内の電子ビームでは
磁気シールドパイプの中心軸と平行な成分が（ａ）より
も多くなる。そのため（ｃ）では磁気シールドパイプ内
の電子ビームが磁気シールドパイプの内壁に衝突する割
合が（ａ）より少なくなり、電子ビームを効率良く搬送
したり、取り出すことができる。すなわち、電子ビーム
のエミッタンス図の形状を搬送に好適なものに変化させ
ることができ、磁気シールドパイプの電子ビーム取り出
し効率が向上する。また、（ａ）〜（ｄ）の比較から分
かるように、磁気シールドパイプの入口端面を中心軸に
対して非垂直にしたことにより生じるレンズ効果は高エ
ネルギーの場合より低エネルギーの場合に顕著である。

【０００９】以上は、磁気シールドパイプの入口側の端
面と電子ビームの関係について述べたが、磁気シールド
パイプの出口側の端面と電子ビームの関係についても、
図３に一例を示すように、磁気シールドパイプ７１の出
口側の端面を非垂直にすることによって、電子ビームを
効率よく取り出すことができる。すなわち、磁気シール
ドパイプ７１からの電子ビームを磁気シールドパイプ７
２に入射する場合、磁気シールドパイプ７１の出口側の
端面が磁気シールドパイプ７１の中心軸に垂直である
と、電子の軌道は点線で示すようになり、磁気シールド
パイプ７２の入口側で発散した状態になる。磁気シール
ドパイプ７１の出口側の端面を磁気シールドパイプ７１
の中心軸に対し図のように非垂直にすると、電子の軌道
は実線で示すようになり、磁気シールドパイプ７２の入
射部でより平行状態に近くなる。従って、エミッタンス
図は好ましい形状となり、電子ビームを効率よく取り出
すことができる。従って、本発明により、磁気シールド
パイプの径を大きくすることなく損失電流の少ない電子
ビームが得られる。

【００１０】

【実施例】以下、図面により本発明の実施例を説明す
る。図１は、本発明によるマイクロトロン電子加速器の
一実施例の構成を示す図ある。本実施例では、３ＧＨｚ
で共振する加速空胴１が一様磁界Ｂをつくる電磁石２内
に設けられている。加速空胴１では、マイクロ波３の入
力により３ＧＨｚの高周波加速電界Ｅがつくられる。加
速空胴１の壁面の外側には、同軸状に形成されたカソ−
ド４とアノ−ド５より成る電子源が設けられている。ま
た、加速空胴１には、加速された電子ビ−ムが通過する
第１の電子ビ−ム通過孔６１、第２の電子ビ−ム通過孔
６２、第３の電子ビ−ム通過孔６３が設けられている。
一様磁界Ｂ内には、移動可能な偏向用磁気シールドパイ
プ７１と、電子ビ−ムを外部へ取り出すための取り出し
用磁気シールドパイプ７２が設けられている。さらに、
磁気シールドパイプ７２には、取り出された電子ビーム
を集束させるレンズ手段８が設けられている。

【００１１】磁気シールドパイプ７１は、図１に示すよ
うにパイプの両端がパイプの中心軸に対して非垂直な一
平面で形成されている。垂直面に対する入口、出口の角
度θｉ、θｏは図１のように時計回り方向を正とする。
本実施例では、内径φ１０ｍｍ、長さ２７０ｍｍの磁気
シールドパイプ７１を使用し、磁気シールドパイプ７１
の入口と出口をそれぞれθｉ＝１５°、θｏ＝４０°と
した。

【００１２】本実施例の構成において、電子ｅはカソ−
ド４とアノ−ド５の電位差により加熱されたカソ−ド４
から引き出され、電磁石２のつくる一様磁界Ｂによって
円軌道９０Ａを描いた後、第１の電子ビ−ム通過孔６１
から加速空胴１内に入射する。加速空胴１内で、電子ｅ
は一様磁界Ｂによって偏向されると同時に高周波加速電
界Ｅによって初期加速される。そして、第２の電子ビ−
ム通過孔６２から一様磁界Ｂ領域に出射する。出射した
電子ｅは円軌道９０Ｂを描いて第１の電子ビ−ム通過孔
６１から再び加速空胴１内に入射する。ここで電子ｅは
高周波加速電界Ｅによってさらに加速されて第３の電子
ビ−ム通過孔６３から一様磁界Ｂ領域に出射し、より大
きな円軌道９１を描いて第１の電子ビ−ム通過孔６１か
ら加速空胴１内に再入射する。その後加速空胴１による
加速と一様磁界Ｂにおける円軌道運動９２、９３、９
４、９５、９６を繰り返し、電子ｅは所望のエネルギ−
に達する。所望のエネルギ−に達した電子ｅは、円軌道
９１〜９６上に設置された移動可能な磁気シールドパイ
プ７１によって略直線状に偏向され、磁気シールドパイ
プ７２によって外部へ取り出される。なお、図示してい
ないが、本構成では電子を最大３０回まで加速すること
が可能である。

【００１３】本実施例において得られた電子ビームの磁
気シールドパイプ７２の入射部におけるエミッタンス図
を図４に示す。但し、図中のＲ及びＲ’はそれぞれ磁気
シールドパイプ７２の中心軸からの電子軌道の距離及び
入射角度である。比較のため、θｉ＝θｏ＝０°の場合
のエミッタンス図を図５に示す。図４及び５から分かる
ように、低エネルギーの場合（ａ）、本実施例では、角
度Ｒ’のばらつきの範囲が３０ｍｒａｄ以内となり、図
５の６０ｍｒａｄ以内より小さくなっている。また、高
エネルギーの場合（ｂ）、本実施例では、角度Ｒ’のば
らつきの範囲が１０ｍｒａｄとなり、図５の２０ｍｒａ
ｄより小さくなっている。したがって、磁気シールドパ
イプ７２の入り口からレンズ手段８までの距離を３００
ｍｍとした場合、θｉ＝θｏ＝０°のときには低エネル
ギーのときの電子ビームの径が最大４２ｍｍ程度であっ
たのに対して本実施例では３０ｍｍ程度にすることがで
きた。その結果、θｉ＝θｏ＝０°のときに内径φ３０
ｍｍの磁気シールドパイプ７２で約２０％損失していた
電子ビームが本実施例では損失ゼロで搬送できるように
なった。

【００１４】その他の実施例として、図１に示す磁気シ
ールドパイプ７２の入口端を磁気シールドパイプ７２の
中心軸に対して非垂直な面で構成することによっても搬
送に適した電子ビームを得ることができる。

【００１５】図６は本発明によるマイクロトロン電子加
速器の他の実施例の構成を示す図である。本実施例は、
一つの電子軌道上に磁気シールドパイプ７を固定して設
置するタイプのマイクロトロン電子加速器に、磁気シー
ルドパイプ７の入り口をパイプ７の中心軸に対して非垂
直な面で構成したものである。磁気シールドパイプ７の
入口に角度θｉを設けることによってパイプ入口におけ
る電子ビームのエミッタンス図の形状を変化させ、磁気
シールドパイプ７の内壁にぶつかる電子数を減少させ、
その結果として磁気シールドパイプ７の電子ビーム取り
出し効率を向上させたものである。他の部分で図１の実
施例と同じ部分については図１と同じ符号を付けて、説
明を省く。また、本発明は図６における磁気シールドパ
イプ７が移動可能に設置されているタイプのマイクロト
ロン電子加速器にも適用することができる。

【００１６】以上、本発明の実施例について述べたが、
本発明はこの実施例に限定されるものではなく、例え
ば、図１の実施例の磁気シールドパイプ７１の出口のみ
に角度θｏを設けることによっても電子ビームのエミッ
タンス図の形状を変化させて搬送に適した電子ビームを
得ることが可能である。また、以上の実施例に示した数
値は一例であって、本発明はこれに限定されるものでは
なく、θｉ、θｏはそれぞれ−９０°〜９０°のどの値
であってもよい。これは使用条件、構成条件によって最
適値を選べばよい。また、磁気シールドパイプの一端又
は両端は、一平面で構成することに限定するものではな
く、例えば曲面で構成してもよい。要は、磁気シールド
パイプの少なくとも一端をパイプ中心軸に対して非垂直
な面で形成することによって、電子ビームのエミッタン
ス図の形状を搬送に好適な形に変化させることができる
ものであればよい。また、そのように形成した磁気シー
ルドパイプを用いて構成するマイクロトロン電子加速器
の加速方式も上記実施例に限定するものではなく、例え
ば、空胴に２つの通過孔を有して初期加速を行わない加
速方式のマイクロトロンにも使用することができるのは
もちろんである。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、磁気シールドパイプに
簡単な加工を行うことで、パイプの内径を大きくするこ
となく高い効率で電子ビームを取り出せるマイクロトロ
ン電子加速器を実現することができる。特に、図４、図
５で説明したように、電子ビームが低いエネルギー状態
において、改善効果が著しい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるマイクロトロン電子加速器の一実
施例の構成を示す図

【図２】本発明の原理説明のための図

【図３】本発明の原理説明のための図

【図４】本発明によるマイクロトロン電子加速器の一実
施例による電子ビームのエミッタンス図

【図５】従来のマイクロトロン電子加速器による電子ビ
ームのエミッタンス図

【図６】本発明によるマイクロトロン電子加速器の他の
実施例の構成を示す図

【図７】従来のマイクロトロンの構成図

【符号の説明】

１…加速空胴、 ２…電磁石、 ３…マイクロ波、 ４０…電子銃、 ４…カソード、 ５…アノード、 ６１、６２、６３…電子ビーム通過孔、 ７、７１、７２…磁気シールドパイプ、 ８…レンズ手段、 ９０Ａ、９０Ｂ…初期円軌道、 ９１〜９６…第１〜第６円軌道。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小柳 慶二 東京都千代田区内神田１丁目１番14号 株 式会社日立メディコ内 (72)発明者 三浦 一朗 東京都千代田区内神田１丁目１番14号 株 式会社日立メディコ内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ波により高周波加速電界を作る加
   速空胴を一様磁界内に配置し、上記磁界と上記高周波加
   速電界により電子を円軌道運動させて加速するマイクロ
   トロン電子加速器において、上記円軌道運動をしている
   電子を取り出す１個又は複数の磁気シールドパイプを設
   け、上記磁気シールドパイプの少なくとも１つの端を上
   記磁気シールドパイプの中心軸に対して非垂直な面で構
   成したことを特徴とするマイクロトロン電子加速器。
2. 【請求項２】請求項１に記載のマイクロトロン電子加速
   器において、上記複数の磁気シールドパイプは、上記磁
   界内で移動可能で、電子ビームの偏向を行う偏向用要磁
   気シールドパイプと、上記一様磁界からの電子ビームを
   上記一様磁界の外部に取り出しを行う取り出し用磁気シ
   ールドパイプであることを特徴とするマイクロトロン電
   子加速器。
3. 【請求項３】請求項２に記載のマイクロトロン電子加速
   器において、上記偏向用磁気シールドパイプの入口端又
   は出口端の少なくとも一方の端面を上記偏向用磁気シー
   ルドパイプの中心軸に対して非垂直な面で構成したこと
   を特徴とするマイクロトロン電子加速器。
4. 【請求項４】請求項２から３のいずれかに記載のマイク
   ロトロン電子加速器において、上記取り出し用磁気シー
   ルドパイプの入口端を上記取り出し用磁気シールドパイ
   プの中心軸に対して非垂直な面で構成したことを特徴と
   するマイクロトロン電子加速器。
5. 【請求項５】請求項１に記載のマイクロトロン電子加速
   器において、円軌道運動をしている電子を取り出す一個
   の磁気シールドパイプを設け、上記磁気シールドパイプ
   の入口端を上記磁気シールドパイプの中心軸に対して非
   垂直な面で構成したことを特徴とするマイクロトロン電
   子加速器。
6. 【請求項６】請求項１又は５のいずれかに記載のマイク
   ロトロン電子加速器において、上記磁気シールドパイプ
   が上記一様磁界中を移動できるように構成したことを特
   徴とするマイクロトロン電子加速器。