JPS587040B2 - センケイカソクキ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はエネルギーの一定性と指向係数の高い高エネ
ルギー電子ビーム発生用の線形加速器を対象とする。

電子顕微鏡その他に対して電子を高いエネルギーに加速
する加速器が要求されている。

高い加速電圧（７５０ｋｅＶ乃至１．５ＭｅＶ）の発生
に静電起電機を使用する加速器は公知である（例えばＩ
ＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｎｕｃｌｅ
ａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ ＮＳ−１４．Ｎｏ．３
Ｊｕｎｅ １９６９のＧ．Ｒｅｉｎｈｏｌｄの論文）
。

然しこの装置はＩＭｅＶ以上のエネルギーに対しては極
めて大型となりその製作費は著しく高価であり、しかも
加速電圧の上昇と共に急激に増大する。

高周波線形加速器を電圧源として使用することも既に提
案されている（Ｄ．Ｋｌｅｍａの論文、ＡＮＬ７２２５
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｕ Ａ
ｎｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａ
ｇｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙｓアル
ゴンヌ研究所、Ｊｕｎｅ １３〜Ｊｕｌｙ １５．１９
６６年）。

この線形加速器では適当な形の空胴共振器を使用して高
周波電場を作り電波が予め定められた軸に沿って特定の
位相速度で伝搬しこの軸の方向に電場を持つようになっ
ている。

この電場は一つの複雑な電場分布のフーリエ成分とする
ことができる。

電子は静電電子源から特定の時刻に電場内に打ちこまれ
、常にその走行方向の電場内に置かれて加速される。

然し静電電子源の場合パルス流とするため電子源とそれ
に続く加速系の間にチョツパーを置かなければならない
から、電子源の輝度（電子放出率）を充分大きくするこ
とができないという欠点がある。

この発明の目的は、エネルギーの一定性と指向係数が充
分高いパルス電子ビームを発生することができる１０Ｍ
ｅＶまでの電子加速器を得ることにある。

この目的はこの発明によれば、パルス電子ビーム源とし
て高周波冷陰極放出電子源を使用し、この電子源に続く
前置加速系は電子源の動作周波数よりも低い動作周波数
を持ち、その長さと加速電場の大きさは前段加速系の出
口までの加速中位相空間において電子の分布が１８０°
の整数倍だけ回転するように選ばれ、この前置加速系に
続く主加速系の長さと加速電場の大きさは主加速系に打
ちこまれたときエネルギー偏差を示す電子がこのエネル
ギー偏差に対応して最小エネルギー電子に比較して低い
加速を受けるように選ばれていることによって達成され
る。

この発明の有利な実施例においては、電子流パルスの重
心が前置加速系の加速波の極大点に対して零と異る位相
で前置加速系に打ちこまれることによって前置加速系内
での電子分布の位相の回転が起る。

この発明の考えを更に押し進めた実施例においては電子
流パルスの重心が主加速系の加速波の極大点に相対的に
零位相で主加速系に打ちこみ可能であり、また主加速系
内で電子がこの位相を保持するように配慮されている。

この発明の実施に当って高周波冷陰極放出電子源の動作
周波数は２４ＧＨ２に選ばれるのに対して、前置および
主加速系の動作周波数は３ＧＨ２に選ばれる。

この発明による線形加速器は注入電力を低下させ、また
電場の安定度を高めるため高周波冷陰極放出電子源と前
置および主加速系の内壁を超伝導材料で作るかまたは超
伝導材料層で被覆することができる。

この発明による加速器の特に有利な点は、高周波冷陰極
放出電子源の使用により指向係数が高められることであ
る。

電子源を加速系に合わせて選びまた加速系の配置を適当
に選定することにより、電子ビームのエネルギーの一様
性を高めそのエネルギー分布を狭くすることができる。

これにより高周波加速器を電圧源として使用するときの
欠点が除去される。

この発明による線形加速器は小型であり製作費および保
管費の点で有利である。

この加速器は通常の研究室に設置することができる。

更にパルス電子ビームは色収差と球面収差が例えは高周
波レンズの使用により補正可能であり、また電子顕微鏡
の動作エネルギーを５から１０ＭｅＶの範囲に拡げるこ
とができるため電子光学的の利用に好都合である。

次に図面に示した実施例についてこの発明を更に詳細に
説明する。

第１図は加速系の構成を概念的に示すもので、高周波冷
陰極放出電子源１、前置加速系２および主加速系３が特
定の軸（これを２軸とする）に沿って前後に配置されて
いる。

これらの部分は総て図に示されていない排気系を持つ。

この排気系は外部から冷却することができる。

電子源１の構造の一例を後で第３図について詳細に説明
する。

高周波電子源１の動作周波数は例えば２４ＧＨ２に選ば
れる。

電子源の出口４から出る電子の位相一エネルギー関数は
電子源１と前置加速系２の間にパルス６として概念的に
示されている。

この関係は更に第２ａ図について説明する。

電子源１から余り離れていない位置に直径１ｍｍ程度の
入口を持つ前置加速系２が設けられている。

前置加速系２と主加速系３は進行波駆動としても、また
は共振器として動作させてもよい。

図には進行波動作のものが示されている。

部品１乃至３の総ての示性数を高めるためその内壁また
は全体を超伝導材料で作ることができる。

前置加速系２は約１２０ｃｍの長さを持ち電子を１ｍに
つき最高３ＭｅＶまで加速することができる。

前置加速系と主加速系の動作周波数は３ＧＨ２とする。

前置および主加速系の直径は約２０（ｍである。

主加速系３の長さは約６０ｃｍであり、その加速能力は
１ｍあたり約３ＭｅＶとなる。

電子源１は例えば超伝導性の高周波冷陰極放出源であり
パルス状の電子ビームを作る。

この電子ビームは図に示されていない電子顕微鏡の電子
ビームとして使用することができる。

電子ビーム６中の電子は電子源の高周波電流（周波数ｆ
ｑ）に対する位相φに関係して６％までのエネルギー偏
差ΔＥＦを持つ。

電子のエネルギーＥと位相φとの関係を第２ａ図に示す
。

図には電子の分布密度も縦線濃度によって表わされてい
る。

パルス６は位相巾２φＱに対応する４０°の巾を持つ。

この位相巾２φＱを圧縮するためには電子源１に続く前
記加速系２と主加速系３を電子源１の周波数（２４ＧＨ
２）よりも低い周波数（３ＧＨ２）で動作される。

これにより位相空間においての電子の非調和振動が減小
する。

この非調和振動は次に述べる経過に対して障害となるも
のである。

前置加速系の長さと加速電場の大きさは位相空間での電
子の分布６が加速中に１８０°の整数倍だけ回転するよ
うに選ばれる。

これはパルス６の分布の重心が加速波の極大点に対し零
と異る位相で打ちこまれることによって実現される。

これに対する前提条件は位相空間においての運動が調和
振動であることである。

これにより第１図において前置加速系２と主加速系３の
間に７として示されているようなＥに対する位相φの分
布が得られる。

この分布は第２６図により詳細に示されている。

第２６図には分布の回転方向が矢印で示されている。

パルス７の位相分布は第２ａ図の位相巾２φＱより小さ
い位相巾φ■を持つ、このパルス中の電子の分布はここ
でも縦線の濃度で示され、極大点Ｂで電子分布密度が著
しく大きい。

上記のような位相空間で１８０°の整数倍の回転を達成
するには次の二つの条件が満たされなければならない。

条件１： ここでΩは位相振動周波数である。

総ての条件はΩがΩ。

・ｚｏを定数としてΩ一Ω。ｚ６／ｚで表わされるとし
て与えられている。

これから次の条件が導かれる。

条件３： ここでＦ−Ｆ（ｚ）は前置加速系内の電場の強さ、ψＳ
一ψＳ（Ｚ）は分布７の重心と前置加速系内の高周波と
の間の位相、ｚは第１図の主軸方向の座標である。

更にｎは奇数、ｐ＝ｐ（ｚ）は電子の運動量である。

条件１ではΩのｚ＝ｚ１（前置加速系の入口５の位置）
から２（前置加速系の出口１８の位置）までの積分がπ
の整数倍に比例しなければならない。

条件２によれば拡弧内の微分式が前置加速系２の入口と
出口において等しくならなければならない。

主加速系３はパルス７（これは第１図に前置加速系２と
主加速系３の間に概念的に示されている）の重心が主加
速系３内の加速波の極大点に対して零位相で主加速系に
注入され、加速中この位相を保持するように設計されて
いる。

更に主加速系３の長さは主加速系の入口１９においてエ
ネルギー偏差を持つ電子が最低エネルギーの電子に比較
して正確にこの偏差に相当するだけ低い加速を受けるよ
うに選定されている。

従って電子は主加速系の終端（出口）２０においてその
位相φに関係なく総て等しいエネルギーを持つ。

この情況は第２Ｃ図に示されている。

パルス中の電子のエネルギーＥの分布は電子源１を出る
際の電子のエネルギー分布だけによって与えられる。

エネルギー平均巾ＣΔＥＦはほぼ半分に縮められている
。

主加速系の入口においてのパルス７のエネルギー分布が
重ねて画かれているが矢印は分布が圧縮される方向を示
している。

主加速系３においてこの分布圧縮が行われるための条件
を条件４として次に挙げる。

条件４： ここでＥＭは主加速系で獲得したエネルギー、ＥＱは電
子源１で得たエネルギー、ｆＱ １の動作周波数、ｆＢは前置加速系と主加速系動作周波
数、ａ３の前加速係数である。

次の条件５は不可欠のものではないが前置加速系の入口
と出口でこの条件が満たされていると電場の偏差との関
係を最小とするのに有利である。

条件５： 上記の条件の総てが正確に満たされているとエネルギー
が１０ＭｅＶまで高められ、エネルギー一定性と指向係
数が極めて高い電子ビームが得られる。

第３図に第１図の装置に使用することができる簡単な構
造の高周波冷陰極放出電子源を示す。

これは互に結合された部分９と１０から成り、内部に共
振空胴として作用する室１１を持つ。

この室１１は超伝導材料の層で被覆されると有利である
。

エネルギーは導管１２を通して供給される。

部分１０の凸出した底面１３の中央にさしこまれた棒１
４の上面に冷陰極１５が設けられている。

陰極１５は狭い間隔で絞り１６と向い合っている。

導管１２を通して導入されたエネルギーは空胴１１内に
周波数２４ＧＨ２の定常波を作る。

電圧極大点は冷陰極１５の尖端と空胴の上壁１Ｔの中間
にある。

定常波の電場によって陰極１５から電子が引き出され絞
り１６を通ってパルス６として外に出る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の構成を示す概念図、第２ａ
図と第２ｂ図と第２ｃ図は三つの加速段階においてのパ
ルス中の電子のエネルギー分布、第３図は冷陰極放出電
子源の一例の断面図であって、１は冷陰極放出電子源、
２は前置加速系、３は主加速系である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ パルス電子ビーム源としての高周波冷陰極放出電子
   源が使用され、それに続いて設けられた前置加速系の動
   作周波数は電子源の動作周波数より低く、その長さと加
   速電場の大きさは前置加速系の出口までの加速中位相空
   間において電子分布が１８０°の整数倍だけ回転するよ
   うに選ばれ、前置加速系に続いて主加速系が設けられ、
   その長さと加速電場の大きさは主加速系の入口において
   エネルギー偏差を持つ電子がこの偏差に対応するだけ最
   小エネルギーの電子に比較して低い加速を受けるように
   選ばれていることを特徴とするエネルギーの一定性と指
   向係数の高い高エネルギー電子ビーム発生用の線形加速
   器。