(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子源を設置した第１加速空洞と該第１加速空洞の隣に設けられた第２加速空洞を少なくとも有する高周波電子銃であって、前記電子源は熱放出型電子源であって電子ビーム軸が前記第１と第２の加速空洞の軸を通るように前記第１加速空洞の前記第２加速空洞に対向する壁に設けられ、前記第１と第２の加速空洞の間に電子ビーム軸を中心とする結合空洞が設けられ、前記第１と第２の加速空洞と結合空洞を仕切るディスクに磁気結合のためのスロットが電子ビーム軸について対称に設けられ、前記第１加速空洞と前記結合空洞の間の第１の結合定数と該結合空洞と前記第２加速空洞の間の第２の結合定数の比が１．５：１ないし４：１になるように構成して、π／２モードで運転できるようにしたことを特徴とする高周波電子銃。
【請求項２】
高周波電力入力ポートを設置した加速空洞に真空引き用ポートを該高周波電力入力ポートと電子ビーム軸について対称の位置に設けたことを特徴とする請求項１記載の高周波電子銃。
【請求項３】
前記第２加速空洞に高周波電力入力ポートを設置したことを特徴とする請求項１または２記載の高周波電子銃。
【請求項４】
前記結合空洞と第１加速空洞との間の中心軸上の結合穴を前記第２加速空洞との間の中心軸上の結合穴より大きくしたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高周波電子銃。
【請求項５】
前記電子源の近傍にグリッド電極を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高周波電子銃。
【請求項６】
前記電子源の中心部にファラデーカップを設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高周波電子銃。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の高周波電子銃を電子源とする自由電子レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波を利用して電子ビームを射出する高周波電子銃に関し、特に電子源の劣化を防止し安定に運転することができる高周波電子銃に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自由電子レーザ装置などの電子ビーム源として、電子源となる陰極材から放出された電子を加速空洞内の高周波により加速して高速な電子ビームを進行方向に射出する高周波電子銃が用いられ、光陰極型高周波電子銃や熱陰極型高周波電子銃がある。
【０００３】
たとえば、光陰極型高周波電子銃としてよく用いられるレーザドライブの高周波電子銃は、印加する高周波の位相にタイミングを合わせて陰極材表面をレーザで照射して電子を放出させて、高周波加速するものである。この光陰極型高周波電子銃は、高輝度でありバンチャー部が不要で小型になる等の長所があるが、まだ陰極材料の寿命が短いこと、ビームのマクロパルス幅を長くできないこと、ドライブ用レーザ装置が高価で大型になるなどの短所もある。
【０００４】
また、陰極材を熱することにより放射した電子を加速空洞で加速して高速な電子ビームを射出する熱陰極型高周波電子銃では、加速空洞内の電子が加速用高周波の位相の関係によって逆方向に加速されて電子源に衝突する現象（バックボンバードメント）が起こり、電子源劣化の要因となっている。
【０００５】
熱放出電子源に対するバックボンバードメントによる陰極劣化を低減させる方法として、特開平６−８６６８０号公報に、凹面に形成した高周波空洞の底面の中心に電子源を設置することにより、高周波電流の位相が反転したときには電子ビームが電子源周囲の凹壁面に向かって漸次拡径するように流れて電子源に集中しないようにした方法が開示されている。この方法では、高周波空洞の形状が特殊であるため複雑な設計と工作を必要とする。
【０００６】
また、特開平５−３２６１９４号公報には、電子源近傍に加速高周波に同調させるグリッドを設け、高周波位相に対する電子放出タイミングを制御する方法が開示されている。この方法によれば、高周波入力が逆位相の時に加速空洞に電子が存在しないようにしてバックボンバードメントを防止することができる。しかし、高周波位相とグリッドパルスの同期をとる装置を必要とする。
【０００７】
さらに、バックボンバードメントを低減する別の方法として、ビーム軸上に設けた連結部を介して電磁気的に結合した多段の高周波空洞を用い、電子源がある第１加速空洞の電場強度を小さくすることにより、逆位相の時に電子源に衝突する電子の力を弱めて衝撃を緩和する方法もある。
しかしこの方法では、加速空洞における高周波位相と電子ビームの入射タイミングが整合しないと適当な加速性能が得られないうえ、隣接する加速空洞間の結合定数が小さく、普通例えば０．１５％程度なので、πモードと０モードが混成し易いため、各段加速空洞の形状を極めて精密に設計しなければならず、また、わずかな空洞寸法誤差があっても電子の走行と高周波位相の不整合が生じ適正な加速電場が得られない欠点がある。
【０００８】
また、この方法はπモードと０モードの周波数が近いため、電子ビームの電流が大きい場合にも両者の混成が起こりやすく、電流値が変化すると加速電場が不安定になり、共振周波数のチューニングも難しいという問題がある。
なお、電子銃から放出された直後の電子ビームは相対論的速度には遙かに及ばずエネルギが小さいため電場の非対称性により受ける影響が大きく、ビームの質が劣化しやすい。
【０００９】
ここで、円盤で仕切られた隣り合う領域で電場が同じ方向に向いていて波の位相差がない場合を０モード、反対の方向を向いていて波の位相差がπの場合をπモードという。なお、１個おいた領域同士の位相差がπのときをπ／２モードという。
また、結合定数とは隣り合う加速空洞同士の結合の度合いを示す係数ｋをいい、πモードの角周波数をω（π）、０モードの角周波数をω（０）とすると、結合孔が十分に小さいときには、
ｋ＝２×｛ω（π）−ω（０）｝／｛ω（π）＋ω（０）｝
で表すことができる。
なお、等価回路を用いてリラクタンスＬと容量Ｃの直列接続で高周波空洞を表し、結合により新たに相互容量Ｃ’が直列に入ったものと解したときには、この結合定数は、ｋ＝２Ｃ／Ｃ’で表すことができる。ここで、結合孔が十分小さければ、Ｃ’＞＞Ｃが成立する。
【００１０】
さらに、空洞結合を用いたπモード型多空洞式高周波電子銃では、各空洞の加速電場比は空洞形状により決定される。加速電場比と空洞形状は共に電子ビームの質やバックボンバードメントの大きさに影響するので、空洞形状の設計に自由度が小さく、ビームの質を向上させるため空洞の一部形状を変更しようとしても制約があり、運転条件の変化にも対応しにくい。
【００１１】
多段の加速空洞を備えた高周波電子銃の不安定性を解消する手段として、加速空洞相互の結合に依らず全ての空洞にそれぞれ隣との位相差がπになる高周波電力を入力して用いる方法がある。しかし、この方法では高周波伝送回路が複雑になりコストがかかる上、伝送回路での損失が大きくなり、実用としがたい。
また、電子源を備える第１加速空洞にも高周波電力入力ポートを設けるため、ここに励起される電子ビーム軸に対して非対称な電場が電子銃から放出されたばかりでまだエネルギ水準の低い電子ビームの質に深刻な影響を与えることがある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、電子源の寿命を長期化し安定な運転を可能とし、かつ設計が容易でよりコストの低い多段の加速空洞を備えた高周波電子銃を提供することであり、特に熱陰極型高周波電子銃に適用して高い効果を得ることができる高周波電子銃の改良技術を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の高周波電子銃は、熱放出型電子源を設置した第１の加速空洞とこの隣に設けた第２の加速空洞を含み複数の高周波加速空洞を有する高周波電子銃であって、加速空洞間を仕切るディスク内に電子ビーム軸を中心とする結合空洞を設けて、第１加速空洞と結合空洞の間の第１結合定数と結合空洞と第２加速空洞の間の第２結合定数の比が１．５：１ないし４：１になるように構成して、π／２モードで運転できるようにしたことを特徴とする。
なお、加速空洞と結合空洞を仕切るディスクに磁気結合のためのスロットを設けており、この磁気結合スロットはビーム軸について対称に設けられている。
【００１４】
なお、高周波電力入力ポートを設置した加速空洞には真空引き用ポートを高周波電力入力ポートに対向する位置に設けることが好ましい。
特に、第１加速空洞と結合空洞を介して隣接する第２加速空洞に高周波電力入力ポートを設置することが好ましい。
なお、第１加速空洞と結合空洞の間の第１結合定数を、結合空洞と第２加速空洞の間の第２結合定数より大きくすることがより好ましい。
また、結合空洞と加速空洞との間に設けられる中心軸上の結合穴を使用して結合定数の調整を行うことができる。
【００１５】
本発明の高周波電子銃は熱放出型電子源を用いるものであっても良い。
さらに、この電子源の近傍にグリッド電極を設けることが好ましい。また、電子源の中心部にファラデーカップを設けることによりバックボンバードメントを吸収するようにしても良い。
なお、熱陰極型高周波電子銃においては、第１結合定数と第２結合定数の比が１．５：１ないし４：１であることが特に好ましい。
本発明の自由電子レーザ装置は上記発明の高周波電子銃を電子源とすることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
空洞間結合を用いた多空洞高周波電子銃では、加速空洞間を仕切るディスク内に電子ビーム軸を中心とする結合空洞を設けてπ／２モードで運転するようにすると、電子源から放出された電子群が第１加速空洞に生じる高周波電界により加速され結合空洞を通過して第２加速空洞に入射するときに、第２加速空洞の高周波電界が加速方向に電子を加速する位相になっているから、電子が第１加速空洞の電子源に向かって逆方向に加速されることはない。第２空洞以降の空洞についても同様に電子群が逆行することはない。
【００１７】
このように、結合空洞が介在することにより、πモードにおけるような空洞寸法に対する高度な精度要求やビーム電流値に敏感に依存する適正形状などの制約が少なくなるので、共振周波数やＱ値など空洞の性能を決める諸元の設計がより容易になり、運転条件の変化に対しても格段に安定な運転が可能で、またチューニングも容易になる。
【００１８】
さらに、加速空洞と結合空洞を仕切るディスクにスロットを開けて磁気結合を加えると、結合定数ｋが大きくなって、寸法誤差やビーム電流値変化に対する安定性とチューニングの容易性が向上する。
なお、磁気結合スロットを中心軸に関して対称に設けるようにすると、ビーム軸における電場が軸対称性を保つため、スロットの存在が中心軸上を走行する電子ビームに非対称的な影響を与えることを防ぐことができる。
【００１９】
また、磁気スロットの位置と大きさ、形状を変えることで空洞間結合定数を調整することができる。例えば、加速空洞中の磁場強度は中心軸から離れるほど強くなるので、結合定数を大きくするためには外周に近いところに開孔を設けるようにする。
なお、２つの加速空洞の加速電場比は各加速空洞と結合空洞間の結合定数の比に逆比例する。したがって結合定数の調整を行うことにより、ビームの質とバックボンバートメントに影響が大きい空洞形状と加速電場比をそれぞれ独立に設計することができるため、高周波空洞の自由度が大きくなって設計が容易になる。
【００２０】
電子源として熱陰極を用いた場合は、高周波電力の逆位相でバックボンバードメントを受けて電極が消耗することがカソードの寿命を制限する要因となっている。そこで、電子源に対するバックボンバードメントを低減するために、第１加速空洞における電場が小さくなるような設計を行う。
第１加速空洞における軸上加速電場強度の最大値Ｅ１と第２加速空洞における軸上加速電場強度の最大値Ｅ２の比Ｅ１／Ｅ２は、第１加速空洞と結合空洞の第１の結合定数ｋ１と第２加速空洞と結合空洞の第２の結合定数ｋ２の比ｋ１／ｋ２に逆比例し、Ｅ１／Ｅ２＝ｃ×ｋ２／ｋ１の関係が成立する。
したがって、第１加速空洞と結合空洞間のスロットを第２加速空洞と結合空洞間のスロットより大きくするなどして、第１結合定数ｋ１が第２結合定数ｋ２より大きくなるようにすると、第１加速空洞における加速電場が小さくなってバックボンバードメントが減少する。
【００２１】
また、高周波電力入力ポートは第２段目以降の加速空洞に設けることが好ましい。高周波入力ポートは加速空洞の外周に設けられ、ここから高周波電力が供給されるので、空洞の電場の対称性を乱す要因となる。
第１加速空洞中の電子ビームのエネルギーはまだ小さいため、電場に僅かな非対称性が存在するだけでも大きな影響を受けてビームの質が劣化する。しかし、第２段目以降の加速空洞中では、電子は既にかなり加速されていて電子ビームのエネルギも高くなっており、多少の非対称性があっても大きな影響を受けることはない。
【００２２】
さらに、高周波電力入力ポートを備える加速空洞の、高周波入力ポートと軸対称の位置に真空引きポートを備えるようにすることが好ましい。真空吸引ポートも加速空洞の形状を非対称にするものであって、電場の対称性を乱す原因となる。そこで、高周波電力入力ポートと対称の位置に真空ポートを設けることにより両者を相殺して加速空洞に励起する電場の非対称性を小さくする。
【００２３】
熱放出型電子源を用いる場合は、電子源の近傍に高周波加速電場に同調するグリッドパルサを設けて、加速位相時にのみ電場中に電子を供給するようにすれば、バックボンバードメントを大幅に低減することが可能である。また、１バンチあたりの電荷量を増やして強い電子ビームを生成させることができる。
【００２４】
以下、本発明に基づく実施例について図面を参照して説明する。
図１は本発明の高周波電子銃の第１実施例を表すブロック図、図２は本発明第２の実施例を示す図面、図３は第２実施例の別の仕様態様を表すブロック図、図４はそれに用いる結合空洞ディスクのスロット形状を示す側面図、図５はそれに用いる別の結合空洞ディスクを示すブロック図、図６は本実施例における結合定数の変化を示す線図、図７は本発明の第３の実施例を示すブロック図、図８は本発明の高周波電子銃の第４実施例を示すブロック図、図９は本発明の高周波電子銃の第５実施例における電子源部分を示す断面図である。
【００２５】
【実施例１】
本実施例の高周波電子銃は自由電子レーザ装置などにおける電子ビーム源として用いることができる電子銃で、図１に示すように、第１加速空洞２と第２加速空洞４を備えている。第１加速空洞２と第２加速空洞４の間には結合空洞３が設けられている。第１加速空洞２と結合空洞３は第１のディスク５で仕切られており、第２加速空洞４と結合空洞３は第２のディスク６で仕切られている。
【００２６】
第１加速空洞２、結合空洞３，第２加速空洞４は、電子ビームの軸７に関して対称に構成されている。図面では、最も基本的な円筒導波管の一部に対応するいわゆるピルボックス空洞が３個接続されたものとして表示したが、発明の技術的思想を説明する便宜のためで、さらに複雑な形状を有するものであっても良いことは言うまでもない。
【００２７】
高周波空洞には高周波電源から高周波電力が供給され、高周波空洞のディメンジョンに適合した共振周波数を有する定在波が発生する。供給する高周波電力の周波数を適当に選ぶと、第１加速空洞２中に励起される電磁場の位相と第２加速空洞４中に発生する電磁場の位相の間にπのずれを持たせたπ／２モードの状態にすることができる。このときは、例えば図１の下側部分に示したように、軸上の加速電場強度がある瞬間において点線８で表されるとすれば、高周波ＲＦの１／２周期後における加速電場強度は実線９で表されたようになる。
【００２８】
第１加速空洞２の壁の中心に電子源１が設けられており、対向する壁の中心に開孔が設けられている。電子ビーム７は電子源１から開孔の中心を通って結合空洞３、さらに第２加速空洞４に射入する。高周波空洞はπ／２モード状態になっている。
電子ビームは第１加速空洞２における電界が正方向の時に引き出され、電界が０である結合空洞３を通過し、今度はπだけ進んで正方向に電界がかかる位相になっている第２加速空洞４中の高周波により継続的に加速力を受けて増速する。
【００２９】
このように、結合空洞３を介在させπ／２モードを用いるため空洞内の高周波電力は十分な群速度を持ち、第１加速空洞と第２加速空洞を直接結合させてπモードを用いる場合と比べて、ビーム負荷や周波数誤差に対する許容性が格段に大きくなる。このため、周波数のチューニングが非常に容易になり、また空洞の温度変動などに起因する周波数の変動に対して安定な運転が可能となる。
【００３０】
【実施例２】
本実施例の高周波電子銃は、第１実施例における加速空洞と結合空洞を仕切るディスクにスロットを設けて結合定数を大きくしたもので、図２（ａ）はその断面図、図２（ｂ）はディスクに設けたスロットの部分を第１ディスクの左側から見た側面図である。したがって実線は第１ディスクのスロット、点線は第２ディスクのスロットを表す。
なお以下の各実施例の説明において、図１に示したものと同じ機能を有する要素には同じ参照番号を付して説明を簡約化する。
【００３１】
第１ディスク５と第２ディスク６は、中心軸から離れた位置にそれぞれスロット１１とスロット１２が開口されている。加速空洞における磁場強度は中心軸から遠ざかるほど大きくなるので、中心軸から離れた位置に開口されたスロット１１、１２により加速空洞と結合空洞の間に強い磁気的結合が加わり、両者間の結合定数が大きくなる。結合定数が大きいと、各モードの分離が容易になり、安定な運転が可能になる。
【００３２】
図３は、ディスクに開口するスロットにより、結合定数を調整して希望する特性を具現化した高周波電子銃を示すブロック図である。
図４（ａ）（ｂ）に示したように、第１ディスク５に開口したスロット１３より小さいスロット１４を第２ディスク６に開口することにより、第１加速空洞と結合空洞の間の第１結合定数ｋ１を第２加速空洞と結合空洞の間の第２結合定数ｋ２より大きくすることができる。
【００３３】
また、図５は中心軸上の結合穴の径を変えることで第１結合係数ｋ１が第２結合係数ｋ２より大きくなるように調整して電気的結合したものである。第１ディスク５の結合穴径を第２ディスク６よりも大きくすることにより第１結合係数ｋ１は第２結合係数ｋ２より大きくなる。
このようにすると、希望する電界強度比が得られるばかりでなく、第１ディスクの結合穴径が大きくなるので低速電子に対してもビーム軸に垂直な方向の電場を小さくでき、エミッタンスを向上させることが可能である。なお、第２加速空洞と結合空洞間は電気結合であっても磁気結合であっても良い。
【００３４】
結合定数を上記のように選択することにより第１加速空洞２中の電界強度を相対的に弱くして、電子源１へのバックボンバードメントを減少させて電子源の寿命を長期化することができる。
すなわち、第１加速空洞における軸上加速電場強度の最大値Ｅ１と第２加速空洞における軸上加速電場強度の最大値Ｅ２の比Ｅ１／Ｅ２がｋ１／ｋ２に逆比例するから、図３の下側のグラフに示すように、電子源１の存在する第１加速空洞２における最大電界強度が第２加速空洞４のものより小さくなる。
したがって、第１加速空洞２中に存在する電子が逆行して電子源１に衝突する力の原因である第１加速空洞２中の逆位相電界が弱くなり、バックボンバードメントも減少するのである。
【００３５】
なお、結合定数比ｋ１／ｋ２を大きくするほどバックボンバードメントが減少するが、一方この結合定数比は電子ビームのエミッタンスにも影響を与えるのでビームの質を確保する必要を考慮すると、結合定数比ｋ１／ｋ２は小さ過ぎても大き過ぎてもよくない。
図６は、結合定数比ｋ１／ｋ２とこれらの関係を示した図面で、横軸を結合定数比にとり、縦軸にバックボンバードメントパワー（単位：Ｗ）とエミッタンス（単位：π・ｍｍ・ｍｒａｄ）をとって表したものである。この図から、バックボンバードメントを抑制しかつエミッタンスを劣化させない領域として結合定数比ｋ１／ｋ２が１．５から４程度の範囲が適当であることが分かる。
【００３６】
【実施例３】
本実施例の高周波電子銃は、第２加速空洞に高周波電力入力ポートと真空引きポートを備えるものである。図７（ａ）は本実施例の側面断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）におけるＡ−Ａ断面を表す図面である。
高周波電力入力ポート２１は第２加速空洞４に設けられている。電子ビームのエネルギは電子源１から放出されて間もない第１加速空洞２にあるときより、第２加速空洞４におけるときの方が大きいため、高周波電力入力ポート２１による非対称性の影響を受けにくいからである。
【００３７】
また、第２加速空洞４の外周部には真空引きポート２２も設けられている。
高周波電力入力ポート２１と真空引きポート２２は電子ビームの軸７に関して軸対称の位置に配設されていて、これらポートが高周波空洞内の電場分布に与える乱れを相殺し、電場の非対称性を緩和するようになっている。
本実施例の高周波電子銃では、安定性が良くビーム質が高い電子ビームを発生することができる。
【００３８】
【実施例４】
本実施例の高周波電子銃は熱放出型電子源を用いるものであって、電子源の近傍にグリッド電極を設けたものである。
図８は本実施例を表すブロック図で、第１加速空洞２の壁面に設けられた熱陰極型電子源１の前面にグリッド極３１が設けられている。グリッド極３１は負電位に保持され、第１加速空洞２内に電子が送出されるのを抑制しており、これに高周波電場が重畳されることで、加速位相の正方向電場がかかるときにのみ第１加速空洞２内に電子が送出される。
このように、逆位相期間は第１加速空洞２中に逆行する電子が存在しないようにしてバックボンバードメントを減少させる。
また、本実施例の高周波電子銃は熱放出された電子を適正な加速を得られる位相にのみ送出するので、いたずらに空洞へのビーム負荷を増やすことなく１バンチあたりの電荷量を増やして強い電子ビームを生成させることができる。
【００３９】
【実施例５】
本実施例の高周波電子銃は、熱放出型電子源の中心部に小型のファラデーカップを設けたものである。
図９は本実施例の電子源部分を表す断面図で、円筒状カソード３３の中心空洞部にファラデーカップ３４が配設された電子源１が示されている。
バックボンバードメントのパワー密度はカソード中心が高くなることが多いので、カソードの中心部に穴を開け電子を吸収するファラデーカップを埋設することでバックボンバードメント電子の多くをファラデーカップで吸収し、カソードのダメージを低減することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明を用いれば、バックボンバードメントが減少するので電子源寿命の長い安定な運転が可能な高周波電子銃が得られる。しかも、動作上の余裕があるため、設計が容易でよりコストの低い加速空洞を用いるので、より経済的な高周波電子銃を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波電子銃の第１の実施例を加速電場強度との関係と共に示すブロック図である。
【図２】本発明の高周波電子銃の第２実施例を示す図面である。
【図３】本実施例の別の態様を加速電場強度との関係と共に示すブロック図である。
【図４】本実施態様に用いる結合空洞ディスクのスロット形状を示す側面図である。
【図５】本実施例のさらに別の態様を示すブロック図である。
【図６】本実施態様における結合定数の変化を示す線図である。
【図７】本発明の高周波電子銃の第３実施例を示す図面である。
【図８】本発明の高周波電子銃の第４実施例を示す図面である。
【図９】本発明の高周波電子銃の第５実施例における電子源部分を示す図面である。
【符号の説明】
１  電子源
２、４  加速空洞
３  結合空洞
５、６  ディスク
７  電子ビーム軸
１１、１２、１３、１４  スロット
２１  高周波電力入力ポート
２２  真空引きポート
３１  グリッド極
３３  カソード
３４  ファラデーカップ
【図１】
0003707932.tif 000002
【図２】
0003707932.tif 000003
【図３】
0003707932.tif 000004
【図４】
0003707932.tif 000005
【図５】
0003707932.tif 000006
【図６】
0003707932.tif 000007
【図７】
0003707932.tif 000008
【図８】
0003707932.tif 000009
【図９】
0003707932.tif 000010