(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、
周波数９００ＭＨｚ以下の連続的高周波電界が投入され、上記直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、
上記電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された上記直流電子ビームの軌道を、一回目の通過時には、入射軌道に対して出射軌道が同一で、かつ、進行方向が反対方向になるように偏向し、２回目以降は入射軌道に対して出射軌道が同一でなく、かつ、進行方向が反対方向になるように偏向する第一の電子ビーム偏向手段と、
上記電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、上記直流電子ビームの軌道を、入射軌道に対して出射軌道が同一でなく、かつ、進行方向が反対方向になるように偏向する第二の電子ビーム偏向手段と、
を備え、
上記電子ビーム発生手段は、上記電子ビーム加速手段に投入する高周波電界と同一の周波数で発生する直流電子ビームを発生するものであって、
上記電子ビーム発生手段により発生した上記直流電子ビームを第一の進行方向において上記電子ビーム加速手段内を通過させ（加速Ｘ）、
上記第一の電子ビーム偏向手段で上記直流電子ビームの進行方向を変え、再度、上記電子ビーム加速手段内を、同一軌道且つ上記第一の進行方向に対して反対方向の第二の進行方向で通過させ（加速Ｙ）、
上記第二の電子ビーム偏向手段により、上記直流電子ビームを偏向し、上記電子ビーム加速手段の外側を通過させ、再度、上記第一の電子ビーム偏向手段により偏向し、再度、上記電子ビーム加速手段内を、上記同一軌道且つ第二の進行方向で通過させ（加速Ｚ）、
以下、加速Ｚの動作を少なくとも１回以上繰り返すことで、直流電子ビームを加速することを特徴とする直流電子ビーム加速装置。
【請求項２】
上記直流電子ビームが上記電子ビーム加速手段を通過する時の加速位相の中心位相が、上記加速Ｘ、上記加速Ｙ、及び、上記加速Ｚで、互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の直流電子ビーム加速装置。
【請求項３】
上記電子ビーム加速手段を通過した上記直流電子ビームの一部を遮るビームスクレーパをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の直流電子ビーム加速装置。
【請求項４】
上記加速Ｚの動作を繰り返すことによって加速された上記直流電子ビームが衝突し、高速の陽電子を発生させるためのターゲットと、
高速の上記陽電子を減速させるモデレータと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の直流電子ビーム加速装置。
【請求項５】
直流電子ビームを発生する電子ビーム発生工程と、
上記電子ビーム発生工程により発生した上記直流電子ビームを第一の進行方向において、周波数９００ＭＨｚ以下の連続的高周波電界が投入された高周波空洞内を通過させて加速させる加速Ｘ工程と、
上記加速Ｘ工程において加速された上記直流電子ビームの進行方向を偏向し、再度、上記高周波空洞内を、同一軌道且つ上記第一の進行方向に対して反対方向の第二の進行方向で通過させて、加速させる加速Ｙ工程と、
上記加速Ｙ工程において加速された上記直流電子ビームを偏向し、上記高周波空洞の外側を上記第一の進行方向で通過させた後に、再度偏向し、上記高周波空洞内を、上記同一軌道且つ上記第二の進行方向で通過させて加速させる加速Ｚ工程と、
を備え、以下、上記加速Ｚ工程の動作を少なくとも１回以上繰り返すことで、直流電子ビームを加速することを特徴とし、
上記電子ビーム発生工程は、上記高周波空洞内に投入される上記高周波電界と同一の周波数で発生する直流電子ビームを発生する
ことを特徴とする直流電子ビーム加速方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は直流電子ビーム加速装置及び直流電子ビーム加速方法に関し、特に、医療用具殺菌、食品照射等に用いる大強度の電子ビームやＸ線、及び、大強度の直流低速陽電子ビームを発生させる直流電子ビーム加速装置及び直流電子ビーム加速方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、例えば、「小型シンクロトロン放射光源“オーロラ”の開発」（高橋、山田著、住友重機械技法Vol.39, No.116, 1991, pp.2~pp.10）に記載されている従来の電子ビーム加速装置である。この様なタイプの電子ビーム加速器はレーストラック・マイクロトロンと呼ばれている。図において、１１１は電子銃、１１２は入射電磁石、１１３は高周波空洞（ライナック）、１１４は偏向電磁石、１１５は電子ビーム軌道である。
【０００３】
動作について説明する。電子は電子銃１１１で発生する。発生する電子ビームの周波数は数Ｈｚ〜数１００Ｈｚ、パルス幅は数１０ｎｓ〜数１０μｓ程度である。発生した電子は、入射電磁石１１２によりレーストラック・マイクロトロンに入射される。マイクロトロン中では電子ビーム軌道１１５を通りながら、高周波空洞１１３を通過する毎に加速される。レーストラック・マイクロトロンでは主としてｓバンド帯（２．８ＧＨｚ）の高周波電界により加速を行う。高周波空洞を１回通過する時に得るエネルギーは５ＭｅＶ程度であることが多い。なお、電子ビーム軌道１１５を作る為に、高周波空洞１１３の両側に、偏向電磁石１１４が配設されている。
【０００４】
また、図１０は、例えば、“Slow positron production using an 18MeV electron linac”（H.Tanaka and T. Nakanishi, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B62, 1991，pp.259〜pp.263）に記載されている従来の電子ビーム加速装置で低速陽電子を発生する時の機器配置を簡略的に示した図である。図１０において、１２１は電子ビームの加速を行う線形加速器、１２２は電子ビームを衝突させるためのターゲット、１２３は衝突により発生する陽電子ビームの速度を低速にするモデレータ、１２４は低速陽電子ビームを輸送する輸送ライン、１２５はパルス状の低速陽電子ビームを直流化する直流化装置、１２６は低速陽電子ビームの測定を行う測定装置である。
【０００５】
動作について説明する。線形加速器１２１で加速された電子ビームはターゲット１２２に衝突し、モデレータ１２３を通過して、低速陽電子ビーム（数ｅＶ〜数１００ｅＶ程度）が発生する。その低速陽電子ビームを輸送ライン１２４により輸送し、直流化装置１２５に導く。線形加速器１２１で加速された電子ビームは、周波数数Ｈｚ〜数１００Ｈｚ、パルス幅は数１０ｎｓ〜数μｓ程度のパルスビームであり、発生した低速陽電子ビームも同程度の時間特性を持つパルスビームとなる。よって、そのまま測定装置１２６に導いた場合、パルス状の低速陽電子が測定装置に入るので検出器の飽和により測定が難しい。よって、直流化装置１２５で低速陽電子を蓄積し、そこから少しずつ低速陽電子を測定装置１２６に導く。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の様な従来の電子ビーム加速装置は、以下の様な問題点があった。
【０００７】
まず、図９に示した従来例においては、ｓバンド（周波数約２．８ＧＨｚ）用の高周波空洞を用いていたので、空洞の１セルの寸法が小さく、また温度変化による空洞の特性の変化が大きいので、連続で且つ大強度の高周波電界を投入することができず、パルス運転が不可欠であった。パルス運転では、平均電流が低く、大強度の電子ビームを必要とする利用分野には用いることができないという問題点があった。
【０００８】
また、図１０に示した従来例においては、まず、モデレータ部分で発生する低速陽電子はパルス状であり、測定に用いる為には直流化装置を用いる必要があったが、直流化を行う段階で低速陽電子の一部が消失するので効率が悪くなるという問題点があった。また、直流化装置を配設することで装置が大規模になってしまうという問題点があった。
【０００９】
さらに、図１０の従来例においては、発生に用いる電子ビームはパルス状であるので、平均電流が少なく、大強度の低速陽電子を発生させるには、電子の加速エネルギーを例えば１００ＭｅＶ程度に高くしなければならない。よって、線形加速器が非常に大規模となってしまうという問題点もあった。また、高エネルギー電子ビームをターゲットに衝突させると、大強度の中性子が発生するので、線形加速器室の大規模な遮蔽や大気の放射化対策が必須となり、全体システムが大規模になるといった問題点があった。
【００１０】
本発明はかかる問題点を解決する為になされたものであり、大強度の直流電子ビームの加速が可能で、また、装置の小型化を図りながら、効率よく大強度の低速陽電子ビームを発生させることができる直流電子ビーム加速装置及び直流電子ビーム加速方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、周波数９００ＭＨｚ以下の連続的高周波電界が投入され、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、上記電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームの軌道を、一回目の通過時には、入射軌道に対して出射軌道が同一で、かつ、進行方向が反対方向になるように偏向し、２回目以降は入射軌道に対して出射軌道が同一でなく、かつ、進行方向が反対方向になるように偏向する第一の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、直流電子ビームの軌道を、入射軌道に対して出射軌道が同一でなく、かつ、進行方向が反対方向になるように偏向する第二の電子ビーム偏向手段と、を備え、電子ビーム発生手段は、電子ビーム加速手段に投入する高周波電界と同一の周波数で発生する直流電子ビームを発生するものであって、電子ビーム発生手段により発生した直流電子ビームを第一の進行方向において電子ビーム加速手段内を通過させ（加速Ｘ）、第一の電子ビーム偏向手段で直流電子ビームの進行方向を変え、再度、電子ビーム加速手段内を、同一軌道且つ上記第一の進行方向に対して反対方向の第二の進行方向で通過させ（加速Ｙ）、第二の電子ビーム偏向手段により、直流電子ビームを偏向し、電子ビーム加速手段の外側を通過させ、再度、第一の電子ビーム偏向手段により偏向し、再度、電子ビーム加速手段内を、同一軌道且つ第二の進行方向で通過させ（加速Ｚ）、以下、加速Ｚの動作を少なくとも１回以上繰り返すことで、直流電子ビームを加速する直流電子ビーム加速装置である。
【００１４】
また、直流電子ビームが電子ビーム加速手段を通過する時の加速位相の中心位相が、加速Ｘ、加速Ｙ、及び、加速Ｚで、互いに異なる。
【００１５】
また、電子ビーム加速手段を通過した直流電子ビームの一部を遮るビームスクレーパをさらに備えている。
【００１６】
また、加速Ｚの動作を繰り返すことによって加速された直流電子ビームが衝突し、高速の陽電子を発生させるためのターゲットと、高速の陽電子を減速させるモデレータと、をさらに備えている。
【００１７】
また、この発明は、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生工程と、電子ビーム発生工程により発生した直流電子ビームを第一の進行方向において、周波数９００ＭＨｚ以下の連続的高周波電界が投入された高周波空洞内を通過させて加速させる加速Ｘ工程と、加速Ｘ工程において加速された直流電子ビームの進行方向を偏向し、再度、高周波空洞内を、同一軌道且つ第一の進行方向に対して反対方向の第二の進行方向で通過させて、加速させる加速Ｙ工程と、加速Ｙ工程において加速された直流電子ビームを偏向し、高周波空洞の外側を第一の進行方向で通過させた後に、再度偏向し、高周波空洞内を、同一軌道且つ第二の進行方向で通過させて加速させる加速Ｚ工程と、を備え、以下、加速Ｚ工程の動作を少なくとも１回以上繰り返すことで、直流電子ビームを加速し、電子ビーム発生工程は、高周波空洞内に投入される高周波電界と同一の周波数で発生する直流電子ビームを発生する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。図１は、この発明の一実施の形態である直流電子ビーム加速装置の構成を示した概略構成図である。図において、１は電子ビームの軌道、１２は電子銃等からなり、電子を発生させる電子ビーム発生部、１３は、２つのセルから構成され、電子ビームの加速を行う高周波空洞、１４及び１５は電子ビームを偏向して電子ビームの進行方向を変化させる第一の電子ビーム偏向手段及び第二の電子ビーム偏向手段である。第一の電子ビーム偏向手段１４は、図のように、２個の電磁石で構成される。その磁石の極性は互いに異なっており、その磁場強度と磁石間の距離は、一回目の通過時に電子の入射軌道と出射軌道とが同一となるように調整された値とする。一方、第二の電子ビーム偏向手段１５も、図のように、２個の電磁石で構成されて、その磁石の極性は互いに異なっているが、その磁場強度と磁石間の距離は、電子の入射軌道と出射軌道とが同一ではなく、出射軌道が入射軌道の外側を通過するように調整された値とする。
【００１９】
次に、本発明の直流電子ビーム加速装置の動作の概略に関して説明する。電子ビーム発生部１２で発生した電子は、加速軌道（すなわち、図１の電子ビームの軌道１）に入射される。入射した電子ビームは、進行方向Ｐで高周波空洞１３を１回通過（加速Ｘ）する。その後、第一の電子ビーム偏向手段１４により、電子ビームの進行方向を変えられ、電子の軌道が同一軌道で且つ反対方向（進行方向Ｑ）になり、電子ビームは高周波空洞１３を反対方向（進行方向Ｑ）で通過する（加速Ｙ）。通過した電子ビームは、第二の電子ビーム偏向手段１５により偏向される。今度は進行方向Ｐ方向へ偏向されるが、軌道は前述の入射軌道と同一ではなく、高周波空洞１３の外部を通過させる。次に、電子ビームは、再度、第一の電子ビーム偏向手段１４により偏向され、再度、高周波空洞１３を進行方向Ｑで通過させる（加速Ｚ）。その後は、加速Ｚの過程を繰り返すことで、進行方向Ｑで高周波空洞１３を通過し直流の電子ビームは高エネルギーまで加速される。
【００２０】
本発明の構成及び動作についてさらに詳しく説明する。本実施の形態は、電子を５ＭｅＶまで加速するＣＷ（直流）の直流電子ビーム加速装置を例にして説明する。高周波空洞１３での加速電圧は１ＭＶ程度であるとする。電子ビーム発生部１２で電子を発生させ、上述したように、第一の電子ビーム偏向手段１４と第二の電子ビーム偏向手段１５により電子ビームの軌道１を形成させる。また、直流電子ビームの加速は、高周波空洞１３で行うが、高周波空洞１３には、周波数概９００ＭＨｚ以下の高周波電界を投入する。大電流の直流電子ビームを加速するには、高周波空洞１３に大強度のパワー（高周波電界）を投入する必要がある。高周波電界を投入すると、高周波空洞１３の壁の電気抵抗により熱が発生する。熱により高周波空洞１３の寸法が変わると所定の高周波電界をかけることができなくなるので、熱を除去する必要がある。高周波空洞１３に投入できるパワーは熱の除去が可能な大きさと相関があり、通常、高周波空洞１３の寸法が大きい程、大電力を投入できる。高周波空洞１３の寸法を大きくする為には、高周波電界の周波数を下げる必要がある。本発明の様に数１０ｋＷ以上の大電流を加速する為には、周波数９００ＭＨｚ以下の高周波電界を用いるのが望ましい。高周波電界の周波数が低い程、高周波空洞１３の寸法も大きくなり、且つ、電子ビーム加速装置の大きさが大きくなる。また、高周波電界の周波数が低い程、単位長さ当たりの加速エネルギーが小さくなる。一方、高周波電界の周波数が低い程、空洞壁で損失するパワーの除去が簡単になる。よって、上記の相関により、選択する周波数が決定される。大電力の直流電子ビームを加速したい場合にはより低周波数の高周波電界を選択する必要がある。
【００２１】
一方、高周波電界の電圧が高いと壁損失が増加する。一般に加速電圧の２乗に壁損失は比例する。直流電子ビーム加速装置は必要な電力が小さいことが望まれるので、壁損失を少なくする為に加速電圧が低いことが望ましい。ところで、本発明の装置の入射エネルギーは１００ｋｅＶ以下であり、低エネルギー時の電子の光速との速度の差が無視できない。光速との速度の差があると、加速電圧を下げて空洞長を長くした場合には、加速中に電子ビームは高周波電界の位相からずれて加速できなくなる。よって、加速電圧はある値以下には下げることはできない。よって加速高周波電界の周波数が決まれば必要な加速電圧はある程度の範囲に限定される。
【００２２】
以上の様なことにより、本発明の装置は数１０ｋＷ程度の電子ビームの加速を考えると、高周波電界の加速周波数は約９００ＭＨｚ以下に限定される。また、加速電圧や空洞セル数等もある範囲に限定される。例えば、周波数として５００ＭＨｚを選択した場合には、５ＭｅＶまで加速する為には、高周波空洞１３のセル数２、加速電圧１ＭＶ、空洞通過数５回程度の値が望ましい。その場合、高周波空洞１３での壁損失は６０ｋＷ程度となり。３０ｋＷのビームを加速しようとすると、高周波電源としては９０ｋＷ〜１００ｋＷ程度の電源パワーが必要となる。高周波電源としては、クライストロン電源の他に、ＩＯＴ（Inductive Output Tube）電源を用いることができる。
【００２３】
大電力の直流電子ビームを加速する場合には、電子ビーム発生部１２から発生する電子の出射タイミングと高周波空洞１３にかける高周波電界の位相を併せる必要がある。図２に、高周波空洞１３を１回通過させる時に得ることができるエネルギーを示す。横軸が電子ビームの進行方向の位置（座標）、縦軸がその位置での電子のエネルギーを示す。このグラフは、電子の初期位相と高周波電界の位相を１０度ずつずらして１０個の電子をシミュレーションした結果である。電子の初期位相により高周波空洞１３を通過した時に得られるエネルギーが大きく変わることがわかる。本発明の直流電子ビーム加速装置で加速できる電子ビームのエネルギー幅は位相全幅で精々３０度程度であるので、電子ビーム発生部１２から出る電子の位相幅がそれ以上大きい場合には加速できず失われてしまう。よって、電子ビーム発生部から出る電子ビームを効率的に加速する為には高周波加速電界との位相差を制御する必要がある。
【００２４】
図３に、図９に示した従来の電子ビーム加速装置の高周波電界と電子ビームの加速位相との関係を示す。図において、３０は加速高周波電界、３１は電子銃出力、３２は加速ビーム位相である。電子銃１１１からは、上述したように、周波数数Ｈｚ〜数１００Ｈｚ、パルス幅は数１０ｎｓ〜数１０μｓ程度のパルスビームが出射される。よって、加速可能なビームは図３中に示す様にパルス幅内の一部のビームに限られていた。よって、平均加速電流は低かった。
【００２５】
図４に、本発明の直流電子ビーム加速装置の高周波電界と電子ビームの加速位相との関係を示す。図において、４０は加速高周波電界、４１は電子ビーム発生部１２から出射される電子ビームである。電子ビーム発生部１２からは、高周波電界に同期したパルスが出射される。よって、高周波電界のどの波も電子が加速することが可能であり大電力の電子ビームを加速することが可能となる。なお、電子ビーム発生部１２から出射される電子ビームの周波数は、高周波加速電界の周波数と同一とした場合が最も効率が良いが、２分の１、３分の１としても良い。高周波加速電界の周波数が高い場合には、電子ビームの出射の周波数を同一にすることは難しい場合があり、その場合には上記の様に周波数を整数分の１にした運転を行う必要がある。
【００２６】
図５に電子ビーム発生部（電子銃）１２の一例の概略構成図を示す。図において、２１１は陰極、２１２はグリッド、２１３は陽極、２１４はビーム電源、２１５はグリッド電源、２１６は電子ビームである。ビーム電源２１４には５０ｋＶから１００ｋＶ程度のＤＣの高電圧がかけられている。グリッド電源２１５は、高周波空洞１３（図１）の周波数に同期した高周波パルスを発生させることが可能な電源である。電子は陰極２１１から熱電子放出により発生する。その後、グリッド２１２で変調され、高周波空洞１３に同期したパルスとなり、陽極２１３から取り出される。増幅器としては、Ｃ級増幅で運転される。本実施の形態では５００ＭＨｚ程度の変調を行う必要があるが、テレビ局の基地局で用いられている高周波増幅器の電子銃部分を用いることで達成可能である。なお、本実施の形態では、電子ビーム発生部１２からは、高周波電界に同期したパルスが出射されるとしたが、ＣＲＴの電子銃の様にＤＣの電子ビームを発生させても良い。熱電子放出形式の電子銃の場合、３Ａ／ｃｍ2程度の電子ビームを発生させることが可能である。本実施の形態の装置では半径２ｍｍ程度の電子ビームを想定しているので、電子銃からは、３８０ｍＡ程度のＤＣビームを取り出すことが可能である。本発明の加速位相幅は３０度程度を想定しているので、３８０ｍＡ×３０／３６０＝３２ｍＡ程度の平均電流の加速が可能である。例えば、５ＭｅＶまで加速をした場合には、１６０ｋｗ程度の大強度の電子ビームを得ることが可能である。但し、ＤＣビームとした場合には発生した電子ビームの一部しか加速しないので、効率は悪く、且つ、高出力の高圧電源が必要となる。
【００２７】
以上のように、この実施の形態においては、高周波電界を投入し直流（ＣＷ）電子ビームの加速を行う高周波空洞１３と、高周波電界の周波数と同一または整数分の１の周波数で且つ高周波空洞１３と同期したＣＷ電子ビームを発生する電子ビーム発生部１２と、電子を偏向する第一及び第二の電子ビーム偏向手段１４及び１５とを有し、電子ビーム発生部１２で発生した電子ビームを進行方向Ｐで高周波空洞１３を通過させ（加速Ｘ）、第一の電子ビーム偏向手段１４で電子ビームの進行方向を変え、再度、高周波空洞１３を概同一軌道且つ反対方向（進行方向Ｑ）で通過させ（加速Ｙ）、次に、第二の電子ビーム偏向手段により電子ビームを偏向し、高周波空洞１３の外側を通過させ、再度、第一の電子ビーム偏向手段１４により偏向し再度高周波空洞１３を概同一軌道且つ進行方向Ｑで通過させ（加速Ｚ）、以下、加速Ｚの動作を繰り返すことで、ＣＷの電子ビームを高エネルギーまで加速するようにしたので、ＣＷの大強度の電子ビームを加速することが可能であり、大強度の電子ビームを必要とする利用分野（例えば、医療用具殺菌及び食品照射等）に用いることが可能になるという効果が得られる。
【００２８】
実施の形態２．
以下、この発明の他の実施の形態を図について説明する。図６は、電子ビームが高周波空洞を通過する時の高周波電界位相と加速ビームの位相の関係を示している。図６において、５１が加速Ｘの電子ビームの位相、５２が加速Ｙの電子ビームの位相、５３が加速Ｚの電子ビームの位相、５４が加速高周波電界（ＲＦ加速電界）を表す。なお、本実施の形態における直流電子ビーム加速装置の基本的な構造は、上述の図１と同じであるため、図１を参照することとする。
【００２９】
上述したような従来の電子ビーム加速装置では電子ビームの位相は高周波電界のトップに近い位相で加速を行っていた。本発明の直流電子ビーム加速装置は電子ビームのエネルギーが低く、加速とともに電子ビームの速度の変化が大きく、高周波電界のトップ位相付近で加速を行うと、エネルギーゲインが小さくなる。また、トップ位相付近で加速を行うと、１回目の電子ビームが高周波空洞を通過する時と複数回目の電子ビームが高周波空洞を通過する時と同じ空間位置で加速をされるので、その部分の電子密度が大きくなり、空間電荷の影響が大きくなる。多くの電流を加速する装置では空間電荷の影響によりその最大電流値が決定されることが多いので電子密度をできるだけ下げる必要がある。
【００３０】
そのため、本発明では、図６に示すように、１回目の電子ビーム（加速Ｘ）と２回目の電子ビーム（加速Ｙ）は逆位相において加速するので、上記の様な問題は発生しない。また、３回目以降の電子ビーム（加速Ｚ）は２回目の電子ビームに近い位相で加速するが加速Ｚの方がよりトップに近い位相で加速される。よって、電子密度は大きくならず、空間電荷の影響が小さく、より多くの電流が加速できる。なお、３回目以降の電子ビームが高周波空洞１３を通過する時にはほぼ同位相で加速されるが、３回高周波空洞１３を通過してエネルギーが高くなっているので空間電荷の影響は非常に小さくなっており、想定している電流値程度では問題とならない。
【００３１】
以上のように、この実施の形態においては、図６に示すように、電子ビームが高周波空洞１３を通過する時の加速位相が、加速Ｘ、加速Ｙ、加速Ｚで互いに異なるようにしたので、空間電荷の影響を小さくし、直流の大強度の電子ビームを加速できるという効果が得られる。
【００３２】
実施の形態３．
以下、この発明の他の実施の形態を図について説明する。図７はこの発明の実施の形態３による直流電子ビーム加速装置の構成を示した概略構成図を示す。図において、１は電子ビームの軌道、１２は電子ビーム発生部、１３は高周波空洞、１４は第一の直流電子ビーム偏向手段、１５は第二の直流電子ビーム偏向手段、６１はビームスクレーパである。すなわち、本実施の形態は、上述の実施の形態１の構成に、ビームスクレーパ６１を追加したものである。このビームスクレーパ６１は、電子ビームの一部を遮って、高周波電界の所定の加速位相からずれた電子ビームを加速途中で除去するためのものである。
【００３３】
動作について説明する。電子ビーム発生部１２から出たビームは、高周波空洞１３を通過し第１回目の加速を行う。第１回目の加速は、高周波電界のトップ位相からはずれた位相で行うので、電子ビーム発生部１２から出た電子ビームの初期位相の違いによる、エネルギーゲインの相違が大きい。よって、高周波空洞１３を通過した後の電子ビームのエネルギー分散（エネルギーのばらつき）はかなり大きくなる。
【００３４】
本発明の直流電子ビーム加速装置の加速可能な電子ビームのエネルギー分散は精々３％程度であり、中心ビームよりエネルギーが３％以上ずれたビームは最終エネルギーまで加速できずに周回中に壁等に衝突して失われる。本発明の装置は大電流を加速するので、電子ビームが壁に衝突した時に発生する放射線や熱量は大きく、最終エネルギーまで加速できない電子ビームは、できるだけ低エネルギーで、しかも制御された位置で除去する必要がある。
【００３５】
よって、この実施の形態では、第一の電子ビーム偏向手段１４中、又は、第一の電子ビーム偏向手段１４の出口側に、ビームスクレーパ６１を設置した。電子ビームは偏向電磁石中ではエネルギーが高い電子は外側を、エネルギーが低い電子は内側を通過するので、外側と内側に金属板６１ａ及び６１ｂを配置しておけば、所定の範囲のエネルギーの電子のみを通過させることが可能となり、エネルギー分散が所定の値より大きい電子を除去することが可能であり、余分な放射線の発生量を抑えることができる。
【００３６】
なお、本実施の形態においては、ビームスクレーパ６１は外側と内側に金属板６１ａ及び６１ｂを設置した例について示したが、あるエネルギー以上の電子ビームのみを加速する構成も考えられ、その場合には金属板は内側のみに設置しておけば良い。
【００３７】
また、図７では、ビームスクレーパ６１を第一の電子ビーム偏向手段１４付近に設置したが、電子ビーム偏向手段１４の下流側であればどの位置に配置しても同様の効果を得ることができる。但し、高周波空洞１３を多数回通過した後では電子ビームのエネルギーが高くなるので、ビームスクレーパ６１で大強度の電子ビームを除去する必要が生じてくるので、発生する放射線量や熱の除去が難しくなるため、好ましくは、第一の電子ビーム偏向手段１４付近に設置するようにする。
【００３８】
また、ビームスクレーパ６１は除去すべき電子ビームのパワーに応じて、冷却構造を設ける必要がある。また、エネルギーを調整する為に、ビームスクレーパ６１の金属板を可動可能にする駆動機構を配設するようにしてもよい。
【００３９】
この実施の形態においては、上述の実施の形態１の構成に加えて、電子ビームの一部を遮るビームスクレーパ６１を設けて、高周波電界の加速位相からずれた電子ビームを加速途中で除去するようにしたので、上述の実施の形態１の効果が得られるとともに、さらに、利用目的以外の余分な放射線の発生量を抑えることができるという効果が得られる。
【００４０】
実施の形態４．
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。図８は、本発明の直流電子ビーム加速装置で低速陽電子を発生する時の機器配置を示した図である。図において、７１は上述の実施の形態１〜３で示したいずれかの直流電子ビーム加速装置と同じ構成を有した直流電子ビーム加速部、７２は金属ターゲット、７３はモデレータ、７４は、入口付近に金属ターゲット７２及びモデレータ７３が配設され、発生された陽電子を送る輸送ライン、７５は輸送ライン７４の出口付近に設けられた測定部である。なお、本実施の形態の直流電子ビーム加速装置は、直流電子ビーム加速部７１、金属ターゲット７２、及び、モデレータ７３から構成されている。
【００４１】
次に、動作について説明する。直流電子ビーム加速部７１で加速したＣＷの電子ビームを金属ターゲット７２に衝突させる。その結果、制動放射、及び、対生成により高速の陽電子が発生する。その高速陽電子をモデレータ７３に導き減速させる。モデレータ７３から出たビームは数ｅＶ程度の低速の陽電子である。その陽電子を輸送ライン７４を通し、測定装置７５へと導く。
【００４２】
本発明の装置で発生可能な低速陽電子の個数は、電子ビームの加速エネルギー１５ＭｅＶ、電子ビームのパワー９０ｋＷとすると、２．３×１０8個／ｓｅｃ〜１．４×１０9個／ｓｅｃである。発生個数は金属ターゲットやモデレータの構成や配置により異なるので装置により上記程度のばらつきを持つ。従来の世界最高の発生個数は、「世界のポジトロンラボラトリ」（岡田漱平著、Radioisotopes，Vol.42, No.7, 1993）に記載されている様に、ＯＲＮＬの装置の１．１×１０8個／ｓｅｃである。本発明の装置は従来の装置よりコンパクトで、しかも大強度の低速陽電子を発生させることが可能である。
【００４３】
従来の装置は、（１）アイソトープから出る陽電子を減速させて発生、（２）上述した図１０の従来例のように、１００ＭｅＶ程度の電子線形加速器から発生するパルス状の電子ビームをターゲットに衝突させ、減速させてパルス状の低速陽電子を得る、（３）陽子加速器等で発生する数ＭｅＶの陽子ビームをターゲットに衝突させ減速させて低速陽電子を得る、等の手法で発生させていた。それらと比較して本発明の装置は以下の様な利点がある。
【００４４】
上記の従来の手法（１）と比較とすれば、本発明の装置は、まず、大強度の低速陽電子を得ることが可能である。従来の手法（１）では１０6個／ｓｅｃ程度であったが、本発明では１０8〜１０9個／ｓｅｃの発生が可能である。また、アイソトープは常に陽電子を発生しているので取り扱いが非常に煩雑であるが、本発明の装置では装置を止めれば放射線は出ないので取り扱い易い装置を提供することができる。
【００４５】
上記の従来の手法（２）と比較すれば、本発明の装置は、小型の装置を提供でき、建屋の遮蔽が簡便となる。従来の手法（２）では陽電子の個数を増やすには１００ＭｅＶ程度の電子線形加速器が必要である。また、発生する陽電子ビームがパルス状であり、測定に用いるには低速陽電子の直流化装置が必要であった。一方、本発明では１５ＭｅＶ程度の加速で良く、且つ、直流化装置は不要である。更に、従来の手法（２）では大強度の中性子が発生するので建屋の遮蔽が大規模であるが、本発明では簡便な遮蔽で良い。
【００４６】
上記の従来の手法（３）と比較すれば、本発明の装置は、大強度の低速陽電子を得ることが可能である。従来の手法（３）では１０7個／ｓｅｃ程度の発生個数であるが、本発明では１０8〜１０9個／ｓｅｃの発生が可能である。更に、従来の手法（３）では陽子を加速するので、大強度の中性子が発生し、建屋の遮蔽が大規模であるが、本発明では簡便な遮蔽で良い。更に、従来の手法（３）では残留放射線が大きいが本発明の装置では殆どない。
【００４７】
なお、本発明では、ターゲットに９０ｋＷ程度の電子ビームを衝突させるので、ターゲットには上記パワーを除去する機構を設ける方が望ましい。ターゲット自身を冷却水の圧力で回転させる様な回転ターゲット方式の構成としてもよい。
【００４８】
以上のように、この実施の形態においては、上述の実施の形態１〜３の直流電子ビーム加速装置と同じ構成を有する直流電子ビーム加速部を備えるようにしたので、上述の実施の形態１〜３と同様の効果が得られるとともに、さらに、本発明においては、モデレータ７３から出た電子ビームはパルス状でないため、直流化装置等は不要になり、直流化に伴う陽電子の消失が防止できるため、効率よく大強度の低速陽電子を発生することができるとともに小型化が図れ、また、中性子の発生がないため、建屋の遮蔽が簡便でよく、かつ、装置を止めれば放射線が発生せず、残留放射線も殆どないので、取り扱いが容易であるという効果が得られる。
【００４９】
【発明の効果】
この発明は、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、周波数９００ＭＨｚ以下の連続的高周波電界が投入され、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、上記電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームの軌道を、一回目の通過時には、入射軌道に対して出射軌道が同一で、かつ、進行方向が反対方向になるように偏向し、２回目以降は入射軌道に対して出射軌道が同一でなく、かつ、進行方向が反対方向になるように偏向する第一の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、直流電子ビームの軌道を、入射軌道に対して出射軌道が同一でなく、かつ、進行方向が反対方向になるように偏向する第二の電子ビーム偏向手段と、を備え、電子ビーム発生手段は、電子ビーム加速手段に投入する高周波電界と同一の周波数で発生する直流電子ビームを発生するものであって、電子ビーム発生手段により発生した直流電子ビームを第一の進行方向において電子ビーム加速手段内を通過させ（加速Ｘ）、第一の電子ビーム偏向手段で直流電子ビームの進行方向を変え、再度、電子ビーム加速手段内を、同一軌道且つ上記第一の進行方向に対して反対方向の第二の進行方向で通過させ（加速Ｙ）、第二の電子ビーム偏向手段により、直流電子ビームを偏向し、電子ビーム加速手段の外側を通過させ、再度、第一の電子ビーム偏向手段により偏向し、再度、電子ビーム加速手段内を、同一軌道且つ第二の進行方向で通過させ（加速Ｚ）、以下、加速Ｚの動作を少なくとも１回以上繰り返すことで、直流電子ビームを加速する直流電子ビーム加速装置であるので、大強度の直流電子ビームを加速することができるという効果を奏する。
【００５２】
また、直流電子ビームが電子ビーム加速手段を通過する時の加速位相の中心位相が、加速Ｘ、加速Ｙ、及び、加速Ｚで、互いに異なるようにしたので、空間電荷の影響を小さくし、直流の大電流ビームを加速することができるという効果を奏する。
【００５３】
また、電子ビーム加速手段を通過した直流電子ビームの一部を遮るビームスクレーパをさらに備えているので、利用目的以外の余分な放射線の発生量が少ないという効果を奏する。
【００５４】
また、加速Ｚの動作を繰り返すことによって加速された直流電子ビームが衝突し、高速の陽電子を発生させるためのターゲットと、高速の陽電子を減速させるモデレータと、をさらに備えているので、大強度の直流の低速陽電子を、小規模なシステムで得られるという効果を奏する。
【００５５】
また、この発明は、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生工程と、電子ビーム発生工程により発生した直流電子ビームを第一の進行方向において、周波数９００ＭＨｚ以下の連続的高周波電界が投入された高周波空洞内を通過させて加速させる加速Ｘ工程と、加速Ｘ工程において加速された直流電子ビームの進行方向を偏向し、再度、高周波空洞内を、同一軌道且つ第一の進行方向に対して反対方向の第二の進行方向で通過させて、加速させる加速Ｙ工程と、加速Ｙ工程において加速された直流電子ビームを偏向し、高周波空洞の外側を第一の進行方向で通過させた後に、再度偏向し、高周波空洞内を、同一軌道且つ第二の進行方向で通過させて加速させる加速Ｚ工程と、を備え、以下、加速Ｚ工程の動作を少なくとも１回以上繰り返すことで、直流電子ビームを加速し、電子ビーム発生工程は、高周波空洞内に投入される高周波電界と同一の周波数で発生する直流電子ビームを発生するので、大強度の直流電子ビームを加速することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１における直流電子ビーム加速装置の構成を示した構成図である。
【図２】  高周波空洞を１回通過させた時の電子のエネルギーゲインを示したグラフである。
【図３】  従来の電子ビーム加速装置の高周波電界と加速電子ビームの位相関係を示したグラフである。
【図４】  本発明の直流電子ビーム加速装置の高周波電界と電子ビームの位相との関係を示したグラフである。
【図５】  本発明の直流電子ビーム加速装置に設けられた電子ビーム発生部（電子銃）の構成を示した構成図である。
【図６】  本発明の実施の形態２における直流電子ビーム加速装置において、電子ビームが高周波空洞を通過する時の高周波電界位相と加速ビームの位相の関係を示したグラフである。
【図７】  本発明の実施の形態３における直流電子ビーム加速装置の構成を示した構成図である。
【図８】  本発明の実施の形態４における直流電子ビーム加速装置の構成を示した構成図である。
【図９】  従来の電子ビーム加速装置の概略平面図である。
【図１０】  従来の電子ビーム加速装置で低速陽電子を発生する時の機器配置を示した図である。
【符号の説明】
１  電子ビームの軌道、１２  電子ビーム発生部、１３  高周波空洞、１４  第一の電子ビーム偏向手段、１５  第二の電子ビーム偏向手段、３０  高周波加速電界、３１  電子銃出力、３２  加速ビーム位相、４０  高周波加速電界、４１  電子ビーム発生部から出射される電子ビーム、５１  加速Ｘの電子ビームの位相、５２  加速Ｙの電子ビームの位相、５３  加速Ｚの電子ビームの位相、６１  ビームスクレーパ、７１  直流電子ビーム加速部、７２  金属ターゲット、７３  モデレータ、７４  輸送ライン、７５  測定部、１１１  電子銃、１１２入射電磁石、１１３  高周波空洞、１１４  偏向電磁石、１１５  電子ビーム軌道、１２１  線形加速器、１２２  ターゲット、１２３  モデレータ、１２４輸送ライン、１２５  直流化装置、１２６  測定装置、２１１  陰極、２１２グリッド、２１３  陽極、２１４  ビーム電源、２１５  グリッド電源、２１６  電子ビーム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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