(57)【要約】【課題】  小型かつ軽量の装置でありながら高いエネルギーを実現することができる電子線照射装置を提供する。【解決手段】  この電子線照射装置は、電子３４を発生させる電子源３２と、それからの電子３４を周回させて加速する円形の加速器であって、電子の軌道半径が大きくなるにつれて磁場の強さが強くなる磁場勾配を持ち時間的に一定の磁場を発生させる複数の電磁石４２を有しているＦＦＡＧ加速器４０と、それからの電子３４を走査する走査器１２と、それからの電子３４を透過させると共に走査器１２の内外の雰囲気を分離する窓箔１６とを備えている。【選択図】  図１
2006170806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子を発生させる電子源と、
前記電子源からの電子を周回させて加速する円形の加速器であって、電子の軌道半径が大きくなるにつれて磁場の強さが強くなる磁場勾配を持ち時間的に一定の磁場を発生させる複数の電磁石を有しているＦＦＡＧ加速器と、
前記ＦＦＡＧ加速器からの電子を走査する走査器と、
前記走査器からの電子を透過させると共に前記走査器の内外の雰囲気を分離する窓箔とを備えていて、
前記窓箔を透過した電子を被照射物に照射するように構成されていることを特徴とする電子線照射装置。
【請求項２】
電子を発生させる複数の電子源と、
前記各電子源からの電子をそれぞれ周回させて加速する円形の加速器であって、電子の軌道半径が大きくなるにつれて磁場の強さが強くなる磁場勾配を持ち時間的に一定の磁場を発生させる複数の電磁石をそれぞれ有している複数のＦＦＡＧ加速器と、
前記複数のＦＦＡＧ加速器からの電子を透過させると共に前記複数のＦＦＡＧ加速器の内外の雰囲気を分離する窓箔とを備えていて、
前記窓箔を透過した電子を被照射物に照射するように構成されていることを特徴とする電子線照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子を加速して被照射物に照射して、当該被照射物に例えば高分子架橋、塗膜硬化、医療器具の殺菌等の処理を施す電子線照射装置に関し、より具体的には、電子加速器の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子線照射装置の殆どは、電子を静電界によって加速する静電加速型のものである（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
そのような電子線照射装置の一例を図３に示す。この電子線照射装置は、電子源２で発生させた電子（電子線）４を、静電加速器６で所望のエネルギーに加速し、走査器１２でＹ方向（これは照射幅方向とも呼ばれる）に走査し、走査器１２の出口部に設けられた照射窓１４を通して照射雰囲気（例えば大気中）に取り出し、被照射物１８に照射して当該被照射物１８に前記のような処理を施すよう構成されている。
【０００４】
静電加速器６は、多数枚の加速電極（図示省略）を有しており、直流高圧電源装置２０から高電圧ダクト２２（または直流高圧ケーブル）を経由して、直流で高電圧（例えば３００ｋＶ〜５ＭＶ程度）の加速電圧が印加される。そして、電子４を当該加速電圧に応じた高エネルギー（例えば３００ｋｅＶ〜５ＭｅＶ程度）に加速（静電加速）する。直流高圧電源装置２０および高電圧ダクト２２の内部には、絶縁距離を小さくするために、例えば、ＳＦ6 ガス等の絶縁ガスが充填されている。
【０００５】
走査器１２は、上記電子４を磁場によって前記Ｙ方向に走査する走査コイル８と、その出口部に接続された末広がりの走査管１０とを有している。
【０００６】
この走査管１０から前記電子源２の内部は真空雰囲気にある。照射窓１４は、走査器１２からの電子４を透過させると共に、走査器１２等の内外の雰囲気を分離する窓箔１６を有している。
【０００７】
被照射物１８は、例えば、図示しない搬送装置によって、前記Ｙ方向と直交するＸ方向（これは搬送方向とも呼ばれる）に搬送されるが、これに限られるものではない。
【０００８】
【非特許文献１】坂本勇、外２名、「電子線照射装置の現状と今後の展望」、日新電機技報、日新電機株式会社、１９８６年１０月２８日、第３１巻、第４号、頁３−１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のような静電加速型の電子線照射装置においては、高い加速エネルギーを実現するためには、直流高圧電源装置２０から出力する加速電圧を高くしなければならないため、直流高圧電源装置２０が大型化する（例えば、加速電圧が５００ｋＶの場合でも、直流高圧電源装置２０は、直径が約１．５ｍ、高さ（長さ）が約４ｍという大型になる。）と共に、静電加速器６とその周辺機器間の絶縁距離も長くしなければならない。
【００１０】
その結果、電子線照射装置全体としては、かなり大型の装置になり、大きな設置面積を必要とする。装置全体の重量も大きくなる。また、電子線照射装置は、一般的に、電子線照射に伴って発生するＸ線（制動Ｘ線）を遮蔽するシールドルーム内に設置されるので、電子線照射装置の大型化に伴い、シールドルームも大型化し、ひいては建物（例えば工場）全体も大型化する。
【００１１】
そこでこの発明は、小型かつ軽量の装置でありながら高いエネルギーを実現することができる電子線照射装置を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る電子線照射装置の一つは、電子を発生させる電子源と、前記電子源からの電子を周回させて加速する円形の加速器であって、電子の軌道半径が大きくなるにつれて磁場の強さが強くなる磁場勾配を持ち時間的に一定の磁場を発生させる複数の電磁石を有しているＦＦＡＧ加速器と、前記ＦＦＡＧ加速器からの電子を走査する走査器と、前記走査器からの電子を透過させると共に前記走査器の内外の雰囲気を分離する窓箔とを備えていて、前記窓箔を透過した電子を被照射物に照射するように構成されていることを特徴としている。
【００１３】
ＦＦＡＧは、Fixed Field Alternating Gradientの略であり、固定磁場強収束と訳されている。
【００１４】
上記電子線照射装置によれば、電子源からの電子を、ＦＦＡＧ加速器によって、従来の静電加速器とは異なる原理によって、即ちＦＦＡＧ加速器の内部で電子を短時間の内に多数回周回させて繰り返して加速することによって、高いエネルギーに加速し、その電子を走査器で走査し、窓箔を透過させて被照射物に照射することができる。
【００１５】
前記走査器を設ける代わりに、複数の電子源と、複数のＦＦＡＧ加速器とを設けても良い。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、前記ＦＦＡＧ加速器によって、従来の静電加速器を用いる場合と異なり、高電圧を用いることなく電子を高いエネルギーに加速することができるので、従来のような大型の直流高圧電源装置が不要になる。しかも、ＦＦＡＧ加速器は電子を周回させて加速するので、当該ＦＦＡＧ加速器は小型になる。従って、小型かつ軽量の装置でありながら高いエネルギーを実現することができる。
【００１７】
その結果、当該電子線照射装置の設置面積を小さくすることができ、ひいては当該電子線照射装置を収納するシールドルームや建物を小さくすることができる。また、それらのコストを削減することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、この発明に係る電子線照射装置の一実施形態を示す概略図である。図３に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００１９】
この電子線照射装置は、簡単に言えば、従来の静電加速器６およびそれ用の直流高圧電源装置２０等の代わりに、ＦＦＡＧ加速器４０を備えている。
【００２０】
即ち、この電子線照射装置は、電子３４を発生させる電子源３２と、この電子源３２からの電子３４を周回させて加速する円形の加速器であって、電子３４の軌道半径が大きくなるにつれて磁場の強さが強くなる磁場勾配を持ち時間的に一定の磁場を発生させる複数の電磁石４２を有しているＦＦＡＧ加速器４０とを備えており、このＦＦＡＧ加速器４０からの電子３４を前記走査器１２によって前記Ｙ方向に走査し、前記照射窓１４の窓箔１６を透過させて被照射物１８に照射する構成をしている。
【００２１】
ＦＦＡＧ加速器の原理等の詳細は、例えば、「加速器の基礎と先端加速器」、ＯＨＯ   '０３  高エネルギー加速器セミナー、（財）高エネルギー加速器科学研究奨励会、２００３年８月２５日、頁１−２９に記載されている。
【００２２】
上記ＦＦＡＧ加速器４０は、上記文献に記載されている原理の加速器であり、以下に詳述する。
【００２３】
まず、上記ＦＦＡＧ加速器４０の要点を説明すると次のとおりである。即ち、ＦＦＡＧ加速器４０は、円形加速器の一種である。
【００２４】
円形加速器には、大きく分けて、磁場の強さが変わらないサイクロトロンと、加速される粒子（例えば電子。以下同様）のエネルギー（速度）に同期して磁場を強くして行くシンクロトロンとがある。サイクロトロンでは、粒子のエネルギーが高くなるにつれて、粒子の軌道半径が大きくなり、螺旋状の軌道になるが、シンクロトロンでは、粒子はいつもほぼ同じ半径の軌道を回るように磁場の強さが調整される。現在の円形の大型加速器は殆どがシンクロトロンである。
【００２５】
シンクロトロンでは、粒子を入射してから最高エネルギーに到達するまでの時間は、電磁石の磁場の強さを変えるための時間でほぼ決まっていて、数秒ほどかかる。また、粒子の軌道を一定に揃えるために、凸レンズと凹レンズの役割をする磁石をうまく組み合わせた、強収束という手法が用いられる。
【００２６】
これに対して、サイクロトロンでは、磁場の強さを変える必要がないので、加速はほぼ瞬時に終わるが、粒子の軌道半径がエネルギーと共に大きくなるので、到達できるエネルギーは建設できる磁石の半径と磁場の強さで決まってしまう。
【００２７】
ＦＦＡＧ加速器４０は、シンクロトロンとサイクロトロンの長所を組み合わせた加速器であり、シンクロトロンの強収束の技術で粒子の軌道を安定化させると共に、サイクロトロンと同様に磁場の強さが一定なので、粒子を入射してから最大加速までの時間が極めて短い（例えば、１ｍｓ程度）という特徴を併せて持っている。磁場の強さは、軌道半径が大きくなるにつれて強くなるように設計されている。
【００２８】
ＦＦＡＧ加速器４０では、加速のサイクルが短いので、例えば１秒間に数千回〜数万回という繰り返し加速も簡単に行うことができ、多くの粒子ビーム（即ち大電流ビーム）を加速することが簡単になる。
【００２９】
また、磁場が時間的に変化せず一定であるので、加速器の難しいタイミング調整などが必要なくなるという利点もあり、ＦＦＡＧ加速器４０の操作調整は易しい。更に、構造的に小型の加速器を作ることが可能であり、従って建設コストも少なくすることができる。  
【００３０】
次に、上記ＦＦＡＧ加速器４０のより具体例を図２を参照して説明する。このＦＦＡＧ加速器４０は、全体として円形を成すように配置された複数の電磁石４２を有している。各電磁石４２は、電子３４の軌道面を挟んで相対向する（即ち図２の紙面を電子３４の軌道面とすると、紙面を挟んで上下に相対向する）一対の磁極４４をそれぞれ有している。図２には、その一対の内の片方の磁極４４をそれぞれ記載している。なお、電子３４が通る経路は、図示しない真空容器で囲まれていて、真空雰囲気に保たれている。
【００３１】
各電磁石４２の磁極４４は、図２に示すように、内側が狭く外側が広い形状（扇状を変形したような形状）をしている。各電磁石４２は、その一対の磁極４４間に、時間的に一定の磁場（即ち直流磁場）Ｂを発生させる。しかも、各電磁石４２において一対の磁極４４間に発生させる磁場Ｂの強さは、電子３４の軌道半径が大きくなるにつれて強くなる磁場勾配を持っている。従って、電子３４は、その軌道半径が大きくなるほど大きなローレンツ力Ｆを内向きに受ける。反対に、軌道半径が小さくなると、受けるローレンツ力Ｆは小さくなる。なお、各電磁石４２において上記磁場Ｂを発生させる励磁コイルおよび直流の励磁電源は、図示を省略している。
【００３２】
電子源３２はこの例ではＦＦＡＧ加速器４０の内側に配置されており、当該電子源３２から出力された電子３４は、入射偏向マグネット５６によって曲げられて、上記複数の電磁石４２による加速空間に入射され、初めは最小軌道３４ａを採る。なお、入射偏向マグネット５６（および後述する取出し偏向マグネット５８）用の直流の励磁電源は、図示を省略している。
【００３３】
電子３４の周回軌道上に、電子３４を加速する加速器が配置されている。この例では誘導加速器４８がそれである。この誘導加速器４８は、四角い枠状のコア５０にコイル５２を複数回巻き、そのコイル５２にパルス電源５４を接続した構成をしている。
【００３４】
パルス電源５４から、例えば矩形波状のパルス電流をコイル５２に供給すると、コア５０内の加速空間に、時間的に変化する磁場が生じ、その磁場変化に伴って当該加速空間に電場が発生し、その電場によって電子３４は加速される。従って、電子３４はＦＦＡＧ加速器４０内を１周するごとに１回加速され、加速を受けるとそのぶん電子３４の軌道半径は大きくなるので、非常に細かく見ると、電子３４は、最小軌道３４ａから中間軌道３４ｂを経て最大軌道３４ｃへと螺旋状に多数回周回して、最大軌道３４ｃに達する。しかしそれは極めて短時間の内に起こる。前述したように、電子３４を入射してから最大加速までの時間は、例えば１ｍｓ程度と極めて短い。
【００３５】
上記パルス電源５４から供給するパルス電流は、上記最大加速までに要する時間（例えば１ｍｓ）よりも広いパルス幅を有している。従って、１パルスで電子３４を最終エネルギー（例えば５００ｋｅＶ）にまで加速することができる。
【００３６】
従って、上記のようなパルス電流をパルス電源５４からある程度高い周波数（例えば数十ｋＨｚ程度）で繰り返してコイル５２に供給することによって、非常に細かく見るとバンチ（集団）状の電子３４を、ほぼ連続（直流）に近い形で加速して取り出すことができる。例えば、上記パルス電流の周波数を２０ｋＨｚとすると、１秒間に２０，０００バンチもの電子３４を加速して取り出すことができる。このように、単位時間当たりに多くの電子３４を取り出せるということは、大強度（換言すれば大電流）の電子３４を取り出すことができるということである。
【００３７】
周回軌道からの電子３４の取り出しは、最大軌道３４ｃ上に配置された取出し偏向マグネット５８によって行われる。この取出し偏向マグネット５８から取り出された電子３４は、図１に示すように、真空雰囲気を保つ接続管６０を通して走査器１２に供給される。この走査器１２以降の動作は、図３を参照して前述したとおりであるので、ここでは重複説明を省略する。なお、ＦＦＡＧ加速器４０から取り出される電子３４は、例えば断面の直径が１０ｍｍ程度のスポット状をしている。そのようなものが上記周波数で取り出される。
【００３８】
以上のようにこの電子線照射装置によれば、電子源３２からの電子３４を、ＦＦＡＧ加速器４０によって、従来の静電加速器とは異なる原理によって、即ちＦＦＡＧ加速器４０の内部で電子３４を短時間の内に多数回周回させて繰り返して加速することによって、高いエネルギーに加速し、その電子３４を走査器１２で走査し、照射窓１４の窓箔１６を透過させて取り出して被照射物１８に照射することができる。
【００３９】
即ち、この電子線照射装置によれば、ＦＦＡＧ加速器４０によって、従来の静電加速器を用いる場合と異なり、高電圧を用いることなく電子３４を高いエネルギーに加速することができるので、従来のような大型の直流高圧電源装置が不要になる。しかも、ＦＦＡＧ加速器４０は電子を周回させて加速するので、当該ＦＦＡＧ加速器４０は小型になる。例えば、ＦＦＡＧ加速器４０の寸法は、直径が１ｍ程度、厚さが２０ｃｍ程度にすることができる。従って、小型かつ軽量の装置でありながら高いエネルギーを実現することができる。例えば、前述した３００ｋｅＶ〜５ＭｅＶ程度のエネルギーの電子３４を取り出すことができる。勿論、それ以下のエネルギー、例えば１００ｋｅＶ前後のエネルギーの電子３４を取り出すようにすることもできる。
【００４０】
なお、ＦＦＡＧ加速器４０用の前述したパルス電源５４は、高電圧を扱うものではないので、小型のもので済む。図３に示した従来の電子線照射装置も、実際は直流高圧電源装置２０へ入力電力を供給するインバータ付電源を有しており、上記パルス電源５４はそれにほぼ匹敵すると言うことができる。また、ＦＦＡＧ加速器４０用の前述した他の図示しない各電源も、高電圧を扱うものではないので、小型のもので済む。
【００４１】
従って、この電子線照射装置によれば、その設置面積を小さくすることができ、ひいては当該電子線照射装置を収納するシールドルームや建物を小さくすることができる。また、それらのコストを削減することもできる。例えば、電子線照射装置全体の設置面積は、図３に示した従来例の半分程度に小さくすることが可能になる。
【００４２】
なお、上記誘導加速器４８の代わりに、他の方式の加速器、例えば加速空洞を有する加速器を設けても良い。
【００４３】
また、図１に示した走査器１２を用いる代わりに、複数の電子源３２と、各電子源３２からの電子３４をそれぞれ加速する複数のＦＦＡＧ加速器４０とを設け、かつ当該複数のＦＦＡＧ加速器４０からの電子３４を透過させると共に当該複数のＦＦＡＧ加速器４０の内外の雰囲気を分離する窓箔を有する照射窓を設け、この照射窓の窓箔を透過した電子３４を被照射物１８に照射するように構成しても良い。各ＦＦＡＧ加速器４０の出口部に、窓箔を有する照射窓をそれぞれ設けるという考えもあるけれども、上記のように複数のＦＦＡＧ加速器４０に共通の照射窓を設ける方が、構造が簡単になる。
【００４４】
上記のように複数のＦＦＡＧ加速器４０を設ける場合、通常は各ＦＦＡＧ加速器４０から前述したようにスポット状の電子３４がそれぞれ取り出されるので、当該スポットが例えば直線上に並ぶように各ＦＦＡＧ加速器４０を並べて配置するのが好ましい。そのためには、例えば、各ＦＦＡＧ加速器４０の電子３４の取出し部が直線上に並び、かつ各ＦＦＡＧ加速器４０が相互に機械的に干渉しないように、各ＦＦＡＧ加速器４０を放射状に並べて配置すれば良い。
【００４５】
上記のように走査器１２を設けない例の場合は、走査器１２を用いる場合ほど、被照射物１８に照射する電子線量分布の均一性は良くないけれども、１台のＦＦＡＧ加速器４０から取り出される単一のスポット状の電子３４よりも広い領域に電子３４を照射することができる。それでも、被照射物１８の処理に必要とされる条件によっては、例えば被照射物１８の形状等によっては、さして不都合がない場合もある。
【００４６】
また、照射電子線量分布の均一性をより良くするために、各ＦＦＡＧ加速器４０から取り出される電子３４の断面形状（スポット形状）を、それらを並べる方向に長くして、互いの間に生じる隙間を小さく、または無くするようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】この発明に係る電子線照射装置の一実施形態を示す概略図である。
【図２】図１中のＦＦＡＧ加速器のより具体例を拡大して示す概略図である。
【図３】従来の静電加速型の電子線照射装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４８】
１２  走査器
１４  照射窓
１６  窓箔
１８  被照射物
３２  電子源
３４  電子
４０  ＦＦＡＧ加速器
４２  電磁石
４８  誘導加速器
【図１】
2006170806.tif 000003
【図２】
2006170806.tif 000004
【図３】
2006170806.tif 000005