(57)【要約】【課題】従来の前段加速器では、電子ビームの加速のみであり、減速によるエネルギー回収が行われないので、非常に大きな高周波電力（１００ｋＷ以上）を必要とし、大電力に耐え得る高周波アンテナが必要となり、ＥＲＬ建設上の大きな課題となっている。【解決手段】電子源で発生した電子ビームを前段加速器で加速かつ圧縮し、主加速器で更に加速して周回軌道上で放射光を発生した後、主加速器で減速してエネルギーを回収してビームダンプに捨てる放射光の発生方法において、前記前段加速器としてエネルギー回収型前段加速器を使用し、それを前記周回軌道上の主加速器の前に配置して減速によるエネルギー回収も行わせることにより、前段加速器でも加速のために外部から供給する高周波電力を低減する。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子源で発生した電子ビームを前段加速器で加速かつ圧縮し、主加速器で更に加速して周回軌道上で放射光を発生した後、主加速器で減速してエネルギーを回収してビームダンプに捨てる放射光の発生方法において、
前記前段加速器としてエネルギー回収型前段加速器を使用し、それを前記周回軌道上の主加速器の前に配置して減速によるエネルギー回収も行わせることにより、前段加速器でも加速のために必要とされる高周波電力を低減することを特徴とする、前記方法。
【請求項２】
前記両加速器が高周波加速器であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波加速器を使用して加速した電子ビームにより周回軌道上で放射光を発生させる際に、エネルギー回収型前段加速器を使用することにより、そこで消費される高周波電力を低減させることに関する。
【０００２】
エネルギー回収型前段加速器は、主加速器に入射する以前に、主加速器で効率よく加速されるように、電子ビームの長さを圧縮し、ほぼ光速まで前もって加速するための高周波加速器である。本発明は、この前段加速器での加速のために外部から供給する高周波電力を低減することに関する。
【０００３】
【従来の技術】
高周波加速器は、空洞内に高周波電力を投入することにより、高周波電場を発生させ、この電場で電子ビームを加速するためのものであるが、近年になり、エネルギー回収型線型加速器（ＥＲＬ：Ｅｎｅｒｇｙ−Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　Ｌｉｎａｃ）と呼ばれる電子線加速器が注目されるようになった。この加速器は主に次世代の放射光源のための高周波加速器であり、その最大の特徴は一度加速した電子ビームを周回軌道上の主加速器で減速することにより高周波電力を回収しているので、大電流の電子ビームの加速を行っているにもかかわらず、主加速器に投入するする高周波電力を非常に少なく出来ることにある。
【０００４】
即ち、図１に示されるように、電子源で発生した電子ビームは、従来型前段加速器で加速かつ圧縮され、主加速器でさらに加速されて周回軌道上で放射光を発生した後、主加速器で減速（エネルギー回収）され、ビームダンプに捨てられる。この場合、主加速器では減速によりエネルギー回収を行っているので、非常に少ない電力で大電流の電子ビームの加速が可能である。これは、電子源（入射器）および従来型前段加速器で得られたエネルギー１０ＭｅＶ程度、長さ３ｐｓ程度の電子ビームを周回軌道上の主加速器に入射する形態であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来型の前段加速器では、電子ビームの加速のみであり、減速によるエネルギー回収が行われないので、非常に大きな高周波電力（１００ｋＷ以上）を必要とし、大電力に耐え得る高周波アンテナが必要となり、ＥＲＬ建設上の大きな課題となっている。この高周波アンテナは、高周波加速器の加速空洞内に高周波電力を投入するためのものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
これに対し、本発明のエネルギー回収型前段加速器では僅かな高周波電力での運転が可能である。本発明は、図２に示されるように、エネルギー回収型前段加速器を周回軌道上に配置し、前段加速器の加速空洞における共振周波数を、投入する高周波の周波数から僅かにずらす（離調する）ことにより、電子ビームのエネルギーを回収し、前段加速器で要する高周波電力をほぼゼロすることにより、外部から供給する高周波電力を低減するものである。
【０００７】
すなわち、本発明においては、前段加速器で加速に要する電力は、前段加速器で減速される電子ビームから供給されるので、大電力高周波を外部から供給する必要がなくなり、先に述べた大電力用高周波アンテナが不要になる。
【０００８】
従来、主加速器では１８０度の位相差で電子ビームの加速と減速をそれぞれ行っているのに対して、前段加速器では電子ビームの加速と同時に圧縮も行うために加速と減速のビームの位相差が１８０度にならないので、単に周回軌道上に配置しただけでは効率的なエネルギー回収は行えない。
【０００９】
本発明においては、図３に示されるように、エネルギー回収型前段加速器を周回軌道上に配置するとともに、その加速空洞を離調することによる位相の操作により前段加速器での消費電力を劇的かつ容易に低減するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図３は、エネルギー回収型前段加速器での電力収支ベクトル図であり、描かれているベクトルは複素ベクトルであり、各軸が実軸（Ｒｅ：Ｒｅａｌ　Ａｘｉｓ）及び虚軸（Ｉｍ：Ｉｍａｂｉｎａｒｙ　Ａｘｉｓ）で表されている。加速・減速の電子ビームＩａｃｃ（加速ビーム電流ベクトル）とＩｄｅｃ（減速ビーム電流ベクトル）の位相差が１８０度でない場合には、図３のように電子ビームによる電圧ベクトルＶｂを生じ、Ｖｂの大きさは加速空洞のＱ値（加速空洞の共振の鋭さを表す量）によって操作できる。加速空洞を高周波に対して離調角Ψだけ離調しているときは、高周波に対する電子ビームによる電圧ベクトルＶｂ’（離調による電子ビーム電圧ベクトル）は次の式で表される。なお、離調角は、高周波の周波数に対して加速空洞の共振周波数を僅かにずらしたときの度合いを位相角で表したものである。
【００１１】
【数１】
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【００１２】
加速空洞内の電圧ベクトルＶｃは次の式で表されるので、加速空洞のＱ値と離調角を適当に選ぶことによってＶｇ（高周波源から供給される電圧ベクトル）を零にできる。図３は、電子ビームのある時とない時のＶｇが同じになるようにＱ値と離調角を選んだときの図である。
【００１３】
【数２】
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【００１４】
本発明の具体例として、エネルギー回収型前段加速器の設計の例を図４、図５及び図６に示す。電子銃として、ＧａＡｓカソード、電子ビーム長１７ｐｓ（ｒｍｓ）、電荷７７ｐＣ、繰り返し１．３ＧＨｚ、平均電流１００ｍＡ、アノード電圧２５０ｋＶのものを使用する。直流加速器として、加速電界２ＭＶ／ｍ、電圧２ＭＶのものを使用する。合流部として、３−Ｄｉｐｏｌｅ型、偏向角１５度、曲率半径１ｍ、磁石間隔０．８２ｍのものを使用する。前段加速器として、１．３ＧＨｚ、３ｃｅｌｌ×３＋９ｃｅｌｌ、空洞あたりの加速電圧１．２ＭＶ（３ｃｅｌｌ）、２０ＭＶ（９ｃｅｌｌ）、Ｑ０＝５×１０９のものを使用する。
【００１５】
上記３−Ｄｉｐｏｌｅ型とは、図４に示されるような３つの偏向電磁石（Ｄｉｐｏｌｅ）を用いたビーム合流器であり、このように３つの偏向電磁石を組み合わせて電子ビームを曲げると電子ビームの色収差を打ち消すことができる。
【００１６】
数値計算コードでビームダイナミクスについて計算した結果を図６に示すと、エネルギー２３ＭｅＶでｘ方向ｙ方向それぞれの規格化エミッタンスが１・５ｍｍ−ｍｒａｄ、電子ビーム長３．３ｐｓという電子ビームを得ることが出来る。この電子ビームの性能は、放射光源に利用されるＥＲＬで求められる前段加速器の性能として十分なものである。
【００１７】
また、このときの高周波電力収支については、加速・減速ビームの電流と位相、加速空洞の負荷時のＱ値と離調角から求めることが出来る。図５に示すように、３−ｃｅｌｌ空洞では加速・減速ビームの位相差が１８０度ではないが、２つのビームのベクトル和は減速になるので、Ｑ値と離調角をうまく選べば、完全なエネルギー回収が可能であり高周波電力の消費をほぼゼロに出来る。ただし、高周波電力を投入し電子ビームを加速している場合と高周波電力の投入のみの場合とで最適な離調角が異なるので、高速での離調を行うなどの実運転上の工夫が必要である。ここでは、どちらの場合でも高周波電力消費が等しくなる離調角としたときエネルギー回収型前段加速器と従来型前段加速器の消費電力の比較を表１にまとめて示す。この様に高速の離調を行わなくても、エネルギー回収型では消費電力を従来型の十分の一以下に出来た。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
更に、各図について説明すると、図４は、２ＭｅＶの直流加速器で入射した電子ビームをエネルギー回収型前段加速器で２３ＭｅＶまで加速することを示している。即ち、レーザーが直流加速器の電子銃に照射されて２ＭｅＶの電子ビームを発生させる。この電子ビームが３個の偏向電磁石を備えた３−Ｄｉｐｏｌｅ型合流部により、周回軌道の回収電子ビームと合流する。この合流電子ビームがエネルギー回収型前段加速器で加速かつ圧縮され、２３ＭｅＶの電子ビームとなり主加速器へ送られる。これと同時に回収電子ビームの減速によりエネルギー回収が行われるので、前段加速器での消費電力は非常に少ないものとなる。
【００２０】
図５は、エネルギー回収型前段加速器の構成と高周波位相に対する電子ビーム位置の図である。その前段加速器は、３ｃｅｌｌ空洞３台、９ｃｅｌｌ空洞１台及び四極レンズからなり、エネルギー回収を行いつつ１７ｐｓの長さの電子ビームを３．３ｐｓまで圧縮し、２３ＭｅＶまで加速するものである。即ち、エネルギー回収型加速器おいては、電子ビームが減速される際にエネルギー回収が行われながら、そのビームが加速されている。
【００２１】
エネルギー回収型前段加速器におけるエネルギー回収とビームの加速について説明すると、図５に示されるように、高周波電場は時間とともに正弦波状に変化する。この正弦波電場が「＋」のときに電子ビームが入射すれば、電子ビームが加速される。即ち、エネルギーが高周波から電子ビームに送られる。反対に、正弦波電場が「−」のときに電子ビームが入射すれば、電子ビームが減速される。加速と減速の電子ビームの位相が丁度１８０度ずれていると、加速に必要な電力と減速によって得られる電力が丁度釣り合うので、非常に少ない電力で大電流の電力ビームを加速することができる。
【００２２】
この原理を利用して、エネルギー回収型線型加速器（ＥＲＬ）では、従来、図１に示されるように、周回軌道上に主加速器を配置し、少ない高周波電力で大電流の加速を可能にすることができた。
【００２３】
本発明では、図２に示されるように、前段加速器も周回軌道上に配置してエネルギー回収を行い、前段加速器での消費電力の低減を計るものである。しかし、前段加速器では、図５に示されるように、加速ビームと減速ビームの位相差が１８０度ではないので、図３に示されるように、加速空洞の共振周波数を高周波の周波数から僅かにずらす（離調する）ことによる位相操作により加速に必要な電力と回収される電力の釣り合いをとり、前段加速器でも非常に少ない高周波電力で加速及び圧縮を可能にした。
【００２４】
図６は、本発明の具体例のビームダイナミックス計算結果を示した図である。ここで、エミッタンスは、電子ビームの質を表す量を示すものであり、エネルギーで規格化したものを規格化エミッタンスと呼び、この値が小さいほど質のよい電子ビームである。最上の図は、エネルギー回収型前段加速器により、ビームサイズがｘ方向及びｙ方向において順次減少して行くことを示しており、中央の図はエミッタンスがｘ方向及びｙ方向とも最終的に１．５ｍｍ−ｍｒａｄになることを示しており、最下の図は、最終的にビーム長さが３．３ｐｓとなり、そのエネルギーが２３ＭｅＶになることを示している。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、前記前段加速器としてエネルギー回収型前段加速器を使用し、それを前記周回軌道上の主加速器の前に配置して減速によるエネルギー回収も行わせることにより、前段加速器でも加速のために必要とされる高周波電力を低減することことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の前段加速器を使用したエネルギー回収型線型加速器の構成図を示す。
【図２】本発明のエネルギー回収型前段加速器を使用したエネルギー回収型線型加速器の構成図を示す。
【図３】本発明のエネルギー回収型前段加速器での電力収支ベクトル図を示す。
【図４】本発明の具体例（直流加速器、合流部、前段加速器の構成）を示す図である。
【図５】本発明の具体例（前段加速器の構成）を示す図である。
【図６】本発明のビームダイナミクスの構成を示す図である。
【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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