(57)【要約】地下環境で使用するために構成され配置された粒子加速装置。粒子加速装置は、１つ又はそれ以上の共振フォトニックバンドギャップ（Photonic Band Gap:ＰＢＧ）空洞を備え、１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞は、複数の電子または複数のイオンのいずれかの粒子ビームの加速、集束または操縦を行う、局在した共振電磁界（ＥＭ）を提供することが可能である。さらに、粒子加速装置は、ＲＦパワー損失の点で最適化された幾何形状および１つ又はそれ以上の材料を含むようにした１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞を提供し、最適化は、同等の常電導性のピルボックス(pill-box)空洞より高いＰＢＧ空洞Ｑ値(quality factor)を提供する。
2010521056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下環境で使用するために構成され配置された粒子加速装置であって、
１つ又はそれ以上の共振フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）空洞を備え、
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞は、複数の電子または複数のイオンのいずれかの粒子ビームの加速、集束または操縦を行う、局在した共振電磁界（ＥＭ）を提供することが可能である粒子加速装置。
【請求項２】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞は、ＲＦパワー損失の点で最適化された幾何形状および１つ又はそれ以上の材料を含み、最適化は、同等の常電導性のピルボックス空洞より著しく高いＰＢＧ空洞Ｑ値を提供するようにした請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項３】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞は、複数のロッドまたは複数の孔のいずれかを含む請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項４】
複数のロッドまたは複数の孔のいずれかは、対称に間隔をあけて配置され、１つ又はそれ以上の幾何学的格子に従って構成されたロッドである請求項３記載の粒子加速装置。
【請求項５】
複数のロッドの少なくとも１つのロッドは、誘電体ロッド、金属ロッド、複合ロッド、導電性コーティングを備えた誘電体ロッド、あるいはこれらの組合せからなるグループから選ばれる請求項３記載の粒子加速装置。
【請求項６】
複数のロッドの少なくとも１つのロッドは、中空断面、円形断面、丸断面、テーパー断面、成型断面、楕円断面、不均一断面、またはこれらの組合せのうちの１つを含む断面を有する請求項３記載の粒子加速装置。
【請求項７】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞は、複数のロッドによって接続された、少なくとも２つのエンドプレートまたは少なくとも２つのエンドキャップを含む請求項３記載の粒子加速装置。
【請求項８】
少なくとも２つのエンドプレートまたは少なくとも２つのエンドキャップは、粒子ビームのための少なくとも１つの入射開口および少なくとも１つの出射開口を有する請求項７記載の粒子加速装置。
【請求項９】
少なくとも２つのエンドプレートまたは少なくとも２つのエンドキャップは、互いに平行な２つの面を規定し、ある断面を有する請求項７記載の粒子加速装置。
【請求項１０】
少なくとも２つのエンドプレートまたは少なくとも２つのエンドキャップは、粒子ビームの方向に沿って共振電磁界を集束するように、軸方向に沿って整形されまたはテーパー状である請求項７記載の粒子加速装置。
【請求項１１】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞は、少なくとも２つのエンドプレートのうちの少なくとも１つのエンドプレート、または少なくとも２つのエンドキャップのうちの少なくとも１つのエンドキャップのいずれかを用いて、軸上閉じ込めを提供しており、
少なくとも１つのエンドプレートおよび少なくとも１つのエンドキャップは、誘電体エンドキャップ構造、金属エンドキャップ構造、または、誘電体エンドキャップ構造と金属エンドキャップ構造の組合せからなるグループから選ばれる請求項７記載の粒子加速装置。
【請求項１２】
少なくとも１つのエンドキャップは、層状構造またはモノリシック構造のいずれかである請求項１１記載の粒子加速装置。
【請求項１３】
複数のロッドを収容する、少なくとも２つのエンドプレートまたは少なくとも２つのエンドキャップの間の体積は、１つまたはそれ以上の外部壁によって完全に包囲されている請求項７記載の粒子加速装置。
【請求項１４】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞のうちの少なくとも２つの共振ＰＢＧ空洞は、真空粒子ビームラインによって接続される請求項１３記載の粒子加速装置。
【請求項１５】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞のうちの少なくとも２つの共振ＰＢＧ空洞は、共通のエンドプレートまたは共通のエンドキャップを有する請求項１３記載の粒子加速装置。
【請求項１６】
共通の真空チャンバ上部構造が、１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞と、少なくとも２つのエンドプレート、少なくとも２つのエンドキャップ、複数のロッド、またはこれらの組合せのうちのいずれかとを収容する請求項７記載の粒子加速装置。
【請求項１７】
少なくとも２つのエンドプレートは、複数のロッド以外では接続されておらず、あるいは、１つ又はそれ以上の壁または、少なくとも１つの開口を有する１つ又はそれ以上の壁のいずれかによって部分的に接続されている請求項１６記載の粒子加速装置。
【請求項１８】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞のうちの複数の共振ＰＢＧ空洞は、スーパーセルを形成しており、複数の共振ＰＢＧ空洞の少なくとも２つは、共通のエンドプレートまたは共通のエンドキャップを有する請求項１６記載の粒子加速装置。
【請求項１９】
共通の真空チャンバ上部構造が、１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞と、複数のロッドとを収容しており、
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞のうちの少なくとも２つの共振ＰＢＧ空洞は、少なくとも１つのエンドキャップまたは少なくとも１つのエンドプレートのいずれかによって分離していない請求項３記載の粒子加速装置。
【請求項２０】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞から、複数のロッドのうちの少なくとも１つのロッドの除去の際に、欠陥が導入されて、局在した電磁放射パワーを有する１つ又はそれ以上の領域を生じさせている請求項３記載の粒子加速装置。
【請求項２１】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞内で、少なくとも１つの特殊な形状ロッド、少なくとも１つの中空ロッド、少なくとも１つの分割ロッド、少なくとも１つの部分的に引っ込んだ異なる形状を有するロッドからなるグループから選ばれるロッドを用いて、欠陥が生成される請求項３記載の粒子加速装置。
【請求項２２】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞の共振電磁界（ＥＭ）は、複数のロッドのうちの少なくとも１つのロッドの幾何学的配置の変化、複数のロッドのうちの少なくとも１つのロッドの寸法または形状の変化、複数のロッドのうちの少なくとも１つのロッドの材料組成の変化、あるいはこれらの組合せのいずれかによって、粒子ビームと平行な方向に形作られる請求項３記載の粒子加速装置。
【請求項２３】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞の共振電磁界（ＥＭ）は、粒子ビームと垂直な方向での、複数のロッドのうちの少なくとも２つのロッドの周期的配置によって、粒子ビームと平行な方向に形作られる請求項３記載の粒子加速装置。
【請求項２４】
共通の真空チャンバ上部構造は、粒子ビームが横切る領域において、ピルボックス空洞より改善したポンピングを可能にする請求項１９記載の粒子加速装置。
【請求項２５】
粒子ビームが横切る共通の真空チャンバ上部構造での１つ又はそれ以上の真空レベルは、共通の真空チャンバ上部構造の内部に配置された少なくとも１つのゲッター材料を活性化することによって維持される請求項１９記載の粒子加速装置。
【請求項２６】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞は、少なくとも２つのエンドプレートと、金属導体、１つ又はそれ以上のコートされた誘電絶縁体、誘電絶縁体、１つ又はそれ以上の絶縁体、あるいはこれらの組合せからなるグループから選ばれる少なくとも１つの材料特性を有する複数のロッドとを含む請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項２７】
ロッドまたは孔の構造の外側の電界は、外部真空チャンバの壁によって完全に包囲された空洞、または外部真空チャンバの体積のいずれかの内側に配置された吸収材料によって減衰する請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項２８】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞は、局在した共振二重極電界または磁界によって粒子ビームが偏向している少なくとも１つの空洞を含む請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項２９】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞は、四重極またはこれより高次の多重極電界または磁界によって粒子ビームが集束される少なくとも１つの空洞を含む請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項３０】
多結晶アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または単結晶アルミナ（サファイア）などの少なくとも１つの低損失材料が、少なくとも１つのロッド、少なくとも１つのプレート、プレートの少なくとも一部、またはロッドの少なくとも一部のいずれかからなるグループのために用いられ、
全て金属プレートおよびロッドからなる同等のＰＢＧ空洞共振器、または同等のピルボックス空洞共振器のいずれかより高いＱ値を提供する請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項３１】
１つ又はそれ以上の特大の空洞が、複数のロッドで置換されてＰＢＧ共振器を生じさせる少なくとも１つの壁を有し、同等のピルボックス空洞より高い蓄積パワーを可能にする請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項３２】
１つ又はそれ以上のモード選択ＰＢＧ空洞は、同等のピルボックス空洞よりウェイク場の効果を最小化することによって、より高い周波数での動作を可能にする請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項３３】
１つ又はそれ以上のＰＢＧ空洞特性は、１つ又はそれ以上のピルボックス空洞が動作する同等の特性より大きいＱ値、蓄積パワーまたは共振周波数の組合せのいずれかを含み、
より高い加速勾配、または粒子ビームへのより高い効率のエネルギー伝達を有する１つ又はそれ以上のＰＢＧ空洞を生じさせる請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項３４】
１つ又はそれ以上のＰＢＧ空洞の得られる加速勾配は、ボーリング孔環境での動作に適合する長さまたは重量のいずれかを有する加速器ツールを提供する請求項３３記載の粒子加速装置。
【請求項３５】
１つ又はそれ以上のＰＢＧ空洞は、伝送ラインの端部で１つ又はそれ以上の結合ループによって、少なくとも１つの電磁励起源と結合される請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項３６】
局在した電磁界は、ほぼ１ＧＨｚ超で振動する請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項３７】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞は、複数のコンポーネントを含み、少なくとも１つのコンポーネントは温度制御される請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項３８】
少なくとも１つの温度制御されたコンポーネントは、流体との接触によって温度制御される表面を備える請求項３７記載の粒子加速装置。
【請求項３９】
熱膨張収縮の影響に対して改善した空洞同調安定性が、少なくとも１つのロッドの構造および配置によって得られ、
少なくとも１つのロッドは、ロッド直径、ロッド分離間隔、またはロッド間隔とロッド直径との比のいずれかの減少した変動からなるグループから選ばれ、少なくとも１つのロッドは、１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞の複数のロッドから選ばれる請求項３７記載の粒子加速装置。
【請求項４０】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞の空洞同調安定性は、少なくとも２つのエンドプレートおよび複数のロッドを有し、少なくとも２つのエンドプレートは、複数のロッドと同程度の熱膨張係数を有する１つ又はそれ以上の材料からなり、ロッド間隔とロッド直径との比の変動を最小化している請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項４１】
改善した空洞同調安定性は、オーミック損失または他のＲＦ誘導のパワー損失からの加熱に起因して、少なくとも１つの空洞コンポーネントへの、減少した熱膨張収縮の影響によって得られる請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項４２】
地下環境は、ボーリング孔応用または井戸掘削応用のいずれかである請求項１記載の粒子加速装置。
【請求項４３】
変更した孔直径の少なくとも１つ、または変更した孔断面の少なくとも１つ、または変更した孔位置の少なくとも１つによって、欠陥が導入されている請求項３記載の粒子加速装置。
【請求項４４】
共通の真空チャンバ上部構造は、粒子ビームが横切る領域において、ピルボックス空洞より改善したポンピングを可能にする請求項１６記載の粒子加速装置。
【請求項４５】
粒子ビームが横切る共通の真空チャンバ上部構造での１つ又はそれ以上の真空レベルは、共通の真空チャンバ上部構造の内部に配置された少なくとも１つのゲッター材料を活性化することによって維持される請求項１６記載の粒子加速装置。
【請求項４６】
地下環境で使用するために構成され配置された粒子加速装置であって、
複数の電子または複数のイオンのいずれかの粒子ビームの加速、集束または操縦を行うように、局在した電磁界を提供できる１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞を備え、
複数のロッドで接続された少なくとも２つのエンドプレートを備え、
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞は、ＲＦパワー損失の点で最適化された幾何形状および１つ又はそれ以上の材料を含み、最適化は、常電導性のピルボックス空洞より著しく高いＰＢＧ空洞Ｑ値を提供するようにした粒子加速装置。
【請求項４７】
地下環境で使用するために構成され配置された粒子加速装置であって、
複数の電子または複数のイオンのいずれかの粒子ビームの加速、集束または操縦を行うように、局在した電磁界を提供できる１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞を備え、
複数のロッドで接続された少なくとも２つのエンドプレートを備え、
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞のうちの複数の共振ＰＢＧ空洞からなるスーパーセルを備え、複数の共振ＰＢＧ空洞は、共通の真空筐体の中に挿入されるようにした粒子加速装置。
【請求項４８】
１つ又はそれ以上の共振ＰＢＧ空洞は、ＲＦパワー損失の点で最適化された幾何形状および１つ又はそれ以上の材料を含み、最適化は、常電導性のピルボックス空洞より著しく高いＰＢＧ空洞Ｑ値を提供するようにした請求項４６記載の粒子加速装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮出願（第６０／９７２，３７７号、２００７年９月１４日出願）の優先権を主張するものであり、これは参照によってここに組み込まれる。
【０００２】
本発明は、粒子加速装置およびその方法に関する。詳細には、本発明は、例えば、ボーリング孔検層(borehole logging)や井戸掘削(wellbore)の応用において、地下層の特性を測定するための粒子加速装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
原子力ボーリング検層測定は、典型的には、１３７ＣｓまたはＡｍＢｅなどの１つ又はそれ以上の不安定な放射化学同位体を採用して、一定エネルギーのガンマ線または中性子線（検層線源）を発生する。石油産業の要求により、こうした線源は、極めて高感度で放射能のものであり、１３７Ｃｓでは２Ｃｉ、ＡｍＢｅでは２０Ｃｉをしばしば超えるものである。こうして世界中の油田での開発は、厳格に管理され、規制されている。こうした線源の使用は、井戸検層産業に多大な安全性および保安のリスクを強いる。
【０００４】
代替として、例えば、Ｘ線管、ベータトロン、ミニトロン(minitron)（例えば、発明者F. Chen et alによる米国特許第５，１２２，６６２号、米国特許第５，２９３，４１０号を参照）などの「線源無し」方法がある。Ｘ線管は、本質的には静電気加速器であり、それ自体、ＤＣ電界で到達可能な数１００ＫｅＶのエネルギーに制限される。ベータトロンは、原理的には、極めて高いエネルギーに到達可能であるが、検層ツールの閉じ込められたスペース内で行うことが挑戦になる。ミニトロンは、強力で、極めてコンパクトな中性子源であるが、出力および寿命の更なる増加が極めて挑戦的なものになる。
【０００５】
リニア加速器は、電子を放射ターゲット上に加速してＸ線を発生したり、あるいはプロトンまたは他の原子核を核ターゲット（例えば、Ｂｅ，Ｌｉ）上に加速して中性子を発生するために利用できる。ピルボックス(pillbox)型のマイクロ波空洞（常電導性ピルボックス空洞）からの従来のＲＦ加速ベースのリニア加速機構は、ボーリング孔の応用にサイズ変更するのが悪名高いほど困難であり、過剰な電力消費、ツール長さ、ツール重量をもたらす。それ自体、油田では採用されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フォトニックバンドギャップ空洞（ＰＢＧ空洞）に関連した加速方法が開示される。適切に設計された、ＰＢＧ構造ベースの共振器は、電磁界の所望の発振モード、例えば、粒子加速に必要なモードだけを閉じ込める。このＰＢＧ空洞の特性は、科学論文（例えば、J. D. Joannopoulos, R. D. Meade, and J. N. Winn, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light (Princeton, NJ: Princeton University Press, 1995)）にかなり記載されている。
【０００７】
ＧＨｚ領域のマイクロ波周波数で動作するＰＢＧ共振器では、例えば、同軸ループまたは導波管を経由して外部と結合したＲＦパワーは、極く小さな体積中に集束でき、局所的な加速勾配を提供する。空洞内部のモード選択は、所望の加速モードだけが存在するのを確保する。これにより理想的なコンパクト形状でＲＦパワーの効率的な利用を可能にし、壁損失が大幅に低減する。ＰＢＧ空洞の基礎原理は普遍的であり、ＰＢＧ空洞自体は幅広い周波数範囲で動作可能である。
【０００８】
ＰＢＧベースの電磁共振器（空洞）は、プレートとロッドの対称配置からなる。固体テンプレート中にあけられた円筒孔の対称配置を備えた反対の構造も使用できる。いずれの場合も、所定の周波数範囲（バンドギャップ）で一定のＴＥ／ＴＭモードでの電磁波の伝搬が有効に禁止されるように周期的構造が設計される。この特徴は、空洞の境界条件および形状に原理的に依存する。
【０００９】
安定したＰＢＧ空洞は、対称なプレート−ロッド構造で構成されるであろう。こうした構造はまた、失われたり、部分的に引っ込んだロッドなど１つ又はそれ以上の導入された欠陥を含むであろう。欠陥周囲の体積は、他の場所ではバンドギャップによって伝搬が阻止される電磁気モードに対して開放されている。換言すると、バンドギャップ内のモードは、まさに不連続の性質によってロッド構造だけに閉じ込められる。欠陥を導入しつつ、共振器の対称な特性を維持することによって、我々は、閉じ込められ、モード選択された場(fields)へのアクセスを有する。こうした場は、別の方法ではロッド内部に閉じ込められるであろう。これらの場は、実際には、共振空洞のものである。同様に、空洞が孔からなる場合、電磁モードは孔に閉じ込め可能である。
【００１０】
米国特許第６８０１１０７Ｂ２号(Temkin et al)は、マイクロ波領域での周波数フィルタリングに適したＰＢＧ空洞を説明する。特に、この装置は、単一モード動作だけでなくオーバーモード動作が可能なフォトニックバンドギャップ（Photonic Band Gap:ＰＢＧ）構造（または空洞）を備えた真空電子装置に関する。先行技術と比べて粒子加速に用いられるＰＢＧ空洞の１つの明確な利点は、実用的には全ての不要な高次電磁モードが欠陥構造によって閉じ込められず、従って、ビーム中の電子またはイオンへの最小の影響で漏洩することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
粒子加速機構の少なくとも１つの実施形態が、例えば、ボーリング孔および井戸検層の応用など地下層での使用のために開示される。この機構において、電子またはイオンの粒子ビームは、共振フォトニックバンドギャップ空洞において高周波で振動する局所的な電界によって加速することができる。１つまたは複数の真空(evacuated)空洞構造を採用することによって、真空系に閉じ込められた粒子ビームは、数ＭｅＶのエネルギーまで加速可能である。こうした高エネルギー粒子ビームは、多くの可能性のある材料からなる１つ又はそれ以上のターゲットに向けられ、ガンマ線または中性子線の場を発生する。
【００１２】
この装置を用いてコンパクトで効率的なボーリング孔加速器ツールを開発することが可能であり、これを用いて種々の井戸検層測定が実施可能になるとともに、井戸検層産業において典型的に用いられる高放射性の放射化学ガンマ線源または中性子線源に関連した運用上および安全性のリスクを克服できる。本発明の目的のため、ボーリング孔検層は、地表下の井戸における岩石または水源の地球物理学特性測定専用の科学と考えられる。
【００１３】
本発明で開示した機構の多くの利点は、改善した電力効率であり、電力消費は、ボーリングツールにとって差し迫った要求である。有線の構成では、当面、数ｋＷの平均電力だけが利用できると見積もられる。しかしながら、電力の一部が加速器ツールに利用でき、さらに、必要な高いマイクロ波電力レベルは、極めて高い周囲温度まで維持しなければならない。ＰＢＧ電磁空洞は、加速電界を小さな体積領域に効率的に閉じ込めて、同じ加速器勾配に対して少ない蓄積エネルギーと、より小さな電力損失をもたらす。
【００１４】
本発明に係る機構の更なる利点は、低い損失係数を持つ誘電体ロッドを備えた空洞は、米国特許第６８０１１０７Ｂ２号(Temkin et al)などのように、金属ロッドを備えた空洞と比べて、より高いＱ値を提供することである。高い空洞Ｑ値は、入力電力要求の更なる低減をもたらす。上記の理由により、効率の増加はボーリング応用にとって重要である。
【００１５】
本発明の他の実施形態によれば、他の利点は、改善したＱ値が、エンドプレートの無い空洞構造において、あるいは、中空または真空の層を含む誘電体材料及び／又は金属材料からなる（層状またはモノリシックの）エンドキャップ構造またはエンドプレート構造による同軸閉じ込めを提供することよって得られることである。
【００１６】
本発明に係る機構の更なる利点は、そのコンパクト性であり、ピルボックス空洞と比べてより小さな損失を持つＰＢＧ共振器を利用することによって、ツールの長さおよび重量を削減できる。最適な油井孔(down-hole)ツールは、好ましくは、標準長のツール断面（２０フィートまたはそれ以下）に適合しており、リフト用クレーンの使用を必要とすることなく標準の乗組員が乗り込むことになる。１０ＧＨｚでは、必要なＰＢＧ空洞直径は、たった数ｃｍである。
【００１７】
好都合なことに、ＰＢＧ共振器は、粒子ビームの領域に所望の空洞モードだけを閉じ込める。他のモードは、伝搬が自由であり、壁で素早く減衰することなる。これは、ウェイク場(wakefields)を含むビームを「膨張」させたり、焦点ぼけを生じさせる不要（より高次）モードの抑圧を提供する。伝統的なピルボックスＲＪＦ空洞を横断する帯電ビームによって誘起されるウェイク場は、動作周波数（〜ω３）の強い関数であり、そうでなければ極めて高い周波数での動作を制限するであろう。他方、コンパクトなサイズをもたらして、電力効率を改善するためには、高周波動作が要望されている。
【００１８】
ＧＨｚ領域での高周波動作はまた、最終的にほぼ単一のデューティファクタを持つほぼ連続的な粒子ビームを提供するため、好都合である。ビームのデューティファクタおよび時間構造は、好ましい単一フォトン計数モードにおける密度検層などの測定を実施する能力に重大な影響を与える。
【００１９】
提案したような電力効率の良いリニア加速機構は、より低いエネルギーで、数百μＡに達するより高い平均電流を持つビームを提供するのに好都合に利用できる。得られる放射電界は、従来の検層線源砂(sand)のものよりはるかに高い強度を有し、核井戸検層測定にとってより良い精度または減少した計数時間を達成できる。
【００２０】
さらに、ＰＢＧ加速器を用いて達成できる高い電子エネルギーは、厚い高Ｚターゲットからの改善した制動放射収率を生じさせ、より高いフォトン束が利用可能になる。
【００２１】
従来の検層線源からのものより高いエネルギーを持つフォトン、及び／又は強いフォトン束は、さらに浸透するようになり、これらは、ケース背後の検層を含む、密度検層の測定にとって増加した調査深さを有する。
【００２２】
加速器ビームが本質的に安全な放射電界線源であり、放射出力は、電子回路で全体的に制御できる。
【００２３】
本発明に従って開示された粒子加速機構の幾つかは、単一の真空筺体において、開放したＰＢＧ構造を持つ最適化した真空パッケージを提供する（スーパーセルまたは無限セル）。これは、より良好なポンピングとより良好な熱絶縁を可能にする。
【００２４】
本発明はまた、温度の関数として、空洞の同調(tune)の改善した安定性を提供し、電力損失に起因した加熱などの局所空洞加熱や、地熱勾配に起因して増加した周囲温度によって、ピルボックスＲＦ空洞での同調ずれの影響がボーリング孔内において当然に発生するであろう。温度変化は空洞の寸法変化をもたらし、空洞の同調シフトをもたらす。上述したタイプのＰＢＧ共振器における減少したオーミック損失は、少ない全体加熱をもたらす。さらに、改善した熱絶縁は、共通の真空包体における開放ＰＢＧ空洞構造を用いて得られ、及び／又は、より小さな熱係数を持つ誘電体材料を使用してもよい。最後に、ＰＢＧ共振器での空洞周波数は、ロッド間隔とロッド直径との比の関数であり、これはピルボックス空洞での空洞半径よりも熱影響に対して敏感ではない。
【００２５】
好都合には、ＰＢＧ構造はまた、二重極(dipole)、四重極(quadrupole)または他の多重極の電磁モードを欠陥領域の周囲に閉じ込めるように設計できる。これは、ビームの操縦(steering)または集束(focusing)を可能にする。
【００２６】
ＰＢＧ技術は、スケール変更が可能であり、ダイオード、半導体レーザまたはファイバーレーザを含む光源と関連したような、かなり小さな波長での電界を閉じ込めるために採用することができ、さらに、油井孔検層に関連して上述した多くの利点を提供する。適切な加速器モードは、レーザビームによって励起されるフォトニックホーリー(holey)ファイバまたはＭＥＭＳ構造によって支持される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係るＰＢＧ共振空洞構造の一例である。
【図２】図２Ａと図２Ｂは、本発明の一実施形態に係る共振ＰＢＧ空洞構造のモードマップを示すもので、中心での欠陥の周囲にある所望のＴＭ０１モードの閉じ込めを示している。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
粒子加速器機構は、例えば、ボーリング孔や井戸の検層応用への実践において開示される。この機構では、高い相対論的な電子またはイオンの粒子ビームが、１つ又は複数の加速セルを通る通路によって生成される。加速セルの幾つかまたは全ては、フォトニックバンドギャップ空洞で実現できる。各空洞は、高い電界を、形状的に制約された検層ツールの内部で真空筐体中を通る粒子と結合させる手段として機能する。特に、地下環境で使用される粒子加速器空洞、例えば、油井孔ツールでは、上記先行技術を超える一式の最適化が要求される。例えば、ＰＢＧ形状および材料がＲＦパワー損失の点で最適化する必要があり、ビームのための開口、外部ＲＦ源との結合も最適化される。ピルボックス型のＥＭ共振器をベースとした従来の手法と同様に、幾つかのＰＢＧ空洞を利用した場合、新たな実践が可能になる。
【００２９】
適切なＰＢＧ空洞は、対称に間隔をあけて配置されたロッドによって接続された、２つ又はそれ以上のエンドプレート（例えば、２つ又はそれ以上のエンドキャップ）を備えてもよい。１つの特に有利な配置は三角格子である（図１参照）。空洞のエンドプレート（例えば、エンドキャップ）は、典型的には互いに平行であり、円形または他の断面を有してもよい。空洞のエンドプレート（例えば、エンドキャップ）は、テーパー状でもよく、あるいは加速電界をより効率的に集束するための形状でもよい。
【００３０】
ロッドは、円形、楕円形または、変化する断面を含む他の断面を有してもよい。さらに、エンドプレート（例えば、エンドキャップ）間の体積およびＰＢＧの内部ロッドの組み込みは、外部壁によって完全または部分的に包囲されたり、あるいは別個の真空チャンバ上部構造(superstructure)内に包囲されてもよい。
【００３１】
正しい形状配置、材料および結合機構を選択することによって、空洞内部でＥＭモード伝搬が不可能であって、電界がロッドに閉じ込められるバンドギャップまたは周波数範囲を生成できる。ロッドの少なくとも１つが失われた場合、共振器構造内に欠陥を意図的に導入する。これにより、高出力電磁放射が局在した１つ又はそれ以上の領域を生成する（図２ａと図２ｂ参照）。また、例えば、中空ロッド、分割(split)ロッド、部分的に引っ込んだロッド、異なる形状を持つロッドなど、特殊な形状ロッドを用いて欠陥を生成してもよい。さらに、図２ｂは、本発明の一態様、例えば、二重極(dipole)モードを示す
【００３２】
この配置では、例えば、粒子ビームが空洞を横切る領域において、粒子加速に適切な縦方向の電界（ＴＭ０１モード、図２ａ参照）を生成できる。バンドギャップモード周波数は、ロッドの間隔、直径および形状、そして、ロッド配置および全体の空洞形状に依存する。１０ＧＨｚの周波数では、これは、数ｍｍのロッド直径で、ｃｍ規模のロッド間隔に対応している。一般に、より高い周波数での動作は、より小さい距離および直径を要する。
【００３３】
プレート、ロッドおよび壁またはこれらの一部は、金属導体、誘電絶縁体または、コートされた金属もしくは絶縁体、あるいは金属エレメントおよび誘電体エレメントの組合せで構成してもよい。対象となる周波数領域（数十ＧＨｚ）で極めて低い損失係数を持つ誘電体材料、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または単結晶サファイアなどで製作されたロッドまたはプレート（例えば、エンドキャップ）の使用は、損失を最小化し、空洞の共振特性（Ｑ値）を改善する。さらに、これは電力効率のより良い設計を提供する。
【００３４】
空洞での全体Ｑ値は、誘電損失またはオーミック損失の以前では、典型的には極めて高い（Ｑ〜１０６まで）固有Ｑ値によって制限される。オーミック損失を最小化することによって、Ｑ値は、その高い固有の値に接近して、電力消費は最適化される。
【００３５】
油井孔ツールで利用可能なＲＦパワー量は、非限定的な例によって、ほぼ数ｋＷ（平均電力）に制限されるため、損失を最小値に維持することが好ましい。空洞へ送給可能な増加したパワーは、増加したビームエネルギー及び／又はビーム強度を可能にする。
【００３６】
損失を最適化するため、ロッドは異なる材料のものでもよく、空洞は、誘電媒体で部分的または完全に充填してもよい。冷却を伴う中空ロッドは、誘電損失正接の低減に役立つ。こうした微同調は、電界をより良く形作り、及び／又は空洞内部のモード選択を改善したり、最終的には、ボーリング孔ツールの典型的な制約条件に関して空洞寸法および動作周波数を最適化するのに好都合でもある。空洞壁での吸収材料の使用は、バンドギャップ外での不要な非局在発振モードの全てをより減衰させるのに役立つ。
【００３７】
完全なバンドギャップには、外部から侵入することはない。空洞を外部励起源と結合するためには、ロッドの幾つかを外側列から除去したり、部分的に引っ込める必要がある。代替として、より細い直径ロッドを使用してもよい。これは、中心領域での電界に著しい影響を与えず、この電界は１次まではロッドの内側列によって形作られ、一方、外側ロッドは、欠陥領域での加速モードの集束および閉じ込めを提供する。外部源との結合は、平衡伝送線路を含む同軸伝送線路の端部で、結合ループを用いて達成してもよい。代替として、特別に設計された導波管を採用してもよい。
【００３８】
極めて高い動作周波数では、同等のＰＢＧ構造をマイクロ製作またはナノ製作（ＭＥＭＳ）技術によって製造してもよい。この場合、マイクロ波源の代わりに、レーザなどの光パワー源を使用してもよい。
【００３９】
一実施形態では、ボーリング孔加速器は、分離した空洞を備え、これらの幾つかはＰＢＧ空洞である。１つ又はそれ以上の空洞は、真空(evacuated)ビームラインの一部になる。各空洞チャンバは、セル出入りのビーム伝搬のための少なくとも１つの開口を可能にする。少なくとも１つの空洞セルでは、共振器を駆動する外部高周波パワーの結合のための１つの開口が存在することになる。代替として、複数セルを周知の単一の進行波または定在波の構造に一緒に結合させることも可能である。各空洞では、数ｋＷの入力パワーレベルについて、数ＭｅＶ／ｍに達する電界勾配が可能である。
【００４０】
各加速セルでの電界と位相関係にある粒子は、高エネルギーに加速されるとともに、全体の加速器装置の長さに沿って進行する。セル間の距離は、各セクションにおける粒子ビームの速度および、電界と粒子ビームの間の位相関係を維持する必要性に従って変化することになる。
【００４１】
他の実施形態において、ボーリング孔加速器構造は、１つ又はそれ以上のスーパーセル(super-cell)を備える。スーパーセルは、共通の真空筐体の中に挿入された複数のＰＢＧ空洞を備える。スーパーセルでの各ＰＢＧ空洞は、ロッドによって接続された一対のプレートを備えるが、エンドプレート（例えば、エンドキャップ）はここでは壁によって接続されておらず、あるいは開口を備えた壁を含む壁によって部分的にだけ接続されている。この実施態様により、加速器の長さに渡ってより容易なポンピングを可能にする。
【００４２】
異なる結合機構が、各ＰＢＧ空洞を規定するプレート間の領域にＲＦパワーを送給するために使用でき、粒子ビームは、真空のドリフト領域を通って空洞セクションの間を伝搬してもよく、あるいは空洞の間に絞りまたはダイヤフラムを用いて、加速ＲＦ電界をより良く最適化してもよい。
【００４３】
他の実施形態では、ボーリング孔加速器構造は、エンドプレート無し、またはエンドプレートが長い距離に維持された１つの「無限」ＰＢＧ空洞を備える。この実施態様では、ＰＢＧ空洞は２次元的なものとして記述可能であり、そのため共振器の品質を増加させ、エンドプレートでの損失を最小化する。こうした延長した構造では、縦方向の電界は、空洞の長さに沿って１つ又はそれ以上の完全な発振サイクルを実行する。
【００４４】
逆の位相では、電界はビームを減速することになる。これを防止するには、電界方向が到来するビームと反対になる領域でのロッドは、局所電界をビーム領域の外側、そして真空チャンバ全体までに拡散させるような形状にしてもよい。より細いロッドまたはより大きいロッド間隔を備えたセクションでは、反対の電界はバンドギャップの外側になり、「漏出」して、外部真空チャンバ壁で吸収される。この構成は、最終的な加速に、改善した効率係数（Ｑ値）を提供できる。
【００４５】
ボーリング孔加速器はまた、上述した加速器構造のいずれの組合せを備えてもよい。こうしたいずれの構造では、出て行くＲＦパワーの部分回収が可能なようにする必要がある。
【００４６】
電子源は、熱イオン銃(thermo-ionic gun)、カーボンナノチューブエミッタまたはＭＥＭＳベースのフィールドエミッタで構成してもよい。ボーリング孔加速器の高勾配セクションに入る前に、電子の初期エネルギーは、静電加速（数百ｋＶまで）、磁気誘導による加速（例えば、コンパクトなベータトロン）または、従来のマイクロ波空洞を含む他のＲＰ空洞での循環によるビームの加速によって、ほぼ相対論的領域にまで上昇させることができる。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【国際調査報告】
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