(57)【要約】【課題】  質の高い電子ビームを取り出すことのできる安定に動作可能な高周波電子銃を提供する。【解決手段】  高周波導入部３のモードコンバータ３１のアイリス３１ｃを、同軸導波管３２の中心軸に対して対称かつ対向位置に２つ配設した。そして、モードコンバータ３１に、分岐された２つのフィード部を中心軸に対して対称に設けて、同軸導波管３２側から見たアイリス３１ｃにおける磁場の強さが等しくなりかつ磁場の向きが該同軸導波管３２の中心軸線Ｃ周りに時計回りもしくは反時計回りのいずれかに揃えられるように構成した。また、加速空洞部２に対するカソード４の位置を調整して、これにより加速空洞部２の共振周波数を調整する直線導入器４４を設けた。さらに、加速空洞部本体２３とカソード取り付け部２３との間の接続部分に画成される凹部の表面電界強度が放電を生じない程度に低く抑えられるように構成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に空洞を画成する加速空洞部と、前記加速空洞部の内部の空洞に高周波を導入する高周波導入部と、前記加速空洞部内の前記空洞を臨む位置に取り付けられて電子を放出するカソードとを有し、
前記加速空洞部は、前記高周波導入部より導入される所定の周波数の電磁波に共振して前記空洞内に生成される電界によって前記カソードから放出される電子を加速するように構成され、
前記高周波導入部は、高周波を生成する高周波電源から導波管を通して送られる高周波のモードを変換するモードコンバータと、前記モードコンバータでモードが変換された高周波を導く同軸導波管とを有し、
前記モードコンバータには、前記同軸導波管内に高周波を導入するための高周波結合部が前記同軸導波管との間に設けられ、前記モードコンバータは、前記高周波電源から導波管を通して送られるＴＥモードの高周波を該モードコンバータ内でＴＭモードの高周波に変換し、該変換された高周波を前記高周波結合部を介して後続の前記同軸導波管に導入するときに、前記高周波のモードをさらに変換して前記同軸導波管内をＴＥＭモードの高周波が伝達するように構成されている高周波電子銃において、
前記モードコンバータの前記高周波結合部は、前記同軸導波管の中心軸に対して対称に複数配設され、
前記モードコンバータは、前記同軸導波管側から見た前記高周波結合部における磁場の強さが等しくなりかつ磁場の向きが該同軸導波管の中心軸周りに時計回りもしくは反時計回りのいずれかに揃えられるように構成されていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項２】
請求項１に記載の高周波電子銃において、
前記高周波結合部は、前記同軸導波管の中心軸に対して対称かつ対向位置に２つ設けられていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項３】
請求項２に記載の高周波電子銃において、
前記モードコンバータは、前記高周波電源からのＴＥモードの高周波を伝える前記導波管との接続部を有し、前記導波管内を伝達する前記ＴＥモードの高周波が前記接続部を介して該モードコンバータ内に導入されるように構成され、
前記モードコンバータは、さらに、前記接続部から前記同軸導波管を跨ぐように延出して前記同軸導波管の中心軸に対して対称に形成された２つのフィード部を有して該フィード部内に生成される磁場が等しくなるように構成され、前記高周波結合部が前記フィード部と前記同軸導波管との間にそれぞれ設けられていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項４】
内部に空洞を画成する加速空洞部と、
前記加速空洞部内の前記空洞を臨む位置に取り付けられて電子を放出するカソードとを有し、
前記加速空洞部は、所定の周波数の電磁波に共振して前記空洞内に生成される電界によって前記カソードから放出される電子を加速するように構成されている高周波電子銃において、
前記加速空洞部に対する前記カソードの位置を調整して、これにより前記加速空洞部の共振周波数を調整するカソード位置調整手段を有していることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項５】
請求項４に記載の高周波電子銃において、
前記カソードは、前記加速空洞部に対して着脱自在に設けられ、
前記カソード位置調整手段は、前記加速空洞部方向に進退可能に設けられ、前記カソードの着脱時の取り付け位置の変化を補正できるように構成されていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の高周波電子銃において、
前記カソードは、加熱されて熱電子を放出する熱陰極型のカソードとされ、
前記カソード位置調整手段は、前記カソードの熱による位置の変化を補正できるように構成されていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項７】
内部に空洞を画成する加速空洞部と、
前記加速空洞部内の前記空洞を臨む位置に取り付けられて電子を放出するカソードとを有し、
前記加速空洞部は、前記カソードが取り付けられるカソード取り付け部と、加速空洞部本体とからなり、
前記加速空洞部本体と前記カソード取り付け部との間には、前記空洞内部を気密に保つための導電性を有するシール部材が介装され、前記シール部材は、前記カソード取り付け部に圧接される側の面と、前記加速空洞部本体に圧接される側の面との間に延在する内周面を有し、
前記加速空洞部本体と前記カソード取り付け部との間の接続部分には、前記空洞の内面が径方向外側に向かって膨出するようにして形成された空洞膨出部が画成され、前記シール部材の内周面は、前記空洞膨出部の内面の一周部を形成するように設けられ、
前記加速空洞部は、所定の周波数の電磁波に共振して前記空洞内に生成される電界によって前記カソードから放出される電子を加速するように構成されている高周波電子銃において、
前記空洞膨出部は、電子を加速する電界が前記空洞内に生成されるときに、該空洞膨出部の表面上に分布する電位によって該表面に生成される電界強度が、放電を引き起こす電界強度よりも低い値に保たれるように形成されていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項８】
請求項７に記載の高周波電子銃において、
前記空洞膨出部は、前記シール部材が前記カソード取り付け部と前記加速空洞部本体との間に介装されたときに、前記シール部材の内周面が、前記カソードから放出される電子の軌道を臨む位置に配置されるように形成されていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項９】
請求項８に記載の高周波電子銃において、
前記カソード取り付け部の前記空洞膨出部側の面と前記シール部材の内周面との間、および／または前記加速空洞部本体の前記空洞膨出部側の面と前記シール部材の内周面との間が、径方向に段差無く接続されていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項１０】
請求項９に記載の高周波電子銃において、
前記カソード取り付け部の前記空洞に臨む面は、前記加速空洞部本体の中心軸に対し略直交する略平坦な円形に形成され、
前記カソード取り付け部に隣接する前記加速空洞部本体の部分の前記空洞に臨む面は、前記中心軸回りに回転対称な略椀状に湾曲して形成され、
前記空洞膨出部は、径方向にやや拡径された凹部とされ、前記凹部の前記空洞の中心軸側を向いた内周面の少なくとも一周部が前記シール部材の内周面によって形成されていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項１１】
請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の高周波電子銃において、
前記空洞膨出部は、該空洞膨出部の表面における電界強度が１００ＭＶ/ｍ以下、より好ましくは５０ＭＶ/ｍ以下となるように形成されていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項１２】
請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載の高周波電子銃において、
前記カソード取り付け部と前記加速空洞部本体との間の距離が前記シール部材の内周面の厚さを変更することによって変更可能とされ、前記加速空洞部の共振周波数が変更可能とされていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項１３】
請求項７から請求項１２のいずれか１項に記載の高周波電子銃において、
前記シール部材の内周面の少なくとも一部に、銅メッキが施されていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項１４】
請求項７から請求項１３のいずれか１項に記載の高周波電子銃において、
前記シール部材は、両側の端面が前記カソード取り付け部および前記加速空洞部本体にそれぞれ圧接されるように設けられた平坦な円筒形状の金属ガスケットとされ、円筒の内面が該シール部材の内周面とされていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項１５】
請求項７から請求項１４のいずれか１項に記載の高周波電子銃において、
前記加速空洞部の内部の空洞に高周波を導入する高周波導入部を有し、
前記加速空洞部は、前記高周波導入部より導入される所定の周波数の電磁波に共振するように構成され、
前記高周波導入部は、高周波を生成する高周波電源から導波管を通して送られる高周波のモードを変換するモードコンバータと、前記モードコンバータでモードが変換された高周波を導く同軸導波管とを有し、
前記モードコンバータには、前記同軸導波管との間に前記同軸導波管内に高周波を導入するための高周波結合部が設けられ、前記モードコンバータは、前記高周波電源から導波管を通して送られるＴＥモードの高周波を該モードコンバータ内でＴＭモードの高周波に変換し、該変換された高周波を前記高周波結合部を介して後続の前記同軸導波管に導入するときに、前記高周波のモードをさらに変換して前記同軸導波管内をＴＥＭモードの高周波が伝達するように構成され、
前記モードコンバータの前記高周波結合部は、前記同軸導波管の中心軸に対して対称かつ対向位置に複数配設され、
前記モードコンバータは、前記同軸導波管側から見た前記高周波結合部における磁場の強さが等しくなりかつ磁場の向きが該同軸導波管の中心軸周りに時計回りもしくは反時計回りのいずれかに揃えられるように構成されていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項１６】
請求項１５に記載の高周波電子銃において、
前記高周波結合部は、前記同軸導波管の中心軸に対して対称かつ対向位置に２つ設けられていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項１７】
請求項１６に記載の高周波電子銃において、
前記モードコンバータは、前記高周波電源からのＴＥモードの高周波を伝える前記導波管との接続部を有し、前記導波管内を伝達する前記ＴＥモードの高周波が前記接続部を介して前記同軸導波管の中心軸に対して垂直な一方向から該モードコンバータ内に導入されるように構成され、
前記モードコンバータは、さらに、前記接続部から前記同軸導波管を跨ぐように延出して前記同軸導波管の中心軸に対して対称に形成された２つのフィード部を有して該フィード部内に生成される磁場が等しくなるように構成され、前記高周波結合部が前記フィード部と前記同軸導波管との間にそれぞれ設けられていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項１８】
請求項７から請求項１４のいずれか１項に記載の高周波電子銃において、
前記加速空洞部に対する前記カソードの位置を調整して、これにより前記加速空洞部の共振周波数を調整するカソード位置調整手段を有していることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項１９】
請求項１８に記載の高周波電子銃において、
前記カソードは、前記加速空洞部に対して着脱自在に設けられ、
前記カソード位置調整手段は、前記加速空洞部方向に進退可能に設けられ、前記カソードの着脱時の取り付け位置の変化を補正できるように構成されていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項２０】
請求項１８または請求項１９に記載の高周波電子銃において、
前記カソードは、加熱されて熱電子を放出する熱陰極型のカソードとされ、
前記カソード位置調整手段は、前記カソードの熱による位置の変化を補正できるように構成されていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項２１】
請求項１８から請求項２０のいずれか１項に記載の高周波電子銃において、
前記加速空洞部の内部の空洞に高周波を導入する高周波導入部を有し、
前記加速空洞部は、前記高周波導入部より導入される所定の周波数の電磁波に共振するように構成され、
前記高周波導入部は、高周波を生成する高周波電源から導波管を通して送られる高周波のモードを変換するモードコンバータと、前記モードコンバータでモードが変換された高周波を導く同軸導波管とを有し、
前記モードコンバータには、前記同軸導波管との間に前記同軸導波管内に高周波を導入するための高周波結合部が設けられ、前記モードコンバータは、前記高周波電源から導波管を通して送られるＴＥモードの高周波を該モードコンバータ内でＴＭモードの高周波に変換し、該変換された高周波を前記高周波結合部を介して後続の前記同軸導波管に導入するときに、前記高周波のモードをさらに変換して前記同軸導波管内をＴＥＭモードの高周波が伝達するように構成され、
前記モードコンバータの前記高周波結合部は、前記同軸導波管の中心軸に対して対称かつ対向位置に複数配設され、
前記モードコンバータは、前記同軸導波管側から見た前記高周波結合部における磁場の強さが等しくなりかつ磁場の向きが該同軸導波管の中心軸に対して時計回りもしくは反時計回りのいずれかに揃えられるように構成されていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項２２】
請求項２１に記載の高周波電子銃において、
前記高周波結合部は、前記同軸導波管の中心軸に対して対称かつ対向位置に２つ設けられていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項２３】
請求項２２に記載の高周波電子銃において、
前記モードコンバータは、前記高周波電源からのＴＥモードの高周波を伝える前記導波管との接続部を有し、前記導波管内を伝達する前記ＴＥモードの高周波が前記接続部を介して前記同軸導波管の中心軸に対して垂直な方向から該モードコンバータ内に導入されるように構成され、
前記モードコンバータは、さらに、前記接続部から前記同軸導波管を跨ぐように延出して前記同軸導波管の中心軸に対して対称に形成された２つのフィード部を有して該フィード部内に生成される磁場が等しくなるように構成され、前記高周波結合部が前記フィード部と前記同軸導波管との間にそれぞれ設けられていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項２４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高周波電子銃において、
前記加速空洞部に対する前記カソードの位置を調整して、これにより前記加速空洞部の共振周波数を調整するカソード位置調整手段を有していることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項２５】
請求項２４に記載の高周波電子銃において、
前記カソードは、前記加速空洞部に対して着脱自在に設けられ、
前記カソード位置調整手段は、前記加速空洞部方向に進退可能に設けられ、前記カソードの着脱時の取り付け位置の変化を補正するように構成されていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項２６】
請求項２４または請求項２５に記載の高周波電子銃において、
前記カソードは、加熱されて熱電子を放出する熱陰極型のカソードとされ、
前記カソード位置調整手段は、前記加速空洞部方向に進退可能に設けられ、前記カソードの熱による位置の変化を補正できるように構成されていることを特徴とする高周波電子銃。
【請求項２７】
請求項１から請求項２６のいずれか１項に記載の高周波電子銃において、
前記高周波の周波数は、Ｘバンド帯域の周波数とされていることを特徴とする高周波電子銃。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に空洞を画成する加速空洞部と、この加速空洞部内に高周波を導入する高周波導入部と、加速空洞部内の空洞を臨む位置に取り付けられて電子を放出するカソードとを有し、高周波導入部より導入される所定の周波数の電磁波に上記加速空洞部が共振して空洞内に電磁波のエネルギーを蓄え、空洞内に生成される電界によってカソードから放出される電子を加速するように構成された高輝度な電子ビームを生成する高周波電子銃に関し、とりわけ、上記高周波の周波数がＸバンド帯域の周波数とされた、硬Ｘ線源用の電子源に用いられて好適な小形のＸバンド高周波電子銃に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型の硬Ｘ線源等に用いるための高輝度な電子線源として、高周波電子銃の開発が進められている。高周波電子銃は、高周波によってカソードから放出される電子を高い電界で引き出し、極めて短い間に光速近くにまで加速するため、大電流で高品質の電子ビームを取り出すことができる。図１１に、非特許文献１に記載された従来の高周波電子銃の一例を概略的に示す。高周波電子銃は、主として、加速空洞部１００と、高周波導入部２００と、カソード３００とを有して構成されている。加速空洞部１００の共振周波数に相当する周波数の高周波が高周波導入部２００から加速空洞部１００内に導入されると、加速空洞部１００内にカソードから放出される電子ビームを加速する電界が生成される。
【０００３】
カソードから引き出される電子ビームは、比較的低エネルギーのカソード付近で発散しやすいため、ソレノイドレンズといった集束レンズをカソードの近くに設けて、電子ビームを集束させなければならない。ところが図１１に示すような高周波電子銃の場合、高周波導入部２００からカソード３００の近くに直接高周波が導入されるように構成されているため、高周波を導くための導波管がカソード付近の場所を占有して（例えば非特許文献２を参照）、集束レンズをカソードに近づけて設置することができず、導波管の位置よりも電子ビームの進行方向下流側か、もしくは導波管を取り囲むような径の大きなソレノイドレンズを設けるしかないという問題があった。これでは、カソードを離れた直後の電子ビームを集束させるための集束磁場を加えることが困難になってしまう。
【０００４】
加えて、図１１に示すような高周波電子銃の場合、高周波を加速空洞部１００の片側から入力されるような構成とされているため、加速空洞１００の軸線に対して非対称なモードの電磁場が形成され、これが電子ビームの質を劣化させるといった問題もあった。
【０００５】
これに対して、非特許文献３に記載されているような高周波電子銃の場合、図１２に示すように、高周波導入部２１０は、高周波電子銃の最も下流側に設けられ、カソード付近に導波管が設けられない構成されている。そのため、非特許文献３に開示された高周波電子銃の高周波導入部２１０は、高周波を生成する高周波電源から導波管を通して送られるＴＥモードの高周波を変換する「ドアノブ（Door-knob）型」と呼ばれるモードコンバータ２１１と、このモードコンバータでモードが変換された高周波を導く同軸導波管２１２とを有している。高周波は、モードコンバータ内でＴＥモードからＴＭモードに変換され、高周波結合部２１３を介して後続の同軸導波管２１２に導入される際にさらにモードが変換されて、同軸導波管内をＴＥＭモードで進行するように構成されている。このように、非特許文献３に開示された高周波電子銃では、カソードの近くに集束レンズを設けるスペースを十分確保することができ、しかも、軸対称な高周波を送ることができるため、電子ビームの質の劣化を招くような非対称な電磁波がカソード付近に発生することを防ぐことができる。
【非特許文献１】W. J Brown, et. al. “A High Gradient 17 GHz RF Gun for the Production of High Brightness Electron Beams” Proc. of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999, p. 81-83
【非特許文献２】C. H. Ho, et. al. “Results from the Second X-band RF Gun” Proc. of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999, p. 2000-2002
【非特許文献３】F. B. Kiewiet, et. al. “A DC/RF Gun for Generating Ulta-Short High-Brightness Electron Bunches”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、非特許文献３に記載されているドアノブ型モードコンバータの場合、モードコンバータの片方の側から高周波が入力される構成とされているため、モードコンバータ内の高周波結合部周囲に発生する軸非対称なＴＭモードによって、ＴＭ０１０以外の高次の電磁場のモードが発生してしまう。このような高次の電磁場のモードは、周波数を高くすることによって高周波電子銃の小形化を図る際には無視できない。例えば、Ｘバンド帯域の高周波のモードを変換する場合には、非特許文献３のように周波数がＳバンド帯域の３ＧＨｚとされている場合と異なり、高次モードのカットオフ周波数が低くなり、必要とするＴＥＭモード周波数の近くに高次のモードが発生しやすくなる。図１３は、ドアノブ型と呼ばれるモードコンバータを概略的に示す図である。ドアノブ型のモードコンバータの場合、図１３に示すように、導波管２２０をＴＥ１０モードの高周波が伝搬し、モードコンバータ２１１内に入力されてここでＴＭモードに変換される。高周波結合部は、図１３には図示されていないが、基本的には図１２と同様の構成とされており、ドラム状のモードコンバータ２１１内に同軸導波管の芯側の部分が突出して、モードコンバータ２１１の背面（同軸導波管内における高周波の進行方向に関して上流側の内面）に接続された構成とされている。図１４は、図１３に示すモードコンバータの高周波結合部周囲に発生するＴＭモードの周波数の反射応答特性を示す図である。図１４から分かるように、必要とするＴＭ０１０以外の高次のＴＭ１１０のモードがＴＭ０１０のモードの近傍に存在してＴＭ０１０モードと分離されず、ＴＭ０１０モードがピークとなる周波数でＴＭ１１０のモードが混在していることが分かる。この高次のＴＭモードによって同軸導波管内に高次のＴＥモードが発生してしまう。
【０００７】
また、高周波導入部以外に関して言えば、カソードは、メインテナンス等を目的として着脱可能に設けられていることが多いが、カソード取り付け時のカソードの位置の変化によって、加速空洞部の共振周波数が変化してしまうという問題があった。また、カソードが熱電子を放出する熱陰極型のカソードとされている場合には、カソードの部分を加速空洞部から熱的に絶縁するために、カソードだけ加速空洞部から切り離されて別体に設けられ、ＲＦコンタクトを介してのみ加速空洞部と電気的に接続されている構成とされている。このため、カソード部分の熱膨張によってカソードの部分だけが加速空洞内に突出するような位置の変化を起こし、やはり加速空洞部の共振周波数が変化してしまうという問題があった。
【０００８】
ところで、周波数調整、カソードの交換、ならびにカソード周辺のメインテナンスを行うためには、加速空洞部がカソード取り付け部と、加速空洞部本体とから構成され、このうちカソード取り付け部にカソードが取り付けられていることが好ましい。上記加速空洞部本体とカソード取り付け部との間には、空洞内部を気密に保つための導電性を有するシール部材が介装されているが、従来より、このシール部材に用いられるヘリコフレックス（商標）と呼ばれるメタル中空のＯリングは、均等に締め付けられないと真空リークを引き起こし易いという問題を有していた。しかも、Ｏリングを加速空洞から隠す構造によって放電も起こり易いといった問題を有していた。例えば図１５には、加速空洞部本体１３１と、カソード取り付け部１３２との間にシール部材としてのＯリングＯが介装された加速空洞部の接続部分の断面が一例として示されている。ここで、加速空洞部は、中心軸１３４周りに回転対称であるため、図１５には、上側の部分しか示されていない。また、カソードは、ここでは図示されていないが、中心軸１３４上の位置においてカソード取り付け部１３２に取り付けられており、カソード面とカソード取り付け部の空洞側の面とが面一となるように配置されている。なお、図１５中、空洞内の曲線は、電気力線を表し、密であればあるほど電界強度が高いことを示している。図１５に示されているように、加速空洞部本体１３１とカソード取り付け部１３２との間の接続部分には、加速空洞部の内面が径方向外側に向かって膨出するようにして形成された空洞膨出部１３３が、狭窄部１３５によって加速空洞から概ね隔離されるようにして画成されている。ＯリングＯは、この空洞膨出部１３３の入込んだ形状によって空洞膨出部１３３の最奥の位置に格納され、加速空洞側から隠されるようにして配置されている。こうして、加速空洞は、専ら加速空洞部本体の椀状の面と、カソード取り付け部の平面とによって画成されるようになっている。ところが、空洞膨出部が加速空洞から独立したような形状とされていても、加速空洞部本体と、カソード取り付け部とが最も近接して対向する狭窄部１３５は、依然として絶縁された構造とされているから、その両端には電位差が発生する。つまり、高周波が空洞内に入力される際に、この空洞膨出部内にも電界が入り込んで結局空洞膨出部表面を大回りする形で電流が流れ、空洞膨出部の表面に所定の電位分布が形成され、空洞膨出部を大回りする分だけ狭窄部１３５の間にも大きな電位差が生じて、この間隔の狭い部分に強い電界が発生する。このため、狭窄部１３５で放電が発生しやすいという問題を起こしていた。このように、高周波電子銃には、既に述べた問題に加えて、真空と放電に関する欠点をも有していた。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、質の高い電子ビームを取り出すことのできる安定に動作可能な高周波電子銃を提供することを目的とし、特に、カソード付近に集束レンズを設置する場所を確保することができると同時に、高周波導入部のモードコンバータ内における高次のＴＭモードの発生を抑えて、必要となるＴＥＭモードだけを同軸導波管内に伝搬させ、加速空洞内に専ら軸対称な電磁場のモードだけを発生させることができる高周波電子銃を提供することを第一の目的とする。
【００１０】
また、本発明は、質の高い電子ビームを取り出すことのできる安定に動作可能な高周波電子銃を提供するため、加速空洞部の共振周波数を簡易に制御できる高周波電子銃を提供することを目的とする。本発明は、とりわけ、カソード部分がメインテナンス等を目的として着脱可能に設けられている場合に、カソードの位置の変化による加速空洞部の共振周波数の変化を容易に補正することができ、さらに、カソードが熱陰極型である場合に、熱膨張によるカソードの位置の変化と加速空洞部の共振周波数の変化を容易に補正することができる高周波電子銃を提供することを第二の目的とする。
【００１１】
本発明の第三の課題は、質の高い電子ビームを取り出すことのできる安定に動作可能な高周波電子銃を提供するために、放電や真空リークを引き起こしにくい高周波電子銃を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の第一の目的を達成するために、本発明は、以下の構成を採用した。すなわち、本願の第一の観点による発明は、高周波電子銃において、高周波導入部のモードコンバータに、同軸導波管内に高周波を導入するための高周波結合部が前記同軸導波管との間に設けられ、モードコンバータは、高周波電源から導波管を通して送られるＴＥモードの高周波を該モードコンバータ内でＴＭモードの高周波に変換し、該変換された高周波を前記高周波結合部を介して後続の前記同軸導波管に導入するときに、前記高周波のモードをさらに変換して前記同軸導波管内をＴＥＭモードの高周波が伝達するように構成され、このとき、モードコンバータの前記高周波結合部は、前記同軸導波管の中心軸に対して対称に複数配設され、前記モードコンバータは、前記同軸導波管側から見た前記高周波結合部における磁場の強さが等しくなりかつ磁場の向きが該同軸導波管の中心軸周りに時計回りもしくは反時計回りのいずれかに揃えられるように構成されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、同軸導波管の内部導体の周りが全て開放された従来の高周波結合部と異なり、モードコンバータから同軸導波管への高周波結合部が同軸導波管の中心軸線の周りに対称に開口されるように配設されているだけであり、しかも、この高周波結合部に時計回りもしくは反時計回りの向きに揃った等しい大きさの磁場が生成されるように構成されているので、同軸導波管側から見たときに時計回りもしくは反時計回りの向きの軸対称の磁場が存在することになって、同軸導波管内にも中心軸線周りに軸対称の磁場だけが生成され、これによりＴＥＭモードの高周波が同軸導波管内を伝搬して、その他の高次のモードが伝搬しない。とりわけ、高周波の周波数がＸバンド帯域にある場合には、必要とするＴＥＭモード周波数の近くに高次のモードが発生しやすくなるのを効果的に抑えることができる。
【００１４】
本発明の好ましい一実施形態によれば、高周波結合部は、同軸導波管の中心軸に対して対称かつ対向位置に設けられ、さらに好ましくは、周方向を等分するように配設されていることが好ましい。
【００１５】
特に、上記高周波結合部は、同軸導波管の中心軸に対して対称かつ対向位置に２つ設けられていることが好ましい。これにより、最も簡易な構成で、同軸導波管の周りに軸対称な磁場を生成し、ＴＥＭモードの高周波だけが同軸導波管内を伝搬するようにできる。
【００１６】
このとき、上記モードコンバータは、高周波電源からのＴＥモードの高周波を伝える矩形導波管との接続部を有し、導波管内を伝達するＴＥモードの高周波が該接続部を介してモードコンバータ内に導入されるように構成され、さらに、接続部から同軸導波管を跨ぐように延出して同軸導波管の中心軸に対して対称に形成された２つのフィード部を有して該フィード部内に生成される磁場が等しくなるように構成され、高周波結合部がこれらのフィード部と同軸導波管との間にそれぞれ設けられていることが好ましい。これにより、最も簡易な構成で、同軸導波管の周りに軸対称な磁場を生成し、ＴＥＭモードの高周波だけが同軸導波管内を伝搬するようにできる。
【００１７】
上記の第二の目的を達成するために、本発明は、以下の構成を採用した。すなわち、本願の第二の観点による発明は、高周波電子銃において、加速空洞部に対するカソードの位置を調整して、これにより加速空洞部の共振周波数を調整するカソード位置調整手段を有していることを特徴とする。
【００１８】
加速空洞部の共振周波数は、加速空洞の形状、大きさによって変更されるので、カソード位置調整手段によりカソード位置を前記加速空洞方向に進退可能に設けておくことで加速空洞部に対するカソードの位置を調整すれば、加速空洞部の共振周波数を調整することができる。このような構成としたことにより、加速空洞部の共振周波数を容易に調整することができる。特に、カソード位置調整手段は、加速空洞部に対するカソードの着脱時の取り付け位置の変化を補正するように構成されていることが好ましく、また、カソードの熱による位置の変化を補正するように構成されていることが好ましい。
【００１９】
上記の第三の課題を解決するために、本発明は、以下の構成を採用した。すなわち、本願の第三の観点による発明は、高周波電子銃において、加速空洞部は、カソードが取り付けられるカソード取り付け部と、加速空洞部本体とからなり、これら加速空洞部本体とカソード取り付け部との間には、空洞内部を気密に保つための導電性を有するシール部材が介装され、このシール部材は、カソード取り付け部に圧接される側の面と、加速空洞部本体に圧接される側の面との間に延在する内周面を有し、加速空洞部本体とカソード取り付け部との間の接続部分には、加速空洞の内面が径方向外側に向かって膨出するようにして形成された空洞膨出部が画成され、シール部材の内周面は、空洞膨出部の内面の一周部を形成するように設けられ、空洞膨出部は、電子を加速する電界が加速空洞内に生成されるときに、該空洞膨出部の表面上に分布する電位によって該表面に生成される電界の強度が、放電を引き起こす電界強度よりも低い値に保たれるように形成されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明の構成によれば、空洞膨出部の表面上に分布する電位によって該表面に生成される電界の強度が、放電を引き起こす電界強度よりも低い値に保たれるように形成されているので、放電を防止することができる。特に、本発明による空洞膨出部は、表面電流が流れる径路ができるだけ短くなるように、外方に向かってあまり大きく膨出しないように形成される。そして、空洞膨出部の形状は、特に空洞膨出部の入口部分、すなわち、加速空洞と空洞膨出部との境界部分の表面電界強度が放電を起こさない程度に低く保たれるように設計される。一般に、空洞膨出部の入口部分には、互いに対向する加速空洞部本体側の表面とカソード取り付け部側の表面との間に電位差が生じるが、これらの表面の間の間隔が狭いときに表面電界強度が大きくなり、放電が発生しやすくなる。しかしながら、本発明によれば、空洞膨出部の加速空洞部本体側の表面からシール部材の内周面を介してカソード取り付け部側の表面に至る径路の長さが十分短くされてこれらの表面間の電位差が低減され、および／または表面間の間隔が十分大きくされて、表面電界強度が放電を起こさない程度に低減される。
【００２１】
表面電界強度を低減する本発明に係る空洞膨出部の一実施形態として、空洞膨出部は、シール部材がカソード取り付け部と加速空洞部本体との間に介装されたときに、シール部材の内周面が、カソードから放出される電子の軌道を臨む位置に配置されるように形成されていることが好ましい。このような構成にすれば、従来のような、加速空洞からシール部材を隠すように外方に大きく膨出して、加速空洞との境界部分がくびれるように狭く形成された空洞膨出部の形状に比べて、加速空洞部本体からカソード取り付け部に至る径路も短くなり、空洞膨出部表面の電位差ならびに表面電界強度が著しく低減される。これにより、空洞膨出部における放電を確実に防止することができる。
【００２２】
空洞膨出部をできるだけ小さく形成して、加速空洞部本体からカソード取り付け部に至る径路を短くするには、本発明により、カソード取り付け部の空洞膨出部側の面とシール部材の内周面との間、および／または加速空洞部本体の空洞膨出部側の面とシール部材の内周面との間が、外方に向かう段差が無いように接続されていることが好ましい。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態において、カソード取り付け部の空洞に臨む面は、前記加速空洞部本体の中心軸に対し略直交する略平坦な円形に形成され、カソード取り付け部に隣接する加速空洞部本体の部分の空洞に臨む面は、前記中心軸回りに回転対称な略椀状に湾曲して形成され、これにより、カソードが取り付けられる初段の１／２セルの加速空洞が画成されているが、このとき、上記空洞膨出部は、径方向にやや拡径された凹部とされ、この凹部の、空洞の中心軸線すなわち前記同軸導波管の中心線側を向いた内周面の少なくとも一周部がシール部材の内周面によって形成されている。このような構成にすれば、加速空洞からシール部材を隠すように径方向外方に大きく膨出して、加速空洞との境界部分がくびれるように狭く形成された従来の空洞膨出部に比べて、加速空洞部本体からカソード取り付け部に至る径路も短くなり、空洞膨出部表面の電位差ならびに表面電界強度が著しく低減される。これにより、空洞膨出部における放電を確実に防止することができる。
【００２４】
放電を防止するための表面電界強度としては、１００ＭＶ/ｍ以下、より好ましくは５０ＭＶ/ｍ以下となるように形成されていることが好ましい。
【００２５】
また、シール部材の内周面の少なくとも一部に、銅メッキが施されていると、抵抗が下がり、確実に放電を防止できてＱ値も向上する。
【００２６】
なお、本発明の構成によれば、カソード取り付け部と前記加速空洞部本体との間の隔たりが前記シール部材の軸線方向の厚さ、すなわちシール部材の内周面の厚さ（内周面の軸線方向の長さ）を変更することによって変更可能とされ、前記加速空洞部の共振周波数が変更可能とされている。また、シール部材は、両側の端面がカソード取り付け部および加速空洞部本体にそれぞれ圧接されるように設けられた平坦な円筒形状の金属ガスケットとされ、円筒の内面が該シール部材の内周面とされている。
【００２７】
このような構成としたことにより、真空リークを確実に防止できるとともに、加速空洞の共振周波数の調整もできる。
【００２８】
高周波電子銃に用いる高周波の周波数は、Ｘバンド帯域とされていることが好ましい。これにより、高周波電子銃を小型化することが可能になる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の高周波電子銃によれば、質の高い高輝度な電子ビームを取り出すことができ、電子線源として安定に動作させることができる。
【００３０】
特に、本発明の第一の観点による構成によれば、高周波導入部が電子ビーム進行方向下流側に設けられることでカソード近くに集束レンズを設置できるスペースが確保され、しかも、高周波導入部のモードコンバータ内における高次のＴＭモードの発生を抑えて、必要となるＴＥＭモードだけを同軸導波管内に伝搬させ、加速空洞内に専ら軸対称なＴＭ０１モードだけを発生させることができる。
【００３１】
また、本発明の第二の観点による構成によれば、加速空洞部の共振周波数を簡易に制御できる。とりわけ、カソード部分がメインテナンス等を目的として着脱可能に設けられている場合に、カソードの位置の変化による加速空洞部の共振周波数の変化を容易に補正することができ、さらに、カソードが熱陰極型である場合に、熱膨張によるカソードの位置の変化と加速空洞部の共振周波数の変化を容易に補正することができる。
【００３２】
また、本発明の第三の観点による構成によれば、放電や真空リークを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明による高周波電子銃を図面に基づき説明する。
【００３４】
図１に、本発明に係る高周波電子銃の一実施形態を示す。図１は、高周波電子銃を示す縦断面図である。図において高周波電子銃１は、主として小型硬Ｘ線源に用いられる電子線源とされ、特にＸバンド帯域の１１．４２４ＧＨｚの周波数を用いる高周波電子銃とされている。この高周波電子銃１は、内部に加速空洞２１（もしくは本明細書中、単に空洞と称する場合もある）を画成する加速空洞部２と、加速空洞部２内の加速空洞２１に高周波を導入するための高周波導入部３と、加速空洞２１を臨む位置に取り付けられて電子を放出するカソード４とを有して概略構成されている。
【００３５】
高周波電子銃１は、加速空洞部２が高周波導入部３より導入される所定の周波数の電磁波に共振して、これにより空洞２１内に生成される電界によってカソード４から放出される電子が加速されるように構成されている。
【００３６】
以下に、各部の構成および動作を詳しく述べることにする。
【００３７】
加速空洞部２は、内部に加速空洞２１を画成している。この加速空洞２１は、中心軸線Ｃ周りに回転対称に形成された断面略楕円形の３つの加速空洞セルと、カソード４が装着される初段に配置されて、他の加速空洞セルを中心軸線Ｃに垂直な面で半分に分けたような形状の１／２セルを一つ有して形成されており、これらのセルが互いに連通した３．５セル型の加速空洞とされている。上記加速空洞部２は、中心軸線Ｃに垂直な面で分割された複数の円板状の部材に超精密旋盤加工によって空洞表面が形成された後、拡散接合等によって互いに接合されることによって構成されている。この加速空洞部２は、冷却水を循環させるなどして略一定の温度に保たれるように構成されている。
【００３８】
また、加速空洞部２は、カソード４が取り付けられるカソード取り付け部２２と、断面略楕円形の３つの加速空洞セルを画成する加速空洞部本体２３とから構成されている。カソード取り付け部２２は、カソード４を交換し易くするために、フランジ接続によって加速空洞部本体２３に着脱自在に装着されるように設けられている。そして、カソード取り付け部２２の空洞２１に臨む面は、前記加速空洞部本体の中心軸に対し略直交する略平坦な円形に形成され、カソード取り付け部２２に隣接する加速空洞部本体２３の空洞２１に臨む面は、前記中心軸回りに回転対称な略椀状に湾曲して形成され、カソード取り付け部２２が加速空洞部本体２３に装着されたときに、全体で初段の１／２セルの加速空洞を画成するように設けられている。
【００３９】
図２に、カソード４付近の拡大図を示す。加速空洞部本体２３とカソード取り付け部２２との間には、空洞２１内部を真空に保つための導電性を有する金属ガスケット２４（シール部材）が介装されている。ここで、カソード取り付け部２２および加速空洞部本体２３における加速空洞２１を画成する表面部分は、いずれも銅によって形成されており、他方、ガスケット２４を押しつぶすフランジ面は、ＳＵＳによって形成されている。ガスケット２４は、使用前は、両側に平坦な面を有する薄い円筒形のリングとされており、これが、カソード取り付け部２２のＳＵＳからなるフランジ面と、加速空洞部本体２３のＳＵＳからなるフランジ面とに挟まれて押しつぶされ、これにより、ガスケット両側の端面がカソード取り付け部２２および加速空洞本体２３にそれぞれ圧接されることによって各フランジ面に気密に密着し、加速空洞内の真空を保つように設けられている。
【００４０】
図３は、加速空洞部本体２３とカソード取り付け部２２の接続部分の断面をさらに拡大して示す図である。図から、もともと断面矩形状であったガスケット２４が、カソード取り付け部２２および加速空洞部本体２３に挟まれて変形している様子が分かる。ガスケット２４は、カソード取り付け部２２に圧接される側の端面２４ｂと、前記加速空洞部本体２３に圧接される側の端面２４ｃとの間に延在する内周面２４ａを有している。この図３から分かるように、加速空洞部本体２３とカソード取り付け部２２との間の接続部分（図２中、Ａで示す部分ならびに図３で示す部分）には、加速空洞２１の内面が径方向外側に向かって膨出するようにして形成された空洞膨出部２１ａが形成されている。図３の実施形態においては、上記空洞膨出部２１ａは、径方向に深さｔ＝１．５ｍｍほど外側に向かって拡径された軸線周りを一周する凹部として形成されている。このとき、凹部２１ａは、電子を加速する電界が空洞２１内に生成されるときに、凹部２１ａの表面上に分布する電位によって該表面に生成される電界の強度が、放電を引き起こす電界強度よりも低い値に保たれるように形成されている。とりわけ、凹部２１ａの表面における電界強度が１００ＭＶ／ｍ以下、より好ましくは５０ＭＶ／ｍ以下となるように形成されていることが望ましい。凹部２１ａ上での表面の電界強度をできるだけ低くするために、ガスケット２４の内周面２４ａは、カソード４から放出される電子の軌道を臨む位置に、空洞２１の中心軸線Ｃ側を向いた凹部２１ａの内周面の一周部を形成するようにして配置されている。さらに、加速空洞部本体２３の凹部２１ａ側の面２３ａとガスケット２４の内周面２４ａとの間は、径方向に段差の無い状態で滑らかに接続されている。また、表面電界強度を下げるために、凹部２１ａに隣接する加速空洞部本体２３の角部には、曲率半径０．５ｍｍの湾曲角部２３ｂが設けられ、凹部２１ａに隣接するカソード取り付け部２２の隅には、曲率半径０．５ｍｍの湾曲隅部２２ｂが設けられている。
【００４１】
図４は、図３の凹部２１ａの表面のうち、カソード取り付け部２２に対面して最も電界強度が高くなる表面部分２３ｃ（長さ１ｍｍ）における最大表面電界強度を、カソード取り付け部２２と加速空洞部本体２３との間の間隔Ｄとの関係において示す図である。この図から分かるように、間隔Ｄが１ｍｍ程度のとき、表面２３ｃ上の最大表面電界強度Ｅgapと中心軸線Ｃ上での平均電界強度Eaccとの比Ｅgap／Eaccは、０．３程度となる。カソードから取り出された電子を加速するために必要な５．５ＭＷ程度の高周波を入力した場合にカソード４上で得られる電界強度は、１５０ＭＶ／ｍ程度であるので、この結果から、電子を加速する電界が空洞２１内に生成されるときの表面部分２３ｃ上での電界強度は４５ＭＶ／ｍになると考えられる。このように、凹部２１ａの表面では、電界強度が、放電を起こさない程度に十分に低く抑えられていることが分かる。また、図４から、間隔Ｄをさらに狭くすれば、凹部２１ａの最大表面電界をさらに低下させることができることが分かる。間隔Ｄを狭くするには、加速空洞部本体２３の凹部２１ａ側の面２３ａの長さを０に近づけ、および／またはガスケット２４の厚さを薄くすればよい。面２３ａの長さが０のときは、図５に示すように、凹部２１ａの中心軸線Ｃ側を向いた内周面は、全てガスケット２４の内周面２４ａになる。間隔Ｄをさらに狭くするには、ガスケット２４の厚さを薄くすればよいが、真空フランジの締め付け具合との兼ね合いもあるため、ガスケット２４の厚さは０．４〜０．６ｍｍ程度とするのが好ましい。
【００４２】
このように、空洞膨出部すなわち凹部２１ａの大きさをできるだけ小さくすることによって、加速空洞部本体２３からガスケット内周面２４ａを介してカソード取り付け部２２に至る表面長さと抵抗とが少なくなるため、凹部２１ａの対向する面の間に大きな電位差が生じなくなる。このため、本発明によれば、凹部２１ａに高い表面電界が形成されず、放電を抑えることができる。従来のＯリングを用いた空洞膨出部の構成と異なり、ガスケット２４は、その内周面２４ａがカソードから引き出される電子の軌道を臨む位置に配置され、しかも、内周面２４ａが加速空洞部本体側の面と面一となるようにして凹部２１ａの中心軸線Ｃ側を向いた内周面の少なくとも一部を形成するように設けられているため、凹部２１ａを従来の空洞膨出部に比べて小さくすることができる。このように、本発明によれば、凹部２１ａが小さく設けられているため、凹部２１ａの表面の電界強度を小さくすることができる。
【００４３】
また、従来のＯリングと異なり、ガスケット２４は、カソード取り付け部２２と加速空洞部本体２３との両側の端面における密着性が高いため、取り扱いが簡便ながらも真空リークを防止するのに効果的である。
【００４４】
従来のＯリングの場合は、締め付け方を変えてＯリングの潰し方を調整すれば加速空洞の共振周波数を変えることができたが、本発明の好ましい実施形態によれば、ガスケットの厚さを変更することによって、加速空洞２の共振周波数を調整することができる。
【００４５】
さらに、本願の好ましい実施形態では、ガスケット２４の内周面２４ａの少なくとも一部に銅といった良導体が被覆され、これにより表面の抵抗が少しでも低減され、その結果、凹部２１ａ内の表面電界強度が低減され、かつ加速空洞２１のＱ値の向上が図られていることが好ましい。
【００４６】
なお、上述の実施形態においては、凹部２１ａの面のうち中心軸線Ｃ側を臨む面は、ガスケット２４の内周面２４ａと、加速空洞部本体２３の凹部２１ａ側の面２３ａとから形成されていたが、より一般には、図６に示すように、内周面２４ａと加速空洞部本体２３の凹部２１ａ側の面２３ａとカソード取り付け部２２の凹部２１ａ側の面２２ａとから形成されていてもよいし、図示しないものの、内周面２４ａと上記の面２２ａだけから形成されていてもよい。この場合、いずれも、内周面２４ａと面２３ａとの間、および内周面２４ａと面２２ａとの間に径方向に段差がなく、面一に揃えられていることが抵抗を低減する上で好ましい。
【００４７】
また、加速空洞部本体とカソード取り付け部との間の接続部分における放電を抑える本願発明に係る構成は、加速空洞部本体とカソード取り付け部との間の接続部分に画成される空洞膨出部ないし凹部をできるだけ小さくして、高周波特性の対象性を保持する理想的な１／２セルの形状に近づけることに特徴を有するものであるから、たとえＯリングを用いていたとしても、図１５に示すような空洞膨出部を狭窄部の位置で短絡させて、例えば図７のようにＯリングを内封してしまうような構成であってもよい。ただし、この場合、電気的な接触を良くするために加速空洞部本体とカソード取り付け部との間を密着させてしまうと、Ｏリング周囲のガスを真空引きするための時間が長くなり、真空を形成する上で問題が多いし、締め圧を変えたりＯリングの径を変えたりすることによって共鳴周波数を調整することができない。また、図示しないが、本願発明のような円筒状リングのガスケットを、加速空洞部本体とカソード取り付け部との間に一部もしくは全部内封してしまう構成も可能であるが、ガスケットとフランジとの間のがたつきの無い安定な構成としては、本願の実施形態による構成が最も好ましい。
【００４８】
表１〜表４に、理想的な１／２セル、ガスケットを用いた本願発明による図６の空洞膨出部（凹部）、Ｏリングを用いた本願発明による図７の空洞膨出部（凹部）、そしてＯリングを用いた従来の空洞膨出部の場合における計算結果をそれぞれ示す。なお、これらの計算は、材質をＳＵＳ（ＳＵＳ３０４、７２μΩ-ｃｍ）ならびにＯリング（Ａｌ；２．６５μΩ-ｃｍ）として電磁場解析コードＳＵＰＥＲＦＩＳＨを用いて行なった。また、以下の表において、場所を示す言葉として用いられるディスク部とはセルとセルを区切る部分、ギャップ部とは空洞膨出部を指し、また、符号ＥSはそれぞれの場所での表面電界強度、Ｅaccは中心軸線Ｃ上の最大電界強度である。また、ｄｆ／ｄｚは、カソードが設けられたカソード壁（カソード取り付け部の空洞側に面した平坦面）の位置を中心軸方向（ｚ方向）に変えたときの共鳴周波数の変化、ｄｆ／ｄｒは、空洞膨出部を径方向（ｒ方向）に拡径した場合の共鳴周波数の変化を意味する。
【００４９】
【表１】
2005050646.tif 000003
【００５０】
【表２】
2005050646.tif 000004
【００５１】
【表３】
2005050646.tif 000005
【００５２】
【表４】
2005050646.tif 000006
【００５３】
これらの計算結果から、従来の空洞膨出部の場合、空洞膨出部の表面電界強度が軸上の電界強度の２倍近くあるのに対し、本願発明の空洞膨出部（凹部）の構成の場合には、軸上の電界強度の半分に満たないほどに低減されていることが分かる。また、従来の空洞膨出部と比べて、本願発明の空洞膨出部（凹部）を用いる方がＱ値が高くなっている。ガスケットを用いた場合の表２とＯリングを用いた場合の表３とを比較すると、一見して表３の方がギャップの表面電界強度ならびにＱ値ともに良い結果が出ている。ただし、表３のＱ値は、カソード取り付け部と加速空洞部本体のＳＵＳ同志の接触抵抗を無視した理想的な結果であって、実際には、ＳＵＳの部材同士の密着性はそれほど高くなく、僅かな隙間の表面に現れる電荷による高い表面電界が放電の原因となってＱ値をさらに下げることが考えられるので、これらの表に示されたＱ値だけで表２と表３の間の優劣を判断することは難しい。また、Ｑ値を論じるのであれば、表に掲げられたＱ値が、銅メッキなど良導体による被覆を行なって凹部における抵抗を少なくすれば改善できることも考慮に入れられるべきである。実際に、表２の場合に、ガスケットの内周面に銅メッキを施すことによって、理想的な１／２セルと比べた表２におけるＱ値の３８％の低下を、１２％程度の低下にまで抑えられることが計算によって判明している。一方、電界強度の点から言っても、図４に示したように、ガスケットを用いた場合でも凹部の間隔Ｄを狭くすれば表面電界強度を下げることができる（Ｄ＝０．５ｍｍにするとＥS／Ｅaccの値が０．２５程度）ことを考えると、Ｏリングを用いた表３の場合に比べて、ガスケットを用いた表２の場合の方が劣っているとは言えず、むしろ、ガスケットの厚さを変えることによって共振周波数を調整できることを考慮すれば、表２の構成も含めて、既に上述してきた本発明の実施形態による構成がＯリングを用いた構成よりも総体的に有利であるということができる。
【００５４】
以上述べてきたように、本発明の構成によれば、カソード取り付け部２２と加速空洞部本体２３との間の接続部分での放電を抑えるとともに真空リークを防止することができ、質の高い電子ビームを取り出すことのできる安定に動作可能な高周波電子銃１を実現することができる。
【００５５】
次に、カソード４について詳述する。カソード４は、カソード表面に熱電子を放出しやすい物質が装着され、背後から加熱されることによって熱電子を放出する熱陰極型のカソードとされている。カソード４は、高温となるため、図１及び図２に示したように、カソード取り付け部２２とは別体に設けられ、カソード取り付け部２２から熱的に絶縁されている。カソード４とカソード取り付け部２２との間には、コイルバネ４１が介装され、これがＲＦコンタクトとして機能するようになっている。カソード４は、背後（電子ビームの進行方向と逆の方向）に延出してカソード取り付けフランジ４２に固定されている。一方カソード取り付け部２２も背後に延出して、その後端側に固定フランジ４３を有している。上記カソード取り付けフランジ４２と固定フランジ４３との間には、直線導入器４４（カソード位置調整手段）が挿入されている。この直線導入器４４は、外周側の回転部４４ａを回転させることによって自身の軸線方向にすなわち加速空洞部方向に進退しその長さを変更するように設けられている。直線導入器４４は、軸線方向の両端において、位置の固定された固定フランジ４３と軸線方向に前後に動かされるカソード取り付けフランジ４２とにそれぞれ気密に接続され、これにより、直線導入器４４の回転部４４ａを回転させることによって、内部を気密に保ったまま固定フランジ４３に対するカソード取り付けフランジ４２の位置が数μｍの精度で軸線方向に調整されるように構成されている。カソード４とカソード取り付け部２２とは、このように一体に組み立てられた状態で、ボルトやネジ等からなる複数の締結手段５，５・・・によって加速空洞部本体２３に装着されるようになっている。
【００５６】
カソード取り付け部２２が着脱されたとき、あるいはカソード４が着脱されたときには、カソード取り付け部２２の加速空洞部本体２３に対する位置、あるいはカソード取り付け部２２に対するカソード４の位置が変わるため、直線導入器４４を用いてカソード４の位置を軸線方向に前後に動かして、所望の共振周波数が得られるように調整する。
【００５７】
また、カソード４の温度が上昇し、熱膨張によってカソード４の位置に変化が生じたら、やはり直線導入器４４を用いてカソード４の位置を軸線方向にすなわち加速空洞部方向に進退させて、カソード４の位置の変化による共振周波数のずれを補正するように調整を行なう。
【００５８】
本発明の構成によれば、カソード４の位置を調整することによって、加速空洞部２の共振周波数を容易に制御することができる。そして、カソード４の着脱時における位置の変化、あるいは、熱膨張時の位置の変化による共振周波数の変化を補正することができる。
【００５９】
また、直線導入器４４には、図示されぬ駆動装置が設けられ、電子ビームの強度ならびにエネルギー、ＲＦの反射をモニターしながら、これらの値の最適値が得られるようにカソード４の位置を調整できるようになっている。
【００６０】
なお、上述の実施形態において、カソード４は熱陰極とされたが、レーザ光等の光が照射されて光電子を放出するフォトカソードとされていても構わない。カソード４の位置が調整可能とされることにより、加速空洞部２の共振周波数が容易に制御できるようになることには変わりがないからである。
【００６１】
次に、本願発明による高周波導入部３について説明する。高周波導入部３は、加速空洞部２の電子ビーム進行方向下流側の位置に設けられ、高周波を生成する高周波電源から導波管６を通して送られる高周波のモードを変換するモードコンバータ３１と、モードコンバータ３１でモードが変換された高周波を軸線方向上流側に向かって加速空洞２１まで導く同軸導波管３２とを有して構成されている。
【００６２】
ここで、同軸導波管３２は、中心軸線Ｃと同心配置された円筒状の内部導体３２ａと、同じく中心軸線Ｃと同心配置されて内部導体３２ａを取り囲む円筒状の外部導体３２ｂとを有して構成され、円筒形とされた内部導体３２ａの中心を電子ビームＥＢが通過し、内部導体３２ａと外部導体３２ｂの間の空間を高周波ＲＦが伝搬するように構成されている。図８に、斯かる構成とされた同軸導波管３２の概略的な縦断面図が示されている。なお、同軸導波管３２の軸線方向の長さは、十分長く形成され、カソード４の近くに集束用のソレノイドレンズＬが設置できるだけの十分なスペースが確保されるようになっている（図１参照）。
【００６３】
図９は、モードコンバータ３１の概略的な斜視図である。モードコンバータ３１は、ＴＥモードの高周波が伝搬する矩形導波管６との間に結合部３１ａを有し、さらに、この結合部３１ａから上記同軸導波管３２を跨ぐように延出して同軸導波管３２の中心軸線Ｃに対して対称に形成された２つのフィード部３１ｂ，３１ｂを有している。これらフィード部３１ｂ，３１ｂと上記同軸導波管３２との間には、同軸導波管３２の中心軸線Ｃに対して対称かつ対向位置に２つのアイリス３１ｃ，３１ｃ（高周波結合部）がそれぞれ形成されている。
【００６４】
電場の向き（図中概略的に符号Ｅで示す）が中心軸線Ｃ方向と平行なＴＥ１０モードの高周波が導波管６内を伝搬し、中心軸線Ｃ（図９には不図示）に対して略垂直な方向から上記結合部を介して該モードコンバータ３１内に導入されると、導入されたＴＥモードの高周波は、該モードコンバータ３１内においてＨ分岐して、各フィード部３１ｂ内に向きと大きさの等しい磁場（図中概略的に符号Ｂで示す）を形成するようなＴＭモードに変換される。このような磁場は、同軸導波管３２側から見ると、アイリス３１ｃ，３１ｃにおいて、いずれも同じ大きさでしかもその向きが中心軸線Ｃに対して時計回りもしくは反時計回り（電子ビームの進行方向から見て）に揃えられている。アイリス３１ｃは、中心軸線Ｃに対して対称かつ対向位置に配置されているため、高周波が同軸導波管３２にアイリス３１ｃを介して結合される際には、同軸導波管３２側から見たアイリス３１ｃにおける軸対称な磁場が、同軸導波管３２内に中心軸線Ｃ周りに周回する軸対称な磁場を形成して、これによって純粋なＴＥＭモードの高周波が生成されるようになる。このようにして、モードコンバータ３１内でＴＭモードに変換された高周波は、同軸導波管３２内をＴＥＭモードの高周波が伝達するようにさらにモードが変換されて後続の同軸導波管３２にアイリス３１ｃを介して導入される。同軸導波管３２内をＴＥＭモードで進行する高周波は、最終的に図８に示す同軸導波管３２と加速空洞部２の接続部であるカップリング部３２ｃ，３２ｃで加速空洞部２内に導入され、加速空洞部２内に電子ビームの加速に必要なＴＭ０１モードの電磁場の定在波を生成する。
【００６５】
図１０は、本発明によるモードコンバータ３１を用いた場合のＳパラメータによる各モードの透過及び反射特性を示す図である。計算には、３次元電磁場解析コード（ＭＷ−Ｓｔｕｄｉｏ）を用いた。接続部３１ａにおける反射特性Ｓ１１は、使用周波数である１１．４２４ＧＨｚにおいて鋭い谷を有しており、矩形導波管６を伝搬するＴＥ１０のみがモードコンバータ３１内に入力される様子が分かる。また、同軸導波管３２側から見た透過特性Ｓ２１は、ＴＥＭモードだけが１１．４２４ＧＨｚの位置にピークを有しており、その他の高次のモードＴＥ１１０やＴＥ２１０のモードは、−１５ｄＢ以下に抑えられ、ＴＥＭモードのみが伝搬することが分かる。
【００６６】
このように、本発明のモードコンバータ３１によれば、アイリス３１ｃ，３１ｃが、同軸導波管３２の中心軸に対して対称かつ対向位置に２つ配設され、さらに該モードコンバータ３１の内部における高次のＴＭモードの発生が抑えられて同軸導波管３２側から見たアイリス３１ｃ，３１ｃにおける磁場の強さが等しくなりかつ磁場の向きが中心軸線Ｃ周りに時計回りもしくは反時計回りのいずれかに揃えられるように構成されているため、同軸導波管３２側から見た磁場が軸対称となって、必要となるＴＥＭモードだけを同軸導波管３２内に伝搬させ、加速空洞２１内に専ら軸対称な電磁場のモードだけを発生させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明による高周波電子銃により、高輝度な電子ビームを安定に供給することができ、とりわけ、硬Ｘ線源に用いられる電子線源に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係る高周波電子銃の一実施形態を示す軸線方向の断面図である。
【図２】図１の高周波電子銃のカソード付近を拡大して示す断面図である。
【図３】加速空洞部本体とカソード取り付け部との接続部分を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明に係る空洞膨出部（凹部）の軸線方向のギャップ間隔と表面電界強度との関係を示す図である。
【図５】空洞膨出部（凹部）の軸線方向の間隔を狭めた本発明による他の実施形態を、加速空洞部本体とカソード取り付け部との接続部分のみ拡大して示す断面図である。
【図６】空洞膨出部の軸線方向の間隔を広げた本発明によるさらに他の一般的な実施形態を、加速空洞部本体とカソード取り付け部との接続部分のみ拡大して示す断面図である。
【図７】Ｏリングを用いた場合の空洞膨出部の本発明による他の実施形態を、加速空洞部本体とカソード取り付け部との接続部分のみ拡大して示す断面図である。
【図８】本発明に係る高周波導入部の同軸導波管を概略的に示す軸線方向の断面図である。
【図９】本発明に係る高周波導入部のモードコンバータの斜視図である。
【図１０】本発明に係る高周波導入部のモードコンバータの反射特性ならびに透過特性を示す図である。
【図１１】従来の高周波電子銃の構成を概略的に示す図である。
【図１２】従来の高周波電子銃の高周波導入部を示す図である。
【図１３】従来の高周波電子銃の高周波導入部に用いられるドアノブ型のモードコンバータを示す概略斜視図である。
【図１４】従来の高周波電子銃の高周波導入部に用いられるドアノブ型のモードコンバータの反射特性を示す図である。
【図１５】従来の高周波電子銃の加速空洞部本体とカソード取り付け部との接続部分を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１・・・高周波電子銃
２・・・加速空洞部
３・・・高周波導入部
４・・・カソード
５・・・締結手段
６・・・導波管
２１・・・加速空洞（空洞）
２１ａ・・・空洞膨出部（凹部）
２２・・・カソード取り付け部
２２ｂ・・・湾曲隅部
２３・・・加速空洞部本体
２３ａ・・・凹部の中心軸線側を向いた内周面の一周部を形成する加速空洞部本体の面
２３ｂ・・・湾曲角部
２４・・・ガスケット
２４ａ・・・ガスケットの内周面
２４ｂ・・・ガスケットのカソード取り付け部側の端面
２４ｃ・・・ガスケットの加速空洞部本体側の端面
３１・・・モードコンバータ
３１ａ・・・接続部
３１ｂ・・・フィード部
３１ｃ・・・アイリス（高周波結合部）
３２・・・同軸導波管
３２ａ・・・内部導体
３２ｂ・・・外部導体
３２ｃ・・・カップリング部
４１・・・コイルバネ
４２・・・カソード取り付けフランジ
４３・・・固定フランジ
４４・・・直線導入器（カソード位置調整手段）
４４ａ・・・回転部
１００・・・加速空洞部
１３１・・・加速空洞部本体
１３２・・・カソード取り付け部
１３３・・・空洞膨出部
２００・・・高周波導入部
２１０・・・高周波導入部
２１１・・・モードコンバータ
２１２・・・同軸導波管
２１３・・・高周波結合部
２２０・・・導波管
３００・・・カソード
Ｃ・・・中心軸線
Ｌ・・・ソレノイドレンズ
Ｏ・・・Ｏリング
ＥＢ・・・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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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