(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前段加速部と加速管の距離が変えられる距離調整装置を備え、該距離調整装置により電子ビームの走行距離を調整して加速管入口における電子ビームパルスのタイミングを加速管に供給するＲＦの位相に合わせることにより加速管での加速効率を調整することができる直線型加速装置。
【請求項２】
前記前段加速部と前記加速管の間に真空ベローズを介装して、前段加速部と加速管の間のビーム走行距離を伸縮できるようにしたことを特徴とする請求項１記載の直線型加速装置。
【請求項３】
前記前段加速部と前記加速管のうち移動距離の大きいものとこれにＲＦを供給するＲＦ供給源との間にフレキシブル導波管を介装して、より容易に前段加速部と加速管の距離を変えられるようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の直線型加速装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の直線型加速装置を備える自由電子レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＲＦガンで発生した電子ビームを効率よく加速するために加速管における電子ビームパルスのタイミングを調整する直線型加速装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自由電子レーザ装置などに用いられる直線型加速装置では、ＲＦガンで発生した電子ビームはパルス化されており、そのパルス周期およびタイミングはＲＦガンに供給される高周波（ＲＦ）の周期と位相に依存している。
次段に控えた加速管を用いてパルス化された電子ビームを効率よく加速するには、加速管入口での電子ビームパルスのタイミングを加速管におけるビーム軸方向電場が最大となるタイミングに合わせる必要がある。
加速管における電場は加速管に供給されるＲＦに依存する。このため、前段にあるＲＦガンに印加するＲＦと後段にある加速器に印加するＲＦの位相を適当に調整する必要があり、従来はパワーがより小さいＲＦガンの方に供給するＲＦ導波管路中に可変移相器を介装して位相を調整してきた。
【０００３】
図５はＲＦガンと加速管にクライストロンからＲＦを供給する従来方式の例を示す構成図である。
クライストロンから加速管にＲＦを供給するＲＦ導波管経路には、ＲＦのエネルギを測定するためのモニタ結合器と加速管の方にＲＦを通過させる一方真空を遮断するセラミック製のＲＦ窓が設けられている。
また、クライストロンからＲＦガンにＲＦを供給するＲＦ導波管経路には、モニタ結合器とＲＦ窓の他に、可変移相器とサーキュレータが設けられている。可変移相器は可変移相器制御器によりＲＦの位相を−πから＋πまでシフトすることができる。サーキュレータはダミーロードと共働して空洞からの反射波を吸収し系を安定化する。
【０００４】
進行波管である加速管では反射が少ないためサーキュレータを使用する必要がないが、ＲＦガンでは空洞からの反射波が無視できないのでサーキュレータを使用している。
図５の直線型加速装置例では、ＲＦガンに５ＭＷのＲＦが供給され、加速管に４０ＭＷのＲＦが供給されている。
クライストロンから供給されたＲＦは、加速管に導く導波管とＲＦガンに導く導波管に分岐され、ＲＦガン用導波管路中に設けられた可変移相器で位相調整を受けて、ＲＦガンに供給される。
【０００５】
ＲＦガンで発生しバンチングおよび加速を受けてパルス状になった電子ビームは、真空チャンバ内を飛翔して加速管に入射する。加速管には供給されたＲＦにより同じ周波数を有する軸方向電場が進行波として存在する。電子ビームのパルスタイミングを電場のピーク位置に合わせれば電子ビームの加速効率が最大となり強い加速作用を受ける。
このような設備ではＲＦ位相の調整に高価な可変移相器が使用されるため、設備の建設費用が増大する欠点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、直線型加速装置のために、可変移相器を用いないで加速管における電子ビームパルスタイミングを調整する経済的な手段を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の直線型加速装置は、ＲＦガンなど加速管に入射する前の前段加速部と加速管の距離が変えられる距離調整装置を備えており、距離調整装置により電子ビームの走行距離を調整して加速管入口における電子ビームパルスのタイミングを加速管における電場の位相に合わせることにより加速管での加速効率を調整するようにしたことを特徴とする。
周波数２８５６ＭＨｚのＲＦを使用する場合を考えると、１波長は１０５ｍｍ程度であるから、本発明における距離調整装置を用いて前段加速部と加速管の距離を１０５ｍｍ変化させることができれば加速管内の電場に対する電子ビームのパルス位置を全位相に亘って調整できる。
【０００８】
なお、前段加速部と加速管の間に真空ベローズを介装することにより、前段加速部と加速管の間のビーム走行距離を伸縮しても特別な改造をする必要が無いので、加速管入口における電子ビームパルスのタイミングを加速管の電場位相に容易に合わせることができる。
なお、前段加速部と加速管のうち移動距離の大きいものと繋ぐ導波管にフレキシブル導波管を介装しておくと、前段加速部あるいは加速管の位置が変わっても導波管路が適当に曲がって対応し、特別の装置や工事を要しない。
【０００９】
さらに、本発明の第２の直線型加速装置は、前段加速部に供給するＲＦの経路長と加速管に供給するＲＦの経路長を相対的に変化させるＲＦ経路調整装置を備えて、このＲＦ経路調整装置により前段加速部のＲＦ位相と加速管のＲＦ位相の差を調整し、加速管入口における電子ビームパルスのタイミングを加速管の電場の位相に合わせて加速管での加速効率を調整するようにしたことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、前段加速部のＲＦ位相と加速管のＲＦ位相の差を経路長を変えて調整するので、簡単な装置で容易に加速管での加速効率を最大化することができる。
ＲＦ経路調整装置としてベローズ付き導波管をＲＦ導波管路中に介装するようにしても良い。ベローズ付き導波管は比較的安価で簡単な操作により長さを変えることができるので、経済的な直線型加速装置を構成することができる。
【００１１】
また、本発明の自由電子レーザ装置は、上記いずれかの直線型加速装置を備えることを特徴とする。
本発明によれば容易に電子ビーム位相調整ができる低廉な自由電子レーザ装置を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の直線型加速装置の１実施例を表すブロック図、図２は本発明に用いるベローズ付き導波管の構造を示す断面図、図３は本実施例の別の態様を示すブロック図、図４は本発明の第２の実施例を表すブロック図である。
【００１３】
【実施例１】
本実施例の直線型加速装置は、自由電子レーザ装置などに用いられる電子ビームを生成する装置で、前段加速部たるＲＦガンと加速管を備える。ＲＦガンでバンチ化し前段加速された電子ビームを発生して、この電子ビームを加速管で相対論的速度まで効率よく加速し挿入光源などに入射して利用する。
ＲＦガンで発生される電子ビームのパルス周期およびタイミングはＲＦガンに供給される高周波（ＲＦ）の周期に依存し、加速管における電場は加速管に供給されるＲＦに依存している。
電子ビームを加速管で効率よく加速するため、加速管入口での電子ビームパルスのタイミングを電場が最大となるタイミングに合わせる必要がある。
【００１４】
本実施例の直線型加速装置は、ＲＦガンなど前段加速部と加速管の距離を変えることにより電子ビームの走行距離を調整して、電子ビームパルスタイミングを加速管の電場位相に合わせるようにしたものである。
図１は本実施例の直線型加速装置のＲＦガンと加速管の部分を表すブロック図である。
本実施例の直線型加速装置では、ＲＦガン１と加速管２を繋ぎ電子ビームを通す真空ダクトに真空ベローズ３が介装されている。図外のクライストロンから供給されるＲＦは、２本の導波管に分岐されそれぞれＲＦガン１と加速管２に導かれている。
【００１５】
クライストロンからＲＦガン１にＲＦを供給するＲＦ導波管経路には、ベローズ付き導波管４、モニタ結合器５、ダミーロード６に繋がるサーキュレータ７、およびセラミック製のＲＦ窓８が設けられている。従来技術で使用されてきた可変移相器は組み込まれていない。ベローズ付き導波管４は好ましくはベローズ３と平行に設置されている。
【００１６】
なお、図２に典型的なベローズ付き導波管の構造を示した。
ベローズ付き導波管は、図にあるように、固定された導波管１１とこれに嵌合して摺動する導波管１２の摺動部分を覆うベローズ１３を両導波管の外壁に固着して摺動部分から真空が漏れるのを防ぐような構造を有する。このベローズ付き導波管を用いることにより、導波管路長を変えても導波管内の真空を保持し、導波管内壁にＲＦを反射するような障害が生じないようにする。
【００１７】
一方、クライストロンから加速管２にＲＦを供給するＲＦ導波管経路には、モニタ結合器９とＲＦ窓１０が設けられている。
本実施例の直線型加速装置は、ＲＦガン１に５ＭＷのＲＦが供給され、加速管２に４０ＭＷのＲＦが供給されている。
【００１８】
クライストロンから供給されるＲＦはモニタ結合器５を通るときに、搬送エネルギーを正確に分割してモニターに取り出されＲＦのエネルギーや位相が測定される。ＲＦはその後ＲＦ窓８を通ってＲＦガン１に供給される。ＲＦガン１の加速空洞から反射してくるＲＦはサーキュレータ７で遮断される。
ＲＦガン１で発生する電子ビームは、バンチャーでパルス状になり加速空洞で加速されて、真空チャンバ内を飛翔して加速管２に入射する。加速管２にはＲＦガン１に供給されると同じ周波数を有するＲＦにより電子ビームのパルスと同じ周波数を有する軸方向電場が形成されている。
【００１９】
加速管２に到達した電子ビームパルスの位相はＲＦガン１と加速管２の間の距離に依存して変化する。加速管２入口における電子ビームのパルスタイミングが加速管２における電場のピーク位置に合っていない場合には、真空ベローズ３の長さを調整することにより加速管２入口におけるパルスタイミングをずらす位相調整をすることができる。
加速管２入口における電子ビームのパルスタイミングを加速管２内の電場位相と合わせると、電子ビームに強い加速作用を与えて相対論的速度を持つようにすることができる。
【００２０】
また、真空ベローズ３の伸縮によりＲＦガン１と加速管２の距離を変えれば、少なくともＲＦガンと加速管のいずれかの位置が変化するため、これに付随した各種装置も共に動かさなくてはならない。なお、負荷が小さく扱いやすいＲＦガン１の方を動かすようにすることが好ましい。
装置の位置変化に伴って、ＲＦ導波管経路中の固定部分と移動部分の間に挿入したベローズ付き導波管４を伸縮することにより、導波管経路にストレスがかからないようにする。
【００２１】
図３は、真空ベローズ３の伸縮に伴う装置の位置変化に対応する別の方法を説明するブロック図である。
この使用態様では、ＲＦ導波管中に真空ベローズを挿入する代わりにフレキシブル導波管を介装する。フレキシブル導波管は、導波管内壁表面を滑らかに保ったまま曲折させることができる導波管である。
【００２２】
図に見るように、固定した加速管２との間に設けた真空ベローズ３の伸縮に伴いＲＦガン１が移動する。ＲＦガン１にＲＦを供給する導波管路中にフレキシブル導波管１４を付けた導波管１５が挿入されている。
本使用態様では、電子ビームのパルス位相調整をするためＲＦガン１の位置を変更しても、フレキシブル導波管１４が屈曲するので導波管１５は導波管路の導波性能を維持したままＲＦガン１の動きに追従することができる。ＲＦガン１の移動量はせいぜい１００ｍｍ程度であるので、フレキシブル導波管１４は僅かに屈曲すればよい。
【００２３】
ＲＦガン１に付随して動く部分があるときは、クライストロンと繋がっていて床に固設された部分１６とＲＦガン１に付随する部分との間にフレキシブル導波管１４と導波管１５を接続してもよい。
なお、加速管２の方が移動するように構成したときには、フレキシブル導波管を加速管にＲＦを供給する導波管路中に挿入すればよい。
【００２４】
【実施例２】
本実施例の直線型加速装置は、前段加速部にＲＦを供給するＲＦ導波管路と加速管にＲＦを供給するＲＦ導波管路の距離差を変えることにより前段加速部と加速管のＲＦ位相差を調整して、電子ビームパルスタイミングを加速管の電場位相に合わせるようにしたものである。
図４は本実施例の直線型加速装置のＲＦガンと加速管の部分を表すブロック図である。
【００２５】
本実施例の直線型加速装置では、ＲＦガン１と加速管２を真空ダクトで繋ぎ電子ビームを通す。本実施例は第１実施例で用いた真空ベローズを用いない。クライストロン１７から供給されるＲＦは、２本の導波管に分岐されそれぞれＲＦガン１と加速管２に導かれている。
クライストロン１７からＲＦガン１にＲＦを供給するＲＦ導波管経路には、ベローズ付き導波管１８、モニタ結合器５、ダミーロード６に繋がるサーキュレータ７、およびＲＦ窓８が設けられている。ベローズ付き導波管１８を平行して１対設けるのは、導波管路長を調整するときに導波管に余分な応力を与えないようにするためである。
一方、クライストロンから加速管２にＲＦを供給するＲＦ導波管経路には、モニタ結合器９とＲＦ窓１０が設けられている。
各要素の機能作用は第１の実施例におけると同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００２６】
ＲＦガン１で発生するパルス状の電子ビームは真空チャンバ内を飛翔して加速管２に入射する。加速管２には電子ビームのパルスと同じ周波数を有する軸方向電場が形成されている。
電子ビームパルスの位相はＲＦガン１に供給されるＲＦの位相に依存して変化するので、加速管２入口における電子ビームのパルスタイミングが加速管２における電場のピーク位置に合っていない場合には、ＲＦガン１に供給するＲＦの位相を調整することにより加速管２入口におけるパルスタイミングを調整することができる。
【００２７】
クライストロン１７からＲＦガン１に供給されるＲＦは、ＲＦガン１に到達するまでの距離に従って位相が変化する。導波管路中に介装されたベローズ付き導波管１８を伸縮することにより、ＲＦガン１におけるＲＦの位相が変わり電子ビームパルスの位相が変化するので、加速管２の入口におけるパルスタイミングを調整することができる。
【００２８】
周波数２８５６ＭＨｚのＲＦを使用する場合には、１対のベローズ付き導波管１８を約５０ｍｍ変化させることにより電子ビームのパルス位置を全位相に亘って調整できる。
なお、ベローズ付き導波管は導波管路中任意の位置に設置することができるので、設備上あるいは運転上都合の良い場所を選択すればよい。
本実施例では、ＲＦ供給系のベローズ付き導波管１８を伸縮するだけで加速装置中の電子ビーム輸送系を動かさないので、調整機構が簡易になる上、パルスタイミングの調整がより容易になる利点がある。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の電子ビーム位相調整方法を用いれば、高価な可変移相器を用いることなく、加速管における電子ビームパルスタイミングを調整することができるようになるので、経済的な直線型加速装置を得ることができ、さらには経済的に自由電子レーザ装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の直線型加速装置の１実施例を表すブロック図である。
【図２】本発明に用いるベローズ付き導波管の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の別の態様を示すブロック図である。
【図４】本発明の直線型加速装置の第２の実施例を表すブロック図である。
【図５】従来の直線型加速装置を表すブロック図である。
【符号の説明】
１  ＲＦガン
２  加速管
３  真空ベローズ
４  ベローズ付き導波管
５、９  モニタ結合器
６  ダミーロード
７  サーキュレータ
８、１０  ＲＦ窓
１１、１２  導波管
１３  ベローズ
１４  フレキシブル導波管
１５  導波管
１６  固設部分
１７  クライストロン
１８  ベローズ付き導波管
【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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