(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子を発生する荷電粒子源と、この荷電粒子源から与えられる荷電粒子を加速空洞における高周波電界によって加速して出力する線形加速器と、この線形加速器内の加速空洞に加速用の高周波電力を供給する高周波発振器とを備える荷電粒子加速装置において、
前記線形加速器として、超伝導状態に保たれて前記荷電粒子を高周波電界によって加速する超伝導加速空洞を有する超伝導加速器を用い、この超伝導加速器内の超伝導加速空洞からの高周波の反射を実質的に零に調整し、前記高周波発振器から出力する高周波電力の出力Ｐおよび前記超伝導加速器で加速する荷電粒子の実質的に全部の電流値ｉを用いて、前記超伝導加速器で加速された後の荷電粒子のエネルギーＥをＥ＝Ｐ／ｉなる関係に基づいて制御することを特徴とする荷電粒子エネルギーの制御方法。
【請求項２】
荷電粒子を発生する荷電粒子源と、この荷電粒子源から与えられる荷電粒子を加速空洞における高周波電界によって加速して出力する線形加速器と、この線形加速器内の加速空洞に加速用の高周波電力を供給する高周波発振器とを備える荷電粒子加速装置において、
前記線形加速器として、超伝導状態に保たれて前記荷電粒子を高周波電界によって加速する超伝導加速空洞を有する超伝導加速器を備えており、更に、この超伝導加速器内の超伝導加速空洞からの高周波の反射を実質的に零に調整する反射調整機構と、前記高周波発振器から出力する高周波の出力Ｐを計測する出力計測器と、前記超伝導加速器で加速する荷電粒子の実質的に全部の電流値ｉを計測する電流計測器と、前記出力計測器で計測した出力Ｐおよび前記電流計測器で計測した電流値ｉを用いて、前記超伝導加速器で加速された後の荷電粒子のエネルギーＥをＥ＝Ｐ／ｉなる関係に基づいて制御するエネルギー制御装置とを備えていることを特徴とする荷電粒子加速装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高周波形の線形加速器（Ｌｉｎａｃ：ライナック。リニアックとも呼ばれる。）を用いて電子、イオン等の荷電粒子を加速して、電子線照射による架橋、改質、殺菌、減菌、殺虫等、あるいはイオン照射によるイオン注入、改質等に用いられる荷電粒子加速装置および荷電粒子エネルギーの制御方法に関し、より具体的には、線形加速器として超伝導加速器を用いることによって、荷電粒子エネルギーの制御を容易にする手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子、イオン等の荷電粒子を発生する荷電粒子源と、この荷電粒子源から与えられる荷電粒子を加速空洞における高周波電界によって加速する線形加速器と、この線形加速器に加速用の高周波電力を供給する高周波発振器とを備える荷電粒子加速装置は、高周波ライナック等と呼ばれて、既に各種分野において利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
コッククロフト形のような静電界による加速器と違って、従来の上記のような高周波電界による線形加速器によって加速される荷電粒子のエネルギーを制御するのは非常に難しい。
【０００４】
これは、従来の線形加速器は常伝導タイプの加速空洞を用いるものであり、入力された高周波電力の内の大部分は加速空洞におけるジュール熱損となって消費され、この熱によって加速空洞に不均一でしかも大きな歪みが発生して、容易に動作不安定が発生するからである。この不安定発生を抑えるのが非常に難しく、あるエネルギーで不安定発生を抑えても、他のエネルギーでは容易に不安定発生が起こる。
【０００５】
また、加速後の荷電粒子のエネルギーが幾らになっているのかを知ることも容易ではない。これは、上記のように、入力された高周波電力の内の大部分は加速空洞におけるジュール熱損となって消費され、残りの幾らが荷電粒子のエネルギーに変換されるかが正確には分からないからである。このエネルギー変換の割合は、機器構成、高周波電力の周波数、パワー、入力調整等に依って変化し、一定ではない。
【０００６】
従来は、加速後の荷電粒子のエネルギーを求めるために、（ａ）加速空洞内に生じる高周波電界の強さをアンテナ等を用いて計測して加速電界強度を推測してエネルギーを推測したり、（ｂ）線形加速器から加速されて出て来た荷電粒子を偏向電磁石で曲げてその曲がり具合からエネルギーを計算したり、（ｃ）核反応等のエネルギーの分かっている事象を用いて必要なパラメータをエネルギー校正し、その間は内挿で適宜決める、等の手段を用いていた。
【０００７】
しかし、上記（ａ）の手段は、推測に推測を重ねるものであり、信頼性に欠ける。上記（ｂ）の手段は、偏向電磁石が必要であり、構成が大がかりになる。しかも、荷電粒子を曲げると、大きなスペースを必要とする。偏向電磁石を用いて荷電粒子を曲げる機器配置を採ることが困難な場合もある。上記（ｃ）の手段も、校正グラフ等の校正システムを用いるため、手間がかかる。しかも、その校正が経時変化していないかを定期的にチェックする必要がある。
【０００８】
そこでこの発明は、加速後の荷電粒子のエネルギーを、簡単にしかも高い信頼性で正確に制御することのできる方法および装置を提供することを主たる目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る荷電粒子エネルギーの制御方法は、前記線形加速器として、超伝導状態に保たれて前記荷電粒子を高周波電界によって加速する超伝導加速空洞を有する超伝導加速器を用い、この超伝導加速器内の超伝導加速空洞からの高周波の反射を実質的に零に調整し、前記高周波発振器から出力する高周波電力の出力Ｐおよび前記超伝導加速器で加速する荷電粒子の実質的に全部の電流値ｉを用いて、前記超伝導加速器で加速された後の荷電粒子のエネルギーＥをＥ＝Ｐ／ｉなる関係に基づいて制御することを特徴としている。
【００１０】
この発明に係る荷電粒子加速装置は、前記線形加速器として、超伝導状態に保たれて前記荷電粒子を高周波電界によって加速する超伝導加速空洞を有する超伝導加速器を備えており、更に、この超伝導加速器内の超伝導加速空洞からの高周波の反射を実質的に零に調整する反射調整機構と、前記高周波発振器から出力する高周波の出力Ｐを計測する出力計測器と、前記超伝導加速器で加速する荷電粒子の実質的に全部の電流値ｉを計測する電流計測器と、前記出力計測器で計測した出力Ｐおよび前記電流計測器で計測した電流値ｉを用いて、前記超伝導加速器で加速された後の荷電粒子のエネルギーＥをＥ＝Ｐ／ｉなる関係に基づいて制御するエネルギー制御装置とを備えていることを特徴としている。
【００１１】
上記構成によれば、高周波発振器から出力された高周波電力は、超伝導加速空洞からの高周波の反射を実質的に零に調整するので、全て超伝導加速空洞に供給される。
【００１２】
この超伝導加速空洞では、超伝導であるが故に、ジュール熱損が実質的に零であり、即ち加速空洞でロスすることはなく、供給された高周波電力は全て荷電粒子の加速に使用され、荷電粒子のパワーに変換される。
【００１３】
従って、高周波発振器から出力される高周波電力の出力Ｐと、超伝導加速器で加速される荷電粒子のパワーＷとの間には、次式の関係が成立する。
【００１４】
【数１】
Ｐ＝Ｗ
【００１５】
一方、加速後の荷電粒子のパワーＷは、荷電粒子のエネルギーＥと当該荷電粒子の電流値ｉとの積であり、次式で表される。
【００１６】
【数２】
Ｗ＝Ｅ・ｉ
【００１７】
上記数１および数２より、次式の関係が得られる。
【００１８】
【数３】
Ｅ＝Ｐ／ｉ
【００１９】
本願の発明者達は、超伝導加速空洞を用いることにより、かつそれからの高周波を無反射状態に調整することにより、荷電粒子加速装置において上記数３の関係が成立することを見い出した。
【００２０】
上記高周波発振器の出力Ｐは、高周波電力計等の公知の技術によって、簡単にかつ正確に計測することができる。
【００２１】
上記荷電粒子の電流値ｉも、変流器等の公知の技術によって、簡単にかつ正確に計測することができる。
【００２２】
この発明は、このように簡単にかつ正確に計測することのできる出力Ｐおよび電流値ｉを用いて、上記数３の関係に基づいて、荷電粒子のエネルギーＥを制御するものであり、これによって、加速後の荷電粒子のエネルギーを、簡単にしかも高い信頼性で正確に制御することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るエネルギー制御方法を実施する荷電粒子加速装置の一例を示す概略図である。図２は、図１中の超伝導加速器周りの一例を示す概略断面図である。
【００２４】
この荷電粒子加速装置は、荷電粒子４を発生（射出）する荷電粒子源２と、超伝導状態に保たれてこの荷電粒子源２から供給される荷電粒子４を高周波電界によって加速する超伝導加速空洞１４（図２参照）を有する超伝導加速器６と、この超伝導加速器６に（より具体的にはその内部の超伝導加速空洞１４に）荷電粒子加速用の高周波電力を供給する高周波発振器１６と、超伝導加速器６からの（より具体的にはその内部の超伝導加速空洞１４からの）高周波の反射を実質的に零に調整する反射調整機構３０と、上記数３に基づいて加速後の荷電粒子４のエネルギーＥを制御するエネルギー制御装置３６とを備えている。
【００２５】
荷電粒子４は、例えば、電子またはイオン等である。
【００２６】
荷電粒子４が電子の場合は、荷電粒子源２は例えば電子銃である。荷電粒子４がイオンの場合は、荷電粒子源２は例えばイオン源である。
【００２７】
高周波発振器１６は、この例では、それから出力する高周波電力の出力Ｐを計測する出力計測器１８と、超伝導加速器６からの（より具体的にはその内部の超伝導加速空洞１４からの）高周波の反射Ｒを計測する反射計測器２０とを備えている。出力計測器１８は、例えば、高周波電力計である。反射計測器２０は、例えば、反射電力計である。
【００２８】
この高周波発振器１６から出力された高周波電力は、この例では同軸管２２を経由して、超伝導加速器６内の超伝導加速空洞１４に供給される。但し、同軸管２２の代わりに、導波管等を用いても良い。なお、この明細書において「高周波」は、マイクロ波を含む広い概念で用いている。
【００２９】
超伝導加速器６は、高周波形の線形加速器の一種であり、この例では、図２に示すような構造をしている。
【００３０】
即ち、この超伝導加速器６は、液体ヘリウム１２が満たされる液体ヘリウム容器１０内に、複数個（この例では５個）直列に接続された超伝導加速空洞１４を収納し、更にこの液体ヘリウム容器１０を真空容器８内に収納した構造をしている。即ちこの超伝導加速空洞１４は、５セル構造をしている。
【００３１】
液体ヘリウム容器１０に液体ヘリウム１２を供給するヘリウム冷凍機を備えているが、ここではその図示を省略している。また、液体ヘリウム容器１０と真空容器８との間には、通常は、窒素温度シールド等が設けられているが、これも図示を省略している。
【００３２】
各超伝導加速空洞１４は、この例では、ニオブ（Ｎb ）で形成されており、液体ヘリウム１２の温度４．２Ｋで超伝導状態に保たれる。但し、この超伝導加速空洞１４には、ニオブ以外の超伝導材料を用いても良く、またその材料に応じて、それを超伝導状態に保つ冷却温度や冷却媒体を定めれば良い。
【００３３】
この各超伝導加速空洞１４には、前記高周波発振器１６から、この例では同軸管２２およびアンテナ２６を経由して、荷電粒子加速用の高周波電力が供給される。これによって、各超伝導加速空洞１４において高周波電界が生じ、当該高周波電界によって荷電粒子４を加速することができる。
【００３４】
超伝導加速空洞１４の数（セル数）および高周波電力の周波数等によって、荷電粒子４の最大の加速エネルギーは概ね定まる。例えば、電子を加速する場合、５００ＭＨｚで５セルとすれば、最大で１０ＭｅＶ程度のエネルギーを得ることができる。これ以下の範囲内において、この発明によれば、上記数３の関係に従って、エネルギーＥを簡単に調整することができる。
【００３５】
反射調整機構３０は、この例では、図２に示すように、同軸管２２に接続されていて超伝導加速空洞１４に高周波電力を供給するアンテナ２６と、当該アンテナ２６を矢印Ｂに示すように出し入れする駆動部２８とを備えている。この駆動部２８は、モータを有している。アンテナ２６の貫通部は、セラミックス等から成る仕切板２４によって、内側の真空雰囲気と外側の大気とが仕切られている。
【００３６】
この反射調整機構３０によってアンテナ２６を出し入れすることによって、超伝導加速空洞１４との高周波の結合状態を調整して、超伝導加速空洞１４からの反射Ｒを実質的に零に（即ち零または零と見なせる程度に）調整することができる。この反射Ｒは、この例では、前述した反射計測器２０によってモニタすることができる。
【００３７】
この例では更に、反射計測器２０で計測する反射Ｒに応じて駆動部２８を制御して、超伝導加速空洞１４からの反射Ｒを自動で実質的に零に調整する反射制御装置３２を設けている。但し、反射Ｒの上記のような調整は、反射計測器２０を見ながら手動で行っても良い。その場合は、反射制御装置３２は不要であり、また、駆動部２８を手動機構にしても良い。
【００３８】
この荷電粒子加速装置は、更に、超伝導加速器６で加速する荷電粒子４の電流値ｉを計測する電流計測器３４を備えている。
【００３９】
この電流計測器３４は、この例では、超伝導加速器６の出口部に設けられていて、加速後の荷電粒子４が中を通ることによって流れる電流を計測する巻線であり、これは変流器と呼ぶこともできる。この電流計測器３４は、超伝導加速器６の入口部に設けて、超伝導加速器６に入射する直前の荷電粒子４の電流値ｉを計測しても良いし、荷電粒子源２から出た直後の荷電粒子４の電流値ｉを計測しても良い。あるいは、荷電粒子源２が電子銃のような場合は、上記のような電流計測器３４の代わりに、カソード電流を計測する電流計測器を用いても良い。この装置では、荷電粒子源２から出力された荷電粒子４は途中でロスすることなく全て加速されると考えることができるので、上記いずれの箇所で荷電粒子４の電流値ｉを計測しても良い。
【００４０】
エネルギー制御装置３６は、出力計測器１８で計測した前記出力Ｐおよび電流計測器３４で計測した前記電流値ｉを用いて、前記数３の演算を行って、超伝導加速器６から出力する荷電粒子４のエネルギーＥを求めて、当該エネルギーＥを所望の（目的の）値に制御する機能を有している。例えば、高周波発振器１６から出力する出力Ｐを一定に保ちながら、目的とするエネルギーＥになるように、荷電粒子源２を制御してそれから出力する荷電粒子４の電流値ｉを制御することができる。あるいは、目的とするエネルギーＥおよび電流値ｉが得られるように、高周波発振器１６から出力する高周波電力の出力Ｐおよび荷電粒子源２から出力する荷電粒子４の電流値ｉを制御することができる。
【００４１】
このエネルギー制御装置３６と上記反射制御装置３２とを、一つの制御装置内に組み込んでも良い。即ち、両者３２、３６の上記機能を有する統合された制御装置を設けても良い。
【００４２】
なお、超伝導加速器６の下流側に、この例のように、超伝導加速器６から出力された荷電粒子４を走査する走査器（図示例では走査コイル）３８および末広がりの走査管４０を設けて、走査管４０の先端部に設けた窓箔４２を透過させて、走査された荷電粒子４を照射雰囲気中（例えば大気中）へ取り出して被照射物４４に照射するように構成しても良い。この場合、荷電粒子４を電子とすれば、この装置は走査形の電子線照射装置となる。これによって、被照射物４４に、例えば、架橋、改質、殺菌、滅菌、殺虫等の処理を施すことができる。
【００４３】
前述したように、従来の高周波形の線形加速器は常伝導タイプの加速空洞を用いるものであり、入力された高周波電力の内の大部分はジュール熱損となるので、しかもその割合は一定でないので、前記数１の関係を得ることはできない。
【００４４】
これに対して、この超伝導加速器６では、前述したように、超伝導加速空洞１４を用いていて、そこでのジュール熱損が実質的に零である（即ち零または無視し得る程度に小さい）ので、入力された高周波電力の全てが荷電粒子４のパワーに変換される。しかも、反射調整機構３０によって無反射の状態に調整する。その結果、この荷電粒子加速装置では上記数３の関係が成立する。
【００４５】
しかも、高周波発振器１６の出力Ｐは、例えば出力計測器１８によって簡単にかつ正確に計測することができる。荷電粒子４の電流値ｉも、例えば電流計測器３４によって簡単にかつ正確に計測することができる。
【００４６】
この荷電粒子加速装置では、このように簡単にかつ正確に計測することのできる高周波発振器１６の出力Ｐおよび荷電粒子４の電流値ｉを用いて、上記数３の関係に基づいて、荷電粒子４のエネルギーＥを制御するものであり、これによって、超伝導加速器６による加速後の荷電粒子のエネルギーＥを、所望の値に、簡単にしかも高い信頼性で正確に制御することができる。そのエネルギーＥの再現性も非常に良い。
【００４７】
また、従来のエネルギー計測用に偏向電磁石を用いる場合と違って、荷電粒子４を曲げる必要がなく、荷電粒子４の軌道を直線状に保つことができ、しかも加速後にすぐに荷電粒子４を目的の処理に用いることができるので、機器構成が容易になると共に省スペースにもなる。
【００４８】
しかも、上記数１から分かるように高周波発振器１６の出力Ｐを一定に保つことによって超伝導加速器６から出力する荷電粒子４のパワーＷを一定に保つことができ、このパワーＷを一定に保ったままで、荷電粒子４の電流値ｉを変えることによって、上記数３から分かるように、荷電粒子４のエネルギーＥを簡単に変えることができるのも大きな特徴である。例えば、超伝導加速器６から出力する荷電粒子４のパワーＷを１００ｋＷの一定に保ちながら、エネルギーＥが１０ＭｅＶで電流値ｉが１０ｍＡの荷電粒子４を出力することも、あるいはエネルギーＥが５ＭｅＶで電流値ｉが２０ｍＡの荷電粒子４を出力することも、簡単に実現することができる。
【００４９】
このことは、加速された荷電粒子４を、例えば前述した電子線照射装置のように、被照射物の処理に用いる場合に特に便利である。というのも、荷電粒子４のパワーＷは、被照射物の処理能力に直結するものであり、その処理能力を変えずに、荷電粒子４のエネルギーＥだけを変えたい場合がある。例えば、高さの異なる被照射物を同一のコンベアで搬送しながら当該被照射物に電子線を照射して殺菌処理を施すような場合、電子線のパワーは変えずに電子線のエネルギーＥを被照射物の高さに応じて変えて電子線の透過力（即ち殺菌処理の深さ）を変えるのが好ましく、それに簡単に対応することができる。
【００５０】
従来の常伝導形の加速空洞を用いた線形加速器では、前述したように加速エネルギーを変えるのは非常に難しく、またエネルギー調整後の加速エネルギーの再現性も悪いので、上記のような場合に簡単にエネルギーを変えて対応する等ということは到底できない。
【００５１】
また、従来の常伝導形の加速空洞を用いた線形加速器では、加速空洞におけるジュール熱損が非常に大きくて加速空洞の冷却が難しいので、デューティ比が極めて小さい（例えば１％以下の）パルス運転しかできなかったのに対して、上記超伝導加速器６では、超伝導加速空洞１４におけるジュール熱損による発熱の問題が殆どないので、加速された荷電粒子４を連続的に取り出す連続運転を行うことができる。あるいは、従来に比べてデューティ比の遙かに大きい（例えば２５％とか５０％等の）間欠運転も勿論可能である。従って、荷電粒子４の利用効率が従来に比べて飛躍的に向上する。従って例えば、このような荷電粒子４を被照射物の処理に用いることによって、処理効率を飛躍的に高めることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のようにこの発明は、超伝導加速空洞を用い、かつ当該超伝導加速空洞からの高周波の反射を実質的に零に調整することにより、供給された高周波電力が全て荷電粒子のパワーに変換されることを利用して、荷電粒子のエネルギーＥをＥ＝Ｐ／ｉなる関係に基づいて制御するものであり、これによって、加速後の荷電粒子のエネルギーを、簡単にしかも高い信頼性で正確に制御することができる。そのエネルギーの再現性も非常に良い。
また、従来のようにエネルギー計測用に偏向電磁石を用いる場合と違って、荷電粒子を曲げる必要がなく、荷電粒子の軌道を直線状に保つことができ、しかも加速後にすぐに荷電粒子を目的の処理に用いることができるので、機器構成が容易になると共に省スペースにもなる。
しかも、高周波発振器の出力Ｐを一定に保つことによって超伝導加速器から出力する荷電粒子のパワーを一定に保つことができ、このパワーを一定に保ったままで、荷電粒子の電流値ｉを変えることによって、上記式Ｅ＝Ｐ／ｉから分かるように、荷電粒子のエネルギーＥを簡単に変えることができるのも大きな特徴である。
【００５３】
しかも、超伝導加速空洞を用いていてジュール熱損による発熱の問題が殆どないので、加速された荷電粒子を連続的に取り出す連続運転や、従来に比べてデューティ比が遙かに大きい間欠運転も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るエネルギー制御方法を実施する荷電粒子加速装置の一例を示す概略図である。
【図２】図１中の超伝導加速器周りの一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
２  荷電粒子源
４  荷電粒子
６  超伝導加速器
１４  超伝導加速空洞
１６  高周波発振器
１８  出力計測器
２０  反射計測器
３０  反射調整機構
３２  反射制御装置
３４  電流計測器
３６  エネルギー制御装置
【図１】
0003881854.tif 000002
【図２】
0003881854.tif 000003