(57)【要約】【課題】高周波電力を強くすることなく電子ビームをバンチングできる電子線照射装置のプリバンチング機構を提供する。【解決手段】電子銃１０と加速管１３の間に、電子ビームを高周波によりバンチングするプリバンチャー１１を接続した電子線照射装置のプリバンチング機構において、プリバンチャー１１と加速管１３の間に、ドリフト距離を調整するドリフト距離調整機構１２を設けたものである。【選択図】図１
2009238464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃と加速管の間に、電子ビームを高周波によりバンチングするプリバンチャーを接続した電子線照射装置のプリバンチング機構において、プリバンチャーと加速管の間に、ドリフト距離を調整するドリフト距離調整機構を設けたことを特徴とする電子線照射装置のプリバンチング機構。
【請求項２】
ドリフト距離調整機構は、プリバンチャーと加速管間に接続されたベローズ管と、そのベローズ管の長さを調節するネジ調整手段とからなる請求項１記載の電子線照射装置のプリバンチング機構。
【請求項３】
ベローズ管は、プリバンチャーに接続される入力フランジと、加速管の入力端板に接続される出力フランジを有し、ネジ調整手段は、入力フランジと出力フランジに挿通される複数のネジ棒と、そのネジ棒に螺合され、入力フランジと出力フランジをそれぞれ固定するナットからなる請求項２記載の電子線照射装置のプリバンチング機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子銃と加速管を備えた電子線照射装置に係り、特に電子銃と電子を加速する加速管の間に接続され電子ビームの加速効率を向上するプリバンチャーでのバンチング機能を改良した電子線照射装置のプリバンチング機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子線形加速器を用いた電子線照射装置において、電子発生源である電子銃と電子を加速する加速管の間には、電子ビームの加速効率向上のため、プリバンチャーと呼ばれるビームのバンチング機能を有する機構を設置する手段が取られている。
【０００３】
図７は、電子線照射装置における電子銃とプリバンチャーと加速管の組立図を示したものである。
【０００４】
図７において、電子銃８０は、熱カソード８１が、カソードホルダ８２の先端のウェネルト電極８３の内周に位置するように保持され、これらが真空筒８４内に収容されて構成される。この真空筒８４には、アノード電極８５が接続されると共にアノード電極８５に高周波電力が入力されるプリバンチャー８６が接続され、そのプリバンチャー８６に入力端板８７を介して加速管８８が接続される。
【０００５】
このプリバンチャー８６に高周波電源装置からの高周波電力を入力するアンテナ８９が設けられ、また高周波電源からの高周波電力は、加速管８８にも入力されるようになっている。
【０００６】
プリバンチャー８６内では、電子銃８０の熱カソード８１からの電子ビームが高周波電界により密度圧縮（速度変調）され、加速管８８への入射後、高周波電界を受けて加速される。
【０００７】
このとき、圧縮された電子ビームの加速管８８への入射タイミングが重要であり、上手く高周波の正位相に乗った時のみ、電子ビームは加速管８８で効率良く加速される。このプリバンチャー８６の作用により、加速管８８で加速されたビームのエネルギーは、分散が小さくなる（均一性の向上）という効果がある。
【０００８】
この加速管８８への入射タイミングを調整するために、プリバンチャー８６の高周波導入部には、図示していないが位相調整機構が設けられている。
【０００９】
また一方で、ビーム圧縮の度合い（バンチングされたビームの長さ）も加速効率に影響するため、できるだけ短いバンチ長で加速管８８に入射する必要がある。
【００１０】
この作用を調整する機構として、プリバンチャー８６の高周波導入部には、導入する高周波の強度を調整するためのアッテネータ（減衰）機構も同時に設けられている。
【００１１】
これにより、電子銃８０からの電子ビームをできるだけ短いバンチ長で加速管８８に入射して加速効率を向上するようにしている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−９３６００号公報
【特許文献２】特開平０５−２１７６９５号公報
【特許文献３】特開平０１−１３０５００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、バンチングの度合いは、プリバンチャー８６から加速管８８の入口までの距離（これをドリフト距離と呼ぶ）でも決まり、高周波の強度が強ければ、短いドリフト距離でもバンチングされ、強度が弱ければ、長いドリフト距離が必要である。
【００１４】
よって、プリバンチャー８６に注入する高周波強度（電力）が強ければ、短いドリフト距離でバンチングされるので、加速器全体の小型化に繋がるのであるが、その場合、高周波導入部の耐電力も考慮しなければ、プリバンチャー８６の破損に繋がる恐れがある。そのため、最適な高周波電力とドリフト距離の選定、調整可能な機構を検討する必要があるが、従来ドリフト距離は一定であり、高周波電力側でしか調整できないという問題がある。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高周波電力を強くすることなく電子ビームをバンチングできる電子線照射装置のプリバンチング機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、電子銃と加速管の間に、電子ビームを高周波によりバンチングするプリバンチャーを接続した電子線照射装置のプリバンチング機構において、プリバンチャーと加速管の間に、ドリフト距離を調整するドリフト距離調整機構を設けたことを特徴とする電子線照射装置のプリバンチング機構である。
【００１７】
請求項２の発明は、ドリフト距離調整機構は、プリバンチャーと加速管間に接続されたベローズ管と、そのベローズ管の長さを調節するネジ調整手段とからなる請求項１記載の電子線照射装置のプリバンチング機構である。
【００１８】
請求項３の発明は、ベローズ管は、プリバンチャーに接続される入力フランジと、加速管の入力端板に接続される出力フランジを有し、ネジ調整手段は、入力フランジと出力フランジに挿通される複数のネジ棒と、そのネジ棒に螺合され、入力フランジと出力フランジをそれぞれ固定するナットからなる請求項２記載の電子線照射装置のプリバンチング機構である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高周波電力を強くすることなく、その高周波電力に合わせたドリフト距離を設定して電子ビームをバンチングして加速管に投入できるという優れた効果を発揮するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２１】
図１は、本発明の電子線照射装置のプリバンチング機構の一実施の形態を示す断面図である。
【００２２】
本発明の電子線照射装置のプリバンチング機構は、電子銃１０にプリバンチャー１１、ドリフト距離調整機構１２、加速管１３が順次接続されて構成される。
【００２３】
電子銃１０は、熱カソード１４が、カソードホルダ１５の先端のウェネルト電極１６の内周に位置するように保持され、これらが真空筒１７内に収容されて構成される。
カソードホルダ１５は、真空筒１７のフランジ１８に接続した端部フランジ２０に保持される。カソードホルダ１５内には、熱カソード１４を保持するカソード押さえ２１が設けられ、またカソードホルダ１５の後端には、キャップ２２が設けられ、そのキャップ２２には電流入力端子２３が設けられ、その入力端子２３からカソード押さえ２１内に設けたカソードピン２５により熱カソード１４に給電できるようになっている。
真空筒１７は、給電側フランジ１８と絶縁する絶縁碍子２６を有し、その真空筒１７に真空筒１７をイオンポンプなどで高真空とする真空引きポート２７が接続される。
【００２４】
この真空筒１７の先端のフランジ２８には、プリバンチャー１１が接続される。プリバンチャー１１の入力側には、アノード電極３０が形成され、出力側には、出射フランジ３１が設けられ、その間にプリバンチャー空洞（共振空洞）３２が形成されると共に真空引き用のポート３３が接続される。プリバンチャー空洞３２には、後述する高周波発生源に接続されたアンテナ３４が設けられる。
【００２５】
ドリフト距離調整機構１２は、プリバンチャー１１と加速管１３間に接続されたベローズ管４０と、そのベローズ管４０の長さを調節するネジ調整手段４１とから構成される。ベローズ管４０は、プリバンチャー１１に接続される入力フランジ４２と、加速管１３の入力端板５０に接続される出力フランジ４３を有する。
入力フランジ４２は、真空筒１７のフランジ２８からボルト３６にて連結され、これにより真空筒１７とプリバンチャー１１とベローズ管４０とが一体に連結される。入力フランジ４２と出力フランジ４３には、その外周に沿って複数の舌片４５、４６を有する。
【００２６】
ネジ調整手段４１は、その舌片４５、４６間を連結するように設けられてフランジ４２、４３間の距離を調整するようになっており、具体的には、舌片４５、４６を挿通するネジ棒４７と、そのネジ棒４７に螺合され、舌片４５、４６を表裏から締め付けるナット４８、４９とから構成され、ナット４８、４９による締め付け位置を調整することで、フランジ４２、４３間の距離を調整する。この際、加速管１３側は固定のため、自由端側の電子銃１０側が調整距離分だけ移動するようになっており、また真空引きポート２７とイオンポンプ（図示せず）との接続は、可撓管などが用いられて、調整による移動を許容できるようになっている。また、各ネジ調整手段４１は、モーター機構を設け、遠隔にて調整可能とする。
【００２７】
ベローズ管４０の出力フランジ４３と加速管１３の入力端板５０とは、入力フランジ５２を介して連結される。
【００２８】
加速管１３は、図では省略しているが所定の長さに形成され、また加速管１３の先端には、スキャンホーンが接続され、スキャンホーンにて電子ビームが走査されて被照射物に照射されるようになっている。
【００２９】
次にプリバンチャー１１と加速管１３に入力する高周波を図６により説明する。
【００３０】
図６は、プリバンチャー１１と加速管１３に入力する高周波電力の模式図を示したものである。
【００３１】
マグネトロン、クライストロンなどからなる高周波発生源６０からの高周波は、導波管６１を通してプリバンチャー用方向性結合器６２にて二つに分岐され、一方は、加速管１３に入力され、他方はアッテネータ６３で高周波の投入電力が調整され、フェーズシフター６４で入射位相のタイミングが調整され、本発明のドリフト距離調整機構１２付きのプリバンチャー１１に入力されるようになっている。
【００３２】
このように、本発明は、加速管１３への入射位相タイミングを調整できる位相調整（フェーズシフター）６４、プリバンチャー１１ヘの投入電力の強度を調整できる減衰調整機構（アッテネータ）６３に加え、プリバンチャー１１と加速管１３の間の距離を調整できるドリフト距離調整機構１２を設けることで、最適な電力強度（導入機構が破損しない最大の電力強度）を確保したまま、ドリフト距離を調整することで、効果的なバンチング機能を実現できる。
【００３３】
これにより、本発明は、プリバンチャー１１の高周波導入機構を破損することなく、必要最低限のドリフト距離を確保でき、効果的なバンチング機能を実現できる。また、加速器を改造することなく、設置後も容易に最適なビーム調整が可能である。またドリフト距離の調整は、遠隔調整できる機構を備えることで、調整時間を短縮することも可能である。
【００３４】
ドリフト距離の調整は、プリバンチャー高周波導入部の耐電力仕様を把握すると共に、プリバンチャー高周波導入部への投入電力を計測する、もしくは、推定しておき、アッテネータ６３の調整で、プリバンチャー１１ヘの投入電力を耐電力以下に設定する。
【００３５】
次に、ドリフト距離調整機構１２にてベローズ管４０の長さを最短にし、フェーズシフター６４を最適調整する（加速効率（加速管透過電流÷電子銃放出電流）が最大となる点をサーベイする）。
【００３６】
しかる後、ベローズ管４０を少し長くして、同様にフェーズシフター６４を最適調整する。
【００３７】
上記のベローズ管４０の長さとフェーズシフター６４の最適化を繰返し、最も加速効率が高くなるベローズ管４０の長さ（ドリフト距離）をサーベイし、固定する。
【００３８】
これにより、プリバンチャー１１への高周波電力の入力パワーが低くても最適化が可能となる。
【００３９】
次に、本発明のドリフト距離調整機能を図２〜図５を用いてさらに詳しく説明する。
【００４０】
図２は、図１で説明した電子線照射装置のプリバンチング機構における電子加速原理の説明図である。
【００４１】
熱カソード１４からは、図示のように電子ビームＢ１０が軸方向に広がった状態で放出され、これがプリバンチャー空洞３２内に入り、高周波電界によるバンチング機能により、軸方向に圧縮されたビームのバンチＢ１１とされる。ここで、電子ビームＢ１１は、逆電界を印加された電子は減速され、正電界を印加された電子は加速され、ドリフト距離調整機構１２の出口の加速管１３の入口で加速された電子が、減速された電子に追いついて、バンチングされたビームＢ１２となって加速管１３に入射され、加速管１３に入射された高周波電力により効率よく加速されることとなる。
【００４２】
図３は、プリバンチャー空洞３２の高周波解析した結果を示したものである。
【００４３】
ここで図３（ａ）は、図３（ｂ）に示すプリバンチャー空洞３２の軸方向をｚ、直交する径方向をｙ、ｘとしたときの、ｚ−ｙ軸の２次元高周波解析結果を示したものである。
【００４４】
高周波が入力されることで、図３（ａ）に示すようにｚ軸を通る電子ビームをバンチングする電気力線１が発生し、この電気力線１の時間的変化により、電子ビームがバンチングされる。
【００４５】
今、電子銃１０から３０ｋＶで加速され、２８５６ＭＨｚ（＝０．３５０ｎｓ）の周期で振動する電子ビームがプリバンチャーに投入されたものとすると、プリンバンチャー空洞内の電界強度の時間的変動は、図４に示した状態となり、また電界強度のｚ軸上の分布は図５に示す状態となる。
【００４６】
ここで、高周波電力により加速を受ける電子ビームは、位相角３０〜９０°の電子Ｂがバンチングされやすく、位相角９０°では電界強度が高いため速度が大となり、位相角３０°では速度が小となる。またこの時の位相角９０°と３０°の位相差Δｔは、０．０８７５ｎｓである。
【００４７】
仮に電子銃から３０ｋＶで加速された電子がプリバンチャーに投入されるものとする。（電子速度ｖ＝９．８４Ｅ＋７ｍ／ｓ、光速ｃに対する相対速度β（＝ｖ／ｃ）＝０．３２８４）
仮定したプリバンチャーでは、プリバンチャーへの投入パワーが３ｋＷ程度のとき、１０ｋＶ程度電子は加速を受ける（入射時位相角９０°）。また、このとき入射時位相角が３０°のときの電子は、１０ｋＶ×１／２＝５ｋＶ程度の加速を受けるものと推測する。
【００４８】
電子４０ｋＶの速度  １．１２Ｅ＋８ｍ／ｓ
電子３５ｋＶの速度  １．０６Ｅ＋８ｍ／ｓ
電子３０ｋＶの速度  ９．８４Ｅ＋７ｍ／ｓ
また、９０°と３０°との位相差Δｔは、周波数２８５６ＭＨｚのとき、０．０８７５ｎｓに相当するので、両電子がドリフト空洞（ベローズ管）を進んだときに、その時間を埋める（位相９０°の電子が位相３０°の電子に追いつくために必要な）距離は、１１０ｍｍである。
【００４９】
プリバンチャー１１への入力パワーが大きいと、最適なドリフト距離は短くなる。従来においては、ドリフト距離は固定として、プリバンチャー１１への入力パワーをアッテネータなどで調整して最適化を図っている。しかし、ドリフト距離が固定でかつプリバンチャーへの投入パワーに制限がある場合、加速電圧が小さいために、ドリフト距離が短すぎて、調整ができない可能性があるが、本発明においては、ドリフト距離を長くする方向に調整できるので、容易に調整できる。
【００５０】
例えば、先の例で、プリバンチャーへの入力耐電力が、２ｋＷに制限された場合は、３ｋＷで１０ｋＶであるから、２ｋＷでは、その（２／３）１／２の電圧を９０°位相の電子は、加速電圧として受ける（約８ｋＶ、合計加速電圧３８ｋＶ）。
【００５１】
位相３０°では、その半分の３４ｋＶなので、同様に計算を行うと、９０°位相（３８ｋＶ）が３０°位相（３４ｋＶ）に追いつく距離は、１２０ｍｍとなり、同じ計算方法で比較すると、ドリフト長をそれぞれ１０ｍｍずつ長くする方向に調整すれば、入力パワーが低くても最適化できる。
【００５２】
このように本発明は、プリチャンバー１１と加速管１３間に、ドリフト距離を調整できるドリフト距離調整機構１２を設けることで、高周波電力の強度を上げることなく最適なバンチングを行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明において、プリバンチング機構における電子加速原理を説明する図である。
【図３】本発明において、プリバンチャー空洞の高周波解析した結果を示す図である。
【図４】本発明において、プリンバンチャー空洞内の電界強度の時間的変動を示す図である。
【図５】本発明において、プリンバンチャー空洞内の電界強度のｚ軸上の分布を示す図である。
【図６】本発明において、プリバンチャーと加速管に入力する高周波電力の模式図である。
【図７】従来の電子線照射装置におけるプリバンチング機構を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  電子銃
１１  プリバンチャー
１２  ドリフト距離調整機構
１３  加速管
【図１】
2009238464.tif 000003
【図２】
2009238464.tif 000004
【図３】
2009238464.tif 000005
【図４】
2009238464.tif 000006
【図５】
2009238464.tif 000007
【図６】
2009238464.tif 000008
【図７】
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