(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の空洞、及び該第１の空洞に電磁気的に結合した第２の空洞とを有する加速空洞を画定する導電性容器の内面を切削する位置と、切削量と、πモード及び０モードの共振周波数の変動量との関係を求めておく工程と、
前記導電性容器の該第１の空洞内に電磁波を入射させる工程と、
前記加速空洞の、０モード及びπモードの共振周波数を測定する工程と、
前記測定工程で測定された０モード及びπモードの共振周波数、及び既に求められている前記関係に基づいて、前記導電性容器の内壁の削るべき部分を決定し、決定された削るべき部分を削る工程と
を有する電子ビーム発生装置の製造方法。
【請求項２】
前記削る工程が、
前記測定工程で測定されたπモードの共振周波数、及び０モードとπモードとの共振周波数の差周波数を、それぞれ基準共振周波数及び基準差周波数と比較する工程と、
比較結果に基づいて、前記導電性容器の内壁の削るべき部分を決定し、決定された削るべき部分を削る工程と
を含む請求項１に記載の電子ビーム発生装置の製造方法。
【請求項３】
前記削る工程が、さらに、削るべき厚さを求める工程を含み、決定された削るべき部分を、削るべき厚さだけ削る請求項１または２に記載の電子ビーム発生装置の製造方法。
【請求項４】
前記削る工程において、０モード及びπモードの共振周波数から算出される結合係数が１×１０−３になるように、前記導電性容器の内壁を削る請求項１〜３のいずれかに記載の電子ビーム発生装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共振空洞内にマイクロ波を供給し、その共振空洞内に発生した電界により電子ビームを加速する電子ビーム発生装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１及び図２を参照して、フォトカソードと共振空洞からなる従来の電子ビーム発生装置の構造について説明する。なお、図１及び図２に示された電子ビーム発生装置の構造は、本発明の実施例による方法で作製される電子ビーム発生装置の構造と同一である。
【０００３】
図１（Ａ）に、フォトカソードと共振空洞の断面図を示す。銅製の円筒状の容器１により空洞２が画定されている。円筒状容器１の一方の端は、銅製の蓋３で密閉されている。蓋３と円筒状容器１との間には、金属製のＯリングが介在し、気密性が保たれている。円筒状容器１の他端は、中央に円形の開口４が形成されたフランジ構造を有する。
【０００４】
蓋３の内面のほぼ中央に、フォトカソード５が取り付けられている。フォトカソード５は、例えばマグネシウムや無酸素銅で形成される。
【０００５】
円筒状容器１の内周面の軸方向の所定の位置に、全周囲からその中心軸に向かって庇状に突出した突出部６が形成されている。突出部６は、その中心部分に円形の貫通孔７を画定する。突出部６により、空洞２が、フォトカソード５側の第１空洞２ａと開口４側の第２空洞２ｂに分離される。
【０００６】
蓋３の内部に流路１０が形成されている。流路１０は、蓋３の中心軸に関して４回回転対称になるように配置された４つの流路から構成される。各流路１０は、蓋３の外周面から中心軸に向かって延在し、中心に至る手前で折り返し、外周面に戻る。
【０００７】
円筒状容器１に、流路１１及び１２が形成されている。流路１１は、円筒状容器１の中心軸方向に関して突出部６に対応する位置に設けられている。流路１２は、円筒状容器１の開口４が設けられた端部近傍に形成されている。
【０００８】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ１における断面図、すなわち流路１１の形成された位置における断面図を示す。図１（Ｂ）の一点鎖線Ａ１−Ａ１における断面が図１（Ａ）に相当する。流路１１は、円筒状容器１の外周面から半径方向に沿い突出部６の内部まで延在する。円筒状容器１の内周面よりも径の小さな位置において折り返され、半径方向に沿って外周面に戻る。
【０００９】
図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ｃ１−Ｃ１における断面図、すなわち流路１２の形成された位置における断面図を示す。図１（Ｃ）の一点鎖線Ａ１−Ａ１における断面が図１（Ａ）に相当する。流路１２は、８本設けられている。各流路１２は、図１（Ａ）に示すように、円筒状容器１の中心軸に平行に延在する流路部分、及びその両端においてその流路部分にそれぞれ連通し、円筒状容器１の外周面に開口する２本の流路部分から構成される。なお、図１（Ｃ）に示すように、流路１２が中心軸に対して回転対称になるように配置されていないのは、図２（Ｂ）を参照して後述する導波管の配置を考慮したためである。
【００１０】
図２（Ａ）は、図１（Ｂ）の一点鎖線Ａ２−Ａ２における断面図を示す。第１空洞２ａの側壁に２つのレーザ導入孔２０が形成されている。レーザ導入孔２０にはレーザ光を透過する窓２１が設けられ、空洞２内が気密に保たれている。レーザ導入孔２０から第１空洞２ａ内に入射したレーザ光は、フォトカソード５を照射する。
【００１１】
図２（Ｂ）は、図１（Ｂ）の一点鎖線Ｂ２−Ｂ２における断面図を示す。導波管８が円筒状容器１の側壁を貫通し、第２空洞２ｂに連通している。導波管８が取り付けられた位置に対向する側壁部に、真空ダクト９が取り付けられている。真空ダクト９を介して空洞２ａ及び２ｂ内が真空排気される。
【００１２】
次に、図１及び図２に示すＲＦガンの動作について説明する。
【００１３】
図２（Ａ）に示すレーザ導入孔２０から第１空洞２ａ内に、紫外レーザ光、例えば波長２６６ｎｍ、パルス幅５〜１０ｐｓのＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器から出射したレーザビームを入射する。レーザビームがフォトカソード５を照射すると、フォトカソード５から光電子が放出される。
【００１４】
レーザビームの照射に同期して、図２（Ｂ）に示す導波管８から第２空洞２ｂ内に、周波数２．８５６ＧＨｚ、電力６〜７ＭＷのマイクロ波を、１周期あたり約１μｓ以上の期間だけ入射する。第１空洞２ａが、電磁的に第２空洞２ｂに結合しているため、第２空洞２ｂのみならず第１空洞２ａ内にも高周波電場が励起される。第１空洞２ａ及び第２空洞２ｂの軸方向の長さは、それぞれ高周波電場の１／４波長程度及び１／２波長程度である。第１空洞２ａは、ハーフセルと呼ばれ、第２空洞２ｂはフルセルと呼ばれる。
【００１５】
フォトカソード５から放出された光電子が、第１空洞２ａ及び第２空洞２ｂ内に励起された高周波電場により加速され、開口４を通って外部に放出される。このようにして、パルス状の電子ビームが得られる。
【００１６】
図１（Ａ）に示す流路１０、１１及び１２に冷却水を流しておく。冷却水により、円筒状容器１及び蓋３の温度上昇を抑制することができる。大電力のマイクロ波の入射が可能になるため、高エネルギの電子ビームを得ることができる。さらに、電子ビーム取り出しの繰り返し周波数を高めることが可能になる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
最適な電子加速条件を満足するために、第１空洞２ａと第２空洞２ｂとの電磁的結合係数を最適な値にする必要がある。複数の加速空洞が直線に沿って配列した従来の粒子加速器においては、隣り合う加速空洞の間に結合空洞を配置することにより、結合係数が調整される。
【００１８】
しかしながら、図１及び図２に示した電子ビーム発生装置を用いて、高品質（低エミッタンス）の電子ビームを得るために、空洞内に大きな高周波電磁エネルギの蓄積が要求される。空洞内の高周波定在波の作る高電場は、例えば１００ＭＶ／ｍ以上になる。第１空洞２ａと第２空洞２ｂとの間に結合空洞を配置すると、この高電場のために放電しやすくなってしまう。このため、結合空洞を用いて結合係数を調節することは困難である。
【００１９】
本発明の目的は、結合空洞を用いることなく、共振空洞間の結合係数を調節することが可能な電子ビーム発生装置の製造方法を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、第１の空洞、及び該第１の空洞に電磁気的に結合した第２の空洞とを有する加速空洞を画定する導電性容器の内面を切削する位置と、切削量と、πモード及び０モードの共振周波数の変動量との関係を求めておく事前工程と、前記導電性容器の該第１の空洞内に電磁波を入射させる工程と、前記加速空洞の、０モード及びπモードの共振周波数を測定する工程と、前記測定工程で測定された０モード及びπモードの共振周波数、及び前記事前工程で求められている関係に基づいて、前記導電性容器の内壁の削るべき部分を決定し、決定された削るべき部分を削る工程とを有する電子ビーム発生装置の製造方法が提供される。
【００２１】
０モード及びπモードの共振周波数を測定し、測定結果が所定の周波数になるように第１及び第２の空洞の内面を削ると、２つの空洞の結合係数を所望の値に設定することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１及び図２に、本発明の実施例による方法で製造される電子ビーム発生装置の断面図を示す。詳細な構造は、既に説明したので、ここでは、説明を省略する。
【００２３】
図３に、電子ビーム発生装置の断面図を再掲する。円筒状容器１が、第１の部分１ａと第２の部分１ｂを含んで構成される。第１の部分１ａは、第１空洞２ａの円筒状側面Ｓ１、突起部６の第１空洞２ａ側の面Ｓ２、貫通孔７の側面Ｓ３、及び突起部６の第２空洞２ｂ側の面Ｓ４を画定する。面Ｓ２及びＳ４は、円環状の平面である。側面Ｓ３は、円筒状容器１の中心軸を含む仮想平面内の円周を、円筒状容器１の中心軸を中心として１回転させた時に描かれるドーナツ状の曲面の中心軸側の面と同一の形状を有する。
【００２４】
第２の部分１ｂは、第２空洞２ｂの円筒状の側面Ｓ５、端面Ｓ６、及び曲面Ｓ７を画定する。端面Ｓ６は、円環状の形状を有する平面である。曲面Ｓ７は、端面Ｓ６と開口４の円筒状内周面とを滑らかに接続する。円筒状容器１の中心軸を含む仮想平面と曲面Ｓ７との交線は、１／４円周になる。
【００２５】
図４に、図３に示した電子ビーム発生装置の共振特性を示す。横軸は第２空洞２ｂに入射する電磁波の周波数を単位「ＭＨｚ」で表し、縦軸は、反射波の強度を単位「ｄＢ」で表す。周波数２８５６ＭＨｚの位置に現れている大きなピークｐπがπモードの共振に対応し、周波数約２８５２．７ＭＨｚの位置に現れているピークｐ0が０モードの共振に対応する。
【００２６】
πモードで共振している時には、図３の第１空洞２ａ内に発生している電場の向きと、第２空洞２ｂ内に発生している電場の向きとが相互に逆になる。フォトカソード５から放出された光電子が第１空洞２ａ内の電場で加速され、第２空洞２ｂに入射する。光電子が第２空洞２ｂに入射したときに、第２空洞２ｂ内の電場の向きが反転し、光電子は第２空洞２ｂ内でも加速される。このように、光電子は、πモードの共振により発生している高周波電場により加速される。
【００２７】
０モードで共振している時には、第１空洞２ａと第２空洞２ｂ内に、同一方向の電場が発生する。０モードの共振は、光電子の加速には用いられない。従って、πモードの共振周波数が２８５６ＭＨｚになる時に、光電子が最も効率的に加速される。
【００２８】
図５に、πモードで共振している時の、第１空洞２ａ及び第２空洞２ｂ内の中心軸上の電場の強さの分布を示す。横軸はカソード面からの距離を単位「ｍｍ」で表し、縦軸は電場の強さを任意目盛で表す。カソード面からの距離が０ｍｍ〜３２ｍｍの領域が第１空洞２ａに相当し、カソード面からの距離が３２ｍｍ〜９０ｍｍの領域が第２空洞２ｂに相当する。
【００２９】
第１空洞２ａ内では、カソードの表面において電場の強さが最大になる。第２空洞２ｂ内では、カソード面からの距離が約６０ｍｍの位置において電場の強さが最大になる。第１空洞２ａ内の電場の最大値と第２空洞２ｂ内の電場の最大値とが等しいとき、最も効率的に光電子を加速することができる。第１空洞２ａと第２空洞２ｂとの結合係数ｋが約１×１０-3のときに、この最適な状態が得られることがわかった。πモードの共振周波数をｆπ、０モードの共振周波数をｆ0とすると、結合係数ｋは、
【００３０】
【数１】
ｋ＝（ｆπ−ｆ0）／ｆπ
と表される。上式から、πモードの共振周波数ｆπと０モードの共振周波数ｆ0とを測定することにより、結合係数ｋを求めることができる。πモードの共振周波数ｆπが２８５６ＭＨｚの場合、ｆπ−ｆ0が約３ＭＨｚのときに結合係数ｋが最適な値になる。
【００３１】
次に、図３を参照して、実施例による電子ビーム発生装置の製造方法について説明する。
【００３２】
図３に示した電子ビーム発生装置の内面の切削量と共振周波数の変動量とを、予め計算により求めておく。例えば、第１空洞２ａの円筒状側面Ｓ１を１μｍだけ削ると、πモードの共振周波数ｆπが約７３．２４６６ｋＨｚ低下し、０モードの共振周波数ｆ0が約４５．９５ｋＨｚ低下する。突起部６の第１空洞２ａ側の面Ｓ２を１μｍだけ削ると、πモードの共振周波数ｆπが約２７．５５９５ｋＨｚ低下し、０モードの共振周波数ｆ0が約１７．７９ｋＨｚ低下する。
【００３３】
貫通孔７の側面Ｓ３を１μｍだけ削ると、πモードの共振周波数ｆπが約２７．４０７３ｋＨｚだけ上昇し、０モードの共振周波数ｆ0が約２５．３２ｋＨｚだけ上昇する。突起部６の第２空洞２ｂ側の面Ｓ４を１μｍだけ削ると、πモードの共振周波数ｆπが約２０．０４４３ｋＨｚ上昇し、０モードの共振周波数ｆ0が約７．２８０ｋＨｚ上昇する。
【００３４】
第２空洞２ｂの円筒状の側面Ｓ５を１μｍだけ削ると、πモードの共振周波数ｆπが約７３．５０１１ｋＨｚ低下し、０モードの共振周波数ｆ0が約２６．１８ｋＨｚ低下する。第２空洞２ｂの円筒状の端面Ｓ６を１μｍだけ削ると、πモードの共振周波数ｆπが約１９．９８８８ｋＨｚ低下し、０モードの共振周波数ｆ0が約７．２１０ｋＨｚ低下する。曲面Ｓ７を１μｍだけ削ると、πモードの共振周波数ｆπが約２４．７７０１ｋＨｚ上昇し、０モードの共振周波数ｆ0が約８．８９６ｋＨｚ上昇する。
【００３５】
まず、円筒状容器１の第１の部分１ａと第２の部分１ｂとを、内面に数十μｍ程度の削り代を残すように粗く加工する。次に、πモードの共振周波数ｆπが２８５６ＭＨｚになるように、第２空洞２ｂの内面を削る。削る面の切削量とπモードの共振周波数ｆπの変動量との関係が予め分かっているため、πモードの共振周波数ｆπを測定することにより、削るべき面と切削量とを予測することができる。次に、πモードの共振周波数ｆπと０モードの共振周波数ｆ0との差が３ＭＨｚになるように、第１空洞２ａの内面を削る。
【００３６】
第１空洞１ａの内面を削ると、０モードの共振周波数ｆ0のみならず、πモードの共振周波数ｆπも変わってしまう。このため、第２空洞２ｂの内面を削る際に、第１空洞１ａの内面を削る時に生ずるであろうπモードの共振周波数ｆπの変動量を予測して、第２空洞２ｂの内面の切削量を決定することが好ましい。
【００３７】
上述のように、実施例では、πモードの共振周波数ｆπと０モードの共振周波数ｆ0とを測定し、共振周波数が所望の周波数に近づくように、第１及び第２空洞２ａ及び２ｂの内面を削る。これにより、電子ビーム発生装置の共振空洞の共振周波数を所望の周波数に調節することができる。さらに、２つの空洞の結合係数を所望の値に設定することができる。
【００３８】
上記実施例では、最初に第２空洞２ｂの内面を削り、次に第１空洞２ａの内面を削ったが、１回の共振周波数の測定後に、両方の空洞の内面を削り、共振周波数の測定と切削とを交互に繰り返しながら、共振周波数を徐々に所望の値に近づけていってもよい。
【００３９】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、電磁気的に結合した２つの空洞のπモードの共振周波数と０モードの共振周波数とを測定しながら、空洞の内面を削る。これにより、２つの空洞内に、電子ビームの加速に適した電場を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例による電子ビーム発生装置の断面図である。
【図２】実施例による電子ビーム発生装置の断面図である。
【図３】実施例による電子ビーム発生装置の断面図である。
【図４】周波数と反射波との関係を示すグラフである。
【図５】電子ビーム発生装置内の電場の強さの分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１  円筒状容器
２  空洞
３  蓋
４  開口
５  フォトカソード
６  突出部
７  貫通孔
８  導波管
９  真空ダクト
１０、１１、１２  流路
２０  レーザ導入孔
２１  窓
【図１】
0003737933.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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