JP2993185B2 - Charged particle beam transport device - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、荷電粒子ビームを、
その断面の形状をなるべく保ちながら任意の方向に輸送
する荷電粒子ビーム輸送装置に関し、とくに低加速・大
電流の荷電粒子ビームを輸送するのに最適な荷電粒子ビ
ーム輸送装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a charged particle beam,
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a charged particle beam transporting device for transporting a charged particle beam in an arbitrary direction while keeping its cross-sectional shape as much as possible, and particularly to a charged particle beam transporting device optimal for transporting a low-acceleration, large-current charged particle beam.
【０００２】[0002]
【従来の技術】高速Ｘ線ＣＴ装置などにおいて、低加速
・大電流の荷電粒子ビームをその断面の形状をなるべく
保ちながら任意の方向に輸送する荷電粒子ビーム輸送装
置の実現が求められている。すなわち、高速Ｘ線ＣＴ装
置において、低加速・大電流の電子ビームをリング型の
真空管中に回転させ、この電子ビームを偏向器によって
任意に曲げることによりリング型ターゲットに衝突させ
て、そこからＸ線を発生させる。電子ビームのターゲッ
トへの衝突位置を高速に移動させることにより、Ｘ線源
を高速に回転でき、高速のＸ線ＣＴ装置が実現できる。2. Description of the Related Art In a high-speed X-ray CT apparatus or the like, a charged particle beam transport apparatus for transporting a charged particle beam having a low acceleration and a large current in an arbitrary direction while keeping its cross-sectional shape as much as possible is required. That is, in a high-speed X-ray CT apparatus, a low-acceleration, high-current electron beam is rotated in a ring-type vacuum tube, and this electron beam is arbitrarily bent by a deflector to collide with a ring-type target. Generate a line. By moving the collision position of the electron beam to the target at high speed, the X-ray source can be rotated at high speed, and a high-speed X-ray CT apparatus can be realized.
【０００３】このように荷電粒子ビームを輸送する場
合、その空間電荷の存在によって荷電粒子ビームは発散
するので、これを抑えるため、直線型では、強磁界中で
ビームを回転させたり（Brillouin流やHarris流)、周期
的な電界または磁界で強集束させたりすることなどが行
なわれている。When the charged particle beam is transported as described above, the charged particle beam diverges due to the presence of the space charge. In order to suppress the divergence, in the linear type, the beam is rotated in a strong magnetic field (Brillouin flow or the like). (Harris flow), strong focusing with a periodic electric or magnetic field, and the like.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、低加速
・大電流の荷電粒子ビームの場合は空間電荷によってビ
ームが発散する度合いが大きいため、磁場によって回転
させるなどの従来の構成ではその発散を十分に抑えるこ
とができず、ビームの断面形状を保存することができな
いという問題があった。However, in the case of a charged particle beam having a low acceleration and a large current, the degree of divergence of the beam due to space charge is large. There is a problem that the beam cannot be suppressed and the cross-sectional shape of the beam cannot be preserved.
【０００５】この発明は、上記に鑑み、低加速・大電流
の荷電粒子ビームをその断面の形状をなるべく保ちなが
ら任意の方向に輸送することができる、荷電粒子ビーム
輸送装置を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above, it is an object of the present invention to provide a charged particle beam transport device capable of transporting a charged particle beam of low acceleration and large current in an arbitrary direction while keeping its cross-sectional shape as small as possible. And
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明による荷電粒子ビーム輸送装置において
は、荷電粒子ビームの進行方向に直角な方向の磁界を与
える。この磁界は、その強度がビームの進行方向及び磁
界方向に直角な方向に傾斜しており、しかもビームの進
行方向に周期的に逆極性となるような周期性を持たされ
ている。荷電粒子ビームの進行方向に直角な方向の磁界
を与えることにより、そのビームを、磁界方向に直角な
平面内で曲げることができる。また、その磁界の強度は
その曲がり方向に傾斜しているため、その方向のビーム
の集束をコントロールすることができ、さらにその磁界
はビームの進行方向に周期的に逆極性となるような周期
性を持っているので、その周期性によりビームが曲がる
平面に直角な方向でのビームの集束をコントロールする
ことができる。その結果、ビームの曲がり方向、及びそ
の曲がる平面に直角な方向で異なった大きさを持つビー
ムの空間電荷による発散を打ち消すことができる。した
がって、荷電粒子ビームを、その断面形状を保ったま
ま、任意の方向に曲げることが可能となる。In order to achieve the above object, a charged particle beam transport device according to the present invention applies a magnetic field in a direction perpendicular to the traveling direction of a charged particle beam. The magnetic field has a periodicity such that its intensity is inclined in a direction perpendicular to the beam traveling direction and the magnetic field direction, and has a periodically reverse polarity in the beam traveling direction. By applying a magnetic field in a direction perpendicular to the traveling direction of the charged particle beam, the beam can be bent in a plane perpendicular to the direction of the magnetic field. In addition, since the strength of the magnetic field is inclined in the bending direction, it is possible to control the convergence of the beam in that direction, and further, the magnetic field has a periodicity such that the magnetic field periodically has a reverse polarity in the traveling direction of the beam. Because of the periodicity, it is possible to control the convergence of the beam in a direction perpendicular to the plane where the beam bends due to the periodicity. As a result, it is possible to cancel the divergence due to the space charge of the beam having different sizes in the bending direction of the beam and in the direction perpendicular to the bending plane. Therefore, the charged particle beam can be bent in an arbitrary direction while maintaining its cross-sectional shape.
【０００７】[0007]
【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照しながら詳細に説明する。この実施例は、高速Ｘ線Ｃ
Ｔ装置に用いるＸ線発生装置にこの発明を適用したもの
で、図１において、リング型Ｘ線管１に対して、その接
線方向に電子銃２が連結されている。この電子銃２は、
電子を発生する電子発生部と、発生した電子を加速及び
集束する電極部とからなり、電子ビームをリング型Ｘ線
管１に対してその接線方向に入射する。An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. This embodiment uses a high-speed X-ray C
The present invention is applied to an X-ray generator used for a T apparatus. In FIG. 1, an electron gun 2 is connected to a ring type X-ray tube 1 in a tangential direction. This electron gun 2
It comprises an electron generating section for generating electrons, and an electrode section for accelerating and focusing the generated electrons. The electron beam is incident on the ring type X-ray tube 1 in a tangential direction.
【０００８】このリング型Ｘ線管１は、その平面に直角
な方向（Ｚ方向）において、２つのマグネット３の２つ
の磁極３３、３４によって挟まれる。このマグネット３
は全体としてリング型となっており、断面がＣ形で全体
としてリング型となっているコア３１とこのコア３１内
にリング型に巻回されたコイル３２とからなる。リング
型Ｘ線管１が磁極３３、３４によって挟まれることによ
り、Ｚ方向の磁界が与えられる。その結果、電子銃２か
らリング型Ｘ線管１に、その接線方向に直線的に入射さ
せられた電子ビームは、電子ビームの走行方向と磁界の
方向Ｚとに直角な平面（ｒ−θ平面）内に曲がる力を受
け、円形軌道上を走行することになる。The ring type X-ray tube 1 is sandwiched between two magnetic poles 33 and 34 of two magnets 3 in a direction (Z direction) perpendicular to the plane. This magnet 3
Is a ring type as a whole, and comprises a core 31 having a C-shaped cross section and a ring shape as a whole, and a coil 32 wound in the core 31 in a ring shape. When the ring type X-ray tube 1 is sandwiched between the magnetic poles 33 and 34, a magnetic field in the Z direction is given. As a result, the electron beam linearly incident on the ring type X-ray tube 1 from the electron gun 2 in the tangential direction is converted into a plane (r-θ plane) perpendicular to the traveling direction of the electron beam and the direction Z of the magnetic field. Due to the bending force in the parentheses), the vehicle runs on a circular orbit.
【０００９】この磁極３３、３４の対向面は図１及び図
２に示すように、リングの中心０から外方に向かうにつ
れて両者の間隔が狭まるよう傾斜させられている。これ
によって磁界の強度が半径方向（ｒ方向）に傾斜させら
れ、電子ビームのｒ方向での集束がコントロールされ、
電子ビームのｒ方向での断面形状が保たれる。As shown in FIGS. 1 and 2, the opposing surfaces of the magnetic poles 33 and 34 are inclined so that the distance between them decreases from the center 0 of the ring toward the outside. As a result, the strength of the magnetic field is inclined in the radial direction (r direction), the focusing of the electron beam in the r direction is controlled,
The cross-sectional shape of the electron beam in the r direction is maintained.
【００１０】また図３に示すように、この磁極３３、３
４には、電子ビーム５の進行方向つまりθ方向に交互に
極性が異なる永久磁石４、４、…が埋め込まれており、
電子ビーム５の進行方向に周期性が持たされている。こ
れら永久磁石４、４、…の磁界の強さは、それがコイル
３２によって形成されるθ方向に一定の磁界とは反対極
性となっているときにはそれを打ち消すほどの大きさと
なっており、そのため、電子ビーム５に加わる、これら
の磁界の合成磁界は、実質的に進行方向に交互に反対極
性となる。この磁界の周期性によって電子ビーム５のＺ
方向での集束がコントロールされ、電子ビーム５のＺ方
向での断面形状が保たれる。As shown in FIG. 3, the magnetic poles 33, 3
4 are embedded with permanent magnets 4, 4,... Having different polarities alternately in the traveling direction of the electron beam 5, that is, in the θ direction.
The traveling direction of the electron beam 5 has periodicity. The magnitude of the magnetic field of these permanent magnets 4, 4,... Is large enough to cancel the magnetic field when it has the opposite polarity to the constant magnetic field in the θ direction formed by the coil 32. The combined magnetic field of these magnetic fields applied to the electron beam 5 has substantially opposite polarities alternately in the traveling direction. Due to the periodicity of the magnetic field, the Z
Focusing in the direction is controlled, and the cross-sectional shape of the electron beam 5 in the Z direction is maintained.
【００１１】リング型Ｘ線管１は図４に拡大して示すよ
うに、リング型の真空外囲器１１と、その内部に配置さ
れたリング型ターゲット１２とからなる。ターゲット１
２の表面は、Ｚ方向からリングの中心方向にわずかに傾
いている。上記のように円軌道上に走行する電子ビーム
５がその軌道をそらされてターゲット１２の方向に向か
わされ、ターゲット１２に衝突すると、Ｘ線がその衝突
位置から発射する。電子ビーム５をターゲット１２の方
向へ曲げるための構成としては電界を利用した偏向電極
や磁界を利用した偏向コイルなどの偏向器が考えられる
が、ここではリング型真空外囲器１１のリングの中心方
向の面に多数の小さなコイル６１をリング型真空外囲器
１１に沿って配列するとともに、リング型真空外囲器１
１のリングの中心方向とは反対側の面にコイル６１と同
数の小さなコイル６２をリング型真空外囲器１１に沿っ
て配列して、これら対応するコイル６１、６２に電流を
流すことにより、電子ビーム５をＺ方向に偏向させるよ
うにしている。この円周方向のどの位置にあるコイル６
１、６２に電流を流すかによってＸ線発生位置を定める
ことができ、この電流を流すコイル６１、６２の切り替
えを電子的に高速に行うことにより、Ｘ線発生位置を高
速に移動させることができる。The ring type X-ray tube 1 comprises a ring type vacuum envelope 11 and a ring type target 12 disposed therein, as shown in FIG. Target 1
The surface of No. 2 is slightly inclined from the Z direction toward the center of the ring. As described above, the electron beam 5 traveling on the circular orbit is deflected and directed toward the target 12, and when it collides with the target 12, X-rays are emitted from the collision position. As a configuration for bending the electron beam 5 in the direction of the target 12, a deflector such as a deflection electrode using an electric field or a deflection coil using a magnetic field can be considered. Here, the center of the ring of the ring type vacuum envelope 11 is considered. A large number of small coils 61 are arranged on the surface in the direction along the ring-shaped vacuum envelope 11 and the ring-shaped vacuum envelope 1
By arranging the same number of small coils 62 as the number of coils 61 along the ring-shaped vacuum envelope 11 on the surface opposite to the center direction of one ring, and passing a current through these corresponding coils 61 and 62, The electron beam 5 is deflected in the Z direction. Coil 6 at any position in the circumferential direction
The X-ray generation position can be determined depending on whether a current flows through the coils 1 and 62, and the X-ray generation position can be moved at a high speed by electronically switching the coils 61 and 62 through which the current flows. it can.
【００１２】つぎに、上記のリング型Ｘ線管１内で、低
加速・大電流の電子ビーム５がＺ方向及びｒ方向に集束
されてその断面形状が保たれながら、円軌道上を進行す
ることについて理論的に説明する。まず、軌道面（ｒ−
θ面）に垂直な方向（Ｚ方向）の磁界の強度をｒ方向に
傾斜させるとき、ｎ値をつぎの式で定義する。 ｎ＝−｛ｒ／Ｂｚ（ｒ）｝｛∂Ｂｚ（ｒ）／∂ｒ｝ このときの電子ビームの平衡軌道からのずれｒ（θ）、
Ｚ（θ）は、 （ｄ2ｒ／ｄθ2）＋（１−ｎ）ｒ＝０ （ｄ2Ｚ／ｄθ2）＋ｎＺ＝０ で与えられる。Next, in the above-mentioned ring type X-ray tube 1, the electron beam 5 of low acceleration and high current is focused in the Z direction and the r direction and travels on a circular orbit while maintaining its cross-sectional shape. This will be explained theoretically. First, the track surface (r-
When the strength of the magnetic field in the direction (Z direction) perpendicular to the (θ plane) is inclined in the r direction, the n value is defined by the following equation. n = − {r / Bz (r)} Bz (r) / {r} At this time, the deviation r (θ) of the electron beam from the equilibrium orbit,
Z (θ) is given by (d 2 r / dθ 2 ) + (1-n) r = 0 (d 2 Z / dθ 2 ) + nZ = 0.
【００１３】これからビームの軌道を求め、各軌道点に
おける Transfer Matrixを計算することにより、平衡軌
道に対する振動パラメータμ2 を求めることができ、こ
れから任意の入射アクセプタンスに対するビームエンベ
ロープを計算することができる。From this, the beam trajectory is obtained, and the transfer matrix at each trajectory point is calculated, whereby the vibration parameter μ 2 for the equilibrium trajectory can be obtained. From this, the beam envelope for any incident acceptance can be calculated.
【００１４】ところで、空間電荷密度が大きい場合に
は、ビームは図５に示すように発散する傾向を示し、軌
道の安定条件（０＜ｎ＜１）内ではこれを抑えることは
不可能である。なお、図５は、１２０ｋＶ、１Ａの電子
ビームを自由空間に０．６ｍ×２πの距離走行させた場
合の、空間電荷による発散のみを考慮に入れたビームエ
ンベロープを示している。By the way, when the space charge density is large, the beam tends to diverge as shown in FIG. 5, and it is impossible to suppress this within the orbit stability condition (0 <n <1). . FIG. 5 shows a beam envelope in which only the divergence due to space charge is taken into consideration when an electron beam of 120 kV and 1 A travels in free space for a distance of 0.6 m × 2π.
【００１５】そこで、この発明では上記の実施例のよう
に、ｎ＜０とし、かつθ方向にflutter を入れた（磁界
に周期性を持たせた）強集束によりビームの発散を抑え
るようにしている。このflutter はつぎの式で定義す
る。 Ｂｚ（ｒ，θ）＝Ｂｏ（ｒ）［１＋ｆcos（Ｎθ）］ ｆ；flutter値 Ｎ；セクター数（３６０゜での周期の数） この場合、ｎ値−ｆ値に対する振動パラメータμｒ、μ
ｚを求め（セクター数Ｎ＝１６）、その等高線図を描い
てみると、図６のようになる。この図６から、μｒはｆ
値に無関係でほぼｎ値によって決まり、その結果、ｎ値
とｆ値とによりμｒとμｚとを独立にコントロールする
ことが可能であることがわかる。Therefore, in the present invention, as in the above embodiment, the divergence of the beam is suppressed by strong focusing with n <0 and a flutter inserted in the θ direction (a periodic magnetic field is provided). I have. This flutter is defined by the following equation. Bz (r, θ) = Bo (r) [1 + f cos (Nθ)] f; flutter value N; number of sectors (number of periods at 360 °) In this case, vibration parameters μr and μ with respect to n value−f value
When z is obtained (the number of sectors N = 16) and its contour diagram is drawn, it becomes as shown in FIG. From FIG. 6, μr is f
It is determined that nr and fz can be independently controlled by the n value and the f value, regardless of the value.
【００１６】上記の実施例では、Ｎ＝２０、Ｂｏ＝２
０．５８ガウス、ｎ＝−４．５、ｆ＝２０として１２０
ｋＶ、１Ａの電子ビームの平衡軌道を半径０．６ｍの円
形軌道とするようにしている。この場合、磁界の強度
は、軌道中心付近で、電子ビームの進行方向に、−３９
１．０２〜４３２．１８ガウスに周期的に変化すること
になる。このような周期的非対称反転磁界中に、入射ア
クセプタンスとして αｒ＝０、βｒ＝１０、εｒ＝１．０１×１０-5 αｚ＝０、βｚ＝１０、εｚ＝２．９４×１０-8 なる電子ビームを入射すると、空間電荷を考慮に入れな
いときのビームエンベロープは図７のＡ（Ｚ方向）、Ｂ
（ｒ方向）のようになり、このときのｒ−θ平面での平
衡軌道は図８のようになる。また、空間電荷を考慮に入
れると、ビームエンベロープは図９のＡ（Ｚ方向）、Ｂ
（ｒ方向）のようになり、任意の点でビーム断面の形状
が保存されることが分かる。In the above embodiment, N = 20 and Bo = 2
0.58 gauss, n = -4.5, f = 20, 120
The equilibrium orbit of the electron beams of kV and 1A is set to be a circular orbit having a radius of 0.6 m. In this case, the strength of the magnetic field is −39 in the traveling direction of the electron beam near the center of the orbit.
It will periodically change from 1.02 to 432.18 Gauss. Electrons having αr = 0, βr = 10, εr = 1.01 × 10 −5 αz = 0, βz = 10, εz = 2.94 × 10 −8 as incident acceptances in such a periodically asymmetric switching magnetic field. When the beam is incident, the beam envelope when the space charge is not taken into account is A (Z direction), B in FIG.
(R direction), and the equilibrium orbit on the r-θ plane at this time is as shown in FIG. When the space charge is taken into consideration, the beam envelope is A (Z direction) and B in FIG.
(R direction), which shows that the shape of the beam cross section is preserved at any point.
【００１７】このように、低加速・大電流の荷電粒子ビ
ームを輸送する場合に、与えられた入射アクセプタンス
に対して適当なｎ値、ｆ値を設定することによって、空
間電荷による発散を磁界による集束で打ち消すことがで
き、ビーム断面形状を保存しながら輸送することが可能
となる。As described above, when transporting a charged particle beam having a low acceleration and a large current, the divergence due to the space charge can be reduced by setting the appropriate n value and f value for a given incident acceptance. The beam can be canceled by focusing, and the beam can be transported while preserving the beam cross-sectional shape.
【００１８】なお、上記ではＸ線発生装置にこの発明を
適用した一実施例について説明したが、このようなＸ線
発生装置以外に低加速・大電流の荷電粒子ビームを任意
方向に曲げて輸送する装置に適用できることはもちろん
である。In the above, one embodiment in which the present invention is applied to an X-ray generator has been described. In addition to such an X-ray generator, a low-acceleration, high-current charged particle beam is bent in an arbitrary direction and transported. It is needless to say that the present invention can be applied to an apparatus for performing the above.
【００１９】[0019]
【発明の効果】以上実施例について説明したように、こ
の発明の荷電粒子ビーム輸送装置によれば、低加速・大
電流の荷電粒子ビームを、損失なく、希望する断面形状
を保ったまま、所望の方向に曲げて輸送することができ
る。As described above, according to the charged particle beam transporting apparatus of the present invention, a charged particle beam having a low acceleration and a large current can be supplied without loss while maintaining a desired sectional shape. Can be transported in a bent direction.
【図１】この発明の一実施例の半断面斜視図。FIG. 1 is a half sectional perspective view of an embodiment of the present invention.
【図２】同実施例において電子ビームの進行方向に直角
な平面で断面した磁極の断面図。FIG. 2 is a sectional view of a magnetic pole taken along a plane perpendicular to a traveling direction of an electron beam in the embodiment.
【図３】同実施例において電子ビームの進行方向に平行
な面で断面した磁極の断面図。FIG. 3 is a sectional view of a magnetic pole taken along a plane parallel to a traveling direction of an electron beam in the embodiment.
【図４】同実施例におけてＸ線管を部分的に断面した斜
視図。FIG. 4 is a perspective view in which the X-ray tube is partially sectioned in the embodiment.
【図５】電子ビームの自由空間でのエンベロープを示す
図。FIG. 5 is a diagram illustrating an envelope of an electron beam in a free space.
【図６】ｎ−ｆ面上のμｒ、μｚの等高線図。FIG. 6 is a contour diagram of μr and μz on the nf plane.
【図７】空間電荷を考慮しないときの電子ビームのエン
ベロープを示す図。FIG. 7 is a diagram illustrating an envelope of an electron beam when a space charge is not considered.
【図８】電子ビームのｒ−θ平面における平衡軌道を表
わす図。FIG. 8 is a diagram illustrating an equilibrium orbit of an electron beam on an r-θ plane.
【図９】空間電荷を考慮したときの電子ビームのエンベ
ロープを表わす図。FIG. 9 is a diagram illustrating an envelope of an electron beam when space charge is considered.
１ リング型Ｘ線管 １１ 真空外囲器 １２ ターゲット ２ 電子銃 ３ マグネット ３１ コア ３２ コイル 33、34 磁極 ４ 永久磁石 ５ 電子ビーム 61、62 偏向用コイル DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ring type X-ray tube 11 Vacuum envelope 12 Target 2 Electron gun 3 Magnet 31 Core 32 Coil 33, 34 Magnetic pole 4 Permanent magnet 5 Electron beam 61, 62 Deflection coil
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−159044（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−222300（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01J 35/14 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-3-159044 (JP, A) JP-A-3-222300 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H01J 35/14
Claims (1)
直角で、かつその強度がビームの進行方向及び磁界方向
に直角な方向に傾斜しており、しかもビームの進行方向
に周期的に逆極性となるような周期性を持つ磁界を発生
する磁界発生装置を備えること特徴とする荷電粒子ビー
ム輸送装置。1. The magnetic field direction is perpendicular to the traveling direction of the charged particle beam, and the intensity thereof is inclined in a direction perpendicular to the traveling direction of the beam and the magnetic field direction, and is periodically reverse in polarity in the traveling direction of the beam. A charged particle beam transport device comprising a magnetic field generator for generating a magnetic field having periodicity such that
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