JP3736343B2 - 直流電子ビーム加速装置およびその直流電子ビーム加速方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電子ビーム加速装置および直流電子ビーム加速方法に関し、特に、食品照射、検疫照射、汚泥処理、排水処理、医療殺菌、低速陽電子発生等に用いる大強度の直流電子ビームを加速する直流電子ビーム加速装置および直流電子ビーム加速方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、例えば、「小型シンクロトロン放射光源”オーロラ”の開発」（高橋、山田著、住友重機械技法、Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１１６，１９９１，２〜１０頁）に記載されている従来の電子ビーム加速装置である。このようなタイプの電子ビーム加速器はレーストラック・マイクロトロンと呼ばれている。図１０において、１１１は電子銃、１１２は入射電磁石、１１３は高周波空洞（ライナック）、１１４は偏向電磁石、１１５は電子ビーム軌道である。
【０００３】
次に、動作について説明する。電子は電子銃１１１で発生する。発生する電子ビームは、周波数が数Ｈｚ〜数１００Ｈｚ、パルス幅が１０ｎｓ〜数μｓ程度のパルスビームである。発生した電子は、入射電磁石１１２によりレーストラック・マイクロトロンに入射される。レーストラック・マイクロトロン中では電子ビーム軌道１１５を通りながら、高周波空洞１１３を通過する毎に加速される。レーストラック・マイクロトロンでは主としてＳバンド帯（約２．８ＧＨｚ）の高周波電界により加速を行う。高周波空洞１１３を１回通過するときに得るエネルギーは、５ＭｅＶ程度であることが多い。電子ビーム軌道１１５を作るために、高周波空洞１１３の両側に、偏向電磁石１１４が配設されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の電子ビーム加速装置では、高周波空洞１１３を通過する時の周回毎の加速位相は、高周波空洞の加速電圧と偏向電磁石１１４の磁場強度との関係式から一義的に決まる。したがって、電子ビームを高エネルギーまで加速可能とするためには、（１）高周波空洞１１３を通過するときのエネルギーゲインが電子の静止質量（約５１１ｋｅＶ）の整数倍に近い、（２）電子ビームの速度が光速に近い、という２つの条件を満たす必要がある。
【０００５】
ところで、電子ビームの入射エネルギーが低い場合には、電子ビームの速度は光速よりかなり遅く（例えば、入射エネルギーが８０ｋｅＶの場合、電子ビームの速度は、光速の約１／２）なるので、上記条件は成り立たない。さらに、高周波空洞１１３を通過するときのエネルギーゲインが小さいと、電子ビームが光速に近づくまでの周回数が増えるので、その間に加速位相からのずれが大きくなり加速が難しいといった問題が生じる。このため、従来の装置では、高周波空洞１１３の加速電圧を上げて電子ビームを高周波空洞に１回程度通過させれば、ほとんど光速となるようなパラメータで運転を行う必要があった。
【０００６】
単位長さ当たりの加速電圧を上げるためには、高周波空洞１１３に投入する高周波電界の周波数を高くする必要があり、１ＧＨｚ〜３ＧＨｚ程度とする必要があった。それより周波数が低い場合で、高周波空洞の加速電圧を上げるためには、高周波空洞の全長を長くする必要がある。この場合、高周波空洞を通過する途中で急激に電子ビームの位相と高周波加速電界との位相のずれが大きくなり、高周波空洞の通過中で減速位相となり、加速が難しくなるからである。
【０００７】
ところで、１ＧＨｚ〜３ＧＨｚといった周波数の高い高周波空洞は、全体の寸法が必然的に小さくなり、大電力を投入したときの熱の除去が難しくなり、平均電流の大きな直流電子ビームの加速が難しいという問題点があった。このため、大強度の直流電子ビームを要する食品照射、検疫照射、汚泥処理、排水処理、医療殺菌、低速陽電子発生等への適用が困難であった。
【０００８】
また、従来の電子ビーム加速装置は「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギー（約５１１ｋｅＶ）のほぼ整数倍でなくてはならない。」というマイクロトロン加速条件を満たさなければならず、パラメータの制約から電力効率を高くすることができないという問題点があった。
【０００９】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、平均電流の大きな電子ビームを加速することができる直流電子ビーム加速装置およびその直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法を得るものである。
また、第２の目的は、マイクロトロン加速で必須とされていた、「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない。」という条件を満たさなくても電子ビームを加速することができ、パラメータの自由度を増加し、結果的に、電力効率を高くすることができる直流電子ビーム加速装置およびその直流電子ビーム加速方法を得るものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の第１の局面における請求項１の直流電子ビーム加速装置は、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置であって、両電子ビーム偏向手段は、それぞれ、一方の面が上記電子ビーム加速手段の側面側に対向して設けられた第１の偏向電磁石と、この第１の偏向電磁石の他方の面に対向し、分割して設けられた第２の偏向電磁石および第３の偏向電磁石とから構成され、第１の偏向電磁石が、第２の偏向電磁石および第３の偏向電磁石とは極性が異なる逆偏向電磁石からなり、第２の偏向電磁石が第３の偏向電磁石とは極性が同じで、第３の偏向電磁石とは異なる第１の磁場強度を有しており、第３の偏向電磁石が第２の偏向電磁石とは極性が同じで、第２の偏向電磁石とは異なる第２の磁場強度を有するものである。
【００１１】
また、この発明の請求項２の直流電子ビーム加速装置は、請求項１の記載のものであって、第２の偏向電磁石および第３の偏向電磁石の第１の偏向電磁石と対向する面が階段状に形成された磁極形状とするものである。
【００１２】
また、この発明の請求項３の直流電子ビーム加速装置は、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、加速された直流電子ビームを偏向する電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置であって、電子ビーム偏向手段は、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段と、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間に配設されて電子ビーム加速手段の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生し、該磁場を通る電子ビームの周回軌道長を調整する第３の電子ビーム偏向手段とからなるものである。
【００１３】
また、この発明の第２の局面における請求項４の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法は、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、（ａ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム発生手段の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速手段の加速電界の位相との差を調整して行うステップと、（ｂ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム加速手段と第１の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｃ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｄ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、両電子ビーム偏向手段に設けられた同極性の偏向電磁石における磁場強度の比および偏向角を調整して行うステップとを備えるものである。
【００１４】
また、この発明の請求項５の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法は、請求項４の記載のものであって、（ａ）のステップを第１回目に行い、（ｂ）のステップを第２回目に行い、（ｃ）のステップを第３回目に行い、（ｄ）のステップを第４回目以降に行うものである。
【００１５】
また、この発明の請求項６の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法は、請求項４の記載のものであって、（ａ）のステップを第１回目に行い、（ｂ）のステップを第２回目に行い、（ｃ）のステップを第４回目以降の所定の周回目に行い、（ｄ）のステップを第３回目以降の（ｃ）のステップで行う周回目を除く周回目に行うものである。
【００１６】
また、この発明の請求項７の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法は、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段と、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間に配設されて電子ビーム加速手段の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生する第３の電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、（ａ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム発生手段の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速手段の加速電界の位相との差を調整して行うステップと、（ｂ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム加速手段と第１の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｃ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｄ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第３の電子ビーム偏向手段の磁場強度を変えることで、各周回の周長を調整して行うステップとを備えるものである。
【００１７】
また、この発明の請求項８の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法は、請求項７の記載のものであって、（ａ）のステップを第１回目に行い、（ｂ）のステップを第２回目に行い、（ｃ）のステップを第３回目に行い、（ｄ）のステップを第４回目以降に行うものである。
【００１８】
また、この発明の請求項９の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法は、請求項７の記載のものであって、（ａ）のステップを第１回目に行い、（ｂ）のステップを第２回目に行い、（ｃ）のステップを第４回目以降の所定の周回目に行い、（ｄ）のステップを第３回目以降の（ｃ）のステップで行う周回目を除く周回目に行うものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図であり、より具体的には、該装置の直流電子ビームが加速される面（軌道平面）の概略構成を示す説明図である。図１において、１１は直流電子ビームを発生する電子ビーム発生部、１２は電子ビーム発生部１１で発生した直流電子ビームを入射する電子ビーム入射部である。１３は電子ビーム入射部１２から入射された直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速部（高周波空洞）で、この実施の形態１では、２つのセル（加速ギャップ）から構成されている。
【００２０】
１４、１５および１６は、電子ビーム加速部１３から出射された直流電子ビームを偏向して直流電子ビームの進行方向を変化させ、直流電子ビームの軌道１７の軌道を形成させる電子ビーム偏向手段である。この電子ビーム偏向手段は、電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段（図１の右側に図示）と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段（図１の左側に図示）とから構成されている。
【００２１】
第１および第２の電子ビーム偏向手段は、それぞれ、一方の面が電子ビーム加速部１３の側面側に対向して設けられた第１の偏向電磁石１４と、この第１の偏向電磁石１４の他方の面に対向し、分割して設けられた第２の偏向電磁石１５および第３の偏向電磁石１６とから構成される。第１の偏向電磁石１４は、第２の偏向電磁石１５および第３の偏向電磁石１６とは極性が異なる逆偏向電磁石からなり、１回目に通過した直流電子ビームを再度同じ軌道上で逆向きの軌道にする働きをするとともに、周回する直流電子ビームのビームサイズを所定の範囲内に保つ働きをする。
【００２２】
第２の偏向電磁石１５は、第３の偏向電磁石１６とは極性が同じで、第３の偏向電磁石１６とは異なる磁場強度を有する。また、第３の偏向電磁石１６は、第２の偏向電磁石１４とは極性が同じで、第２の偏向電磁石１５とは異なる磁場強度を有する。
この実施の形態１では、第２の偏向電磁石１５の磁場強度より、第３の偏向電磁石１６の磁場強度を弱くしている。このため、電子ビーム加速部１３と対向側の直流電子ビームの軌道１７とを、電子ビーム加速部１３側とほぼ平行に保つには第３の偏向電磁石１６内部の軌道長を長くする必要があり、図１の１６ａ，１６ｂに示すように、第３の偏向電磁石１６における直流電子ビームの出口部分が階段状に形成された磁極形状となる。左側と右側の直流電子ビーム偏向手段は、この実施の形態１ではほぼ同形状で、対称に配設されている。
なお、直流電子ビーム加速装置から電子ビームを取り出す部分近傍は、電子ビームの取り出す方向を調整する目的で、左側と右側の直流電子ビーム偏向手段の形状を若干変えてもよい。
【００２３】
このように、第２の偏向電磁石および第３の偏向電磁石の第１の偏向電磁石と対向する面が階段状に形成された磁極形状とすることにより、電子ビーム加速部と対向側の直流電子ビームの軌道を、電子ビーム加速部側とほぼ平行に保つことができ、加速位相幅の広い直流電子ビームを加速することが可能となる。
なお、図１の１６ａ，１６ｂに示すように、階段状に形成された磁極形状は張り出しているが、パラメータによっては、第３の偏向電磁石１６内部の軌道長を短くする必要がある場合もあり、この場合には、第３の偏向電磁石１６における直流電子ビームの出口部分は階段状にへこんだ磁極形状となる。
【００２４】
直流電子ビームの軌道１７は、電子ビーム加速部１３の位置ではほぼ同一軌道となるように各磁石のパラメータが調整されている。この実施の形態１では、直流電子ビームは電子ビーム加速部１３を５回通過した後、直流電子ビーム加速装置外へ取り出される。
【００２５】
この実施の形態１では、例えば、電子を５ＭｅＶまで加速するＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）の直流電子ビーム加速装置について説明する。この発明における直流電子ビームとは、繰り返しが５００ＭＨｚといった非常に高周波数の電子ビームが、連続に連なっているビームのことである。このようなビームを加速する加速器を、加速器の研究者は一般にＣＷ加速器と呼んでいる。電子ビーム加速部１３は、高エネルギー加速器で通常用いられる高周波空洞を用いており、この実施の形態１では、加速電圧は１ＭＶ程度を想定している。直流電子ビームの加速は、電子ビーム加速部１３で行う。数１０ｋＷ〜数１００ｋＷ級の平均電流の大きな直流電子ビームを加速するには、電子ビーム加速部１３に大強度のパワーを投入する必要があり、電子ビーム加速部１３には、周波数が約９００ＭＨｚ以下の高周波電界を投入する。
【００２６】
高周波電界を投入すると、電子ビーム加速部１３に用いられている高周波空洞の壁の電気抵抗により熱が発生する。この熱により高周波空洞の寸法が変わると、所定の高周波電界をかけることができなくなるので、熱を除去する必要がある。高周波空洞に投入できる電力（パワー）は熱の除去が可能な大きさと相関があり、通常、高周波空洞の寸法が大きい程、大電力を投入できる。高周波空洞の寸法を大きくするためには、高周波電界の周波数を下げる必要がある。高周波空洞は、一般に、投入する高周波電界の波長に比例した大きさとなる。波長と周波数は逆比例するので、高周波空洞の寸法を大きくするためには、高周波電界の周波数を下げる必要がある。
【００２７】
高周波電界の周波数が低い程、電子ビーム加速部１３の寸法が大きくなり、且つ、電子ビーム加速装置の大きさが大きくなる。また、高周波電界の周波数が低い程、単位長さ当たりの電子ビームのエネルギーゲインが小さくなる。一方、高周波電界の周波数が低い程、空洞壁で損失するパワーの除去が簡単になる。このため、上記の相関（トレードオフ）により、選択する周波数が決定される。平均電流の大きな直流電子ビームを加速したい場合には、より低加速周波数の高周波電界を選択する必要があり、この実施の形態１のように、数１０ｋＷ〜数１００ｋＷ級の平均電流の大きなを加速するためには、周波数９００ＭＨｚ以下の高周波空洞を用いるのが望ましい。
【００２８】
一方、電子ビーム加速部１３の加速電圧が高いと壁損失が増加する。一般に、壁損失は加速電圧の２乗に比例する。直流電子ビーム加速装置は必要な電力が小さいことが望まれるので、壁損失を少なくするために加速電圧が低いことが望ましい。ところで、この実施の形態１における直流電子ビーム加速装置の入射エネルギーは、１００ｋｅＶ程度以下であり、低エネルギーのときにおける電子の光速との速度の差が無視できない。光速との速度の差があると、加速電圧を下げて空洞長を長くした場合には、加速中に直流電子ビームは高周波電界の位相からずれて加速できなくなる。このため、加速電圧はある値以下には下げることはできないので、加速高周波電界の周波数が決まれば必要な加速電圧はある程度の範囲に限定される。
【００２９】
以上のようなことにより、この実施の形態１における直流電子ビーム加速装置は、数１０ｋＷ〜数１００ｋＷ程度の直流電子ビームの加速を考えると、電子ビーム加速部１３の加速周波数は約９００ＭＨｚ以下に限定される。また、加速電圧や高周波空洞のセル数等もある範囲に限定される。
【００３０】
例えば、周波数として５００ＭＨｚを選択した場合、５ＭｅＶまで加速するためには、電子ビーム加速部１３のセル数２、加速電圧１ＭＶ、高周波空洞の通過数５回程度の値が望ましい。この場合、電子ビーム加速部１３での壁損失は６０ｋＷ程度となり、３０ｋＷのビームを加速しようとすると、高周波電源としては９０ｋＷ〜１００ｋＷ程度の電源パワーが必要となる。高周波電源としては、例えばクライストロン電源、誘導出力管（ＩＯＴ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｏｕｔｐｕｔ Ｔｕｂｅ）電源などを用いることができる。
【００３１】
ところで、低エネルギーの直流電子ビームの速度は光速とは見なせず、周回毎に速度が変化する。また、電子ビーム加速部１３を通過するときに得るエネルギーは通過毎に異なる。なぜなら、電子ビーム加速部１３にかけられている高周波電界の周波数は一定であるのに、通過する直流電子ビームの速度が周回毎に異なるからである。このため、従来の電子ビーム加速装置は、加速周波数を下げて、高周波空洞通過時のエネルギーゲインを下げると、直流電子ビームは加速位相からずれ、加速できる位相幅は非常に狭くなってしまい、加速不能、又は、加速できたとしても平均電流の大きな直流電子ビームを加速することは難しい。
【００３２】
上記のような問題を解決するために、この実施の形態１では、電子ビーム偏向手段で主偏向を担当する磁石を、同極性で異なる磁場強度を有する、第２の偏向電磁石１５と第３の偏向電磁石１６とに分割している。そして、以下のように電子ビーム加速部１３を通過する直流電子ビームの加速位相の調整を行う。なお、電子ビーム加速部１３へ入射するビームの加速位相の最適値は周回毎に異なるので、以下のようなステップで周回毎に周長を制御する。
【００３３】
（ａ）第１回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整する。
（ｂ）第２回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６との間の距離を調整する。
【００３４】
（ｃ）第３回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６と第２の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６との間の距離を調整する。
（ｄ）第４、５回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム偏向手段の同極性の偏向電磁石における磁場強度の比（第２の偏向電磁石１５と第３の偏向電磁石１６との磁場強度の比）および偏向角を調整することで周長を調整する。
【００３５】
直流電子ビームの（ａ）（ｂ）（ｃ）のステップの加速位相の調整は、直流電子ビームのタイミングの調整と、電子ビーム発生部１１、電子ビーム加速部１３、電子ビーム偏向手段１４，１５，１６の配設位置の調整とで行うので、実現可能である。直流電子ビームの（ｄ）のステップの加速位相の調整が可能かどうかについて、コンピュータシミュレーションにより検討した結果を以下に説明する。
【００３６】
図１の直流電子ビームの軌道１７は、ビームシミュレーションの結果得られたビームの加速軌道の一例であり、５ターン目の直流電子ビームの加速位相を、この発明の電子ビーム偏向手段を採用しなかったときの加速位相から、５５度ずらしたときの直流電子ビームの中心軌道のシミュレーション結果を示している。電子ビーム加速部１３の外側を通過する４ターン目の直流電子ビーム１７ｂと、５ターン目の直流電子ビーム１７ｃとの軌道のターンセパレーションが大きくなっている。
【００３７】
直流電子ビーム１７ｂ，１７ｃの軌道のターンセパレーションは十分に大きいので、第２の偏向電磁石１５のみを通過する第３ターン目の直流電子ビーム１７ａの軌道と、第２の偏向電磁石１５と第３の偏向電磁石１６とを通過する４ターン目の直流電子ビーム１７ｂの軌道とのターン間距離は磁石分割部分で２０ｃｍ程度あり、電磁石の磁極間ギャップを変えた電磁石を作成することにより、実現可能である。
【００３８】
偏向電磁石１５，１６を２分割したときの、２つの磁場強度の比と軌道長の差の関係を図２に示す。軌道長の差とは、均一な分割されていない偏向電磁石の場合と、この実施の形態１のように２分割された偏向電磁石１５，１６の場合との１周回長の差と定義している。図２において、１００度および１１０度は、第２の偏向電磁石１５の偏向角を示す。別の検討により、２分割の偏向電磁石１５，１６を実現させるためには、第２の偏向電磁石１５の偏向角をほぼ１００度以上にする必要がある。
【００３９】
この実施の形態１で５ＭｅＶまで電子ビームを加速するためには、２分割の偏向電磁石を用いない場合の軌道周長より、７ｃｍ程度軌道長を長くする必要があることが、別のシミュレーション結果からわかっている。即ち、図２中の縦軸の軌道長の差が７ｃｍとなるような条件を作る必要がある。図２より、２分割の偏向電磁石の磁場強度比を、第２の偏向電磁石１５の偏向角が１００度のときは、０．８５倍以下、また、該偏向角が１１０度のときは、０．８倍以下にすれば、上記条件が達成できることがわかる。この値は電磁石の磁場設計では達成できる値である。
【００４０】
また、図３に縦軸を位相差（２分割の偏向電磁石を用いない場合の加速位相からのずれ）としたときの関係を示す。別のシミュレーション結果から、４２度程度の位相差を作れば５ＭｅＶまで安定に加速できることがわかっている。図３より、２分割の偏向電磁石の磁場強度比を、第２の偏向電磁石１５の偏向角が１００度のときは、０．８５倍以下、また、該偏向角が１１０度のときは、０．８倍以下にすれば、上記条件が達成できることがわかる。
【００４１】
図４は、この実施の形態１で電子ビーム発生部１１の出口から、直流電子ビーム加速装置を出るまでのビームシミュレーションを行い、出射時のエネルギースペクトルを計算した結果を示している。図４より、エネルギー分散±１．２％を保ちながら、直流電子ビームを加速できることがわかる。なお、この計算結果では最終的な加速エネルギーは、４．７ＭｅＶ程度であるが、電子ビーム加速部１３の電圧を数％あげることにより、容易に５ＭｅＶまで加速することが同様なシミュレーション結果からわかっている。
【００４２】
以上のように、この実施の形態１によれば、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生部１１と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速部１３と、電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６とを備えた直流電子ビーム加速装置であって、第１および第２の電子ビーム偏向手段は、それぞれ、一方の面が電子ビーム加速部１３の側面側に対向して設けられた第１の偏向電磁石１４と、この第１の偏向電磁石１４の他方の面に対向し、分割して設けられた第２の偏向電磁石１５および第３の偏向電磁石１６とから構成されており、第１の偏向電磁石１４が、第２の偏向電磁石１５および第３の偏向電磁石１６とは極性が異なる逆偏向電磁石からなり、第２の偏向電磁石１５が第３の偏向電磁石１６とは極性が同じで、第３の偏向電磁石１６とは異なる第１の磁場強度を有しており、第３の偏向電磁石１６が第２の偏向電磁石１５とは極性が同じで、第２の偏向電磁石１５とは異なる第２の磁場強度を有することにより、電子ビーム加速部１３に低加速周波数の高周波電界を選択すること、例えば、５００ＭＨｚ程度の低加速周波数の高周波空洞を用いることができ、このため、平均電流の大きな直流電子ビームの加速が可能となる。
また、マイクロトロン加速で必須とされていた「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速でき、パラメータの自由度が増加したので、結果的に、電力効率を高くすることが可能となる。さらに、電子ビーム加速手段での壁損失を低減することができ、この為電力効率を高くすることができる。
【００４３】
また、第２の偏向電磁石１５および第３の偏向電磁石１６の第１の偏向電磁石１４と対向する面が階段状に形成された磁極形状とすることにより、電子ビーム加速部１３と対向側の直流電子ビームの軌道１７を、電子ビーム加速部１３側とほぼ平行に保つことができる。
【００４４】
また、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生部１１と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速部１３と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６とを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、第１回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整して行い、第２回目に上記電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４との間の距離を調整して行い、第３回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６と第２の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６との間の距離を調整して行い、第４、５回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、両電子ビーム偏向手段１４，１５，１６の同極性の偏向電磁石１５，１６の磁場強度の比および偏向角を調整して行うようにすることにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた、「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速することができ、また、加速位相幅（２０度程度）の広い直流電子ビームを加速することが可能となる。さらに、電子ビーム加速手段と対向側の直流電子ビームの軌道を、電子ビーム加速手段側とほぼ平行に保つことができる。
【００４５】
実施の形態２．
この実施の形態２では、実施の形態１と同様に、電子を５ＭｅＶまで加速するＣＷの直流電子ビーム加速装置および直流電子ビーム加速方法の例を用いて説明をする。
図５は、この発明の実施の形態２である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図であり、より具体的には、該装置の直流電子ビームが加速される面（軌道平面）の概略構成を示す説明図である。図５において、図１と同じ符号は、同一または相当品を示し、その説明を省略する。
【００４６】
１４，２１，２２は、電子ビーム加速部１３から出射された直流電子ビームを偏向して直流電子ビームの進行方向を変化させ、直流電子ビームの軌道１７の軌道を形成させる電子ビーム偏向手段である。この電子ビーム偏向手段は、電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段（図５の右側に図示）と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段（図５の左側に図示）と、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間に配設され、電子ビーム加速部１３の対向側の直線部に設けられた第３の電子ビーム偏向手段である位相シフター磁石２２とから構成されている。
【００４７】
第１の電子ビーム偏向手段および第２の電子ビーム偏向手段は、逆偏向電磁石１４と、この逆偏向電磁石１４の極性とは逆になっている主偏向電磁石２１とからなっている。位相シフター磁石２２は、２２ａ，２２ｂの２極の磁場を発生させる磁石からなっており、例えば、（１）独立の磁石とする、（２）同一のリターンヨークを持つ磁石とし、それぞれの磁極に別々にコイルを巻く、（３）個々の磁極のギャップを変える、（４）別々の永久磁石を配置する、等でおこなう。
【００４８】
電子ビーム発生部１１で直流電子ビームを発生させ、逆偏向電磁石１４、主偏向電磁石２１および位相シフター磁石２２により、直流電子ビームの軌道１７を形成させている。直流電子ビームの軌道１７は、電子ビーム加速部１３の位置でほぼ同一軌道となるように、逆偏向電磁石１４、主偏向電磁石２１および位相シフター磁石２２のパラメータが調整されている。逆偏向電磁石１４は、１回目に通過した直流電子ビームを再度同じ軌道上で逆向きの軌道にする働きをするとともに、周回する直流電子ビームのサイズを所定の範囲内に保つ働きをする。直流電子ビームは、電子ビーム加速部１３を５回通過した後、電子ビーム加速装置外へ取り出される。
【００４９】
直流電子ビームの加速は、電子ビーム加速部１３で行い、その加速周波数やパラメータの選択は実施の形態１と同様である。この実施の形態２では加速位相を調整するために設けられた位相シフター磁石２２ａ，２２ｂに、２極の磁場を発生させて、直流電子ビームの４ターン目の軌道１７ｂと５ターン目の軌道１７ｃの周長を調整している。位相シフター磁石２２ａ，２２ｂにおいて、該軌道１７ｂ，１７ｃが通過する部位に、２極の磁場を発生させるように励磁されている。なお、ここでは、２極の磁場が支配的な位相シフター磁石を示しているが、２極の磁場に加え４極の磁場成分を若干有する位相シフター磁石でもよい。
【００５０】
以下のように電子ビーム加速部１３を通過する直流電子ビームの加速位相の調整を行う。なお、電子ビーム加速部１３へ入射するビームの加速位相の最適値は周回毎に異なるので、以下のようなステップで周回毎に周長を制御する。
（ａ）第１回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整する。
（ｂ）第２回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４，２１との間の距離を調整する。
【００５１】
（ｃ）第３回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：第１の電子ビーム偏向手段１４、２１と第２の電子ビーム偏向手段１４、２１との間の距離を調整する。
（ｄ）第４、５回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：位相シフター磁石２２ａ，２２ｂの磁場強度を変えることで、個々のターンの周長を調整する。
【００５２】
この実施の形態２では、逆偏向電磁石１４で直流電子ビームを外側に蹴り、位相シフター磁石２２で内側に蹴ることにより、直流電子ビームの軌道を形成させている。
図５の直流電子ビームの軌道１７は、ビームシミュレーションの結果得られた加速軌道の一例であり、５ターン目の加速位相をこの発明の実施の形態２を適用しないときの加速位相から、５５度ずらしたときのビーム中心軌道のシミュレーション結果を示している。電子ビーム加速部１３の外部を通過する山状の４，５ターン目の軌道１７ｂ，１７ｃが、位相シフター磁石２２ａ，２２ｂにより周長の調整が行われたときの軌道である。
【００５３】
図６に、４ターン目、５ターン目の加速位相の調整を行うために必要な位相シフター磁石２２の磁場強度を、ビームシミュレーションから決定した結果を示す。本パラメータの場合、４２度程度の位相シフト量が必要であるが、１０００ガウス強の磁場で達成可能であることがわかる。なお、位相シフター磁石２２ａ，２２ｂの磁極長（ビーム進行方向の磁極の長さ）は１０ｃｍとして計算した。
【００５４】
以上のように、この実施の形態２によれば、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生部１１と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速部１３と、加速された直流電子ビームを偏向する電子ビーム偏向手段１４，２１とを備えた直流電子ビーム加速装置であって、電子ビーム偏向手段１４，２１は、上記電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段１４，２１と、第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と第２の電子ビーム偏向手段１４，２１との間に配設されて電子ビーム加速部１３の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生する第３の電子ビーム偏向手段２２ａ，２２ｂとからなることにより、電子ビーム加速部１３に低加速周波数の高周波電界を選択すること、例えば、５００ＭＨｚ程度の低加速周波数の高周波空洞を用いることができ、平均電流の大きな直流電子ビームの加速が可能となる。
また、マイクロトロン加速で必須とされていた「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速できる。さらに、電子ビーム加速手段での壁損失を低減することができ、この為電力効率を高くすることが可能となる。また、加速位相幅の広い直流電子ビームを加速することができる。
【００５５】
また、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生部１１と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速部１３と、電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段１４，２１と、第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と第２の電子ビーム偏向手段１４，２１との間に配設されて電子ビーム加速部１３の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生する第３の電子ビーム偏向手段２２ａ，２２ｂとを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、第１回目に電子ビーム加速手段１４，２１へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整して行い、第２回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４，２１との間の距離を調整して行い、第３回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と第２の電子ビーム偏向手段１４，２１との間の距離を調整して行い、第４回目以降に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第３の電子ビーム偏向手段２２ａ，２２ｂの磁場強度を変えることで、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速でき、加速位相幅（２０度程度）の広い直流電子ビームを加速することが可能となる。
【００５６】
実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２では、電子ビーム発生部１１から高周波電界に同期したＣＷビームが出射されるとしたが、この実施の形態３のように、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）の直流電子ビームを発生させてもよく、実施の形態１および実施の形態２と同様の作用効果を奏する。例えば、熱電子放出形式の電子銃の場合、３Ａ／ｃｍ2程度の直流電子ビームを発生させることが可能である。この実施の形態３では、半径２ｍｍ程度の直流電子ビームを想定しているので、電子銃からは、３８０ｍＡ程度のＤＣの直流電子ビームを取り出すことが可能である。
【００５７】
この実施の形態３では、加速位相幅は２０度程度（実施の形態１、２と同程度）を想定しているので、３８０ｍＡ×２０／３６０＝２１ｍＡ程度の平均電流の加速が可能である。例えば、５ＭｅＶまで加速した場合は、１０５ｋＷ程度の大強度の直流電子ビームを得ることが可能である。また、実施の形態１および実施の形態２のように、ＣＷの直流電子ビームの位相と高周波電界位相との調整も不要となる。但し、ＤＣの直流電子ビームとした場合には発生したＤＣの直流電子ビームの一部（２０／３６０程度）しか加速できないので効率が悪く、且つ、高出力の高圧電源が必要になる。また、電子銃の寿命も短くなるので、実施の形態１、２の方が望ましい。
【００５８】
実施の形態４．
実施の形態１および実施の形態２では、電子ビーム加速部１３に直流電子ビームを５回通過させて５ＭｅＶまで加速を行っているが、この実施の形態４のように、電子ビーム加速部１３に直流電子ビームを６回通過させて５ＭｅＶまで加速を行ってもよく、実施の形態１および実施の形態２と同様の作用効果を奏する。例えば、周波数５００ＭＨｚ、加速エネルギー５ＭｅＶ、セル数２、加速電圧０．８４ｋＷ、電子ビーム加速部１３に用いられている高周波空洞の通過数を６回としたとき、電子ビーム加速部１３での壁損失は４０ｋＷ程度となり、実施の形態１および実施の形態２と比較して、より電力効率の高い直流電子ビーム加速装置を実現することが可能となる。
【００５９】
第６回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、第４、５回目と同様に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相を次のように調整する。図１のような構成の場合、両電子ビーム偏向手段を構成している１４，１５，１６のうち、同極性の偏向電磁石１５，１６の磁場強度の比および偏向角を調整する。偏向角を調整するには、実施の形態１で第３の偏向電磁石１６における直流電子ビームの出口部分に二段の階段状１６ａ，１６ｂに形成している磁極形状を、この実施の形態４では、さらにもう一段追加して合計三段の階段状に形成している磁極形状にすることにより行う。また、図５のような構成の場合、位相シフター磁石２２ａ，２２ｂの磁場強度を変えることで、周長を調整する。
【００６０】
なお、直流電子ビームを６回通過させる必要があるので、電子ビーム偏向手段１４，１５，１６，２１，２２ａ，２２ｂの大きさが実施の形態１および実施の形態２の装置に比し、若干大きくなる。
また、直流電子ビームを７回以上通過させることが可能であれば、さらに電力効率が上がる。しかし、電子ビーム加速部１３の加速電圧を下げると、電子ビーム加速部通過途中で加速位相がずれ、減速位相となるので、限界がある。この限界は、入射エネルギーや、加速可能な電子ビームのエネルギー分散に依存する。
【００６１】
実施の形態５．
実施の形態１では、電子ビーム加速部１３に直流電子ビームを５回通過させて５ＭｅＶまで加速を行っているが、この実施の形態５では、電子ビーム加速部１３に直流電子ビームを６回通過させて電子を５ＭｅＶまで加速するＣＷの直流電子ビーム加速装置およびその直流電子ビーム加速方法を説明する。この実施の形態５では、加速電圧は０．９ＭＶ程度を想定しており、周波数５００ＭＨｚ付近の高周波電界を用いる。
【００６２】
図７は、この発明の実施の形態５である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図であり、より具体的には、該装置の直流電子ビームが加速される面（軌道平面）の概略構成を示す説明図である。図７において、図１と同じ符号は、同一または相当品を示し、その説明を省略する。
【００６３】
この実施の形態５では、電子ビーム偏向手段は、電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段（図７の右側に図示）と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段（図７の左側に図示）とから構成されている。
【００６４】
図１と図７との構成の違いは、第２の偏向電磁石１５および第３の偏向電磁石１６の配置構成が異なっていることである。この実施の形態５では、第２の偏向電磁石１５の磁場強度より、第３の偏向電磁石１６の磁場強度を弱くしている。このため、電子ビーム加速部１３と対向側の直流電子ビームの軌道１７とを、電子ビーム加速部１３側とほぼ平行に保つには第３の偏向電磁石１６内部の軌道長を長くする必要があり、図７の１５ａ，１５ｂに示すように、第２の偏向電磁石１５における直流電子ビームの出口部分が階段状に形成された磁極形状とし、第３の偏向電磁石１６を図７の１６ａに示すように、階段状に形成された磁極形状１５ｂより張り出させ、且つ、この張り出させた磁極形状１６ａ内における直流電子ビームの３ターン目を通過させる部位には第２の偏向電磁石１５ｃを設けている。左側と右側の直流電子ビーム偏向手段はほぼ同形状で、対称に配設されている。
【００６５】
なお、図７の１５ａ，１５ｂ，１６ａに示すように、階段状に形成された磁極形状は張り出しているが、パラメータによっては、第３の偏向電磁石１６内部の軌道長を短くする必要がある場合もあり、この場合には、第３の偏向電磁石１６における直流電子ビームの入口部分は階段状に形成された磁極形状１５ｂよりへこんだ磁極形状となる。
【００６６】
この実施の形態５における直流電子ビーム加速装置の高周波電源としては、例えばクライストロン電源、ＩＯＴなどを用いることができる。ＩＯＴを用いた場合、３０ｋＷのビームを得る為に必要な電力が少なくてすみ、電力効率は２５％を超える。ここで電力効率とは発生する電子ビームのパワーを必要な電力で割った値と定義した。また、１００ｋＷの電子ビームの場合の電力効率は５０％程度という従来の加速器では考えられない高電力効率の加速器が実現できる。図８に５ＭｅＶまでビームを加速した場合の電子ビームパワーと電力効率の関係を示す。
【００６７】
この実施の形態５は、以下のように電子ビーム加速部１３を通過する直流電子ビームの加速位相の調整を行う。なお、電子ビーム加速部１３へ入射するビームの加速位相の最適値は周回毎に異なるので、以下のようなステップで周回毎に周長を制御する。
【００６８】
（ａ）第１回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整する。
（ｂ）第２回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６との間の距離を調整する。
【００６９】
（ｃ）第４回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６と第２の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６との間の距離を調整する。
（ｄ）第３回目、第５回目、第６回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム偏向手段における同極性の偏向電磁石の磁場強度の比（第２の偏向電磁石１５と第３の偏向電磁石１６との磁場強度の比）および偏向角を調整することで周長を調整する。
【００７０】
なお、上記（ｃ）の方法で調整するのは、第４回目に限られているのではなく、第４回目以降の所定の周回目に上記（ｃ）の方法で調整してもよい。例えば、上記（ｃ）の方法を第５回目に調整する場合は、第３回目以降の上記（ｃ）の方法で調整する周回目を除く周回目に、例えば、第３回目、第４回目、第６回目に上記（ｄ）の方法で調整してもよい。どの周回の位相を上記（ｃ）の方法で調整するかは、電子ビーム加速部１３の電磁界分布により異なる。パラメータの可変範囲が広がり、より加速位相幅の広い電子ビームの加速が可能となるものを選択する。
【００７１】
直流電子ビームの上記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）による加速位相の調整は、直流電子ビームのタイミングの調整と、電子ビーム発生部１１、電子ビーム加速部１３、電子ビーム偏向手段１４，１５，１６の配設位置の調整とで行うので、実現可能である。
直流電子ビームの上記（ｄ）による加速位相の調整が可能かどうかについて、コンピュータシミュレーションにより検討した結果を以下に説明する。
【００７２】
図７の直流電子ビームの軌道１７は、ビームシミュレーションの結果得られたビームの加速軌道の一例であり、例えば、３，５，６ターン目の直流電子ビームの加速位相を、この発明の電子ビーム偏向手段を採用しなかったときの加速位相から、５５度ずらしたときの直流電子ビームの中心軌道のシミュレーション結果を示している。電子ビーム加速部１３の外側を通過する３，４，５，６ターン目の直流電子ビーム１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの軌道のターンセパレーションが大きくなっている。直流電子ビーム１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの軌道のターンセパレーションが大きい。即ち、ターン間距離は磁石分割部分で１０ｃｍ以上あり、電磁石の磁極間ギャップを変えた電磁石を作成することにより、実現可能である。
【００７３】
以上のように、この実施の形態５による直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法によれば、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生部１１と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速部１３と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６とを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、第１回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整して行い、第２回目に上記電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４との間の距離を調整して行い、第４回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６と第２の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６との間の距離を調整して行い、第３、５、６回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、両電子ビーム偏向手段１４，１５，１６の同極性の偏向電磁石１５，１６の磁場強度の比および偏向角を調整して行うようにすることにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた、「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速することができ、また、加速位相幅（３０度程度）の広い直流電子ビームを加速することが可能となり、大電流加速が可能となる。さらに、電子ビーム加速手段と対向側の直流電子ビームの軌道を、電子ビーム加速手段側とほぼ平行に保つことができる。
なお、実施の形態５の直流電子ビーム加速装置は、実施の形態１の直流電子ビーム加速装置と同様の作用効果を奏する。
【００７４】
実施の形態６．
この実施の形態６では、電子ビーム加速部１３に直流電子ビームを５回通過させて電子を５ＭｅＶまで加速するＣＷの直流電子ビーム加速装置および直流電子ビーム加速方法を説明する。この実施の形態６では、加速電圧は１．０ＭＶ程度を想定しており、周波数５００ＭＨｚ付近の高周波電界を用いる。
【００７５】
図９は、この発明の実施の形態６である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図であり、より具体的には、該装置の直流電子ビームが加速される面（軌道平面）の概略構成を示す説明図である。図９において、図５と同じ符号は、同一または相当品を示し、その説明を省略する。
【００７６】
この実施の形態６では、電子ビーム偏向手段は、電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段（図９の右側に図示）と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段（図９の左側に図示）と、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間に配設され、電子ビーム加速部１３の対向側の直線部に設けられた第３の電子ビーム偏向手段である位相シフター磁石２２ａ，２２ｂとから構成されている。
【００７７】
図５と図９との構成の違いは、位相シフター磁石２２ａ，２２ｂの配置構成が異なっていることである。図９の場合には、加速位相を調整するために設けられた位相シフター磁石２２ａ，２２ｂに２極の磁場を発生させて、直流電子ビームの３ターン目の軌道１７ａと５ターン目の軌道１７ｃの周長を調整している。
【００７８】
電子ビーム発生部１１で直流電子ビームを発生させ、逆偏向電磁石１４、主偏向電磁石２１および位相シフター磁石２２ａ，２２ｂにより、直流電子ビームの軌道１７を形成させている。直流電子ビームの軌道１７は、電子ビーム加速部１３の位置でほぼ同一軌道となるように、逆偏向電磁石１４、主偏向電磁石２１および位相シフター磁石２２ａ，２２ｂのパラメータが調整されている。逆偏向電磁石１４は、１回目に通過した直流電子ビームを再度同じ軌道上で逆向きの軌道にする働きをするとともに、周回する直流電子ビームのサイズを所定の範囲内に保つ働きをする。直流電子ビームは、電子ビーム加速部１３を５回通過した後、電子ビーム加速装置外へ取り出される。
【００７９】
直流電子ビームの加速は、電子ビーム加速部１３で行い、その加速周波数やパラメータの選択は実施の形態１と同様である。この実施の形態６では、加速位相を調整するために設けられた位相シフター磁石２２ａ，２２ｂに、２極の磁場を発生させて、直流電子ビームの３ターン目の軌道１７ａと５ターン目の軌道１７ｃの周長を調整している。位相シフター磁石２２ａ，２２ｂにおいて、該軌道１７ａ，１７ｃが通過する部位に、２極の磁場を発生させるように励磁されている。なお、ここでは、２極の磁場が支配的な位相シフター磁石を示しているが、２極の磁場に加え４極の磁場成分を若干有する位相シフター磁石でもよい。
【００８０】
以下のように電子ビーム加速部１３を通過する直流電子ビームの加速位相の調整を行う。なお、電子ビーム加速部１３へ入射するビームの加速位相の最適値は周回毎に異なるので、以下のようなステップで周回毎に周長を制御する。
（ａ）第１回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整する。
（ｂ）第２回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４，２１との間の距離を調整する。
【００８１】
（ｃ）第４回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：第１の電子ビーム偏向手段１４、２１と第２の電子ビーム偏向手段１４、２１との間の距離を調整する。
（ｄ）第３、５回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：位相シフター磁石２２ａ，２２ｂの磁場強度を変えることで、個々のターンの周長を調整する。
【００８２】
なお、上記（ｃ）の方法で調整するのは、第４回目に限られているのではなく、第４回目以降の所定の周回目に上記（ｃ）の方法で調整してもよい。例えば、上記（ｃ）の方法の方法を第５回目に調整する場合は、第３回目以降の上記（ｃ）の方法で調整する周回目を除く周回目に、例えば、第３回目、第４回目に上記（ｄ）の方法で調整してもよい。どの周回の位相を上記（ｃ）の方法で調整するかは、１３の電子ビーム加速部の電磁界分布により異なる。パラメータの可変範囲が広がり、より加速位相幅の広い電子ビームの加速が可能となるものを選択する。
【００８３】
この実施の形態６では、逆偏向電磁石１４で直流電子ビームを外側に蹴り、位相シフター磁石２２ａ，２２ｂで内側に蹴ることにより、直流電子ビームの軌道を形成させている。
図９の直流電子ビームの軌道１７は、ビームシミュレーションの結果得られた加速軌道の一例である。
【００８４】
以上のように、この実施の形態６によれば、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生部１１と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速部１３と、電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段１４，２１と、第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と第２の電子ビーム偏向手段１４，２１との間に配設されて電子ビーム加速部１３の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生する第３の電子ビーム偏向手段２２ａ，２２ｂとを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、第１回目に電子ビーム加速手段１４，２１へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整して行い、第２回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４，２１との間の距離を調整して行い、第４回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と第２の電子ビーム偏向手段１４，２１との間の距離を調整して行い、第３回目、第５回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第３の電子ビーム偏向手段２２ａ，２２ｂの磁場強度を変えることで、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた、「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速することができ、また、加速位相幅（３０度程度）の広い直流電子ビームを加速することが可能となり、大電流加速が可能となる。さらに、電子ビーム加速手段と対向側の直流電子ビームの軌道を、電子ビーム加速手段側とほぼ平行に保つことができる。
なお、実施の形態６の直流電子ビーム加速装置は、実施の形態２の直流電子ビーム加速装置と同様の作用効果を奏する。
【００８５】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００８６】
この発明の第１の局面における請求項１の直流電子ビーム加速装置では、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置であって、両電子ビーム偏向手段は、それぞれ、一方の面が上記電子ビーム加速手段の側面側に対向して設けられた第１の偏向電磁石と、この第１の偏向電磁石の他方の面に対向し、分割して設けられた第２の偏向電磁石および第３の偏向電磁石とから構成され、第１の偏向電磁石が、第２の偏向電磁石および第３の偏向電磁石とは極性が異なる逆偏向電磁石からなり、第２の偏向電磁石が第３の偏向電磁石とは極性が同じで、第３の偏向電磁石とは異なる第１の磁場強度を有しており、第３の偏向電磁石が第２の偏向電磁石とは極性が同じで、第２の偏向電磁石とは異なる第２の磁場強度を有することにより、電子ビーム加速手段に低加速周波数の高周波電界を選択することができ、このため、平均電流の大きな直流電子ビームの加速が可能となる。
【００８７】
また、この発明の請求項２の直流電子ビーム加速装置では、第２の偏向電磁石および第３の偏向電磁石の第１の偏向電磁石と対向する面が階段状に形成された磁極形状とすることにより、電子ビーム加速手段と対向側の直流電子ビームの軌道を、電子ビーム加速手段側とほぼ平行に保つことができる。
【００８８】
また、この発明の請求項３の直流電子ビーム加速装置では、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、加速された直流電子ビームを偏向する電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置であって、電子ビーム偏向手段は、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段と、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間に配設されて電子ビーム加速手段の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生し、該磁場を通る電子ビームの周回軌道長を調整する第３の電子ビーム偏向手段とからなることにより、電子ビーム加速手段に低加速周波数の高周波電界を選択することができ、このため、平均電流の大きな直流電子ビームの加速が可能となる。
【００８９】
また、この発明の第２の局面における請求項４の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法では、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、（ａ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム発生手段の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速手段の加速電界の位相との差を調整して行うステップと、（ｂ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム加速手段と第１の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｃ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｄ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、両電子ビーム偏向手段に設けられた同極性の偏向電磁石における磁場強度の比および偏向角を調整して行うステップとを備えることにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた、「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速することができる。
【００９０】
また、この発明の請求項５の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法では、（ａ）のステップを第１回目に行い、（ｂ）のステップを第２回目に行い、（ｃ）のステップを第３回目に行い、（ｄ）のステップを第４回目以降に行うことにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速できる。
【００９１】
また、この発明の請求項６の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法では、（ａ）のステップを第１回目に行い、上記（ｂ）のステップを第２回目に行い、上記（ｃ）のステップを第４回目以降の所定の周回目に行い、上記（ｄ）のステップを第３回目以降の上記（ｃ）のステップで行う周回目を除く周回目に行うことにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速できる。
【００９２】
また、この発明の請求項７の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法では、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段と、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間に配設されて電子ビーム加速手段の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生する第３の電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、（ａ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム発生手段の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速手段の加速電界の位相との差を調整して行うステップと、（ｂ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム加速手段と第１の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｃ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｄ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第３の電子ビーム偏向手段の磁場強度を変えることで、各周回の周長を調整して行うステップとを備えることにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速できる。
【００９３】
また、この発明の請求項８の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法では、（ａ）のステップを第１回目に行い、（ｂ）のステップを第２回目に行い、（ｃ）のステップを第３回目に行い、そして、（ｄ）のステップを第４回目以降に行うことにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた、「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速することができる。
【００９４】
また、この発明の請求項９の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法は、（ａ）のステップを第１回目に行い、（ｂ）のステップを第２回目に行い、（ｃ）のステップを第４回目以降の所定の周回目に行い、（ｄ）のステップを第３回目以降の（ｃ）のステップで行う周回目を除く周回目に行うことにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた、「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】 第２の偏向電磁石と第３の偏向電磁石との磁場強度の相対比と軌道長の差のビームシミュレーション結果を示す説明図である。
【図３】 第２の偏向電磁石と第３の偏向電磁石との磁場強度の相対比と加速位相調整範囲のビームシミュレーション結果を示す説明図である。
【図４】 図１の直流電子ビーム加速装置の出射位置における電子ビームのエネルギースペクトルの計算結果を示す説明図である。
【図５】 実施の形態２である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図である。
【図６】 図５の位相シフター磁石の磁場強度と加速位相調整範囲のビームシミュレーション結果を示す説明図である。
【図７】 この発明の実施の形態５である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図である。
【図８】 図７の直流電子ビーム加速装置に５ＭｅＶまでビームを加速した場合の電子ビームパワーと電力効率の関係を示す説明図である。
【図９】 この発明の実施の形態６である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図である。
【図１０】 従来の電子ビーム加速装置の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１１ 電子ビーム発生部
１２ 電子ビーム入射部
１３ 電子ビーム加速部
１４ 第１の偏向電磁石
１５ 第２の偏向電磁石
１６ 第３の偏向電磁石
２１ 主偏向電磁石
２２ 位相シフター磁石
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電子ビーム加速装置および直流電子ビーム加速方法に関し、特に、食品照射、検疫照射、汚泥処理、排水処理、医療殺菌、低速陽電子発生等に用いる大強度の直流電子ビームを加速する直流電子ビーム加速装置および直流電子ビーム加速方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、例えば、「小型シンクロトロン放射光源”オーロラ”の開発」（高橋、山田著、住友重機械技法、Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１１６，１９９１，２〜１０頁）に記載されている従来の電子ビーム加速装置である。このようなタイプの電子ビーム加速器はレーストラック・マイクロトロンと呼ばれている。図１０において、１１１は電子銃、１１２は入射電磁石、１１３は高周波空洞（ライナック）、１１４は偏向電磁石、１１５は電子ビーム軌道である。
【０００３】
次に、動作について説明する。電子は電子銃１１１で発生する。発生する電子ビームは、周波数が数Ｈｚ〜数１００Ｈｚ、パルス幅が１０ｎｓ〜数μｓ程度のパルスビームである。発生した電子は、入射電磁石１１２によりレーストラック・マイクロトロンに入射される。レーストラック・マイクロトロン中では電子ビーム軌道１１５を通りながら、高周波空洞１１３を通過する毎に加速される。レーストラック・マイクロトロンでは主としてＳバンド帯（約２．８ＧＨｚ）の高周波電界により加速を行う。高周波空洞１１３を１回通過するときに得るエネルギーは、５ＭｅＶ程度であることが多い。電子ビーム軌道１１５を作るために、高周波空洞１１３の両側に、偏向電磁石１１４が配設されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の電子ビーム加速装置では、高周波空洞１１３を通過する時の周回毎の加速位相は、高周波空洞の加速電圧と偏向電磁石１１４の磁場強度との関係式から一義的に決まる。したがって、電子ビームを高エネルギーまで加速可能とするためには、（１）高周波空洞１１３を通過するときのエネルギーゲインが電子の静止質量（約５１１ｋｅＶ）の整数倍に近い、（２）電子ビームの速度が光速に近い、という２つの条件を満たす必要がある。
【０００５】
ところで、電子ビームの入射エネルギーが低い場合には、電子ビームの速度は光速よりかなり遅く（例えば、入射エネルギーが８０ｋｅＶの場合、電子ビームの速度は、光速の約１／２）なるので、上記条件は成り立たない。さらに、高周波空洞１１３を通過するときのエネルギーゲインが小さいと、電子ビームが光速に近づくまでの周回数が増えるので、その間に加速位相からのずれが大きくなり加速が難しいといった問題が生じる。このため、従来の装置では、高周波空洞１１３の加速電圧を上げて電子ビームを高周波空洞に１回程度通過させれば、ほとんど光速となるようなパラメータで運転を行う必要があった。
【０００６】
単位長さ当たりの加速電圧を上げるためには、高周波空洞１１３に投入する高周波電界の周波数を高くする必要があり、１ＧＨｚ〜３ＧＨｚ程度とする必要があった。それより周波数が低い場合で、高周波空洞の加速電圧を上げるためには、高周波空洞の全長を長くする必要がある。この場合、高周波空洞を通過する途中で急激に電子ビームの位相と高周波加速電界との位相のずれが大きくなり、高周波空洞の通過中で減速位相となり、加速が難しくなるからである。
【０００７】
ところで、１ＧＨｚ〜３ＧＨｚといった周波数の高い高周波空洞は、全体の寸法が必然的に小さくなり、大電力を投入したときの熱の除去が難しくなり、平均電流の大きな直流電子ビームの加速が難しいという問題点があった。このため、大強度の直流電子ビームを要する食品照射、検疫照射、汚泥処理、排水処理、医療殺菌、低速陽電子発生等への適用が困難であった。
【０００８】
また、従来の電子ビーム加速装置は「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギー（約５１１ｋｅＶ）のほぼ整数倍でなくてはならない。」というマイクロトロン加速条件を満たさなければならず、パラメータの制約から電力効率を高くすることができないという問題点があった。
【０００９】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、平均電流の大きな電子ビームを加速することができる直流電子ビーム加速装置およびその直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法を得るものである。
また、第２の目的は、マイクロトロン加速で必須とされていた、「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない。」という条件を満たさなくても電子ビームを加速することができ、パラメータの自由度を増加し、結果的に、電力効率を高くすることができる直流電子ビーム加速装置およびその直流電子ビーム加速方法を得るものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の第１の局面における請求項１の直流電子ビーム加速装置は、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置であって、両電子ビーム偏向手段は、それぞれ、一方の面が上記電子ビーム加速手段の側面側に対向して設けられた第１の偏向電磁石と、この第１の偏向電磁石の他方の面に対向し、分割して設けられた第２の偏向電磁石および第３の偏向電磁石とから構成され、第１の偏向電磁石が、第２の偏向電磁石および第３の偏向電磁石とは極性が異なる逆偏向電磁石からなり、第２の偏向電磁石が第３の偏向電磁石とは極性が同じで、第３の偏向電磁石とは異なる第１の磁場強度を有しており、第３の偏向電磁石が第２の偏向電磁石とは極性が同じで、第２の偏向電磁石とは異なる第２の磁場強度を有するものである。
【００１１】
また、この発明の請求項２の直流電子ビーム加速装置は、請求項１の記載のものであって、第２の偏向電磁石および第３の偏向電磁石の第１の偏向電磁石と対向する面が階段状に形成された磁極形状とするものである。
【００１２】
また、この発明の請求項３の直流電子ビーム加速装置は、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、加速された直流電子ビームを偏向する電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置であって、電子ビーム偏向手段は、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段と、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間に配設されて電子ビーム加速手段の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生し、該磁場を通る電子ビームの周回軌道長を調整する第３の電子ビーム偏向手段とからなるものである。
【００１３】
また、この発明の第２の局面における請求項４の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法は、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、（ａ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム発生手段の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速手段の加速電界の位相との差を調整して行うステップと、（ｂ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム加速手段と第１の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｃ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｄ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、両電子ビーム偏向手段に設けられた同極性の偏向電磁石における磁場強度の比および偏向角を調整して行うステップとを備えるものである。
【００１４】
また、この発明の請求項５の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法は、請求項４の記載のものであって、（ａ）のステップを第１回目に行い、（ｂ）のステップを第２回目に行い、（ｃ）のステップを第３回目に行い、（ｄ）のステップを第４回目以降に行うものである。
【００１５】
また、この発明の請求項６の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法は、請求項４の記載のものであって、（ａ）のステップを第１回目に行い、（ｂ）のステップを第２回目に行い、（ｃ）のステップを第４回目以降の所定の周回目に行い、（ｄ）のステップを第３回目以降の（ｃ）のステップで行う周回目を除く周回目に行うものである。
【００１６】
また、この発明の請求項７の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法は、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段と、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間に配設されて電子ビーム加速手段の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生する第３の電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、（ａ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム発生手段の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速手段の加速電界の位相との差を調整して行うステップと、（ｂ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム加速手段と第１の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｃ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｄ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第３の電子ビーム偏向手段の磁場強度を変えることで、各周回の周長を調整して行うステップとを備えるものである。
【００１７】
また、この発明の請求項８の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法は、請求項７の記載のものであって、（ａ）のステップを第１回目に行い、（ｂ）のステップを第２回目に行い、（ｃ）のステップを第３回目に行い、（ｄ）のステップを第４回目以降に行うものである。
【００１８】
また、この発明の請求項９の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法は、請求項７の記載のものであって、（ａ）のステップを第１回目に行い、（ｂ）のステップを第２回目に行い、（ｃ）のステップを第４回目以降の所定の周回目に行い、（ｄ）のステップを第３回目以降の（ｃ）のステップで行う周回目を除く周回目に行うものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図であり、より具体的には、該装置の直流電子ビームが加速される面（軌道平面）の概略構成を示す説明図である。図１において、１１は直流電子ビームを発生する電子ビーム発生部、１２は電子ビーム発生部１１で発生した直流電子ビームを入射する電子ビーム入射部である。１３は電子ビーム入射部１２から入射された直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速部（高周波空洞）で、この実施の形態１では、２つのセル（加速ギャップ）から構成されている。
【００２０】
１４、１５および１６は、電子ビーム加速部１３から出射された直流電子ビームを偏向して直流電子ビームの進行方向を変化させ、直流電子ビームの軌道１７の軌道を形成させる電子ビーム偏向手段である。この電子ビーム偏向手段は、電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段（図１の右側に図示）と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段（図１の左側に図示）とから構成されている。
【００２１】
第１および第２の電子ビーム偏向手段は、それぞれ、一方の面が電子ビーム加速部１３の側面側に対向して設けられた第１の偏向電磁石１４と、この第１の偏向電磁石１４の他方の面に対向し、分割して設けられた第２の偏向電磁石１５および第３の偏向電磁石１６とから構成される。第１の偏向電磁石１４は、第２の偏向電磁石１５および第３の偏向電磁石１６とは極性が異なる逆偏向電磁石からなり、１回目に通過した直流電子ビームを再度同じ軌道上で逆向きの軌道にする働きをするとともに、周回する直流電子ビームのビームサイズを所定の範囲内に保つ働きをする。
【００２２】
第２の偏向電磁石１５は、第３の偏向電磁石１６とは極性が同じで、第３の偏向電磁石１６とは異なる磁場強度を有する。また、第３の偏向電磁石１６は、第２の偏向電磁石１４とは極性が同じで、第２の偏向電磁石１５とは異なる磁場強度を有する。
この実施の形態１では、第２の偏向電磁石１５の磁場強度より、第３の偏向電磁石１６の磁場強度を弱くしている。このため、電子ビーム加速部１３と対向側の直流電子ビームの軌道１７とを、電子ビーム加速部１３側とほぼ平行に保つには第３の偏向電磁石１６内部の軌道長を長くする必要があり、図１の１６ａ，１６ｂに示すように、第３の偏向電磁石１６における直流電子ビームの出口部分が階段状に形成された磁極形状となる。左側と右側の直流電子ビーム偏向手段は、この実施の形態１ではほぼ同形状で、対称に配設されている。
なお、直流電子ビーム加速装置から電子ビームを取り出す部分近傍は、電子ビームの取り出す方向を調整する目的で、左側と右側の直流電子ビーム偏向手段の形状を若干変えてもよい。
【００２３】
このように、第２の偏向電磁石および第３の偏向電磁石の第１の偏向電磁石と対向する面が階段状に形成された磁極形状とすることにより、電子ビーム加速部と対向側の直流電子ビームの軌道を、電子ビーム加速部側とほぼ平行に保つことができ、加速位相幅の広い直流電子ビームを加速することが可能となる。
なお、図１の１６ａ，１６ｂに示すように、階段状に形成された磁極形状は張り出しているが、パラメータによっては、第３の偏向電磁石１６内部の軌道長を短くする必要がある場合もあり、この場合には、第３の偏向電磁石１６における直流電子ビームの出口部分は階段状にへこんだ磁極形状となる。
【００２４】
直流電子ビームの軌道１７は、電子ビーム加速部１３の位置ではほぼ同一軌道となるように各磁石のパラメータが調整されている。この実施の形態１では、直流電子ビームは電子ビーム加速部１３を５回通過した後、直流電子ビーム加速装置外へ取り出される。
【００２５】
この実施の形態１では、例えば、電子を５ＭｅＶまで加速するＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）の直流電子ビーム加速装置について説明する。この発明における直流電子ビームとは、繰り返しが５００ＭＨｚといった非常に高周波数の電子ビームが、連続に連なっているビームのことである。このようなビームを加速する加速器を、加速器の研究者は一般にＣＷ加速器と呼んでいる。電子ビーム加速部１３は、高エネルギー加速器で通常用いられる高周波空洞を用いており、この実施の形態１では、加速電圧は１ＭＶ程度を想定している。直流電子ビームの加速は、電子ビーム加速部１３で行う。数１０ｋＷ〜数１００ｋＷ級の平均電流の大きな直流電子ビームを加速するには、電子ビーム加速部１３に大強度のパワーを投入する必要があり、電子ビーム加速部１３には、周波数が約９００ＭＨｚ以下の高周波電界を投入する。
【００２６】
高周波電界を投入すると、電子ビーム加速部１３に用いられている高周波空洞の壁の電気抵抗により熱が発生する。この熱により高周波空洞の寸法が変わると、所定の高周波電界をかけることができなくなるので、熱を除去する必要がある。高周波空洞に投入できる電力（パワー）は熱の除去が可能な大きさと相関があり、通常、高周波空洞の寸法が大きい程、大電力を投入できる。高周波空洞の寸法を大きくするためには、高周波電界の周波数を下げる必要がある。高周波空洞は、一般に、投入する高周波電界の波長に比例した大きさとなる。波長と周波数は逆比例するので、高周波空洞の寸法を大きくするためには、高周波電界の周波数を下げる必要がある。
【００２７】
高周波電界の周波数が低い程、電子ビーム加速部１３の寸法が大きくなり、且つ、電子ビーム加速装置の大きさが大きくなる。また、高周波電界の周波数が低い程、単位長さ当たりの電子ビームのエネルギーゲインが小さくなる。一方、高周波電界の周波数が低い程、空洞壁で損失するパワーの除去が簡単になる。このため、上記の相関（トレードオフ）により、選択する周波数が決定される。平均電流の大きな直流電子ビームを加速したい場合には、より低加速周波数の高周波電界を選択する必要があり、この実施の形態１のように、数１０ｋＷ〜数１００ｋＷ級の平均電流の大きなを加速するためには、周波数９００ＭＨｚ以下の高周波空洞を用いるのが望ましい。
【００２８】
一方、電子ビーム加速部１３の加速電圧が高いと壁損失が増加する。一般に、壁損失は加速電圧の２乗に比例する。直流電子ビーム加速装置は必要な電力が小さいことが望まれるので、壁損失を少なくするために加速電圧が低いことが望ましい。ところで、この実施の形態１における直流電子ビーム加速装置の入射エネルギーは、１００ｋｅＶ程度以下であり、低エネルギーのときにおける電子の光速との速度の差が無視できない。光速との速度の差があると、加速電圧を下げて空洞長を長くした場合には、加速中に直流電子ビームは高周波電界の位相からずれて加速できなくなる。このため、加速電圧はある値以下には下げることはできないので、加速高周波電界の周波数が決まれば必要な加速電圧はある程度の範囲に限定される。
【００２９】
以上のようなことにより、この実施の形態１における直流電子ビーム加速装置は、数１０ｋＷ〜数１００ｋＷ程度の直流電子ビームの加速を考えると、電子ビーム加速部１３の加速周波数は約９００ＭＨｚ以下に限定される。また、加速電圧や高周波空洞のセル数等もある範囲に限定される。
【００３０】
例えば、周波数として５００ＭＨｚを選択した場合、５ＭｅＶまで加速するためには、電子ビーム加速部１３のセル数２、加速電圧１ＭＶ、高周波空洞の通過数５回程度の値が望ましい。この場合、電子ビーム加速部１３での壁損失は６０ｋＷ程度となり、３０ｋＷのビームを加速しようとすると、高周波電源としては９０ｋＷ〜１００ｋＷ程度の電源パワーが必要となる。高周波電源としては、例えばクライストロン電源、誘導出力管（ＩＯＴ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｏｕｔｐｕｔ Ｔｕｂｅ）電源などを用いることができる。
【００３１】
ところで、低エネルギーの直流電子ビームの速度は光速とは見なせず、周回毎に速度が変化する。また、電子ビーム加速部１３を通過するときに得るエネルギーは通過毎に異なる。なぜなら、電子ビーム加速部１３にかけられている高周波電界の周波数は一定であるのに、通過する直流電子ビームの速度が周回毎に異なるからである。このため、従来の電子ビーム加速装置は、加速周波数を下げて、高周波空洞通過時のエネルギーゲインを下げると、直流電子ビームは加速位相からずれ、加速できる位相幅は非常に狭くなってしまい、加速不能、又は、加速できたとしても平均電流の大きな直流電子ビームを加速することは難しい。
【００３２】
上記のような問題を解決するために、この実施の形態１では、電子ビーム偏向手段で主偏向を担当する磁石を、同極性で異なる磁場強度を有する、第２の偏向電磁石１５と第３の偏向電磁石１６とに分割している。そして、以下のように電子ビーム加速部１３を通過する直流電子ビームの加速位相の調整を行う。なお、電子ビーム加速部１３へ入射するビームの加速位相の最適値は周回毎に異なるので、以下のようなステップで周回毎に周長を制御する。
【００３３】
（ａ）第１回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整する。
（ｂ）第２回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６との間の距離を調整する。
【００３４】
（ｃ）第３回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６と第２の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６との間の距離を調整する。
（ｄ）第４、５回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム偏向手段の同極性の偏向電磁石における磁場強度の比（第２の偏向電磁石１５と第３の偏向電磁石１６との磁場強度の比）および偏向角を調整することで周長を調整する。
【００３５】
直流電子ビームの（ａ）（ｂ）（ｃ）のステップの加速位相の調整は、直流電子ビームのタイミングの調整と、電子ビーム発生部１１、電子ビーム加速部１３、電子ビーム偏向手段１４，１５，１６の配設位置の調整とで行うので、実現可能である。直流電子ビームの（ｄ）のステップの加速位相の調整が可能かどうかについて、コンピュータシミュレーションにより検討した結果を以下に説明する。
【００３６】
図１の直流電子ビームの軌道１７は、ビームシミュレーションの結果得られたビームの加速軌道の一例であり、５ターン目の直流電子ビームの加速位相を、この発明の電子ビーム偏向手段を採用しなかったときの加速位相から、５５度ずらしたときの直流電子ビームの中心軌道のシミュレーション結果を示している。電子ビーム加速部１３の外側を通過する４ターン目の直流電子ビーム１７ｂと、５ターン目の直流電子ビーム１７ｃとの軌道のターンセパレーションが大きくなっている。
【００３７】
直流電子ビーム１７ｂ，１７ｃの軌道のターンセパレーションは十分に大きいので、第２の偏向電磁石１５のみを通過する第３ターン目の直流電子ビーム１７ａの軌道と、第２の偏向電磁石１５と第３の偏向電磁石１６とを通過する４ターン目の直流電子ビーム１７ｂの軌道とのターン間距離は磁石分割部分で２０ｃｍ程度あり、電磁石の磁極間ギャップを変えた電磁石を作成することにより、実現可能である。
【００３８】
偏向電磁石１５，１６を２分割したときの、２つの磁場強度の比と軌道長の差の関係を図２に示す。軌道長の差とは、均一な分割されていない偏向電磁石の場合と、この実施の形態１のように２分割された偏向電磁石１５，１６の場合との１周回長の差と定義している。図２において、１００度および１１０度は、第２の偏向電磁石１５の偏向角を示す。別の検討により、２分割の偏向電磁石１５，１６を実現させるためには、第２の偏向電磁石１５の偏向角をほぼ１００度以上にする必要がある。
【００３９】
この実施の形態１で５ＭｅＶまで電子ビームを加速するためには、２分割の偏向電磁石を用いない場合の軌道周長より、７ｃｍ程度軌道長を長くする必要があることが、別のシミュレーション結果からわかっている。即ち、図２中の縦軸の軌道長の差が７ｃｍとなるような条件を作る必要がある。図２より、２分割の偏向電磁石の磁場強度比を、第２の偏向電磁石１５の偏向角が１００度のときは、０．８５倍以下、また、該偏向角が１１０度のときは、０．８倍以下にすれば、上記条件が達成できることがわかる。この値は電磁石の磁場設計では達成できる値である。
【００４０】
また、図３に縦軸を位相差（２分割の偏向電磁石を用いない場合の加速位相からのずれ）としたときの関係を示す。別のシミュレーション結果から、４２度程度の位相差を作れば５ＭｅＶまで安定に加速できることがわかっている。図３より、２分割の偏向電磁石の磁場強度比を、第２の偏向電磁石１５の偏向角が１００度のときは、０．８５倍以下、また、該偏向角が１１０度のときは、０．８倍以下にすれば、上記条件が達成できることがわかる。
【００４１】
図４は、この実施の形態１で電子ビーム発生部１１の出口から、直流電子ビーム加速装置を出るまでのビームシミュレーションを行い、出射時のエネルギースペクトルを計算した結果を示している。図４より、エネルギー分散±１．２％を保ちながら、直流電子ビームを加速できることがわかる。なお、この計算結果では最終的な加速エネルギーは、４．７ＭｅＶ程度であるが、電子ビーム加速部１３の電圧を数％あげることにより、容易に５ＭｅＶまで加速することが同様なシミュレーション結果からわかっている。
【００４２】
以上のように、この実施の形態１によれば、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生部１１と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速部１３と、電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６とを備えた直流電子ビーム加速装置であって、第１および第２の電子ビーム偏向手段は、それぞれ、一方の面が電子ビーム加速部１３の側面側に対向して設けられた第１の偏向電磁石１４と、この第１の偏向電磁石１４の他方の面に対向し、分割して設けられた第２の偏向電磁石１５および第３の偏向電磁石１６とから構成されており、第１の偏向電磁石１４が、第２の偏向電磁石１５および第３の偏向電磁石１６とは極性が異なる逆偏向電磁石からなり、第２の偏向電磁石１５が第３の偏向電磁石１６とは極性が同じで、第３の偏向電磁石１６とは異なる第１の磁場強度を有しており、第３の偏向電磁石１６が第２の偏向電磁石１５とは極性が同じで、第２の偏向電磁石１５とは異なる第２の磁場強度を有することにより、電子ビーム加速部１３に低加速周波数の高周波電界を選択すること、例えば、５００ＭＨｚ程度の低加速周波数の高周波空洞を用いることができ、このため、平均電流の大きな直流電子ビームの加速が可能となる。
また、マイクロトロン加速で必須とされていた「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速でき、パラメータの自由度が増加したので、結果的に、電力効率を高くすることが可能となる。さらに、電子ビーム加速手段での壁損失を低減することができ、この為電力効率を高くすることができる。
【００４３】
また、第２の偏向電磁石１５および第３の偏向電磁石１６の第１の偏向電磁石１４と対向する面が階段状に形成された磁極形状とすることにより、電子ビーム加速部１３と対向側の直流電子ビームの軌道１７を、電子ビーム加速部１３側とほぼ平行に保つことができる。
【００４４】
また、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生部１１と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速部１３と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６とを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、第１回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整して行い、第２回目に上記電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４との間の距離を調整して行い、第３回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６と第２の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６との間の距離を調整して行い、第４、５回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、両電子ビーム偏向手段１４，１５，１６の同極性の偏向電磁石１５，１６の磁場強度の比および偏向角を調整して行うようにすることにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた、「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速することができ、また、加速位相幅（２０度程度）の広い直流電子ビームを加速することが可能となる。さらに、電子ビーム加速手段と対向側の直流電子ビームの軌道を、電子ビーム加速手段側とほぼ平行に保つことができる。
【００４５】
実施の形態２．
この実施の形態２では、実施の形態１と同様に、電子を５ＭｅＶまで加速するＣＷの直流電子ビーム加速装置および直流電子ビーム加速方法の例を用いて説明をする。
図５は、この発明の実施の形態２である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図であり、より具体的には、該装置の直流電子ビームが加速される面（軌道平面）の概略構成を示す説明図である。図５において、図１と同じ符号は、同一または相当品を示し、その説明を省略する。
【００４６】
１４，２１，２２は、電子ビーム加速部１３から出射された直流電子ビームを偏向して直流電子ビームの進行方向を変化させ、直流電子ビームの軌道１７の軌道を形成させる電子ビーム偏向手段である。この電子ビーム偏向手段は、電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段（図５の右側に図示）と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段（図５の左側に図示）と、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間に配設され、電子ビーム加速部１３の対向側の直線部に設けられた第３の電子ビーム偏向手段である位相シフター磁石２２とから構成されている。
【００４７】
第１の電子ビーム偏向手段および第２の電子ビーム偏向手段は、逆偏向電磁石１４と、この逆偏向電磁石１４の極性とは逆になっている主偏向電磁石２１とからなっている。位相シフター磁石２２は、２２ａ，２２ｂの２極の磁場を発生させる磁石からなっており、例えば、（１）独立の磁石とする、（２）同一のリターンヨークを持つ磁石とし、それぞれの磁極に別々にコイルを巻く、（３）個々の磁極のギャップを変える、（４）別々の永久磁石を配置する、等でおこなう。
【００４８】
電子ビーム発生部１１で直流電子ビームを発生させ、逆偏向電磁石１４、主偏向電磁石２１および位相シフター磁石２２により、直流電子ビームの軌道１７を形成させている。直流電子ビームの軌道１７は、電子ビーム加速部１３の位置でほぼ同一軌道となるように、逆偏向電磁石１４、主偏向電磁石２１および位相シフター磁石２２のパラメータが調整されている。逆偏向電磁石１４は、１回目に通過した直流電子ビームを再度同じ軌道上で逆向きの軌道にする働きをするとともに、周回する直流電子ビームのサイズを所定の範囲内に保つ働きをする。直流電子ビームは、電子ビーム加速部１３を５回通過した後、電子ビーム加速装置外へ取り出される。
【００４９】
直流電子ビームの加速は、電子ビーム加速部１３で行い、その加速周波数やパラメータの選択は実施の形態１と同様である。この実施の形態２では加速位相を調整するために設けられた位相シフター磁石２２ａ，２２ｂに、２極の磁場を発生させて、直流電子ビームの４ターン目の軌道１７ｂと５ターン目の軌道１７ｃの周長を調整している。位相シフター磁石２２ａ，２２ｂにおいて、該軌道１７ｂ，１７ｃが通過する部位に、２極の磁場を発生させるように励磁されている。なお、ここでは、２極の磁場が支配的な位相シフター磁石を示しているが、２極の磁場に加え４極の磁場成分を若干有する位相シフター磁石でもよい。
【００５０】
以下のように電子ビーム加速部１３を通過する直流電子ビームの加速位相の調整を行う。なお、電子ビーム加速部１３へ入射するビームの加速位相の最適値は周回毎に異なるので、以下のようなステップで周回毎に周長を制御する。
（ａ）第１回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整する。
（ｂ）第２回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４，２１との間の距離を調整する。
【００５１】
（ｃ）第３回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：第１の電子ビーム偏向手段１４、２１と第２の電子ビーム偏向手段１４、２１との間の距離を調整する。
（ｄ）第４、５回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：位相シフター磁石２２ａ，２２ｂの磁場強度を変えることで、個々のターンの周長を調整する。
【００５２】
この実施の形態２では、逆偏向電磁石１４で直流電子ビームを外側に蹴り、位相シフター磁石２２で内側に蹴ることにより、直流電子ビームの軌道を形成させている。
図５の直流電子ビームの軌道１７は、ビームシミュレーションの結果得られた加速軌道の一例であり、５ターン目の加速位相をこの発明の実施の形態２を適用しないときの加速位相から、５５度ずらしたときのビーム中心軌道のシミュレーション結果を示している。電子ビーム加速部１３の外部を通過する山状の４，５ターン目の軌道１７ｂ，１７ｃが、位相シフター磁石２２ａ，２２ｂにより周長の調整が行われたときの軌道である。
【００５３】
図６に、４ターン目、５ターン目の加速位相の調整を行うために必要な位相シフター磁石２２の磁場強度を、ビームシミュレーションから決定した結果を示す。本パラメータの場合、４２度程度の位相シフト量が必要であるが、１０００ガウス強の磁場で達成可能であることがわかる。なお、位相シフター磁石２２ａ，２２ｂの磁極長（ビーム進行方向の磁極の長さ）は１０ｃｍとして計算した。
【００５４】
以上のように、この実施の形態２によれば、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生部１１と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速部１３と、加速された直流電子ビームを偏向する電子ビーム偏向手段１４，２１とを備えた直流電子ビーム加速装置であって、電子ビーム偏向手段１４，２１は、上記電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段１４，２１と、第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と第２の電子ビーム偏向手段１４，２１との間に配設されて電子ビーム加速部１３の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生する第３の電子ビーム偏向手段２２ａ，２２ｂとからなることにより、電子ビーム加速部１３に低加速周波数の高周波電界を選択すること、例えば、５００ＭＨｚ程度の低加速周波数の高周波空洞を用いることができ、平均電流の大きな直流電子ビームの加速が可能となる。
また、マイクロトロン加速で必須とされていた「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速できる。さらに、電子ビーム加速手段での壁損失を低減することができ、この為電力効率を高くすることが可能となる。また、加速位相幅の広い直流電子ビームを加速することができる。
【００５５】
また、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生部１１と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速部１３と、電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段１４，２１と、第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と第２の電子ビーム偏向手段１４，２１との間に配設されて電子ビーム加速部１３の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生する第３の電子ビーム偏向手段２２ａ，２２ｂとを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、第１回目に電子ビーム加速手段１４，２１へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整して行い、第２回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４，２１との間の距離を調整して行い、第３回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と第２の電子ビーム偏向手段１４，２１との間の距離を調整して行い、第４回目以降に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第３の電子ビーム偏向手段２２ａ，２２ｂの磁場強度を変えることで、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速でき、加速位相幅（２０度程度）の広い直流電子ビームを加速することが可能となる。
【００５６】
実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２では、電子ビーム発生部１１から高周波電界に同期したＣＷビームが出射されるとしたが、この実施の形態３のように、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）の直流電子ビームを発生させてもよく、実施の形態１および実施の形態２と同様の作用効果を奏する。例えば、熱電子放出形式の電子銃の場合、３Ａ／ｃｍ2程度の直流電子ビームを発生させることが可能である。この実施の形態３では、半径２ｍｍ程度の直流電子ビームを想定しているので、電子銃からは、３８０ｍＡ程度のＤＣの直流電子ビームを取り出すことが可能である。
【００５７】
この実施の形態３では、加速位相幅は２０度程度（実施の形態１、２と同程度）を想定しているので、３８０ｍＡ×２０／３６０＝２１ｍＡ程度の平均電流の加速が可能である。例えば、５ＭｅＶまで加速した場合は、１０５ｋＷ程度の大強度の直流電子ビームを得ることが可能である。また、実施の形態１および実施の形態２のように、ＣＷの直流電子ビームの位相と高周波電界位相との調整も不要となる。但し、ＤＣの直流電子ビームとした場合には発生したＤＣの直流電子ビームの一部（２０／３６０程度）しか加速できないので効率が悪く、且つ、高出力の高圧電源が必要になる。また、電子銃の寿命も短くなるので、実施の形態１、２の方が望ましい。
【００５８】
実施の形態４．
実施の形態１および実施の形態２では、電子ビーム加速部１３に直流電子ビームを５回通過させて５ＭｅＶまで加速を行っているが、この実施の形態４のように、電子ビーム加速部１３に直流電子ビームを６回通過させて５ＭｅＶまで加速を行ってもよく、実施の形態１および実施の形態２と同様の作用効果を奏する。例えば、周波数５００ＭＨｚ、加速エネルギー５ＭｅＶ、セル数２、加速電圧０．８４ｋＷ、電子ビーム加速部１３に用いられている高周波空洞の通過数を６回としたとき、電子ビーム加速部１３での壁損失は４０ｋＷ程度となり、実施の形態１および実施の形態２と比較して、より電力効率の高い直流電子ビーム加速装置を実現することが可能となる。
【００５９】
第６回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、第４、５回目と同様に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相を次のように調整する。図１のような構成の場合、両電子ビーム偏向手段を構成している１４，１５，１６のうち、同極性の偏向電磁石１５，１６の磁場強度の比および偏向角を調整する。偏向角を調整するには、実施の形態１で第３の偏向電磁石１６における直流電子ビームの出口部分に二段の階段状１６ａ，１６ｂに形成している磁極形状を、この実施の形態４では、さらにもう一段追加して合計三段の階段状に形成している磁極形状にすることにより行う。また、図５のような構成の場合、位相シフター磁石２２ａ，２２ｂの磁場強度を変えることで、周長を調整する。
【００６０】
なお、直流電子ビームを６回通過させる必要があるので、電子ビーム偏向手段１４，１５，１６，２１，２２ａ，２２ｂの大きさが実施の形態１および実施の形態２の装置に比し、若干大きくなる。
また、直流電子ビームを７回以上通過させることが可能であれば、さらに電力効率が上がる。しかし、電子ビーム加速部１３の加速電圧を下げると、電子ビーム加速部通過途中で加速位相がずれ、減速位相となるので、限界がある。この限界は、入射エネルギーや、加速可能な電子ビームのエネルギー分散に依存する。
【００６１】
実施の形態５．
実施の形態１では、電子ビーム加速部１３に直流電子ビームを５回通過させて５ＭｅＶまで加速を行っているが、この実施の形態５では、電子ビーム加速部１３に直流電子ビームを６回通過させて電子を５ＭｅＶまで加速するＣＷの直流電子ビーム加速装置およびその直流電子ビーム加速方法を説明する。この実施の形態５では、加速電圧は０．９ＭＶ程度を想定しており、周波数５００ＭＨｚ付近の高周波電界を用いる。
【００６２】
図７は、この発明の実施の形態５である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図であり、より具体的には、該装置の直流電子ビームが加速される面（軌道平面）の概略構成を示す説明図である。図７において、図１と同じ符号は、同一または相当品を示し、その説明を省略する。
【００６３】
この実施の形態５では、電子ビーム偏向手段は、電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段（図７の右側に図示）と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段（図７の左側に図示）とから構成されている。
【００６４】
図１と図７との構成の違いは、第２の偏向電磁石１５および第３の偏向電磁石１６の配置構成が異なっていることである。この実施の形態５では、第２の偏向電磁石１５の磁場強度より、第３の偏向電磁石１６の磁場強度を弱くしている。このため、電子ビーム加速部１３と対向側の直流電子ビームの軌道１７とを、電子ビーム加速部１３側とほぼ平行に保つには第３の偏向電磁石１６内部の軌道長を長くする必要があり、図７の１５ａ，１５ｂに示すように、第２の偏向電磁石１５における直流電子ビームの出口部分が階段状に形成された磁極形状とし、第３の偏向電磁石１６を図７の１６ａに示すように、階段状に形成された磁極形状１５ｂより張り出させ、且つ、この張り出させた磁極形状１６ａ内における直流電子ビームの３ターン目を通過させる部位には第２の偏向電磁石１５ｃを設けている。左側と右側の直流電子ビーム偏向手段はほぼ同形状で、対称に配設されている。
【００６５】
なお、図７の１５ａ，１５ｂ，１６ａに示すように、階段状に形成された磁極形状は張り出しているが、パラメータによっては、第３の偏向電磁石１６内部の軌道長を短くする必要がある場合もあり、この場合には、第３の偏向電磁石１６における直流電子ビームの入口部分は階段状に形成された磁極形状１５ｂよりへこんだ磁極形状となる。
【００６６】
この実施の形態５における直流電子ビーム加速装置の高周波電源としては、例えばクライストロン電源、ＩＯＴなどを用いることができる。ＩＯＴを用いた場合、３０ｋＷのビームを得る為に必要な電力が少なくてすみ、電力効率は２５％を超える。ここで電力効率とは発生する電子ビームのパワーを必要な電力で割った値と定義した。また、１００ｋＷの電子ビームの場合の電力効率は５０％程度という従来の加速器では考えられない高電力効率の加速器が実現できる。図８に５ＭｅＶまでビームを加速した場合の電子ビームパワーと電力効率の関係を示す。
【００６７】
この実施の形態５は、以下のように電子ビーム加速部１３を通過する直流電子ビームの加速位相の調整を行う。なお、電子ビーム加速部１３へ入射するビームの加速位相の最適値は周回毎に異なるので、以下のようなステップで周回毎に周長を制御する。
【００６８】
（ａ）第１回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整する。
（ｂ）第２回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６との間の距離を調整する。
【００６９】
（ｃ）第４回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６と第２の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６との間の距離を調整する。
（ｄ）第３回目、第５回目、第６回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム偏向手段における同極性の偏向電磁石の磁場強度の比（第２の偏向電磁石１５と第３の偏向電磁石１６との磁場強度の比）および偏向角を調整することで周長を調整する。
【００７０】
なお、上記（ｃ）の方法で調整するのは、第４回目に限られているのではなく、第４回目以降の所定の周回目に上記（ｃ）の方法で調整してもよい。例えば、上記（ｃ）の方法を第５回目に調整する場合は、第３回目以降の上記（ｃ）の方法で調整する周回目を除く周回目に、例えば、第３回目、第４回目、第６回目に上記（ｄ）の方法で調整してもよい。どの周回の位相を上記（ｃ）の方法で調整するかは、電子ビーム加速部１３の電磁界分布により異なる。パラメータの可変範囲が広がり、より加速位相幅の広い電子ビームの加速が可能となるものを選択する。
【００７１】
直流電子ビームの上記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）による加速位相の調整は、直流電子ビームのタイミングの調整と、電子ビーム発生部１１、電子ビーム加速部１３、電子ビーム偏向手段１４，１５，１６の配設位置の調整とで行うので、実現可能である。
直流電子ビームの上記（ｄ）による加速位相の調整が可能かどうかについて、コンピュータシミュレーションにより検討した結果を以下に説明する。
【００７２】
図７の直流電子ビームの軌道１７は、ビームシミュレーションの結果得られたビームの加速軌道の一例であり、例えば、３，５，６ターン目の直流電子ビームの加速位相を、この発明の電子ビーム偏向手段を採用しなかったときの加速位相から、５５度ずらしたときの直流電子ビームの中心軌道のシミュレーション結果を示している。電子ビーム加速部１３の外側を通過する３，４，５，６ターン目の直流電子ビーム１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの軌道のターンセパレーションが大きくなっている。直流電子ビーム１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの軌道のターンセパレーションが大きい。即ち、ターン間距離は磁石分割部分で１０ｃｍ以上あり、電磁石の磁極間ギャップを変えた電磁石を作成することにより、実現可能である。
【００７３】
以上のように、この実施の形態５による直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法によれば、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生部１１と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速部１３と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６とを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、第１回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整して行い、第２回目に上記電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４との間の距離を調整して行い、第４回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、第１の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６と第２の電子ビーム偏向手段１４，１５，１６との間の距離を調整して行い、第３、５、６回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相は、両電子ビーム偏向手段１４，１５，１６の同極性の偏向電磁石１５，１６の磁場強度の比および偏向角を調整して行うようにすることにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた、「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速することができ、また、加速位相幅（３０度程度）の広い直流電子ビームを加速することが可能となり、大電流加速が可能となる。さらに、電子ビーム加速手段と対向側の直流電子ビームの軌道を、電子ビーム加速手段側とほぼ平行に保つことができる。
なお、実施の形態５の直流電子ビーム加速装置は、実施の形態１の直流電子ビーム加速装置と同様の作用効果を奏する。
【００７４】
実施の形態６．
この実施の形態６では、電子ビーム加速部１３に直流電子ビームを５回通過させて電子を５ＭｅＶまで加速するＣＷの直流電子ビーム加速装置および直流電子ビーム加速方法を説明する。この実施の形態６では、加速電圧は１．０ＭＶ程度を想定しており、周波数５００ＭＨｚ付近の高周波電界を用いる。
【００７５】
図９は、この発明の実施の形態６である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図であり、より具体的には、該装置の直流電子ビームが加速される面（軌道平面）の概略構成を示す説明図である。図９において、図５と同じ符号は、同一または相当品を示し、その説明を省略する。
【００７６】
この実施の形態６では、電子ビーム偏向手段は、電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段（図９の右側に図示）と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段（図９の左側に図示）と、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間に配設され、電子ビーム加速部１３の対向側の直線部に設けられた第３の電子ビーム偏向手段である位相シフター磁石２２ａ，２２ｂとから構成されている。
【００７７】
図５と図９との構成の違いは、位相シフター磁石２２ａ，２２ｂの配置構成が異なっていることである。図９の場合には、加速位相を調整するために設けられた位相シフター磁石２２ａ，２２ｂに２極の磁場を発生させて、直流電子ビームの３ターン目の軌道１７ａと５ターン目の軌道１７ｃの周長を調整している。
【００７８】
電子ビーム発生部１１で直流電子ビームを発生させ、逆偏向電磁石１４、主偏向電磁石２１および位相シフター磁石２２ａ，２２ｂにより、直流電子ビームの軌道１７を形成させている。直流電子ビームの軌道１７は、電子ビーム加速部１３の位置でほぼ同一軌道となるように、逆偏向電磁石１４、主偏向電磁石２１および位相シフター磁石２２ａ，２２ｂのパラメータが調整されている。逆偏向電磁石１４は、１回目に通過した直流電子ビームを再度同じ軌道上で逆向きの軌道にする働きをするとともに、周回する直流電子ビームのサイズを所定の範囲内に保つ働きをする。直流電子ビームは、電子ビーム加速部１３を５回通過した後、電子ビーム加速装置外へ取り出される。
【００７９】
直流電子ビームの加速は、電子ビーム加速部１３で行い、その加速周波数やパラメータの選択は実施の形態１と同様である。この実施の形態６では、加速位相を調整するために設けられた位相シフター磁石２２ａ，２２ｂに、２極の磁場を発生させて、直流電子ビームの３ターン目の軌道１７ａと５ターン目の軌道１７ｃの周長を調整している。位相シフター磁石２２ａ，２２ｂにおいて、該軌道１７ａ，１７ｃが通過する部位に、２極の磁場を発生させるように励磁されている。なお、ここでは、２極の磁場が支配的な位相シフター磁石を示しているが、２極の磁場に加え４極の磁場成分を若干有する位相シフター磁石でもよい。
【００８０】
以下のように電子ビーム加速部１３を通過する直流電子ビームの加速位相の調整を行う。なお、電子ビーム加速部１３へ入射するビームの加速位相の最適値は周回毎に異なるので、以下のようなステップで周回毎に周長を制御する。
（ａ）第１回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整する。
（ｂ）第２回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４，２１との間の距離を調整する。
【００８１】
（ｃ）第４回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：第１の電子ビーム偏向手段１４、２１と第２の電子ビーム偏向手段１４、２１との間の距離を調整する。
（ｄ）第３、５回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビーム：位相シフター磁石２２ａ，２２ｂの磁場強度を変えることで、個々のターンの周長を調整する。
【００８２】
なお、上記（ｃ）の方法で調整するのは、第４回目に限られているのではなく、第４回目以降の所定の周回目に上記（ｃ）の方法で調整してもよい。例えば、上記（ｃ）の方法の方法を第５回目に調整する場合は、第３回目以降の上記（ｃ）の方法で調整する周回目を除く周回目に、例えば、第３回目、第４回目に上記（ｄ）の方法で調整してもよい。どの周回の位相を上記（ｃ）の方法で調整するかは、１３の電子ビーム加速部の電磁界分布により異なる。パラメータの可変範囲が広がり、より加速位相幅の広い電子ビームの加速が可能となるものを選択する。
【００８３】
この実施の形態６では、逆偏向電磁石１４で直流電子ビームを外側に蹴り、位相シフター磁石２２ａ，２２ｂで内側に蹴ることにより、直流電子ビームの軌道を形成させている。
図９の直流電子ビームの軌道１７は、ビームシミュレーションの結果得られた加速軌道の一例である。
【００８４】
以上のように、この実施の形態６によれば、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生部１１と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速部１３と、電子ビーム加速部１３の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と、電子ビーム発生部１１が配設された側で電子ビーム加速部１３の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段１４，２１と、第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と第２の電子ビーム偏向手段１４，２１との間に配設されて電子ビーム加速部１３の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生する第３の電子ビーム偏向手段２２ａ，２２ｂとを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、第１回目に電子ビーム加速手段１４，２１へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム発生部１１の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速部１３の加速電界の位相との差を調整して行い、第２回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム加速部１３と第１の電子ビーム偏向手段１４，２１との間の距離を調整して行い、第４回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第１の電子ビーム偏向手段１４，２１と第２の電子ビーム偏向手段１４，２１との間の距離を調整して行い、第３回目、第５回目に電子ビーム加速部１３へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第３の電子ビーム偏向手段２２ａ，２２ｂの磁場強度を変えることで、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた、「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速することができ、また、加速位相幅（３０度程度）の広い直流電子ビームを加速することが可能となり、大電流加速が可能となる。さらに、電子ビーム加速手段と対向側の直流電子ビームの軌道を、電子ビーム加速手段側とほぼ平行に保つことができる。
なお、実施の形態６の直流電子ビーム加速装置は、実施の形態２の直流電子ビーム加速装置と同様の作用効果を奏する。
【００８５】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００８６】
この発明の第１の局面における請求項１の直流電子ビーム加速装置では、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置であって、両電子ビーム偏向手段は、それぞれ、一方の面が上記電子ビーム加速手段の側面側に対向して設けられた第１の偏向電磁石と、この第１の偏向電磁石の他方の面に対向し、分割して設けられた第２の偏向電磁石および第３の偏向電磁石とから構成され、第１の偏向電磁石が、第２の偏向電磁石および第３の偏向電磁石とは極性が異なる逆偏向電磁石からなり、第２の偏向電磁石が第３の偏向電磁石とは極性が同じで、第３の偏向電磁石とは異なる第１の磁場強度を有しており、第３の偏向電磁石が第２の偏向電磁石とは極性が同じで、第２の偏向電磁石とは異なる第２の磁場強度を有することにより、電子ビーム加速手段に低加速周波数の高周波電界を選択することができ、このため、平均電流の大きな直流電子ビームの加速が可能となる。
【００８７】
また、この発明の請求項２の直流電子ビーム加速装置では、第２の偏向電磁石および第３の偏向電磁石の第１の偏向電磁石と対向する面が階段状に形成された磁極形状とすることにより、電子ビーム加速手段と対向側の直流電子ビームの軌道を、電子ビーム加速手段側とほぼ平行に保つことができる。
【００８８】
また、この発明の請求項３の直流電子ビーム加速装置では、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、加速された直流電子ビームを偏向する電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置であって、電子ビーム偏向手段は、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段と、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間に配設されて電子ビーム加速手段の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生し、該磁場を通る電子ビームの周回軌道長を調整する第３の電子ビーム偏向手段とからなることにより、電子ビーム加速手段に低加速周波数の高周波電界を選択することができ、このため、平均電流の大きな直流電子ビームの加速が可能となる。
【００８９】
また、この発明の第２の局面における請求項４の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法では、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、（ａ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム発生手段の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速手段の加速電界の位相との差を調整して行うステップと、（ｂ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム加速手段と第１の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｃ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｄ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、両電子ビーム偏向手段に設けられた同極性の偏向電磁石における磁場強度の比および偏向角を調整して行うステップとを備えることにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた、「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速することができる。
【００９０】
また、この発明の請求項５の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法では、（ａ）のステップを第１回目に行い、（ｂ）のステップを第２回目に行い、（ｃ）のステップを第３回目に行い、（ｄ）のステップを第４回目以降に行うことにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速できる。
【００９１】
また、この発明の請求項６の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法では、（ａ）のステップを第１回目に行い、上記（ｂ）のステップを第２回目に行い、上記（ｃ）のステップを第４回目以降の所定の周回目に行い、上記（ｄ）のステップを第３回目以降の上記（ｃ）のステップで行う周回目を除く周回目に行うことにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速できる。
【００９２】
また、この発明の請求項７の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法では、直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、電子ビーム発生手段が配設された側で電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段と、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間に配設されて電子ビーム加速手段の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生する第３の電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、（ａ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム発生手段の直流電子ビームの位相と電子ビーム加速手段の加速電界の位相との差を調整して行うステップと、（ｂ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、電子ビーム加速手段と第１の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｃ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第１の電子ビーム偏向手段と第２の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、（ｄ）電子ビーム加速手段へ入射する直流電子ビームの加速位相を、第３の電子ビーム偏向手段の磁場強度を変えることで、各周回の周長を調整して行うステップとを備えることにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速できる。
【００９３】
また、この発明の請求項８の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法では、（ａ）のステップを第１回目に行い、（ｂ）のステップを第２回目に行い、（ｃ）のステップを第３回目に行い、そして、（ｄ）のステップを第４回目以降に行うことにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた、「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速することができる。
【００９４】
また、この発明の請求項９の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法は、（ａ）のステップを第１回目に行い、（ｂ）のステップを第２回目に行い、（ｃ）のステップを第４回目以降の所定の周回目に行い、（ｄ）のステップを第３回目以降の（ｃ）のステップで行う周回目を除く周回目に行うことにより、周回毎の直流電子ビームの加速位相を調整することができる。このため、マイクロトロン加速で必須とされていた、「周回毎のエネルギーゲインが電子の静止エネルギーのほぼ整数倍でなくてはならない」という条件を満たさなくても直流電子ビームを加速することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】 第２の偏向電磁石と第３の偏向電磁石との磁場強度の相対比と軌道長の差のビームシミュレーション結果を示す説明図である。
【図３】 第２の偏向電磁石と第３の偏向電磁石との磁場強度の相対比と加速位相調整範囲のビームシミュレーション結果を示す説明図である。
【図４】 図１の直流電子ビーム加速装置の出射位置における電子ビームのエネルギースペクトルの計算結果を示す説明図である。
【図５】 実施の形態２である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図である。
【図６】 図５の位相シフター磁石の磁場強度と加速位相調整範囲のビームシミュレーション結果を示す説明図である。
【図７】 この発明の実施の形態５である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図である。
【図８】 図７の直流電子ビーム加速装置に５ＭｅＶまでビームを加速した場合の電子ビームパワーと電力効率の関係を示す説明図である。
【図９】 この発明の実施の形態６である直流電子ビーム加速装置の概略構成を示す説明図である。
【図１０】 従来の電子ビーム加速装置の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１１ 電子ビーム発生部
１２ 電子ビーム入射部
１３ 電子ビーム加速部
１４ 第１の偏向電磁石
１５ 第２の偏向電磁石
１６ 第３の偏向電磁石
２１ 主偏向電磁石
２２ 位相シフター磁石
Claims (9)
- 直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、上記直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、上記電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された上記直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、上記電子ビーム発生手段が配設された側で上記電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された上記直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置であって、
上記両電子ビーム偏向手段は、それぞれ、一方の面が上記電子ビーム加速手段の側面側に対向して設けられた第１の偏向電磁石と、この第１の偏向電磁石の他方の面に対向し、分割して設けられた第２の偏向電磁石および第３の偏向電磁石とから構成され、
上記第１の偏向電磁石が、上記第２の偏向電磁石および上記第３の偏向電磁石とは極性が異なる逆偏向電磁石からなり、
上記第２の偏向電磁石が上記第３の偏向電磁石とは極性が同じで、上記第３の偏向電磁石とは異なる第１の磁場強度を有しており、
上記第３の偏向電磁石が上記第２の偏向電磁石とは極性が同じで、上記第２の偏向電磁石とは異なる第２の磁場強度を有する
ことを特徴とする直流電子ビーム加速装置。 - 上記第２の偏向電磁石および上記第３の偏向電磁石の上記第１の偏向電磁石と対向する面が階段状に形成された磁極形状とすることを特徴とする請求項１記載の直流電子ビーム加速装置。
- 直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、上記直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、上記加速された直流電子ビームを偏向する電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置であって、
上記電子ビーム偏向手段は、上記電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された上記直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、上記電子ビーム発生手段が配設された側で上記電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された上記直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段と、
上記第１の電子ビーム偏向手段と上記第２の電子ビーム偏向手段との間に配設されて上記電子ビーム加速手段の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生し、該磁場を通る電子ビームの周回軌道長を調整する第３の電子ビーム偏向手段と
からなることを特徴とする直流電子ビーム加速装置。 - 直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、上記直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、上記電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された上記直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、上記電子ビーム発生手段が配設された側で上記電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された上記直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、
（ａ）上記電子ビーム加速手段へ入射する上記直流電子ビームの加速位相を、上記電子ビーム発生手段の直流電子ビームの位相と上記電子ビーム加速手段の加速電界の位相との差を調整して行うステップと、
（ｂ）上記電子ビーム加速手段へ入射する上記直流電子ビームの加速位相を、上記電子ビーム加速手段と上記第１の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、
（ｃ）上記電子ビーム加速手段へ入射する上記直流電子ビームの加速位相を、上記第１の電子ビーム偏向手段と上記第２の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、
（ｄ）上記電子ビーム加速手段へ入射する上記直流電子ビームの加速位相を、上記両電子ビーム偏向手段に設けられた同極性の偏向電磁石における磁場強度の比および偏向角を調整して行うステップと
を備えることを特徴とする直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法。 - 上記（ａ）のステップを第１回目に行い、上記（ｂ）のステップを第２回目に行い、上記（ｃ）のステップを第３回目に行い、上記（ｄ）のステップを第４回目以降に行うことを特徴とする請求項４記載の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法。
- 上記（ａ）のステップを第１回目に行い、上記（ｂ）のステップを第２回目に行い、上記（ｃ）のステップを第４回目以降の所定の周回目に行い、上記（ｄ）のステップを第３回目以降の上記（ｃ）のステップで行う周回目を除く周回目に行うことを特徴とする請求項４記載の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法。
- 直流電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、上記直流電子ビームの加速を行う電子ビーム加速手段と、上記電子ビーム加速手段の一端に近接して設けられ、加速された上記直流電子ビームを偏向する第１の電子ビーム偏向手段と、上記電子ビーム発生手段が配設された側で上記電子ビーム加速手段の他端に近接して設けられ、加速された上記直流電子ビームを偏向する第２の電子ビーム偏向手段と、上記第１の電子ビーム偏向手段と上記第２の電子ビーム偏向手段との間に配設されて上記電子ビーム加速手段の対向側の直線部に設けられ、２極の磁場を発生する第３の電子ビーム偏向手段とを備えた直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法であって、
（ａ）上記電子ビーム加速手段へ入射する上記直流電子ビームの加速位相を、上記電子ビーム発生手段の直流電子ビームの位相と上記電子ビーム加速手段の加速電界の位相との差を調整して行うステップと、
（ｂ）上記電子ビーム加速手段へ入射する上記直流電子ビームの加速位相を、上記電子ビーム加速手段と上記第１の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、
（ｃ）上記電子ビーム加速手段へ入射する上記直流電子ビームの加速位相を、上記第１の電子ビーム偏向手段と上記第２の電子ビーム偏向手段との間の距離を調整して行うステップと、
（ｄ）上記電子ビーム加速手段へ入射する上記直流電子ビームの加速位相を、上記第３の電子ビーム偏向手段の磁場強度を変えることで、各周回の周長を調整して行うステップと
を備えることを特徴とする直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法。 - 上記（ａ）のステップを第１回目に行い、上記（ｂ）のステップを第２回目に行い、上記（ｃ）のステップを第３回目に行い、上記（ｄ）のステップを第４回目以降に行うことを特徴とする請求項７記載の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法。
- 上記（ａ）のステップを第１回目に行い、上記（ｂ）のステップを第２回目に行い、上記（ｃ）のステップを第４回目以降の所定の周回目に行い、上記（ｄ）のステップを第３回目以降の上記（ｃ）のステップで行う周回目を除く周回目に行うことを特徴とする請求項７記載の直流電子ビーム加速装置の直流電子ビーム加速方法。
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