特許 6887268 荷電粒子加速装置、荷電粒子銃、および荷電粒子を加速する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6887268

(24)【登録日】2021年5月20日

(45)【発行日】2021年6月16日

(54)【発明の名称】荷電粒子加速装置、荷電粒子銃、および荷電粒子を加速する方法

(51)【国際特許分類】

   H05H 15/00 20060101AFI20210603BHJP

   H01J 37/06 20060101ALI20210603BHJP

【ＦＩ】

   H05H15/00

   H01J37/06 Z

【請求項の数】20

【外国語出願】

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2017-45941(P2017-45941)

(22)【出願日】2017年3月10日

(65)【公開番号】特開2017-162813(P2017-162813A)

(43)【公開日】2017年9月14日

【審査請求日】2020年1月10日

(31)【優先権主張番号】16000590.6

(32)【優先日】2016年3月11日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】517099270

【氏名又は名称】ドイチェス エレクトローネン−シンクロトロン デズィ

【氏名又は名称原語表記】Ｄｅｕｔｓｃｈｅｓ Ｅｌｅｋｔｒｏｎｅｎ−Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ ＤＥＳＹ

(74)【代理人】

【識別番号】100105360

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 光治

(74)【代理人】

【識別番号】100145023

【弁理士】

【氏名又は名称】川本 学

(72)【発明者】

【氏名】アーヤ ファラーヒ

(72)【発明者】

【氏名】フランツ クサヴェル ケルトナー

【審査官】 中尾 太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２３８４３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０１４５４０４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 韓国公開特許第２００３−００１２７８１（ＫＲ，Ａ）

【文献】 Loyd-Hughes J.，Coupling terahertz radiation between sub-wavelength metal-metal waveguides and free space using monolithically integrated horn antennae，OPTICS EXPRESS，米国，OSA，２００９年 ９月２５日，VOL.17, No.20，pp. 18387-18393

【文献】 Nanni E.A. et al.，Terahertz-driven linear electron acceleration，nature COMMUNICATIONS，英国，Nature，２０１５年１０月 ６日，DOI:10.1038/ncomms9486

【文献】 Shutler A.J. et al.，Gap independent coupling into parallel plate terahertz waveguides using cylindrical horn antennas，Journal of Applied Physics，米国，American Institute of Physic，２０１２年１０月 １日，112, 073102，pp. 1-5

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｈ １５／００

Ｈ０１Ｊ ３７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷電粒子（２）をパルス状放射で加速するよう構成された加速装置（１００）であって、
− 入力開孔（１２）、導電性壁部（１３）および出力開孔（１４）を有し、かつ前記パルス状放射を前記入力開孔（１２）で受け取って前記パルス状放射を前記出力開孔（１４）に向けて縦ビーム方向に沿って集束させるよう構成された、少なくとも１つのホーン型結合器（１１、１５）、を備えるホーン状結合装置（１０）と、
− 前記少なくとも１つのホーン型結合器（１１、１５）の前記出力開孔（１４）に結合され、前記集束されたパルス状放射を受け取るよう構成された、導波路デバイス（２０）と、
を含み、
− 前記導波路デバイス（２０）は、一束の荷電粒子（２）を供給するよう、および前記パルス状放射によって前記荷電粒子（２）を加速させるよう構成された注入部（２１）を含み、
− 前記導波路デバイス（２０）は、前記加速された荷電粒子（２）を粒子加速方向に沿って放出するよう前記注入部（２１）に配置された側方出力ポート（２３）を含み、
特徴として、
− 前記少なくとも１つのホーン型結合器（１１、１５）は、広帯域周波数スペクトルを含み直線偏光された平面波として整形された直線偏光された単一サイクル・パルス（１）を受け取り、前記直線偏光された単一サイクル・パルス（１）を集束させるよう、適合化され、
− 前記導波路デバイス（２０）は非共振広帯域透過特性を有するものである、
加速装置。

【請求項2】

前記少なくとも１つのホーン型結合器（１１、１５）は、入力開孔サイズと、縦の長さと、ホーン角度と、前記単一サイクル・パルス（１）を集束させるよう適合化された出力開孔サイズとを有し、
前記ホーン型結合器（１１、１５）の前記入力開孔（１２）は、前記パルス状放射の中心波長より長い辺長を有する長方形状を有し、前記ホーン型結合器（１１、１５）の前記出力開孔は、前記パルス状放射の中心波長の半分の辺長を有する長方形状を有し、前記壁部（１３）は、入来する前記パルス状放射の全角度拡がりに近似するホーン角度を有するものである、
請求項１に記載の加速装置。

【請求項3】

前記導波路デバイス（２０）は、前記少なくとも１つのホーン型結合器（１１、１５）の前記出力開孔と前記注入部（２１）の間に伸びるパルス案内部（２４）を有し、
前記パルス案内部（２４）は、
− 前記パルス案内部（２４）が、前記パルス状放射の中心波長の一部分に等しくなるよう選択された長さ（Ｌ）を有する、
− 前記パルス案内部（２４）および前記注入部（２１）が、前記単一サイクル・パルス（１）の減速サイクル区間の到達前に前記荷電粒子（２）が前記注入部（２１）から脱出することができるように選択された断面寸法（ｄ）を有する、および
− 前記パルス案内部（２４）が誘電材料を少なくとも部分的に含む内部空間を有する、
という特徴の中の少なくとも１つの特徴を有するものである、
請求項１または２に記載の加速装置。

【請求項4】

前記少なくとも１つのホーン型結合器（１１、１５）は、前記縦ビーム方向に垂直で前記粒子加速方向に平行な第１の集束方向に従って前記直線偏光された単一サイクル・パルス（１）を集束するよう適合化されているものである、請求項１乃至３のいずれかに記載の加速装置。

【請求項5】

前記少なくとも１つのホーン型結合器（１１、１５）は、前記第１の集束方向および前記縦ビーム方向に垂直な第２の集束方向に従って前記単一サイクル・パルスを追加的に集束するよう適合化されているものである、請求項４に記載の加速装置。

【請求項6】

前記導波路デバイス（２０）の内部空間は、前記直線偏光された単一サイクル・パルス（１）の波面を、前記粒子加速方向に沿って加速された前記荷電粒子（２）の移動に整合させるよう構成された波面整形構造体（４０）を含むものである、請求項１乃至５のいずれかに記載の加速装置。

【請求項7】

前記波面整形構造体（４０）は、間に誘電体層（４１）を有する複数の支持層（４２）の積層体を含み、
前記誘電体層（４１）の厚さおよび充填率は、前記直線偏光された単一サイクル・パルス（１）の波面の側部の到達時間が、前記粒子加速方向に沿った前記加速された荷電粒子（２）の位置に整合するように、選択されるものである、
請求項６に記載の加速装置。

【請求項8】

さらに、前記導波路デバイス（２０）とは反対の関係で前記注入部（２１）に配置された反射器装置（３０）を含む、請求項１乃至７のいずれかに記載の加速装置。

【請求項9】

前記反射器装置（３０）は、
− 前記反射器装置（３０）が、前記パルス状放射の中心波長の４分の１に等しい前記注入部（２１）からの反射器距離を有する、および
− 前記反射器装置（３０）がホーン形状を有する、
という特徴の中の少なくとも１つの特徴を有するものである、請求項８に記載の加速装置。

【請求項10】

前記ホーン状結合装置（１０）は、前記導波路デバイス（２０）に結合された第１のホーン型結合器（１１）と、前記注入部（２１）に対して前記第１のホーン型結合器（１１）とは反対の関係で前記導波路デバイス（２０）に結合された第２のホーン型結合器（１５）とを含むものである、請求項１乃至７のいずれかに記載の加速装置。

【請求項11】

光波長より長い、特にテラヘルツまたはＲＦの波長の範囲の、波長を有する前記パルス状放射で前記荷電粒子（２）を加速するよう構成された、請求項１乃至１０のいずれかに記載の加速装置。

【請求項12】

− 一連の直線偏光された単一サイクル・パルス（１）を供給するよう構成された単一サイクル・パルス源装置（２１０）と、
− 前記一連の単一サイクル・パルス（１）を受け取るよう配置された、請求項１乃至１１のいずれかに記載の加速装置（１００）と、
− 前記加速装置（１００）の前記注入部（２１）で加速される荷電粒子（２）を供給するよう構成された粒子源装置（２２０）と、
を含む、荷電粒子銃（２００）。

【請求項13】

前記単一サイクル・パルス源装置（２１０）は、前記一連の単一サイクル・パルスの全てが等しいキャリア包絡線位相（ＣＥＰ）を有するように前記一連の単一サイクル・パルス（１）を供給するよう構成されたものである、請求項１２に記載の荷電粒子銃（２００）。

【請求項14】

さらに、前記単一サイクル・パルス源装置（２１０）と前記粒子源装置（２２０）を同期化するよう構成された同期化装置（２３０）を含む、請求項１２または１３に記載の荷電粒子銃（２００）。

【請求項15】

前記粒子源装置（２２０）は、前記注入部（２１）に存在する光電陰極電子源（２２１）と、光放出レーザ源（２２２）とを含むものである、請求項１２乃至１４のいずれかに記載の荷電粒子銃（２００）。

【請求項16】

請求項１乃至１１のいずれかに記載の加速装置を用いて荷電粒子を加速する方法であって、
− 前記導波路デバイス（２０）の前記注入部（２１）に少なくとも１つの集束された直線偏光された単一サイクル・パルス（１）を供給する工程と、
− 前記注入部（２１）に少なくとも１束の荷電粒子（２）を供給する工程と、
− 前記少なくとも１つの集束された単一サイクル・パルス（１）の前縁の効果によって前記少なくとも１束の荷電粒子（２）を加速させる工程と、
を含む、方法。

【請求項17】

前記少なくとも１つの直線偏光された単一サイクル・パルス（１）を、回折限界によって定まる点状の集束領域に集束させる工程を含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記少なくとも１つの直線偏光された単一サイクル・パルス（１）を、前記注入部（２１）において前記直線偏光された単一サイクル・パルスの反射部分に重畳させる工程を含む、請求項１６または１７に記載の方法。

【請求項19】

前記少なくとも１つの直線偏光された単一サイクル・パルス（１）を、回折限界より大きい直径を有する集束領域に集束させる工程を含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項20】

前記少なくとも１つの直線偏光された単一サイクル・パルス（１）に波面整形を施す工程を含む、請求項１９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パルス状放射、好ましくはテラヘルツ（ＴＨｚ）または無線周波数（ＲＦ）の波長範囲のパルス状放射で荷電粒子を加速するよう構成された加速装置（accelerator apparatus）、特に、ホーン状（horn-shaped）結合装置および粒子注入部を有する導波路デバイス（装置）を含む加速装置に関する。さらに、本発明は、その加速装置を含む荷電粒子銃に関し、また例えば電子または陽子のような荷電粒子を加速する方法に関する。

【0002】

本発明の適用例は、例えばＸ線源に含まれるまたは電子回折画像化用の、コンパクトな粒子加速器の技術分野において利用可能である。

【背景技術】

【0003】

本発明の背景を説明するために、特に次の刊行物を参照する。
［１］E. A. Nanni et al. in "Nature Communications" 6, 696 (2015)、
［２］L. J. Wong et al.in "Optics Express" 21, 9792-9806 (2013)、
［３］R. Yoder et al. in "Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams" 8, 111301 (20051)、
［４］E. A. Nanni et al. in "Proceedings of IPAC2014", Dresden, Germany, WEOAB03, ISBN 978-3-95450-132-8, p.1896、
［５］欧州特許出願第１５００１３０３．５号（本明細書の優先日に発行されなかったもの)、および
［６］S.-W. Huang, et al., Opt. Lett. 38 (2013) 796-798。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】欧州特許出願第１５００１３０３．５号

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】E. A. Nanni et al. in "Nature Communications" 6, 696 (2015)

【非特許文献2】L. J. Wong et al.in "Optics Express" 21, 9792-9806 (2013)

【非特許文献3】R. Yoder et al. in "Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams" 8, 111301 (20051)

【非特許文献4】E. A. Nanni et al. in "Proceedings of IPAC2014", Dresden, Germany, WEOAB03, ISBN 978-3-95450-132-8, p.1896

【非特許文献5】S.-W. Huang, et al., Opt. Lett. 38 (2013) 796-798

【発明の開示】

【0006】

電界を使用する電子加速の種々の思想が一般的に知られており、例えば、静電ポテンシャル（電位）に基づくもの（コッククロフト・ウォルトン型（Cockcroft-Walton）加速器、ヴァンデグラフ型（Van de Graaff）加速器）またはマイクロ波またはミリメートル波発振フィールド（電界、電磁界）に基づくもの（サイクロトロン、ベータトロンおよびシンクロトロンのような円形粒子加速器（circular particle accelerators）、またはリニアック（linac：ライナック）のような線形粒子加速器（linear particle accelerators））が知られている。これらのシステムは、強力な加速能力を有する高度開発技術を表すが、効率、サイズ（大きさ）および操作の複雑さの点でかなりの欠点を有し、その結果として、例えば基礎および応用科学の研究において、適用例が限定される。しかし、より効率的でコンパクトな（小型の）装置に関心が集まっている。

【0007】

超高速技術における最近の開発は、例えば誘電体レーザ加速（DLA）、レーザ駆動プラズマ加速（LPA）およびレーザ航跡場（wake-field）加速（LWFA）に基づく、コンパクトな電子加速器の開発に影響を与えてきた。これらの加速器は、粒子加速用の高パワー（出力）レーザを用いて生成された強い光場（optical field）を使用する。赤外線（IR）レーザの高動作周波数および利用可能な高電界は、例えばチャープ・パルス増幅に基づいて、小型の加速器の実現に有望なこの範囲の電磁スペクトルを形成する。しかし、光パルスに基づく加速機構は、短光波長によって生じる困難な問題を伴う。

【0008】

超高速技術における別の有望な進歩は、光整流（optical rectification）を用いた単一サイクル（周期）テラヘルツ・パルス源（供給源）の開発である。結果として得られた高パワー・テラヘルツ・パルスはコンパクトな加速器の開発にも使用できる（文献［１］〜［５］）。直接的な光学的加速と比較したとき、その利点は、より長い波長と、一束（bunch）当り電荷量における制限の緩和とである。文献［４］および［５］によれば、径偏波（radially polarized：径偏光）テラヘルツ・パルスは、中心装荷の誘電体ホーンを用いて導波路中に結合される。しかし、これらの技術は、使用される導波路が、テラヘルツ・パルスのみの中心周波数に対して共振する単一モード導波路なので、限界を有する。従って、提案された構造は、超短パルスの領域には適していない。より正確には、進行波キャビティ（空洞、空洞共振器）および導波路には、それらの固有の共振動作に起因して、少なくとも１０乃至５０サイクルのパルスを供給する必要がある。

【0009】

電子加速は、特にコンパクトなＸ線源の電子銃において必要とされる。例えばＸ線分光および画像化における自由電子レーザ（ＦＥＬ）のような入手可能な硬（ハード）Ｘ線源に代わるコンパクトなＸ線源の必要性を考慮すると、コンパクトな電子加速器および電子銃に対する特別なニーズ（必要性）が存在する。過去１０年間で、小さい電子銃を開発しようとする試みは、主に装置（デバイス）の動作周波数を増大させることに集中していた。これにより、より短い波長で機能するより小さい構造が得られるようになる。その構造の損傷閾値は、電子銃の小型化を妨げる主な障害であった。より短いパルス、即ち広帯域励起が使用されるとき、この制限が大きく緩和されることが観測された。しかし、通常の電子銃は、超短パルスに基づいて動作することができなかった。この難点は、短いパルスに基づく電子加速のための新しい構想（schemes）の展開の必要性を喚起する。

【0010】

本発明の目的は、通常の技術の欠点を回避することができる、特にテラヘルツまたは無線周波数（ＲＦ）の波長範囲の、電磁波パルス放射（エネルギ、光、線）で、荷電粒子を加速するよう構成された改良された加速装置を実現することである。特に、本発明の目的は、効率および広帯域動作能力を向上させた加速装置を実現することである。さらに、本発明の目的は、加速装置を含む改良された荷電粒子銃、特に低減されたサイズを有する（小型化された）改良された荷電粒子銃、および荷電粒子を加速する改良された方法を実現することである。

【0011】

これらの目的は、独立請求項の特徴をそれぞれ含む、加速装置、荷電粒子銃および加速方法によって達成（解決）される。本発明の好ましい実施形態および適用例が従属請求項に記載されている。

【0012】

発明の概要
本発明の第１の概略的な態様または特徴によれば、上述の目的（課題）は、粒子注入部を含む導波路デバイスおよびホーン状結合装置を含む、パルス状放射、特にテラヘルツまたは無線周波数（ＲＦ）の波長範囲のパルス放射を用いて荷電粒子を加速するよう構成された加速装置によって達成（解決）される。ホーン状結合装置は、少なくとも１つのホーン型結合器（ホーン・カプラ）（ホーン受信アンテナ）、好ましくは１つまたは２つのホーン型結合器を含み、それぞれ入力開孔（アパーチャ）、導電性の、好ましくは金属製の壁部、および出力開孔を有する。少なくとも１つのホーン型結合器は、入力開孔でパルス状放射を入力結合し、パルス状放射を縦（長手方向）のビーム方向に沿って出力開孔に向けて集束するよう適合化される。

【0013】

集束または焦点合わせは、パルス状放射のパワー（出力）に応じて調整される。低パワーのパルス状放射、特に、１００μJ未満、好ましくは２０μJ未満のエネルギを有する単一サイクル・テラヘルツ・パルス状放射、または１０ｍＪ未満、好ましくは２ｍＪ未満のエネルギを有する単一サイクルＲＦパルス状放射で、回折限界までの集束が実現される。従って、テラヘルツ・パルス状放射に関して５００μｍ乃至２ｍｍの範囲の直径、およびＲＦパルス状放射に関して５ｃｍ乃至２０ｃｍの範囲の直径を有する点集束（焦点）が得られる。代替形態として、高パワー・パルス状放射、特に、０．５ｍＪより高い、好ましくは１ｍＪより高いエネルギを有する単一サイクル・テラヘルス・パルス状放射、または、５０ｍＪより高い、好ましくは１００ｍＪより高いエネルギを有する単一サイクルＲＦパルス状放射を用いて、回折限界を超える直径を有する集束（焦点）領域への集束が、例えば、テラヘルツ・パルス状放射に関して２ｍｍ乃至４ｍｍの範囲およびＲＦパルス状放射に関して２０ｃｍ乃至４０ｃｍの範囲で、形成される。高パワー・パルス状放射の集束は、ホーン型結合器および導波路デバイス内の電界放出効果（field emission effects）が回避されるように、調整されることが好ましい。

【0014】

導波路デバイスは、少なくとも１つのホーン型結合器の出力開孔に接続され、また、集束されたパルス状放射を受け取るまたは受信するよう適合化される。導波路デバイスは注入部を含み、注入部は、加速点で１束の荷電粒子を供給するよう、および導波路デバイス内でパルス状放射が注入部へと進むことによって荷電粒子を加速させるよう構成されている。さらに、導波路デバイスは、縦のビーム方向から逸脱した、特に縦ビーム方向に垂直な方向の、粒子加速方向に沿って、加速された荷電粒子を放出するための注入部の側方（横方向）出力ポートを含んでいる。

【0015】

本発明によれば、ホーン型結合器は、直線偏光（偏波）された平面波として整形された広帯域周波数スペクトルを含む複数の直線偏光単一サイクル・パルス（または広帯域パルス）を受け取るよう適合化された形態およびサイズを有する。「広帯域」という用語は、単一サイクル・パルスの複数の周波数成分にわたるスペクトル範囲、特に１００％のスペクトル相対的帯域幅を指す。「単一サイクル・パルス」という用語は、光周波数より低い中心周波数、特に、テラヘルツ範囲（特に０．３ＴＨｚ〜３ＴＨｚ）またはＲＦ範囲（特に０．３ＧＨｚ乃至１００ＧＨｚ）の中心周波数を有し、中心周波数の電磁界の１つの発振サイクル（周期）に等しい持続時間またはサブ（部分）サイクル持続時間を有する、パルスを指す。複数の単一サイクル・パルスの包絡線は、単一サイクルまたはサブサイクル持続時間をカバーする（に広がる）。さらに、「単一サイクル・パルス」という用語は、広帯域周波数特性を有する、１より多いサイクルの、例えば最大２または３サイクルの、持続時間を有する複数のパルスを含んでもよい。複数の単一サイクル・パルスは、縦ビーム方向に垂直な少なくとも1つの方向に沿ってガウス形状を有する複数の平面波である。さらに、ホーン型結合器は、導波路デバイスに向けた直線偏光単一サイクル・パルスの広帯域集束用に適合化されている。さらに、本発明によれば、導波路デバイスは、非共振広帯域透過（伝達）特性（non-resonant broadband characteristic）を有する。

【0016】

利点として、本発明は、標準的な加速器と超高速レーザ技術の間の思想的な間隙（ギャップ）を埋めまたは無くす。通常の加速器で使用されるマイクロ波およびミリメートル波技術は、連続波（ＣＷ）放射を生成するために非常に良く開発されている。従って、通常の光学的加速器は、主に、単一周波数励起用に機能する最も狭帯域の装置である。例として、導波または案内モードの電界（場）が加速に使用される進行波加速器および共振動作に基づいて動作するカスケード・キャビティ（空洞）が広く使用される。従って、短パルス・レーザによって励起される標準的加速器の幾何学的形状を直接使用すると、入力エネルギの大部分が無駄になる。

【0017】

発明者たちは、従来使用されているホーン型結合器および導波路によって導入される帯域幅制限に起因して、通常のテラヘルツ加速器の適用が制限されることを見出した。通常の技術とは対照的に、本発明の主な利点として、本発明による加速装置は、ホーン型結合器および導波路デバイスを広帯域集束および伝送用に適合化させることによって、帯域幅制限なしで単一サイクル・パルスを受け取り案内する（導く）よう構成される。従って、単一サイクル・パルスを注入部へと向上した効率で導くことができ、従って単一サイクル・パルスの加速効果が増大する。

【0018】

単一サイクル・パルスで加速装置を動作させると、次の利点が得られる。即ち、実証的研究で最初に示されたことは、動作周波数ｆおよび加速電界のパルス持続時間τについてｆ^１／２／τ^１／４としてスケーリングする電界電子放出（electron field emission）によって、装置性能に主要な制限を加えられる（課される）ことである。上述の近似スケーリング動作によって、より高い動作周波数に向けた加速器の開発と、コンパクトな加速器を達成するための超高速方式とが正当化（正当なものと）された。しかし、種々の加速器の破壊閾値に関する最近の研究では、加速器壁部のパルス加熱が加速勾配を制限する支配的要因であることが示された。この結論によって、以前に導出されたスケーリング法則（scaling laws）の予測と比較して、既存施設において、観測されたより小さい動作勾配が確認された。加速電界のパルス持続時間は、装置内のパルス加熱を支配するパルス・エネルギに直接関連するので、破壊事象において主要な役割を果たす、と結論付けられた。従って、効率的な加速を短パルスの使用に適合化させると、加速器のサイズを小さくする新しい可能性が開かれる。

【0019】

本発明の第２の概略的な態様または特徴によれば、上述の目的（課題）は、直線偏光された平面波形状を有する一連（シーケンス）の直線偏光単一サイクル・パルスを供給するように構成された単一サイクル・パルス源（供給源）装置と、一連の単一サイクル・パルスを受け取るよう配置された本発明の上述の第１の態様による加速装置と、加速装置の注入部で加速される荷電粒子（粒子束、粒子パルス）を供給するよう構成された粒子源（供給源）装置と、を含む荷電粒子銃によって達成（解決）される。

【0020】

利点として、本発明は、コンパクトな荷電粒子銃、特に、単一サイクル・パルスに基づいて動作する電子銃を実現する。超短パルス持続時間に起因して、加速器壁部の電気的損傷によって生じる制限が大きく緩和される。従って、単一サイクル・パルスは、潜在的に、非常に小さいスポット・サイズに集束することができ、短い加速長が得られる大きい加速（加速度）勾配を形成することができる。本発明による荷電粒子銃は、低エネルギ（例えばμＪレベル）のパルスと高エネルギ（例えばｍＪレベル）のパルスの双方に適合化させることができる。

【0021】

単一サイクル・パルス源は、レーザ源装置と、レーザ・パルスの光整流（optical rectification：光学検波）によって単一サイクル・パルスを生成する変換結晶（クリスタル）とを含んでいることが好ましい。レーザ源装置は、フェムト秒レーザより数桁（数オーダ）の大きさだけより効率的に機能するピコ秒レーザを使用して、そのような短いパルスによる加速の全体的効率が光学的加速に匹敵するようになる（と同等になる）こと、が好ましい。その利点は、波長がより長いこと、および一束当りの電荷量に関する制限が緩和されることである。

【0022】

本発明の第３の概略的な態様または特徴によれば、上述の目的（課題）は、本発明の第１の概略的な態様による加速装置を用いて荷電粒子を加速する方法によって達成（解決）される。その際、少なくとも１つの集束された直線偏光された単一サイクル・パルスが導波路デバイスの注入部に導かれ（案内され）、少なくとも１束の荷電粒子が、注入部に形成または供給され、加速用の半サイクル分の少なくとも１つの集束された単一サイクル・パルスの効果によって加速される。

【0023】

本発明の好ましい実施形態によれば、少なくとも１つのホーン型結合器は、広帯域の集束特性を有する単一サイクル・パルスを集束させるよう適合化された、入力開孔サイズ、縦（長手方向）の長さ、ホーン角度および出力開孔サイズを有する。ホーン型結合器の入力開孔は、各辺の長さが単一サイクル・パルスの中心波長よりも長い長方形の形状を有し、ホーン型結合器の出力開孔は、各辺の長さが単一サイクル・パルスの中心波長の半分（１／２）の長方形の形状を有し、各金属壁部は、入来するパルス状放射の全（total：全体の、合計の）角度拡がり（angular spread：角拡散）に近い（に等しいまたは近似する）ホーン角度を有すること、が好ましい。利点として、これらの寸法によって、少なくとも１つのホーン型結合器の広帯域集束特性が実現される。

【0024】

本発明の別の好ましい特徴によれば、少なくとも１つのホーン型結合器のダウンストリーム（下流、下り）の導波路デバイスは、少なくとも１つのホーン型結合器の出力開孔と注入部の間に伸びるパルス案内（導波）部を有する。パルス案内部が以下に挙げる各特徴の少なくとも１つを有する場合、単一サイクル・パルスの注入部への効率的な広帯域結合に関する各利点が得られる。

【0025】

第１の変形例によれば、パルス案内部は、単一サイクル・パルスの中心波長のほんの一部（fraction）に等しい選択された長さ（Ｌ）を有する。利点として、これは、注入部内への加速電磁界のトンネリング伝送（透過）を支援し、入射の単一サイクル・パルスを導波路中に集束させることによって導入されるカットオフ（遮断）周波数の欠点が低減される。

【0026】

第２の変形例によれば、パルス案内部および注入部は、縦ビーム方向に垂直な断面寸法（ｄ）を有し、その寸法は、単一サイクル・パルスの減速サイクル区間（部）の到達前に、荷電粒子が、注入部から側方出力ポートを通って脱出することができるように、選択される。換言すれば、断面寸法（ｄ）の値は、荷電粒子がパルスの加速半サイクルだけを経験する（その作用を受ける）ように、設計される。荷電粒子は加速点で生成され、加速点は側方出力ポートの反対側にある注入部の内壁部に位置することが好ましい。側方出力ポートに到達するのに必要な時間は、単一サイクル・パルスの増大するサイクル区間（部）の持続時間（単一サイクル・パルスの半パルス持続時間）に等しいかまたはそれより短い。従って、最大の効率を有する加速が達成される。

【0027】

第３の変形例によれば、パルス案内部は、少なくとも部分的に誘電材料を含む内面を有する。利点として、これは、導波路デバイスの非共振広帯域透過（伝達）特性の実現を支援する。さらに、単一サイクル・パルスの波面の、注入部における加速された荷電粒子の移動または動きに対する適合化が、容易になる。

【0028】

本発明の別の好ましい実施形態によれば、少なくとも１つのホーン型結合器は、縦ビーム方向に垂直で粒子加速方向に平行な第１の集束方向に従って、好ましくは垂直面（単一サイクル・パルスのＥ面）において、直線偏光された単一サイクル・パルスを集束するよう適合化される。単一サイクル・パルス源および少なくとも１つのホーン型結合器は、単一サイクル・パルスが集束方向に沿って偏光されるように、互いに整列される。特に好ましくは、少なくとも１つのホーン型結合器は、縦ビーム方向および第１の集束方向に垂直な第２の集束方向に従って、好ましくは水平面（単一サイクル・パルスのＨ面）において、単一サイクル・パルスを追加的に集束するよう適合化される。利点として、これにより、注入部における加速電界がさらに増強される。

【0029】

注入部における直線偏光された単一サイクル・パルスの波面は、回折限界の点集束からより大きい集束領域までの範囲の、パルスの集束の度合に応じて決まる拡がり（extension：伸長）を有する。荷電粒子は、波面全体の効果によって加速される。従って、本発明の別の好ましい実施形態によれば、直線偏光された単一サイクル・パルスの波面は、粒子加速方向に沿って加速された荷電粒子の移動または動きに整合される。整合は、荷電粒子が波面を通る移動の期間の時間全体において加速されるように、波面を整形することを含む。

【0030】

ホーン状の結合および導波路デバイス内に波面整形構造体を設けることによって整合（マッチング）が達成されることが好ましい。本発明の特に好ましい実施形態では、波面整形構造体は、誘電体内包物（inclusions：含有物、介在物）を有する導電層の積層体（stack）を含み、それらの層の厚さおよび充填率（ファクタ、係数）は、直線偏光された単一サイクル・パルスの波面の側部（lateral sections：横部分、横方向部分）の到達時間が、粒子加速方向に沿った加速荷電粒子の位置と整合されるように、選択される。電磁放射ビームの波面は幾つかの部分に分割され、これらの部分は、例えば薄い金属表面のような導電層を用いて互いに分離される。各層において、誘電体内包物が加えられて、パルスの注入部への到達時間が調整される。波面全体にわたる、電子の、静止状態（rest、resting state）からの連続的な加速を達成することができる。利点として、波面整形構造体によって、粒子の加速動力学（dynamics：運動状態）に対してパルス特性を調整することができる。

【0031】

本発明の別の好ましい実施形態によれば、ホーン状の結合装置は、導波路デバイスの一側部に単一のホーン型結合器を含み、その際、反射器装置がホーン型結合器の反対側の注入部に配置される。反射器装置は、パルス状放射の中心波長の４分の１に等しい注入部からの反射器距離を有し、および／または、反射器装置は、閉じた端部壁部を有するホーン形状を有すること、が特に好ましい。利点として、荷電粒子注入点からλ／４の距離にある構造体の受け取り側に反射器装置を追加することによって、加速電界が増強される。これを行うことによって、加速サイクルに先行する電界の半サイクルが、反転されて、主要な加速電界に加えられる。従って、電界の１サイクル全体が利用される。

【0032】

反射器装置は、反射器部を介して注入部に結合され、反射器部は、パルス案内部の長さに等しい長さを有すること、が好ましい。利点として、カットオフ（遮断）周波数効果は、構造体の受け取り側についても回避することができる。さらに、銃の反射器側を、左側に対して鏡面対称のテーパ状ホーンの形態に構成することによって、結合が増強され、それによって加速勾配が増大する。

【0033】

本発明の別の有利な変形によれば、ホーン状の結合装置は２つのホーン型結合器を含み、その第１の結合器は、単一サイクル・パルスを受け取るように配置され、導波路デバイスの入力側に結合され、その第２の結合器は、第１のホーン型結合器とは反対の関係にある注入部の受け取り側に配置される。利点として、この構成によって、荷電粒子に対する磁界効果を相殺（cancel：減殺）するために、２つの直線偏光された放射ビームが注入部内に対称に結合される。

【0034】

本発明による荷電粒子銃は、シーケンス（順次）動作に適合化され、その際、一連の粒子束が、同期化された一連（シーケンス）の直線偏光された単一サイクル・パルスで加速されること、が好ましい。好ましい動作モードによれば、単一サイクル・パルス源は、等しいキャリア（搬送波）包絡線（エンベロープ）位相（ＣＥＰ）を有する一連の全ての単一サイクル・パルスを供給するよう構成される。利点として、この結果として、等しい加速を受けた一連の粒子束が得られ、従って、その結果、加速された粒子の狭いエネルギ分布が得られる。

【0035】

本発明の別の好ましい実施形態によれば、荷電粒子銃は、単一サイクル・パルス源装置と粒子源装置の動作を適時に同期させるよう適合化された同期化装置を備えている。同期化装置は制御装置を含み、制御装置は、公差部において粒子束を生成する時に、単一サイクル・パルスが、交差部において、特にその加速点またはその集束領域に到達するように、単一サイクル・パルス源装置および粒子源装置を駆動する。導波路デバイスの内面への波面整形構造体の波面整形効果を考慮しつつ、同期化装置の動作が行われることが、特に好ましい。この実施形態では、波面の到達時間は、注入部における粒子束の生成と同期化される。

【0036】

粒子パルスを生成するために、複数の変形例が利用可能である。本発明の好ましい特徴によれば、粒子源装置は、注入部に存在し光放出（photoemission）レーザ源を備えた光電陰極電子源を含んでいる。光電陰極電子源は、例えば導波路デバイスの壁部に含まれまたは導波路デバイス内に配置された注入部、に位置する光電陰極を有する。光放出レーザ源は、背面から、即ち導波路デバイスの外部から直接、または加速経路を通して直接、光電陰極を照射するように配置することができる。代替的な粒子源装置は、例えば、熱光電陰極（thermal photo-cathodes）およびナノ構造の電界エミッタを含んでいる。

【0037】

さらに、本発明の他の有利な詳細および利点を、図面を参照して以下に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0038】

【図1】図１は、本発明による加速装置の第１の実施形態を示す概略的な断面図である。

【図2】図２は、本発明による加速装置の第２の実施形態を示す概略図である。

【図3】図３は、図２の加速装置で得られ得る電子加速と、中心周波数０．３ＴＨｚの２０μJの単一サイクル・テラヘルツ・パルスとを表すグラフである。

【図4】図４は、本発明による加速装置の第３の実施形態を示す概略図である。

【図5】図５は、本発明による加速装置の第３の実施形態を示す概略図である。

【図6】図６は、中心周波数０．３ＴＨｚの２つの１ｍＪの単一サイクル・テラヘルツ・パルスを有する、図４および５の加速装置で得られ得る電子加速を、表すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0039】

本発明の好ましい実施形態の特徴を、それぞれ、単一のホーン型結合器（ホーン・カプラ）、反射器に結合されたホーン型結合器、および２つのホーン型結合器を有する３つの実施形態を例示的に参照して、以下説明する。本発明はこれらの実施形態に限定されない。特定の適用例に応じて、本発明は、例えば、ホーン型結合器および導波路の設計、パルス源（供給源）装置の特徴、粒子源（供給源）装置の特徴、別の画像化構成要素（コンポーネント）の設置、および粒子加速経路の設計に関する変形で、実現することができる。

【0040】

本発明を好ましいテラヘルツの動作形態（方式）を参照して説明するが、本発明は動作周波数によって制限されるものではない。従って、加速装置はスペクトルの他の周波数範囲についても同様に実現することができ、そこでは、誘電体と金属の双方の性質を有する材料が利用可能である。これは、光学領域より低いスペクトルの全範囲、特にＲＦ波長範囲に対応する。

【0041】

図１は、１つのホーン型結合器１１を有するホーン状（horn-shaped：角形状）の結合装置（coupling device）１０と、注入部（injection section）２１を有する導波路デバイス（装置）２０とを有する加速装置（又は加速器装置）１００の第１の実施形態を概略的に示している。荷電粒子銃２００は、加速装置１００、単一サイクル・テラヘルツ・パルス源装置２１０、粒子源装置２２０、および単一サイクル・テラヘルツ・パルス源装置２１０と粒子源装置２２０を同期化する同期化装置（又は同期装置）２３０を含んでいる。典型的には、少なくとも加速装置１００は真空引きされ、即ち、結合装置１０および導波路デバイス２０に真空状態が形成される。代替形態として、加速装置１００は、例えば、大気圧、特に周囲空気または外気で作動することができる。

【0042】

デカルト直交座標を参照すると、加速装置１００は、縦のビーム方向（ｚ方向）に沿って直線偏光で伝播する（複数の）単一サイクル・テラヘルツ・パルス１の入力のために配置されている。従って、単一サイクル・テラヘルツ・パルス１の電界は、ｚ方向に直交する平面においてｘ方向に沿った直線偏光で方向付けられ、注入部２１で生成された粒子２は、縦ビーム方向に垂直な粒子加速方向（ｘ方向）に加速される。

【0043】

ホーン型結合器１１は、入力開孔１２、金属製の内面を有する複数の壁部１３、および導波路デバイス２０に接続された出力開孔１４を有する。単一サイクル・テラヘルツ・パルス１がｘ方向にのみ集束される場合、２次元受信アンテナとしてｙ−ｚ平面に対して傾斜角Θでｙ方向に沿って伸びる２つの平面壁部１３で、充分であり得る。従って、壁部１３はホーン角度２Θにわたる（及ぶ）。単一サイクル・テラヘルツ・パルス１は、ｙ−ｚ平面およびｘ−ｚ平面に対して等しいまたは異なる傾斜角でｙ方向およびｘ方向に伸びる４つの壁部１３（図２Ｂ参照）を設けることによって、ｘ方向およびｙ方向に集束されることが好ましい。両方の場合において、入力開孔１２および出力開孔１４は長方形状を有すると見なすことができる。

【0044】

壁部１３は、例えば、少なくとも５０μｍ、好ましくは１ｍｍの厚さを有し、金属、例えば銅からなり、または金属被覆を支持するプラスチック材料で形成することができる。入力開孔１２は、テラヘルツ・パルス状放射（エネルギ、光、線、電磁波）の中心波長より長い各側辺の長さを有する。一例として、ｘ方向およびｙ方向の各側辺の長さは、中心波長１ｍｍの広帯域の集束テラヘルツ・パルスに対して、それぞれ４ｍｍおよび４ｍｍである。出力開孔１４の各側辺の長さは、テラヘルツ・パルス状放射の中心波長の半分（１／２）に等しく、即ち、上述の例では、ｘ方向およびｙ方向にそれぞれ０．０５ｍｍおよび０．５ｍｍである。ホーン角度２Θは例えば１４°であり、ｚ方向におけるホーン型結合器１１の縦（長手方向）の長さは、例えば４ｍｍである。出力開孔の各側辺の長さは、放射周波数で、即ち励起がテラヘルツ（ＴＨｚ）（例えば０．３ＴＨｚ）からギガヘルツ（ＧＨｚ）（例えば０．３ＧＨｚ）へと変化したときに、装置の寸法は１０００倍増加し、好ましくはパルス・エネルギも１０００倍増加するはずである。

【0045】

導波路デバイス２０は、導電性材料および任意に波面整形構造体（wavefront shaping structure）（以下参照）を含むチャネル壁部で形成された直線状のまたは真っ直ぐなチャネルを含んでいる。また、チャネルの入力部分は、テラヘルツ・パルス案内（導波）部２４を形成し、チャネル壁部中に照射（照明）ポート２２および反対側の側方出力ポート２３を含むチャネルのダウンストリーム部分は、注入部３１を形成する。テラヘルツ・パルス案内部２４の長さＬは、単一サイクル・テラヘルツ・パルス１の中心波長、例えば５０μｍ、より短い。

【0046】

粒子源装置２２０の光電陰極（photocathode）２２１は、光放出レーザ源２２２を用いた照射用のチャネル壁部における照射ポート２２を通して露出される。例えば１ｍｍの中心波長を有する単一サイクル・テラヘルツ・パルスに基づいて動作する銃（ガン）用の約１００μｍの幅Ｄを有するスリット状の側方出力ポート２３は、加速粒子２を逸らせるまたは脱出させるために反対側のチャネル壁部に配置される（図２Ｂも参照）。導波路デバイス２０のダウンストリーム（下流側）端部では、単一サイクル・テラヘルツ・パルス１が、注入部２１中を通過した後で、吸収されまたは任意に反射される（以下、図２参照）。

【0047】

単一サイクル・テラヘルツ・パルス源２１０（詳細は図示せず）は、例えば、ピコ秒パルス・レーザ源装置と、変換結晶とを含み、これ（変換結晶）は、例えば文献［６］に記載されているような、光整流によってテラヘルツの単一サイクル・パルスを生成するよう適合されるものである。効率的なテラヘルツ生成は、１％レベルの光−テラヘルツ（optical to THz）の変換効率を達成することができる。従って、５ｍＪレベルの僅かサブピコ秒（ｐｓ）のパルスを使用して、典型的に３００ＧＨｚの中心周波数で２０μJレベルの単一サイクル・テラヘルツ・パルス１を安全に生成することができる。一例として、１ｋＨｚの繰り返し周波数（レート、率）を有する一連の単一サイクル・テラヘルツ・パルス１が生成される。全ての単一サイクル・テラヘルツ・パルス１は、同じキャリア包絡線（エンベロープ）位相を有することが好ましい。

【0048】

粒子源装置２２０は、光導波路デバイス２０の壁部に一体化された、例えば銅製の、光電陰極２２１と、例えば紫外線（ＵＶ）レーザのような光放出レーザ源２２２とを含んでいる。光電陰極２２１は薄い層であり、その層は、背面から光放出レーザ源２２２で照射される。実際の例では、光放出レーザ源２２２は、４０ｆｓに等しいパルス持続時間およびスポット・サイズ直径４０μｍで作動され、光電陰極２２１は、光放出レーザ源２２２からのパルスに応答して１ｐＣの電荷を有する粒子束２を放出する。光放出レーザ源２２２は、単一サイクル・テラヘルツ・パルス１の到達時に粒子束２が注入部に形成されるように、同期化装置２３０で制御される。任意に、光放出レーザ源２２２は、紫外線レーザビームがスリット状の側方出力２３を通って陰極表面を照射するように、設定されてもよい。

【0049】

動作を説明すると、ホーン型結合器１１は、入来する直線偏光された各単一サイクル・テラヘルツ・パルス１を小さいスポット・サイズに集束させる。複数の壁部１３によって形成される金属境界によって、回折限界より小さく入力ビームを集束することができるが、入射エネルギの挿入損失（insertion loss）は避けられない。その後、閉じ込められた、単一サイクル・テラヘルツ・パルス１のテラヘルツ・ビームは、導波路デバイス２０に沿って進み、注入部２１に到達する。光放出レーザ源２２２は、テラヘルツ・パルス１の加速電界が注入点に到達したとき、光電陰極２２１の表面から電子束２を励起する。単一サイクル・テラヘルツ・パルス１（３００ＧＨｚ、中心波長λ＝約１ｍｍ）のビームが回折限界まで集束され、加速装置の各寸法が、例えばΘ＝１６°、Ｄ＝５００μｍである場合、２λのスポット・サイズ（約２ｍｍ）の集束（焦点）における合計の電界は最大約１５０ＭＶ／ｍの領域にまで達した。次いで、電子は、入来するテラヘルツ・パルス１によって加速され、距離ｄの後で、即ち導波路デバイス２０の２つの壁部の間の分離（間隔）を後にして、注入領域２１における加速領域から離れる。５０ＭＶ／ｍの電界において、最初は静止状態にある電子は、中心波長より２乃至３のオーダ（桁）の大きさだけ小さい 最大でδｘ＝ｅＥτ／ｍω≒７．５μｍだけ移動することができる。

【0050】

電子が、加速エッジ（境界、端縁）によって、および少なくとも部分的に単一サイクル・テラヘルツ・パルス１の減速エッジによって影響される場合、加速の効率は制限され得るであろう。その効率を改善するために、電子が加速サイクル部分（サイクルの前エッジ（前縁））のみを経験する（その作用を受ける）ように、以下の手段の中の少なくとも１つを用いることができる。第１に、粒子加速方向（ｘ方向）に沿った導波路部の幅の選択は、加速電界が符号を変える前すなわち減速エッジが開始する前に、電子がテラヘルツ・パルスから離れるように、行われる。従って、テラヘルツ・パルス１のパワー（出力）に応じて、断面寸法（ｄ）は、例えば５０μｍ乃至２００μｍの範囲で、注入部におけるテラヘルツ波面のサイズと等しいかそれより小さい。第２に、図２を参照して以下説明するように、電子振動の振幅を伸ばす（大きくする）ために、集束されたテラヘルツ・パルスの加速電界を増強することができる。

【0051】

加速装置１００をＲＦ波長範囲での動作に適合化させるためには、ホーン型結合器および導波路の各寸法をＲＦ波長に適合化させ、単一サイクル・テラヘルツ・パルス源２１０が、単一サイクルＲＦパルス源に、例えば光電子発振器に基づくパルス源に、置き換えられる。

【0052】

図２において、本発明の第２の実施形態の加速装置１００は、例えばｙ方向に沿った上面図（図２Ａ）、斜視図（図２Ｂ）、および例えばｘ方向に沿った側面図（図２Ｃ）で示されている。導波路デバイス２０の一方の側部には、単一のホーン型結合器１０が設けられ、一方、反射器装置３０がホーン型入力結合器１１の反対側に配置される。反射器装置３０は、注入部２１からλ／ ４の距離に配置されたホーン・アンテナ３１を含んでいる。

【0053】

ホーン・アンテナ３１のホーン角度は、ホーン型結合器１１のホーン角度と等しく、一方、ホーン・アンテナ３１の縦の長さの選択は、注入部２１に到達する単一サイクル・テラヘルツ・パルス１が、反射された単一サイクル・テラヘルツ・パルスに重畳される（重ね合わせられる）ように、行われる。この重畳によって、半サイクル（半周期）時間について、パルスの前縁と、減速半サイクルとの間に構造的干渉が生じ、これ（減速半サイクル）が反射によって今度は加速サイクルとなる。従って、加速電界が増大する。

【0054】

実際の例では、ホーン・アンテナ３１とホーン型結合器１１のホーン角度は、ｙ−ｚ平面で約６０°およびｘ−ｚ平面で約３２°であり、ホーン型結合器１１とホーン・アンテナ３１の縦の各長さはそれぞれ４ｍｍおよび０．２６ｍｍであり、注入部２１の各幅は、ｙ方向に０．５５ｍｍ、ｘ方向に０．０５ｍｍであり、注入部２１の縦の長さは０．０５ｍｍである。

【0055】

これらのパラメータを用いて、加速装置１００は、ゼロ（０）のエネルギの垂直電界Ｅｘ＝５０ＭＶ／ｍで瞬時に注入される電子の最適な加速のために設計される。図３は、ｘ方向の移動距離に応じた注入電子のエネルギを示している。発明者たちによって行われた、時間依存性の加速電界プロファイル（外形）のシミュレーションでは、１４倍の加速度勾配の増強を示し、それは７０８ＭＶ／ｍのピーク加速電界の形成を示している。加速装置１００から離れる電子の最終的なエネルギは３５．２ｋｅＶである。

【0056】

図１および２の第１および第２の実施形態は、２０μＪのレベルのエネルギを有する単一サイクル・テラヘルツ・パルスを用いて電子を最適に加速するよう適合化される。最適な集束によって、光電陰極２２１上に７００ＭＶ／ｍの大きさのピーク電界が形成される。この値は、銅または他の金属の表面の電界放出閾値に近似するかまたはそれより大きい。従って、より高い加速度（レート）を達成するために入力テラヘルツ・ビームのエネルギをさらに増大させるのに、別の粒子源が必要となるであろう。代替形態として、本発明の第３の実施形態の形成は、電界放出閾値を超えることなく、約３００ＧＨｚの中心周波数の約２ｍＪのエネルギを有する高エネルギ短パルスを使用して効率的な加速を達成するように、行われる。

【0057】

高エネルギのテラヘルツ・パルスを用いて電子加速を行うために、次の２つの重要な点が考慮される。（ｉ）電子は相対論的エネルギを獲得する可能性があり、これによってテラヘルツ・パルスの横の（transverse）磁界の効果が強くなる。この効果は、テラヘルツ・パルスからその伝播方向に沿って押す作用（push）を生じる。従って、図１または２の構成において、電子は、直線の代わりに湾曲した軌道上を進む。（ii）高エネルギのテラヘルツ・ビームは、小さいスポット・サイズに集束されるべきでない。さもなければ、電界放出閾値は、荷電粒子銃の性能を破壊する。従って、ビームの動作スポット・サイズは、１つの半サイクル内の電子の移動距離よりはるかに大きくなるであろう。その結果、効率的な加速を達成するために、テラヘルツ・パルスの位相面（phase front）を電子軌道に整合（マッチング）させることが、実現される。

【0058】

図４および５には本発明の第３の実施形態の構成が示されている。図４Ａにおいて、本発明の第３の実施形態による加速装置１００の波面整形構造体４０の斜視図が概略的に示されており、図４Ｂはｙ−ｚ平面における加速装置１００の上面図を示しており、図４Ｃは波面整形構造体の２次元の表現を示している。図５は、図４の加速装置１００を含む荷電粒子銃２００を示している。図４に示された第３の実施形態は、図２の実施形態の特徴で変形することができること、に留意されたい。従って、反射器装置を備えた加速装置１００は、以下で説明する波面整形構造体を含んでいてもよい。

【0059】

加速装置１００は、導波路デバイス２０に結合された２つのホーン型結合器１１、１５を有するホーン状の結合装置１０を含んでいる。ホーン型結合器１１、１５は、ｘ−ｙ平面に対して鏡面対称に配置される。従って、磁界効果を相殺または減殺するために、２つの直線偏光された単一サイクル・テラヘルツ・パルス１が導波路デバイス２０に対称に結合される。荷電粒子銃２００は、加速装置１００と、２つのテラヘルツ源２１１、２１２を有する単一サイクル・テラヘルツ・パルス源装置２１０と、粒子源装置２２０と、テラヘルツ源２１１、２１２および粒子源装置２２０を同期化する同期化装置２３０と、を含んでいる。加速装置１００および荷電粒子銃２００のこれらの構成要素は、図１および２を参照して上述したように構成することができる。

【0060】

図１および２とは違って、ホーン型結合器１１、１５は、特に導波路デバイス２０の内側断面をカバーするまたは広がり覆うような、回折限界より大きい直径を有する集束領域に、テラヘルツ・パルスを集束させるように、適合化される。集束点は、導波路部２０に対して、ホーン型結合器１１と１５の間の移行領域または遷移領域に近接するように調整されることが、好ましい。さらに、波面整形構造体４０は、結合装置１０および導波路デバイス２０内に配置される。波面整形構造体４０は、複数の支持層４２によって互いに分離され縦のビーム方向（ｚ方向）に沿って相異なる長さを有する複数の平面状の誘電体層４１の積層体を含んでいる。誘電体層４１は、ホーン型結合器１１、１５の集束方向に垂直な平面内で伸び、テラヘルツ帯（領域）において低損失特性を有する、例えば石英で、形成される。一例では、それぞれ０．５ｍｍ未満の厚さを有する８つの誘電体層４１が設けられる。支持層４２は、誘電体層４１の屈折率とは異なる屈折率を有する材料で、例えば、少なくとも５μｍの厚さを有するＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）のようなポリマーまたは金属で、形成される。

【0061】

誘電体層４１の各長さおよび各厚さの選択は、単一サイクル・テラヘルツ・パルスの波面が変形し（歪み）、特に、縦ビーム方向に対して傾斜し、注入部で加速された荷電粒子の運動に適合化されるように、行われる。波面は傾斜しており、その傾斜は、粒子加速方向（ｘ方向）に沿った光電陰極２２１からの波面の各部分の距離が増大するにしたがって、波面の各部分がより大きく遅延するようになっている。従って、荷電粒子は、側方の出力ポート２３に向かう移動の全ての各位相でテラヘルツ・パルスの増大するエッジ（境界、端縁）によって、加速される。

【0062】

換言すれば、波面整形構造体４０の多層構造で、テラヘルツ・パルスの波面は、金属層４２を用いて互いに分離された幾つかの部分に分割される。誘電体層４１によって、誘電体内包物が複数の金属層４２相互間に加えられて、加速領域に対するパルスの到達時間が遅延される。誘電体の充填率および各層の厚さを適正に設計することによって、波面全体にわたって静止状態からの電子の連続的な加速を達成することができる。

【0063】

図４Ｃの例示的な２次元の例では、加速装置１００に両側から結合された、ピーク電界０．５ＧＶ／ｍおよび３００ＧＨｚの単一サイクルの時間シグネチャ（署名、記号、痕跡）を有する２つの直線偏光された平面波パルス１が考慮される。その８層の構成は、各層の厚さｈ_ｉ＝｛０．１３， ０．３， ０．３９， ０．４４， ０．４５， ０．４８， ０．４９， ０．４９５｝ｍｍ、および石英系内包物の長さＬ_ｉ＝｛０．０， ０．４６， ０．９１， １．３７， １．８２， ２，２８， ２．７４， ３．１８｝ｍｍで、考慮された励起に関して設計される。注入部の間隙サイズは６０μｍと考えられる。発明者たちが行ったシミュレーションでは、結果として、図６に示すように、粒子加速方向の移動距離に応じた電子のエネルギを示す、Ｅｘ＝−５０ＭＶ／ｍの点で静止状態から放出された２．１ＭｅＶまでの電子の加速プロファイル（外形）が得られる。

【0064】

例えば図４Ａまたは５による、３次元構成において、テラヘルツ・パルス１は、横方向面（Ｈ面、ｘ−ｚ面）において集束され、その結果、効率がかなり向上する。さらに、波面整形構造体４０は、石英で形成された複数の誘電体層４１と、ＰＴＦＥで形成された複数の支持層４２とを含んでいる。

【0065】

上記の説明、図面および特許請求の範囲に開示された本発明の特徴は、その様々な実施形態における本発明の実現のために、個々にならびに組み合わせまたは部分的組合せについて重要であり得る。

【符号の説明】

【0066】

１００ 加速装置
２００ 荷電粒子銃
２１０ 単一サイクル・テラヘルツ・パルス源装置
２１１、２１２ テラヘルツ源
２２０ 粒子源装置
２２２ 光放出レーザ源
２３０ 同期化装置
１０ ホーン状結合装置
２０ 導波路デバイス
３０ 反射器装置
１ 単一サイクル・テラヘルツ・パルス
２ 粒子
１１、１５ ホーン型結合器
１２ 入力開孔
１３ 壁部
１４ 出力開孔
２１ 注入部
２２ 照射ポート
２３ 側方出力ポート
２４ テラヘルツ・パルス案内部
２２１ 光電陰極
３１ ホーン・アンテナ
４０ 波面整形構造体
４１ 平面誘電体層
４２ 支持層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】