特許 5763277 高周波共振器および高周波共振器を有する粒子加速器

(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】5763277

(24)【登録日】2015年6月19日

(45)【発行日】2015年8月12日

(54)【発明の名称】高周波共振器および高周波共振器を有する粒子加速器

(51)【国際特許分類】

   H05H 7/18 20060101AFI20150723BHJP

【ＦＩ】

   H05H7/18

【請求項の数】11

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-532303(P2014-532303)

(86)(22)【出願日】2012年9月5日

(65)【公表番号】特表2014-528151(P2014-528151A)

(43)【公表日】2014年10月23日

(86)【国際出願番号】EP2012067266

(87)【国際公開番号】WO2013045236

(87)【国際公開日】20130404

【審査請求日】2014年7月31日

(31)【優先権主張番号】102011083668.3

(32)【優先日】2011年9月29日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】390039413

【氏名又は名称】シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト

【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ

(74)【代理人】

【識別番号】100075166

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 巖

(74)【代理人】

【識別番号】100133167

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 浩

(72)【発明者】

【氏名】バック、ミヒァエル

(72)【発明者】

【氏名】ハイト、オリファー

(72)【発明者】

【氏名】クレーマン、ミヒァエル

【審査官】 林 靖

(56)【参考文献】

【文献】 特表平１０−５０１３６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｈ １／００−１／５４、

３／００−１５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘電体材料からなる筒状の空洞（２００）を有する高周波共振器（１００）であって、
前記空洞（２００）の内面（２４０）に、導電性の被膜（３００）を備えており、その導電性の被膜（３００）は、前記空洞（２００）の側面（２３０）をリング状に周回する電気絶縁性の間隙（３３０）によって、第１の内部被膜（３１０）と第２の内部被膜（３２０）とに分割されており、
前記空洞（２００）の外面（２５０）に、導電性の第１の外部被膜（４１０）と導電性の第２の外部被膜（４２０）とを備えており、
前記第１の外部被膜（４１０）と前記第２の外部被膜（４２０）とが、電気的に互いに絶縁されており、
当該高周波共振器（１００）が、前記第１の外部被膜（４１０）と前記第２の外部被膜（４２０）との間に高周波電圧を印加するために設けられた装置（５００）を含む
ことを特徴とする高周波共振器。

【請求項2】

請求項１記載の高周波共振器（１００）において、
前記リング状に周回する間隙（３３０）が、前記筒状の空洞（２００）の縦方向（２０１：当該円筒２００の半径方向に対して垂直な方向。以下同様）に対して垂直に向けられている
ことを特徴とする高周波共振器。

【請求項3】

請求項１または２記載の高周波共振器（１００）において、
前記第１の外部被膜（４１０）および前記第２の外部被膜（４２０）が、それぞれ前記空洞（２００）の側面（２３０）をリング状に周回している
ことを特徴とする高周波共振器。

【請求項4】

請求項１から３の１つに記載の高周波共振器（１００）において、
前記第１の外部被膜（４１０）が、前記空洞（２００）の側面（２３０）に対して垂直に向いている方向において前記第１の内部被膜（３１０）に隣接している
ことを特徴とする高周波共振器。

【請求項5】

請求項１から４の１つに記載の高周波共振器（１００）において、
前記第２の外部被膜（４２０）が、前記空洞（２００）の側面（２３０）に対して垂直に向いている方向において前記第２内部被膜（３２０）に隣接している
ことを特徴とする高周波共振器。

【請求項6】

請求項１から５の１つに記載の高周波共振器（１００）において、
前記装置（５００）が、１つの固体パワートランジスタを含む
ことを特徴とする高周波共振器。

【請求項7】

請求項６記載の高周波共振器（１００）において、
前記装置（５００）が、前記空洞（２００）の側面（２３０）の周りにリング状に配置された多数の固体パワートランジスタを含む
ことを特徴とする高周波共振器。

【請求項8】

請求項１から７の１つに記載の高周波共振器（１００）において、
前記誘電体材料が、ガラス又はセラミックスである
ことを特徴とする高周波共振器。

【請求項9】

請求項１から８の１つに記載の高周波共振器（１００）において、
前記空洞（２００）が、円筒形状を有する
ことを特徴とする高周波共振器。

【請求項10】

請求項１から９の１つに記載の高周波共振器（１００）において、
前記空洞（２００）が、その空洞（２００）の周辺に比べて低減された気圧に真空化されるように構成されている
ことを特徴とする高周波共振器（１００）。

【請求項11】

荷電粒子を加速するための粒子加速器であって、
請求項１から１０の１つに記載の高周波共振器（１００）を有する
ことを特徴とする粒子加速器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、請求項１による高周波共振器、ならびに、請求項１１による荷電粒子を加速するための粒子加速器に関する。

【背景技術】

【0002】

高周波共振器においては、高周波電磁振動が励起される。高周波共振器は、空洞共振器とも呼ばれる。高周波共振器は、例えば荷電粒子を加速するための粒子加速器に用いられる。

【0003】

高周波共振器において、高周波電磁振動を励起するために、例えばクライストロン又はテトロードによって高周波出力を発生させ、その出力をケーブル又は導波管により高周波共振器へ伝送し、そこで放射窓又は高周波アンテナを介して高周波共振器に投入することは、公知である。尤も、この種の励起では、極めて高い高周波出力を得ることはできない。

【0004】

導電壁と多数の固体トランジスタとを有する高周波共振器であって、それらの固体トランジスタが高周波共振器の導電壁に高周波の電流の流れを誘導することにより高周波共振器内に高周波電磁振動を励起するように設けられている高周波共振器が、特許文献１によって公知となっている。その電流の、流れの励起は、高周波共振器の導電壁の周に沿って環状に設けられている電気絶縁性のスリットを跨いで高周波電圧を印加することによって、行われる。

【0005】

荷電粒子を加速するための粒子加速器における高周波共振器の使用は、その高周波共振器を極めて低い圧力に真空化することを必要とする。高周波共振器における本来は導電性である壁に誘電体材料が充填された電気絶縁性のスリットの封止は、厄介で費用が掛かるものである、ということが分かった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】欧州特許出願公開第０６０６８７０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

従って、本発明の課題は、より良好に真空化可能な高周波共振器を提供することにある。この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴事項を有する高周波共振器によって解決される。本発明の他の課題は、より良好に真空化可能な高周波共振器を有する粒子加速器を提供することにある。この課題は、請求項１１の特徴事項を有する粒子加速器によって解決される。好ましい実施形態は、従属請求項に示されている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明による高周波共振器は、誘電体材料からなる筒状の空洞を有する。この空洞の内面は、導電性の被膜を有し、その被膜は、空洞の側面をリング状に周回する電気絶縁性の間隙によって、第１の内部被膜と第２の内部被膜とに分割されている。空洞の外面は、導電性の第１の外部被膜と導電性の第２の外部被膜とを有する。その第１の外部被膜と第２の外部被膜とは、電気的に互いに絶縁されている。この高周波共振器は、第１の外部被膜と第２の外部被膜との間に高周波電圧を印加するために設けられた装置を含む。有利なことに、この高周波共振器の筒状の空洞は、容易に真空化することができ、封止が問題となっていた開口部、特に、封止が難しい金属−セラミックス接合部を持たない。有利なことに、この高周波共振器における前述の装置は、導電性の外部および内部の被膜を介して静電容量的に高周波電磁振動を高周波共振器内に励起することができる。

【0009】

この高周波共振器の好ましい実施形態では、リング状に周回する間隙が、筒状の空洞の長手方向に対して垂直に向けられている。この高周波共振器は、鏡面対称性および回転対称性を有していると有利であり、そのことが対称な振動モードの励起を可能にする。

【0010】

高周波共振器の同様に好ましい実施形態では、第１の外部被膜および第２の外部被膜が、空洞の側面をそれぞれリング状に周回している。この高周波共振器の外面も鏡面対称性および回転対称性を有していると有利であり、それによって対称な振動モードの励起が可能となる。

【0011】

第１の外部被膜が、空洞の側面に対して垂直に向けられた方向において第１の内部被膜に隣接していることが適切である。有利なことに、第１の外部被膜と第１の内部被膜との間に強い静電容量性の結合が生じる。

【0012】

同様、第２の外部被膜が、空洞の側面に対して垂直に向けられた方向において第２の内部被膜に隣接していることが適切である。有利なことに、第２の外部被膜と第２の内部被膜との間に強い静電容量性の結合が存在する。

【0013】

この高周波共振器の好ましい実施形態では、前述の装置が１つの固体パワートランジスタを含む。有利なことに、その１つの固体パワートランジスタによって、高周波共振器に投入される高周波出力を、その投入位置近くにおいて発生させることができる。

【0014】

この高周波共振器の一実施形態では、前述の装置が、空洞の側面の周りにリング状に配置された多数の固体パワートランジスタを含む。有利なことに、多数の固体パワートランジスタを設けることが、高周波共振器における格別に高い高周波出力の励起を可能にする。

【0015】

この高周波共振器の好ましい実施形態では、前述の誘電体材料が、ガラス又はセラミックスである。有利なことに、ガラスおよびセラミックスは、真空容器としての使用に適した機械的な特性を有する。

【0016】

前述の空洞は、円筒形状を有するものとすることが望ましい。有利なことに、円筒状に形成された空洞は、荷電粒子の加速に適した振動モードの励起を可能にする。

【0017】

前述の空洞は、その空洞の周辺に比べて低減された気圧に真空化されるように構成されていることが好ましい。この高周波共振器は、有利なことに、荷電粒子の加速のために使用することができる。

【0018】

本発明による、荷電粒子を加速するための粒子加速器は、上述のような高周波共振器を有する。有利なことに、その高周波共振器は、粒子加速器において低圧に真空化することが可能であり、かつ、封止が困難な継ぎ目を持っていない。

【0019】

本発明の上述の特性、特徴および利点ならびにこれらを達成する方法を更に明確にするために、以下において、図面を参照しながらその実施例について説明する。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】高周波共振器の断面を示す図である。

【図2】高周波共振器の壁部分の断面を示す図である

【発明を実施するための形態】

【0021】

図１は、高周波共振器１００を極めて概略化して示した図である。高周波共振器１００において高周波の電磁振動モードを励起することができる。高周波共振器１００は、例えば粒子加速器における荷電粒子の加速に使用することができる。

【0022】

高周波共振器１００は、空洞２００を含む。空洞２００は、中空筒状に形成され、円板状の第１の頂面２１０と、円板状の第２の頂面２２０と、第１の頂面２１０を第２の頂面２２０に接続する側面２３０と、を有する。図１の表示では、空洞２００がその図の平面において切断されている。従って、図１には、空洞２００の半分だけが示されている。

【0023】

中空筒状に形成された空洞２００では、縦方向２０１と半径方向２０２とが規定され、半径方向２０２は縦方向２０１に対して垂直に向いている。第１の頂面２１０および第２の頂面２２０は、それぞれ縦方向２０１に対して垂直に向けられている。空洞２００の側面２３０は、縦方向２０１に沿って、第１の頂面２１０と第２の頂面２２０との間に延在している。

【0024】

第１の頂面２１０および第２の頂面２２０は、代替実施形態において円板状とは異なる形状とすることもできる。例えば、頂面２１０，２２０はそれぞれ方形又は楕円形を有するものとしてもよい。

【0025】

空洞２００は、電気絶縁性の誘電体材料からなる。空洞２００は、ガラス又はセラミックスからなることが好ましい。有利なことに、ガラス材料およびセラミックス材料は、空洞２００の内部空間と空洞２００の周辺との間の高い圧力差に耐えるのに十分な強度を有する。

【0026】

高周波共振器１００の空洞２００は内部空間を完全に取り囲み、好ましいことに封止が難しい継ぎ目、特に金属−セラミックス接合部を持っていない。これは、空洞２００を、空洞２００の周辺における気圧に比べて低減された圧力に真空化することを可能にする。空洞２００を真空化するために、空洞２００が１つ又は複数の適切なフランジを有するようにするとよい。さらに、空洞２００の第１の頂面２１０および第２の頂面２２０が適切な開口又は窓を有するとよい。これらの開口又は窓を通して、荷電粒子ビームが空洞２００の内部空間２９０の中に達し、そして空洞２００の内部空間２９０から外へと送出されるようにすることができる。

【0027】

空洞２００は、その空洞２００によって包囲された中空の方を向いている内面２４０を有する。さらに、空洞２００は、その空洞２００の周辺の方に向いている外面２５０を有する。

【0028】

空洞２００の内面２４０には、導電性の内部被膜３００が配置されている。導電性の内部被膜３００は、例えば金属からなるものすることが好ましい。内部被膜３００は、第１の内部被膜３１０および第２の内部被膜３２０に分割されている。第１の内部被膜３１０と第２の内部被膜３２０との間には、電気絶縁性の内部間隙３３０が配置されており、その内部間隙３３０によって、第１の内部被膜３１０が第２の内部被膜３２０に対して電気的に絶縁されている。その内部間隙３３０の領域においては、空洞２００の内面２４０に、導電性の被膜は設けられていない。

【0029】

内部間隙３３０は、空洞２００の側面２３０に、リング状に周回するように配置されているのが好ましい。内部間隙３３０は、空洞２００の縦方向２０１に対して垂直に、従って頂面２１０，２２０に対して平行に向けられていることが好ましい。格別に好ましくは、内部間隙３３０が第１の頂面２１０と第２の頂面２２０との間の中央に配置されているとよい。

【0030】

第１の内部被膜３１０は、第１の頂面２１０における内面２４０と、第１の頂面２１０に続く側面２３０の部分における内面２４０とを覆っている。第２の内部被膜３２０は、第２の頂面２２０における内面２４０と、第２の頂面２１０に続く側面２３０の部分における内面２４０とを覆っている。

【0031】

縦方向２０１において、内部間隙３３０は、非常に狭い幅に形成されていることが好ましい。特に、内部間隙３３０の幅は、縦方向２０１において空洞２００の長さに比べて小さく、かつ、高周波共振器１００において励起可能な高周波振動モードの波長に比べて小さいことが好ましい。

【0032】

空洞２００の外面２５０上には、導電性の外部被膜４００が配置されている。外部被膜４００は、例えば金属からなる。外部被膜４００は、第１の外部被膜４１０および第２の外部被膜４２０を含む。第１の外部被膜４１０と第２の外部被膜４２０との間には、外部間隙４３０が配置されている。外部間隙４３０の領域においては、空洞２００の外面２５０に導電性の被膜は設けられていない。この外部間隙４３０によって、第１の外部被膜４１０と第２の外部被膜４２０とが互いに電気的に絶縁されている。

【0033】

図２は、内部間隙３３０および外部間隙４３０の領域における高周波共振器１００の空洞２００の側面２３０の部分の断面図を示す。外部間隙４３０は、縦方向２０１において内部間隙３３０と同じ位置に存在することが分かる。半径方向２０２において外部間隙４３０と内部間隙３３０が隣接している。外部間隙４３０は、側面２３０の外面にリング状に周回するように設けられている。内部間隙３３０が空洞２００の縦方向２０１において第１の頂面２１０と第２の頂面２２０との間の中央に存在する場合には、外部間隙４３０も第１の頂面２１０と第２の頂面２２０との間の中央に設けるようにすることが好ましい。外部間隙４３０の縦方向２０１の幅は、内部間隙３３０の縦方向２０１の幅にほぼ等しいものとすることが好ましい。

【0034】

第１の外部被膜４１０および第２の外部被膜４２０は、それぞれ同様に側面２３０の外面にリング状に周回するように設けられている。リング状に形成された外部被膜４１０，４２０は、空洞２００の縦方向２０１に対して垂直に向けられていることが好ましい。第１の外部被膜４１０の縦方向２０１の幅と、第２の外部被膜４２０の縦方向２０１の幅とが、空洞２００の縦方向２０１の外部間隙４３０の幅にほぼ一致することが好ましい。しかし、第１の外部被膜４１０および第２の外部被膜４２０は、縦方向２０１において外部間隙４３０よりも広い幅又は狭い幅を有してもよい。第１および第２の外部被膜４１０，４２０の縦方向２０１の幅は、空洞２００内において励起可能な電磁振動モードの波長に対して小さいことが好ましい。

【0035】

第１の外部被膜４１０は、誘電性の側面２３０によって、第１の内部被膜３１０に対して絶縁されている。第２の外部被膜４２０は、誘電性の側面２３０によって、第２の内部被膜３２０に対して絶縁されている。第１の外部被膜４１０、誘電性の側面２３０および第１の内部被膜３１０は、第１のコンデンサを構成している。第２の内部被膜４２０、誘電性の側面２３０および第２の内部被膜３２０は、第２のコンデンサを構成している。第１および第２のコンデンサは、第１の外部被膜４１０と第１の内部被膜３１０との間の静電容量性結合、もしくは、第２の外部被膜４２０と第２の内部被膜３２０との間の静電容量性結合を、生じさせる。第１の外部被膜４１０と第２の外部被膜４２０との間に印加される電圧が、静電容量的に第１の内部被膜３１０および第２の内部被膜３２０に結合され、それによって、第１の外部被膜４１０と第２の外部被膜４２０との間に印加される電圧は、第１の内部被膜３１０と第２の内部被膜３２０との間に、殆ど等しい電圧を生じさせる。

【0036】

高周波共振器１００は、高周波電磁出力を高周波共振器の空洞２００内に投入するために設けられた駆動装置５００を含む。このために、駆動装置５００は、第１の外部被膜４１０と第２の外部被膜４２０との間に高周波電圧を印加するように構成されている。駆動装置５００は、好ましくは１つの固体パワートランジスタ又は１つのその他の固体スイッチを有する。特に好ましくは、駆動装置５００は、外部間隙４３０の領域にリング状に周回して空洞２００の側面２３０の外面２５０に配置された多数の固体パワートランジスタを含む。

【0037】

駆動装置５００によって、高周波交流電圧が第１の外部被膜４１０と第２の外部被膜４２０との間に印加されると、外部被膜４１０，４２０と内部被膜３１０，３２０との間の静電容量性結合により、第１の内部被膜３１０と第２の内部被膜３２０との間にも高周波交流電圧が発生する。第１の内部被膜３１０および第２の内部被膜３２０には、投入された高周波電圧によって、高周波電流の流れが励起される。

【0038】

駆動装置５００によって、第１の外部被膜４１０と第２の外部被膜４２０との間に印加された交流電圧の周波数が、高周波共振器１００の共振周波数に一致する場合には、内部被膜３１０，３２０に誘導された電流の流れが、空洞２００の内部における共振高周波振動モードの励起を生じさせる。

【0039】

斯くして、駆動装置５００は、空洞２００の内部において共振高周波振動を励起し増幅することを可能にするべく、高周波電磁出力を高周波共振器１００の空洞２００に静電容量的に投入する。

【0040】

有利なことに、高周波共振器１００の空洞２００は、真空容器として用いられると共に、導電性の内部被膜３００のための担持体として用いられる。静電容量性の励起が可能であることによって、空洞２００は、導電性の貫通孔を設ける必要がなく、またそれ故に、封止の難しい金属−セラミックス接合部の必要もなくなる。

【0041】

好ましい実施例によって本発明をその細部まで詳しく図解して説明したが、本発明は、それらの開示された実施例のみには限定されない。それらに基づいて、当業者は、本発明の保護範囲を逸脱することなく、異なった変形例を導き出すことができる。

【符号の説明】

【0042】

１００ 高周波共振器
２００ 空洞
２０１ 縦方向
２０２ 半径方向
２１０ 第１の頂面
２２０ 第２の頂面
２３０ 側面
２４０ 内面
２５０ 外面
３００ 内部被膜
３１０ 第１の内部被膜
３２０ 第２の内部被膜
３３０ 内部間隙
４００ 外部被膜
４１０ 第１の外部被膜
４２０ 第２の外部被膜
４３０ 外部間隙
５００ 駆動装置

【図1】

【図2】