特許 6600531 無同調高周波加速空胴、加速器および無同調高周波加速空胴のインピーダンス調整方法

(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】6600531

(24)【登録日】2019年10月11日

(45)【発行日】2019年10月30日

(54)【発明の名称】無同調高周波加速空胴、加速器および無同調高周波加速空胴のインピーダンス調整方法

(51)【国際特許分類】

   H05H 13/04 20060101AFI20191021BHJP

   H05H 7/18 20060101ALI20191021BHJP

【ＦＩ】

   H05H13/04 D

   H05H7/18

【請求項の数】9

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-211064(P2015-211064)

(22)【出願日】2015年10月27日

(65)【公開番号】特開2017-84574(P2017-84574A)

(43)【公開日】2017年5月18日

【審査請求日】2018年3月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100082991

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 泰和

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100124372

【弁理士】

【氏名又は名称】山ノ井 傑

(74)【代理人】

【識別番号】100120385

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 健之

(72)【発明者】

【氏名】天野 沙紀

(72)【発明者】

【氏名】田島 裕二郎

(72)【発明者】

【氏名】長内 昭宏

【審査官】 藤原 伸二

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−２７３８９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１２６９００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１６７６９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１６１９９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５９１７２９３（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｈ ３／００−１５／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部を荷電粒子が通過する導電性の第１真空ダクトと、
前記第１真空ダクトの一端に接続され、内部に前記荷電粒子を加速する電場が発生する絶縁性の第２真空ダクトと、
一端において前記第１真空ダクトに垂直に接続された内導体と、
前記内導体を囲む環状の磁性体コアと、
前記第１および第２真空ダクトと、前記内導体と、前記磁性体コアとを囲む導電性の筐体と、を備える無同調高周波加速空胴。

【請求項2】

前記磁性体コアは、周方向において複数に分割された請求項１に記載の無同調高周波加速空胴。

【請求項3】

前記内導体は、金属ダクトである請求項１または２に記載の無同調高周波加速空胴。

【請求項4】

前記内導体は、金属棒である請求項１または２に記載の無同調高周波加速空胴。

【請求項5】

前記内導体は、前記第２真空ダクト上の対称点を中心とした点対称の位置関係または前記第２真空ダクトに対して鏡像対称の位置関係を有するように複数配置された請求項１〜４のいずれか１項に記載の無同調高周波加速空胴。

【請求項6】

前記内導体の内部は、前記第１真空ダクトの内部に連通され、
前記無同調高周波加速空胴は、前記内導体の他端側に配置された排気装置を備える請求項３に記載の無同調高周波加速空胴。

【請求項7】

無同調高周波加速空胴を備えた加速器であって、
前記無同調高周波加速空胴は、
内部を荷電粒子が通過する導電性の第１真空ダクトと、
前記第１真空ダクトの一端に接続され、内部に前記荷電粒子を加速する電場が発生する絶縁性の第２真空ダクトと、
一端において前記第１真空ダクトに垂直に接続された内導体と、
前記内導体を囲む環状の磁性体コアと、
前記第１および第２真空ダクトと、前記内導体と、前記磁性体コアとを囲む導電性の筐体と、を備える加速器。

【請求項8】

無同調高周波加速空胴のインピーダンス調整方法であって、
内部を荷電粒子が通過する導電性の第１真空ダクトと、
前記第１真空ダクトの一端に接続され、内部に前記荷電粒子を加速する電場が発生する絶縁性の第２真空ダクトと、
一端において前記第１真空ダクトに垂直に接続された内導体と、
前記内導体を囲む環状の磁性体コアと、
前記第１および第２真空ダクトと、前記内導体と、前記磁性体コアとを囲む導電性の筐体と、を備える無同調高周波加速空胴において、前記内導体の外径を調整することを含むインピーダンス調整方法。

【請求項9】

無同調高周波加速空胴のインピーダンス調整方法であって、
内部を荷電粒子が通過する導電性の第１真空ダクトと、
前記第１真空ダクトの一端に接続され、内部に前記荷電粒子を加速する電場が発生する絶縁性の第２真空ダクトと、
一端において前記第１真空ダクトに垂直に接続された内導体と、
前記内導体を囲む環状の磁性体コアと、
前記第１および第２真空ダクトと、前記内導体と、前記磁性体コアとを囲む導電性の筐体と、を備える無同調高周波加速空胴において、前記磁性体コアの内径を調整することを含むインピーダンス調整方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明による実施形態は、無同調高周波加速空胴、加速器および無同調高周波加速空胴のインピーダンス調整方法に関する。

【背景技術】

【0002】

無同調高周波加速空胴は、円盤状の磁性体コアと、磁性体コアの中心を貫通する金属ダクトすなわち内導体と、加速ギャップを有するセラミックダクトと、これら磁性体コア、金属ダクトおよびセラミックダクトを囲む筐体すなわち外導体とを備える。このような構成を有する無同調高周波加速空胴は、加速ギャップに発生する高周波電場でビームすなわち荷電粒子を加速する。磁性体コアにバイアス電流を印加することで入力高周波の変動に応じた共振周波数の制御を行う同調高周波加速空胴とは異なり、広帯域幅の高周波特性を有する磁性体コアを備えた無同調高周波加速空胴では、バイアス電流を印加する機構が省略されている。このため、無同調高周波加速空胴は、同調高周波加速空胴よりも高周波加速システムが簡略化できる。

【0003】

しかしながら、従来の無同調高周波加速空胴においては、ビームライン上に磁性体コアが配置されていた。このため、磁性体コアを交換する際には、ダクト内の真空を破ったうえで磁性体コアを交換し、磁性体コアの交換後にダクト内を再排気する必要があった。したがって、従来の無同調高周波加速空胴には、磁性体コアの設置作業が困難であるといった問題があった。また、従来の無同調高周波加速空胴は、ビームライン上で隣接する他の機器によって空間的な制約が課されていた。したがって、従来の無同調高周波加速空胴には、磁性体コアの枚数や厚さ等の磁性体コアの選択の自由度を向上させることが困難であるといった問題もあった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第３０５４７１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、磁性体コアの設置作業を簡便化し、かつ、磁性体コアの選択の自由度を向上させることが可能な無同調高周波加速空胴、加速器および無同調高周波加速空胴の調整方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本実施形態による無同調高周波加速空胴は、
内部を荷電粒子が通過する導電性の第１真空ダクトと、
内部に前記荷電粒子を加速する電場が発生する絶縁性の第２真空ダクトと、
一端において前記第１真空ダクトに垂直に接続された内導体と、
前記内導体を囲む環状の磁性体コアと、
前記第１および第２真空ダクトと、前記内導体と、前記磁性体コアとを囲む導電性の筐体と、を備える。

【0007】

本実施形態による加速器は、
無同調高周波加速空胴を備えた加速器であって、
前記無同調高周波加速空胴は、
内部を荷電粒子が通過する導電性の第１真空ダクトと、
内部に前記荷電粒子を加速する電場が発生する絶縁性の第２真空ダクトと、
一端において前記第１真空ダクトに垂直に接続された内導体と、
前記内導体を囲む環状の磁性体コアと、
前記第１および第２真空ダクトと、前記内導体と、前記磁性体コアとを囲む導電性の筐体と、を備える。

【0008】

本実施形態による無同調高周波加速空胴のインピーダンス調整方法は、
無同調高周波加速空胴のインピーダンス調整方法であって、
内部を荷電粒子が通過する導電性の第１真空ダクトと、
内部に前記荷電粒子を加速する電場が発生する絶縁性の第２真空ダクトと、
一端において前記第１真空ダクトに垂直に接続された内導体と、
前記内導体を囲む環状の磁性体コアと、
前記第１および第２真空ダクトと、前記内導体と、前記磁性体コアとを囲む導電性の筐体と、を備える無同調高周波加速空胴において、前記内導体の外径を調整することを含む。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、磁性体コアの設置作業を簡便化することができ、かつ、磁性体コアの選択の自由度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１Ａは、第１の実施形態を示す無同調高周波加速空胴の断面図であり、図１Ｂは、磁性体コアを図１ＡのＩＢ−ＩＢ断面で切断した断面図である。

【図2】第２の実施形態を示す磁性体コアの断面図である。

【図3】第３の実施形態を示す無同調高周波加速空胴の断面図である。

【図4】第４の実施形態を示す無同調高周波加速空胴の断面図である。

【図5】図５Ａは、第５の実施形態を示す無同調高周波加速空胴のインピーダンス調整方法において、調整前の加速空胴を示す断面図であり、図５Ｂは、インピーダンス増加後の加速空胴を示す断面図であり、図５Ｃは、インピーダンス減少後の加速空胴を示す断面図である。

【図6】図６Ａは、第６の実施形態を示す無同調高周波加速空胴のインピーダンス調整方法において、調整前の加速空胴を示す断面図であり、図６Ｂは、インピーダンス増加後の加速空胴を示す断面図であり、図６Ｃは、インピーダンス減少後の加速空胴を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

【0012】

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態として、１つの内導体と周方向に連続した磁性体コアとを備えた無同調高周波加速空胴について説明する。図１Ａは、第１の実施形態を示す無同調高周波加速空胴１の断面図である。図１Ｂは、磁性体コア１４を図１ＡのＩＢ−ＩＢ断面で切断した断面図である。

【0013】

第１の実施形態の無同調高周波加速空胴１は、シンクロトロン加速器などの円形加速器に用いることができる。図１Ａに示すように、第１の実施形態の無同調高周波加速空胴１は、第１真空ダクト１１と、第２真空ダクト１２と、内導体１３と、磁性体コア１４と、筐体１５すなわち外導体とを備える。第１真空ダクト１１と筐体１５との間には、高周波電源２が接続されている。

【0014】

第１真空ダクト１１は、ビームラインすなわちビーム軸１０に沿った筒形状を有している。また、第１真空ダクト１１は、導電性を有するように金属で形成されている。第１真空ダクト１１の内部には、真空状態においてビーム軸１０に沿って荷電粒子すなわちビームが通過する。

【0015】

第２真空ダクト１２は、第１真空ダクト１１の一端に接続され、ビームラインに沿った筒形状を有している。また、第２真空ダクト１２は、内部に加速ギャップ１２１を有している。また、第２真空ダクト１２は、絶縁性を有するようにセラミックで形成されている。第１真空ダクト１１と筐体１５との間に高周波電源２による高周波電力が印加されることで、加速ギャップ１２１には、高周波の加速電場が発生する。加速電場により、第１真空ダクト１１を通過する荷電粒子は加速される。

【0016】

内導体１３は、その一端において第１真空ダクト１１に垂直に接続されている。より具体的には、内導体１３は、不図示のフランジやネジなどの固定部材によって第１真空ダクト１１に着脱可能に接続されている。なお、図１Ａにおいて、内導体１３は、ビームラインに直交する方向に延びる円筒形状の金属ダクト（すなわち、金属パイプ）であるが、内導体１３として金属ダクトの代わりに金属棒を採用してもよい。

【0017】

磁性体コア１４は、内導体１３の外周面を包囲するように内導体１３の延伸方向に沿って複数配置されている。図１Ｂに示すように、磁性体コア１４は、周方向に連続した円環形状を有する。第１真空ダクト１１と筐体１５との間に高周波電源２による高周波電力が印加されることで、内導体１３には、磁性体コア１４を貫通するように電流が流れる。この電流により、磁性体コア１４の内部には、内導体１３の外周面に巻き付く方向の磁場が誘起されると共に、加速ギャップ１２１に加速電場が形成される。また、透磁率の高い磁性体コア１４を設けることで光路長を長くし、内導体１３の長さを抑制している。

【0018】

筐体１５は、第１真空ダクト１１と、第２真空ダクト１２と、内導体１３と、磁性体コア１４とを囲んでいる。筐体１５は、導電性を有するように金属で形成されている。また、筐体１５は接地されている。

【0019】

なお、第１真空ダクト１１および第２真空ダクト１２には、ビームライン上において他の真空ダクト３や電磁石４（例えば、四極電磁石や偏向電磁石）などの無同調高周波加速空胴１以外の加速器の構成部が接続されている。

【0020】

以上の構成を有する第１の実施形態の無同調高周波加速空胴１において、磁性体コア１４は、ビームラインから逸脱した内導体１３の外周に設置される。これにより、第１真空ダクト１１内の真空状態を破ることなく磁性体コア１４を容易に設置できる。また、内導体１３の外周に設置されるため、磁性体コア１４は、ビームライン上に隣接する他の機器による空間的な制約を受けない。これにより、ビームライン上に磁性体コアを設置する場合と比べて、磁性体コア１４の枚数や厚さを自由に選択できる。また、第２真空ダクト１２を磁性体コア１４に貫通させずに無同調高周波加速空胴１を輸送できるため、セラミック製の第２真空ダクト１２の破損のリスクを低減できる。

【0021】

したがって、第１の実施形態によれば、磁性体コア１４の設置作業を簡便化することができ、かつ、磁性体コア１４の選択の自由度を向上させることができ、かつ、第２真空ダクト１２の破損を抑制できる。

【0022】

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として、磁性体コア１４が周方向に分割された無同調高周波加速空胴１について説明する。第２の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図２は、第２の実施形態を示す磁性体コア１４の断面図である。図２は、図１Ｂに対応する断面図である。

【0023】

図２に示すように、第２の実施形態の磁性体コア１４は、周方向において２つのコア部１４１、１４２に等分されている。なお、磁性体コア１４の分割数は２つに限定されず、例えば、磁性体コア１４を３つ以上のコア部に分割してもよい。

【0024】

第２の実施形態の無同調高周波加速空胴１によれば、コア部１４１、１４２間の間隙を調整することで、磁性体コア１４の磁気抵抗を調整できる。これにより、共振周波数に対する半値幅の比であるＱ値を簡便に所望の値にすることができる。

【0025】

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態として、第２真空ダクト１２に対して対称の位置関係を有する複数の内導体１３を備えた無同調高周波加速空胴１について説明する。第３の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図３は、第３の実施形態を示す無同調高周波加速空胴１の断面図である。

【0026】

図３に示すように、第３の実施形態の無同調高周波加速空胴１は、第２真空ダクト１２上の対称点ｐを中心とした点対称の位置関係を有する２つの内導体１３を備える。各内導体１３は、ビームライン方向において第２真空ダクト１２を挟むように配置された２つの第１真空ダクト１１にそれぞれ接続されている。各内導体１３の外周には、複数の磁性体コア１４が配置されている。

【0027】

第３の実施形態において、高周波電源２は、２つの第１真空ダクト１１に対応するように２つ設けられている。なお、高周波電源２を２つ設ける代わりに、１つの高周波電源２の高周波電力を分配器で２つに分配してもよい。

【0028】

なお、第２真空ダクト１２に対して鏡像対称の位置関係を有するように２つの内導体１３を配置してもよいが、ビームライン方向のスペースを抑制する場合には、点対称の位置関係を有するように各内導体１３を配置することが好ましい。

【0029】

第３の実施形態の無同調高周波加速空胴１によれば、各第１真空ダクト１１に互いに逆位相の高周波電力を印加することで、第１の実施形態と比べて、高周波電圧Ｖの二乗を電力損失Ｐの２倍で除したシャントインピーダンスＶ^２／２Ｐの値を２倍に増加できる。これにより、第１の実施形態よりも高い加速電圧を得ることが可能となる。

【0030】

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態として、排気装置を備えた無同調高周波加速空胴１について説明する。第４の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図４は、第４の実施形態を示す無同調高周波加速空胴１の断面図である。図４では、高周波電源２の図示を省略している。

【0031】

図４に示すように、第４の実施形態の無同調高周波加速空胴１は、第１真空ダクト１１に接続された内導体１３の一端に相反する内導体１３の他端側に、排気装置１７を備える。また、内導体１３の内部は、第１真空ダクト１１を含む加速器のダクトの内部に連通している。排気装置１７は、内導体１３を通して加速器のダクト内を排気する。

【0032】

第４の実施形態の無同調高周波加速空胴１によれば、ビームラインから逸脱した内導体１３の端部に排気装置１７を設置することで、ビームライン上に排気装置を設置する場合と比べてビームライン上のスペースを有効利用できる。

【0033】

なお、第３の実施形態に示したように内導体１３を複数設ける場合、各内導体１３に対応するように排気装置１７を複数設けてもよい。

【0034】

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態として、内導体の外径に基づく無同調高周波加速空胴のインピーダンス調整方法について説明する。第５の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図５Ａは、第５の実施形態を示す無同調高周波加速空胴１のインピーダンス調整方法において、インピーダンス調整前の無同調高周波加速空胴１を示す断面図である。図５Ｂは、インピーダンス増加後の無同調高周波加速空胴１を示す断面図である。図５Ｃは、インピーダンス減少後の無同調高周波加速空胴１を示す断面図である。

【0035】

内導体１３がビームライン上から逸脱した位置に配置されていることで、無同調高周波加速空胴１においては、内導体１３を容易に変更することで、内導体１３と磁性体コア１４との間隔を容易に調整できる。内導体１３と磁性体コア１４との間隔を容易に調整できることで、無同調高周波加速空胴１のインピーダンスを容易に調整できる。例えば、図５Ｂに示すように、図５Ａの無同調高周波加速空胴１の内導体１３を、これよりも外径が大きい内導体１３に変更する（付け替える）ことで、インピーダンスを容易に増加できる。逆に、図５Ｃに示すように、図５Ａの無同調高周波加速空胴１の内導体１３を、これよりも外径が小さい内導体１３に変更することで、インピーダンスを容易に減少できる。なお、内導体１３として金属棒を用いる場合、金属棒を加工することで内導体１３の外径を減少させてもよい。

【0036】

第５の実施形態によれば、所望する性能に応じて無同調高周波加速空胴１のインピーダンスを容易に調整できる。

【0037】

（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態として、内導体の外径および磁性体コアの内径に基づく無同調高周波加速空胴のインピーダンス調整方法について説明する。第６の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図６Ａは、第６の実施形態を示す無同調高周波加速空胴１のインピーダンス調整方法において、インピーダンス調整前の無同調高周波加速空胴１を示す断面図である。図６Ｂは、インピーダンス増加後の無同調高周波加速空胴１を示す断面図である。図６Ｃは、インピーダンス減少後の無同調高周波加速空胴１を示す断面図である。

【0038】

第６の実施形態においては、例えば、図６Ｂに示すように、図６Ａの内導体１３を、これよりも外径が大きい内導体１３に変更し、図６Ａの磁性体コア１４を、これよりも内径が小さい磁性体コア１４に変更することで、インピーダンスを容易に増加できる。逆に、図６Ｃに示すように、図６Ａの内導体１３を、これよりも外径が小さい内導体１３に変更し、図６Ａの磁性体コア１４を、これよりも内径が大きい磁性体コア１４に変更することで、インピーダンスを容易に減少できる。

【0039】

第６の実施形態においても、第５の実施形態と同様に、所望する性能に応じて無同調高周波加速空胴１のインピーダンスを容易に調整できる。

【0040】

なお、内導体１３の外径を一定としたまま磁性体コア１４の内径を変更することでインピーダンスを調整してもよい。

【0041】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0042】

１ 無同調高周波加速空胴
１１ 第１真空ダクト
１２ 第２真空ダクト
１３ 内導体
１４ 磁性体コア
１５ 筐体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】