特許 6858075 高周波合成装置、及びサイクロトロンシステム

(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】6858075

(24)【登録日】2021年3月25日

(45)【発行日】2021年4月14日

(54)【発明の名称】高周波合成装置、及びサイクロトロンシステム

(51)【国際特許分類】

   H03F 3/60 20060101AFI20210405BHJP

   H05H 13/00 20060101ALI20210405BHJP

【ＦＩ】

   H03F3/60

   H05H13/00

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-101121(P2017-101121)

(22)【出願日】2017年5月22日

(65)【公開番号】特開2018-196098(P2018-196098A)

(43)【公開日】2018年12月6日

【審査請求日】2020年3月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100162640

【弁理士】

【氏名又は名称】柳 康樹

(72)【発明者】

【氏名】戸内 豊

(72)【発明者】

【氏名】熊田 幸生

【審査官】 渡井 高広

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／０３２９４２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０２−１９６５０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−２０１４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２５７７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０３８７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５４−０６０６９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｆ ３／６０

Ｈ０５Ｈ １３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高周波電源からの信号を増幅する複数の増幅器と、
複数の前記増幅器からの信号を合成する合成器と、を備え、
前記合成器は、
軸方向に延びる筒形状の外導体と、
前記外導体の内部において、前記軸方向に延びる内導体と、
前記内導体の一端側において当該内導体と対向する位置において、前記外導体の側壁から内部へ進入するように設けられ、対応する前記増幅器からの信号を前記内導体へ入力する複数の入力部と、
前記内導体の一端側において当該内導体と対向する位置において、前記外導体の端壁から内部へ進入するように設けられ、複数の前記入力部から前記内導体へ入力されて合成された信号を外部へ出力する出力部と、
前記内導体の他端側において前記外導体と前記内導体とを接続する短絡部と、を備え、
前記短絡部は、前記軸方向に移動可能であり、前記軸方向における前記内導体と前記外導体との接続位置を変更可能である、高周波合成装置。

【請求項2】

請求項１に記載の高周波合成装置と、
前記高周波合成装置から出力された高周波電力が入力され、前記高周波電力によって荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射するサイクロトロンと、を備えるサイクロトロンシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高周波合成装置、及びサイクロトロンシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、このような分野の技術として、例えば非特許文献１が知られている。非特許文献１（例えば非特許文献１中の図７）に記載された高周波合成装置は、ＴＭ_０１０モードの共振器を利用して高周波の信号を合成している。この高周波合成装置は、円筒状の導体の側壁に対して、高周波の信号を入力する入力部が設けられている。入力部は、円筒状の導体の側壁に対し、周方向及び軸方向に複数設けられている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】J.Jacob, J.-M.Mercier, M.Langlois, G.Gautier, “352.2MHz - 150KW SOLID STATEAMPLIFIERS AT THE ESRF”, Proceedings of IPAC2011, Spain

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、上述の高周波合成装置では、例えば１００ＭＨｚ程度の低い周波帯の出力を得ようとした場合に、特性上の制約から円筒状の導体の径が大きくなる（例えば数ｍ程度となる）という問題がある。更に、上述の方式による高周波合成装置では、信号の周波数を変えることができず、異なる周波数の信号を取り扱う場合は装置自体を変更しなくてはならないという問題もある。

【0005】

本発明は、装置の径が大きくなることを抑制し、且つ、信号の周波数を変更可能な高周波合成装置、及びサイクロトロンシステム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】

本発明に係る高周波合成装置は、高周波電源からの信号を増幅する複数の増幅器と、増幅器からの信号を合成する合成器と、を備え、合成器は、軸方向に延びる筒形状の外導体と、外導体の内部において、軸方向に延びる内導体と、内導体の一端側において当該内導体と対向する位置において、外導体の側壁から内部へ進入するように設けられ、対応する増幅器からの信号を内導体へ入力する複数の入力部と、内導体の一端側において当該内導体と対向する位置において、外導体の端壁から内部へ進入するように設けられ、複数の入力部から内導体へ入力されて合成された信号を外部へ出力する出力部と、内導体の他端側において外導体と内導体とを接続する短絡部と、を備え、短絡部は、軸方向に移動可能であり、軸方向における内導体と外導体との接続位置を変更可能である。

【0007】

本発明に係る高周波合成装置において、複数の増幅器からの信号を合成する合成器は、外導体、及び内導体を備えており、内導体の一端側に各増幅器からの信号を入力する複数の入力部と、複数の前記入力部から前記内導体へ入力されて合成された信号を外部へ出力する出力部と、を備えている。また、合成器は、内導体の他端側において外導体と内導体とを接続する短絡部を備えている。このような構成では、信号の共振周波数は、軸方向への内導体と外導体の長さ、及びそれに対して設けられた短絡部の軸方向における位置に基づいて決めることができる。そのため、低い周波数帯の信号を取り使う場合に、外導体及び内導体の径を大きくしなくともよい。また、短絡部は、軸方向に沿って移動可能であり、軸方向における内導体と外導体との接続位置を変更可能である。従って、短絡部の軸方向における位置を調整することで、信号の周波数を変更することができる。以上により、装置の径が大きくなることを抑制し、且つ、信号の周波数を変更可能となる。

【0008】

本発明に係るサイクロトロンシステムは、上述の高周波合成装置と、高周波合成装置から出力された高周波電力が入力され、高周波電力によって荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射するサイクロトロンと、を備える。

【0009】

本発明に係るサイクロトロンシステムによれば、上述の高周波合成装置と同様の作用・効果を得ることができる。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、装置の径が大きくなることを抑制し、且つ、出力の周波数を変更可能な高周波合成装置、及びサイクロトロンシステムを提供する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施形態のサイクロトロンシステムの概略構成図である。

【図2】サイクロトロンの概略構成を示す斜視図である。

【図3】合成器を軸方向から見た図である。

【図4】図３に示すＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0013】

図１は、本実施形態のサイクロトロンシステムの概略構成図である。図２は、サイクロトロンの概略構成を示す斜視図である。図１に示されるように、サイクロトロンシステム１００は、サイクロトロン１と、高周波合成装置１０と、を備えている。

【0014】

図１及び図２に示す様に、サイクロトロン１は、イオン源（不図示）から入射される荷電粒子を加速して、加速した荷電粒子線（ビーム）を出射する加速器である。荷電粒子としては、例えば水素イオン、炭素イオン、電子などが挙げられる。サイクロトロン１は、荷電粒子を通過させ加速するための平面視円形の加速空間２を備えている。ここでは、加速空間２が水平に延在するようにサイクロトロン１が設置されているものとする。以下の説明で「上」、「下」の概念を含む語を用いる場合には、図１に示す状態のサイクロトロン１の上下に対応するものとする。

【0015】

サイクロトロン１は、加速空間２の下方及び上方に設けられた磁極３を備えている。なお、加速空間２の上方の磁極３は図示を省略している。磁極３は、加速空間２に、鉛直方向の磁場を発生させる。

【0016】

サイクロトロン１は、平面視扇形のディ電極４を備えている。ディ電極４は、真空部５で画成された真空空間において、高周波電場を発生させる。ディ電極４は、周方向に貫通された空洞を有しており、当該空洞が上記の加速空間２の一部をなす。また、ディ電極４の周方向の端部と対向する位置にダミーディ電極６が設けられている。高周波合成装置１０がカップリング部９（図１参照）を介してディ電極４に高周波の交流電力を付与することで、ディ電極４とダミーディ電極６は周方向の電場を加速空間２に発生させ、当該電場によって荷電粒子が加速される。加速空間２の略中央に導入された荷電粒子は、磁極３による磁場とディ電極４による電場との作用により、加速空間２内において水平な渦巻き状の周回軌道Ｋを描きながら加速される。加速された荷電粒子は、最終的には周回軌道Ｋの接線方向へ出射される。

【0017】

図１に示すように、高周波合成装置１０は、高周波電源５０からの信号を増幅する複数の増幅器１１と、複数の増幅器１１からの信号を合成する合成器１２と、を備えている。高周波合成装置１０は、多数の増幅器１１で増幅した信号を合成することによって、大電力の出力を行う装置である。各増幅器１１は、高周波電源５０から引き出されて分岐した信号線１３に接続され、高周波電源５０からの信号の電圧又は電力を増幅する。また、各増幅器１１は、信号線１４を介して、合成器１２の各入力部へ増幅した信号を出力する。なお、本実施形態では、合成する信号の数は８個（図３参照）であり、それに合わせて増幅器１１は８個設けられる。しかし、合成する信号の数は特に限定されず、２つ以上であり、且つ、後述の合成器１２に構造上設けることができる範囲内の数であれば特に限定されない。

【0018】

次に、図３及び図４を参照して、合成器１２の構成について説明する。合成器１２は、TEMモードの空洞共振器を合成器として用いることによって構成されている。合成器１２の共振周波数は特に限定されないが、例えば１００MHz程度の低い周波数であっても、装置の径を過度に大きくすることなく、取り扱うことができる。図３及び図４に示すように、合成器１２は、外導体２１と、内導体２２と、複数の入力部２３と、出力部２４と、短絡部２６と、を備えている。

【0019】

外導体２１は、軸方向に延びる筒形状の部材である。外導体２１は、同一断面形状にて中心軸ＣＬに沿って延びる筒状の側壁３１と、側壁３１の一端側において、側壁３１の開口部を塞ぐように設けられる端壁３２と、を備える。なお、本実施形態では、側壁３１の断面形状及び端壁３２の形状は、合成する信号が８個であることに合わせて正八角形状に形成されている。ただし、側壁３１の断面形状及び端壁３２の形状は、合成する信号の数に合わせて適宜変更してもよく、円形などであってもよい。

【0020】

内導体２２は、外導体２１の内部において、外導体２１の軸心に沿って延びる筒形状の部材である。内導体２２は、同一断面形状にて中心軸ＣＬに沿って延びる筒状の側壁３３と、側壁３３の一端側において、側壁３３の開口部を塞ぐように設けられる端壁３４と、を備える。なお、本実施形態では、側壁３３の断面形状及び端壁３４の形状は、合成する信号が８個であることに合わせて正八角形状に形成されている。ただし、側壁３３の断面形状及び端壁３４の形状は、合成する信号の数に合わせて適宜変更してもよく、円形などであってもよい。側壁３３の中心軸ＣＬと直交する方向における寸法は、外導体２１の側壁３１よりも小さい。従って、内導体２２の側壁３３は、外導体２１の側壁３１に対して内周側で対向するように配置される。また、端壁３４は、側壁３３の断面形状よりも中心軸ＣＬと直交する方向における寸法が大きく、側壁３１の断面形状よりも中心軸ＣＬと直交する方向における寸法が小さい。従って、内導体２２の側壁３３は、外導体２１の側壁３１に対して内周側で対向するように配置される。また、端壁３４は、端壁３２から軸方向に離間した位置に配置されている。

【0021】

入力部２３は、内導体２２の一端側において当該内導体２２と対向する位置において、外導体２１の側壁３１から内部へ進入するように設けられ、対応する増幅器１１からの信号を内導体２２へ入力する。入力部２３は、増幅器１１の数に応じて、中心軸ＣＬまわりに等間隔に設けられる。本実施形態では、増幅器１１は８個であり、外導体２１の断面形状も正八角形であるため、側壁３１の８つの面のそれぞれに対して、各入力部２３が設けられる（図３参照）。本実施形態では、入力部２３は、内導体２２の端壁３４と対向する位置に設けられる。入力部２３は、外導体２１の外部へ突出する端子部３６と、端子部３６から外導体２１の内部へ延びる軸部３７と、軸部３７の先端で内導体２２と対向する導電板３８と、を備える。導電板３８は、内導体２２の端壁３４の側面３４ａと対向している。これにより、導電板３８と端壁３４の側面３４ａとの間には、静電容量部Ｃ１が形成される。

【0022】

静電容量部Ｃ１の静電容量の大きさは、増幅器１１から合成器１２へ信号を効率良く入力可能となるように設定される。例えば、増幅器１１からの信号線１４と入力部２３の端子部３６との結合部を基準としたとき、当該結合部から見たときの増幅器１１側のインピーダンス（一般的には５０Ω伝送ラインが用いられるので、５０Ωと考えてよい）と、結合部から見た時の合成器１２側のインピーダンスとが、同じとなるように、静電容量部Ｃ１の静電容量の大きさが設定される。特に、本実施形態では増幅器１１及び入力部２３が複数個設けられているので、一つの入力部２３における静電容量部Ｃ１の静電容量の大きさを設定する際は、他の入力部２３の影響も考慮する。

【0023】

出力部２４は、内導体２２の一端側において当該内導体２２と対向する位置において、外導体２１の端壁３２から内部へ進入するように設けられ、複数の入力部２３から内導体２２へ入力されて合成された信号を外部へ出力する。出力部２４は、外導体２１の端壁３２の中心軸ＣＬ上に設けられる。出力部２４は、外導体２１の外部へ突出する端子部４１と、端子部４１から外導体２１の内部へ延びる軸部４２と、軸部４２の先端で内導体２２と対向する導電板４３と、を備える。導電板４３は、内導体２２の端壁３４の端面３４ｂと対向している。これにより、導電板３８と端壁３４の端面３４ｂとの間には、静電容量部Ｃ２が形成される。

【0024】

静電容量部Ｃ２の静電容量の大きさは、合成器１２からサイクロトロン１へ信号を効率良く出力可能となるように設定される。例えば、合成器１２からの信号線１５と出力部２４の端子部４１との結合部を基準としたとき、当該結合部から見たときのサイクロトロン１側のインピーダンスと、結合部から見た時の合成器１２側のインピーダンスとが、同じとなるように、静電容量部Ｃ２の静電容量の大きさが設定される。

【0025】

短絡部２６は、内導体２２の他端側において外導体２１と内導体２２とを接続する部材である。短絡部２６は、内導体２２及び外導体２１の断面形状に対応した環状の板状部材である。短絡部２６は、外導体２１の側壁３１、及び内導体２２の側壁３３とコンタクト部材４６を介して接触している。短絡部２６は、軸方向に移動可能であり、軸方向における内導体２２と外導体２１との接続位置を変更可能である。短絡部２６には、外導体２１の他端側から延びる操作部４７が接続されている。操作部４７は、短絡部２６を軸方向に往復移動させる部材であり、外導体２１の外部に設けられたアクチュエータ（不図示）と接続されている。あるいは、操作部４７は、作業者の操作によって短絡部２６を移動させてもよい。短絡部２６の軸方向の位置を変更することで、合成器１２の共振周波数を変更することができる。短絡部２６を入力部２３側に近い位置に配置するほど、共振周波数が高くなる。

【0026】

以上のような構成を有する高周波合成装置１０の動作について説明する。複数の増幅器１１から複数の入力部２３に高周波の信号が入力されると、静電容量部C１でのカップリングにより高周波の信号が内導体２２へ入力される。各入力部２３から内導体２２へ入力された高周波の信号は、当該内導体２２にて合成される。内導体２２で合成された高周波の信号は、静電容量部Ｃ２でのカップリングにより出力部２４からサイクロトロン１へ出力される。

【0027】

ここで、内導体２２は外導体２１と短絡部２６にて短絡されている。従って、外導体２１に対する内導体２２の電圧は、短絡部２６の位置で０となり、短絡部２６とは反対の端壁３４側へ向かうにしたがって大きくなり、端壁３４の位置にて最も大きくなる。ＴＥＭモードの高周波の信号のカップリングは、電圧が高い箇所にて行う必要があるため、入力部２３は、内導体２２の端壁３４に対向する位置に設けられる。なお、外導体２１に対する内導体２２の電圧の大きさは、内導体２２の径Ｄ１と外導体２１の径Ｄ２との比に基づいて設定される。

【0028】

高周波合成装置１０は、軸方向における信号の回路長を調整することで、信号の共振周波数を調整することができる。すなわち、高周波合成装置１０は、短絡部２６の軸方向における位置を調整することで、信号の回路長を調整できる。従って、低い周波数の信号、すなわち、波長の長い信号を取り扱う場合、外導体２１及び内導体２２の径を大きくする事に代えて、外導体２１及び内導体２２の軸方向の長さを大きくし、入力部２３からの短絡部２６の距離を大きくすればよい。具体的には、合成器１２の共振周波数を１００ＭＨｚとする場合、当該周波数の波長（λ）は３００ｃｍとなる。このとき、ＴＥＭモードの信号を扱う合成器１２の回路長は「λ／４＝７５ｃｍ」とすればよい。図４に示す構成においては、例えば、コンデンサの容量を無視できる場合には、端壁３２の内表面から短絡部２６までの距離を回路長と見なしてよい。従って、当該回路長を確保できる程度に、外導体２１及び内導体２２の軸方向における全長を設定し、短絡部２６の位置を微調整することによって、回路長を７５ｃｍにすればよい。一方、Ｍ_０１０モードの共振器を利用して高周波の信号を合成する場合、特性上の制約から円筒状の導体の径を大きく（例えば共振周波数が１００ＭＨｚの場合は径が数ｍ程度となる）としなくてはならない。サイクロトロンシステム１００の設置の都合上、合成器の径が大きくなることに比べて、軸方向の長さが長くなる方が、利便性が高い。よって、本実施形態の合成器１２のように軸方向の長さを長くできる構造は、設置上の利便性が高い。

【0029】

本実施形態に係る高周波合成装置１０、及びサイクロトロンシステム１００の作用・効果について説明する。

【0030】

本実施形態に係る高周波合成装置１０において、複数の増幅器１１からの信号を合成する合成器１２は、外導体２１、及び内導体２２を備えており、内導体２２の一端側に各増幅器１１からの信号を入力する複数の入力部２３と、複数の入力部２３から内導体２２へ入力されて合成された信号を外部へ出力する出力部２４と、を備えている。また、合成器１２は、内導体２２の他端側において外導体２１と内導体２２とを接続する短絡部２６を備えている。このような構成では、信号の共振周波数は、軸方向への内導体２２と外導体２１の長さ、及びそれに対して設けられた短絡部２６の軸方向における位置に基づいて決めることができる。そのため、低い周波数帯の信号を取り使う場合に、外導体２１及び内導体２２の径を大きくしなくともよい。また、短絡部２６は、軸方向に沿って移動可能であり、軸方向における内導体２２と外導体２１との接続位置を変更可能である。従って、短絡部２６の軸方向における位置を調整することで、信号の周波数を変更することができる。以上により、装置の径が大きくなることを抑制し、且つ、信号の周波数を変更可能となる。

【0031】

本実施形態に係るサイクロトロンシステム１００は、上述の高周波合成装置１０と、高周波合成装置１０から出力された高周波電力が入力され、高周波電力によって荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射するサイクロトロン１と、を備える。

【0032】

本実施形態に係るサイクロトロンシステム１００によれば、上述の高周波合成装置１０と同様の作用・効果を得ることができる。

【0033】

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

【0034】

例えば、高周波合成装置の構成は図３及び図４に示すものに限定されず、各構成要素の配置や形状は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更してもよい。

【0035】

また、高周波合成装置によって合成された高周波電力の出力先としてサイクロトロンを例示したが、他の対象物に使用してもよい。

【符号の説明】

【0036】

１…サイクロトロン、１０…高周波合成装置、１１…増幅器、１２…合成器、２１…外導体、２２…内導体、２３…入力部、２４…出力部、２６…短絡部、１００…サイクロトロンシステム。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】