特許 7550702 加速空洞

(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】

(24)【登録日】2024-09-05

(45)【発行日】2024-09-13

(54)【発明の名称】加速空洞

(51)【国際特許分類】

   H05H 7/18 20060101AFI20240906BHJP

   H05H 9/04 20060101ALI20240906BHJP

   H05H 9/00 20060101ALI20240906BHJP

【ＦＩ】

H05H7/18

H05H9/04

H05H9/00 B

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021064559

(22)【出願日】2021-04-06

(65)【公開番号】P2022160053

(43)【公開日】2022-10-19

【審査請求日】2024-02-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002941

【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】葛西 裕磨

【審査官】藤本 加代子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０１６８３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５１７０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０６７４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００２／０１９０６７０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－０９６３８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２６６４５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｈ ３／００－１５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷電粒子ビームの出入口である２つのビームポート、
前記荷電粒子ビームの通過経路に配置されたドリフトチューブ、
前記ドリフトチューブを支持するステム、
前記ステムに変形力を付与することにより、前記ドリフトチューブの設置位置を互いに独立な３軸方向に変位させる変形力付与機構、
を備えたことを特徴とする加速空洞。

【請求項2】

前記変形力付与機構は、
前記荷電粒子ビームを加速する加速電界強度が前記通過経路の上流側と下流側とで予め定められた値となるように前記ドリフトチューブと前記ビームポート間の距離を変位させるとともに、前記ドリフトチューブの軸と前記２つのビームポートの中心を結ぶビーム軸とが一致するように前記ドリフトチューブの設置位置を変位させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の加速空洞。

【請求項3】

前記加速空洞はスポーク型空洞であって、
前記変形力付与機構は、前記ドリフトチューブと接続され、前記ドリフトチューブに、互いに直交する３軸方向の変形力を付与する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の加速空洞。

【請求項4】

前記加速空洞は超伝導材料で構成され、冷媒で冷却することにより電気抵抗をゼロに近づけるスポーク型加速空洞であって、
前記加速空洞の外周側に配置され、前記加速空洞との隙間に前記加速空洞を冷却する前記冷媒が充填されるジャケットと、
前記ジャケットと前記ドリフトチューブとをベローズを介して接続する可動胴と、
を備え、
前記変形力付与機構の反力受けは、前記ジャケットの外周部に設けられるとともに、前記変形力付与機構は前記可動胴と接続されている、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の加速空洞。

【請求項5】

前記ドリフトチューブと接続され、関節棒、調整棒、ワイヤー、および巻取機構により、前記ドリフトチューブに変形力を付与する、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の加速空洞。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、加速空洞に関するものである。

【背景技術】

【0002】

電子、あるいは陽子などの荷電粒子ビーム（以下、単にビームとも呼ぶ）を、高周波を共振させて発生する電界を用いて加速する加速空洞が知られている。ビーム加速軸上に、パイプ状のビームポートとドリフトチューブが配置され、ドリフトチューブとビームポートに挟まれたギャップ空間に生じる電界で荷電粒子を加速する。電界強度はギャップ空間の長さに依存する。粒子を効率よく加速させるためには、粒子の通過経路であるドリフトチューブの中心軸をビーム軸に対し高精度に位置合わせする必要がある。設計通りの加速電界強度を達成するために、ドリフトチューブの設置位置についてビーム軸を基準に合わせ、ドリフトチューブとビームポートに挟まれたギャップ空間を合わせる必要がある。

【0003】

加速空洞には、超伝導材料を用いた超伝導加速空洞がある。冷媒で冷却することで超伝導化する。これにより超伝導加速空洞の電気抵抗がほぼゼロになり、電力損失なく荷電粒子の加速を効率良く行うことができる。超伝導加速空洞では、特異点による超伝導状態の破れを防ぐため、滑らかな内面が要求される。

【0004】

特許文献１では、ドリフトチューブ上部の空洞外部に位置調整機構を設け、ドリフトチューブの中心軸位置を１軸方向のみ調整可能とする方法が記載されている。

【0005】

特許文献２では、ドリフトチューブ上部に位置調整できる構造を設け、ドリフトチューブの中心軸位置を２軸方向で調整可能とする方法が記載されている。

【0006】

特許文献３では、多連型超伝導加速空洞において、ビーム軸方向に変形機構を設け、セルに弾性変形力を与えてビーム軸方向の位置調整を可能とする方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開平4-118900号公報

【文献】特開2009－205939号公報

【文献】特開平11－67498号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

特許文献１に記載の技術は、ドリフトチューブの高さを空洞外表面に設けた貫通穴を通して調整するものであるため、滑らかな内面を要求される超伝導加速空洞には適用できない。また調整はビーム軸に対し鉛直方向のみに限定されており、ビーム軸方向及び水平方向への調整は出来ない。

【0009】

特許文献２に記載の技術は、ドリフトチューブの位置を空洞外表面に設けた貫通穴を通して調整するものであるため、滑らかな内面を要求される超伝導加速空洞には適用できない。また調整はビーム軸方向及び水平方向に限定されており、高さ方向の調整は出来ない。

【0010】

特許文献３に記載の技術は、多連型超伝導加速空洞のセル境界部のビーム軸方向の調整のみであり、ビーム軸に対し鉛直方向及び水平方向への調整は出来ない。

【0011】

本願は上記のような課題を解決するためになされたものであり、ドリフトチューブの位置を３軸方向(ビーム軸方向、ビーム軸を含む面内でビーム軸に直交する方向、およびこれら２方向に直交する方向)に容易に調整できる機能を有する加速空洞を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本願に開示される加速空洞は、
荷電粒子ビームの出入口である２つのビームポート、
前記荷電粒子ビームの通過経路に配置されたドリフトチューブ、
前記ドリフトチューブを支持するステム、
前記ステムに変形力を付与することにより、前記ドリフトチューブの設置位置を互いに独立な３軸方向に変位させる変形力付与機構、
を備えたものである。

【発明の効果】

【0013】

本願に開示される加速空洞によれば、ドリフトチューブの位置を３軸方向(ビーム軸方向、ビーム軸を含む面内でビーム軸に直交する方向、およびこれら２方向に直交する方向)に容易に調整できる機能を有する加速空洞を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施の形態１に係る加速空洞の概略構成の一例を示す断面模式図である。

【図2】実施の形態１に係る加速空洞の一例であるスポーク型加速空洞の要部の斜視図である。

【図3】図２のスポーク型加速空洞の要部の断面模式図である。

【図4】実施の形態１に係る加速空洞の一例であるＱＷＲ型加速空洞（Quarter Wave Resonator）を示す断面模式図である。

【図5】実施の形態２に係る加速空洞の一例である常伝導スポーク型加速空洞を示す断面模式図である。

【図6】実施の形態３に係る加速空洞の一例である超伝導スポーク型加速空洞を示す断面模式図である。

【図7】実施の形態４に係る加速空洞の一例である別のＱＷＲ型加速空洞を示す断面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本願は、高周波電場を用いて荷電粒子ビームを加速する加速空洞に関し、特にスポーク型空洞（Spoke cavity）およびＱＷＲ型空洞（Quarter Wave Resonator）に関するものである。これらの加速空洞では、一般に、陽子、あるいは重イオンなどで粒子速度が光速に比べ、その比が比較的小さい（０．５より小さい）領域において、加速に寄与するギャップ長を広くとるために、比較的低い周波数が用いられる。

【0016】

実施の形態１．
以下、この実施の形態１に係る加速空洞１００について、図１～図３に基づいて説明する。図１は、実施の形態１に係る加速空洞１００の概略構成を示す断面模式図である。図１に示すように、加速空洞１００では、一般的に空洞壁５内に複数のドリフトチューブ２が、イオンが通過するビーム軸６方向に複数個配列されている。

【0017】

図１では、簡単のためドリフトチューブ２が７個配列されているものを図示しているが、さらに多くのドリフトチューブが配列されることが多い。なお、空洞壁５内は真空にされている。各ドリフトチューブは、前記ビーム軸６に沿って中央に貫通孔が設けられた円筒形をしており、ステム３により前記空洞壁５に支持されている。この図１では、隣り合うドリフトチューブのステム３が交互に反対側に延びている例を示している。

【0018】

通常、加速空洞では、空洞壁５内に図示しない高周波発生器から高周波電力を供給し、隣り合うドリフトチューブ間の間隙（以降ドリフトチューブ間隙と呼ぶ）Ｇ１、Ｇ２、…、Ｇ６に高周波電界を発生させ、この高周波電界によってビーム軸６に沿って進むイオンを加速する。以下、上述の課題を解決するため、これらのドリフトチューブの位置を調整してドリフトチューブ間の間隙を変位させる具体的な装置構成について詳しく説明する。

【0019】

まず、上述のドリフトチューブ２の位置を調整するための具体例について、図２、図３を用いて説明する。図２は、代表的な加速空洞１００の１つであるスポーク型加速空洞１０１の一例を示す斜視図、図３は、このスポーク型加速空洞１０１の断面模式図である。これらは、共に、シングルスポーク型加速空洞の一例を示している。ここで、図３（ａ）は、このシングルスポーク型加速空洞の正面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡＡに沿った断面図である。

【0020】

また、図２、図３（ａ）、図３（ｂ）において、上述のスポーク型加速空洞１０１は、２つの荷電粒子のビームポート１と１つのドリフトチューブ２と、このドリフトチューブ２を支持する１つのステム３を備える。ドリフトチューブ２には、支持棒４が取り付けられる。この支持棒４は、ステム３内を通る。

【0021】

ここで、上述の両ビームポート１の中心を通る軸がビーム軸に相当する。ビーム軸の長手方向をＸ軸、このビーム軸を含む面内の方向であってビーム軸に直交する方向をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸がなす平面から鉛直方向をＺ軸とする。従って、これら３軸は互いに直交する（互いに独立な）３次元の軸となっている。

【0022】

また、加速空洞の外部に、Ｘ軸方向の変形力付与機構１１、Ｙ軸方向の変形力付与機構１２、Ｚ軸方向の変形力付与機構１３を設置し、ドリフトチューブ２は支持棒４を介して前述の変形力付与機構１１、１２、１３と接続される。なお、上述のＸ軸方向の変形力付与機構１１、Ｙ軸方向の変形力付与機構１２、およびＺ軸方向の変形力付与機構１３を合わせた変形力付与機構を総称して変形力付与機構とも呼ぶ。

【0023】

Ｘ軸方向の変形力付与機構１１を調整する（動作させる）ことで、支持棒４を介してドリフトチューブのＸ軸方向位置を調整する。これにより、ドリフトチューブ２とビームポート１がなすギャップ空間の距離を予め与えられた値に調整することができ、荷電粒子ビームの上流側と下流側の加速電界強度を均一化することができる。

【0024】

Ｙ軸方向の変形力付与機構１２及びＺ軸方向の変形力付与機構１３を調整する（動作させる）ことで、ドリフトチューブの軸の位置を移動させてビーム軸に合わせることができる。
以上により、ドリフトチューブの位置を３次元に移動させてドリフトチューブの位置を調整することができる。これにより、加速電界の軸外方向の成分を抑え、効率的に荷電粒子ビームを加速させることができる。

【0025】

別の加速空洞の一例として、図４にＱＷＲ型加速空洞１０２の一例を示す。ここで、図４（ａ）はＱＷＲ型加速空洞１０２の正面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡＡに沿った断面図である。

【0026】

当該加速空洞は、２つのビームポート１とドリフトチューブ２と空洞壁５及びステム３を備える。ドリフトチューブ２には、ステム３内を通過する支持棒４が取り付けられる。加速空洞の外部には、Ｘ軸方向の変形力付与機構１１、Ｙ軸方向の変形力付与機構１２、Ｚ軸方向の変形力付与機構１３が設置され、ドリフトチューブ２は支持棒４を介して前述の変形力付与機構１１、１２、１３と接続される。

【0027】

Ｘ軸方向の変形力付与機構１１を調整することで、支持棒４を介してドリフトチューブ２にＸ軸方向の変形力を与える。これにより、ドリフトチューブ２とビームポート１がなすギャップ空間の距離を調整することができ、荷電粒子ビームの上流側と下流側の加速電界強度を均一化することができる。または意図的に荷電粒子ビームの上流側と下流側の加速電界強度に差異を生じさせることもできる。

【0028】

Ｙ軸方向の変形力付与機構１２及びＺ軸方向の変形力付与機構１３を調整することで、支持棒４を介してドリフトチューブ２にＹ軸方向及びＺ軸方向の変形力を与える。これにより、ドリフトチューブ２の軸の位置を移動させてビーム軸に合わせることができる。この結果、加速電界の軸外方向の成分を抑え、効率的に荷電粒子ビームを加速させることができる。

【0029】

実施の形態２．
次に、実施の形態２の加速空洞の一例について図５を用いて説明する。図５に示す実施形態２に係る加速空洞は、例えば、冷媒貯槽を有しない常伝導スポーク型加速空洞１０３である。ここで、図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡＡに沿った断面図である。

【0030】

Ｘ軸方向の変形力付与機構１１、Ｙ軸方向の変形力付与機構１２及びＺ軸方向の変形力付与機構１３は、それぞれ回転駆動部１４とボールねじ１５及び反力受け１６で構成される。反力受け１６は加速空洞の外表面に接続される。

【0031】

支持棒４にはねじ穴があけられ、ボールねじ１５が通されている。ボールねじ１５は、軸受板１７を介して、反力受け１６に支持されている。この反力受け１６と前記軸受板１７は、互いに滑るものとする。

【0032】

Ｘ軸方向の変形力付与機構１１、Ｙ軸方向の変形力付与機構１２及びＺ軸方向の変形力付与機構１３のそれぞれの回転駆動部１４の駆動軸が回転すると、それぞれのボールねじ１５が回転し、支持棒４はこの回転軸により、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動する。支持棒４と固定されたドリフトチューブ２もこの動きに追従する変形力を受ける。

【0033】

上記機構により、ドリフトチューブ２の位置を３軸(Ｘ軸:ビーム軸方向、Ｙ軸:水平方向、Ｚ軸:鉛直方向)、すなわち３次元に移動させて容易に調整することができる。

【0034】

実施の形態３．
次に、実施の形態３に係る加速空洞の一例について図６を用いて説明する。図６に示す実施形態３に係る加速空洞は、例えば、超伝導スポーク型加速空洞１０４である。当該加速空洞は、その外周に冷媒が充填されるジャケット１８と、ジャケット１８とベローズ１９で接続される可動胴２０とを備える。なお、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡＡに沿った断面図である。

【0035】

可動胴２０は支持棒４と接続されている。可動胴の外周にねじ穴の開いた座を設け、前記Ｘ軸方向の変形力付与機構１１、前記Ｙ軸方向の変形力付与機構１２及び前記Ｚ軸方向の変形力付与機構１３のボールねじ１５に接続されている。

【0036】

Ｘ軸方向の変形力付与機構１１、Ｙ軸方向の変形力付与機構１２及びＺ軸方向の変形力付与機構１３のそれぞれの回転駆動部１４が回転すると、それぞれのボールねじ１５が回転し、可動胴は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動する。それにより、支持棒４及び支持棒４と接続されたドリフトチューブ２が、移動に追従するような変形力を受ける。

【0037】

上記機構により、滑らかな内面が要求され、かつ加速空洞の外部に冷媒が充填されるジャケットを有する超伝導加速空洞においても、加速空洞の内部に何らかを突出さることなくドリフトチューブ２の位置を３軸(Ｘ軸:ビーム軸方向、Ｙ軸:水平方向、Ｚ軸:鉛直方向)、すなわち３次元に移動させて容易に調整することができる。

【0038】

実施の形態４．
次に、実施の形態４に係る加速空洞の一例について図７を用いて説明する。
実施形態４に係る加速空洞としては、例えば、図７に示すＱＷＲ型加速空洞１０５が挙げられる。なお、図７（ａ）は、このＱＷＲ型加速空洞１０５の正面図、図７（ｂ）は図７（ａ）の点線で囲った部分のうち、ＢＢに沿った要部断面図、図７（ｃ）は図７（ａ）の点線で囲った部分のうち、Ｃ矢視の要部を示す図、図７（ｄ）は、図７（ｂ）の点線で囲ったＤ部で示した巻取機構の拡大図である。なお、図７（ｄ）中の白抜きの矢印は、この巻取機構の回転方向を示す。

【0039】

なお、上記実施の形態２及び３では、Ｘ軸方向の変形力付与機構１１、Ｙ軸方向の変形力付与機構１２及びＺ軸方向の変形力付与機構１３による変形力でドリフトチューブ位置を調整する例について述べたが、本実施の形態４に係る加速空洞は、以下に説明するように、上記実施の形態２及び３とは異なる形態となっている。

【0040】

図７において、加速空洞のドリフトチューブ２に取り付け座５１が取り付けられ、それに関節棒５２が接続され、それにＺ軸方向調整棒５３が接続されている。そして、当該調整棒は、支持座５４に、例えば、ねじで固定されている。取り付け座５１と関節棒５２の接続部分は球面となっており、傾きの自由度を持つ。関節棒５２とＺ軸方向調整棒５３の接続部は球面となっており、傾きの自由度を持つ。取り付け座５１には、関節棒５２を介して２本のＸ軸方向調整用ワイヤー５５及びＹ軸方向調整用ワイヤー５６が接続され、Ｘ軸方向調整用ワイヤー５５及びＹ軸方向調整用ワイヤー５６は、Ｘ軸方向調整用巻取機構５７及びＹ軸方向調整用巻取機構５８に接続されている。Ｚ軸方向調整棒５３は回転駆動部５９と接続されている。

【0041】

Ｘ軸方向調整用巻取機構５７でＸ軸方向調整用ワイヤー５５を巻き出し、及び巻き取ることにより、ドリフトチューブ２は、Ｘ軸方向調整用ワイヤー５５を介してＸ－Ｚ方向（ＸおよびＺ方向）への変形力を受ける。このとき、ドリフトチューブ２は取り付け座５１及び関節棒５２の接続部の動きにより、ビーム軸に対しドリフトチューブの軸を傾かせずに変形させることができる。

【0042】

また、Ｙ軸方向調整用巻取機構５８でＹ軸方向調整用ワイヤー５６を巻き出し及び巻き取ることにより、ドリフトチューブ２は、Ｙ軸方向調整用ワイヤー５６を介してＹ－Ｚ方向（ＹおよびＺ方向）への変形力を受ける。また回転駆動部５９を調整することで、Ｚ軸方向調整棒５３がＺ軸に移動し、ドリフトチューブ２がＺ軸方向への変形力を受ける。

【0043】

上記機構により、ドリフトチューブ２の位置を３軸(Ｘ軸:ビーム軸方向、Ｙ軸:水平方向、Ｚ軸:鉛直方向)で容易に調整することができる。滑らかな内面を要求される超伝導加速空洞にも適用可能である。

【0044】

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

【符号の説明】

【0045】

１ ビームポート、２ ドリフトチューブ、３ ステム、４ 支持棒、５ 空洞壁、６ ビーム軸、１１ Ｘ軸方向の変形力付与機構、１２ Ｙ軸方向の変形力付与機構、１３ Ｚ軸方向の変形力付与機構、１４ 回転駆動部、１５ ボールねじ、１６ 反力受け、１７ 軸受板、１８ ジャケット、１９ ベローズ、２０ 可動胴、５１ 取り付け座、５２ 関節棒、５３ Ｚ軸方向調整棒、５４ 支持座、５５ Ｘ軸方向調整用ワイヤー、５６ Ｙ軸方向調整用ワイヤー、５７ Ｘ軸方向調整用巻取機構、５８ Ｙ軸方向調整用巻取機構、１００ 加速空洞

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】