JP4485437B2 - 高周波加速空胴および円形加速器 - Google Patents

Description

この発明は円形荷電粒子加速器に用いられる高周波加速空胴およびこの高周波加速空胴を用いた円形加速器に関するものである。

従来より荷電粒子を加速する円形加速器に用いられている高周波加速空胴にはよく知られているように同調型高周波加速空胴（以下、同調型ＲＦ加速空胴と称す）と、非同調型高周波加速空胴（以下、非同調型ＲＦ加速空胴と称す）とがある。これらの高周波加速空胴（以下、ＲＦ加速空胴と称す）を用いた、例えばイオンシンクロトロンにおいて、イオンを加速しようとするときイオンがシンクロトロン内を周回する際の周回周波数と等しい高周波を高周波電源からＲＦ加速空胴に印加しなければならない。
前記同調型ＲＦ加速空胴は、空胴の共振周波数を高周波電源の印加周波数に同調させて、必要な加速電圧を発生させる。一方、非同調型ＲＦ加速空胴は、予め加速周波数の全範囲で空胴のインピーダンスを必要な値まで上げておく。

前記同調型ＲＦ加速空胴において、印加周波数とＲＦ加速空胴の共振周波数との共振周波数制御をシーケンス制御で行うために、ＲＦ加速空胴内に透磁率の虚数部の大きいフェライトを装荷し、ＲＦ加速空胴のＱ値（共振周波数に対する共振幅の比）を低下させ、前記フェライトの透磁率を調節するための磁場を発生させるバイアスコイルを装荷し、バイアスコイルの作る磁場の強さによって、フェライトの透磁率の実数部分を変化させ、ＲＦ加速空胴内に励起される電磁場の共振周波数を制御することが示されている（例えば、特許文献１）。

一方、前記非同調型ＲＦ加速空胴において、加速周波数範囲で一定のインピーダンスをもつことを実現するために、ジュール損の大きいフェライトをＲＦ加速空胴内に装荷し、フェライトによるインピーダンスを大きくし、シャント抵抗をフェライトに並列接続した構成で、フェライトによる抵抗値Ｚｆｅｒｒが低い周波数領域では抵抗値の大きなシャント抵抗を接続し、抵抗値Ｚｆｅｒｒが大きい周波数領域では抵抗値の小さなシャント抵抗に接続を切り替えることが示されている（例えば、特許文献２）。

またさらに非同調型ＲＦ加速空胴において、ＲＦ加速空胴のＱ値を任意に調整することでビームローディング（イオンビームがＲＦ加速空胴に及ぼす影響）を低減させ、均一にビームを加速することを目的として、フェライトを用いた加速コアを中心軸を含む平面によって複数に分割することが示されている（例えば、特許文献３）。

特開平０７−００６９００号公報 特開平０７−１６１５００号公報 特開２００１−１２６９００号公報

しかしながら前記特許文献１のＲＦ加速空胴では、フェライトに直流バイアスをかけフェライトコアの飽和磁界の近傍で使用する必要があるため、ＲＦ加速空胴に大きな高周波磁界を印加できないという問題点や、またフェライトの冷却構造がなされなくフェライトのインダクタンスが温度上昇による影響を受けやすく、安定した制御が得にくいという問題点を有している。
また、前記特許文献２のＲＦ加速空胴では、共振点を加速周波数帯域に設定する必要があるために、加速コアのインピーダンスを自由に選ぶことができず、ＲＦ加速空胴のインピーダンスを十分に大きくできないという問題点を有している。さらに前記特許文献３の高周波加速空胴では、大型コアの場合、コア切断コストが上昇し、また切断面端部の磁界集中による発熱などの問題点を有している。

この発明は前記のような課題を解決するために為されたものであって、空胴本体の加速電極ギャップに並列にインダクタンス、もしくはインダクタンス可変手段を設け、加速コアとインダクタンス可変手段の磁性材とで合成されるインダクタンスと、加速電極ギャップのキャパシタンスとを共振させ、高いインピーダンスの高周波加速空胴およびこの高周波加速空胴を用いた円形加速器を得るものである。

この発明に係る高周波加速空胴は、荷電粒子ビームを加速するための高周波電界を発生する加速電極ギャップと、荷電粒子ビーム軌道をとりまく磁路を形成する加速コアとが設けられた加速空胴本体と、加速電極ギャップに並列に接続され加速空洞本体の外部に配置された磁性体を有するインダクタンス可変手段とを備えており、荷電粒子ビームを加速するための加速周波数の変化パターンに合わせてインダクタンス可変手段の生成するインダクタンスを変化させることにより、荷電粒子ビームの加速周波数と高周波加速空胴の共振周波数とを同調させるものである。

この発明の高周波加速空胴は、加速電極ギャップに並列に接続され加速空洞本体の外部に配置された磁性体を有するインダクタンス可変手段の生成するインダクタンスを、荷電粒子ビームを加速するための加速周波数の変化パターンに合わせて変化させることにより、荷電粒子ビームの加速周波数と高周波加速空胴の共振周波数とを同調させるので、加速空胴のインピーダンスを高くでき、加速コアに必要な条件が緩和され、かつ簡単な構成で同調がとれるという効果がある。

本発明の各実施の形態の説明に入る前に、本発明の構成および動作をより理解しやすくするために、まず加速コアと加速電極ギャップで構成される従来型のＲＦ加速空胴の動作を図１２に基づいて説明する。
図１２（ａ）に示すＲＦ加速空胴１００は、加速コア１と加速電極ギャップ２、空胴外壁３、真空ダクト４と、高周波電源５とで構成されている。このような構成であって、数ＭＨｚ程度の周波数帯域で駆動されるＲＦ加速空胴１００は、サイズに比較して高周波数の波長が長いため、その動作はほぼ電気回路モデルで解析することができる。図１２（ｂ）はＲＦ加速空胴１００を電気回路でモデル化したものを示す。図１２（ｂ）のインダクタンスＸｓと抵抗Ｒｓの直列接続がＲＦ加速空胴１００に設けられた加速コア１を、キャパシタンスＣが加速電極ギャップ２を表している。加速コア１が抵抗成分Ｒｓを有しているのは、加速コア１の励磁に伴う発熱（コアロス）が、回路で表現すると抵抗に相当するからである。コアロスを含めた加速コア１のインピーダンスＺは、複素透磁率μ（＝μ′−μ″）を用いて（μ′は透磁率の実数部、μ″は透磁率の虚数部）次の数式１によって示される。

となる。ここでωは角周波数（加速周波数をｆとすると、ω＝２πｆ）、Ｌ_０は加速コア１のインダクタンス成分、Ｒｓは加速コア１の抵抗成分、ｉＸｓはインピーダンスの虚数部である。図１２（ｂ）に示したこのモデルは、加速コア１のインダクタンスＸｓと抵抗Ｒｓの直列接続で表現したが、図１２（ｃ）に示すように並列接続で表現することもできる。並列接続で表現したインダクタンス成分Ｘｐ（＝ωＬｐ）と、抵抗成分ＲｐをＸｓ、Ｒｓを用いて表すと次の数式となる。この数式２は直列接続と並列接続のインピーダンスが等しいとおくことで求められる。

ここで、Ｒｐはシャントインピーダンスと呼ばれる量であり、後述する数式３でも明らかなように、ＲＦ加速空胴１００のインダクタンスと加速電極ギャップ２のキャパシタンスＣが並列共振し、インピーダンスが無限大になった時に得られるインピーダンスである。また通常一般に表現されているμ_ｐＱｆは加速コア材特有の量（シャント抵抗値、Ｑ値）であり、これが大きいほど大きなインピーダンスが得られる。加速電極ギャップ２のキャパシタンスも含めたＲＦ加速空胴のインピーダンスＺｃは、ＬｐとＲｐを用いて以下となる。

ここで、｜Ｚｃ｜はインピーダンスの絶対値である。
所定の加速電圧Ｖ（ピーク値）を得るために必要な電力Ｐは、以下で求められる。

消費電力を下げるためには、ＲＦ加速空胴１００のインピーダンス｜Ｚｃ｜を大きくすればよい。｜Ｚｃ｜を大きくする一つの方法は、加速周波数範囲において、共振条件（１／ωＬｐ＝ωＣ）を満たすようにインダクタンスを変化させることである（前述の同調型ＲＦ加速空胴、特許文献１）。
一方、数式３において、分母の第１項が第２項より十分大きければ、少々共振条件からずれても、｜Ｚｃ｜は低下しない。すなわち、ＲｐをＸｐ（＝ωＬｐ）と比較して小さくすれば、特に共振を取らなくても実用上は問題がない（非同調型ＲＦ加速空胴、特許文献２、３）。この関係を加速コア１のＱ値を用いて表現すると、次の５式となる。

ここで、ｆｏは共振周波数、Δｆは半値幅（｜Ｚｃ｜^２がピークの半分以上を保つ周波数帯域）である。Ｑ値の小さい材質を用いれば、非同調型ＲＦ加速空胴を実現することが判る。

以上の議論をベースに、従来のＲＦ加速空胴の課題に関し以下説明をする。
加速コア１の磁性体材としてＭＡコア（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｌｌｏｙコア）、例えば、アモルファス系の積層合金薄膜を用いている非同調型ＲＦ加速空胴は、１０００Ｇｓを越える磁束密度においてもシャントインピーダンス（損失抵抗）が劣化しない特徴があるが、シャントインピーダンスを数百Ω以上にすることが難しい。
一方、フェライトを用いた同調型ＲＦ加速空胴は、後述するように非同調型ＲＦ加速空胴と比較して、シャントインピーダンスの向上が少ない上に、ＲＦ加速空胴に印加可能な加速電圧の最大値が小さいという課題がある。
この２つの課題について、同調型ＲＦ加速空胴（フェライトコア材、Ｑ＝２０）と、非同調型ＲＦ加速空胴（ＭＡコア材、Ｑ＝０．５）について具体例を挙げて説明する。

共振周波数を３ＭＨｚとし、図１２に示すＲＦ加速空胴１００の加速電極ギャップ２キャパシタンスは、５０、１００、２００ｐＦとする。この場合のＭＡコアとフェライトコアの空胴特性の概算結果を表１に示す。

まず、ＭＡコア材を用いた非同調型ＲＦ加速空胴の特性を説明する。
ＭＡコアはＱ値が小さいため半値幅が大きい（数式５よりΔｆ＝６ＭＨｚ）。この例では、加速周波数帯域（２〜４ＭＨｚを想定する）が半値幅に含まれるため、計算例では加速の全周波数帯域にわたり、ピーク値の８０％程度のインピーダンスを伴っている。一方、共振周波数と加速電極ギャップ２のキャパシタンスが決まれば、Ｘｐ、Ｒｐ（＝Ｑ・Ｘｐ）は一意に決まる。加速電極ギャップ２のキャパシタンスを５０ｐＦ以下に抑制するのは困難なため、ＭＡコア材を用いたＲＦ加速空胴１００のインピーダンスを数百Ω以上にするのは難しいことがわかる。

次にフェライトコア材を用いた同調型ＲＦ加速空胴特性を述べる。フェライト材のＱ値にはかなり幅があるが、ここでは仮に、Ｑ＝２０の加速コア１を用いることを想定する。Ｑ値が大きいため半値幅は１／４０（０．１５ＭＨｚ）しかないが、ＲＦ加速空胴１００のインピーダンスについては、ＭＡコア材を用いたＲＦ加速空胴１００に比較して４０倍まで引き上げることが可能であり、大幅な電力削減を期待できる。
しかしながら、現実のフェライト材を用いたＲＦ加速空胴１００では、Ｑ値を１程度のフェライトコア材を用いることが多く、ＲＦ加速空胴１００のインピーダンスもそれほど上げることが出来ない。その理由はフェライト材のインダクタンス制御が難しく、高Ｑ値のコア（共振周波数以外ではほとんど機能しないコア）を使うと、安定した制御が出来なくなるためである。

以下、その事情を詳細に説明する。
従来の同調型ＲＦ加速空胴１００では、加速コア１のインダクタンスを変化させるため、直流磁界を重畳してフェライトコアの透磁率を変化させる方式を採用していた。この方式を図１３について説明する。
図１３は、フェライトのＢ−Ｈ曲線を示す（簡単のため、ヒステリシスは考慮していない）。透磁率μは、Ｂ＝μＨより求められる。Ｂはコア中の磁束密度、Ｈは起磁力であり、コアを鎖交する電流に比例する。これより、図１３における初透磁率（原点周辺の透磁率）は、μ１＝ｔａｎ（θ_１）ということになる。Ｈの大きいところではコアが飽和してくるため、Ｂ−Ｈ曲線の傾きが小さくなる。この性質を用いれば、例えば動作点ｑにおける透磁率μｑは、μｑ＝ｔａｎ（θｑ）となり、透磁率を変化させることができる。この方式のＲＦ加速空胴１００は前述したように、動作の不安定性と、印加可能な加速電圧が小さいことが課題であった。

まず、動作の不安定性について説明する。
フェライトは一般にキュリー温度が低く、温度によってＢ−Ｈ特性が変化しやすい。特にこの方式は、Ｂ−Ｈ特性の微分値（透磁率）を制御することで共振させているため、不安定性が拡大されてしまう。さらに、ＲＦ加速空胴１００を駆動することにより加速コア１自体が発熱し、温度平衡に達するまで加速コア１の温度が変化していくという問題もあり、ＲＦ加速空胴１００の制御を難しくしている。
従来の同調型ＲＦ加速空胴１００では、制御の難しさ故、加速周波数とＲＦ加速空胴１００の共振周波数のマッチング誤差を大きくみる必要があった。これは、マッチングがずれてもインピーダンスが変化しにくいコア、すなわちＱ値の低い加速コア１を指向することを意味しており、従来の同調型ＲＦ加速空胴では、Ｑ値が〜１程度のフェライトコア材を用いることが多かった。
この程度のＱ値では、表１に示された高インピーダンスＲＦ加速空胴は実現できず、現在では、熱的安定性、動作領域に優れたＭＡコア材を用いた非同調型のＲＦ加速空胴１００が主流になりつつある。

次に、印加可能加速電圧が小さい理由について説明する。加速電極ギャップ２に発生する加速電圧Ｖは、加速コア１内の高周波電流による磁束密度の変化ｄＢ／ｄｔと、加速コア１の断面積Ｓとの積になる。すなわち、高周波電流による加速コア１中の磁束密度の変化が大きいほど、大きい加速電圧を得ることができる。
加速コア１の動作領域は、通常、加速コア１の飽和磁束密度Ｂｓの７０〜９０％程度であるから、大きい加速電圧を得るためには、加速コア１を図１３の原点両振りで動作させるのが望ましい。
しかしこの方式では、直流磁界を重畳して透磁率を変化させているため、加速コア１の動作領域はＢｓ−Ｂｑの範囲となり大幅に狭くなってしまう。
それにも関わらず、一定の加速電圧を得ようとするため、加速コア１の断面積を増やす必要があり、結果として同調型ＲＦ加速空胴１００は大型化している。
以上の説明で明らかになったように、従来の同調型ＲＦ加速空胴１００は加速コア１に直流磁界を重畳してインダクタンスを変化させたため、種々の不都合を生じていた。

上記のような課題を解決するために本発明が為されたものであり、同調型ＲＦ加速空胴に係る各構成、動作を各実施の形態について説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１（ａ）において、ＲＦ加速空胴１００は加速コア１と加速電極ギャップ２と空胴外壁３と真空ダクト４とで構成される加速空胴本体５０と、高周波電源５と前記加速空胴本体５０の外部にあって、前記加速電極ギャップ２に並列に設けられたコア材を有するインダクタンス可変手段６によって構成されている。なお、荷電粒子ビームＢは図１の左側より右側に進むものとする。
図１（ｂ）は、ＲＦ加速空胴１００を並列電気回路でモデル化したものを示す。Ｒｐは加速コア１の抵抗成分でシャントインピーダンスを示し、Ｌｐはインダクタンス成分を示す。Ｌｖはインダクタンス可変手段６のインダクタンスを示し、Ｃは加速電極ギャップ２のキャパシタンスを示す。
この実施の形態１におけるＲＦ加速空胴１００は、加速コア１とは別個に同調用のインダクタンスをインダクタンス可変手段６として加速電極ギャップ２に並列に設け、前記インダクタンス可変手段６のインダクタンス量を変化させることで同調運転を可能とするものである。

次にインダクタンス可変手段６の動作を説明する。最初に前記加速コア１と、インダクタンス可変手段６を構成する図示省略のコアの役割について簡単に説明する。
加速空胴本体５０内に装荷された加速コア１は、加速電極ギャップ２に誘導電界を発生させるための交流磁束の媒体であり、荷電粒子ビームＢと鎖交しなければならない。すなわち、荷電粒子ビームＢを鎖交するコアに発生した磁束がビームＢを加速する電界を生成する。この際、インダクタンス可変手段６を用いて加速空胴本体５０のインダクタンスを変化させれば、コアの透磁率を変化させる必要がないため、動作領域を０から飽和磁束密度までフルに利用できる。すなわち、比較的飽和磁束の小さいコア材料でも、十分大きな動作領域を確保することができるため、コア材料に対する制限が大幅に緩和される。
一方、インダクタンス可変手段６は、加速電極ギャップ２のキャパシタンスＣとのＬＣ共振周波数を調整するために存在し、ビームＢの加速には寄与しない。このため、Ｑ値の高いコア材を用いて、加速空胴本体５０のインピーダンスの低下を抑制するのが望ましい。また、ビームＢと鎖交するという条件がないため、インダクタンスを変化させる様々な手法が可能となる。さらに、形状や図示省略したコイルの巻き数を自由に選べるため、インダクタンス可変手段６に用いるコア材質に対する制限が大幅に緩和される。
以上のように、加速空胴本体５０の加速電極ギャップ２に並列にインダクタンス可変手段６を設けることにより、加速空胴本体５０のインピーダンスを高く出来るとともに、加速コア１のコア材およびインダクタンス可変手段６のコア材に要求される条件が大幅に緩和される。

以上、インダクタンス可変手段６を並列に負荷したＲＦ加速空胴１００の特性向上について述べたが、次にインダクタンス可変手段６の実施例を図２に基づいて説明する。通常一般に、インダクタンスを可変するための手法としては、大きく分けて磁気抵抗を変化させる方法と、コア透磁率を変化させる方法とがあり、前者は例えばギャップ付コアのギャップを変化させる方法であり、後者は従来例でも示したバイアス磁場を変化させる方法に相当する。この実施例では、磁気抵抗を変化させる構成を採用している。

図２は前記図１に示したインダクタンス可変手段６の詳細図である。インダクタンス可変手段６はトロイダルコア７と平板状トロイダル磁性体８と、この平板状トロイダル磁性体８を制御、回転駆動する回転駆動機構９によって構成される。トロイダルコア７は図示省略のコイルを有すると共に例えば、フェライト等の磁性体が用いられ、外半径ｒ_２、内半径ｒ_１を有するとともに、図２に示すように周方向に１個所ギャップ長ａのギャップ７ａが設けられている。平板状トロイダル磁性体８は外半径ｒ_４、内半径ｒ_３を有するドーナッツ状をなし、例えばフェライト等の渦電流損の少ないμ_ｐＱｆ値の高いトロイダル磁性材８ａと、セラミック系のトロイダル非磁性材８ｂとは、板厚方向において所定の角度傾斜したテーパ面８ｃが形成されているとともに、互いにテーパ面８ｃで接着して構成されている。トロイダル磁性材８ａは厚肉部でｔａ１、薄肉部でｔａ２、トロイダル非磁性材８ｂのそれはｔｂ１、ｔｂ２を有し、接着後の厚さｔは、ｔ＝ｔａ１＋ｔｂ２あるいはｔ＝ｔａ２＋ｔｂ１である。
前記平板状トロイダル磁性体８の厚さｔは前記トロイダルコア７のギャップ７ａのギャップ長ａより小さい。またトロイダル磁性材８のｙ軸はトロイダルコア７のＹ軸に並行に設けられ、例えばモータによる駆動機構９によって図示のように回転する。なお、トロイダルコア７の幅Ｗ７＝ｒ２−ｒ１と、トロイダル磁性体８の幅Ｗ_８＝ｒ_４−ｒ_３との関係はＷ_７＝Ｗ_８、Ｗ_７＞Ｗ_８またはＷ_８＞Ｗ_７のいずれかが選択される。なお、テーパ形状を有することによるテーパ先端部の過熱は平板状トロイダル磁性体が回転することによる空冷効果により低減させることができる。

次に磁気抵抗を変化させる方法について説明する。まず、基本となるトロイダルコア７のインダクタンスを求める。内径ｒ_１、外径ｒ_２のトロイダルコア７の平均磁路長ｍと、磁気抵抗Ｒｍ、及びＮ回巻きコイルのコアのインダクタンスＬは、次の数式６で表される。ここで、磁路長は、コア中の磁束の平均的な長さ、μ_ｒ は比透磁率、μ_０は真空の透磁率である。

次に、このコアの一部を切り欠き、ギャップ長ａを設けた場合のインダクタンスを求める。ギャップを含む磁気抵抗Ｒｍｇは、次の数式７のように変化する。

図２に示すようにトロイダル磁性体８をトロイダルコア７のギャップ７ａ間で図示省略の制御手段を介し、回転駆動機構９によって回転させると、トロイダルコア７とトロイダル磁性材８ａ間のギャップが連続的に変化して、磁気抵抗が変化し、可変インダクタンスとなる。その際、円形加速器、例えばイオンシンクロトロン内に設置されたＲＦ加速空胴１００を荷電粒子ビーム加速周波数の変化パターンに合わせて、インダクタンスが同様の変化となるように、トロイダル磁性体８を回転駆動するモータを制御、回転しトロイダル磁性材８ａの形状をトロイダルコア７に対して変化させることにより、加速周波数の変化パターンに合わせた同調が可能となる。なおトロイダル非磁性材８ｂは回転のバランサとしての構成要素をなし、同程度の重さを有するものでも良いが、より厳密なバランス調整を行う場合は、トロイダル磁性材８ａより若干重く作り、穿孔により回転バランスを合わせてもよい。
なお、この実施の形態１では加速電極ギャップ２のキャパシタンスＣと並列に可変手段インダクタンス６を入れた例を示したが、図３（ａ）に示すように、可変インダクタンス成分をもつインピーダンス６ａでも同様の効果を奏する。また、図１（ａ）に示した加速電極ギャップ２間に電極板を設けることによって図３（ｂ）に示すように、キャパシタンスＣを２分割したＣ_１とＣ_２とし、その一部に可変インダクタンスＬｖまたはインピーダンスＺを入れてもよい。

また、平板状トロイダル磁性体は磁性材と非磁性材とをテーパ面で一体化した構成を示したが、テーパに限らず例えば階段形状であってもよい。またさらに、加速電極ギャップ２は１段設ける例を示したが、２段以上の多段であってもよい。

実施の形態２．
この実施の形態２では、実施の形態１で示した実施例と同様、磁気抵抗を変化させてインダクタンスを変化させる方法を、図４について説明する。この構成では、ドーナツ状のコアを半分割し、その一方を固定側とし、他の片側を回転させで磁極ギャップを変化させたインダクタンス可変手段６ａを実現している。
図４においてインダクタンス可変手段６ａは、磁性材を用いたドーナツ状コアを半分割した半円状トロイダル固定コア１０（コイルは図示省略）と、このトロイダル固定コア１０と同軸上（Ｘ−Ｘ軸上）で回転可能なドーナツ状コアを半分割した半円状トロイダル回転コア１１と、この半円状トロイダル回転コア１１を回転駆動する回転駆動機構９とより構成されている。なお、半円状トロイダル固定コア１０の端部１０Ｅと、半円状トロイダル回転コア１１の端部１１Ｅ間には、ギャップ長ａの磁極ギャップが設けてある。
このような構成のインダクタンス可変手段６ａは半円状トロイダル固定コア１０と半円状トロイダル回転コア１１との間の磁極ギャップａの変化を大きくできるため、比較的μ_ｒの低い、例えばフェライト材でも数式７の（ｍ／ａ＜＜μ_ｒ）の条件を満たすことができる。
この形状で加速周波数変化パターン（インダクタンス変化パターン）を所望の形状にするためには、半円状トロイダル固定コア１０の端面１０Ｆに適当な磁極シムを取り付ければよい。
尚、この図４では、回転軸は横向きになっているが、垂直（磁極吊り下げがベター）にした方が、軸に重力による曲げ応力が生じず、滑らかな運転が可能となる。
また、この形状を有するインダクタンス可変手段６ａにおいても、回転時の回転バランス、及び、空気抵抗を改善するため、図５に示すように外形が回転対称になるようなセラミック等の非磁性半球状回転バランサ１２をトロイダル回転側コア１１に設けたインダクタンス可変手段６ｂとすると滑らかな回転を得ることが出来る。

実施の形態３．
次に実施の形態３について述べる。円形加速器、例えばイオンシンクロトロンの荷電粒子加速周波数の繰り返し周波数が１００Ｈｚを越えるような場合には、前記実施の形態１、２に示したコアの回転による磁極ギャップの変化を得る構成は、回転駆動機構９の回転数上限の関係から実現が難しくなる。この課題を解決するため、実施の形態１の図２の平板状トロイダル磁性体８に代替して、１回の回転で複数の磁気抵抗変化が発生するような平板状トロイダル磁性体を設けたインダクタンス可変手段とすればよい。図６にこの実施の形態３によるインダクタンス可変手段６ｃを示す。図６において、トロイダルコア７は前記図２と同様である。平板状トロイダル磁性体８は、図１に示した平板状トロイダル磁性体８と同一の大きさの外半径ｒ４、内半径ｒ３、厚さｔを有したドーナツ状をなしている。この平板状トロイダル磁性体８はフェライト等の磁性体８ａとセラミック系の非磁性材８ｂとで構成されており、磁性材８ａと非磁性材８ｂとがドーナツ状円周方向で交互に複数の鋸歯形状８ｄを周方向に順次周期的に組み合わせ形成して接着されている。図６に示す例の平板状トロイダル磁性体８は４個の鋸歯形状８ｄを備えているが、この数に限るものではない。
このような構成のインダクタンス可変手段６ｃにおいて、回転駆動機構９によって平板状トロイダル磁性体８を回転させると、円形加速器の加速周波数の変化パターンと同じ磁気抵抗の変化パターン（インダクタンス変化パターン）、つまり加速周波数変化パターンに合わせたＲＦ加速空胴５０と同調が可能となる。

実施の形態４．
実施の形態４を図７に基づいて説明する。この実施の形態４は、前記した実施の形態２の図４に示したインダクタンス可変手段６ａのトロイダル回転コア１１に代替して、多極化したトロイダル回転コアを設けたものである。
図７において、多極トロイダル回転コア１１はドーナツ状コアを半分割したトロイダル回転コア１１ａ、１１ｂとが十文字状に接着されている。このような多極トロイダル回転コア１１を回転駆動機構９によって回転させることにより、加速周波数の変化パターンに合わせたインダクタンス変化パターンがより容易に得られる。なお、このインダクタンス変化パターンの微調整は、固定コア１０の端部１０Ｆの磁極形状を変更する。例えば適当な磁極シムを取り付ければよい。

実施の形態５．
次に実施の形態５について述べる。この実施の形態５によるインダクタンス可変手段６は、図８（ａ）（ｂ）に示すように固定インダクタンス１３を加速電極ギャップ２に並列にかつ加速空胴本体５０の外部に外付けコアとして設けた構成である。なお、この構成が有利になる条件は以下の通りである。
１．高い加速電圧を必要とするため、励磁磁束を大きくしたい。しかも、加速コアの設置スペースに制限があり、磁束密度を上げるため、高い飽和磁束密度を持つ加速コアが必要。
２．加速周波数帯域が狭く、ＲＦ加速空胴のＱ＝３〜９程度まで許容。
従来は特許文献３に示したように、同様の条件のＲＦ加速空胴を実現するため、加速コアにギャップを設け、ギャップ幅を調整することで加速コアのインダクタンスを下げ、ある共振周波数におけるシャントインピーダンスを大きくすると共に、Ｑ値の調整を行っていた。
この実施の形態５では前述した特許文献３の課題を解決するものであり、図８に示すように、加速電極ギャップ２に並列に固定インダクタンス１３を接続することで、加速コアにギャップを設けるのと同等の効果を得ることができる。このように固定インダクタンス１３を用いる場合は、加速コアにギャップを設ける必要がなく、かつ、インダクタンスを可変にする必要がないので、安価にＲＦ加速空胴１００を製作することができる。

以下、この実施の形態５による本構成の動作を試算例を基に説明する。
加速コア１のインピーダンスをＺ_１＝Ｒ_１＋ｉＸ_１、外付けコア１３のインピーダンスをＺ_２＝Ｒ_２＋ｉＸ_２とする。このとき、２つのコアの並列インピーダンスＺ_３＝Ｒ_３＋ｉＸ_３の各成分は下記数式８となる。

これより、Ｑ＝Ｘ_３／Ｒ_３は、次式となる。

ここで、代表的な例について、並列に設けた固定インダクタンス（外付け）１３の効果を試算してみる。まず、Ｚ_１として、ＭＡコア材料を想定しＱ_１＝０．５、Ｚ_２として、フェライトを想定し、Ｑ_２＝２０とする。さらに、外付けコア１３のインピーダンスのインダクタンス成分を加速コア１の半分とすれば、下式が得られる。

並列に設けた固定インダクタンス１３の付加効果をみるためには、並列接続形式に変換した方が便利であるため、ＭＡコア材料単体（Ｚ_１）、及び固定インダクタンス付加時（Ｚ_３）のインピーダンスを、数式２を用いて変換し、数式１０を代入すると、以下が得られる。

一方、ＲＦ加速空胴１００のインダクタンスは、共振周波数と加速電極ギャップ２のキャパシタンスＣにより、一意に定まるため、インダクタンスが同じになるように調整する必要がある。この例では、ＲＦ加速空胴１００のインダクタンスが０．０９１倍になっているから、外付けインダクタンス１３のコア厚を１／０．０９１倍にする等の方法で、同じインダクタンスになるように調整する。この調整により、シャントインピーダンスも１／０．０９１倍される。
結局、ＲＦ加速空胴１００のインピーダンスＺ’_ｐ３は次式となる。

すなわち、この実施の形態５では、加速電極ギャップ２に適正に選定された寸法を有する並列に固定インダクタンス１３を付加することにより、シャントインピーダンスが８．８倍となり、Ｑ値が０．５→４．４と大きくなることがわかる。
これは例えば前記特許文献３に示されるコアにギャップを設ける効果と同等であり、コアを切断する必要がない分だけ、安価に空胴を構成できる。

実施の形態６．
次に実施の形態６のインダクタンス可変手段６ｅを図９に基づいて説明する。
以上の実施の形態では、構造的、機構的にインダクタンスを変化させる場合であったが、この実施の形態６では、回路的にインダクタンスを変化させるものである。
図９に示すように、加速電極ギャップ２に並列に、例えばトロイダル状の空胴コア１７が加速空胴本体５０の外部に設けられているとともに、この空胴コア１７に可変定電流電源１６が設けられている。この可変定電流電源１６を荷電粒子ビームを加速するための加速周波数の変化パターンに合わせてＯＮすることによって空胴コア１７インダクタンスを変化させるものである。
実施の形態１で説明したように、フェライトの特性は熱的に不安定なため、バイアス電流によるインダクタンス調整が難しい。しかし、この実施の形態６の図９に示す外付けインダクタンスに相当する空胴コアは設置場所に制約されることなく、また空胴外壁３を取り巻く必要がなく、サイズも自由に選べるため、冷却システムを容易に構成することができる。例えば、空胴コアのコア自体を冷媒に浸して液冷する構成も、簡単に実現することができ、熱的な安定性を向上させることができる。
さらに、加速コア１としてＱ値の低いコア（Ｑ＝０．５）を用いる場合、数式１０に示されるように、Ｑ＝２０というロスの小さいフェライトを選んでも、ＲＦ加速空胴１００全体としてはＱ＝４．４程度となり、共振の鋭さが小さくなる。別の言い方をすれば、パワーロスの小さい（Ｑ値の大きい）フェライトを使用し、フェライトの発熱を抑制して温度変動を抑制すると共に、共振の鋭さを小さくして共振の安定性を向上させることによりこの実施の形態６における本方式の共振の不安定性を大幅に抑制することが可能となる。
なお、前記加速コア１材のＱ値（μ_ｐＱｆ）と、インダクタンス可変手段の磁性材のＱ値が異なり、かつ前記加速コア材のＱ値が前記インダクタンス可変手段の磁性材のＱ値より小さいように選定するのは前記実施の形態１〜５および後述の実施の形態７に適用された場合にその効果を一層向上させるためである。

実施の形態７．
実施の形態７を図１０に基づいて説明する。この実施の形態７のインダクタンス可変手段６ｆはインダクタンスを階段的に変化させて概同調させるものである。Ｑ値が〜５程度のＲＦ加速空胴なら、共振周波数ｆ（数ＭＨｚを想定）に対し、ｆ±０．２５ＭＨｚ程度まで、共振時の９０％のインピーダンスを維持する。一方、通常の加速器における加速周波数の変化幅は、１〜５ＭＨｚ程度である。これより、５ＭＨｚの加速周波数変化幅がある場合には、インダクタンスを１０回離散的に変化させれば連続的に同調させた場合の９０％のインピーダンスを維持することになる。
次に、インダクタンスを階段的に変化させる構成を図１０について説明する。図１０に示すように加速電極ギャップ２に並列に接続された、例えば３個の外付けインダクタンスに相当する空胴コア１７ａ、１７ｂ、１７ｃとそのそれぞれに接続された可変定電流電源１６ａ〜１６ｃおよびスイッチ２０ａ〜２０ｃが設けられている。スイッチ２０ａ〜２０ｃの加速周波数の変化パターンに合わせてＯＮされることにより空胴コアにバイアス電流が流れるように構成されている。但し、バイアス電流はＯＮ、ＯＦＦの２つのモードしかなく、ＯＮの場合には、外付けインダクタンス１７ａ〜１７ｃのコアが飽和し、透磁率が１に近い値になる。
このような構成を採用することで、空胴コアである外付けインダクタンス１７ａ〜１７ｃの数が１、２、３と変化し、インダクタンスを３倍変化させることが出来る。なお、空胴コアの数を３個としたが、これに限るものではない。

なお、外付けインダクタンス１７ａ〜１７ｃは、図１１に示すように単に加速電極ギャップ２に並列に接続され、回路上の隣接する空胴コア間、図１１では１７ａと１７ｂ、１７ｂと１７ｃ間にスイッチ２０ａ、２０ｂを設け図示省略の制御手段の信号により前記スイッチをＯＮさせる構成であってもよい。

実施の形態８．
以上では、空胴のギャップに並列に設けたインダクタンスを、可変インダクタンスとして説明してきたが、固定インダクタンスを用いれば、空胴を、加速周波数帯域を狭く、高インピーダンスをもつ特性に変化させることができる。これは、特許文献３と同じ目的で、並列固定インダクタンスを調整することで、ＲＦ加速空胴のＱ値を任意に調整できることを意味しており、同様のアプリケーションでは、コアの切断やギャップ調整機構を用いることなく、安価にＱ値の調整が可能である。

実施の形態９．
以上述べた実施の形態１〜８の構成を備えたＲＦ加速空胴１００は、荷電粒子ビーム加速あるいは蓄積する円形加速器に適用すると、簡単な制御によって加速周波数とＲＦ加速空胴との共振周波数の同調が容易に行うことができる。その結果、加速電圧の上昇、加速の安定性、加速エネルギやビーム電流値の上昇、さらには円形加速装置のコンパクト化等優れた効果を奏する。

この発明の活用例として、荷電粒子を加速あるいは蓄積する円形加速器の高周波加速空胴に適用できる。

この発明の実施の形態１によるＲＦ加速空胴の構成を示す模式図とその等価回路を示す図である。 この発明の実施の形態１によるインダクタンス可変手段の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１によるインダクタンス可変手段の配置を示す図である。 この発明の実施の形態２によるインダクタンス可変手段の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２によるインダクタンス可変手段の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３によるインダクタンス可変手段の構成を示す図である。 この発明の実施の形態４によるインダクタンス可変手段の構成を示す図である。 この発明の実施の形態５によるＲＦ加速空胴の構成を示す模式図とその等価回路を示す図である。 この発明の実施の形態６によるＲＦ加速空胴の構成を示す模式図とその等価回路を示す図である。 この発明の実施の形態７によるＲＦ加速空胴の構成を示す模式図とその等価回路を示す図である。 この発明の実施の形態７によるＲＦ加速空胴の構成を示す模式図とその等価回路を示す図である。 従来のＲＦ加速空胴の構成を示す模式図とその等価回路を示す図である。 フェライトのＢ−Ｈ曲線を示す概略図である。

符号の説明

１ 加速コア、２ 加速電極ギャップ、６，６ａ〜６ｆ インダクタンス可変手段、
７ トロイダルコア、８ 平板状トロイダル磁性体、８ａ トロイダル磁性材、
８ｂ トロイダル非磁性材、９ 回転駆動機構、１０ 半円状トロイダル固定コア、
１１ 半円状トロイダル回転コア、１２ 半球状バランサ、
１３ 外付けコア（固定インダクタンス）、１６ａ〜１６ｃ 可変定電流電源、
１７ａ〜１７ｃ 空胴コア、２０ａ〜２０ｃ スイッチ、５０ 加速空胴本体、
１００ ＲＦ加速空胴。

Claims (15)

1. 荷電粒子ビームを加速あるいは蓄積する円形加速器に用いられる高周波加速空胴であって、前記高周波加速空胴は、前記荷電粒子ビームを加速するための高周波電界を発生する加速電極ギャップおよび前記荷電粒子ビームの軌道をとりまく磁路を形成する加速コアが設けられた加速空胴本体と、前記加速電極ギャップに並列に接続され前記加速空洞本体の外部に配置された磁性体を有するインダクタンス可変手段とを備えており、前記荷電粒子を加速するための加速周波数の変化パターンに合わせて前記インダクタンス可変手段の生成するインダクタンスを変化させることにより、前記荷電粒子ビームの加速周波数と前記高周波加速空胴の共振周波数とを同調させることを特徴とする高周波加速空胴。
2. 前記インダクタンス可変手段は、周方向にギャップが設けられたトロイダルコアと、該トロイダルコアと直交し、回転中心が前記トロイダルコア外周より離れた個所に配置された平板状トロイダル磁性体と、該平板状トロイダル磁性体の回転駆動機構とで構成されており、前記荷電粒子ビームを加速するための加速周波数の変化パターンに合わせて、前記平板状トロイダル磁性体が前記回転駆動機構によって回転駆動され、前記トロイダルコアのギャップ内を回転通過して前記インダクタンス可変手段の生成するインダクタンスを変化させることにより、前記荷電粒子ビームの加速周波数と前記高周波加速空胴の共振周波数とを同調させることを特徴とする請求項１に記載の高周波加速空胴。
3. 前記平板状トロイダル磁性体は、トロイダル磁性材とトロイダル非磁性材とで構成されており、前記トロイダル磁性材およびトロイダル非磁性材はともに、板厚方向において所定の角度傾斜したテーパ面が形成されているとともに、該テーパ面を互いに接するよう組み合わせて一体化し、平板状トロイダル磁性体が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の高周波加速空胴。
4. 前記平板状トロイダル磁性体は、トロイダル磁性材とトロイダル非磁性材とで構成されており、前記トロイダル磁性材およびトロイダル非磁性材はともに、トロイダル周方向に複数個分割されているとともに、板厚方向の断面形状が鋸歯状をなし、前記トロイダル磁性材の鋸歯状の山と谷が、前記トロイダル非磁性材の谷と山とに周方向に順次周期的に互いに組み合わされて一体化し、平板状トロイダル磁性体が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の高周波加速空胴。
5. 前記インダクタンス可変手段は、半円状トロイダル固定コアと、該半円状トロイダル固定コアと所定のギャップ長を介するとともに、同軸上で回転可能に配置された半円状トロイダル回転コアと、該半円状トロイダル回転コアの回転駆動機構とで構成されており、前記荷電粒子ビームを加速するための加速周波数の変化パターンに合わせて前記回転駆動機構によって前記半円状トロイダル回転コアが回転駆動され、前記インダクタンス可変手段の生成するインダクタンスを変化させることにより、前記荷電粒子ビームの加速周波数と前記高周波加速空胴の共振周波数とを同調させることを特徴とする請求項１に記載の高周波加速空胴。
6. 前記半円状トロイダル回転コアには、該半円状トロイダル回転コア全体を覆う非磁性材の半球状回転バランサが設けられていることを特徴とする請求項５に記載の高周波加速空胴。
7. 前記インダクタンス可変手段は、半円状トロイダル固定コアと、該半円状トロイダル固定コアに所定のギャップ長を介するとともに同軸上に回転可能に配置され、２個の半円状トロイダル回転コアが互いに９０°直交して形成された多極トロイダル回転コアと、該多極トロイダル回転コアの回転駆動機構とで構成されており、前記荷電粒子ビームを加速するための加速周波数の変化パターンに合わせて前記回転駆動機構によって前記多極トロイダル回転コアが回転駆動され、前記インダクタンス可変手段の生成するインダクタンスを変化させることにより、前記荷電粒子ビームの加速周波数と前記高周波加速空胴の共振周波数とを同調させることを特徴とする請求項１に記載の高周波加速空胴。
8. 荷電粒子ビームを加速あるいは蓄積する円形加速器に用いられる高周波加速空胴であって、前記高周波加速空胴は前記荷電粒子ビームを加速するための高周波電界を発生する加速電極ギャップおよび前記荷電粒子ビーム軌道をとりまく磁路を形成する加速コアが設けられた加速空胴本体と、前記加速電極ギャップに並列に接続され前記加速空洞本体の外部に配置された固定インダクタンスとを備えており、前記固定インダクタンスの寸法を選定することにより、前記荷電粒子ビームの加速周波数と前記高周波加速空胴の共振周波数とを同調させることを特徴とする高周波加速空胴。
9. 前記インダクタンス可変手段は、空胴コアと可変定電流電源とで構成されており、前記荷電粒子ビームを加速するための加速周波数の変化パターンに合わせて前記可変定電流電源によって前記空胴コアにバイアス磁界が印加され、前記インダクタンス可変手段の生成するインダクタンスを変化させることにより、前記荷電粒子ビームの加速周波数と前記高周波加速空胴の共振周波数とを同調させることを特徴とする請求項１に記載の高周波加速空胴。
10. 前記インダクタンス可変手段は、複数の空胴コアが直列に設けられ、該空胴コアにそれぞれ設けられた可変定電流電源およびスイッチとで構成されており、前記荷電粒子ビームを加速するための加速周波数の変化パターンに合わせて前記各スイッチがＯＮされることによって前記空胴コアにバイアス磁界が印加され、前記インダクタンス可変手段の生成するインダクタンスを変化させることにより、前記荷電粒子ビームの加速周波数と前記高周波加速空胴の共振周波数とを同調させることを特徴とする請求項１に記載の高周波加速空胴。
11. 前記インダクタンス可変手段は、複数の空胴コアが直列に設けられ、前記複数の空胴コアの隣り合う空胴コア間の回路上にはスイッチが設けられており、前記荷電粒子ビームを加速するための加速周波数の変化パターンに合わせて前記スイッチがＯＮされ、前記インダクタンス可変手段の生成するインダクタンスを変化させることにより、前記荷電粒子ビームの加速周波数と前記高周波加速空胴の共振周波数とを同調させることを特徴とする請求項１に記載の高周波加速空胴。
12. 前記加速コア材のμ_ｐＱｆ値と、前記インダクタンス可変手段の磁性材のμ_ｐＱｆ値とが異なり、かつ、前記加速コア材のμ_ｐＱｆ値が前記インダクタンス可変手段の磁性体のμ_ｐＱｆ値より小さいことを特徴とする請求項１に記載の高周波加速空胴。
13. 前記加速コア材のμ_ｐＱｆ値と、前記固定インダクタンスの磁性材のμ_ｐＱｆ値とが異なり、かつ、前記加速コア材のμ_ｐＱｆ値が前記固定インダクタンスの磁性体のμ_ｐＱｆ値より小さいことを特徴とする請求項８に記載の高周波加速空胴。
14. 荷電粒子ビームを加速あるいは蓄積する円形加速器に用いられる高周波加速空胴であって、前記高周波加速空胴は、前記荷電粒子ビームを加速するための高周波電界を発生する加速電極ギャップおよび前記荷電粒子ビームの軌道をとりまく磁路を形成する加速コアとが設けられた加速空胴本体と、前記加速電極ギャップに並列に接続され前記加速空洞本体の外部に配置されたインダクタンスとを備えることを特徴とする高周波加速空胴。
15. 請求項１、８、１４のいずれか１項に記載の前記高周波加速空胴を備え、荷電粒子ビームを加速あるいは蓄積することを特徴とする円形加速器。

Images