JP2006054604A - Rotary joint, waveguide, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、放射線治療装置等に用いる高周波伝送用ロータリージョイントに関し、さらに詳しくは、１０ＭＷ以上の大電力で１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送するのに好適な高周波伝送用ロータリージョイントおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a high-frequency transmission rotary joint used in a radiotherapy apparatus and the like, and more particularly to a high-frequency transmission rotary joint suitable for transmitting a microwave of 10 GHz or more with a large power of 10 MW or more and a method for manufacturing the same.
マグネトロンやクライストロンで発生したマイクロ波を用いた放射線治療装置として、例えば、下記特許文献１が開示されている。 As a radiotherapy apparatus using a microwave generated by a magnetron or a klystron, for example, the following Patent Document 1 is disclosed.
特許文献１の放射線治療装置は、図４に示すように、電子銃、線形加速器及びターゲットを有する照射ヘッド５１と、この照射ヘッドを予め定めた球面座標上で支持しかつ移動させる支持移動機構５２と、床に設置されるマイクロ波発振器５３と、一端部がマイクロ波発振器に電磁気的に接続され他端部が線形加速器に電磁気的に接続される導波管部５４と、照射ヘッド内に位置する導波管部に設けられるＲＦ窓とを具備するものである。 As shown in FIG. 4, the radiotherapy apparatus of Patent Document 1 includes an irradiation head 51 having an electron gun, a linear accelerator, and a target, and a support moving mechanism 52 that supports and moves the irradiation head on a predetermined spherical coordinate. A microwave oscillator 53 installed on the floor, a waveguide section 54 having one end electromagnetically connected to the microwave oscillator and the other end electromagnetically connected to the linear accelerator, and a position in the irradiation head And an RF window provided in the waveguide section.
また、このような放射線治療装置において、各導波管部５４は金属製の中空管であることから、複数の導波管部を回転可能にかつ電磁気的に接続するために、ロータリージョイントが用いられる。このロータリージョイント（特許文献１におけるロータリＲＦカプラ）は、図５に示すように、導波管５４の導波路はロータリージョイント５６の回転部材に取り囲まれた回転スペース５７ａ，５７ｂに連通し、この中を管内モード２ａ（２ｂ）でマイクロ波が導かれるようになっている。なお、この図において、５８は軸受を示し、５９はλ／４波長チョークを示す。このようなロータリージョイント５６と導波管部５４との組み合わせにより、床等に固定されたクライストロン等の加速マイクロ波源から移動する照射ヘッドへ加速用のマイクロ波を円滑に供給することができる。 Further, in such a radiotherapy apparatus, each waveguide portion 54 is a metal hollow tube, and therefore, in order to connect the plurality of waveguide portions rotatably and electromagnetically, a rotary joint is used. Used. In this rotary joint (rotary RF coupler in Patent Document 1), as shown in FIG. 5, the waveguide of the waveguide 54 communicates with the rotary spaces 57a and 57b surrounded by the rotary member of the rotary joint 56. The microwave is guided in the in-pipe mode 2a (2b). In this figure, 58 indicates a bearing and 59 indicates a λ / 4 wavelength choke. By such a combination of the rotary joint 56 and the waveguide section 54, the microwave for acceleration can be smoothly supplied to the irradiation head moving from the acceleration microwave source such as a klystron fixed to the floor or the like.
ところで、従来のロータリージョイントは、可動部における電気的接触部での放電（スパーク）が問題となっており、これに関連して下記特許文献２が開示されている。特許文献２の「ロータリージョイント」は、高電力を扱う場合のスパーク発生を防止することを目的の一つとし、図６に示すように、導電性部材からなるグランド板８１と、このグランド板８１に垂直に立設されキャビティ回転用の中心軸線となる第１モノポールアンテナ８２と、この第１モノポールアンテナ８２の周囲に回転自在に配設されかつグランド板８１の上方に保持された導電性部材からなる有頭筒状のキャビティ８５と、このキャビティ８５の頭部カバー８４に垂設され、第１モノポールアンテナ８２と平行な第２モノポールアンテナ８６とを備えている。かかる構成により、アンテナ間を広い寸法に設定して高周波電力を伝達させ、高電力を扱う場合のスパーク発生を防止している。 By the way, the conventional rotary joint has a problem of discharge (spark) at the electrical contact portion in the movable portion, and the following Patent Document 2 is disclosed in relation to this. The “rotary joint” of Patent Document 2 is intended to prevent the occurrence of sparks when high power is handled. As shown in FIG. 6, a ground plate 81 made of a conductive member and the ground plate 81 are provided. A first monopole antenna 82 which is erected vertically and serves as a central axis for rotating the cavity, and a conductive material which is rotatably disposed around the first monopole antenna 82 and held above the ground plate 81. A headed cylindrical cavity 85 made of a member and a second monopole antenna 86 that is suspended from the head cover 84 of the cavity 85 and is parallel to the first monopole antenna 82 are provided. With such a configuration, the antenna is set to have a wide dimension to transmit high-frequency power to prevent occurrence of sparks when handling high power.
これまで、１０ＭＷ以上の大電力で周波数が１０ＧＨｚ以上の高周波に対応したロータリージョイントは無かったことから、導波管内での放電の問題は少なかった。しかしながら、１０ＭＷ以上の大電力で周波数が１０ＧＨｚ以上の高周波に対応したロータリージョイントにあっては、単位体積あたりの投入エネルギーが非常に大きくなるため、導波管内での放電が問題となってくる。特許文献２の技術分野は衛星通信のパラボラアンテナの回転体への搭載に関するので、特許文献２の放電防止技術は放射線治療装置等に用いる高周波伝送用ロータリージョイントには適切ではない。 Until now, there has been no rotary joint corresponding to a high power of 10 MW or more and a high frequency of 10 GHz or more, so that there were few problems of discharge in the waveguide. However, in a rotary joint corresponding to a high power of 10 MW or more and a high frequency of 10 GHz or more, the input energy per unit volume becomes very large, so that discharge in the waveguide becomes a problem. Since the technical field of Patent Document 2 relates to mounting a satellite communication parabolic antenna on a rotating body, the discharge prevention technique of Patent Document 2 is not appropriate for a high-frequency transmission rotary joint used in a radiation therapy apparatus or the like.
本発明は上記問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、放射線治療装置等に用いる高周波伝送用ロータリージョイントにおける放電を防止することである。即ち、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する一対の導波管部を備えたロータリージョイントにおいて、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより、１０ＭＷ以上の大電力で１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送する場合でも安定したマイクロ波の伝送を可能とする高周波伝送用ロータリージョイントおよびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been developed to solve the above problems. That is, an object of the present invention is to prevent discharge in a high-frequency transmission rotary joint used in a radiotherapy apparatus or the like. That is, in a rotary joint having a pair of waveguide portions having hollow waveguides for high-frequency transmission inside, it is possible to effectively prevent discharge in the waveguide, and thereby 10 GHz or more with a large power of 10 MW or more. An object of the present invention is to provide a rotary joint for high-frequency transmission that enables stable microwave transmission even when transmitting microwaves, and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するため、本発明によると、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有し同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続される一対の導波管部を備えたロータリージョイントであって、導波管部の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置に、前記円筒部内周面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜が形成されていることを特徴とするロータリージョイントが提供される（請求項１）。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a rotary joint having a pair of waveguide portions that have a hollow waveguide for high-frequency transmission inside and are connected to each other around a coaxial axis so as to be rotatable. A coating of a material having a lower conductivity than that of the constituent material of the inner peripheral surface of the cylindrical portion is formed at a high electric field position that periodically appears in the axial direction along the inner peripheral surface of the cylindrical portion of the waveguide portion. A rotary joint is provided (claim 1).
従来では、１０ＭＷ以上の大電力で１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送するロータリージョイントでは単位体積あたりのエネルギーが高くなり放電が起こりやすかった。これに対し、上記本発明の構成によると、高電場位置に対応して局所的に導電率のより低い材料、即ち、放電限界のより高い物質の被膜を形成するので、伝送特性や伝送ロスに与える影響を影響を小さくしたまま放電を効果的に防止することができる。 Conventionally, in a rotary joint that transmits a microwave of 10 GHz or more with a large power of 10 MW or more, the energy per unit volume is high and discharge is likely to occur. On the other hand, according to the configuration of the present invention, a film of a material having a lower electrical conductivity corresponding to a high electric field position, that is, a substance having a higher discharge limit is formed locally, which reduces transmission characteristics and transmission loss. It is possible to effectively prevent discharge while reducing the influence.
上記ロータリージョイントにおいて、好ましくは、前記被膜の厚さは被膜物質のスキンデプスよりも大きい（請求項２）。 In the rotary joint, the thickness of the coating is preferably larger than the skin depth of the coating material.
また、上記ロータリージョイントにおいて、好ましくは、前記導波管部の軸方向に関する被膜の幅は、マイクロ波の伝送ロスを十分小さくでき、かつ、放電を抑制できる程度の大きさである（請求項３）。 In the rotary joint, preferably, the width of the coating film in the axial direction of the waveguide portion is a size that can sufficiently reduce a microwave transmission loss and suppress discharge. ).
上記ロータリージョイントにおいて、好ましくは、前記被膜の物質はタングステン又はモリブデンである（請求項４）。 In the rotary joint, preferably, the material of the coating is tungsten or molybdenum.
また、本発明によると、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有し同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続される一対の導波管部を備えたロータリージョイントの製造方法であって、導波管部の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置を求める工程と、該高電場位置に前記円筒部内周面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜を形成する工程とを含むことを特徴とするロータリージョイントの製造方法が提供される（請求項５）。 In addition, according to the present invention, there is provided a method for manufacturing a rotary joint including a pair of waveguide portions that have a hollow waveguide for high-frequency transmission therein and are connected to each other around a coaxial axis. A step of obtaining a high electric field position periodically appearing in the axial direction along an inner peripheral surface of the cylindrical portion of the waveguide portion, and a substance having a lower conductivity than the constituent material of the inner peripheral surface of the cylindrical portion at the high electric field position. And a step of forming a coating. A method for manufacturing a rotary joint is provided.
さらに、本発明によると、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する導波管であって、導波管の内面に現れる高電場位置に、前記内面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜が形成されていることを特徴とする導波管が提供される（請求項６）。 Further, according to the present invention, a waveguide having a hollow waveguide for high-frequency transmission therein, a substance having a lower electrical conductivity than a constituent material of the inner surface at a high electric field position appearing on the inner surface of the waveguide A waveguide characterized in that a coating is formed is provided (claim 6).
ピークパワーが１０ＭＷクラスで周波数が１０ＧＨｚ以上の高周波を伝送する導波管では、特に単位体積あたりのエネルギーの高くなるロータリージョイントでは、放電限界となる電場（約１０ＭＶ／ｍ）近くの電場が導波管内に発生する。高電場の位置はそれぞれ導波管の形状（内径、長さ）により一義的に決定され、高電場位置は、導波管の軸方向に周期的に現れる。そして、この高電場位置は導波管内の電場解析を行うことにより求めることができる。そこで、本発明では、導波管の内面において軸方向に周期的に現れる高電場位置に導電率のより低い材料、即ち、放電限界のより高い物質の被膜を形成する。このように、局所的に放電限界の高い被膜を形成するので、伝送特性や伝送ロスに与える影響を小さくしたまま放電を効果的に防止することができる。 In a waveguide transmitting a high frequency with a peak power of 10 MW class and a frequency of 10 GHz or more, particularly in a rotary joint where the energy per unit volume is high, an electric field near the discharge limit (about 10 MV / m) is guided. Occurs in the tube. The position of the high electric field is uniquely determined by the shape (inner diameter, length) of the waveguide, and the high electric field position appears periodically in the axial direction of the waveguide. And this high electric field position can be calculated | required by performing the electric field analysis in a waveguide. Therefore, in the present invention, a film of a material having a lower conductivity, that is, a substance having a higher discharge limit is formed at a high electric field position periodically appearing in the axial direction on the inner surface of the waveguide. As described above, since a film having a high discharge limit is locally formed, it is possible to effectively prevent discharge while reducing the influence on transmission characteristics and transmission loss.
つまり、本発明によれば、１０ＭＷ以上の大電力で周波数１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送する場合でも、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより安定したマイクロ波の伝送が可能となるという優れた効果が得られる。 That is, according to the present invention, even in the case of transmitting microwaves having a frequency of 10 GHz or more with a large power of 10 MW or more, discharge in the waveguide can be effectively prevented, thereby enabling stable microwave transmission. An excellent effect is obtained.
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In each figure, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図１は、本発明の実施形態が適用可能な高周波伝送用ローターリージョイントの一例の断面図である。このロータリージョイントは、マグネトロンやクライストロンで発生した大電力（例えば１０ＭＷ）で約１１ＧＨｚの高周波を伝送するために用いる。 FIG. 1 is a cross-sectional view of an example of a high-frequency transmission rotary joint to which an embodiment of the present invention can be applied. This rotary joint is used to transmit a high frequency of about 11 GHz with high power (for example, 10 MW) generated by a magnetron or a klystron.
同図に示すように、このロータリージョイントは、一対の導波管部１２、１４と、回転支持部２０と、１／４波長チョーク３０とを備えている。一対の導波管部１２、１４は、その端面が一定の隙間１５を隔てて直列に、かつ、回転支持部２０によって同心の軸心Ｚ−Ｚを中心に互いに相対的に回転可能に接続されている。 As shown in the figure, the rotary joint includes a pair of waveguide portions 12 and 14, a rotation support portion 20, and a quarter wavelength choke 30. The pair of waveguide portions 12 and 14 are connected in series so that the end surfaces thereof are in series with a certain gap 15 therebetween, and can be rotated relative to each other about the concentric axis ZZ by the rotation support portion 20. ing.
この導波管部１２、１４は、内部にマグネトロンやクライストロンで発生した高周波を伝送するための中空の導波路１２ｂ、１４ｂを有し、内部に断面円形の導波路を形成する中空円筒形の円筒部１６と、円筒部１６の端部を閉じる端板１７と、円筒部１６と端板１７に連結されその軸方向が円筒部１６の軸方向と直角方向を向き内部に断面矩形の導波路を形成する矩形部１８とから構成されている。 The waveguide portions 12 and 14 have hollow waveguides 12b and 14b for transmitting high-frequency waves generated by magnetrons and klystrons inside, and are hollow cylindrical cylinders that form waveguides with a circular cross section inside. A portion 16, an end plate 17 that closes the end of the cylindrical portion 16, and a waveguide having a rectangular cross section that is connected to the cylindrical portion 16 and the end plate 17 and whose axial direction is perpendicular to the axial direction of the cylindrical portion 16. It is comprised from the rectangular part 18 to form.
回転支持部２０は、一方の導波管部１２に嵌合する円筒形の補強ピース２１と、補強ピース２１の外周部に嵌合する軸受２２と、これらを覆う軸受ハウジング２３とから構成され、これにより、一対の導波管部１２、１４の相対的回転を支持している。なお、補強ピース２１と軸受ハウジング２３の間にはガスシール２４が介装され、これにより絶縁媒体として導波管内に封入したガスが隙間１５から漏れるのを防止している。 The rotation support portion 20 includes a cylindrical reinforcing piece 21 fitted to one waveguide portion 12, a bearing 22 fitted to the outer peripheral portion of the reinforcing piece 21, and a bearing housing 23 covering them. Thereby, the relative rotation of the pair of waveguide portions 12 and 14 is supported. A gas seal 24 is interposed between the reinforcing piece 21 and the bearing housing 23, thereby preventing the gas sealed in the waveguide as an insulating medium from leaking from the gap 15.
ここで、ＳＦ６（６フッ化硫黄）は、電子を付着して負イオンになりやすい負性気体の１つで、ガス絶縁方式の絶縁媒体として特に適しており、大気絶縁と比較して高絶縁耐力を有するために機器の小型化が可能になるという特徴がある。また、ＳＦ６ガスの絶縁耐力（交流放電電圧）は、大気圧よりも加圧するほど高まることが知られている。そこで、絶縁媒体として導波管内に封入するガスとしては、加圧したＳＦ６ガスを用いることが好ましい。 Here, SF 6 (sulfur hexafluoride) is one of negative gases that tend to attach electrons and become negative ions, and is particularly suitable as an insulating medium of a gas insulation system. Since it has a dielectric strength, the device can be downsized. Further, it is known that the dielectric strength (AC discharge voltage) of SF 6 gas increases as the pressure is increased from the atmospheric pressure. Therefore, it is preferable to use pressurized SF 6 gas as the gas sealed in the waveguide as the insulating medium.
１／４波長チョーク３０は、断面コ字型の空間が周方向に延びて形成されており、このチョーク構造により、回転支持部２０側への高周波漏れを低減している。 The quarter-wave choke 30 is formed by extending a space having a U-shaped cross section in the circumferential direction, and this choke structure reduces high-frequency leakage to the rotation support portion 20 side.
図２は、図１において回転支持部２０を除いた状態の断面図である。この図に示すように、導波管部１２の円筒部１６は、軸方向に配列される３つのブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃから構成されている。この３つのブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃのうち軸方向中間部（図で中央部）に位置するブロック１６ｂは、周波数調整用ディスクであり、この周波数調整用ディスク１６ｂの軸方向の厚さを調整することにより所望の共振周波数に調整されている。ロータリージョイントの共振周波数は、導波管の内径や長さなど体積によって調整することができるので、この周波数調整ディスク１６ｂの厚さを調整することで、導波管の長さLを調整し、共振周波数調整を行う。 FIG. 2 is a cross-sectional view of the state where the rotation support portion 20 is removed from FIG. As shown in this figure, the cylindrical portion 16 of the waveguide portion 12 is composed of three blocks 16a, 16b, and 16c arranged in the axial direction. Of these three blocks 16a, 16b, and 16c, the block 16b located in the middle in the axial direction (the center in the figure) is a frequency adjusting disk, and the axial thickness of the frequency adjusting disk 16b is adjusted. Thus, the resonance frequency is adjusted to a desired resonance frequency. Since the resonance frequency of the rotary joint can be adjusted by the volume such as the inner diameter and length of the waveguide, the length L of the waveguide is adjusted by adjusting the thickness of the frequency adjusting disk 16b. Adjust the resonance frequency.
図１及び図２において、符号１０は本発明の要部である高放電限界値を有する被膜１０であり、高電場が起こる位置において導波管の内面に形成される。即ち、図１及び図２のロータリージョイントの例では、その内周面は銅Ｃｕで形成されているが、導波管の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置には銅Ｃｕよりも放電限界の高い物質の被膜１０が形成される。 1 and 2, reference numeral 10 denotes a coating 10 having a high discharge limit value, which is a main part of the present invention, and is formed on the inner surface of the waveguide at a position where a high electric field occurs. That is, in the example of the rotary joint of FIGS. 1 and 2, the inner peripheral surface is formed of copper Cu, but at a high electric field position that appears periodically in the axial direction along the inner peripheral surface of the cylindrical portion of the waveguide. Forms a coating 10 of a substance having a discharge limit higher than that of copper Cu.
ところで、タングステンＷを用いて線形加速器の加速管の内面を形成すると、銅で加速管の内面を形成した場合と比較して放電限界が高くなることが知られている。また、モリブデンＭｏを用いて線形加速器の加速管の内面を形成すると、放電限界がさらに高くなることが知られている。本実施形態では、このような放電限界の高い物質であるタングステンＷとモリブデンＭｏを被膜１０の形成に使用する。特に、タングステンとモリブデンは融点が高く、飽和蒸気圧が低いのでアーク放電の耐性が高く、高電場で用いる材料に適している。しかし、被膜材料はタングステンとモリブデンに限られず、他の適切な放電限界の高い物質を被膜形成に用いてもよい。 By the way, it is known that when the inner surface of the acceleration tube of the linear accelerator is formed using tungsten W, the discharge limit becomes higher compared to the case where the inner surface of the acceleration tube is formed of copper. Further, it is known that the discharge limit is further increased when the inner surface of the acceleration tube of the linear accelerator is formed using molybdenum Mo. In the present embodiment, tungsten W and molybdenum Mo, which are materials having a high discharge limit, are used for forming the coating 10. In particular, tungsten and molybdenum have a high melting point and a low saturated vapor pressure, and thus have high arc discharge resistance, and are suitable for materials used in a high electric field. However, the coating material is not limited to tungsten and molybdenum, and another appropriate substance having a high discharge limit may be used for forming the coating.
この放電限界のより高い物質の被膜形成について以下説明する。 The film formation of a substance having a higher discharge limit will be described below.
図３は、ロータリージョイントの電場解析の結果を示すものである。この図は、図１、図２における軸心Ｚより上側の導波路内の電場を示しているが、下側の電場は軸心Ｚを中心に対称に現れる。なお、電場と導波管との位置関係を明確にするため、一対の導波管部１２、１４の円筒部１６を点線で示している。図中Ｌは、図１、図２における導波管の長さＬを意味する。同図に示すように、導波管部１２、１４の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に電場が高くなる高電場位置Ａが現れ、この高電場位置Ａの間に電場がほぼゼロとなる低電場位置Ｂが現れることが分かる。この高電場位置Ａ、低電場位置Ｂは、導波管の形状（内径、長さ）により一義的に決定され、高電場位置Ａは高周波の波長λに相当するピッチで周期的に現れる。なお、導波路内の最高電場（約１０ＭＶ／ｍ）は図中Ｃ点で発生するため、高電場位置Ａにおける電場は最高電場より低い値となる。そこで、まず、製作予定のロータリージョイントと同一寸法のロータリージョイントを用いて導波管内の電場解析を行い、高電場位置Ａを求める。 FIG. 3 shows the result of electric field analysis of the rotary joint. This figure shows the electric field in the waveguide above the axis Z in FIGS. 1 and 2, but the lower electric field appears symmetrically about the axis Z. In addition, in order to clarify the positional relationship between the electric field and the waveguide, the cylindrical portion 16 of the pair of waveguide portions 12 and 14 is indicated by a dotted line. In the figure, L means the length L of the waveguide in FIGS. As shown in the figure, a high electric field position A in which the electric field periodically increases in the axial direction along the cylindrical inner peripheral surfaces of the waveguide sections 12 and 14 appears, and the electric field is almost between the high electric field positions A. It can be seen that a low electric field position B that becomes zero appears. The high electric field position A and the low electric field position B are uniquely determined by the shape (inner diameter, length) of the waveguide, and the high electric field position A periodically appears at a pitch corresponding to the wavelength λ of the high frequency. Since the highest electric field (about 10 MV / m) in the waveguide is generated at the point C in the figure, the electric field at the high electric field position A is lower than the highest electric field. Therefore, first, an electric field analysis in the waveguide is performed using a rotary joint having the same dimensions as the rotary joint to be manufactured, and a high electric field position A is obtained.
図３の高電場位置Ａとなる導波管部の円筒部内周面に、タングステン又はモリブデンの被膜１０を形成する。簡略のため、図面では限られた数の被膜１０しか示していないが、被膜は図１の符号１０で示される位置だけに形成するのではなく、マイクロ波発信器に接続される一端部から線形加速器に接続される他端部にわたって、即ち、ロータリージョイントだけでなく導波管の全長にわたって電場解析を行い、これにより求められた周期的に現れる高電場位置Ａのすべての箇所に形成することが好ましい。さらに、周期的に現れない最大電場位置Ｃなどの他の高電場位置にもタングステン又はモリブデンの被膜１０（図示せず）を形成することが好ましい。被膜１０は蒸着、溶着等の適切な方法で形成されてよい。 A tungsten or molybdenum coating 10 is formed on the inner peripheral surface of the cylindrical portion of the waveguide portion at the high electric field position A in FIG. For the sake of simplicity, only a limited number of coatings 10 are shown in the drawing, but the coatings are not formed only at the positions indicated by reference numeral 10 in FIG. 1, but are linear from one end connected to the microwave transmitter. The electric field analysis is performed not only on the other end connected to the accelerator, that is, on the entire length of the waveguide, but also on the entire length of the waveguide, thereby forming the high electric field position A that appears periodically. preferable. Further, it is preferable to form a tungsten or molybdenum coating 10 (not shown) at other high electric field positions such as the maximum electric field position C that does not appear periodically. The coating 10 may be formed by an appropriate method such as vapor deposition or welding.
次に、被膜１０の厚さ及び幅について説明する。 Next, the thickness and width of the coating 10 will be described.
まず、一般にスキンデプスδは次の式で求められる。
δ＝{１／（π＊ｆ＊μ＊σ）}１／２
ここで、ｆは伝送マイクロ波の周波数であり、μは物質の透磁率であり、σは物質の導電率である。
First, the skin depth δ is generally obtained by the following equation.
δ = {1 / (π * f * μ * σ)} 1/2
Here, f is the frequency of the transmission microwave, μ is the magnetic permeability of the substance, and σ is the conductivity of the substance.
また、銅、タングステン及びモリブデンの導電率は、それぞれ
σＣｕ＝６．４５×１０７（Ｓ／ｍ）
σＷ＝２．０４×１０７（Ｓ／ｍ）
σＭｏ＝１．９９×１０７（Ｓ／ｍ）
である。
Moreover, the electrical conductivity of copper, tungsten and molybdenum is σCu = 6.45 × 10 7 (S / m), respectively.
σW = 2.04 × 10 7 (S / m)
σMo = 1.99 × 10 7 (S / m)
It is.
銅、タングステン及びモリブデンはすべて非磁性材料なので、比透磁率を１とするとこれらの透磁率は、
μ＝４π×１０−７（Ｈ／ｍ）＝１．２５×１０−６（Ｈ／ｍ）
となる。
Since copper, tungsten, and molybdenum are all non-magnetic materials, if the relative permeability is 1, their permeability is
μ = 4π × 10 −7 (H / m) = 1.25 × 10 −6 (H / m)
It becomes.
従って、伝送マイクロ波の周波数ｆを高周波数である１０ＧＨｚと仮定して、これら導電率、透磁率、周波数の値を上記スキンデプスδの式に代入すると、銅、タングステン及びモリブデンのスキンデプスの値はそれぞれ、
δＣｕ＝０．６（μｍ）
δＷ＝１．０（μｍ）
δＭｏ＝１．１（μｍ）
となる。
Therefore, assuming that the frequency f of the transmission microwave is 10 GHz, which is a high frequency, and substituting these conductivity, permeability, and frequency values into the above skin depth δ, the skin depth values of copper, tungsten, and molybdenum Respectively
δCu = 0.6 (μm)
δW = 1.0 (μm)
δMo = 1.1 (μm)
It becomes.
タングステン又はモリブデン被膜１０の厚さは、これらのスキンデプスよりも大きい１．５μｍ程度で十分である。ここで、導波管の円筒部内周面に厚さ１．５μｍの被膜１０を形成しても銅で形成されている他の部分の円筒部内径よりも３μｍ小さくなるが、導波管の製作精度はプラスマイナス１０μｍから２０μｍなので、１．５μｍの被膜１０を形成しても導波管の性能に影響を与えない。 The thickness of the tungsten or molybdenum coating 10 is about 1.5 μm, which is larger than these skin depths. Here, even if the 1.5 μm thick coating 10 is formed on the inner peripheral surface of the cylindrical portion of the waveguide, it is 3 μm smaller than the inner diameter of the other cylindrical portion formed of copper, but the waveguide is manufactured. Since the accuracy is plus or minus 10 μm to 20 μm, the formation of the 1.5 μm film 10 does not affect the performance of the waveguide.
また、マイクロ波の周波数を１０ＧＨｚとした場合に、波長は３ｃｍなり、上述のように高電場位置Ａは波長３ｃｍに相当するピッチで周期的に現れるので、導波管部１２、１４の軸方向に関する被膜１０の幅は、波長３ｃｍよりも十分小さい５ｍｍ程度でよい。即ち、伝送ロスを小さくでき、かつ、放電を抑制できる適切な幅を持つように被膜１０を形成する。 In addition, when the frequency of the microwave is 10 GHz, the wavelength is 3 cm, and the high electric field position A periodically appears at a pitch corresponding to the wavelength of 3 cm as described above. The width of the coating 10 may be about 5 mm which is sufficiently smaller than the wavelength of 3 cm. That is, the coating 10 is formed so as to have an appropriate width that can reduce transmission loss and suppress discharge.
このように、高電場位置Ａにおいて局所的に放電限界値の高い被膜１０を形成することにより、導波管全体の放電限界値を効果的に上げることができる。また、タングステンやモリブデンのように銅よりも導電率の低い材料を用いて被膜１０を形成しているが、被膜形成を局所的に行っているので、導波管の伝送特性や伝送ロスに与える影響は少ない。 Thus, by forming the film 10 having a high discharge limit value locally at the high electric field position A, the discharge limit value of the entire waveguide can be effectively increased. Further, the film 10 is formed using a material having a conductivity lower than that of copper, such as tungsten or molybdenum. However, since the film is formed locally, it affects the transmission characteristics and transmission loss of the waveguide. The impact is small.
次に、ロータリージョイントの被膜１０以外の構成部分について説明する。 Next, components other than the coating 10 of the rotary joint will be described.
各ブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃの内周部の継ぎ目に段差が生じないように、各ブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、内径が同一寸法となるように製作する。このような段差が生じると、共振周波数に影響を与え所望の共振周波数に調整することが困難となるからである。 Each block 16a, 16b, 16c is manufactured so that an internal diameter becomes the same dimension so that a level | step difference may not arise in the joint of the inner peripheral part of each block 16a, 16b, 16c. This is because when such a step occurs, the resonance frequency is affected and it becomes difficult to adjust to a desired resonance frequency.
周波数調整用ディスク１６ｂは他の２つのブロック１６ａ、１６ｃで挟み込まれ、仮組み状態で図１のようなロータリージョイントを構成する。次に、このロータリージョイント１０の共振周波数を測定する。この測定には、例えば、低電力高周波を発振する測定器を用いることができる。そして、この測定結果に基づいて、周波数調整用ディスク１６ｂの軸方向の厚さを所望の共振周波数となるように切削等により微調整する。
また、放電防止のために、図１のチョーク３０は図３の低電場位置Ｂに位置することが好ましい。
The frequency adjusting disk 16b is sandwiched between the other two blocks 16a and 16c, and forms a rotary joint as shown in FIG. 1 in a temporarily assembled state. Next, the resonance frequency of the rotary joint 10 is measured. For this measurement, for example, a measuring device that oscillates a low power high frequency can be used. Based on the measurement result, the axial thickness of the frequency adjusting disk 16b is finely adjusted by cutting or the like so as to have a desired resonance frequency.
In order to prevent discharge, the choke 30 in FIG. 1 is preferably located at the low electric field position B in FIG.
なお、上述した実施形態では、ロータリージョイントへの本発明の適用を説明したが、本発明はこれに限定されない。即ち、本発明によると、ロータリージョイントを含まず内部放電が起きやすい導波管にも適用可能であり、この場合にも、高電場となる位置に放電限界値の高いタングステンやモリブデンなどの被膜１０を形成することで導波管全体の放電限界値を上げることができる。 In the above-described embodiment, the application of the present invention to the rotary joint has been described, but the present invention is not limited to this. That is, according to the present invention, the present invention can be applied to a waveguide that does not include a rotary joint and easily generates internal discharge. In this case as well, a coating 10 such as tungsten or molybdenum having a high discharge limit value at a position where a high electric field is generated. By forming, the discharge limit value of the entire waveguide can be increased.
このように、本発明によれば、導波管部１２、１４の円筒部１６内周面などに沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置Ａや最大電場位置Ｃなどに放電限界値の高いタングステンやモリブデンなどの被膜１０を形成するので、導波管内の高電場に起因して放電が起こることを効果的に防止することができる。従って、１０ＭＷ以上の大電力で周波数１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送する場合でも、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより安定したマイクロ波の伝送が可能となるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the discharge limit value is generated at the high electric field position A, the maximum electric field position C, and the like that appear periodically in the axial direction along the inner peripheral surface of the cylindrical part 16 of the waveguide parts 12 and 14. Since the high film 10 of tungsten, molybdenum, or the like is formed, it is possible to effectively prevent discharge from occurring due to a high electric field in the waveguide. Accordingly, even when microwaves having a frequency of 10 GHz or more are transmitted with a large power of 10 MW or more, it is possible to effectively prevent discharge in the waveguide, thereby obtaining an excellent effect of enabling stable microwave transmission. It is done.
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, a various change can be added in the range which does not deviate from the summary of this invention.
１２、１４ 導波管部
１２ｂ、１４ｂ 導波路
１５ 隙間
１６ 円筒部
１６ａ、１６ｃ ブロック
１６ｂ ブロック（周波数調整用ディスク）
１７ 端板
１８ 矩形部
２０ 回転支持部
２１ 補強ピース
２２ 軸受
２３ 軸受ハウジング
２４ ガスシール
３０ １／４波長チョーク
Ａ 高電場位置
Ｂ 低電場位置
Ｃ 最高電場位置
Ｌ 導波管の長さ
12, 14 Waveguide portions 12b, 14b Waveguide 15 Clearance 16 Cylindrical portions 16a, 16c Block 16b Block (frequency adjusting disk)
17 End plate 18 Rectangular portion 20 Rotation support portion 21 Reinforcement piece 22 Bearing 23 Bearing housing 24 Gas seal 30 1/4 wavelength choke A High electric field position B Low electric field position C Maximum electric field position L Waveguide length
Claims (6)
導波管部の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置に、前記円筒部内周面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜が形成されていることを特徴とするロータリージョイント。 A rotary joint having a pair of waveguide portions having a hollow waveguide for high-frequency transmission therein and connected to each other around a coaxial axis,
A coating of a material having a lower conductivity than that of the constituent material of the inner peripheral surface of the cylindrical portion is formed at a high electric field position that periodically appears in the axial direction along the inner peripheral surface of the cylindrical portion of the waveguide portion. Rotary joint.
導波管部の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置を求める工程と、該高電場位置に前記円筒部内周面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜を形成する工程とを含むことを特徴とするロータリージョイントの製造方法。 A method of manufacturing a rotary joint including a pair of waveguide portions that have a hollow waveguide for high-frequency transmission inside and that are rotatably connected to each other around a coaxial axis,
A step of obtaining a position of a high electric field periodically appearing in the axial direction along the inner peripheral surface of the cylindrical portion of the waveguide portion; and a coating of a material having a lower conductivity than the constituent material of the inner peripheral surface of the cylindrical portion at the high electric field position Forming the rotary joint.
導波管の内面に現れる高電場位置に、前記内面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜が形成されていることを特徴とする導波管。 A waveguide having a hollow waveguide for high-frequency transmission inside,
A waveguide characterized in that a coating of a material having a conductivity lower than that of the constituent material of the inner surface is formed at a position of a high electric field appearing on the inner surface of the waveguide.
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