JP2008510268A - 特にサイクロトロンで使用される無線周波空洞を設計するための方法、そのような方法を使用して実現される無線周波空洞、及びそのような空洞を使用するサイクロトロン - Google Patents

Abstract

本発明は、特にサイクロトロンで使用される無線周波空洞を設計するための方法に関し、無線周波空洞２は、少なくとも２つの本質的に誘導性の要素すなわち「ステム」４によって容量性電極２’に接続される、導電性筐体すなわち「ライナ」３を備え、前記方法は、以下に続くステップ、すなわち、Ａ．前記無線周波空洞２の容積を、少なくとも２つのステム４に対応する複数の副空洞１０、２０、３０であって、各副空洞がそれぞれのステム４を備える複数の副空洞に細区分化するステップと、Ｂ．前記少なくとも２つの副空洞１０、２０、３０の間の分割面に、磁気正規直交性の条件を課すステップと、Ｃ．前記少なくとも２つの副空洞１０、２０、３０ごとに独立に、境界における物理的条件に関して、それぞれのステム４のサイズ及び／又は位置を計算するステップと、を含むことで特徴付けられる。本発明はさらに、本発明による方法を使用して実現される無線周波空洞、及びそのような空洞を使用するサイクロトロンにも関する。

Description

本発明は、特にサイクロトロン（ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ）で使用される無線周波空洞（ｒａｄｉｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃａｖｉｔｙ）を設計するための方法、そのような方法を使用して実現される無線周波空洞、及びそのような空洞を使用するサイクロトロンに関する。

より詳細には、本発明は、少なくとも２つの本質的に誘導性の線（ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｌｉｎｅ）すなわち「ステム（ｓｔｅｍ）」に接続された容量性電極（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を含む、無線周波空洞を設計するための方法に関し、この方法は、無線周波空洞のインダクタンスを広い範囲において決定できるように、２つ以上のステムを使用することを可能にする。本発明はまた、ステムの間に無視し得る電流が流れ、上記の方法を使用して設計され、それによって得られた仕様を用いて実現される無線周波空洞にも関する。本発明はさらに、本発明による１つ又は複数の空洞が使用されるサイクロトロンにも関する。

以下では、説明の簡単化のため、常にサイクロトロンの無線周波空洞に言及するが、本発明は、任意の無線周波空洞に、すなわちキャパシタンス及びインダクタンスを有する空洞に適用されることが意図されている。さらに、サイクロトロンについて語る場合、いつも具体的なタイプに明らかに言及していても、発明者らは任意のタイプのサイクロトロンを意図している。

サイクロトロンでは、知られているように、磁界と電界の両方が作用する。磁界は、加速したい粒子の固定共振周波数での回転に関係し、一方、電界は、そのような粒子を加速する。

加速電界を生成する電極は、加速されるために粒子が通過しなければならない、いくつかの無線周波空洞を備える、無線周波（ＲＦ）回路の一体部分である。そのような無線周波空洞は、上記の固定共振周波数の高調波に等しい周波数で共振するような寸法に作られる。

無線周波空洞の共振周波数ｆｒは、関係ｆｒ＝１／［２・ｐ・（Ｌ・Ｃ）^１／２］に従って、インダクタンスＬと容量Ｃに依存するので、高い値の共振周波数が望まれる場合、Ｌ及びＣの値が小さくなければならないことは明らかである。

一般に、無線周波空洞は、エクステンション（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）を有し、実際には「容量性電極」である、加速電極のキャパシタンスを最小化するように設計される。ところで、共振を得るためには、インダクタンスがいくらかは存在しなければならず、したがって、容量性電極に誘導性の線を追加しなければならない。

しかし、望まれる小ささのインダクタンスを容量性電極に追加することには成功していない。

実際、無線周波空洞には通常、「ステム」と言われる部分、すなわち、電極を空洞の外側筐体（ｏｕｔｅｒ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）すなわち「ライナ（ｌｉｎｅｒ）」と接続する導体が設けられる。ステムのインダクタンスを小さくするには、電流のこの磁束に直交する線（ｔｈｉｓ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｏ ｆｌｕｘ ｌｉｎｅｓ）の寸法が大きくならなければならない。

今度はこれが、通常は銅製の筐体であり、空洞によって生み出される電磁界の場（ｓｅａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）である空間の領域を定める、ライナの存在のため、空洞の容量（ｃａｐａｃｉｔｙ）を大きくする。

ライナと一緒に、ステムは、電極自体のインダクタンス値及びキャパシタンス値に加わるインダクタンス値及びキャパシタンス値を有し、したがって、無線周波空洞の全体的なインダクタンス及び容量（ｃａｐａｃｉｔｙ）に寄与する、伝送線と見なされることができる。

時とともに、低周波数用の容量及びインダクタンスの集中的なパラメータのモデル（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ−ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ’ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）を用いて実現される共振回路から、常により複雑で、より高い共振周波数にある共振空洞へと移り変わってきた。

これは、計算及びシミュレーション・ツールの発展のおかげで可能になった。しかし、サイクロトロン空洞の場合、１つ又は２つのステムに接続された実質的に容量性の電極（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）が使用され続けている。

図１及び図２を参照すると、新世代のコンパクトなサイクロトロン（等時性）、特に超伝導サイクロトロンは、磁極を有し、その磁極が、山（ｐｅａｋ）１と谷（ｖａｌｌｅｙ）２との、すなわち、磁極間の距離が非常に小さい領域と距離が大きい領域との交互反復によって構成されることで特徴付けられる。そのような場合、加速容量性電極２’のキャパシタンスを小さくするには、加速容量性電極２’を谷２の内部に正確に挿入するのが道理にかなっていることが分かっている。谷２と山１とは一緒になって、いわゆるセクタ（ｓｅｃｔｏｒ）を構成する。

加速する粒子は、サイクロトロンの中心１０１に導入され、電界及び磁界の影響を受けながら、サイクロトロン内で螺旋軌道に沿って進む。

一般に、θが容量性電極の角の広がり（ａｎｇｕｌａｒ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）、Ｖが容量性電極に印加される電圧、ｈが加速高調波、Ｅ_ｇが１回転当たりのエネルギー・ゲインである場合、以下の関係が得られる。

Ｅ_ｇ＝２・Ｖ・ｓｉｎ（ｈ・θ／２）

言い換えると、１回転当たりの最大エネルギー・ゲインＥ_ｇは、ｈ・θ＝１８０°のときに得られ、そのような場合、Ｅ_ｇ＝２・Ｖとなる。そのような条件では、粒子は、電極の入口及び出口の両方において、最大可能エネルギーを獲得する。

反対に、ｈ・θ≠１８０°の値の場合、まだ加速が得られるが、最適値の１８０°から乖離するほど、効率はますます小さくなる。

したがって、無線周波空洞の電極の角の広がりに応じて、使用される周波は、第１、第２、第３高調波であり、４つのセクタを有し、サイズが小さいいくつかのサイクロトロンの場合、第４高調波でもある。４つのセクタを有し、角の広がり≦４５°の電極をもつサイクロトロンの場合、最適な加速高調波は、第４高調波である。

上側磁極の半径が８０ｃｍより大きいサイクロトロンでは、加速電極のキャパシタンスは、相対的に高い。したがって、７０ＭＨｚより大きい周波数のための共振空洞を実現するには、特に小さなインダクタンス値を必要とし、その結果として特性インピーダンスＺ_０の減少、したがって、誘導性領域における電流の増加を伴う。このすべてが、以下のように定義される空洞の品質係数（ｑｕａｌｉｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）Ｑの低下を結果として伴う、熱リーク（ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅａｋ）の増加を生じさせる。

Ｑ＝２・π・ｆ_ＲＦ・Ｅ_ｉ／Ｅ_ｄ
ここで、Ｅ_ｉは空洞に蓄えられるエネルギー、Ｅ_ｄは空洞で散逸されるエネルギー、ｆ_ＲＦは無線周波空洞の特性周波数（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）である。

さらに、ステムの寸法が大きくなるにつれて、空洞のインダクタンス値はますます小さくなるので、インダクタンスの低下はステムのサイズによって強く影響される。ステムのサイズは、ステムが接続される電極の幅によって幾何学的に制限されるので、インダクタンス値は、電極の幅によって制限されたままである。したがって、そのように、共振周波数は、ステムのサイズによって制限されることが分かっている。

この問題を回避するための解決策は、回路の全インダクタンスを低下させるために、より多くのステムを並列に挿入することである。

１電極当たり２つのステムをもつサイクロトロンが存在する。

しかし、多くの場合、電極のキャパシタンスの高い値に対して、高い共振周波数を求めるため、２つのステムを用いるだけでは、問題の解決を図ることは可能ではない。

発明者らが知る限りでは今まで提案されたことがない３つのステムの適用は、上記の問題を引き起こさずに、所望の共振周波数を得ることを直観的に（ａ ｐｒｉｏｒｉ）可能にする。

しかし、３つ以上のステムを用いると、空洞の最適化及び加速電極沿いの電圧プロフィールの最適化は、既存の方法では実現されることができない。

実際、出願人は、少なくとも３つのステムが設けられた、上記の空洞の最適化及び容量性電極沿いの電圧プロフィールの最適化で完結する研究を実施した。

研究の結果から、従来の最適化方法は、満足できる結果をもたらさないことが分かった。実際、後述の近似（ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎｓ）を用いてステムのサイズ及び位置を見出そうと試みると、例えば、異なる位置を結果の電圧プロフィールに相関させることの現実的な不可能性に直面する。従来の方法を用いて得られることができる構成は、安定ではない。

したがって、特に電極のキャパシタンスが８０〜１００ｐＦより大きく、無線周波空洞の共振周波数が７０〜９０ＭＨｚより高い場合に、広い範囲の共振周波数について従来の最適化に到達することは可能ではない。

本発明の目的は、上記の難点及び問題を解決する、特にサイクロトロンで使用される無線周波空洞を設計するための方法を提供することである。

本発明の目的はまた、本発明の方法目的を実行するために必要とされる装置及びツールを提供することでもある。

さらに、本発明の目的は、従来の無線周波空洞では得られないインダクタンス値を提供する無線周波空洞、特に本発明の方法目的を使用して得られる無線周波空洞を提供することでもある。

やはり、本発明の具体的な目的は、本発明の目的である１つ又は複数の無線周波空洞を利用するサイクロトロンを提供することである。

特にサイクロトロンで使用される無線周波空洞を設計するための方法が、本発明の主題であり、無線周波空洞は、少なくとも２つの本質的に誘導性の要素すなわち「ステム」によって容量性電極に接続される、導電性筐体（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）すなわち「ライナ」を備え、前記方法は、以下に続くステップ、すなわち、
Ａ．前記無線周波空洞の容積を、少なくとも２つのステムに対応する複数の副空洞（ｓｕｂ−ｃａｖｉｔｙ）であって、各副空洞がそれぞれのステムを備える複数の副空洞に細区分化するステップと、
Ｂ．前記少なくとも２つの副空洞の間の分割面（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ）に、磁気正規直交性（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｏｒｔｈｏｎｏｒｍａｌｉｔｙ）の条件を課すステップと、
Ｃ．前記少なくとも２つの副空洞ごとに独立に、境界における物理的条件に関して、それぞれのステムのサイズ及び／又は位置を計算するステップと、を含むことで特徴付けられる。

好ましくは、本発明によれば、ステムは、少なくとも３つある。

好ましくは、本発明によれば、ステップＣは、品質係数（ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）Ｑ＝２・π・ｆ_ＲＦ・Ｅ_ｉ／Ｅ_ｄを最大化することによって達成され、ここで、Ｅ_ｉは無線周波空洞に蓄えられるエネルギー、Ｅ_ｄは無線周波空洞で散逸されるエネルギー、ｆ_ＲＦは無線周波空洞の特性周波数である。

好ましくは、本発明によれば、Ｑは、７０００より大きい。

好ましくは、本発明によれば、ステップＣは、前記少なくとも２つの副空洞の各々において所定の電圧分布を得るような方法で実現される。

好ましくは、本発明によれば、前記ライナは、下側基部（ｌｏｗｅｒ ｂａｓｅ）と、上側基部（ｕｐｐｅｒ ｂａｓｅ）とを提供し、前記少なくとも２つの副空洞は、前記下側基部から前記上側基部へと延びる面によって無線周波空洞の前記容積を細区分化することによって得られる。

好ましくは、本発明によれば、前記面は、容量性電極の湾曲又は展開面（ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｕｒｆａｃｅ）と直交する。

好ましくは、本発明によれば、前記方法はさらに、ステップＣの後に、以下のステップ、すなわち、
Ｄ．前記副空洞ごとに独立に、副空洞のサイズを変更し、副空洞における所定の電圧分布が達成されるまで、ステップＢ及びステップＣを繰り返すステップを含む。

好ましくは、本発明によれば、ステップＡの間に、容量性電極は、前記少なくとも２つの副空洞の少なくとも１つのキャパシタンスがその他のキャパシタンスと異なるような方法で、細区分化される。

好ましくは、本発明によれば、前記少なくとも２つの副空洞の前記少なくとも１つは、容量性電極の中心的副空洞（ｃｅｎｔｒａｌ ｓｕｂ−ｃａｖｉｔｙ）である。

好ましくは、本発明によれば、ステップＡの間に、容量性電極は、等しい表面をもつ部分に細区分化される。

好ましくは、本発明によれば、前記方法はさらに、ステップＣの後に、以下のステップ、すなわち、
Ｅ．前記少なくとも２つのステムの数を増やし、前記少なくとも２つの副空洞の各々についての係数Ｑの値が、所定の閾値を超えるまで、ステップＡ、ステップＢ、及びステップＣを繰り返すステップを含む。

好ましくは、本発明によれば、ステップＥにおいて、ステップＤも同様に繰り返される。

コンピュータ上で走らせたときに本発明による方法を実行するように適合されたコード手段を含むことで特徴付けられるコンピュータ・プログラムが、本発明の具体的な主題である。

プログラムを保存する、コンピュータによって可読のメモリ媒体であって、前記プログラムが本発明によるコンピュータ・プログラムであることで特徴付けられるメモリ媒体が、本発明の具体的な主題である。

特にサイクロトロンで使用される無線周波空洞が、さらに本発明の具体的な主題であり、無線周波空洞は、少なくとも２つの誘導性の要素すなわち「ステム」によって容量性電極に接続される、導電性筐体すなわち「ライナ」を備え、無線周波空洞は、本発明による方法を利用して設計されることで特徴付けられる。

好ましくは、本発明によれば、空洞が作動中のとき、前記少なくとも２つのステムの１つから別のステムに流れる電流の合計値と、前記少なくとも２つのステムの１つの内部を流れる電流の値との比は、０，６より低い。

好ましくは、本発明によれば、前記比は、０，３より低い。

好ましくは、本発明によれば、前記比は、０，１５より低い。

好ましくは、本発明によれば、無線周波空洞は、少なくとも３つのステムを備える。

好ましくは、本発明によれば、容量性電極の表面は、２ｍ^２より大きい。

好ましくは、本発明によれば、容量性電極は、８０ｐＦより大きいキャパシタンスを提供する。

好ましくは、本発明によれば、容量性電極は、１００ｐＦより大きいキャパシタンスを提供する。

好ましくは、本発明によれば、容量性電極は、フラットである。

好ましくは、本発明によれば、無線周波空洞は、一点から始まり、決められた角の広がりθで開いていく、湾曲した形状を有する。

好ましくは、本発明によれば、前記角の広がりは、４５°以下である。

１つ又は複数の無線周波空洞を備えるサイクロトロンが、さらに本発明の具体的な主題であり、サイクロトロンは、前記１つ又は複数の無線周波空洞が本発明による無線周波空洞であることで特徴付けられる。

好ましくは、本発明によれば、サイクロトロンは、７０ＭＨｚ以上の共振周波数を有する。

好ましくは、本発明によれば、サイクロトロンは、１４０ＭＨｚ以下の共振周波数を有する。

好ましくは、本発明によれば、サイクロトロンは、少なくとも２つの無線周波空洞を備える。

今から、本発明が、同封の図からなる図面を特に参照しながら、限定としてではなく、例示として説明される。

以下の説明では、等しい参照符号は、図中の等しい要素を指し示すために使用される。

図１及び図２を参照すると、従来技術によるサイクロトロン１００（超伝導性）は、山１と谷２とを備える磁極によって内部的に構成される。谷２は、いわゆる「ライナ」３によって覆われる。ライナは、ＲＦ空洞の外面を形成する、典型的には銅製の面である。谷２において、ライナ３の内部に、容量性電極２’が配置される。そのような容量性電極２’は各々、電極をライナに接続する（典型的には直円柱の形状の）垂直ステムを備える。

無線周波空洞の容積は、容量性電極２’を備えるライナ３によって確定される容積である。

本発明の方法によれば、無線周波空洞２の全インダクタンスの所望の値を達成するために、３つ以上のステム４を有する容量性電極２’を提供し、同時にそれらのステム４のサイズ及び位置を決定することが可能である。

ステムは独自のキャパシタンスの値も有するが、容量性電極２’のキャパシタンスの値に対して無視し得ることが分かっている。

以下では、無線周波空洞当たり３つの、すなわち、容量性電極２’当たり３つのステム４について常に言及するが、本発明による方法は、従来技術の２つだけのステムを含む、任意の数のステム４に適用されることを理解されたい。

図３を参照すると、本発明の方法によれば、最初に無線周波空洞２を、３つのステム（図示されず）に対応する３つの部分すなわち副空洞１０、２０、３０に細区分化することが必要とされる。

一般に、細区分化は、任意の方法で達成されることができる。サイクロトロンの無線周波空洞に関して、無線周波空洞は容量性電極２’の方向に展開し、容量性電極２’はこの放射状の展開において展開線７に追随する。

有利には、副空洞１０、２０、３０は、空洞の容積を、前記展開線７に対応する面７’に直交して切ることによって得られる。

電極の容量の対応部分と、対応するステムのインダクタンスとを有する、３つの異なる副空洞１０、２０、３０が得られる。

そのような３つの副空洞１０、２０、３０は、２つの分割面８及び９によって分割される。

上述されたように、最初の細区分化は恣意的である。いくつかの適用例では、容量的に等しい又は匹敵する３つの副空洞１０、２０、３０に電極を分割するのが有利である。他の適用例では、細区分化は、副空洞１０、２０、３０の少なくとも１つが、好ましくは中心的副空洞２０が、他と異なるキャパシタンスを有するような方法で行われる。

すべての副空洞１０、２０、３０を他とは独立に最適化する前に、副空洞１０、２０、３０の間の境界面に、磁気正規直交性の条件が課される。

したがって、副空洞１０、２０、３０ごとに、各副空洞１０、２０、３０のＱを最適化（すなわち最大化）するステム４の位置及び／又はサイズは、境界における物理的条件（とりわけ、最大及び最小電圧、ライナ３から容量性電極２’までの距離）を考慮して定められる。

無線周波空洞２、したがって容量性電極２’の細区分化のモダリティ（ｍｏｄａｌｉｔｙ）は、容量性電極２’上の最終的な分布に直接影響を及ぼす。

実際、第１の近似では、例えば、Ｃ_１が副空洞１０の全キャパシタンス、Ｃ_２が副空洞２０の全キャパシタンスである場合、副空洞２０に対応する容量性電極２’の部分における平均電圧は、Ｖ_２＝Ｖ_１・（Ｃ_１／Ｃ_２）である。

その結果、最終的な電圧分布を事前に固定することによって、無線周波空洞は、必要とされる電圧に反比例するキャパシタンスを有するような、独立した副空洞に分割されることができる。

単一の副空洞１０、２０、３０が独立に最適化されると、無線周波空洞２が、得られたパラメータに基づいて構成される。

最終的な結果は、電圧及び電流が互いに円滑に結合する、３つ以上の空洞１０、２０、３０の和である。

図４には、医療用途のサイクロトロンを実現するのに有用な、無線周波空洞２の容量性電極２’上の電圧分布が示されており、図５には、容量性電極２’上で図４の電圧分布を得るために、本発明による方法を使用して最適化された、３つのステム４を有する無線周波空洞２の幾何形状を上から見た図が示されている。

図６には、容量性電極２’沿いの電流分布が示されている。観察できるように、ステムの間に色の濃い領域が存在し、そのような領域では、流れる電流は非常に小さいか、又はほとんどゼロである。これは、電流はステムから別のステムに流れることができず、ステム４を備える各副空洞の内部に閉じ込められたままであることを意味する。

図７には、本発明の方法を使用して実現される無線周波空洞２の容積における電流方向が示されている。

副空洞１０、２０、３０を「再構成」する際、接続面をまたぐ限られた領域にいくらかの電流が出現するが、そのような電流は、無視し得ることが分かっており、無線周波空洞２の所望の効率に影響を及ぼさないことに留意されたい。無線周波空洞の全Ｑは、単一の副空洞１０、２０、３０の単一Ｑと感知できるほどは異ならないことが分かっている。

本発明の方法を反復し、３つのステム４から始めて、便利な電圧分布が達成されるまで、ステム４の数を増やしていくことも可能である。

したがって、本発明による方法は、電圧の所望の推移（ｃｏｕｒｓｅ）を得ることを可能にし、事前に定められた境界条件に対してＱの最適値を保証する。

無線周波空洞の各容量性電極は（例えば、サイクロトロンの異なる適用例において）、異なる電圧プロフィールを必要とするので、所望の電圧プロフィールを得ることができるという事実は、非常に重要である。

本発明による方法の本質的な利点は、無線周波空洞のすべての副空洞を独立に最適化できることに存在する。このように操作することによって、容量性電極上で電圧の所望の推移を獲得し、容量性電極の熱リーク（ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅａｋａｇｅ）を最小化することが可能である。

従来の方法と対比された際の本発明の方法の利点は、狭められた空間のため電界が極めて高くなり得るサイクロトロンの中央領域における電圧のリミッティング（ｌｉｍｉｔｉｎｇ）に関する問題さえも、本発明の方法を用いて解決されることである。

本発明による方法は、任意の数のステムに拡張可能であり、したがって、それで動作したい共振周波数に対して大きなサイズ及びキャパシタンスを有する共振空洞を設計するのに有用である。

本発明による方法は、以前は得ることができなかった特性を有するサイクロトロン空洞を設計することを可能にする。例えば、本発明による方法は、１ＧｅＶの陽子及び１ＭＷより高いビーム出力のための、リング・サイクロトロン（ｒｉｎｇ ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ）用の加速ダブル・ギャップ空洞（ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｄｏｕｂｌｅ−ｇａｐ ｃａｖｉｔｙ）を設計するために適用されることができる。

特に、本発明による方法は、電極表面が広く（２ｍ^２より広い）、電極のキャパシタンスが８０〜１００ｐＦより高い場合でさえも、７０から１４０ＭＨｚの間の周波数及び７０００より大きいＱの高い値を有する、高エネルギーのコンパクトなサイクロトロン用の共振空洞を設計し、実現することを可能にする。

好ましい実施例が上で説明され、本発明のいくつかの変更が提案されたが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲によって確定される保護の述べられた範囲からあまり逸脱することなく、変形及び変更を施し得ることを理解されたい。

従来技術によるサイクロトロンの空洞の上面図である。 上側磁極が下側磁極から引き離された、従来技術によるサイクロトロンの内部の斜視図である。 本発明による無線周波空洞の斜視図である。 サイクロトロンの半径距離の関数としての容量性電極沿いの電圧曲線の一例を示した図である。 本発明による無線周波空洞の概略的な上面図である。 図４に示された容量性電極における電圧分布に対応する、図５の無線周波空洞における電流分布の上面図である。 図５及び図６の無線周波空洞における電流分布の斜視図である。

Claims (30)

1. 特にサイクロトロンで使用される無線周波空洞を設計するための方法であって、無線周波空洞（２）は、少なくとも２つの本質的に誘導性の要素すなわち「ステム」（４）によって容量性電極（２’）に接続される、導電性筐体すなわち「ライナ」（３）を備え、前記方法が、以下に続くステップ、すなわち、
   Ａ．前記無線周波空洞（２）の容積を、少なくとも２つのステム（４）に対応する複数の副空洞であって、各副空洞がそれぞれのステムを備える複数の副空洞（１０、２０、３０）に細区分化するステップと、
   Ｂ．前記少なくとも２つの副空洞（１０、２０、３０）の間の分割面に、磁気正規直交性の条件を課すステップと、
   Ｃ．前記少なくとも２つの副空洞（１０、２０、３０）ごとに独立に、境界における物理的条件に関して、それぞれのステム（４）のサイズ及び／又は位置を計算するステップと、を含むことを特徴とする方法。
2. 前記ステム（４）が、少なくとも３つあることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. ステップＣが、品質係数Ｑ＝２・π・ｆ_ＲＦ・Ｅ_ｉ／Ｅ_ｄを最大化することによって達成され、ここで、Ｅ_ｉは前記無線周波空洞（２）に蓄えられるエネルギー、Ｅ_ｄは前記無線周波空洞で散逸されるエネルギー、ｆ_ＲＦは前記無線周波空洞の特性周波数であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. Ｑが、７０００より大きいことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. ステップＣが、前記少なくとも２つの副空洞（１０、２０、３０）の各々において所定の電圧分布を得るような方法で実現されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれかに記載の方法。
6. 前記ライナ（３）が、下側基部と、上側基部とを提供し、前記少なくとも２つの副空洞（１０、２０、３０）が、前記下側基部から前記上側基部へと延びる面によって前記無線周波空洞（２）の前記容積を細区分化することによって得られることを特徴とする、請求項１から５までのいずれかに記載の方法。
7. 前記面が、前記容量性電極（２’）の湾曲（７）又は展開面（７’）と直交することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. ステップＣの後に、以下のステップ、すなわち、
   Ｄ．前記副空洞（１０、２０、３０）ごとに独立に、前記副空洞（１０、２０、３０）のサイズを変更し、前記副空洞（１０、２０、３０）における所定の電圧分布が達成されるまで、ステップＢ及びステップＣを繰り返すステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１から７までのいずれかに記載の方法。
9. ステップＡの間に、前記容量性電極（２’）が、前記少なくとも２つの副空洞（１０、２０、３０）の少なくとも１つのキャパシタンスがその他のキャパシタンスと異なるような方法で、細区分化されることを特徴とする、請求項１から８までのいずれかに記載の方法。
10. 前記少なくとも２つの副空洞（１０、２０、３０）の前記少なくとも１つは、前記容量性電極（２’）の中心的副空洞（２０）であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. ステップＡの間に、前記容量性電極（２’）が、等しい表面をもつ部分に細区分化されることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれかに記載の方法。
12. ステップＣの後に、以下のステップ、すなわち、
    Ｅ．前記少なくとも２つのステム（４）の数を増やし、前記少なくとも２つの副空洞（１０、２０、３０）の各々についての前記係数Ｑの値が、所定の閾値を超えるまで、ステップＡ、ステップＢ、及びステップＣを繰り返すステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１から１１までのいずれかに記載の方法。
13. ステップＥにおいて、ステップＤも同様に繰り返されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. コンピュータ上で走らせたときに請求項１から１３までのいずれか一項に記載の方法を実行するように適合されたコード手段を含むことを特徴とするコンピュータ・プログラム。
15. プログラムを保存する、コンピュータによって可読のメモリ媒体であって、前記プログラムが請求項１４に記載のコンピュータ・プログラムであることを特徴とするメモリ媒体。
16. 特にサイクロトロンで使用される無線周波空洞であって、前記無線周波空洞（２）が、少なくとも２つの誘導性の要素すなわち「ステム」（４）によって容量性電極（２’）に接続される、導電性筐体すなわち「ライナ」（３）を備え、前記無線周波空洞（２）が、請求項１から１３までのいずれかに記載の方法を利用して設計されることを特徴とする無線周波空洞。
17. 作動中のとき、前記少なくとも２つのステム（４）の１つから別のステムに流れる電流の合計値と、前記少なくとも２つのステム（４）の１つの内部を流れる電流の値との比が０，６より低いことを特徴とする、請求項１６に記載の無線周波空洞。
18. 前記比が、０，３より低いことを特徴とする、請求項１７に記載の無線周波空洞。
19. 前記比が、０，１５より低いことを特徴とする、請求項１８に記載の無線周波空洞。
20. 少なくとも３つのステム（４）を備えることを特徴とする、請求項１６から１９までのいずれかに記載の無線周波空洞。
21. 前記容量性電極（２’）の表面が、２ｍ^２より大きいことを特徴とする、請求項１６から２０までのいずれかに記載の無線周波空洞。
22. 前記容量性電極（２’）が、８０ｐＦより大きいキャパシタンスを提供することを特徴とする、請求項１６から２１までのいずれかに記載の無線周波空洞。
23. 前記容量性電極（２’）が、１００ｐＦより大きいキャパシタンスを提供することを特徴とする、請求項２２に記載の無線周波空洞。
24. 前記容量性電極（２’）が、フラットであることを特徴とする、請求項１６から２３までのいずれかに記載の無線周波空洞。
25. 一点から始まり、決められた角の広がりθで開いていく、湾曲した形状を有することを特徴とする、請求項２４に記載の無線周波空洞。
26. 前記角の広がりは、４５°以下であることを特徴とする、請求項２５に記載の無線周波空洞。
27. １つ又は複数の無線周波空洞（２）を備えるサイクロトロンであって、前記１つ又は複数の無線周波空洞（２）が、請求項１６から２６までのいずれかに記載の無線周波空洞であることを特徴とするサイクロトロン。
28. ７０ＭＨｚ以上の共振周波数を有することを特徴とする、請求項２７に記載のサイクロトロン。
29. １４０ＭＨｚ以下の共振周波数を有することを特徴とする、請求項２８に記載のサイクロトロン。
30. 少なくとも２つの無線周波空洞（２）を備えることを特徴とする、請求項２７から２９までのいずれかに記載のサイクロトロン。