JP2009187678A

JP2009187678A - 電力フィーダ

Info

Publication number: JP2009187678A
Application number: JP2008023145A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Touchi; 豊戸内
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-02-01
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2009-08-20

Abstract

【課題】簡単な構造で磁場結合によるインピーダンス整合を取ることが可能になる電力フィーダを提供する。
【解決手段】同軸共振器として作用する高周波加速空胴５で共振を持続させるための電力を供給する電力フィーダ１７であり、同軸状の中心導体２３と周囲導体２５とを備え、高周波加速空胴５の筐体７内で、中心導体２３と高周波加速空胴５の背壁１９とに固定される枠状のカプラー部２７と、カプラー部２７で囲まれた内側の領域Ｆのうち、磁束Ｂが通る有効面積を調整する有効面積調整手段４３と、を備える。有効面積調整手段４３によって、カプラー部２７で囲まれた内側の有効面積を変更してインピーダンス整合を取ることができ、カプラー部２７を移動させる機構や構造は不要であり、真空の保持や接点の確保などの構造が簡単になり、簡単な構造で磁場結合によるインピーダンス整合を取ることが可能になる。
【選択図】図３

Description

本発明は、粒子加速器の加速空胴に共振を持続させるための電力を供給する電力フィーダに関する。

リングサイクロトロン（ＲＲＣ）や中間段リングサイクロトロン（ＩＲＣ）などの粒子加速器（非特許文献１参照）は、導体の筐体で囲まれた加速空胴を備えている。加速空胴では、所定周波数で共振が起き、加速空胴内のギャップ部分に強い高周波加速電界が生じる。加速粒子はギャップ部分を通過し、その際にエネルギーを受けて多重加速される。加速空胴内には高周波共振電流が流れ、表皮抵抗による高周波損失があるので、共振を持続させるためには外部から一定の割合で電力を供給する必要がある。そこで、加速空胴には共振を持続させるための電力を供給する電力フィーダが設けられている。

電力フィーダは、加速空胴に電力を伝送する同軸伝送ラインを備えている。同軸伝送ラインは、同軸状に延在する内側と外側の導体からなり、内側の導体はループ状の導体からなるカプラー部を介して加速空胴の筐体に連結されている。カプラー部は、同軸伝送ラインを加速空胴の筐体に磁場結合させ、同軸伝送ライン側の特性インピーダンスと加速空胴の共振インピーダンスとのインピーダンス整合を取る。カプラー部は一種の昇圧トランスと考えられ、インピーダンス整合を取るためには、ループ状のカプラー部の内側の有効面積を調整する必要がある。そのため、従来の電力フィーダでは、同軸伝送ラインの導体が筐体の壁を貫通して摺動し、カプラー部の一部も筐体の壁を貫通して摺動する。そして、導体と一緒にカプラー部を移動させることにより、カプラー部の内側の領域の面積を変更し、カプラー部の内側で磁束が通る有効面積の調整を図っていた。
「Ｊ．ＰａｒｔｉｃｌｅＡｃｃｅｌｅｒａｔｅｒＳｏｃｉｅｔｙｏｆＪａｐａｎ．」２００５年，第２巻，第２号，４９，ｐ．１７３，図５

加速空胴は空胴共振器であり、真空の保持、電気的接点または冷却ラインの確保など、その制約は多い。しかしながら、導体やカプラー部が筐体の壁を貫通して摺動する従来の電力フィーダでは、真空の保持や接点の確保などに要する部品も増えてしまい、構造も複雑になり易い。さらに、カプラー部の移動に合わせて加速空胴の共振周波数を調整する機構などが必要となるために、構造の簡素化を図り難かった。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、簡単な構造で磁場結合によるインピーダンス整合を取ることが可能になる電力フィーダを提供することを目的とする。

本発明は、同軸状に延在する内側の中心導体及び外側の周囲導体からなる同軸伝送ラインを備え、粒子加速器の加速空胴で共振を持続させるための電力を供給する電力フィーダにおいて、加速空胴の筐体内で、中心導体の端部と筐体の壁とに固定されると共に、中心導体と筐体の壁とを通電可能に接続する枠状のカプラー部と、カプラー部で囲まれた内側の領域のうち、磁束が通る有効面積を調整する有効面積調整手段と、を備えたことを特徴とする。

この電力フィーダによれば、カプラー部で囲まれた内側の領域のうち、磁束が通る有効面積を有効面積調整手段で変更してインピーダンス整合を取るため、カプラー部を移動させる機構や構造は不要であり、真空の保持や接点の確保などの構造が簡単になり、部品点数も減る。その結果として、簡単な構造で磁場結合によるインピーダンス整合を取ることが可能になる。

さらに、有効面積調整手段は、筐体の壁を貫通して往復動する導体からなる柱状部材を有すると好適である。有効面積を変更する柱状部材はカプラー部に対して機構的に独立しているため、柱状部材を動作させる機構は単純であり、簡単な構造で磁場結合によるインピーダンス整合を取ることが可能になる。

また、有効面積調整手段は、筐体の壁を貫通すると共に、カプラー部で囲まれた内側の領域内を通る磁束に交差する軸部と、領域内で軸部に固定されると共に、軸部の回転に伴って磁束に交差する平面領域が変化する調整部材とを有すると好適である。調整部材は軸部の回転に伴って磁束に交差する平面領域が変化するため、軸部を回転させるだけで簡単に有効面積を調整できる。軸部を回転させるための機構はモータなどを利用して簡単に実現でき、小型化も図り易い。

本発明によれば、簡単な構造で磁場結合によるインピーダンス整合を取ることが可能になる。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る電力フィーダの好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、リングサイクロトロンを模式的に示す平面図であり、図２は高周波加速空胴の断面を示し、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。さらに、図４は、本実施形態に係る電力フィーダの断面図である。

図１に示されるように、リングサイクロトロン（「分離セクター型サイクロトロン」ともいう）１は、荷電粒子を直流磁場によって偏向させて回転運動させる偏向装置３と、この回転運動に同期した高周波加速電界で荷電粒子を加速する高周波加速空胴５が備えられている。例えば、四つの偏向装置３は９０度の角度間隔をおいて配置されており、それぞれリターンヨーク及びポール（磁極）を備えている。

偏向装置３の間には、１８０度の角度間隔をおいて高周波加速空胴５が配置されている。図２及び図３に示されるように、高周波加速空胴５は、導体からなる筐体７と、筐体７内で傾倒する可動プレート９とを備えている。筐体７内は真空に保持されており、筐体７の側壁１１には、荷電粒子ビームＰが通過する開口が設けられている。一方の側壁１１には、開口を挟むようにして一対の加速電極１３が設けられ、他方の側壁１１には、開口を挟むようにして一対の対向電極１５が設けられている。対向電極１５は、所定のギャップＧを空けて加速電極１３と対向しており、一対の加速電極１３及び一対の対向電極１５で規定される空間が荷電粒子ビームＰの通路となる。

高周波加速空胴５は空胴共振器であり、所定の高周波電圧が印加されると共振し、加速電極１３と対向電極１５とのギャップＧで高周波加速電界が生じる。荷電粒子ビームＰは、ギャップＧを通過する際にエネルギーを受け、加速されながら周回軌道上を周回する。可動プレート９は、筐体７の側壁１１に電気的に接続されており、傾きの程度が変わると共振周波数が変わる。従って、可動プレート９の傾きを変えて共振周波数を調整している。

高周波加速空胴５の筐体７には、共振を持続させるための電力を供給する電力フィーダ１７（図３参照）が設けられている。電力フィーダ１７は、筐体７の背壁１９、すなわち、周回する荷電粒子ビームＰを挟んで水平方向において対向する内側と外側の壁のうち、外側の壁に固定される。背壁１９は、開口が形成されたベース部１９ａと、その開口を塞ぐようにしてベース部１９ａにねじ止めされた導体プレート１９ｂとからなる。導体プレート１９ｂはアース接地されており、電力フィーダ１７は導体プレート１９ｂに取り付けられる。

図４に示されるように、電力フィーダ１７は、同軸伝送ライン２１を備える。同軸伝送ライン２１は、同軸状に延在する内側の中心導体２３と外側の周囲導体２５とを有する。中心導体２３は柱状で周囲導体２５は管状であり、中心導体２３の径ｄ１と周囲導体２５の管径ｄ２との比によって同軸伝送ライン２１の特性インピーダンスは決まる。なお、中心導体２３は管状であってもよい。

周囲導体２５の端部は、導体プレート１９ｂに差し込まれるように固定されている。周囲導体２５と中心導体２３との間の空隙は筐体７内に連通している。中心導体２３の筐体７内の端部には、導体からなるカプラー部２７が通電可能に接続されている。カプラー部は、コの字の枠状であり、筐体７内で一方の端部が中心導体２３に固定され、他方の端部は導体プレート１９ｂの内壁面に固定されている。

カプラー部２７は、高周波加速空胴５の加速電極１３（図３参照）に略平行な水平面に沿って屈曲しており、荷電粒子ビームＰが周回するメディアンプレーン上に配置されている。すなわち、カプラー部２７は、一対の加速電極１３間を通過する荷電粒子ビームＰに略平行であり、また、磁束Ｂに略垂直になっている。なお、本実施形態では、カプラー部２７の内側に、導体ブロック２８が固定されているが、導体ブロック２８を設けなくても良い。

導体プレート１９ｂには、円柱状の柱状部材２９が貫通するスライド孔Ｈ１が形成されている。柱状部材２９は、無酸素銅などの電気抵抗の少ない金属材料からなり、スライド孔Ｈ１に沿って往復動する。スライド孔Ｈ１を形成する導体プレート１９ｂの内周面には、柱状部材２９を筐体７に通電可能に接続するための接点となるコンタクトフィンガ３１が設けられている。コンタクトフィンガ３１は、銅などからなる板ばねによって常時閉となるように形成されている。

柱状部材２９の一部は、高周波加速空胴５から外側に突き出しており、外側の端部には、ロッド３３が固定されている。ロッド３３には、フランジ部３３ａが設けられており、フランジ部３３ａは、レール３５に沿って直線移動するスライダ３７に固定されている。スライダ３７には、ＡＣサーボモータ３９の駆動軸３９ａに螺合するナットブラケット３７ａが設けられている。スライダ３７は、駆動軸３９ａの回転に伴って直線運動し、ロッド３３を介して柱状部材２９を往復動させる。ロッド３３、スライダ３７、レール３５及びＡＣサーボモータ３９によって柱状部材２９の往復動機構４１が形成され、往復動機構４１と柱状部材２９とによって有効面積調整手段４３が構成される。

導体プレート１９ｂの外壁面とロッド３３のフランジ部３３ａとの間には、柱状部材２９を取り囲むようにベローズ４５が設けられており、高周波加速空胴５の真空を保持している。さらに、真空保持のための構造として、導体プレート１９ｂのスライド孔Ｈ１を形成する内周面に柱状部材２９に接するＯリング３２が装着されている。

荷電粒子ビームＰを加速させるためには、高周波加速空胴５に高周波電圧を印加して共振させる必要がある。高周波加速空胴５の共振周波数は、高周波加速空胴５の形状によって規定され、可動プレート９の傾きを適宜に変更することで調整される。

また、電力フィーダ１７で最大出力の電力を高周波加速空胴５に供給するためには、筐体７側の特性インピーダンス（入力インピーダンス：シャントインピーダンス）と電力フィーダ１７側の特性インピーダンス（出力インピーダンス）との整合を取る必要がある。インピーダンス整合を取るためには、カプラー部２７の内側の領域Ｆのうち、磁束Ｂが通る有効面積を調整し、磁場結合を行う必要が有る。カプラー部２７の有効面積の調整は、荷電粒子の種類を変更する度に行う必要がある。例えば、新たな荷電粒子を加速する場合には、柱状部材２９を外側に移動させ、カプラー部２７の内側の領域Ｆにおける有効面積を最大限広げた状態で運転を開始する。その後、柱状部材２９の出し入れを行いながら有効面積の調整を行い、所定期間の安定した運転を継続できた場合には、その状態での有効面積が、その荷電粒子に適した有効面積とする。一旦、運転を停止した後に、同じ荷電粒子を加速する際には、新たに有効面積の調整を行う必要はなく、柱状部材２９の位置はそのままで運転を再開する。

電力フィーダ１７は、有効面積調整手段４３によってカプラー部２７で囲まれた内側の有効面積を変更してインピーダンス整合を取るため、カプラー部２７を移動させる機構や構造は不要であり、真空の保持や接点の確保などの構造が簡単になり、部品点数も減る。その結果として、簡単な構造で磁場結合によるインピーダンス整合を取ることが可能になる。特に、カプラー部２７は、熱膨張程度の僅かな変形を除いて移動や変形はなく、カプラー部２７の移動に対応した共振周波数の調整は不要であり、そのための調整用の機構や制御が不要になり、構造を簡素化し易い。

さらに、有効面積調整手段４３は、カプラー部２７に対して機構的に独立した柱状部材２９の移動によって有効面積の調整が可能になり、特に、柱状部材２９は直線的な往復動という極めて単純な動作を行うため、有効面積調整のための機構は単純化できる。

（第２実施形態）
次に、図５を参照し、第２実施形態に係る電力フィーダ５０について説明する。図５は、カプラー部及び有効面積調整手段を中心に示す断面図である。なお、電力フィーダ５０について、第１実施形態に係る電力フィーダ１７や高周波加速空胴５と同一または同等の要素には図中で同じ符号を付し、その説明を省略する。

電力フィーダ５０は、筐体７の背壁１９に固定される。背壁１９は、開口が形成されたベース部１９ａと、その開口を塞ぐようにしてベース部１９ａにねじ止めされた導体プレート１９ｃとからなる。導体プレート１９ｃはアース接地されており、電力フィーダ５０は導体プレート１９ｃに取り付けられる。

電力フィーダ５０は、内側の中心導体２３と外側の周囲導体２５とを有する同軸伝送ライン２１を備える。中心導体２３の筐体７側の端部には、導体からなるカプラー部２７が通電可能に接続されている。カプラー部２７の一方の端部は中心導体２３に固定され、他方の端部は導体プレート１９ｃに固定されている。カプラー部２７の内側には、導体ブロック２８が固定されているが、この導体ブロック２８は無くても良い。

導体プレート１９ｃには、軸部５３が貫通する円孔Ｈ２が形成され、円孔Ｈ２を形成する導体プレート１９ｃの内周面には、真空保持のためのＯリング５５と、軸部５３と導体プレート１９ｂとを通電可能に接続する接点部材５７とが並んで装着されている。接点部材５７は、導体からなる斜め巻きコイルスプリングを用いることができる。斜め巻きコイルスプリングとは、一本のコイルスプリングを湾曲させてループ状の輪を形成した部材である。斜め巻きコイルスプリングを導体プレート１９ｃの内周面に沿って軸部５３を一周するように装着することで、軸部５３に常時接した状態の接点を形成できる。

軸部５３は無酸素銅などの電気抵抗の少ない導体からなる。軸部５３は、円孔Ｈ２に通され、カプラー部２７の内側の領域Ｆを通る磁束Ｂに直交するように突き出している。軸部５３には、無酸素銅などの電気抵抗の少ない導体からなる板状の調整部材５９が設けられている。調整部材５９は、カプラー部２７の内側の領域Ｆ内に配置され、軸部５３と一緒に回転する。

軸部５３は、導体プレート１９ｃ及び導体プレート１９ｃの外壁面に立設されたブラケット６１によって回転自在に支持支えられている。軸部５３には、従動プーリー６３が固定されている。従動プーリー６３と、ＡＣサーボモータ６５の駆動軸６５ａに形成された駆動プーリー６７とには、タイミングベルト６９が掛け回されている。ＡＣサーボモータ６５の駆動軸６５ａの回転は、タイミングベルト６９を介して軸部５３に伝達され、調整部材５９を回転させる。軸部５３、従動プーリー６３、タイミングベルト６９、駆動プーリー６７及びＡＣサーボモータ６５によって調整部材５９の回動機構７１が形成され、調整部材５９及び回動機構７１によって有効面積調整手段７３が構成される。

次に、図６及び図７を参照して、調整部材５９の回転と有効面積の調整との関係について説明する。図６は、調整部材を拡大して示す図であり、（ａ）は調整部材が回転する前の状態を示し、（ｂ）は僅かに回転した状態を示す。また、図７は、調整部材を拡大して示す断面図であり、（ａ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、（ｂ）は図６（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

カプラー部２７の内側の領域Ｆのうち、磁束Ｂが通る有効面積は、磁束Ｂに直交する仮想面上において、調整部材５９によって遮蔽されない部分によって規定される。例えば、図６（ａ）及び図７（ａ）に示されるように、調整部材５９が完全に立っている状態では、板状の調整部材５９はカプラー部２７の内側を通る磁束Ｂに対して直交する面上にある。従って、調整部材５９の面積は、そのままカプラー部２７の内側の領域Ｆを遮蔽する平面領域Ａｒの面積Ｓ１となり、磁束Ｂが通る有効面積は最小となる。一方で、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示されるように、調整部材５９を回転させ、磁束Ｂに対して直交する面上から僅かに傾けると、磁束Ｂに直交する面に投影される領域のみが、調整部材５９によって遮蔽される平面領域Ａｒとなり、この平面領域Ａｒの面積Ａ２は面積Ａ１よりも小さくなるため、磁束Ｂが通る有効面積は僅かに広がる。このように、軸部５３を回転させることで、調整部材５９も一緒に回転し、磁束Ｂに交差する平面領域Ａｒの面積Ｓ１，Ｓ２が変化し、有効面積の調整が可能になる。

電力フィーダ５０も、第１実施形態に係る電力フィーダ１７と同様に、有効面積調整手段７３によってはカプラー部２７で囲まれた内側の有効面積を変更してインピーダンス整合を取るため、カプラー部２７を移動させる機構や構造は不要であり、簡単な構造で磁場結合によるインピーダンス整合を取ることが可能になる。特に、カプラー部２７の移動に対応した共振周波数の調整は不要であり、そのための調整用の機構や制御が不要になり、構造を簡素化し易い。

さらに、有効面積調整手段７３の調整部材５９は、軸部５３の回転に伴って磁束Ｂに交差する平面領域Ａｒの面積Ｓ１，Ｓ２が変化し、その結果、有効面積を変化させることができる。従って、軸部５３を回転させるだけで、簡単に有効面積を調整できる。軸部５３を回転させるための機構はモータなどを利用して簡単に実現でき、小型化を図り易い。その結果として、簡単な構造で磁場結合によるインピーダンス整合を取ることが可能になる。なお、本実施形態に係る調整部材５９は、軸部５３の軸線に直交する断面形状が矩形の板状であったが、断面形状が楕円などの扁平な形状であってもよい。また、パイプなどを、軸部５３の軸線を含む平面上で環状に折り曲げて形成したループ状であってもよく、これらの形状によれば、軸部５３の回転に伴って磁束Ｂに交差する平面領域の面積は変化する。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、第１実施形態において説明した柱状部材は円柱状に限定されず、角柱状であってもよい。

本発明の実施形態に係る電源フィーダを設けた高周波加速空胴を備えたリングサイクロトロンを模式的に示す平面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。本発明の第１実施形態に係る電力フィーダの断面図である。本発明の第２実施形態に係る電力フィーダの断面図である。第２実施形態に係る電力フィーダの調整部材を拡大して示し、（ａ）は調整部材が磁束に直交する面に沿って立っている状態を示す図であり、（ｂ）は調整部材が立っている状態から僅かに傾いた状態を示す図である。第２実施形態に係る電力フィーダの調整部材を拡大して示し、（ａ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、（ｂ）は図６（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

符号の説明

１…リングサイクロトロン（粒子加速器）、５…高周波加速空胴、１７，５０…電力フィーダ、７…筐体、１９ｂ，１９ｃ…導体プレート（筐体の壁）、２１…同軸伝送ライン、２３…中心導体、２５…周囲導体、２７…カプラー部、２９…柱状部材、４３，７３…有効面積調整手段、５３…軸部、５９…調整部材、Ｂ…磁束、Ｆ…カプラー部の内側の領域、Ａｒ…平面領域、Ｓ１，Ｓ２…平面領域の面積。

Claims

同軸状に延在する内側の中心導体及び外側の周囲導体からなる同軸伝送ラインを備え、粒子加速器の加速空胴で共振を持続させるための電力を供給する電力フィーダにおいて、
前記加速空胴の筐体内で、前記中心導体の端部と前記筐体の壁とに固定されると共に、前記中心導体と前記筐体の壁とを通電可能に接続する枠状のカプラー部と、
前記カプラー部で囲まれた内側の領域のうち、磁束が通る有効面積を調整する有効面積調整手段と、
を備えたことを特徴とする電力フィーダ。
前記有効面積調整手段は、前記筐体の前記壁を貫通して往復動する導体からなる柱状部材を有することを特徴とする請求項１記載の電力フィーダ。
前記有効面積調整手段は、前記筐体の前記壁を貫通すると共に、前記カプラー部で囲まれた内側の前記領域内を通る磁束に交差する軸部と、前記領域内で前記軸部に固定されると共に、前記軸部の回転に伴って前記磁束に交差する平面領域の面積が変化する調整部材とを有することを特徴とする請求項１記載の電力フィーダ。