JP2010225551A - Ｈモード型ドリフトチューブ線形加速器 - Google Patents

Abstract

【課題】ドリフトチューブ電極間のギャップ内での電界分布に粗密が発生することで、ギャップ中央よりもドリフトチューブ電極近傍にて最大となる電界分布となった場合でも、表面電界強度が放電限界の基準値を超えるのを抑制する。
【解決手段】Ｈモード型ドリフトチューブ線形加速器において、ドリフトチューブ電極２ａ〜２ｅは、外径側と内径側の角部にＲ面取りを施し、外径側のＲ面取りを内径側のＲ面取りよりも大きな曲率半径とし、ギャップにおける電界分布が中央部より両側にピークを有する２山形状になることに起因するドリフトチューブ電極の表面電界強度の増加を低減するために、２山形状の電界分布が発生するギャップを形成するドリフトチューブ電極２ｄ，２ｅには、内径側のＲ面取りの終端部と前記外径側のＲ面取りの終端部とが滑らかにつながったドリフトチューブ肉厚部を形成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、共振器内に、共振器長手方向に磁界を発生させるＴＥモード（Ｈモード）を励起させ、発生磁界により誘導させる電流が共振器壁面からステムを流れ、加速軸方向に複数配列したドリフトチューブ電極間に発生する加速電界によって荷電粒子を加速させる、Ｈモード型ドリフトチューブ線形加速器に関するものである。

Ｈモード型ドリフトチューブ線形加速器（DTL：Drift Tube Linear Accelerator）は、電磁界を発生させる共振器（ときに真空容器を兼ねる）に複数個のドリフトチューブ電極を配列し、共振器内に誘起される磁界により、隣り合うドリフトチューブ電極間（以下、ギャップと称する）に加速電界を発生させて荷電粒子を加速する。ドリフトチューブ電極は内部が空胴の円筒形状であり、ドリフトチューブ電極の対向面の円筒肉厚部で発生する電界により荷電粒子は加速エネルギーを付与され、加速された荷電粒子ビームはドリフトチューブ電極内部を通過する。

高周波加速電界がギャップに発生するタイミングと、あるエネルギーを持った荷電粒子がギャップ部に現れるタイミングとを同期させることで、次々とギャップに発生する加速電界を効率よく荷電粒子エネルギーに付与して所定のエネルギーまで加速させるため、ドリフトチューブ電極中央から次のドリフトチューブ電極中央までの距離（これをセル長と呼ぶ）は、低エネルギー側から高エネルギー側にかけて、荷電粒子のエネルギーに応じて増加する。
運転周波数は共振器の共振周波数であり、全ての加速電界を完全に同位相で変化させるためには、セル長Ｌは、一般的には共振周波数に対応した波長の半整数倍に比例した値であることが必要である。セル長Ｌと共振周波数の関係を式（１）に示す。但し、ギャップでの粒子速度の変化分は無視し、その平均値をβsとする。λは共振周波数での波長であ
る。

加速軸と平行に運動する荷電粒子が、線形加速器の１セルを通過することによって得る運動エネルギーΔＷは、式（２）により表される。
但し、式（２）で、Ｌはセル長，ｑは価数，ｇはギャップ長，Ｅ_ｇはギャップに発生する平均電界強度，φ_Ｓは同期位相，Ｔはトランジットタイムファクターと呼ばれる荷電粒子がギャップを通過する間に、高周波電圧の位相が変化する効果を表す因子である。

ドリフトチューブ電極の配列設計は、まず、式（２）中のＥ_ｇｇ、すなわち加速電圧Ｖを設定する。一般的には、Ｅ_ｇをあるセルでの電界集中をなくすためすべてのセルで同一にし、発生した電界を効率的に加速に使用する。ギャップ位置に応じた平均電界強度を許
容すると最大電界が放電防止の観点から制限されるので、他の箇所の平均電界強度が低くなってしまい、その結果加速エネルギーが全体として低下し、加速効率が悪化する。これを防止するためには平均電界強度をできるだけ均一にするのがよい。
平均電界強度が均一でもギャップ長が変化すれば両者の積で決まる電圧も変化するので、加速エネルギーに応じてギャップ長を増加させる傾斜型電圧分布を採用すれば、出射側でも加速エネルギー増加を高く維持でき、効率よく粒子を加速することができる。この場合、セル長とギャップ長は比例の関係となる。

ここで、Ｅ_ｇはキルパトリック放電限界を指標に決定する。真空中における電極の放電限界に関する研究が、１９５７年にキルパトリックによってなされ、キルパトリック放電限界と呼ばれる関係式が明らかにされている。すなわち、高周波電界による放電限界として、高周波周波数ｆ（ＭＨｚ）と放電限界Ｅ（ＭＶ／ｍ）とは、式（３）のような関係式で表される。

実際には、キルパトリッック放電限界以上の電界が安定してかけられることも実証されている。これは、キルパトリック放電限界に関する式が１９５７年に出されたもので、当時の真空、電極表面などの技術が現在よりも低かったためであり、近年の技術進歩により明らかにされたものである。しかし、キルパトリック放電限界は、現在もＥ_ｇの程度を量る一つの基準となっている。

以上に示すとおり、ドリフトチューブ電極配列は、ギャップに発生する電界分布を平均電界強度Ｅ_ｇの矩形波形と仮定し、これにギャップ長を乗じて電圧を仮定し、（２）式に従い加速される荷電粒子のエネルギーを算出し、速度に換算して（１）式のセル長が決定される。
しかしながら、実際に問題となるドリフトチューブ電極での放電は、Ｅ_ｇだけではなくドリフトチューブ電極での表面電界強度に依存するため、放電を防止するためにはドリフトチューブ電極形状と発生電圧とを２次元静電界解析等により検証する必要がある。

放電対策の一つとして、ドリフトチューブ電極は、すべての角で放電防止のためＲ面取り加工が施されている。このＲ面取り寸法は、放電の原因となる表面電界強度が放電基準値を超えないように設定する必要がある。

ドリフトチューブ電極の形状に関する従来の技術としては、例えば、Ｈモード・ドリフトチューブ線形加速器において、入射部のドリフトチューブの外径を大きくすること、入射部のドリフトチューブの内径を小さくすること、及び入射部のドリフトチューブの曲率半径を小さくすることの何れかによって、あるいはそれら何れかの組み合わせによって、入射部のドリフトチューブ間の容量を増やし、それによって入射部の最初の数個のギャップ電圧を上げる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、ドリフトチューブ間に発生する加速電界に寄与しない電界を削減するため、ドリフトチューブ端部での肉厚を縮小させ、断面形状を等脚台形に近い形状として、加速電界が発生するドリフトチューブ面を小さくしたドリフトチューブ型ライナックが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−３５１２３３号公報（第６頁、図５） 特開平１１−１２１１９９号公報（第２頁、図１２）

特許文献1に示すＨモード・ドリフトチューブ線形加速器は、ドリフトチューブの形状
を上記のようにすることで、入射部の最初の数個のギャップ電圧を上げるようにしたものであり、また、特許文献２に示すドリフトチューブ型ライナックは、上記のような形状を採用して、加速電界の形成に寄与しない電界を減らして、電力効率の向上を図ったものである。いずれも、電極端部での放電を防止するために電極端部にはＲ面取り加工が施されているものの、積極的に表面電界強度を下げるような配慮はなされていない。
このようなＨモード型ドリフトチューブ線形加速器にあっては、セル長、及びギャップ長が荷電粒子のエネルギーに応じて増加すると、本来はギャップ中央にて最大となる電界分布が、ギャップ内で粗密が発生することで、ギャップ中央よりもドリフトチューブ電極端部近傍において最大となる電界分布となり、その結果、ギャップで得られる加速エネルギー利得は同じでも、ドリフトチューブ電極端部での表面電界強度が増加し、放電限界の基準値を超えてしまい、放電に至る場合があるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、ドリフトチューブ間に発生する高周波加速電界強度を維持したまま、放電の原因となるドリフトチューブ電極の表面電界強度をできるだけ低減し、安定した状態で運転することができるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器を得ることを目的としている。

この発明に係るＨモード型ドリフトチューブ線形加速器は、ＴＥモードを励起する共振器内の加速軸上に、ステムに支持された複数個の円筒形状のドリフトチューブ電極が所定のギャップを空けて配列され、ドリフトチューブ電極間に電界を発生させることにより荷電粒子ビームを加速するＨモード型ドリフトチューブ線形加速器において、ドリフトチューブ電極は、端面の外径側と内径側の角部にＲ面取りが施され、電界分布が、ギャップ部の中央部の両側にピークを有する２山形状の電界分布を有するギャップ部の両端に位置するドリフトチューブ電極端部の外径側のＲ面取りは、内径側のＲ面取りよりも大きな曲率半径を有し、内径側のＲ面取りの終端部と外径側のＲ面取りの終端部とが滑らかにつながったドリフトチューブ肉厚部が形成されているものである。

この発明のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器によれば、２山形状の電界分布を有するギャップ部の両端に位置するドリフトチューブ電極端部の外径側のＲ面取りは、内径側のＲ面取りよりも大きな曲率半径を有し、内径側のＲ面取りの終端部と外径側のＲ面取りの終端部とが滑らかにつながったドリフトチューブ肉厚部を形成したので、ギャップ内での電界分布が、ギャップ中央よりもドリフトチューブ電極端部近傍で最大となりドリフトチューブ電極の表面電界強度が増加するようなギャップが広い領域でも、電極部での放電を抑制でき、安定した状態で運転できるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器を得ることができる。

この発明の実施の形態１によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器を示す断面図である。 図１に使用するドリフトチューブ電極のうち、出射側の２体のドリフトチューブ電極を示す断面図である。 図１に使用するドリフトチューブ電極のうち、図２で示す電極以外のドリフトチューブ電極を示す断面図である。 図１のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の加速電界分布図である。 図１のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器のドリフトチューブ電極での表面電界強度を示す図である。 この発明の実施の形態１によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器のドリフトチューブ電極の他の例を示す断面図である。 この発明の実施の形態２によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器を示す断面図である。 図７のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の加速電界分布図である。

実施の形態１．
以下、図に基づいて説明する。先ず、図１により実施の形態１によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の構成から説明する。図は、Ｈモード型ドリフトチューブ線形加速器のひとつであるＩＨ（Interdigital-H）型線形加速器を示す断面図である。

電磁界モードを発生させるための共振器１（ときに真空容器を兼ねる）の内部に、荷電粒子を加速する為のドリフトチューブ電極２ａ〜２ｅが、低エネルギー側である入射側３から高エネルギー側である出射側４に向けて、加速軸５の軸方向に複数個配列されて、セルごとに交互に共振器１から伸びるステム６により支持され、所定のギャップ７を空けて加速軸５上に設置固定されている。また、共振器１の入射側３には入射側エンドドリフトチューブ８ａが、出射側４には出射側エンドドリフトチューブ８ｂが、同様に加速軸５上に配置されて固定されている。なお、電極の個数は一例を示すものであり、本図に限定するものではない。
ギャップ７の間隔は、入射側３から出射側４へ向けて、順次広くなっており、また、各ドリフトチューブ電極２ａ〜２ｅの電極長も順次長くなっている。すなわち、セル長が出射側４に向けて順次増加させた傾斜型電圧分布を採用した場合を示している。

本実施の形態のドリフトチューブ電極は、詳細は後述するが、電極部での放電を抑制するために、出射側エンドドリフトチューブ８ｂに隣接しそれと対向してギャップを形成するドリフトチューブ電極２ｅと、このドリフトチューブ電極２ｅと対をなすドリフトチューブ電極２ｄの２体の形状が、他のドリフトチューブ電極２ａ〜２ｃの形状と異なるようにした点に特徴を有するものである。以下、これらの電極形状の特徴を図に基づいて説明する。

図２は、ドリフトチューブ電極２ｄ，２ｅの２体の電極形状示す断面図である。端部の形状を説明するのが目的なので、長さ方向は縮小して図示している。
ビームが通過する口径であるドリフトチューブ電極の内径ｄと、ギャップに発生するキャパシタンスを決定する肉厚Ｔとから、ドリフトチューブ電極の外径Ｄが決められている。
端面の外径側と内径側の角部には、放電を抑えるためＲ面取りが施されている。以下の説明では、ドリフトチューブ電極の内径側のＲ面取りの曲率半径を内径側Ｒ面取り寸法と呼び、外径側のＲ面取りの曲率半径を外径側Ｒ面取り寸法と呼ぶことにする。
また、「端面」とはドリフトチューブ側面に対する呼称とし、端面の角部にＲ面取りが施された部分を総称して「端部」と呼ぶことにする。

内径側Ｒ面取り寸法ｒは、加速軸方向の電界強度を不必要に小さくしないように可能な限り小さい値とし、かつ、全てのドリフトチューブ電極で同一としている。
一方、外径側Ｒ面取り寸法Ｒ１は、内径側Ｒ面取り寸法ｒより大きな値とし、内径側の
Ｒ面取り終端から連続してなめらかにドリフトチューブ電極外径まで繋がった形状となっている。更に、具体的に説明すれば、内径ｄの面から連続して、内径側Ｒ面取りを曲率半径ｒで９０度の範囲に形成し、それに連続して外径側Ｒ面取りを曲率半径Ｒ１で９０度の範囲に形成し、その終端部を外径Ｄの面となめらかに連続させた「ドリフトチューブ肉厚部」とする。両曲率半径の中心点は、加速軸５に平行な軸線９上にある。
但し、図２はベストモードを示すものであり、内径側Ｒ面取りと外径側Ｒ面取りの接続部は、加工性等を考慮して、加速軸５に垂直な直線部（平面部）を多少設けてもよいが、可能な限り直線部を少なくして、なめらかな連続面とするのが望ましい。

図３は、上記図２で説明した出射側の２体のドリフトチューブ電極２ｄ，２ｅ以外のドリフトチューブ電極２ａ〜２ｃ，８ａ、８ｂの電極形状を示す断面図である。
内径ｄ，肉厚Ｔ，及び外径Ｄは、図２と同様である。すべての角には放電を抑えるためＲ面取りが施されており、先に説明したように、内径側のＲ面取り寸法ｒは、図２のドリフトチューブ電極２ｄ，２ｅと同じであって、可能な限り小さくし形成されている。
一方、外径側Ｒ面取り寸法Ｒ２は、内径側Ｒ面取り寸法ｒより大きいが、Ｒ面取り部での表面電界強度が放電限界基準以下であればよいため、図２のドリフトチューブ電極の外径側Ｒ面取り寸法Ｒ１より小さくし、内径側Ｒ面取り終端部と外径側Ｒ面取り終端部との間には、加速軸５に垂直な直線肉厚部１０が存在する。具体的な寸法は後述する。

ここで、加速器１の空胴全体はＬＣ共振回路と等価であり、磁界が発生する領域の加速器１の空胴内のインダクタンスＬ、主にギャップでのキャパシタンスＣと等価とすると、共振器１の共振周波数Ｆは式（４）のように表すことができる。

ドリフトチューブ電極は内部が空胴の円筒形状であり、肉厚部によりキャパシタンスは決定される。ギャップ容量Ｃは、ギャップ長ｇとドリフトチューブ電極肉厚実効断面積Ｓを用いてＣ∝Ｓ／ｇのように表すことができる。したがって、ドリフトチューブ電極肉厚部の寸法を小さくすると、キャパシタンスＣが比例して小さくなり、一定の共振周波数を得るためには磁界が発生する領域、つまり共振器の径を大きくする必要がある。また、肉厚部が薄くなると、放電に関係する表面電界強度が格段に大きくなってくる。
そこで、表面電界強度が放電基準値を超えないようにするために、ドリフトチューブ電極の肉厚寸法を、少なくとも内径側Ｒ面取り寸法ｒの２倍より大きくし、更に、表面電界強度が高くなるギャップ部においては、電極端部形状を図２に示すような形状にするものである。

次に、動作について説明する。
ここで、図１の構成において、図２及び図３のドリフトチューブ電極の各部の寸法は、一例として次の通りとする。
セル数６、ドリフトチューブ電極の内径ｄ＝１４ｍｍ，外径Ｄ＝３６ｍｍ，内径側Ｒ面取り寸法ｒ＝２ｍｍとし、外径側Ｒ面取り寸法は、図２に示すドリフトチューブ電極２ｄ，２ｅについてはＲ１＝９ｍｍ，図３に示すドリフトチューブ電極２ａ〜２ｃ，８ａ，８ｂについてはＲ２＝５ｍｍとする。
また、同期位相は−３０度で一定とし、電界強度はキルパトリック放電限界の１．６倍で各セル一定とし、電圧は荷電粒子エネルギーに応じて増加する傾斜型電圧分布とする。

図４は、上記のような条件における、Ｈモード型ドリフトチューブ線形加速器に発生する加速電界分布を示す図である。実施の形態１による加速電界分布を「本発明」として実線で示し、「比較例」として、全てのドリフトチューブ電極を図３の形状（ｒ＝２ｍｍ、Ｒ２＝５ｍｍ）とした場合を破線で示している。
ここで、縦軸の加速電界強度は、加速軸方向をＺ軸、ステム方向をＹ軸、これらと直交する方向をＸ軸としたとき、各電界成分Ｅｘ，Ｅｙ，Ｅｚから求められるＥｍｏｄ＝√（Ｅｘ^２＋Ｅｙ^２＋Ｅｚ^２）のことである。また、横軸は共振器の加速軸方向Ｚを示している。各ギャップに対応する部分に山形の波形が現れている。

図４に示すように、出射側に近づくにつれて荷電粒子のエネルギーが増大することで、ギャップ距離も増大しているので、Ａ部に示すように単純な山形であったギャップ電界分布が、Ｂ部のようにギャップ中央部で谷が発生する２山形状に変化する。このため、仮に、電界分布をギャップ区間にて積分して得られる電圧が、山形状の場合と２山状の場合とで同一であっても（すなわち、荷電粒子に付与されるエネルギー利得が同じであっても）、ギャップを形成するドリフトチューブ電極表面で発生する「表面」電界強度は、山形状の場合と２山状の場合とでは異なることになる。
なお、入射側３の最初のギャップに発生する電界強度Ｅ１と、出射側の最後のギャップに発生する電界強度Ｅ６は、共振器１に発生する磁界が共振器端では加速軸５方向だけではなく共振器１を回りこむ方向にも発生するため、この影響により他のセルに比べ減少している。

図４から分かるように、出射側エンドドリフトチューブ８ｂを除く出射側にある２体のドリフトチューブ電極２ｄ，２ｅにより形成されるギャップ部において、電界分布が２山となっている。この２山形状の電界分布が発生するギャップを形成するドリフトチューブ電極２ｄ，２ｅに、図２のような電極形状を採用したことにより、この部分では破線で示す比較例より実線で示す本発明の方が、ドリフトチューブ電極端部近傍での電界強度のピーク値とギャップ中央部での電界強度の谷部との差が縮まり、且つ、ピーク値も低くなっている。しかし、先に説明したように、電界分布をギャップ長に渡り距離で積分した値である電圧は一定であり、荷電粒子が付与されるエネルギーに変化はない。

比較例のように、山と谷の差が大きく、電界強度のピーク値が高くなった場合は、表面電界強度が基準値を超えてしまい、ギャップ間で放電が発生するという問題が発生するが、本実施の形態のような電極形状を採用することで、電極端部近傍での電界強度のピーク値を放電基準値以下に押さえることが可能となる。

図５は、ドリフトチューブ電極の表面電界強度を放電基準電界値と比較した図であり、図４同様に「本発明」と、「比較例」とを対比して表している。
出射側４に設置した２体のドリフトチューブ電極２ｄ、２ｅ（電極番号５，６）の外径側Ｒ面取り寸法Ｒ１が、他のドリフトチューブ電極（２ａ〜２ｃ，８ａ、８ｂ）に比べ大きくなったことにより、ドリフトチューブ電極肉厚部の実効断面積が減少し、Ｈモード型ドリフトチューブ線形加速器全体で見ると、高エネルギー側である出射側４でのキャパシタンスが減少する。そのため、（４）式に従い高エネルギー側での共振器径をＣの減少分だけ増加させて適切に変更することにより、各ギャップに発生する電界強度を均一化した結果、高エネルギー側２体以外のドリフトチューブ電極（電極番号１〜４）での表面電界強度は多少増加するものの、高エネルギー側に設置されたドリフトチューブ電極（電極番号５〜７）での表面電界強度は低下し、いずれも放電基準値以下になっている。

ここで、低エネルギー側に設置されたドリフトチューブ電極（電極番号１〜４）の表面電界強度は、ギャップ長が短いので、図４で見たように２山ではなく山形の電界分布が発生するため、図５に示すように、もともと放電基準値より低く、高エネルギー側に設置さ
れた２体のドリフトチューブ電極２ｄ、２ｅ（電極番号５，６）による影響は小さく問題は無い。

なお、上記の説明では、出射側エンドドリフトチューブ電極８ｂに隣接するドリフトチューブ電極２ｅ、及びそれと対をなすドリフトチューブ電極２ｄの２体のみの電極形状を図２のような他と異なる形状にしたが、この２体に限定することなく、セル長が荷電粒子のエネルギーに応じて長くなった為に電界分布が２山になり表面電界強度が増加する複数のドリフトチューブ電極に対して、図２に示すドリフトチューブ電極を適用するように構成してもよい。

また、２山形状の電界分布を有するギャップ部の両端に位置するドリフトチューブ電極端部は、互いに同形状で、図３のようなドリフトチューブ肉厚部とするが、電界分布が２山となるギャップを形成するドリフトチューブ電極であっても、一方の電極面のみが放電限界を超すような場合であれば、図６に示すような電極形状としてもよい。すなわち、ドリフトチューブ電極面が両側で異なる形状をした、図２と図３の複合型のドリフトチューブ電極である。
図６において、表面電界強度の高い側（通常は高エネルギー側）に面する電極端部形状は、図２の場合と同様に、内径側Ｒ面取り終端部とそれより曲率半径の大きい外径側Ｒ面取り終端部とが連続的につながった曲面状のドリフトチューブ肉厚部をもつ形状とし、表面電界強度の低い側（通常は低エネルギー側）に面する電極端部形状は図３と同様としたものである。これにより、表面電界強度を削減する効果に加え、ドリフトチューブ間に発生するキャパシタンスを実質的に不必要に減少する事が無く、キャパシタンスを調整するための共振器径の変更も少なくてすむという効果が得られる。

以上のように、実施の形態１のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器によれば、ドリフトチューブ電極は、端面の外径側と内径側の角部にＲ面取りが施され、電界分布が、ギャップ部の中央部の両側にピークを有する２山形状の電界分布を有するギャップ部の両端に位置するドリフトチューブ電極端部の外径側のＲ面取りは、内径側のＲ面取りよりも大きな曲率半径を有し、内径側のＲ面取りの終端部と外径側のＲ面取りの終端部とが滑らかにつながったドリフトチューブ肉厚部を形成したので、ギャップでの電界分布がギャップ中央よりもドリフトチューブ電極近傍で最大になりドリフトチューブ電極での表面電界強度が増加するような場合でも、電極部での放電を抑制でき、安定した状態で運転することができるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器を提供できる。

また、ギャップ部の中央部の両側にピークを有する２山形状の電界分布を有するギャップ部の両端に位置するドリフトチューブ電極端部は、互いに同じ形状のドリフトチューブ肉厚部としたので、電界分布が２山となるギャップを形成するドリフトチューブ電極であっても、片方の電極端部の表面電界強度が放電限界を超えない場合には、その片側の端部形状を他の電極に合わせることで、ドリフトチューブ間に発生するキャパシタンスを実質的に不必要に減少する事が無く、キャパシタンスを調整するための共振器径の変更が少なくてすむ。

また、内径側のＲ面取りの終端部と外径側のＲ面取りの終端部との接続面は、平面部を持たずに連続して繋がった曲面としたので、荷電粒子に付与するエネルギーを低減することなく、表面電界強度を効果的に低減することができる。

更に、内径側のＲ面取りの終端部と外径側のＲ面取りの終端部とが滑らかにつながったドリフトチューブ肉厚部が形成されたドリフトチューブ電極は、出射側のエンドドリフトチューブ電極に隣接するドリフトチューブ電極、及びそのドリフトチューブ電極と対をなすドリフトチューブ電極としたので、特に、傾斜型電圧分布を採用したＨモード型ドリフ
トチューブ線形加速器の場合に、電界分布が２山形状になることに起因する表面電界強度の増加を効果的に抑制でき、安定した状態で運転することができる。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２によるＩＨ型線形加速器を示す断面図である。図１と同等部分は同一符号で示し説明は省略して、相違点を中心に説明する。
本実施の形態の共振器は、ビーム軸成分の収束方式としてＡＰＦ法を採用した共振器の場合を示している。実施の形態１の場合のセル長は、出射側に向けて順次増加させた傾斜型電圧分布となっていたが、ＡＰＦ法では、同期位相の符号を数セル周期で振動的に変化させているので、数セル周期でセル長は増加するものの、隣り合うセル長は必ずしも荷電粒子のエネルギーに応じて増加しない。

そこで、本実施の形態では、加速軸５の軸方向に見て、最初のギャップを除いた一番長いギャップ長を形成する１対のドリフトチューブ電極に、実施の形態１で説明した図２のドリフトチューブ電極を適用するものである。図７の場合では、ドリフトチューブ電極２ｃ，２ｄがその電極に該当し、その端部形状を、内径側のＲ面取り端部と外径側のＲ面取り端部とが平面部を持たずに連続して滑らかに繋がった曲面のドリフトチューブ肉厚部としている。それ以外のドリフトチューブ電極（２ａ，２ｂ，２ｅ，８ａ，８ｂ）の端部形状は、実施の形態１の図３のようになっている。

図７の構成において、セル数を６とし、電極の寸法及び電圧の条件を、一例として次の通りとする。
図２の形状を適用するドリフトチューブ電極２ｃ，２ｄは、内径ｄ＝１４ｍｍ，外径Ｄ＝３６ｍｍ，内径側Ｒ面取り寸法ｒ＝２ｍｍ、外径側Ｒ面取り寸法Ｒ１＝９ｍｍとし、図３の形状を適用するその他のドリフトチューブ電極は、内径，外径，内径側Ｒ面取り寸法は同じであるが、外径側Ｒ面取り寸法Ｒ２＝５ｍｍとする。また、全ての電極を図２の端部形状（ｒ＝２ｍｍ，Ｒ２＝５ｍｍ）としたものを比較例とする。
同期位相はＡＰＦ法を適応するため一定とせず、電界強度はキルパトリック放電限界の１．６倍で各セル一定とし、電圧は荷電粒子エネルギーに応じて増加する傾斜型電圧分布とする。

図８は、上記の条件において、加速器１に発生する加速電界分布を示す図であり、本実施の形態を「本発明」として実線で示し、「比較例」を破線で示している。
図から分かるように、電界分布が２山となる箇所は、必ずしも高エネルギー側ではなく、ギャップ長が一番長い箇所で電界分布が２山になっている。そこで、２山の電界分布となるギャップを形成する一対のドリフトチューブ電極２ｃ，２ｄの電極端部形状を図２のようにしたことで、当該ギャップ箇所での表面電界強度が、破線で示す比較例に比べて、実線で示すようにギャップ中央部の谷部と両側のピーク値との差が縮まると共にピーク値が低くなっていることがわかる。両側のピーク値が低くなることで、電極端部近傍での電界強度を放電基準値以下に押さえることができる。

なお、上記までの説明では、最初のギャップを除いた一番長いギャップ長を形成する１対のドリフトチューブ電極のみに図２のような電極形状を適用するとしたが、一番長い箇所のみに限定することなく、続いて長いギャップ長を形成する一対のドリフトチューブ電極、すなわち、セル長が長くなった為に電界分布が２山になり表面電界強度が増加する他の電極に対しても適用するような構成にしてもよい。加速器が大型化してドリフトチューブ電極数が増えた場合には、複数箇所のギャップで電界分布が２山となる。

また、内径側Ｒ面取りと外径側Ｒ面取りの接続部は、平面部を持たずに滑らかに曲面でつながったものとして説明したが、加工性等を考慮して、加速軸５に垂直な直線部（平面
部）が多少形成されていてもよい。
更に、電界分布が２山になり、一方のドリフトチューブ電極面のみが放電限界を超すような場合は、実施の形態１と同様に、図６に示すような複合型のドリフトチューブ電極を採用してもよい。外径側Ｒ面取り寸法を大きくした方の端部を表面電界強度の高い側に向けて配置する。

以上のように、実施の形態２によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器によれば、内径側のＲ面取り端部と外径側のＲ面取り端部とが滑らかにつながったドリフトチューブ肉厚部が形成されたドリフトチューブ電極は、加速軸の軸方向に見て、最初のギャップを除いた一番長いギャップ長を形成する１対のドリフトチューブ電極としたので、ＡＰＦ法などの必ずしも荷電粒子のエネルギーに応じてセル長が増加しない場合でも、電界分布が２山になるセル長が一番長い箇所において、適切に表面電界強度を低減して放電を抑制することができる。

また、上記のようなドリフトチューブ肉厚部が形成されたドリフトチューブ電極は、加速軸の軸方向に見て、最初のギャップを除いた一番長いギャップ長を形成する１対のドリフトチューブ電極と、続いて長いギャップ長を形成する一対のドリフトチューブ電極としたので、加速器が大型になりドリフトチューブ電極の個数が増えて、電界分布が２山となるギャップ数が増えた場合でも、確実に表面電界強度を低減して放電を抑制することができる。

１ 共振器 ２ａ〜２ｅ ドリフトチューブ電極
３ 入射側（低エネルギー側） ４ 出射側（高エネルギー側）
５ 加速軸 ６ ステム
７ ギャップ ８ａ 入射側エンドドリフトチューブ
８ｂ 出射側エンドドリフトチューブ電極
９ 加速軸に平行な軸線 １０ 直線肉厚部
ｄ 内径 Ｄ 外径
Ｔ 肉厚 ｒ 内径側Ｒ面取り寸法
Ｒ１，Ｒ２ 外径側Ｒ面取り寸法
Ｅ１ 最初のギャップに発生する電界強度
Ｅ６ 最後のギャップに発生する電界強度。

Claims (6)

1. ＴＥモードを励起する共振器内の加速軸上に、ステムに支持された複数個の円筒形状のドリフトチューブ電極が所定のギャップを空けて配列され、前記ドリフトチューブ電極間に電界を発生させることにより荷電粒子ビームを加速するＨモード型ドリフトチューブ線形加速器において、
   前記ドリフトチューブ電極は、端面の外径側と内径側の角部にＲ面取りが施され、
   電界分布が、前記ギャップ部の中央部の両側にピークを有する２山形状の電界分布を有するギャップ部の両端に位置する前記ドリフトチューブ電極端部の前記外径側のＲ面取りは、前記内径側のＲ面取りよりも大きな曲率半径を有し、前記内径側のＲ面取りの終端部と前記外径側のＲ面取りの終端部とが滑らかにつながったドリフトチューブ肉厚部が形成されていることを特徴とするＨモード型ドリフトチューブ線形加速器。
2. 請求項１に記載のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器において、
   前記電界分布が、前記ギャップ部の中央部の両側にピークを有する２山形状の電界分布を有するギャップ部の両端に位置する前記ドリフトチューブ電極端部は、互いに同じ形状の前記ドリフトチューブ肉厚部を有するものであることを特徴とするＨモード型ドリフトチューブ線形加速器。
3. 請求項１又は請求項２に記載のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器において、
   前記ドリフトチューブ肉厚部の前記内径側のＲ面取りの終端部と前記外径側のＲ面取りの終端部との接続面は、平面部を持たずに連続してつながった曲面であることを特徴とするＨモード型ドリフトチューブ線形加速器。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器において、
   前記ドリフトチューブ肉厚部が形成された前記ドリフトチューブ電極は、前記加速軸の軸方向に見て、最初の前記ギャップを除いた一番長いギャップ長を形成する１対のドリフトチューブ電極であることを特徴とするＨモード型ドリフトチューブ線形加速器。
5. 請求項４に記載のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器において、
   前記ドリフトチューブ肉厚部が形成された前記ドリフトチューブ電極は、出射側のエンドドリフトチューブ電極に隣接するドリフトチューブ電極、及びそのドリフトチューブ電極と対をなすドリフトチューブ電極であることを特徴とするＨモード型ドリフトチューブ線形加速器。
6. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器において、
   前記ドリフトチューブ肉厚部が形成された前記ドリフトチューブ電極は、前記加速軸の軸方向に見て、最初の前記ギャップを除いた一番長いギャップ長を形成する１対のドリフトチューブ電極と、続いて長いギャップ長を形成する一対のドリフトチューブ電極であることを特徴とするＨモード型ドリフトチューブ線形加速器。

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