JP2014038774A - 高周波加速空洞及びこの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁性体コアや加速空洞筐体を変えることなく、高周波加速空洞全体のインピーダンスの調整を容易に行うことを目的とする。
【解決手段】本発明の高周波加速空洞３０によれば、荷電粒子が通過する２本の金属製の真空ダクト３ａ、３ｂと、高周波加速電界が発生する加速ギャップ７を形成するように２本の金属性の真空ダクト３ａ、３ｂを接続する絶縁性の真空ダクト４と、金属製の真空ダクト３ａ、３ｂを包含するように配置された磁性体コア１ａ、１ｄと、絶縁性の真空ダクト４と磁性体コア１ａ、１ｄを包含する加速空洞筐体２と、金属製の真空ダクト３ａ、３ｂと加速空洞筐体２を高周波的に接続する複数のシャーシコネクタ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄとを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、シンクロトロンやサイクロトロン等の円形加速器において荷電粒子を高周波加速電界で加速するための高周波加速空洞に関する。

シンクロトロンやサイクロトロン等の円形加速器では荷電粒子を周回加速させ、高エネルギーまで加速された荷電粒子（主に陽子や炭素イオン）をその周回軌道から取り出し、ビーム状となった荷電粒子（荷電粒子ビーム、粒子線とも称する）をビーム輸送系で輸送して所望の対象物に照射する物理実験や、癌の治療などの医療用として利用することが行われている。

一般に円形加速器では、荷電粒子は、高周波加速空洞が作り出す高周波加速電界によって加速される。例えばシンクロトロンの場合、シンクロトロン内を周回する荷電粒子の周回周波数に同期した高周波加速電界を、荷電粒子に印加しなければならない。高周波加速空洞に印加する高周波加速電界は、例えばダイレクトデジタルシンセサイザ等の信号源により発生させた所望の周波数の信号を高周波アンプにより増幅させ、高周波加速空洞に印加する。なお、荷電粒子を減速させる場合にも、高周波加速空洞が作り出す高周波加速電界を利用することがある。

高周波加速空洞には、例えば特許文献１において示される同調型高周波加速空洞と、例えば特許文献２において示される非同調型加速空洞とがある。同調型高周波加速空洞は、高周波加速空洞の共振周波数を、信号源の印加周波数に同調させて必要な高周波加速電界を加速ギャップに発生させる。すなわち、同調型高周波加速空洞は、荷電粒子ビームが加速されていくタイミングに合わせてインピーダンスを変化させて、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を同調させることを特徴とする高周波加速空胴である。

非同調型加速空洞は、信号源から発生させる周波数を変化させていく点では同調型高周波加速空洞と同様であるが、同調型高周波加速空洞と異なり、高周波加速空洞のインピーダンスは、加速周波数の全範囲で十分なインピーダンスとなるように設計される。また、非同調型高周波加速空洞は、同調型高周波加速空洞と比べてバイアス線や回転コンデンサ等のインピーダンスを変化させる機構が不要であるため、高周波加速空洞の設計が比較的容易であり、また制御のシステムが簡素となるため低コストで製作できるという特長がある。

高周波加速空洞では、一般に高透磁率の磁性体コアを装荷することで高周波加速空洞全体のインピーダンスを高くして大きい高周波加速電界（高周波加速電圧）を得る。特に、非同調型高周波加速空洞の場合は加速周波数の全範囲で十分なインピーダンスを確保する必要があるため、共振のＱ値を下げることが望ましい。共振のＱ値が小さいと共振のピークがなまり、広帯域で高い高周波加速電圧を作ることができるからである。Ｑ値を下げるために、透磁率の虚数成分（μ’’）が大きい磁性体コアを使う。このような条件を満たす磁性体コアの磁性体としては、結晶性の金属磁性体であるＦｅ基軟磁性合金（例えば特許文献３）やアモルファスの金属磁性体（例えば特許文献２）が用いられる。

非同調型高周波加速空洞におけるインピーダンスは、特許文献４に記載されているように、高周波加速空洞の内部導体と外部導体に囲まれた領域に導入された磁性部材（磁性体コア）のインピーダンスＺと、このインピーダンスＺに並列に配置される加速ギャップの容量Ｃによるインピーダンスとの合成インピーダンスで簡易的に表される。高周波加速空洞のインピーダンスの等価回路は、図１２のように表される。非同調型高周波加速空洞で用いられる磁性体コアは、上記で説明したように、Ｑ値を下げるために透磁率の虚数成分（μ’’）が大きい、つまり抵抗が大きい磁性体材料が用いられる。この磁性体コアのインピーダンスＺは、等価回路であらわすと、周波数によって変化する抵抗成分Ｒとインダクタンス成分Ｌで表現される。

加速ギャップはキャパシタンス成分Ｃを有するため、加速ギャップでは上記のインダクタンス成分Ｌとキャパシタンス成分Ｃによりある周波数で共振し、高い高周波加速電界（高周波加速電圧）が発生する。このとき、非同調型高周波加速空洞は、磁性体の抵抗成分Ｒにより、Ｑ値が小さくなり、すなわち共振のピークがなまり、広帯域で高い高周波加速電圧を作ることができる。円形加速器のビーム加速設計から決まる周波数範囲において、十分な強度の加速電界を得るために、非同調型高周波加速空洞は、適切なインダクタンス成分Ｌとキャパシタンス成分Ｃを有するように設計される。

広帯域の周波数範囲をカバーするために、非同調型高周波加速空洞の共振周波数は所望の値になるように調整される。この共振周波数を調整する方法は、例えば、特許文献４に示されているように、外径Ｒ１と内径Ｒ２の磁性体コアのインダクタンスがｌｎ（Ｒ１／Ｒ２）に比例することを利用して、高周波加速空洞全体のインピーダンスが所望の値となるように、磁性体コアの外径Ｒ１及び内径Ｒ２が調整される。また、磁性体コアの厚みや磁性体コアの枚数も高周波加速空洞全体のインピーダンスを調整するパラメータとなる。さらに磁性体コアが導体の場合、磁性体コアと内部導体間のキャパシタンスや、磁性体コアと外部導体間のキャパシタンスも高周波加速空洞全体のインピーダンスに影響を与えることが知られている（特許文献４）。このキャパシタンス効果は、図１２の等価回路において、さらに並列に配置されることになり、このキャパシタンス成分が大きいと高周波加速空洞全体のインピーダンスへの影響も大きくなる。

特開２００７−７３３９１号公報（０００２段、０００３段） 特開２００７−２７００１号公報（００２７段〜００３２段） 特開平９−１６７６９９号公報（００１４段、００１７段） 特開平１１−２０４３００号公報（０００５段、０００６段、００３１段）

磁性体コアは、特に金属アモルファスのコアを使用する場合、焼鈍工程が必要である。金属アモルファスの磁性体コアの焼鈍工程において、磁性体コア全体に均一に熱を入れることが難しいため、磁性体コアの透磁率にばらつきが生じ、設計どおりのインピーダンスを得ることが難しい。上記に記載したように、磁性体コアの外径及び内径、厚み、枚数を変えることで調整が行われるが、この場合、磁性体コアを作り直したり、本発明の加速空洞筐体に相当する外部導体の設計を見直したりする必要があるため、高周波加速空洞のインピーダンスを容易に調整できない問題があった。

また、本発明の真空ダクトに相当する内部導体は、外部導体（加速空洞筐体）と電気的に接合する必要があり、一般的に外部導体（加速空洞筐体）と溶接する。内部導体（真空ダクト）は、外部導体（加速空洞筐体）に溶接されることで、外部導体（加速空洞筐体）に支えられる。しかし、内部導体（真空ダクト）と外部導体（加速空洞筐体）とを溶接してしまうと、内部導体（真空ダクト）の外径が決まってしまうため、磁性体コアをつくり直さずに高周波加速空洞のインピーダンスを、所望の値に調整することは難しい。つまり、上記と同様に高周波加速空洞のインピーダンスを容易に調整できない問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、磁性体コアや加速空洞筐体を変えることなく、高周波加速空洞全体のインピーダンスの調整を容易に行うことができる高周波加速空洞を得ることを目的とする。

本発明の高周波加速空洞によれば、荷電粒子が通過する２本の金属製の真空ダクトと、高周波加速電界が発生する加速ギャップを形成するように２本の金属性の真空ダクトを接続する絶縁性の真空ダクトと、金属製の真空ダクトを包含するように配置された磁性体コアと、絶縁性の真空ダクトと磁性体コアを包含する加速空洞筐体と、金属製の真空ダクトと加速空洞筐体を高周波的に接続する複数のシャーシコネクタとを備えたことを特徴とする。

本発明の高周波加速空洞によれば、複数のシャーシコネクタにより金属製の真空ダクトと加速空洞筐体を高周波的に接続するので、金属製の真空ダクトの外径を変更して金属製の真空ダクトと磁性体コアとの距離を変更でき、磁性体コアや加速空洞筐体を変えることなく、高周波加速空洞全体のインピーダンスの調整を容易に行うことができる。

本発明の実施の形態１における高周波加速空洞の断面図である。 図１の高周波加速空洞の側面図である。 図１のＡ−Ａにおける断面図である。 図１のＢ−Ｂにおける断面図である。 図１のコア押さえと支持体との接続を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるシャーシコネクタを示す図である。 本発明の実施の形態１における他の高周波加速空洞の断面図である。 本発明の実施の形態１における高周波加速空洞全体のインピーダンスを示す図である。 本発明の実施の形態２における高周波加速空洞の断面図である。 本発明の実施の形態３における高周波加速空洞の断面図である。 本発明の実施の形態３におけるダクト支持体を示す図である。 高周波加速空洞のインピーダンスの等価回路を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における高周波加速空洞の断面図であり、荷電粒子ビームのビーム軸２５を含むように切断した断面図である。図２は、図１の高周波加速空洞を左側から見た側面図である。図３は図１のＡ−Ａにおける断面図であり、図４は図１のＢ−Ｂにおける断面図である。図５は図１のコア押さえと支持体との接続を示す図であり、図６は本発明の実施の形態１におけるシャーシコネクタを示す図である。高周波加速空洞３０は、加速空洞筐体２と、複数の磁性体コア１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆと、金属製の真空ダクト３ａ、３ｂと、絶縁性の真空ダクト４と、絶縁性のコア押さえ６ａ、６ｂと、シャーシコネクタ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと、コア支持体９と、磁性体コア１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆのそれぞれを支持する複数の支持体１２と、ボルト１０と、ナット１４を備える。なお、磁性体コアの符号は、総括的に１を用い、区別して説明する場合に１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆを用いる。真空ダクトの符号は、総括的に３を用い、区別して説明する場合に３ａ、３ｂを用いる。コア押さえの符号は、総括的に６を用い、区別して説明する場合に６ａ、６ｂを用いる。シャーシコネクタの符号は、総括的に８を用い、区別して説明する場合に８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを用いる。

磁性体コア１は、芯１６と金属磁性体１５を有する。磁性体コア１は、真空ダクト３を包含するように配置される。２つの真空ダクト３ａ、３ｂの管の断面間に、加速電界（加速電圧）が発生する加速ギャップ７が形成されている。真空ダクト４は、高周波加速電界が発生する加速ギャップ７を形成するように２つの真空ダクト３ａ、３ｂを接続している。加速空洞筐体２は、真空ダクト４と磁性体コア１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆを包含している。

シャーシコネクタ８は、図６に示すように、溝１７、１８が形成された円弧形状の金属フランジ５と、溝１７、１８に挿入された導電性変形部品１１を有する。溝１７は、金属フランジ５における内周側、すなわち真空ダクト３に対向する側に設けられる。溝１８は、金属フランジ５における側面側、すなわち加速空洞筐体２と対向する側に設けられる。導電性変形部品１１は、金属フランジ５に設けられた溝１７、１８に挿入され、加速空洞筐体２及び真空ダクト３ａ、３ｂに押し付けることで、真空ダクト３ａ、３ｂと加速空洞筐体２とを電気的に接触させるためのものである。導電性変形部品１１は、例えばワイヤー状の金属メッシュである。導電性変形部品１１を適宜、ワイヤーメッシュ１１と呼ぶことにする。また、金属フランジ５には、ボルト１０を挿入する孔１９が設けられている。なお、図１において、導電性変形部品１１は省略した。

図１、図２は、高周波加速空洞３０の２つの端部において、半円弧形状のシャーシコネクタ８を２つ用いて、加速空洞筐体２と真空ダクト３（図２では真空ダクト３ａを記載）との電気的に接続した例である。図２に示すように、シャーシコネクタ８ａ、８ｂはボルト１０で固定される。加速ギャップ７が形成される真空ダクト３の端部（加速ギャップ端部）に、磁性体コア１を支持するコア支持体９が設置されている。図３や図４に示すように、磁性体コア１（図３では磁性体コア１ｄを記載、図４では磁性体コア１ｅを記載）は、複数の、例えば６つの支持体１２により支持される。図３、図４において、支持体１２の端部が見えるように記載した。ここでは、支持体１２は、２枚の面板３１と１枚の側板３２をボルト１０で固定した構成例を示した。２枚の面板３１でビーム軸２５の方向に挟むように磁性体コア１を支持する。一部の支持体１２は、コア押さえ６とコア支持体９とを接続している。図３、図４において、コア押さえ６ａと上側のコア支持体９とを接続する上側の支持体１２及び、コア押さえ６ｂと下側のコア支持体９とを接続する下側の支持体１２とを接続する支持体１２が存在する例を示した。

上側の支持体１２の端部はコア押さえ６ａの溝１３に嵌合され、下側の支持体１２の端部はコア押さえ６ｂの溝１３に嵌合されている。図５に示すように、上側の支持体１２の側板３２及び面板３１の端部が下側のコア押さえ６ｂの溝１３に嵌合され、上側の支持体１２の側板３２がボルト１０で上側のコア押さえ６ａに固定される。下側の支持体１２の側板３２及び面板３１の端部が下側のコア押さえ６ｂの溝１３に嵌合される。磁性体コア１を支持する複数の支持体１２の一部（例えば、上側及び下側の２つ）とコア押さえ６とが嵌合構造になっているので、複数の磁性体コア１を並行に並べることができる。

前述したように、支持体１２は、磁性体コア１の表側及び裏側に配置される面板３１と磁性体コア１の側面側に配置される側板３２を備える。支持体１２の面板３１は、荷電粒子ビームが輸送されるビーム軸２５に垂直な方向に延伸するように配置される。支持体１２の面板３１と支持体１２の側板３２は、ボルト１０を用いて固定される。支持体１２の面板３１は、ボルト１０を用いて側板３２や芯１６に固定される。コア押さえ６ｂは加速空洞筐体２の底面に設置され、コア押さえ６ａはボルト１０及びナット１４を用いて、加速空洞筐体２の底面と対向する内面、例えば上面に固定される。コア押さえ６ａは、加速空洞筐体２の内面に直接固定されずに、ボルト１０及びナット１４を用いて、加速空洞筐体２の内面との距離を調整可能に設置される。

高周波加速空洞３０における真空ダクト３の外径を変更可能な構造にするために、真空ダクト３と加速空洞筐体２とを溶接等でつながない構造にする、すなわち、真空ダクト３と加速空洞筐体２とをシャーシコネクタ８で接続する構造にする。この場合には、シャーシコネクタ８と真空ダクト３及び加速空洞筐体２との接触抵抗を極めて小さくする、つまり高周波的に接続することが課題となる。上記課題を解決するために、本発明では導電性変形部品１１を備えたシャーシコネクタ８を用いることで、接触抵抗を極めて小さくすることができる。

シャーシコネクタ８と真空ダクト３及び加速空洞筐体２とを高周波的に接続するように、高周波加速空洞３０を組み立てる製造方法を説明する。磁性体コア１を加速空洞筐体２に装荷する（磁性体コア装荷工程）。この後、磁性体コア１の芯１６の貫通孔に真空ダクト３を挿入する。半円弧状のシャーシコネクタ８ｂ及び８ｄの金属フランジ５を、加速空洞筐体２に引っ掛ける第１のコネクタ設置工程を行う。この後、金属フランジ５の溝１７、１８に、例えば、ワイヤーメッシュのような形状が変形しやすい導電性変形部品１１を入れる第１の変形部品挿入工程を行う。この後、シャーシコネクタ８ｂ及び８ｄの金属フランジ５と真空ダクト３を接触させる、より具体的には金属フランジ５の上に真空ダクト３を載せるコネクタ接触工程を行う。図１の左右それぞれの真空ダクト３の上側と加速空洞筐体２に、シャーシコネクタ８ａ及び８ｃの金属フランジ５を引っ掛ける第２のコネクタ設置工程を行う。この後、金属フランジ５の溝１７、１８に、導電性変形部品１１を入れる第２の変形部品挿入工程を行う。この後、シャーシコネクタ８ａ及び８ｃの金属フランジ５と真空ダクト３を接触させ、シャーシコネクタ８ａ、８ｂで真空ダクト３ａを挟み込むと共にシャーシコネクタ８ｃ、８ｄで真空ダクト３ｂを挟み込み、ボルト１０で固定するコネクタ固定工程を行う。

上記のような高周波加速空洞３０の製造方法を用いることで、加速空洞筐体２と真空ダクト３を高周波的に接続することができる。すなわち、高周波加速空洞３０を製造する際に、図１に示すように、２つのシャーシコネクタ８ａ、８ｂ又は２つのシャーシコネクタ８ｃ、８ｄを、真空ダクト３の上下からはさむ構造にすることで、真空ダクト３と加速空洞筐体２を高周波的に接触させることが可能となる。

上記製造方法で高周波加速空洞３０の製作を行わず、１個の円形のフランジに溝を掘り、この溝にワイヤーメッシュを挿入した後に、フランジの貫通孔に真空ダクトダクトを挿入すれば、ワイヤーメッシュがはずれてしまう。しかし、上記の製造方法で高周波加速空洞３０の製造を行えば、シャーシコネクタ８及びコア支持体９を変更するだけで、例えば図７に示すように、外径の異なる真空ダクト３であっても同一の加速空洞筐体２及び磁性体コア１に装着して、特性の異なる他の高周波加速空洞３０を製造することができる。外径の異なる真空ダクト３であっても、２つのシャーシコネクタ８ａ、８ｂ（又は８ｃ、８ｄ）を真空ダクト３の上下からはさむので、高周波的な接続を確保した状態で高周波加速空洞３０を製造することができる。

本発明の実施の形態１の高周波加速空洞３０は、外径の異なる真空ダクト３を高周波的な接続を確保した状態で変更することができる。真空ダクト３の外径を変更することによって、金属磁性体１５と真空ダクト３との間のキャパタンス成分を調整できる。このため、高周波加速空洞３０の全体のインピーダンスを容易に変えることが可能となる。ダクト外径の異なる、複数の真空ダクト３を用いて、上記インピーダンス調整を行った後は、高周波加速空洞３０の構造を強化するために、金属フランジ５と加速空洞筐体２との間を溶接で完全に固定することが望ましい。この場合、上述したコネクタ固定工程において、シャーシコネクタ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと加速空洞筐体２とを着脱不可にするように固着させる固着工程を行う。例えば、溶接のように、金属フランジ５と加速空洞筐体２との固定を強化すれば、高周波加速空洞３０の振動等により、固定部材であるシャーシコネクタ８やコア支持体９に緩みが発生した場合や、コア発熱により加速空洞筐体２と真空ダクト３との間で応力が発生した場合でも、真空ダクト３の位置ずれによるインピーダンスの変化を最小限にとどめることができ、加速電圧の変化を小さくすることができる。

図７は、本発明の実施の形態１における他の高周波加速空洞の断面図である。図７の高周波加速空洞３０は、外径の異なる真空ダクト３ｃ、３ｄを備える点で図１の高周波加速空洞３０とは異なる。図７の真空ダクト３ｃ、３ｄは、図１の真空ダクト３ａ、３ｂよりもダクト外径が小さい場合の例である。シャーシコネクタ８は、真空ダクト３と対向する内周側の径、すなわち、荷電粒子が通過するビーム軸２５と垂直な面において、ビーム軸２５からシャーシコネクタ８の内周側までの距離が、図１の高周波加速空洞３０よりも小さく調整されている。なお、図７において、導電性変形部品１１は省略した。真空ダクト３のダクト外径を変えて調整を実施した際の空洞全体のインピーダンスの例を図８に示す。縦軸はインピーダンスの絶対値であり、横軸は高周波加速空洞３０に印加する高周波電圧の周波数である。特性２０は真空ダクト３のダクト外径が２０６ｍｍの場合であり、特性２１は真空ダクト３のダクト外径が２５０ｍｍの場合である。特性２０は図７の真空ダクト３ｃ、３ｄに対応し、特性２１は図１の真空ダクト３ａ、３ｂに対応している。

高周波加速空洞３０の共振周波数は１／√（ＬＣ）で決まるため、真空ダクト３と金属磁性体１５との距離が大きい場合である特性２０のほうが、真空ダクト３と金属磁性体１５との距離が小さい場合である特性２１に比べて、金属磁性体１５と真空ダクト３との間のキャパシタンスが小さいため共振周波数は大きくなる。

特性２１の高周波加速空洞３０と特性２０の高周波加速空洞３０を比べる。低周波数側では、インピーダンスの絶対値が大きい特性２１の高周波加速空洞３０のほうが、特性２０の高周波加速空洞３０に比べて電源負荷が小さくなる。高周波側では、特性２０の高周波加速空洞３０のほうが、特性２１の高周波加速空洞３０に比べて電源負荷が小さくなる。例えばシンクロトロンの場合、目的に応じて、その運転パターン（時間と加速エネルギーの関係）に応じて、最大の加速電圧を発生させる必要のある周波数が異なるため、上記のインピーダンス調整が可能となれば、所望の運転パターンに対して最も電源負荷が小さいシンクロトロンが実現することができる。

実施の形態１の高周波加速空洞３０は、磁性体コア１や加速空洞筐体２を変えることなく、外径の異なる真空ダクト３に交換することができる。実施の形態１の高周波加速空洞３０は、磁性体コア１や加速空洞筐体２を変えることなく、外径の異なる真空ダクト３に交換することができるので、容易に高周波加速空洞全体のインピーダンスの周波数特性を調整できる。実施の形態１の高周波加速空洞３０は、高周波加速空洞全体のインピーダンス調整ができるため、電源負荷を下げることができる。また、実施の形態１の高周波加速空洞３０は、高周波加速空洞全体のインピーダンス調整ができるため、反射が少ないインピーダンスに調整できる。

実施の形態１の高周波加速空洞３０は、磁性体コアを作り直したり、加速空洞筐体の設計を見直したりすることでコストが高くなる従来と異なり、磁性体コア１や加速空洞筐体２を変えることなく、真空ダクト３及びシャーシコネクタ８を変更するので、従来にくらべて調整や設計変更する際のコストを低くすることがきる。

本発明の実施の形態１の高周波加速空洞３０によれば、荷電粒子が通過する２本の金属製の真空ダクト３（３ａ、３ｂ）と、高周波加速電界が発生する加速ギャップ７を形成するように２本の金属性の真空ダクト３（３ａ、３ｂ）を接続する絶縁性の真空ダクト４と、金属製の真空ダクト３（３ａ、３ｂ）を包含するように配置された磁性体コア１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ）と、絶縁性の真空ダクト４と磁性体コア１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ）を包含する加速空洞筐体２と、金属製の真空ダクト３と加速空洞筐体２を高周波的に接続する複数のシャーシコネクタ８（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ）とを備えたことを特徴とするので、金属製の真空ダクト３（３ａ、３ｂ）の外径を変更して金属製の真空ダクト３（３ａ、３ｂ）と磁性体コア１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ）との距離を変更でき、磁性体コア１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ）や加速空洞筐体２を変えることなく、高周波加速空洞全体のインピーダンスの調整を容易に行うことができる。

本発明の実施の形態１の高周波加速空洞３０の製造方法によれば、荷電粒子が通過する２本の金属製の真空ダクト３（３ａ、３ｂ）と、荷電粒子を加速する高周波加速電界が発生する加速ギャップ７を形成するように２本の金属性の真空ダクト３を接続する絶縁性の真空ダクト４と、金属製の真空ダクト３を包含するように配置された磁性体コア１と、絶縁性の真空ダクト４と磁性体コア１を包含する加速空洞筐体２と、２つの溝１７、１８が形成された金属フランジ５と、２つの溝１７、１８それぞれに挿入された導電性変形部品１１を有し、金属製の真空ダクト３と加速空洞筐体２を高周波的に接続する複数のシャーシコネクタ８とを備えた高周波加速空洞３０の製造方法であって、磁性体コア１を加速空洞筐体２に装荷する磁性体コア装荷工程と、複数のシャーシコネクタ８（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ）における一のシャーシコネクタ８ｂ、８ｄの金属フランジ５を、加速空洞筐体２に設置する第１のコネクタ設置工程と、第１のコネクタ設置工程で設置された金属フランジ５の溝１７、１８に導電性変形部品１１を挿入する第１の変形部品挿入工程と、一のシャーシコネクタ８ｂ、８ｄと金属製の真空ダクト３ａ、３ｂとを接触させるコネクタ接触工程と、複数のシャーシコネクタ８における他のシャーシコネクタ８ａ、８ｃの金属フランジ５を、加速空洞筐体２に設置する第２のコネクタ設置工程と、第２のコネクタ設置工程で設置された金属フランジ５の溝１７、１８に導電性変形部品１１を挿入する第２の変形部品挿入工程と、一のシャーシコネクタ８ｂ、８ｄと他のシャーシコネクタ８ａ、８ｃとで金属製の真空ダクト３ａ、３ｂを挟み込むと共に、加速空洞筐体２に一のシャーシコネクタ８ｂ、８ｄ及び他のシャーシコネクタ８ａ、８ｃを固定するコネクタ固定工程とを含むことを特徴とするので、金属製の真空ダクト３の外径を変更して金属製の真空ダクト３と磁性体コア１との距離を変更でき、磁性体コア１や加速空洞筐体２を変えることなく、高周波加速空洞全体のインピーダンスの調整を容易に行うことができる。

実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２における高周波加速空洞の断面図である。実施の形態１で説明した製造方法により真空ダクト３と加速空洞筐体２を電気的に接合する場合、シャーシコネクタ８及びコア支持体９の種類を変えるだけで、すなわち内周側のサイズが異なる他の種類ものに変えるだけで、図９に示すように左右で外径が異なる真空ダクト３ｃ、３ｂを装着することが可能となる。すなわち、磁性体コア１と真空ダクト３との間のキャパシタンスが異なる２つのグループを備えている。第１のグループは、左側の真空ダクト３ｃと磁性体コア１ａ、１ｂ、１ｃである。第２のグループは、右側の真空ダクト３ｂと磁性体コア１ｄ、１ｅ、１ｆである。これによって実施の形態１よりもさらに細かい周波数調整が可能となる。真空ダクト３ｃは、ダクト外径が真空ダクト３ｂよりも小さい。これに対応して、シャーシコネクタ８ａ、８ｂは、真空ダクト３と対向する内周側の径が、シャーシコネクタ８ｃ、８ｄよりも小さい。なお、図９において、導電性変形部品１１は省略した。

なお、高周波加速空洞３０のインピーダンスを変更する際に、芯１６の貫通孔の径が同じ複数の磁性体コア１に、外径の異なる真空ダクト３ｃ、３ｂを挿入した例で説明したが、外径の同じ真空ダクト３を芯１６の貫通孔の径が異なる複数の磁性体コア１に挿入しても構わない。例えば、図９において、磁性体コア１ａ、１ｂ、１ｃの芯１６の貫通孔の径を、磁性体コア１ｄ、１ｅ、１ｆの芯１６の貫通孔の径よりも大きくし、真空ダクト３ｃを右側の真空ダクト３ｂにしてもよい。この場合であっても、磁性体コア１と真空ダクト３との間のキャパシタンスが異なる２つのグループを備えるので、実施の形態１よりもさらに細かい周波数調整が可能となる。

実施の形態３．
図１０は本発明の実施の形態３における高周波加速空洞の断面図であり、図１１はダクト支持体を示す図である。実施の形態３の高周波加速空洞３０は、コア支持体９の代わりに、コア押さえ６ａ、６ｂからビーム軸２５側に延伸させた絶縁性のダクト支持体２４で真空ダクト３ａ、３ｂを支持している。ダクト支持体２４は、コア押さえ６ａ、６ｂに固定さる。真空ダクト３ａ、３ｂは、ダクト支持体２４の上に載せるだけである。実施の形態１ではコア支持体９を支持体１２に取り付ける必要があった。しかし、実施の形態３の高周波加速空洞３０は、ダクト支持体２４がコア押さえ６ａ、６ｂに固定さるので、実施の形態１に比べて、ダクト支持体２４の取り付けが容易である。このため、高周波加速空洞３０の製造作業時間の短縮ができる。加速される荷電粒子ビームは真空ダクト３の中心を通るように設計されるため、図９のように外径の異なる真空ダクト３ｃ、３ｂを使う場合は、真空ダクト３ｃ、３ｂの中心軸をビーム軸２５に合わせて真空ダクト３ｃ、３ｂを保持する必要がある。図１０において、導電性変形部品１１は省略した。

また、実施の形態３の高周波加速空洞３０は、ダクト支持体２４がコア押さえ６ａ、６ｂに取り付けられているので、実施の形態１に比べて、設計どおりの位置に真空ダクト３ａ、３ｂの中心軸（ビーム軸２５）を持ってくることができる。実施の形態１におけるコア支持体９は吊り下げられた磁性体コア１についているため、コア位置誤差の影響で真空ダクト３が設計位置からずれる可能性があり、位置調整を行うため調整時間がかかる場合がある。しかしながら、実施の形態３の高周波加速空洞３０では、上記で説明したように、設計どおりの位置に真空ダクト３ａ、３ｂの中心軸（ビーム軸２５）を持ってくることができ、実施の形態３に比べて調整時間を短くすることができる。

なお、実施の形態１乃至３では、真空ダクト３が円筒形状である例で説明したが、円筒形状以外の真空ダクトでも構わない。また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ…磁性体コア、２…加速空洞筐体、３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ…真空ダクト、４…真空ダクト、５…金属フランジ、６、６ａ、６ｂ…コア押さえ、７…加速ギャップ、８、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ…シャーシコネクタ、９…コア支持体、１１…導電性変形部品、１７…溝、１８…溝、２４…ダクト支持体、２５…ビーム軸、３０…高周波加速空洞。

Claims (10)

1. 荷電粒子を高周波加速電界で加速する高周波加速空洞であって、
   前記荷電粒子が通過する２本の金属製の真空ダクトと、
   前記高周波加速電界が発生する加速ギャップを形成するように前記２本の金属性の真空ダクトを接続する絶縁性の真空ダクトと、
   前記金属製の真空ダクトを包含するように配置された磁性体コアと、
   前記絶縁性の真空ダクトと前記磁性体コアを包含する加速空洞筐体と、
   前記金属製の真空ダクトと前記加速空洞筐体を高周波的に接続する複数のシャーシコネクタとを備えたことを特徴とする高周波加速空洞。
2. 前記２本の金属性の真空ダクトにおける一の真空ダクトは、
   前記荷電粒子が通過するビーム軸と垂直な面において、
   この一の真空ダクトを包含する前記磁性体コアの貫通孔と当該一の真空ダクトとの距離が、前記２本の金属性の真空ダクトにおける他の真空ダクトを包含する前記磁性体コアの貫通孔と当該他の真空ダクトとの距離と異なることを特徴とする請求項１記載の高周波加速空洞。
3. 前記２本の金属性の真空ダクトは、それぞれの外径が互いに異なり、
   前記２本の金属性の真空ダクトを包含する前記磁性体コアのそれぞれは、前記金属製の真空ダクトを包含する貫通孔の径が同じであることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波加速空洞。
4. 前記２本の金属性の真空ダクトは、それぞれの外径が同じであり、
   前記２本の金属性の真空ダクトを包含する前記磁性体コアのそれぞれは、前記金属製の真空ダクトを包含する貫通孔の径が互いに異なることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波加速空洞。
5. 前記シャーシコネクタは、２つの溝が形成された金属フランジと、前記２つの溝それぞれに挿入された導電性変形部品を有し、
   前記２つの溝における一の溝は、前記金属製の真空ダクトに対向する側に形成され、
   前記２つの溝における他の溝は、前記加速空洞筐体に対向する側に形成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高周波加速空洞。
6. 前記シャーシコネクタは、前記ビーム軸と平行な方向から見た場合の形状が円弧形状であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高周波加速空洞。
7. 前記金属製の真空ダクトは、前記絶縁性の真空ダクト側において、前記磁性体コアに接続されたコア支持体によって支持されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の高周波加速空洞。
8. 前記磁性体コアを前記加速空洞筐体に接触することなく保持する複数の絶縁性のコア押さえを有し、
   前記金属製の真空ダクトは、前記絶縁性の真空ダクト側において、前記コア押さえに接続されたダクト支持体によって支持されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の高周波加速空洞。
9. 荷電粒子が通過する２本の金属製の真空ダクトと、
   前記荷電粒子を加速する高周波加速電界が発生する加速ギャップを形成するように前記２本の金属性の真空ダクトを接続する絶縁性の真空ダクトと、
   前記金属製の真空ダクトを包含するように配置された磁性体コアと、
   前記絶縁性の真空ダクトと前記磁性体コアを包含する加速空洞筐体と、
   ２つの溝が形成された金属フランジと、前記２つの溝それぞれに挿入された導電性変形部品を有し、前記金属製の真空ダクトと前記加速空洞筐体を高周波的に接続する複数のシャーシコネクタとを備えた高周波加速空洞の製造方法であって、
   前記磁性体コアを前記加速空洞筐体に装荷する磁性体コア装荷工程と、
   前記複数のシャーシコネクタにおける一のシャーシコネクタの前記金属フランジを、前記加速空洞筐体に設置する第１のコネクタ設置工程と、
   前記第１のコネクタ設置工程で設置された前記金属フランジの前記溝に前記導電性変形部品を挿入する第１の変形部品挿入工程と、
   前記一のシャーシコネクタと前記金属製の真空ダクトとを接触させるコネクタ接触工程と、
   前記複数のシャーシコネクタにおける他のシャーシコネクタの前記金属フランジを、前記加速空洞筐体に設置する第２のコネクタ設置工程と、
   前記第２のコネクタ設置工程で設置された前記金属フランジの前記溝に前記導電性変形部品を挿入する第２の変形部品挿入工程と、
   前記一のシャーシコネクタと前記他のシャーシコネクタとで前記金属製の真空ダクトを挟み込むと共に、前記加速空洞筐体に前記一のシャーシコネクタ及び前記他のシャーシコネクタを固定するコネクタ固定工程とを含むことを特徴とする高周波加速空洞の製造方法。
10. 前記コネクタ固定工程において、前記一のシャーシコネクタ及び前記他のシャーシコネクタと前記加速空洞筐体とを固着させる固着工程を含むことを特徴とする請求項９記載の高周波加速空洞の製造方法。

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