JP2015516724A - 共振システム、および、共振器の励振方法 - Google Patents

Abstract

共振周波数を有する共振器の励振方法において、第１の期間中に、当該共振周波数とは第１の周波数差だけ相違する第１の周波数で当該共振器を励振させる。第２の期間中には、前記共振周波数とは第２の周波数差だけ相違する第２の周波数で前記共振器を励振させる。第１の周波数差の符号と第２の周波数差の符号とは異なる。さらに、前記第１の周波数差の絶対値と前記第２の周波数差の絶対値との差は、大きい方の絶対値の１０％未満である。

Description

本発明は、請求項１に記載の共振器の共振方法、および、請求項９に記載の共振器と励振装置とを含む共振システムとに関する。

共振器すなわち振動系には種々の態様があり、共振器はたとえば、内部にて電磁振動を励振させることができるＲＦキャビティとして形成することができる。このようなＲＦキャビティを粒子加速器において使用して、荷電粒子を加速させることが公知である。

共振器振動を励振および維持するためには、外部から励振装置を用いて共振器へエネルギーを供給しなければならない。粒子加速器の、ＲＦキャビティとして形成された共振器では、このエネルギー供給のために高周波源を用いる。従来は、共振器内に供給するエネルギー量を制御するためには、この高周波源の出力振幅を調整していた。しかし、特に励振のために固体スイッチを用いる場合、振幅変調を行えるようにするために必要な手間は著しく大きく、これは、公知の励振装置の効率低下の要因となっていた。

本発明の課題は、共振器の励振方法を改善することである。前記課題は、請求項１に記載の特徴を有する方法により解決される。本発明はさらに、共振器および励振装置を備えた共振システムを改善することも課題とする。前記課題は、請求項９に記載の特徴を有する共振システムにより解決される。従属請求項に有利な実施形態が記載されている。

共振周波数を有する共振器の本発明の励振方法では、第１の期間中に、当該共振周波数とは第１の周波数差だけ相違する第１の周波数で当該共振器を励振させる。第２の期間中には、前記共振周波数とは第２の周波数差だけ相違する第２の周波数で前記共振器を励振させる。前記第１の周波数差の符号と第２の周波数差の符号とは異なる。さらに、前記第１の周波数差の絶対値と前記第２の周波数差の絶対値との差は、大きい方の絶対値の１０％未満である。つまり、前記第１の周波数と前記第２の周波数とは、共振周波数を中心として可能な限り対称的である。有利には、前記共振周波数とは異なる第１の周波数および第２の周波数で励振させることにより、前記共振器に供給するエネルギーを減少させる。前記第１の周波数の位置と前記第２の周波数の位置とが共振周波数を中心としてほぼ対称的であることにより、共振周波数とは異なる周波数で共振器を励振させることにより引き起こされる、共振器振動の位相シフトが平均化される。このようにして、前記方法は有利には、励振の振幅を変化させることなく、共振器へ供給されるパワーを制御することができる。このことにより、有利には技術的に大きな手間をかけることなく、前記方法を実用化することができる。

本方法の有利な実施形態では、前記第１の期間と第２の期間とを順次繰り返す。その際に有利なのは、第１の期間および第２の期間の各期間を非常に短くすることである。これにより、前記第１の周波数および第２の周波数で共振器を励振することにより引き起こされる共振器振動の位相シフトが特に有効に平均化する。

好適には、前記第１の期間と第２の第２の期間とは等しい長さを有する。このことによっても、共振器振動の位相シフトの特に有効な平均化が促進されるという利点が奏される。

本方法の１つの有利な実施形態では、前記第１の期間中および第２の期間中に共振器を一定の励振振幅で励振させる。この実施形態では有利には、励振振幅を調整せずに本方法を実用化することができる。

本方法の１つの実施形態では、さらに別の期間中に前記共振器を前記共振周波数で励振させる。このような実施形態により、前記別の期間中に前記共振器へ供給されるパワーを上昇できるという利点が奏される。

有利には、前記第１の期間中と前記第２の期間中と前記別の期間中とおいて、共振器を一定の励振振幅で励振する。このような構成により、共振器を励振するために使用される励振装置が励振振幅を調整できるようにしなくてもよいという利点が奏される。

本方法の有利な実施形態では、共振器の振動振幅を縮小させようとする場合、前記第１の周波数差および第２の周波数差を拡大させる。このことにより、励振振幅を変化させる必要なく、共振器振動のパワーを低下させることができるという利点が奏される。

また、共振器の振動振幅を増大させようとする場合、前記第１の周波数差および第２の周波数差を縮小させる実施形態も有利である。このことによっても、励振振幅を変化させる必要なく、共振器振動のパワーを制御できるという利点が奏される。

本発明の共振システムは、共振器と、当該共振器を励振するための励振装置とを有する。この励振装置は、上述の方法を実施するように構成されている。このような構成により、出力振幅が可変である励振装置を構成しなくてもよいという利点が奏される。このように出力振幅の可変性が不要となることにより、励振装置を簡単かつ高効率に構成できるという利点が奏される。

前記共振システムの一実施形態では、前記共振器の振動は電磁振動である。このことによって有利には、前記共振システムを多くの技術的目的に使用することができる。

前記共振システムの１つの有利な実施形態では、前記共振器はＲＦキャビティとして形成されている。有利には、ＲＦキャビティは多くの技術的目的に用いることができる。

前記共振システムの特に有利な実施形態では、前記共振器は粒子加速器の共振器である。このような構成により、有利には、共振システムの共振器を荷電粒子の加速に用いることができる。粒子加速器のエネルギー消費量は膨大であるから、上述のような共振システムで実施可能な、高効率の励振装置は、特に有利である。

前記共振システムの１つの実施形態では、前記励振装置は固体スイッチを有する。固体スイッチを使用することにより、有利には、励振装置の構成をコンパクト、低コストかつ高エネルギー効率にすることができる。

以下、図面を参照して、実施例について詳細に説明する。この説明内容を併せて参酌すれば、本発明の上述の特性、特徴および利点と、本発明を実現する態様とを、より明確に理解することができる。

共振器の振幅‐周波数特性の一例を示す図である。 共振器振動と外部励振との位相差を示すグラフ例である。 共振器の励振の励振周波数の推移を示す図である。 共振器振動の振幅の推移を示す図である。 共振システムの概略図である。

図１は、共振器の振幅‐周波数特性１００をグラフで示す概略図である。基本的には、どの共振器も同等の振幅‐周波数特性を有する。ここでは、共振器はたとえばＲＦキャビティであり、このＲＦキャビティ内部で電磁振動を励振させることができる。

図１のグラフの横軸上に励振周波数１０１を示している。この励振周波数１０１とは、共振器の共振器振動を外部から励振させるための周波数である。図１のグラフの縦軸上に振動振幅１０２を示している。この振動振幅１０２とは、共振器の共振器振動の振幅であり、よってこの共振器振動で蓄積されたエネルギーを表す尺度である。図１の振幅‐周波数特性１００は、特定の励振周波数１０１で共振器を励振させたときに生じる共振器振動の振幅を示している。よって、図１の振幅‐周波数特性１００は、外部励振によって当該外部励振の励振周波数１０１に依存して共振器へ供給されるエネルギーを示している。

前記振幅‐周波数特性１００は、共振器の共振周波数１１０で最大振幅１４０を示す。励振周波数１０１が共振器の共振周波数１１０より高い場合、または低い場合、共振器内で引き起こされる振幅は低下する。たとえば、共振周波数１１０より低い低域側の周波数１２０で励振された共振器振動は、低下した振幅１５０を示す。共振周波数１１０より高い高域側の周波数１３０でも、共振器振動の振幅１５０は低下する。共振周波数１１０から逸れたときの振幅‐周波数特性１００の低下が急峻であるほど、共振器の品質は高い。低域側周波数１２０のときの振幅と高域側周波数１３０のときの振幅とは相違することも可能である。

低域側周波数１２０と共振周波数１１０との差は第１の周波数差１２５であり、高域側周波数１３０と共振周波数１１０との差は第２の周波数差１３５である。第１の周波数差１２５の符号と第２の周波数差１３５の符号とは異なる。有利には、第１の周波数差１２５の絶対値と第２の周波数差１３５の絶対値とはほぼ等しい。その際には共振周波数１１０は、低域側周波数１２０と高域側周波数１３０との間の中心に来る。

共振器を共振周波数１１０で励振すると、最大振幅１４０を示す共振器振動が生じる。このときに共振器へ供給されるエネルギーは最大となる。低域側周波数１２０または高域側周波数１３０で共振器を励振させると、低下した振幅１５０で共振器振動が生じる。したがって、このときに外部励振により共振器内へ供給されるエネルギーは少なくなる。よって、共振器を励振させる励振周波数１０１を変化させることにより、共振器へ供給されるエネルギーを変化させることができる。

図２は、共振器の外部励振と、共振器内にて生じる共振器振動との位相差２００をグラフで示す概略図である。ここでも、横軸に外部励振の励振周波数１０１を示しており、縦軸には、外部励振と共振器振動との間の位相差２０１を示している。

共振器を共振周波数１１０で励振させると、外部励振と共振器振動との間に共振位相差２１０が生じる。この共振位相差２１０はたとえば、励振と共振器振動との間の９０°の位相差である。共振周波数１１０から逸れると、励振と共振器振動との間の位相差２０１が変化する。たとえば、低域側周波数１２０で共振器を励振させると第１の位相差２２０が生じ、共振器を高域側周波数１３０で励振させると第２の位相差２３０が生じる。このことは通常望ましくない。望ましいのは、外部励振と共振器振動との間の位相差２０１が共振位相差２１０に維持されることである。

しかし図１および２に示された実施例では、低域側周波数１２０と高域側周波数１３０とは、第１の位相差２２０と共振位相差２１０とが第１の位相差変化分２２５だけ相違し、第２の位相差２３０と共振位相差２１０とが第２の位相差変化分２３５だけ相違するように選択されている。その際には、第１の位相差変化分２２５の符号と第２の位相差変化分２３５の符号とは異なるが、両位相差変化分の絶対値はほぼ等しい。

つまり、低域側周波数１２０および高域側周波数１３０は、低域側周波数１２０で励振させたときに生じる第１の位相差２２０と、高域側周波数１３０で励振させたときに生じる位相差２３０とが、共振位相差２１０を中心として可能な限り対称的になるように、すなわち、第１の位相差変化分２２５の絶対値と第２の位相差変化分２３５の絶対値とが可能な限り等しくなるように選択される。低域側周波数１２０で励振させたときと高域側周波数１３０で励振させたときとで、低下した振幅１５０が等しくなるか否かは、あまり重要ではない。低域側周波数１２０の場合に生じる振動振幅１０２が、高域側周波数１３０のときとは異なっても、問題は無い。

高い品質を有する共振器を用いる場合には、低域側周波数１２０と高域側周波数１３０とが共振周波数１１０を中心としてほぼ対称的に位置するとき、すなわち、前記第１の周波数差１２５と第２の周波数差１３５とがほぼ等しい絶対値を有するときに、上記要求は満たされる。有利には、前記第１の周波数差１２５の絶対値と前記第２の周波数差１３５の絶対値との差は、大きい方の絶対値の１０％未満である。特に有利なのは、第１の周波数差１２５の絶対値と第２の周波数差１３５の絶対値との差が、さらにより小さい割合であること、たとえば、大きい方の絶対値の５％または１％のみであることである。

共振器を低域側周波数１２０と高域側周波数１３０とで交互に励振すると、それにより生じる位相差変化分２２５，２３５が相殺される。低域側周波数１２０による励振期間と高域側周波数１３０による励振期間とが迅速に連続するほど、上述の相殺はより良好に機能する。このことはたとえば、励振周波数にジッタを制御により印加することによって実現することができる。

図３は、共振器の励振の振幅を変えることなく当該共振器のパワー制御を行うときの励振周波数推移３００を示す概略図である。図３のグラフの横軸上に時間３０１を示しており、同グラフの縦軸上には、共振器を励振させるときの励振周波数１０１を示す。

図４は、図３の励振周波数推移３００で共振器を励振する間に生じる共振器振動の振動振幅の振幅推移４００を示す概略的なグラフである。したがって、図４のグラフの横軸上にも時間３０１を示しており、同グラフの縦軸上には共振器振動の振動振幅１０２を示す。

第１の時点３１０と、時間的に当該第１の時点３１０の次の第２の時点３２０との間の第１の期間３１１中に、共振器を共振周波数１１０で励振する。これにより、第１の時点３１０と第２の時点３２０との間に、共振器における共振器振動の振幅が最大振幅１４０となる。

第２の時点３２０と第３の時点３３０との間では、共振器へ供給されるエネルギーを低減させる必要があり、こうするためには、第２の時点３２０と第３の時点３３０との間の時間を、第２の期間３２１と第３の期間３２２と第４の期間３２３と第５の期間３２４とに分ける。これら４つの期間３２１，３２２，３２３，３２４の各長さは、有利にはほぼ等しい。第２の期間３２１中および第４の期間３２３中において、共振器を高域側周波数１３０で励振し、第３の期間３２２中および第５の期間３２４中において、共振器を低域側周波数１２０で励振する。その結果、第２の時点３２０と第３の時点３３０との間に、共振器において、縮小した振幅１５０での共振器振動が生じる。したがって、第２の時点３２０と第３の時点３３０との間に共振器へ供給されるパワーは、第１の時点３１０と第２の時点３２０との間に供給されるパワーより小さくなる。第２の時点３２０と第３の時点３３０との間では常時、低域側周波数１２０と高域側周波数１３０とで交互に共振器を励振するので、このようにして生じる、励振と共振器振動との位相差変化分２２５，２３５は平均化される。このようにして、励振と共振器振動との位相差２０１は時間平均的に共振位相差２１０にとどまることになる。

図３および図４の概略図では、第２の時点３２０と第３の時点３３０との間では、２つの期間３２１，３２３でのみ共振器を高域側周波数１３０で励振し、２つの期間３２２，３２４では低域側周波数１２０で当該共振器を励振する。しかし有利には、第２の時点３２０と第３の時点３３０との間の期間は、励振周波数１０１が異なる、格段により多くの個別期間に分割する。すなわち、低域側周波数１２０と高域側周波数１３０とが入れ替わる頻度を格段に多くする。

第３の時点３３０と第４の時点３４０との間の第６の期間３３１中には再び、共振器を共振周波数１１０で励振する。このことにより、第３の時点３３０と第４の時点３４０との間の共振器振動は、再び最大振幅１４０となり、よって、第３の時点３３０と第４の時点３４０との間に共振器に供給されるパワーは再び最大となる。

第４の時点３４０と第５の時点３５０との間において、共振器へ供給されるパワーを、第２の時点３２０と第３の時点３３０との間で低減させたときよりも大きく低減する必要があり、こうするためには、第４の時点３４０と第５の時点３５０との間において、第２の低域側周波数１２１と第２の高域側周波数１３１とで交互に共振器を励振する。第２の低域側周波数１２１と共振周波数１１０との差は第３の周波数差１２６であり、第２の高域側周波数１３１と、共振器の共振周波数１１０との差は第４の周波数差１３６である。

第３の周波数差１２６の符号と第４の周波数差１３６の符号とは異なり、両周波数差１２６，１３６の絶対値はほぼ一致する。しかし、第３の周波数差１２６の絶対値は第１の周波数差１２５の絶対値より大きく、第４の周波数差１３６の絶対値は第２の周波数差１３５の絶対値より大きい。図１から、周波数差１２５，１３５より大きい周波数差１２６，１３６によって、第２の高域側周波数１３１および第２の低域側周波数１２１で励振したときに共振器へ供給されるパワーがさらに、低域側周波数１２０および高域側周波数１３０により共振器を励振する場合よりも低下しているのが明らかである。

図３および図４の概略図では、第４の時点３４０と第５の時点３５０との間の期間が、第７の期間３４１と第８の期間３４２と第９の期間３４３と第１０の期間３４４とに分かれているが、第４の時点３４０と第５の時点３５０との間の期間を、格段により多くの個別期間に分割することも可能である。第７の期間３４１中および第９の期間３４３中において、共振器を第２の高域側周波数１３１で励振し、第８の期間３４２中および第１０の期間３４４中において、共振器を第２の低域側周波数１２１で励振する。その結果、第４の時点３４０と第５の時点３５０との間では、別の第２の低減した振幅１５１での振動が共振器に生じる。この第２の低減した振幅１５１は最大振幅１４０より小さく、かつ、前記低減した振幅１５０よりも小さい。したがって、第４の時点３４０と第５の時点３５０との間に共振器へ供給されるパワーは、第１の時点３１０と第４の時点３４０との間のどの期間に供給されるパワーよりも低い。

第３の周波数差１２６と第４の周波数差１３６とはほぼ等しい絶対値を有することにより、つまり、第２の低域側周波数１２１と第２の高域側周波数１３１とは共振周波数１１０を中心としてほぼ対称的に位置することにより、第４の時点３４０と第５の時点３５０との間に第２の低域側周波数１２１および第２の高域側周波数１３１で共振器を励振することにより生じる、励振と共振器振動との位相差変化は、時間平均的に相殺される。

したがって、図１〜４を参照して説明した方法により、共振器のパワー制御を行うことが可能になる。これらの方法では、共振器を励振する励振振幅を変化させなくてもよく、その代わりに、共振器を励振する周波数を変化させる。共振器を共振周波数で変化させると、共振器へ供給されるパワーは最大となり、共振周波数と異なる周波数で共振器を励振すると、共振器へ供給されるパワーは低下するが、励振と共振器振動との位相差も変化する。しかし、共振周波数を中心としてほぼ対称的である２つの異なる周波数を迅速に入れ替えながら共振器を励振すると、それにより生じる位相差は平均化される。これら２つの励振周波数と共振器の共振周波数との間隔が大きくなるほど、共振器へ供給されるパワーの低下は大きくなる。共振器の品質が高いほど、上述の方法はより良好に機能する。励振周波数にジッタを重畳することにより、当該励振周波数を変化させることができる。

図５に、上述の方法を実施するのに適した共振システム５００の一例を概略的に示す。この共振システム５００はたとえば、荷電粒子を加速するための粒子加速器に設置される共振システムとすることができる。

共振システム５００は共振器５１０を含み、同図中の実施例では、共振器５１０はＲＦキャビティとして形成されている。図中の実施例では共振器５１０は、円筒形のいわゆるピルボックス共振器である。この円筒形の共振器５１０の周面は、金属製の共振器壁５２０により形成されている。

この共振器５１０内において電磁振動を励振させることができる。こうするためには、共振器壁５２０は周縁上のスリット５３０を有し、このスリット５３０内に電気絶縁性材料が設けられている。このスリット５３０を跨ぐように励振装置５４０が配置されている。励振装置５４０は有利には固体スイッチを有する。前記励振装置５４０を用いて、前記共振器壁５２０の、スリット５３０によって相互に区切られた区域間に高周波の電流を誘導させることができ、これにより共振器５１０において共振器振動が励振される。

励振装置５４０は、共振器５１０を上述の方法により励振するように構成されている。つまり励振装置５４０は、共振器５１０へ供給されるパワーを制御するために、共振器壁５２０のスリット５３０の両側に印加される電圧の周波数を変化させる。このとき、励振装置５４０の出力振幅は一定に保たれる。このことの利点は、固定的な増幅器チェーンを有するように励振装置５４０を構成することができ、この増幅器チェーンを可変としなくてもよいことである。こうすることによって有利には、励振装置５４０を簡単な構造とすることができる。このことによってさらに、高効率の励振装置５４０を実現できるという利点も奏される。

有利な実施例により本発明を詳細に説明および図示したが、本発明は、開示した実施例に限定されることはない。当業者であれば、本発明の保護範囲を逸脱することなく、他の変更態様を導き出すことも可能である。

Claims (13)

1. 共振周波数（１１０）を有する共振器（５１０）の励振方法であって、
   第１の期間（３２１，３２３，３４１，３４３）中に、前記共振周波数（１１０）から第１の周波数差（１３５，１３６）だけ偏差する第１の周波数（１３０，１３１）で、前記共振器（５１０）を励振し、
   第２の期間（３２２，３２４，３４２，３４４）中、前記共振周波数（１１０）から第２の周波数差（１２５，１２６）だけ偏差する第２の周波数（１２０，１２１）で前記共振器（５１０）を励振し、
   前記第１の周波数差（１３５，１３６）と前記第２の周波数差（１２５，１２６）とは異なる符号を有し、
   前記第１の周波数差（１３５，１３６）の絶対値と前記第２の周波数差（１２５，１２６）の絶対値との差は、大きい方の絶対値の１０％未満である
   ことを特徴とする励振方法。
2. 前記第１の期間（３２１，３２３，３４１，３４３）と前記第２の期間（３２２，３２４，３４２，３４４）とは繰り返し連続する、
   請求項１記載の励振方法。
3. 前記第１の期間（３２１，３２３，３４１，３４３）と前記第２の期間（３２２，３２４，３４２，３４４）とは等しい長さを有する、
   請求項１または２記載の励振方法。
4. 前記第１の期間（３２１，３２３，３４１，３４３）と前記第２の期間（３２２，３２４，３４２，３４４）とにおいて一定の励振振幅で前記共振器（５１０）を励振する、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の励振方法。
5. 別の期間（３１１，３３１）中に前記共振器（５１０）を前記共振周波数（１１０）で励振する、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の励振方法。
6. 前記第１の期間（３２１，３２３，３４１，３４３）中と、前記第２の期間（３２２，３２４，３４２，３４４）中と、前記別の期間（３１１，３３１）中とにおいて、一定の励振振幅で前記共振器（５１０）を励振する、
   請求項５記載の励振方法。
7. 前記共振器（５１０）の振動振幅（１０２）を低減させようとする場合、前記第１の周波数差（１３５，１３６）および前記第２の周波数差（１２５，１２６）を拡大する、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の励振方法。
8. 前記共振器（５１０）の振動振幅（１０２）を増大させようとする場合、前記第１の周波数差（１３５，１３６）および前記第２の周波数差（１２５，１２６）を縮小する、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の励振方法。
9. 共振器（５１０）と、
   前記共振器（５１０）の振動を励振するための励振装置（５４０）と
   を有する共振システム（５００）であって、
   前記励振装置（５４０）は、請求項１から８までのいずれか１項記載の励振方法を実施するように構成されている
   ことを特徴とする、共振システム（５００）。
10. 前記振動は電磁振動である、
    請求項９記載の共振システム（５００）。
11. 前記共振器（５１０）はＲＦキャビティである、
    請求項１０記載の共振システム（５００）。
12. 前記共振器（５１０）は、粒子加速器の共振器である、
    請求項９から１１までのいずれか１項記載の共振システム（５００）。
13. 前記励振装置（５４０）は固体スイッチを有する、
    請求項９から１２までのいずれか１項記載の共振システム（５００）。

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