JP2022073477A - High Frequency Accelerator Cavity and High Frequency Accelerator System - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、高周波加速空洞及び高周波加速器システムに関する。 Embodiments of the present invention relate to high frequency accelerating cavities and high frequency accelerator systems.
一般に、荷電粒子を加速するには、静電場による加速、若しくは高周波電場による加速が用いられる。 Generally, to accelerate charged particles, acceleration by an electrostatic field or acceleration by a high-frequency electric field is used.
高周波電場による加速は、粒子が通過し加速される部分は真空状態とする必要がある。また、高周波電力の共振空洞内での電力ロスを小さくすることが、電力効率の面と共振空洞の発熱の面から重要である。 Acceleration by a high-frequency electric field requires that the part where particles pass and are accelerated must be in a vacuum state. Further, it is important to reduce the power loss in the resonance cavity of the high frequency power from the viewpoint of power efficiency and heat generation of the resonance cavity.
高周波電場を用いたイオン加速器には、RFQ(Radio Frequency Quadrupole Linac:高周波4重極型線形加速器)、DTL(Drift Tube Linac:ドリフトチューブ線形加速器)などの高周波加速空洞が使用されている。 High-frequency acceleration cavities such as RFQ (Radio Frequency Quadrupole Linac) and DTL (Drift Tube Linac) are used as ion accelerators using high-frequency electric fields.
このRFQの製造方法の1つに高周波加速空洞の各部品を接続するに際して各部品間を真空シールするためにOリングを用いている例が記載されている。 As one of the manufacturing methods of this RFQ, an example in which an O-ring is used to vacuum-seal between the parts when connecting the parts of the high-frequency acceleration cavity is described.
上述した高周波加速空洞においては、Oリングで真空シールをするため、Oリングからのガスの漏洩や浸透により、到達真空度が低くなるという課題がある。また、Oリングはその材料によって短時間で劣化することもあり、長期間の使用が難しいという課題があった。 In the above-mentioned high-frequency acceleration cavity, since the vacuum is sealed by the O-ring, there is a problem that the ultimate vacuum degree is lowered due to the leakage or permeation of gas from the O-ring. Further, the O-ring may be deteriorated in a short time depending on the material, and there is a problem that it is difficult to use the O-ring for a long period of time.
上記実施形態に係る高周波加速空洞は、荷電粒子を加速させる高周波加速空洞において、前記荷電粒子の加速軸に平行な面で分割された前記高周波加速空洞の構成部材間の接触面には、真空封止部材であるメタルシールが配置されていることを特徴とする。 The high-frequency accelerating cavity according to the above embodiment is a high-frequency accelerating cavity for accelerating charged particles, and the contact surface between the constituent members of the high-frequency accelerating cavity divided by a plane parallel to the acceleration axis of the charged particles is vacuum-sealed. It is characterized in that a metal seal which is a stopping member is arranged.
また、上記実施形態に係る高周波加速器システムは、上記高周波加速空洞を半導体アンプを用いて励振させることを特徴とする。 Further, the high frequency accelerator system according to the above embodiment is characterized in that the high frequency accelerating cavity is excited by using a semiconductor amplifier.
本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、メタルシールのシール部からのガスの漏洩やガスの浸透を抑制し到達真空度を高く保つことができ長期間の安定運転を図ることのできる高周波加速空洞及び高周波加速器システムを得ることができる。 The embodiment of the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and can suppress gas leakage and gas permeation from the seal portion of the metal seal to maintain a high ultimate vacuum degree for a long period of time. It is possible to obtain a high-frequency acceleration cavity and a high-frequency accelerator system capable of stable operation.
(実施例1)
以下、本発明の実施形態に係る高周波加速空洞1について図1から図5を参照して説明する。なお、図面において同一部分には同一符号を付して適宜構成の説明を省略する。
(Example 1)
Hereinafter, the high
図1は、本実施の形態における高周波加速空洞1の斜視図である。高周波加速空洞1は、筒状に形成されている筒状部2を有している。高周波加速空洞1は、筒状部2から内部に向かって突出し、ベインと呼ばれる電極21~24が設けられている。それぞれの電極21~24は、筒状部2に電気的に接続されている。
FIG. 1 is a perspective view of the high
本実施の形態における高周波加速空洞1は、第1の電極21、第2の電極22、第3の電極23および第4の電極24を備えている。本実施の形態における4つの電極21~24は、筒状部2を構成する部材と一体的に形成されており、それぞれの電極21~24は、荷電粒子の加速軸の延びる方向100に沿って延びるように形成されている。
The high
この電極21~24は、断面三角形の三角柱状に形成されており、それぞれの電極21~24は、断面形状の三角形の頂点が荷電粒子の加速軸に向かうように形成されている。それぞれの電極21~24の加速軸に向かう先端部分は、加速軸の方向に荷電粒子を加速および集束する電場を形成するために、波形の端部が形成されている。電極21~24の形状は、この形態に限られず、筒状部2から突出し、電極21~24の先端が加速軸に近接する任意の形状を採用することができる。たとえば、電極は、板状に形成されていても良い。
The
この高周波加速空洞1は、高周波電力を供給するための電源装置を備えている。この電源装置は、図示しない前段増幅器および主増幅器に接続されている高周波発生器を有している。高周波発生器で生成された高周波の電力は、前段増幅器および主増幅器により増幅される。主増幅器から出力される高周波電力は、結合器を介して高周波加速空洞1に供給されている。電源装置としては、この形態に限られず、高周波加速空洞1に高周波電力を供給できる任意の装置を採用することができる。
The high
高周波加速空洞1は、筒状部2およびそれぞれの電極21~24の形状に依存した浮遊容量および浮遊インダクタンスを有する。これらの浮遊容量および浮遊インダクタンスは、電気回路の一部を構成している。高周波加速空洞1に高周波電力が供給されることにより加速電場が形成される。四重極型加速器に適したTE210モードまたはTE211モードの電磁場を励振した場合には、第1の電極21、第2の電極22、第3の電極23および第4の電極24のそれぞれの電圧(絶対値)は同じになり、また、互いに対向する第1の電極21および第2の電極22の電極対と、互いに対向する第3の電極23および第4の電極24の電極対とは、互いに逆の極性(プラスまたはマイナス)になる。加速軸は4つの電極21~24に挟まれる空間に配置される。荷電粒子は加速軸に沿って加速されながら移動する。
The high
図2は、図1におけるA-A線において高周波加速空洞1を切断したときの斜視図である。矢印100は、荷電粒子の加速軸の延びる方向である。本実施の形態における高周波加速空洞1は、加速軸の延びる方向100と平行に延びるように形成されている。
FIG. 2 is a perspective view when the high
図1および図2において、本実施の形態における高周波加速空洞1は荷電粒子の加速軸に平行な面で分割され、第1の電極21および第2の電極22を含む中央部材11、第3の電極23を含む第1の側方部材12、第4の電極24を含む第2の側方部材13の3つの構成部材を備えている。
In FIGS. 1 and 2, the high-
第1の側方部材12は、中央部材11の一方の側に配置されている。第2の側方部材13は、中央部材11の他方の側に配置されている。本実施の形態における中央部材11、第1の側方部材12、および第2の側方部材13のそれぞれは、一つの部材から一体的に形成されている。すなわち、中央部材11および側方部材12,13は、複数の部品の接合線や溶接線等を有さずに、一つの材質により形成されている。なお、真空用ポート等の付加的な部材が、中央部材11または側方部材12に予め配置されていても構わない。
The
中央部材11、第1の側方部材12および第2の側方部材13は、ボルト51およびナット52を用いた固定部材により締結され互いに固定されている。
The
中央部材11と第1の側方部材12との接触面および中央部材11と第2の側方部材13との接触面には、真空封止部材として後述する金属製のメタルシール55が配置されている。それぞれの構成部材の間に真空封止部材が配置されていることにより高周波加速空洞1は密閉されている。
A
図3に、本実施の形態における中央部材11の概略斜視図を示す。
FIG. 3 shows a schematic perspective view of the
中央部材11は、高周波加速空洞1の外枠部の中央部分を構成する中央外枠部11aを有する。中央外枠部11aは、平面視したときに環状に形成されている。中央部材11は、中央外枠部11aから内側に向かって突出する第1の電極21および第2の電極22を有している。この第1の電極21および第2の電極22は、先端部が加速軸に向かうように配置されている。
The
中央部材11の外側の表面のうち、加速軸の方向の端面には荷電粒子が入射する入射口61が形成されている。また、入射口61が形成されている端面と反対側の端面には、荷電粒子が出射する出射口62が形成されている。そして、入射口61および出射口62は、加速軸の延長線上に形成されている。
Of the outer surface of the
中央外枠部11aには、ボルト51を通すための貫通孔14が形成されている。貫通孔14は、中央外枠部11aの形状に沿って複数形成されている。中央外枠部11aの表面のうち、第1の側方部材12または第2の側方部材13に接触する接触面には、メタルシール55を配置するための凹部16が形成されている。凹部16は、平面視したときに、閉じた形状に形成されている。なお、真空封止部材であるメタルシール55を配置するための凹部16は、第1の側方部材12および第2の側方部材13に配置されていても構わないのは勿論である。
A through
そして、中央部材11は、それぞれの部材を組立てる組立工程において部材同士の位置を定めるための基準マーク31が形成されている。この基準マーク31は、例えば入射口61および出射口62が形成されている端面に直線状に形成されている。
The
図4に、本実施の形態における側方部材12の概略斜視図を示す。
FIG. 4 shows a schematic perspective view of the
第1の側方部材12は、高周波加速空洞1の外枠部の側方部分を構成する第1の側方外枠部12aを有する。第1の側方外枠部12aは、平面視したときに環状に形成されている。第1の側方部材12は、加速空洞の一部の形状を有する第1の壁部12bを有する。第1の壁部12bは、加速空洞1の筒状部2を構成する。第1の壁部12bは、第1の側方外枠部12aから外側に向かって延びるように形成されている。第1の壁部12bは、板状に形成され、第1の側方外枠部12aに結合されている。第1の側方部材12には、第1の壁部12bから内側に向かって突出する第3の電極23を有している。
The
第1の側方外枠部12aには、ボルト51を通すための貫通孔15が形成されている。第1の側方外枠部12aには、組立工程において組立て位置を定めるための位置合わせマーク32が形成されている。本実施の形態においては、第1の側方外枠部12aの端面のうち、加速軸の方向における両側の端面に位置合わせマーク32が形成されている。
A through
図4においては、2つの側方部材のうち第1の側方部材12を例に取り上げて説明しているが、第2の側方部材13についても第1の側方部材12と同様の構成を有する。第2の側方部材13は、環状の第2の側方外枠部13aを有しており、この第2の側方外枠部13aから外側に向かって延び、高周波加速空洞1の一部の形状を有する第2の壁部13bが形成されている。第2の側方部材13は、第2の壁部13bから内側に向かって突出する第4の電極24が設けられている。
In FIG. 4, the
そして本実施の形態における高周波加速空洞1は、中央外枠部11aと第1の側方外枠部12aおよび第2の側方外枠部13aがボルト51およびナット52により互いに固定され、メタルシール55によって密着して構成され、加速空洞1の外枠部が形成されている。
In the high
図5を用いてメタルシール55について説明する。なお図5(a)はメタルシール55の側断面図、図5(b)は図5(a)のB-B線において切断した概略断面図である。
The
図5において、メタルシール55は、金属スプリング56を内蔵して一体化させ、金属被膜57を有する断面C型形状のメタルシール材58を、図3に示す凹部16に合わせて加工したものを用いる構成としている。
In FIG. 5, as the
また、メタルシール材58は断面C型形状でなくても、金属スプリング56を内蔵し、金属被膜57で覆われた、または内外面の少なくとも一面が金属被膜57で形成された金属製のメタルシール55を用いた構成でもよい。さらにメタルシール55は、金属スプリング56なしでC型形状の金属被膜57だけにスプリング力を持たせた構成としてもよい。
Further, even if the
金属被膜57は外皮と内皮の二重構造とし、外皮は電気伝導性が良く柔らかい金属である銀、アルミ、インジウム、銅などの金属で形成しても良い。
The
さらに、メタルシール55として、電気伝導性が良くやわらかい金属である棒状の例えば丸棒状の銀、アルミ、インジウム、銅などを用いても良い。このようなメタルシール材を採用することにより、メタルシール55が金属であるため、高周波加速空洞1の構成部材間の電気的接触が確保でき、金属スプリング56を配置する必要がなくなる利点もある。
Further, as the
そして、メタルシール55全周にわたり均一な締め付け力がかかるよう、ボルト穴である貫通孔14の間隔pは、高周波加速空洞1の構成部材間の接触面であるフランジ接合面が全て圧縮を受ける設定となるため、ボルト呼び径をd、締め付ける板の厚さをtとすると式(1)のように設定される。
Then, in order to apply a uniform tightening force over the entire circumference of the
(数2)
p<1.52d+2t ・・・(1)
(Number 2)
p <1.52d + 2t ... (1)
貫通孔14の間隔pは式(1)の右辺で求められた値以下であれば締め付け力の均一度が上がるため、有効である。
If the interval p of the through
このように構成された本実施の形態において、メタルシール55を用いて真空シールを行った高周波加速空洞1においては、メタルシール55のシール部からのガスの漏洩やガスの浸透が抑制でき到達真空度を高く保つことが可能である。また、金属のシールであることから劣化がほとんどないため、長期間の安定運転が可能である。
In the present embodiment configured as described above, in the high-
本実施の形態によれば、真空シール材にメタルシールを採用したことにより、長期間に渡ってシール部からのガスの漏洩やガスの浸透がなくなり到達真空度を高く保つことが可能である。 According to the present embodiment, by adopting a metal seal as the vacuum sealing material, it is possible to prevent gas leakage and gas permeation from the sealing portion for a long period of time and maintain a high degree of ultimate vacuum.
(実施例2)
次に、実施例2について、図6を用いて説明する。図6は本実施の形態における線形加速器システムの概略ブロック図である。
(Example 2)
Next, Example 2 will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic block diagram of the linear accelerator system according to the present embodiment.
図6において、高周波加速器システム70は荷電粒子を発生させる粒子発生源であるイオン源71、実施例1で示された高周波加速空洞1を使用したRFQ73、2台のDTL74から構成されている。RFQ73、2台のDTL74は、それぞれRFQ高周波電源73aおよびDTL高周波電源74aである半導体アンプ(AMP)で高周波電力を供給して励振させる構成である。
In FIG. 6, the high-
半導体アンプを用いたRFQ73は、ガスの漏洩や浸透がなくなり到達真空度を高く保つことが可能である。また、メタルシール55の劣化がないため、長期間の安定運転が可能である。さらに、半導体アンプであるRFQ高周波電源73aおよびDTL高周波電源74aを用いて励振させることで、従来の定期的な真空管の交換が不要になり、メンテナンス性を向上させることができる。
The RFQ73 using a semiconductor amplifier can maintain a high degree of ultimate vacuum without gas leakage or permeation. Further, since the
このように構成された本実施の形態における高周波加速器システムおいては、長期間の安定運転が可能であり、かつメンテナンス性を向上させることができる。 In the high-frequency accelerator system according to the present embodiment configured as described above, stable operation for a long period of time is possible and maintainability can be improved.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention.
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。 These embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the gist of the invention.
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 These embodiments and variations thereof are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof, as are included in the scope and gist of the invention.
1…高周波加速空洞、2…筒状部、11…中央部材、11a…中央外枠部、12…第1の側方部材、12a…第1の側方外枠部、12b…第1の壁部、13…第2の側方部材、13a…第2の側方外枠部、13b…第2の壁部、14…貫通孔、16…凹部、21…第1の電極、22…第2の電極、23…第3の電極、24…第4の電極、31…基準マーク、32…位置合わせマーク、51…ボルト、52…ナット、55…メタルシール、56…金属スプリング、57…金属被膜、58…メタルシール材、61…入射口、62…出射口、70…高周波加速器システム、71…イオン源、73…RFQ(高周波4重極型線形加速器)、73a…RFQ高周波電源、74…DTL(ドリフトチューブ線形加速器)、74a…DTL高周波電源、75…ビームライン、100…荷電粒子の加速軸の延びる方向。 1 ... High frequency accelerator cavity, 2 ... Cylindrical part, 11 ... Central member, 11a ... Central outer frame part, 12 ... First side member, 12a ... First side outer frame part, 12b ... First wall Part, 13 ... second side member, 13a ... second side outer frame part, 13b ... second wall part, 14 ... through hole, 16 ... recess, 21 ... first electrode, 22 ... second Electrode, 23 ... 3rd electrode, 24 ... 4th electrode, 31 ... Reference mark, 32 ... Alignment mark, 51 ... Bolt, 52 ... Nut, 55 ... Metal seal, 56 ... Metal spring, 57 ... Metal coating , 58 ... Metal sealant, 61 ... Incident port, 62 ... Exit port, 70 ... High frequency accelerator system, 71 ... Ion source, 73 ... RFQ (high frequency quadrupole linear accelerator), 73a ... RFQ high frequency power supply, 74 ... DTL (Drift tube linear accelerator), 74a ... DTL high frequency power supply, 75 ... beamline, 100 ... direction in which the acceleration axis of charged particles extends.
Claims (8)
前記荷電粒子の加速軸に平行な面で分割された前記高周波加速空洞の構成部材間の接触面には、真空封止部材であるメタルシールが配置されていることを特徴とする高周波加速空洞。 In a high frequency accelerating cavity that accelerates charged particles
A high-frequency acceleration cavity characterized in that a metal seal, which is a vacuum-sealing member, is arranged on a contact surface between constituent members of the high-frequency acceleration cavity divided by a plane parallel to the acceleration axis of the charged particles.
(数1)
p<1.52d+2t ・・・(1) The high-frequency acceleration cavity according to claim 5, wherein the interval p of the through holes through which the bolt penetrates is set by the equation (1), where d is the nominal diameter of the bolt and t is the thickness of the plate to be tightened.
(Number 1)
p <1.52d + 2t ... (1)
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