JP2529924B2 - 高周波粒子加速装置 - Google Patents

高周波粒子加速装置

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JP2529924B2 JP5077872A JP7787293A JP2529924B2 JP 2529924 B2 JP2529924 B2 JP 2529924B2 JP 5077872 A JP5077872 A JP 5077872A JP 7787293 A JP7787293 A JP 7787293A JP 2529924 B2 JP2529924 B2 JP 2529924B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、VHF帯およびUHF
帯等の高周波粒子加速装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、放射線プロセッシングに用いられ
ている低、中エネルギーの電子加速器(5MeV以下)
はすべて直流加速器である。
【0003】従来より研究用に利用されてきた高周波線
形粒子(電子またはイオン)加速装置では、直流電圧で
引き出された荷電粒子を粒子加速空胴の最適の高周波加
速位相に合わせるため、高周波加速器と入射器との間に
バンチャー(粒子をバンチングする部所)を設置するよ
うにしていた。
【0004】このような従来の高周波粒子加速装置にあ
っては、図5に示すように、入射器30からの電子又は
イオンをバンチャー31のバンチャー空胴及び高周波加
速器32の高周波加速空胴を順次通過させて加速を行う
構成が採られている。この場合には、バンチャー31及
び高周波加速器32への高周波電力の供給は次のように
行うようにしている。すなわち、高周波信号発生器33
の出力を高周波位相調整器34a,34bにてそれぞれ
位相を調整してから高周波増幅器(高周波振幅調整器)
35a,35bにてそれぞれ電力増幅し、この増幅され
た高周波電力をバンチャー31及び高周波加速器32に
それぞれ供給するようにしている。なお、これとは別
に、高周波加速器32の高周波加速空胴よりピックアッ
プした高周波信号をバンチャー31へ供給するように構
成する場合もある。
【0005】図6は上述の如き構成の高周波粒子加速装
置において加速粒子が時間的にどのような運動をするか
を示したものであり、同図において、横軸は時間(高周
波電圧位相角度)、縦軸は粒子の位置である。
【0006】各時間にバンチャー31を通過する電子
(またはイオン)はこのバンチャー31で速度を変えら
れ、その後に一定速度で運動するので、時間が経つとと
もに図6において直線で示されるように運動する。バン
チャー31の入口では電子が等間隔であるが、バンチャ
ー31の入力電界に相応して速度が変化する。そのた
め、電子線が高周波加速空胴の入口に向けて走っていく
と、図6に示すように電子線に疎密が生じる。しかし
て、多くの電子線が高周波加速器32内の加速ギャップ
の位置で高周波加速位相と同期するようにバンチャー電
圧と位相とが調整される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述の如き従来の高周
波粒子加速装置は、この種の装置についての知識を充分
に持っている者にとっては非常に便利で極めて有用な装
置であるが、その知識があまり無い者が例えば産業用加
速器として利用する場合には操作が複雑であり、適切に
利用するのは困難である。
【0008】しかも、従来の高周波粒子加速装置には高
周波位相調整器34a,34bおよび高周波増幅器(高
周波振幅調整器)35a,35bが必要となり、装置と
して複雑になる。
【0009】さらに、バンチャー31が高いQ値を持つ
高周波加速空胴の場合には、バンチャー31の共振周波
数、高周波位相、および高周波電圧の自動調整が必要と
なる。
【0010】本発明は、このような実状に鑑みてなされ
たものであって、その目的は、既述の高周波位相調整器
および高周波増幅器の如き回路を必要とせず極めて簡単
な構成でありながら、高周波電力を粒子加速空胴に供給
するのに応じてバンチャーにも加速空胴電圧位相と常に
同位相の高周波電力を自動的に供給することができ、従
って操作を非常に容易に行うことができるような高周波
粒子加速装置を提供することにある。
【0011】上述の目的を達成するために、本発明で
は、TMモードまたはTEMモードの粒子加速空胴の内
部に、粒子線を高周波加速位相に同調させるためのバン
チャー空胴を配設すると共に、前記粒子加速空胴とバン
チャー空胴とを仕切る導体壁を、前記粒子加速空胴を形
成する外導体の一部分に対向配置することによりこれら
の間に容量結合部を設け、前記粒子加速空胴の高周波電
力が供給されるのに応じて前記容量結合部から容量分割
にて得られる高周波電力をバンチャー空胴励振用の高周
波電力としてバンチ用ギャップに供給することによっ
て、前記粒子加速空胴の加速ギャップに発生する高周波
電圧と同位相の高周波電圧を前記バンチ用ギャップに発
生させるように構成している。
【0012】
【作用】粒子加速空胴に高周波電力を供給するのに応じ
て、この高周波電力は粒子加速空胴より容量分割にてバ
ンチ用ギャップにも自動的に供給されるため、そのバン
チ用ギャップに印加される高周波電圧の位相は粒子加速
空胴電圧の位相と常に同一(同位相)となる。
【0013】
【実施例】以下、本発明の実施例について図1〜図4を
参照して説明する。
【0014】図1は本発明に係る高周波粒子加速装置1
の構造を示すものであって、同図において、2は外導
体、3はこの外導体2の内部に配設された内導体であ
る。上述の外導体2は、粒子加速空胴4を構成する本体
部2aと、この本体部2aに対してほぼ直角状に突出成
形された突設部2bとから成り、突設部2bには粒子線
の入口孔5が設けられ、本体部2aにはこの入口孔5に
対応する出口孔6が設けられている。
【0015】また、内導体3は、粒子線が入射される開
孔7を有する筒状のステム部8を備えており、このステ
ム部8の一端(前記開孔7とは反対側)には、前記ステ
ム部8の軸線と直交する平面上において放射方向に沿っ
て外側に延びる導体壁9が一体成形されている。
【0016】そして、内導体3のステム部8が外導体2
の突設部2b内に同軸上に収納配置され、前記入口孔
5、開孔7及び出口孔6が直列に配置されている。さら
に、内導体3の導体壁9が外導体2の本体部2aの一部
分、すなわち、外導体2の突設部2bに連設された本体
部2aの付け根部分10に対して僅かな間隔を隔ててほ
ぼ平行に対向配置され、これにより、前記外導体2と導
体壁9とで結合容量部11(結合容量C)が構成されて
いる。
【0017】かくして、外導体2及び内導体3にてバン
チャー12が構成されると共に、外導体2内の空胴は前
記導体壁9により本体部2aの側の粒子加速空胴4と突
設部2bの側のバンチャー空胴13とに仕切られてい
る。そして、内導体3のステム部8の先端と外導体2の
突設部2bとの間にバンチ用ギャップ14が形成されて
いる。
【0018】なお、本例の場合、粒子加速空胴4の形は
どのようなものであっても良いが、高周波励振モードは
TMモードか、またはTEMモードである。
【0019】このような構成の高周波粒子加速装置1に
あっては、粒子加速空胴4内に例えばTM010の高周
波電場が発生している場合、その電気力線は図1におい
て点線で示すようになり、その高周波電流は粒子加速空
胴4の内壁面を実線の矢印Aで示す方向に沿って流れ
る。
【0020】一方、既述の如く内導体3の導体壁9と外
導体2とは容量的に結合されて結合容量部11を構成し
ているため、この際に流れる高周波電流IC と結合容量
部11の静電容量Cとの作用によりバンチャー空胴13
のバンチ用ギャップ14に高周波電圧(バンチ電圧)V
b を発生する。
【0021】なお、この際に発生する高周波電圧Vb
次式で与えられる。
【0022】
【数1】
【0023】このことを集中定数回路(集中定数による
等価回路)で示すと、結合容量部11の結合容量C、粒
子加速空胴4内の加速ギャップ15の容量C0 および外
導体2のインダクタンスLは図2に示す如き関係にな
る。すなわち、結合容量部11の結合容量Cは、加速ギ
ャップ15の容量C0 に対して直列に接続され、バンチ
ャー12を励振する高周波電力は粒子加速空胴4より容
量分割で供給されることとなる。また、図2の回路から
明かなように、本例の高周波粒子加速装置1では、バン
チ電圧Vb は結合容量Cを変えることにより任意に設定
されるが、バンチ電圧Vb の位相は粒子加速空胴4の電
圧の位相と常に同じ(同位相)となる。
【0024】この場合、バンチャー空胴13は単なる電
圧発生のための空間であり、このバンチャー空胴13自
身が共振しているわけではない。すなわち、このバンチ
ャー空胴13は粒子加速空胴4の共振回路の一部を構成
しているのである。また、ステム部8の内部空間は電界
の無い部分である。
【0025】かくして、粒子線は前記バンチ用ギャップ
14において前記電圧Vb にてバンチされ、その後に加
速ギャップ15において加速される。
【0026】また、図3は本発明の第2実施例を示すも
のであって、本例の高周波粒子加速装置16は、外導体
17内の粒子加速空胴18に1/4波長同軸共振器を対
向配置して成るシングルギャップ式のリエントラント型
のものである。なお、図3において符号Fは電力フィー
ダーを示すものであり、本例の高周波のモードはTEM
プッシュプルモードである。
【0027】上述の1/4波長同軸共振器は二つの内導
体(ステム)19,20にてそれぞれ構成されており、
入射側の内導体19内にバンチャー空胴13を設けると
共にその内部に電子源21が配置されている。そして、
電子引き出し電源Eから内導体19に供給される直流加
速電圧によって前記電子源21から電子が引き出され、
引き出された電子は内導体19内のバンチ用ギャップ2
2においてバンチされて、二つの内導体19,20間の
加速ギャップ23において加速されるように構成されて
いる。
【0028】さらに、入射側の内導体19の付け根部分
に形成された導体壁24が外導体17に対して僅かの隙
間を隔ててほぼ平行状に対向配置されており、これらの
間に結合容量Cを有する結合容量部25が設けられてい
る。
【0029】この場合には、高周波電界は前記結合容量
部25の結合容量Cを通じて粒子加速空胴26より容量
分割でバンチ用ギャップ22に供給される。かくして、
電子源21から引き出された電子線はバンチ用ギャップ
22にてバンチングされて加速ギャップ23で加速され
る。
【0030】本例においては、直流加速電圧と高周波電
圧は同一のギャップに供給されているため、先に述べた
実施例の原理と動作が若干異なるが、粒子加速空胴26
に高周波電圧が供給されるのに応じて加速空胴電圧位相
と常に同相のバンチ電圧にて電子線をバンチすることが
できる。
【0031】なお、高周波粒子加速装置16の具体的な
寸法および形状の例を挙げると、次の通りである。すな
わち、外導体17は内直径が50cmで長さが63cm
の円筒、バンチ用ギャップ22の間隔は3mm、入射側
の内導体19内の電界の無い空間B(図3参照)は15
mm、加速電圧のしみこむ領域は15mm、加速ギャッ
プ23の間隔は50mmである。この場合、電子引き出
し直流電圧2KV及び高周波電圧1.75KVをバンチ
用ギャップ22に供給した場合、計算によれば高周波位
相が100度〜20度の間にバンチ用ギャップ22を通
過した電子は、70度〜100度の位相内で加速ギャッ
プ23に到達することが判明した。
【0032】これは、バンチャーを通過した電子のうち
の約1/3にあたる。また、これらの電子の加速ギャッ
プ23通過後のエネルギーの広がりは、±5%以内であ
る。
【0033】図4は上述の高周波粒子加速装置16にて
加速された電子線のエネルギー分布を示すものである。
なお、電子のエネルギーは、加速された電子線を磁場で
90度曲げた時の磁場の強度と電子線の軌道半径より求
めた。この図4から明かなように、高周波電圧および電
子引き出し直流電圧が適切でなくても、電子線のエネル
ギーの広がりが非常に小さいことがわかる。
【0034】なお、バンチャー12と加速ギャップ23
との間隔を25cmくらいにとれば、全電子の50%以
上の電子を±5%程度以内の加速エネルギーの広がりで
加速できることが計算にて求められている。
【0035】
【発明の効果】以上の如く、本発明は、バンチャー空胴
を粒子加速空胴の内部に組込んで一体型としかつこれら
両者を高周波的に容量結合し、バンチャー空胴を励磁す
る高周波電力を粒子加速空胴より容量分割で供給するよ
うにしたものであるから、高周波電力を粒子加速空胴に
供給すればバンチャー空胴にも粒子加速空胴の加速キャ
ップに発生する高周波電圧と同位相の高周波電力が自動
的に発生されることとなるため、従来用いていたような
高周波位相調整器や高周波振幅調整器が不要となって面
倒な調整操作をする必要がなくなる。従って、構成が極
めて簡素で小型のものでありながら高性能を有し、しか
も操作が非常に簡単であるような高周波粒子加速装置を
提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る高周波粒子加速装置の断面図であ
る。
【図2】上述の高周波粒子加速装置の集中定数による等
価回路を示す回路図である。
【図3】本発明の第2実施例を示す高周波粒子加速装置
の断面図である。
【図4】図3の高周波粒子加速装置を用いた場合の加速
粒子のエネルギー分布測定結果の一例を示すグラフであ
る。
【図5】従来の高周波粒子加速装置の構成を示すブロッ
ク図である。
【図6】バンチャー通過後の粒子の運動を説明するため
の説明図である。
【符号の説明】
1 高周波粒子加速装置 2 外導体 3 内導体 4 粒子加速空胴 9 導体壁 11 結合容量部 12 バンチャー 13 バンチャー空胴 14 バンチ用ギャップ 15 加速ギャップ 16 高周波粒子加速装置 17 外導体 18 粒子加速空胴 19,20 内導体(ステム) 22 バンチ用ギャップ 23 加速ギャップ 24 導体壁 25 結合容量部 C0 加速ギャップの容量 C バンチャー加速空胴の容量

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 TMモードまたはTEMモードの粒子加
    速空胴の内部に、粒子線を高周波加速位相に同調させる
    ためのバンチャー空胴を配設すると共に、前記粒子加速
    空胴とバンチャー空胴とを仕切る導体壁を、前記粒子加
    速空胴を形成する外導体の一部分に対向配置することに
    よりこれらの間に容量結合部を設け、前記粒子加速空胴
    の高周波電力が供給されるのに応じて前記容量結合部か
    ら容量分割にて得られる高周波電力をバンチャー空胴励
    振用の高周波電力としてバンチ用ギャップに供給するこ
    とによって、前記粒子加速空胴の加速ギャップに発生す
    る高周波電圧と同位相の高周波電圧を前記バンチ用ギャ
    ップに発生させるように構成したことを特徴とする高周
    波粒子加速装置。
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