JP3098856B2

JP3098856B2 - エネルギ可変型４ヴェイン型高周波４極空洞およびエネルギ可変型分割同軸型高周波４極空洞

Info

Publication number: JP3098856B2
Application number: JP04138407A
Authority: JP
Inventors: 哲也中西
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-08-02
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 2000-10-16
Anticipated expiration: 2015-10-16
Also published as: JPH05159899A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、イオン注入器等に利
用され、例えば低エネルギの荷電ビームを効率よく加速
する４ヴェイン型高周波４極空洞、分割同軸型高周波４
極空洞等のエネルギ可変型高周波４極空洞に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】図１２および図１３はそれぞれ例えば加
速器科学（Proceedings Of The 5th Symposium Acceler
ator Science And Technology,p.89-91,Septmber 26-2
8,1984)に記載された従来の４ヴェイン型高周波４極空
洞を示す縦断面図および一部破断側面図である。

【０００３】図において、１は共振空洞である円筒空
洞、２は先端部が長さ方向に波打つ形状のヴェインであ
り、このヴェイン２は先端部が対向するとともに互いに
直交するように円筒空洞１の内壁面に４枚配設され、円
筒空洞１内を仕切って４つのチェンバ３を形成してい
る。４は円筒空洞１に取り付けられ、円筒空洞１内に高
周波電力を供給するループカプラ、５はチェンバ３のそ
れぞれに臨むように円筒空洞１内壁に取り付けられ、円
筒の金属ブロックで作製されたサイドチューナ、６はこ
のサイドチューナ６の駆動装置である。

【０００４】ここで、円筒空洞１にヴェイン２を取り付
けたものを加速空洞といい、それらは全て導電体で構成
されている。

【０００５】つぎに、上記従来の４ヴェイン型高周波４
極空洞（以下、４ヴェイン型ＲＦＱという）の動作につ
いて説明する。対向する一対のヴェイン２に同符号の交
流電圧を与え、他の一対のヴェイン２に逆符号の交流電
圧を与えると、荷電ビームの通過する４枚のヴェイン２
に囲まれたアパーチャ内には四極電場が発生する。荷電
ビームは、この四極電場により集束力を受けるととも
に、ヴェイン２の先端部の波打ち形状によって荷電ビー
ムの進行方向に発生する電界により、加速を受ける。

【０００６】ヴェイン２の先端部の波打ち周期は、交流
電圧の波長とビーム速度との積に比例した値とする必要
があり、ビームが加速されるにともないその周期が長く
なるように作製される。したがって、一旦ヴェイン２が
加工されてしまうと、交流電圧の周波数により、取り出
しビームの速度が決定されることになる。つまり、任意
の荷電粒子に対して取り出しエネルギを変えるために
は、交流電圧の周波数を変える以外に方法はない。

【０００７】加速空洞への高周波電力の供給は、ループ
カプラ４を通して行われる。ループカプラ４で発生した
磁場は、ヴェイン２で仕切られたチェンバ３内を加速空
洞の長さ方向に進み、加速空洞端部の空間を通って両隣
のチェンバ３に向かい、リターンする。この時、ヴェイ
ン２の先端のギャップには、強い磁場が発生し、対向す
るヴェイン２の先端にも電荷が誘起されるため同時に電
場も発生する。結果として、ヴェイン２間に前述の交流
電圧が発生する。

【０００８】高周波が効率よく加速空洞に供給されるた
めには、高周波の周波数が加速空洞の共振周波数に一致
する必要がある。共振周波数は、一般の電気回路では並
列に接続されたキャパシタンスＣとインダクタンスＬと
の積により決まり、２πｆ_r＝（ＬＣ）^-1/2で与えられ
る。

【０００９】この加速空洞では、等価的にチェンバ３の
断面積に比例するＬとヴェイン２間のＣとが並列に接続
されていると見なされる。したがって、高周波の周波数
が決まっている場合、空洞共振器の周波数が等しくなる
ようにヴェイン２間のギャップ長、チェンバ３の断面積
を決めなければならない。一般に、ヴェイン２間のギャ
ップはできるだけ低い電圧で高電場を発生できるように
決められるために、それにより決まるＣから、必要な共
振周波数が得られるようにチェンバ３の断面積を決めて
いる。

【００１０】サイドチューナ５は、駆動装置６によりチ
ェンバ３内に出し入れされることにより、チェンバ３内
の空間容積を変え、Ｌを変えることになる。つまり、共
振周波数を変えることができ、共振周波数の調整と電磁
場分布の調整に用いられる。先の説明では、長さ方向に
断面が一定でない場合、チェンバ３の空間容積として考
えねばならない。このような調整方法では、共振周波数
の変化幅は最大約１％であり、加速空洞の製作誤差等に
より変化した共振周波数を設計値に合わす程度の調整幅
である。

【００１１】図１４は例えば１９８９年加速器科学に発
表された従来の分割同軸型高周波４極空洞の構造を簡略
化した横断面図、図１５は図１４のXVーXV線に沿った断
面図、図１６は図１４のXVIーXVI線に沿った断面図であ
り、図において７は先端部が長さ方向に波打つ形状の電
極である。円筒空洞１内には、一対の電極７が、円筒空
洞１の一方の内端面に一端が電気的に接続され、円筒空
洞１の軸心を挟んで対向して軸心方向に延設され、さら
にステム８ｂにより円筒空洞１の内周壁面に短絡支持さ
れ、他の一対の電極７が、円筒空洞１の他方の内端面に
一端が電気的に接続され、円筒空洞１の軸心を挟んで対
向して上記一対の電極に直交するように軸心方向に延設
され、さらにステム８ａにより円筒空洞１の内周壁面に
短絡支持されている。したがって、この円筒空洞１は、
ステム８ａ、８ｂによって３つの空洞に仕切られ、３台
の分割同軸型空洞を３台つなぎ合わせた構造と等価とな
る。

【００１２】ここで、円筒空洞１に電極７を取り付けた
ものを加速空洞といい、それらは全て導電体で構成され
ている。

【００１３】つぎに、上記従来の分割同軸型高周波４極
空洞（以下分割同軸型ＲＦＱという）の動作について説
明する。対向する一対の電極７に同符号の交流電圧を与
え、他の一対の電極７に逆符号の交流電圧を与えると、
ビームの通過する４電極７に囲まれたアパーチャ内には
四極電界が発生する。四極電場によりビームは集束力を
受けが、電極７の先端部の波打ち形状によりビーム進行
方向にも電界が発生するため、その成分により加速も受
ける。

【００１４】電極７の先端部の波打ち周期は、交流電圧
の波長とビーム速度との積に比例した値とする必要があ
り、ビームが加速されるにともないその周期が長くなる
ように作製される。したがって、一旦電極７が加工され
てしまうと、交流電圧の周波数により、ビームの速度が
決定されることになる。つまり、取り出しビームのエネ
ルギは決まる。

【００１５】電極７への交流電圧の与え方は、加速空洞
内に高周波電力を供給し、定在波を立たせる（共振状
態）方式を用いる。この方式は効率よく電力を供給でき
る。以下に、分割同軸型空洞ではなぜ上記のような電圧
が４電極７に発生するのか、どのように電磁界が発生し
ているのかを説明する。

【００１６】図１７の（ａ）、（ｂ）は荷電粒子を加速
するために一般に用いられているリエントラント型空洞
を示しており、外導体２１は円筒空洞１と等価であり、
内導体２２は電極７と等価である。本空洞は、円筒空洞
状の外導体２１内に配設された内導体２２を中心で切り
離すことにより、その間隙に電界を集中発生させ、その
電界で粒子を加速するものである。電界、磁界の分布、
表面電流のパスを図中に示す。切り離された内導体２２
間の電位差は内導体２２の円筒断面にわたって一様であ
る。

【００１７】図１８の（ａ）、（ｂ）は上記リエントラ
ン型空洞の変形例を示している。本空洞では、内導体２
２の切り離し形状を変えて強い電界のできる領域を広げ
たものであって、その電磁界分布、電流パスは上記リエ
ントラン型空洞と同じであり、内導体２２間の電位差も
一定となる。

【００１８】図１９は内導体２２をさらに１組増やした
構造であり、この空洞を３台つなぎ合わせた空洞構造の
図１４に電磁界、電流パスを示すように、２組に切り離
された内導体２２は４つの電極７と等価になり、それら
の電極７間の電圧は先に説明した四極電界を発生させる
に必要な電圧となり、さらにビーム進行方向に一定とな
る。

【００１９】このように、図１４に示した上記従来の分
割同軸型ＲＦＱは、図１９に示した分割同軸型空洞を３
台つなぎ合わせた構造と等価である。ここで、つなぎ合
わせ面を図１５および図１６に示す構造としているの
は、空洞内を真空に引くときに真空ポンプ１台でよいこ
と、１箇所から高周波電力を供給する場合、空洞内全体
に高周波が伝わり易いこと等のためである。また、つな
ぎ面をなくしても電極７間の電圧分布は上記構造と同じ
電圧分布が得られるが、電極７が一方でしか支えられて
いないために、長くなると機械的に不安定となり実用的
でなくなる。そこで、一般的には電極を安定に固定する
ために、図２０の（ａ）、（ｂ）に示すように、電極７
に補強板９を取り付けている。

【００２０】このような加速空洞に高周波電力が効率よ
く供給されるためには、高周波の周波数が加速空洞の共
振周波数に一致しなければならない。共振周波数は一般
の電気回路では並列に接続されたキャパシタンスＣとイ
ンダクタンスＬとの積により決まり、２πｆ_r＝（Ｌ
Ｃ）^-1/2で与えられる。

【００２１】この加速空洞では、Ｃとして電極７間キャ
パシタンスＣ_VVと、電極７とステム８との間のキャパシ
タンスＣ_VSとの和として与えられる。また、Ｌとしては
電極７を取り巻くようにできる磁界から得られるＬ_Tと
ステム８と取り巻くようにできる磁界から得られるＬ_S
とから次式のように与えられる。Ｌ＝（Ｌ_T／３）・（Ｌ_T＋３Ｌ_S）／｛Ｌ_T＋（Ｌ_S／３）｝Ｌ_T＝（μ₀／２π）・ｌ_m・ln(ｒ_C／ｒ_E）

【００２２】ここで、ｌ_mはステム８で仕切られた区間
の長さ、ｒ_Cは円筒空洞１の内半径、ｒ_Eは電極７の実効
的半径である。したがって、高周波の周波数が決まって
いる場合、加速空洞の周波数が等しくなるように電極７
間ギャップ長、円筒空洞１の断面積を決めなけらばなら
ない。一般には、電極間ギャップはできるだけ低い電圧
で高電界を発生できるように決められるため、それによ
り決まるＣから必要な共振周波数が得られるようにチャ
ンバの断面積が決められる。

【００２３】しかし、実際に作製する場合、作製誤差が
必ず生じるため共振周波数は僅かにずれる。それを補正
するために一般的には、図１２に示した従来の４ヴェイ
ン型ＲＦＱと同様に金属ブロックでできたサイドチュー
ナ５を取り付け、それを出し入れすることにより等価的
にＬ_Tを変え共振周波数を微調することになる。このよ
うな調整方法では、共振周波数の変化幅は最大約１％で
ある。

【００２４】このように、上記従来の４ヴェイン型ＲＦ
Ｑおよび分割同軸型ＲＦＱでは、取り出すビームの速
度、つまりエネルギを大幅に変えることができず、エネ
ルギ可変である必要のない原子核実験等に用いられる高
エネルギ加速器の初段部に用いられる。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】従来の４ヴェイン型Ｒ
ＦＱおよび分割同軸型ＲＦＱは以上のように構成されて
いるので、取り出すビームの速度、つまりエネルギを大
幅に変えることができず、同じ荷電粒子に対してエネル
ギを大幅に変えることが要求されるイオン注入器等に本
装置を適用できないという課題があった。

【００２６】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたもので、取り出しビームのエネルギを任
意に変えることができるエネルギ可変型４ヴェイン型Ｒ
ＦＱおよびエネルギ可変型分割同軸型ＲＦＱを得ること
を目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】この発明の第１の発明に
係るエネルギ可変型４ヴェイン型ＲＦＱは、ヴェインで
仕切られた４つのチェンバ内のそれぞれに、チェンバの
電気的断面積をチェンバの長さ方向で均一に変化させる
断面積可変手段を設けるものである。

【００２８】また、この発明の第２の発明に係るエネル
ギ可変型分割同軸型ＲＦＱは、共振空洞を電気的に仕切
る仕切り板を設けるとともに、仕切り板により仕切られ
た共振空洞の各空洞のそれぞれに独立に高周波電力を供
給する高周波電力供給手段を設けるものである。

【００２９】また、この発明の第３の発明に係るエネル
ギ可変型分割同軸型ＲＦＱは、電極と共振空洞の内周壁
面とを短絡する短絡板を共振空洞の軸心方向に移動可能
に配設するものである。

【００３０】また、この発明の第４の発明に係るエネル
ギ可変型分割同軸型ＲＦＱは、電極と共振空洞の内周壁
面とを短絡する短絡板を共振空洞の軸心方向に移動可能
に配設するとともに、共振空洞の出口側に四極電磁石を
配設するものである。

【００３１】さらに、この発明の第５の発明に係るエネ
ルギ可変型４ヴェイン型ＲＦＱは、共振空洞を電気的に
仕切る仕切り板を設けるとともに、仕切り板により仕切
られた共振空洞の各空洞のそれぞれに独立に高周波電力
を供給する高周波電力供給手段を設けるものである。

【００３２】

【作用】この発明の第１の発明においては、各チェンバ
内のそれぞれに設けられた断面積可変手段が、チェンバ
の長さ方向で均一に各チェンバの電気的断面積を変化さ
せ、つまり共振器のインダクタンスを変化させ、共振周
波数を変化させるように働き、取り出しビームのエネル
ギを変えることができる。

【００３３】また、この発明の第２の発明においては、
共振空洞を電気的に仕切る仕切り板が、仕切られた空洞
間を高周波的に切り離し、電極電圧を各空洞で独立に制
御できるようにさせ、高周波電力供給手段により下流側
の空洞に供給する高周波電力を調整して、位相振動の安
定領域から外して運転させ、取り出しビームのエネルギ
を変えることができる。

【００３４】また、この発明の第３の発明においては、
短絡板が電極と共振空洞の内周壁面とを短絡することに
より、高周波を短絡板から下流側の領域に存在しないよ
うにし、その領域の電極間には電界が発生せず荷電粒子
は加速されない。したがって、短絡板の位置を変えるこ
とにより、電極の実効長が変えられ、取り出しビームの
エネルギを変えることができる。

【００３５】また、この発明の第４の発明においては、
短絡板により電極の実効長が短くなるとドリフト空間
（電界も磁界も存在しない空間）が長くなり、荷電粒子
は電極を出ると発散しはじめが、共振空洞の出口側に配
設された四極電磁石が、発散する荷電粒子を効果的に収
束する。

【００３６】さらに、この発明の第５の発明において
は、共振空洞を電気的に仕切る仕切り板が、仕切られた
空洞間を高周波的に切り離し、電極電圧を各空洞で独立
に制御できるようにさせ、高周波電力供給手段により下
流側の空洞に供給する高周波電力を調整して、位相振動
の安定領域から外して運転させ、取り出しビームのエネ
ルギを変えることができる。

【００３７】

【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。実施例１．この実施例１は、この発明の第１の発明に係
る一実施例である。図１および図２はそれぞれこの発明
の実施例１を示すエネルギ可変型４ヴェイン型高周波４
極空洞の縦断面図および一部破断側面図であり、図にお
いて図１２および図１３に示した従来の４ヴェイン型Ｒ
ＦＱと同一または相当部分には同一符号を付し、その説
明を省略する。

【００３８】図において、１０は共振空洞である導電体
からなる矩形断面の空洞、１１は先端を細くし、根元を
太くするとともに、先端部が長さ方向に波打つ形状の導
電体からなるヴェインであり、このヴェイン１１は空洞
１０の断面において先端部が空洞１０の軸心を挟んで対
向するとともに互いに直交するように空洞１０の内壁面
に４枚配設され、空洞１０内を仕切って４つのチェンバ
３を形成している。

【００３９】１２はヴェイン１１の長さとほぼ等しい長
さを有し、各チェンバ３内に配設された導電体からなる
短絡板、この短絡板１２はＲＦコンタクト１３により空
洞１０と電気的に一様に接触され、空洞１０に出し入れ
可能に取り付けられた数本の支持棒１４で支持されてい
る。１５は空洞１０の外部に配設された駆動装置であ
り、この駆動装置１５の駆動により支持棒１４を同時に
出し入れしてチャンバ３の長さ方向で均一に短絡板１２
を移動させる。ここで、短絡板１２、支持棒１４および
駆動装置１５で断面積可変手段を構成している。

【００４０】つぎに、上記実施例１の動作について説明
する。まず、駆動装置１５を駆動することにより、各支
持棒１４の出し入れ量を均一に制御して各支持棒１４を
出し入れする。短絡板１２は各支持棒１４の出し入れ量
が均一に制御されているので、チェンバ３の長さ方向で
均一に移動し、各チェンバ３の断面積を長さ方向で一様
に変化させる。また、アパーチャ内の四極電場の対称性
を保つように、各短絡板１２の移動幅は同一としてい
る。この短絡板１２の移動にともなって、磁場の通過で
きる領域が変化し、結果として加速空洞の等価的インダ
クタンスＬが変化する。

【００４１】この実施例１による他の動作は、図１２お
よび図１３に示した従来の４ヴェイン型ＲＦＱと同様に
動作する。

【００４２】上記実施例１によれば、従来のサイドチュ
ーナ５に比べて、加速空洞のインダクタンスＬを大きく
変化させることができ、共振周波数も大きく変化させる
ことができ、同じ荷電粒子に対してエネルギを大幅に変
えることができる。

【００４３】さらに、上記実施例１によれば、ヴェイン
１１の先端形状が細くなっているので、空洞１０を小型
化でき、ヴェイン１１の根元を太くしているので、ヴェ
イン１０を空洞１０の内壁に高精度に簡便に取り付ける
ことができる。

【００４４】なお、上記実施例１では、各チェンバ３の
電気的断面積の変え方が簡便となるように共振空洞とし
て矩形断面の空洞１０を用いて説明しているが、円筒空
洞１を用いても同様の効果を奏する。

【００４５】また、上記実施例１では、チェンバ３の電
気的断面積を変える断面積可変手段として短絡板１２、
支持棒１４および駆動装置１５を用いて説明している
が、この発明はこれに限定するものではなく、チェンバ
３の長さ方向で均一にチェンバ３の断面積を変えること
ができる構成であればよい。

【００４６】実施例２．この実施例２は、この発明の第
２の発明に係る一実施例である。図３はこの発明の実施
例２を示すエネルギ可変型分割同軸型高周波４極空洞の
横断面図、図４は図３のIVーIV線に沿った断面図、図５
は図３のVーV線に沿った断面図であり、図において図１
４〜図２０に示す従来の分割同軸型ＲＦＱと同一または
相当部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

【００４７】図において、１６は円筒空洞１を電気的に
仕切る薄い仕切り板、１７は仕切り板１６により仕切ら
れた空洞間の真空的コンダクタンスを大きくするために
仕切り板１６に設けられた通気孔、１８は仕切り板１６
により仕切られた空洞に取り付けられたループカプラ４
に接続された同軸導波管、１９は高周波電力増幅器、２
０は信号発生器である。

【００４８】ここで、上記実施例２の空洞構造について
説明する。円筒空洞１内の所定位置には、仕切り板１６
が取り付けられている。ビームの入口側から仕切り板１
６までの円筒空洞１内では、一方の一対の電極７が、円
筒空洞１の軸心を挟んで対向するように、それぞれの一
端を円筒空洞１の入口側の内端面に、またそれぞれの他
端を仕切り板１６に短絡支持され、さらに他方の一対の
電極７が、円筒空洞１の軸心を挟んで対向し、一方の一
対の電極７と直交するように、中央部でステム８により
円筒空洞１の内周壁面に短絡支持されている。さらに、
仕切り板１６からビームの出口側までの円筒空洞１内で
は、一方の一対の電極７が、円筒空洞１の軸心を挟んで
対向するように、それぞれの一端を仕切り板１６に短絡
支持され、さらに他方の一対の電極７が、円筒空洞１の
軸心を挟んで対向し、一方の一対の電極７と直交するよ
うに、それぞれの一端を円筒空洞１の出口側の内端面に
短絡支持されている。

【００４９】したがって、円筒空洞１はステム８および
仕切り板１６により３つの空洞に仕切られ、３台の分割
同軸型空洞がつながった構造と等価となる。また、各空
洞における電磁界、電流パスは図１４に示す電磁界、電
流パスと同様である。

【００５０】また、ビームの入口側および出口側の空洞
には、それぞれループカプラ４が取り付けられ、信号発
生器２０で必要な周波数を発生させ、それを２台の高周
波電力増幅器１９で増幅し、、同軸導波管１８、ループ
カプラ４を介して高周波電力を独立して供給できるよう
になっている。

【００５１】さらに、仕切り板１６には通気孔１７が設
けられ、仕切られた空洞間の真空的コンダクタンスを大
きくしている。

【００５２】つぎに、上記実施例２の動作について説明
する。その動作原理は従来技術と基本的には同じである
が、本実施例は電極間電圧を変えることにより出射ビー
ムのエネルギを可変とするものであるので、まず加速原
理について説明する。

【００５３】ビームを加速する場合、入射ビームはたと
えあらかじめバンチされていても有限の長さを持つた
め、各セル（波打ちヴェインの山と谷との間の長さ）で
粒子によって加速電圧が異なる。したがって、設計通り
に加速されてゆく粒子（同期粒子）に対して他の粒子は
エネルギが徐々に異なって行く。

【００５４】しかし、同期粒子に対する高周波の加速位
相（φ_s）をｃｏｓ波の−９０°から０°の間に設定す
れば、同期粒子以外の粒子はエネルギ、位相的に同期粒
子の回りを振動しながら加速されて行く。その最外郭の
粒子が位相ーエネルギ平面上で描く軌跡をセパラトリク
スと呼び、その外側にいる粒子は位相振動しないために
セルを進んで行くうちに減速位相で通過するところもあ
り、結果的に加速されずに出射される。セパラトリクス
はφ_s＝−９０°のとき最も大きく（但し平均すると加
速されない）、φ_s＝０°で消滅する。即ち、φ_s＝０°
では同期粒子は最も効率よく加速されるが、そのまらり
の粒子は加速減速を繰り返し平均すると加速電圧はゼロ
となる。

【００５５】ＲＦＱライナックでは一般に連続ビームを
入射し、加速しながらバンチして行き（φ_sは最初は９
０°で徐々に最終値に近づける）、φ_sが最終値に達し
た後でφ_s一定で加速する。このφ_s一定の領域を加速部
と呼ぶ。この方式により、より多くの粒子を加速できる
ことになる。この時の様子を図１１に示す。同図は横軸
を高周波の位相、縦軸をエネルギに取ったものである。
連続ビームが加速されながらバンチされて行く様子が分
かる。また、位相振動のためにバンチビームはあるエネ
ルギ幅を持つことになる。

【００５６】ここで、加速電圧は設計値から変化すると
φ_sが変わる。加速電圧が高くなるとφ_sは９０°方向に
変化し、低くなると０°方向に変化する。即ち、加速電
圧が低くなり過ぎるとセパラトリクスは消滅する。

【００５７】上記実施例２においては、仕切り板１６の
位置で電極７を切り離して、加速空洞を高周波的に切り
離しており、電極電圧を上流側（入口側）、下流側（出
口側）で独立に制御できるようになっている。なお、図
１４に示した従来の分割同軸型ＲＦＱでは、ステム８ｂ
を広げて空洞断面を覆っても、電極７がつながっている
ので、独立に制御できない。

【００５８】上流側電極電圧を設定値に設定し、下流側
電極電圧をセパラトリクスが消滅する程度まで下げる
と、図１１に示すように、バンチはセルを進むにしたが
って徐々に広がり、エネルギは設定値より下がってゆ
く。それらの量は下流側電極電圧により異なる。したが
って、下流側空洞に供給する高周波電力を調整すること
により、出射ビームのエネルギを変えることができる。
さらに、仕切られた空洞間が大きなコンダクタンスでつ
ながっているので、一台の真空ポンプで真空に引くこと
もでき、また境界が薄い仕切り板１６でできているの
で、安価で、コンパクトな装置となる。

【００５９】ここで、下流側電極の長さは設計値におけ
る位相振動の一周期に相当する長さよりも短い方が望ま
しい。なぜならば、電極が長すぎるとセパラトリクスが
消滅している場合、粒子は加速減速を繰り返すため、結
果として下流側電極で受ける加速電圧は平均としてゼロ
になり、下流側電極の電圧を変えても出射ビームのエネ
ルギは上流側電極出口におけるエネルギとなってしま
う。

【００６０】なお、上記実施例２では、高周波電力増幅
器１９を２台設けるものとして説明しているが、台数に
関係なく各々の加速空洞に供給する高周波電力を独立に
制御できれば、同様の効果を奏する。

【００６１】また、上記実施例２では、分割同軸型空洞
が等価的に３台つながった構成で説明しているが、２台
以上であれば同様の効果を奏する。

【００６２】実施例３．この実施例３は、この発明の第
３の発明に係る一実施例である。図６はこの発明の実施
例３に係るエネルギ可変型分割同軸型ＲＦＱの横断面
図、図７は図６のVIIーVII線に沿った断面図、図８の
（ａ）、（ｂ）はこの発明の実施例３における短絡板の
正面図および側面図であり、図において２３は一対の電
極７と円筒空洞１の内周壁面とを短絡する短絡板であ
り、この短絡板２３には電極７および円筒空洞１との電
気的接触をよくするためのＲＦコンタクト１３が設けら
れるとともに、真空的コンダクタンスを大きくする通気
孔１７が設けられている。２４は短絡板２３を支持する
支持棒、２５は支持棒２４を介して短絡板２３を円筒空
洞１の軸心方向に移動する駆動装置である。

【００６３】上記実施例３では、一方の一対の電極７
が、一端を円筒空洞１の入口側の内端面に取り付けら
れ、軸心を挟んで対向して軸心方向に延設され、さら
に、他方の一対の電極７が、一端を円筒空洞１の出口側
の内端面に取り付けられ、軸心を挟んで対向して、か
つ、一方の一対の電極７と直交するように軸心方向に延
設されて、４つの電極７が同軸空洞の内導体と等価とな
るように構成されている。さらに、円筒空洞１に高周波
電力を供給するループカプラ４を取り付け、短絡板２３
により円筒空洞１の出口側の内端面に取り付けられた一
対の電極７と円筒空洞１の内周壁面とを電気的に短絡し
ている。

【００６４】このように構成された上記実施例３によれ
ば、短絡板２３により円筒空洞１の出口側の内端面に取
り付けられた一対の電極７と円筒空洞１の内周壁面とを
電気的に短絡しているので、円筒空洞１の出口側の端板
を短絡板２３の位置に移動することと等価となり、短絡
板２３より下流側では分割同軸型空洞とならない。つま
り、短絡板２３より下流側では電磁界が存在しない。加
速空洞内の電磁界分布は先に説明したように、空洞の長
さ方向に一様であり、短絡板２３を移動してもその一様
性は変わらず、ビームが感じる電界は短絡板２３の位置
までは同じである。そして、短絡板２３の位置から後方
では電界がないためビームは加速されない。したがっ
て、短絡板２３の位置を調整することにより、出射ビー
ムのエネルギを変えることができる。

【００６５】ここで、電界がなくなるとビームは発散
し、ビーム径は徐々に大きくなってゆく。そのため、ビ
ームが通過できる４つの電極７で囲まれたアパーチャは
出口側で徐々に広がるように電極を設計すると効果的で
ある。但し、加速効率は低下することになる。

【００６６】実施例４．この実施例４は、この発明の第
３の発明に係る他の実施例である。上記実施例３では、
短絡板２３の冷却を考慮していないが、この実施例４で
は、冷却パイプを短絡板２３に溶接し、さらに冷却パイ
プを支持棒２４の内部を通して空洞外部に取り出し構造
とするものとし、冷却が必要となった場合に、短絡イタ
２３の移動に対して障害とならずに冷却することができ
る。

【００６７】なお、上記実施例３、４では、ステム８の
ない１台の分割同軸型空洞としているが、ステム８を設
けた分割同軸型空洞に適用しても同様の効果を奏する。

【００６８】実施例５．この実施例５は、この発明の第
４の発明に係る一実施例である。図９はこの発明の実施
例５に係るエネルギ可変型分割同軸型ＲＦＱの横断面図
であり、図において２６は円筒空洞１の出口側に内蔵し
た四極電磁石である。他の構成は上記実施例３と同じ構
成である。

【００６９】上記実施例４によれば、短絡板２３より下
流側で電界が存在しないために、ビームが発散してビー
ム径が徐々に大きくなろうとするが、四極電磁石２６に
よりビームを収束することができる。

【００７０】ここで、ビームは電界がなくなった位置か
ら発散しはじめるために、四極電磁石２６を電極７の終
端からできるだけ近くに設置した方が効果的である。ま
た、空洞の外部に四極電磁石を設置しても、フランジの
取り合い等から電極終端から遠ざかり、効果が小さくな
る。

【００７１】実施例６．この実施例６は、この発明の第
４の発明に係る他の実施例である。上記実施例５では、
短絡板２３の冷却を考慮していないが、この実施例６で
は、冷却パイプを短絡板２３に溶接し、さらに冷却パイ
プを支持棒２４の内部を通して空洞外部に取り出し構造
とするものとし、冷却が必要となった場合に、短絡イタ
２３の移動に対して障害とならずに冷却することができ
る。

【００７２】なお、上記実施例５、６では、ステム８の
ない１台の分割同軸型空洞としているが、ステム８を設
けた分割同軸型空洞に適用しても同様の効果を奏する。

【００７３】実施例７．この実施例７は、この発明の第５の発明に係る一実施例
である。図１０の（ａ）、（ｂ）はそれぞれこの発明の
実施例７に係るエネルギ可変型４ヴェイン型高周波４極
空洞の横断面図および縦断面図であり、図において２７
は先端が長さ方向に波打つ形状になっているヴェイン、
２８は円筒空洞１を高周波的に切り離す薄い仕切り板で
あり、この仕切り板２８は仕切り板１６と同様に通気孔
が設けられている。

【００７４】上記実施例７では、４枚のヴェイン２７が
円筒空洞１の軸心を挟んで９０°間隔に円筒空洞１の内
周壁面に軸心方向に延設され、その中央部に薄い仕切り
板２８が配設され、２台の４ヴェイン型ＲＦＱが仕切り
板２８を介して高周波的に切り離されてつながっている
構造となっている。また２台の４ヴェイン型ＲＦＱは仕
切り板２８に設けられた通気孔により真空的につながっ
ている。さらに、仕切られた空洞にはそれぞれループカ
プラ４が取り付けられ、信号発生器２０、高周波電力増
幅器１９、同軸導波管１８を介して独立して高周波電力
が供給できるようになっている。

【００７５】上記実施例７による加速空洞では、対向す
る一対のヴェインに同符号の交流電圧を与え、他の一対
のヴェインにはその逆符号の交流電圧を与え、ビームが
通過する４つのヴェイン２７に囲まれたアパーチャ内に
四極電界を発生させる。この電界によりビームを同原理
で収束、加速している。

【００７６】このように上記実施例７によれば、仕切り
板２８によって仕切られた空洞間が高周波的に切り離さ
れ、独立して高周波電力を供給できるように構成してい
るので、上記実施例２と同じ原理で出射ビームのエネル
ギを変えることができる。さらに、仕切られた空洞間が
大きなコンダクタンスでつながっているので、一台の真
空ポンプで真空に引くことができ、また境界が薄い仕切
り板２８でできているので、安価で、コンパクトな装置
となる。

【００７７】なお、上記実施例７では、共振空洞として
円筒空洞１を用いて説明しているが、共振空洞として矩
形断面の空洞を用いても同様の効果を奏する。

【００７８】また、上記実施例７では、高周波電力増幅
器１９を２台設けるものとして説明しているが、台数に
関係なく各々の加速空洞に供給する高周波電力を独立に
制御できれば、同様の効果を奏する。

【００７９】さらに、上記実施例７では、４ヴェイン型
加速空洞が等価的に２台つながった構成で説明している
が、２台以上であれば同様の効果を奏する。

【００８０】

【発明の効果】この発明は、以上のように構成されてい
るので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００８１】この発明の第１の発明によれば、チェンバ
の電気的断面積をチェンバの長さ方向で均一に変化させ
る断面積可変手段を各チェンバのそれぞれに設けたの
で、加速空洞のインダクタンスＬを大きく変化させるこ
とができ、共振周波数も大きく変化させることができ、
同じ荷電粒子に対してエネルギを大幅に変えることがで
きるエネルギ可変型４ヴェイン型高周波４極空洞が得ら
れる。

【００８２】また、この発明の第２の発明によれば、共
振空洞を電気的に仕切る仕切り板を設けるとともに、仕
切り板により仕切られた共振空洞の各空洞のそれぞれに
独立に高周波電力を供給する高周波電力供給手段を設け
たので、仕切り板により仕切られた共振空洞の各空洞が
高周波的に切り離され、電極電圧を各空洞で独立に制御
できるようになり、高周波電力供給手段により下流側の
空洞に供給する高周波電力を調整して、位相振動の安定
領域から外して運転でき、取り出しビームのエネルギを
変えることができるエネルギ可変型分割同軸型高周波４
極空洞が得られる。

【００８３】また、この発明の第３の発明によれば、電
極と共振空洞の内周壁面とを短絡する短絡板を共振空洞
の軸心方向に移動可能に配設したので、短絡板から下流
側の領域に高周波を存在しないようにし、その領域の電
極間には電界が発生せず荷電粒子は加速されなくなり、
短絡板の位置を変えることにより、電極の実効長を変え
ることができ、取り出しビームのエネルギを変えること
ができるエネルギ可変型分割同軸型高周波４極空洞が得
られる。

【００８４】また、この発明の第４の発明によれば、電
極と共振空洞の内周壁面とを短絡する短絡板を共振空洞
の軸心方向に移動可能に配設するとともに、共振空洞の
出口側に四極電磁石を配設したので、上記第３の発明と
同様に取り出しビームのエネルギを変えることができる
とともに、共振空洞の出口側に配設された四極電磁石に
より、電極を出て発散する荷電粒子を効果的に収束でき
るエネルギ可変型分割同軸型高周波４極空洞が得られ
る。

【００８５】さらに、この発明の第５の発明によれば、
共振空洞を電気的に仕切る仕切り板を設けるとともに、
仕切り板により仕切られた共振空洞の各空洞のそれぞれ
に独立に高周波電力を供給する高周波電力供給手段を設
けたので、仕切り板により仕切られた共振空洞の各空洞
が高周波的に切り離され、ヴェイン電圧を各空洞で独立
に制御できるようになり、高周波電力供給手段により下
流側の空洞に供給する高周波電力を調整して、位相振動
の安定領域から外して運転でき、取り出しビームのエネ
ルギを変えることができるエネルギ可変型４ヴェイン型
高周波４極空洞が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示すエネルギ可変型４ヴ
ェイン型高周波４極空洞の縦断面図である。

【図２】この発明の実施例１を示すエネルギ可変型４ヴ
ェイン型高周波４極空洞の一部破断側面図である。

【図３】この発明の実施例２を示すエネルギ可変型分割
同軸型高周波４極空洞の横断面図である。

【図４】図３のIVーIV線に沿った断面図である。

【図５】図３のVーV線に沿った断面図である。

【図６】この発明の実施例３を示すエネルギ可変型分割
同軸型高周波４極空洞の横断面図である。

【図７】図６のVIIーVII線に沿った断面図である。

【図８】（ａ）および（ｂ）はそれぞれこの発明の実施
例３を示すエネルギ可変型分割同軸型高周波４極空洞に
おける短絡板の正面図および側面図である。

【図９】この発明の実施例５を示すエネルギ可変型分割
同軸型高周波４極空洞の横断面図である。

【図１０】（ａ）および（ｂ）はそれぞれこの発明の実
施例７を示すエネルギ可変型４ヴェイン型高周波４極空
洞の横断面図および縦断面図である。

【図１１】加速空洞でビームがバンチされながら加速さ
れる様子を示す説明図である。

【図１２】従来の４ヴェイン型高周波４極空洞の一例を
示す縦断面図である。

【図１３】従来の４ヴェイン型高周波４極空洞の一例を
示す一部破断側面図である。

【図１４】従来の分割同軸型高周波４極空洞の一例を示
す横断面図である。

【図１５】図１４のXVーXV線に沿った断面図である。

【図１６】図１４のXVIーXVI線に沿った断面図である。

【図１７】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ分割同軸型空
洞の原理を説明する縦断面図および横断面図である。

【図１８】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ分割同軸型空
洞の原理を説明する縦断面図および横断面図である。

【図１９】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ分割同軸型空
洞の原理を示す４電極空洞の縦断面図および横断面図で
ある。

【図２０】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ分割同軸型空
洞に用いられる電極形状の一例を示す正面図および側面
図である。

【符号の説明】

１円筒空洞（共振空洞）３チェンバ４ループカプラ（高周波電力供給手段）７電極１０空洞（共振空洞）１１ヴェイン１２短絡板（断面積可変手段）１４支持棒（断面積可変手段）１５駆動装置（断面積可変手段）１６仕切り板１８同軸導波管（高周波電力供給手段）１９高周波電力増幅器（高周波電力供給手段）２０信号発生器（高周波電力供給手段）２２内導体２３短絡板２４支持棒２５駆動装置２６四極電磁石２７ヴェイン２８仕切り板

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】共振空洞の断面で互いに直交するように
前記共振空洞内に４枚のヴェインを配設してなるエネル
ギ可変型４ヴェイン型高周波４極空洞であって、前記ヴ
ェインで仕切られた４つのチェンバ内のそれぞれに、前
記チェンバの電気的断面積を前記チェンバの長さ方向で
均一に変化させる断面積可変手段を備えたことを特徴と
するエネルギ可変型４ヴェイン型高周波４極空洞。
【請求項２】４つの電極が同軸空洞の内導体の役割を
果たすように共振空洞内に設けられたエネルギ可変型分
割同軸型高周波４極空洞であって、前記共振空洞を電気
的に仕切る仕切り板を設けるとともに、前記仕切り板に
より仕切られた前記共振空洞の各空洞のそれぞれに独立
に高周波電力を供給する高周波電力供給手段を設けるこ
とを特徴とするエネルギ可変型分割同軸型高周波４極空
洞。
【請求項３】４つの電極が同軸空洞の内導体の役割を
果たすように共振空洞内に設けられたエネルギ可変型分
割同軸型高周波４極空洞であって、前記電極と前記共振
空洞の内周壁面とを短絡する短絡板を前記共振空洞の軸
心方向に移動可能に配設したことを特徴とするエネルギ
可変型分割同軸型高周波４極空洞。
【請求項４】４つの電極が同軸空洞の内導体の役割を
果たすように共振空洞内に設けられたエネルギ可変型分
割同軸型高周波４極空洞であって、前記電極と前記共振
空洞の内周壁面とを短絡する短絡板を前記共振空洞の軸
心方向に移動可能に配設するとともに、前記共振空洞の
出口側に四極電磁石を配設したことを特徴とするエネル
ギ可変型分割同軸型高周波４極空洞。
【請求項５】共振空洞の断面で互いに直交するように
前記共振空洞内に４枚のヴェインを配設してなるエネル
ギ可変型４ヴェイン型高周波４極空洞であって、前記共
振空洞を電気的に仕切る仕切り板を設けるとともに、前
記仕切り板により仕切られた前記共振空洞の各空洞のそ
れぞれに独立に高周波電力を供給する高周波電力供給手
段を設けることを特徴とするエネルギ可変型４ヴェイン
型高周波４極空洞。