JP3367433B2 - イオンビーム加速装置およびそれを用いた円形加速器 - Google Patents
イオンビーム加速装置およびそれを用いた円形加速器Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子にエネル
ギーを与えるイオンビーム加速装置に係り、特に医療用
又は物理実験用加速器に用いるのに好適なイオンビーム
加速装置およびそれを用いた円形加速器に関する。
ギーを与えるイオンビーム加速装置に係り、特に医療用
又は物理実験用加速器に用いるのに好適なイオンビーム
加速装置およびそれを用いた円形加速器に関する。
【０００２】
【従来の技術】最初にイオン加速に使用される加速空胴
の種類について説明する。イオンは、最も軽い陽子でも
その質量が電子質量の約２０００倍と重いため相対論効
果が小さい。従って、イオン速度は一般に小さいうえ
に、加速途中でイオン速度が大幅に変化する。そこで、
これを所望のエネルギーまで加速するには、加速空胴内
に磁性体を装荷し、磁性体の透磁率により加速空胴の共
振周波数が大幅に低下する性質を利用し、イオンの周回
周波数と加速空胴の共振周波数を一致させてイオンを加
速する磁性体装荷型加速空胴が用いられる。この磁性体
装荷型加速空胴には、磁性損失の少ない磁性体を用い、
バイアス電流によるバイアス磁場を磁性体に印加するこ
とにより、磁性体の透磁率を制御して加速空胴の共振周
波数をイオンの周回周波数に同調するように変化させる
同調型加速空胴と、磁性損失の大きな磁性体を用い、空
胴電圧は低いがその磁性体損失により、イオンを加速す
るのに必要な全ての周回周波数の範囲以上に共振周波数
を広帯域化することにより、バイアス装置が不必要で制
御の容易な非同調型加速空胴との２種類がある。
の種類について説明する。イオンは、最も軽い陽子でも
その質量が電子質量の約２０００倍と重いため相対論効
果が小さい。従って、イオン速度は一般に小さいうえ
に、加速途中でイオン速度が大幅に変化する。そこで、
これを所望のエネルギーまで加速するには、加速空胴内
に磁性体を装荷し、磁性体の透磁率により加速空胴の共
振周波数が大幅に低下する性質を利用し、イオンの周回
周波数と加速空胴の共振周波数を一致させてイオンを加
速する磁性体装荷型加速空胴が用いられる。この磁性体
装荷型加速空胴には、磁性損失の少ない磁性体を用い、
バイアス電流によるバイアス磁場を磁性体に印加するこ
とにより、磁性体の透磁率を制御して加速空胴の共振周
波数をイオンの周回周波数に同調するように変化させる
同調型加速空胴と、磁性損失の大きな磁性体を用い、空
胴電圧は低いがその磁性体損失により、イオンを加速す
るのに必要な全ての周回周波数の範囲以上に共振周波数
を広帯域化することにより、バイアス装置が不必要で制
御の容易な非同調型加速空胴との２種類がある。
【０００３】加速空胴及びその給電方法に関する従来技
術の例は、高エネルギー加速器セミナーＯＨＯ'８９「陽
子シンクロトロンの高周波加速装置」ｐ.Ｖ−１９〜Ｖ−
３０に記載されている。
術の例は、高エネルギー加速器セミナーＯＨＯ'８９「陽
子シンクロトロンの高周波加速装置」ｐ.Ｖ−１９〜Ｖ−
３０に記載されている。
【０００４】次に従来の非同調型加速空胴３を図１０に
示す。
示す。
【０００５】加速空胴３は、加速空胴外導体１０，イオ
ンビーム６０が内部を通過し加速空胴外導体１０の側壁
を貫通する加速空胴内導体１１Ａ，加速空胴外導体１０
の他の側壁に１１Ａと同様に設けられる加速空胴内導体
１１Ｂ，加速空胴外導体１０内で加速空胴内導体１１Ａ
の外側に配置される８個の環状磁性体２０、及び、加速
空胴内導体１１Ａと加速空胴内導体１１Ｂの間に形成さ
れるギャップ１２で構成される。加速空胴内導体１１Ａ
及び１１Ｂのそれぞれの端は、円形加速器の真空ダクト
に接続される。
ンビーム６０が内部を通過し加速空胴外導体１０の側壁
を貫通する加速空胴内導体１１Ａ，加速空胴外導体１０
の他の側壁に１１Ａと同様に設けられる加速空胴内導体
１１Ｂ，加速空胴外導体１０内で加速空胴内導体１１Ａ
の外側に配置される８個の環状磁性体２０、及び、加速
空胴内導体１１Ａと加速空胴内導体１１Ｂの間に形成さ
れるギャップ１２で構成される。加速空胴内導体１１Ａ
及び１１Ｂのそれぞれの端は、円形加速器の真空ダクト
に接続される。
【０００６】高周波電力発生装置３０から出力される高
周波電力は、同軸構造の加速空胴内導体１１Ａと加速空
胴外導体１０の間に印加される。この給電方式は、直接
結合又は直接給電と呼ばれる。この直接給電によって、
加速空胴内導体１１Ａと加速空胴外導体１０との間に高
周波電流４１が発生する。
周波電力は、同軸構造の加速空胴内導体１１Ａと加速空
胴外導体１０の間に印加される。この給電方式は、直接
結合又は直接給電と呼ばれる。この直接給電によって、
加速空胴内導体１１Ａと加速空胴外導体１０との間に高
周波電流４１が発生する。
【０００７】この高周波電流４１は高周波磁界４２を環
状磁性体２０内に作り、ギャップ１２にイオンを加速す
る加速電圧が発生する。
状磁性体２０内に作り、ギャップ１２にイオンを加速す
る加速電圧が発生する。
【０００８】特開昭63−76299 号に記載されている加速
空胴は、図１０の従来の加速空胴３と同じ給電構造で高
周波電力が印加されている。
空胴は、図１０の従来の加速空胴３と同じ給電構造で高
周波電力が印加されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】発明者等は、図１０に
示す従来の加速空胴３及び特開昭63−76299 号の特性を
詳細に検討した。この結果、発明者等は、これらの従来
の加速空胴において、高周波電力の利用効率が低いとい
う新たな問題点を発見した。本発明は、この新たな問題
点を解消するためになされたものである。
示す従来の加速空胴３及び特開昭63−76299 号の特性を
詳細に検討した。この結果、発明者等は、これらの従来
の加速空胴において、高周波電力の利用効率が低いとい
う新たな問題点を発見した。本発明は、この新たな問題
点を解消するためになされたものである。
【００１０】本発明の目的は、高周波電力の利用効率が
高いイオンビーム加速装置およびそれを用いた円形加速
器を提供することにある。
高いイオンビーム加速装置およびそれを用いた円形加速
器を提供することにある。
【００１１】
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の特徴は、複数の磁性体毎に設けられた複数の高周波
電力発生装置と、複数の磁性体毎に設けられ、かつ複数
の高周波電力発生装置から出力される高周波電力を対応
する各磁性体に伝送する複数の電力伝送路とを備えたこ
とにある。
明の特徴は、複数の磁性体毎に設けられた複数の高周波
電力発生装置と、複数の磁性体毎に設けられ、かつ複数
の高周波電力発生装置から出力される高周波電力を対応
する各磁性体に伝送する複数の電力伝送路とを備えたこ
とにある。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】上記本発明の特徴によれば、磁性体毎に高
周波電力発生装置と電力伝送路とを設けたことにより、
電力伝送路と加速空胴とのインピーダンス不整合が改善
されるので、反射電力が減少し、高周波電力の利用効率
が高くなる。
周波電力発生装置と電力伝送路とを設けたことにより、
電力伝送路と加速空胴とのインピーダンス不整合が改善
されるので、反射電力が減少し、高周波電力の利用効率
が高くなる。
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【発明の実施の形態】図１０に示す従来の加速空胴３に
おいて、ギャップ１２に発生する加速電圧Ｖは、
おいて、ギャップ１２に発生する加速電圧Ｖは、
【００３１】
【数１】
【００３２】で与えられる。ここで、Ｐは空胴内電力、
Ｚは空胴のインピーダンスである。
Ｚは空胴のインピーダンスである。
【００３３】加速空胴３のインピーダンスＺが、磁性体
のインピーダンスＺd とほぼ等しいとき、ギャップ１２
に発生する加速電圧Ｖd は、Ｚd を用いて、
のインピーダンスＺd とほぼ等しいとき、ギャップ１２
に発生する加速電圧Ｖd は、Ｚd を用いて、
【００３４】
【数２】
【００３５】で与えられる。
【００３６】また、Ｐは
【００３７】
【数３】
【００３８】（ただし、Ｚはほぼ純抵抗であるとして、
Ｚ＞Ｚ0 のとき、Γ＝(Ｚ−Ｚ0)／(Ｚ＋Ｚ0)
Z<Z0 のとき、Γ＝(Ｚ0−Ｚ)／(Ｚ0＋Ｚ)）
で与えられる。ここで、Γは電圧反射係数、Ｚ0 は伝送
路の特性インピーダンス（＝５０Ω）、Ｐg は高周波源
の出力電力である。
路の特性インピーダンス（＝５０Ω）、Ｐg は高周波源
の出力電力である。
【００３９】加速空胴３内に装荷される磁性体のインピ
ーダンスＺd は、一般に大きく、加速空胴３のインピー
ダンスＺは、ほぼこれで決定される。従って、電力を伝
送する伝送路のインピーダンスＺ0 と加速空胴３のイン
ピーダンスＺとは、Ｚ＝Ｚd≫Ｚ0 となり、インピーダ
ンス不整合が発生する。空胴内電力Ｐは、例えば、Ｚ＝
１ｋΩとすると、高周波電力発生装置３０の出力電力Ｐ
g の２０％以下となる。残りの電力は高周波電力発生装
置３０に反射され、そこで消費される。従って、高周波
電力の利用効率が低い。
ーダンスＺd は、一般に大きく、加速空胴３のインピー
ダンスＺは、ほぼこれで決定される。従って、電力を伝
送する伝送路のインピーダンスＺ0 と加速空胴３のイン
ピーダンスＺとは、Ｚ＝Ｚd≫Ｚ0 となり、インピーダ
ンス不整合が発生する。空胴内電力Ｐは、例えば、Ｚ＝
１ｋΩとすると、高周波電力発生装置３０の出力電力Ｐ
g の２０％以下となる。残りの電力は高周波電力発生装
置３０に反射され、そこで消費される。従って、高周波
電力の利用効率が低い。
【００４０】特開昭63−76299 号に示された加速空胴
も、図１０の従来の加速空胴３と同様なことが言える。
も、図１０の従来の加速空胴３と同様なことが言える。
【００４１】発明者等は、加速空胴内に装荷された磁性
体ごとに、または、磁性体のグループごとに高周波電力
を供給することによって、高周波電力の利用効率を高く
することに成功した。
体ごとに、または、磁性体のグループごとに高周波電力
を供給することによって、高周波電力の利用効率を高く
することに成功した。
【００４２】この具体例を以下に説明する。
【００４３】（実施例１）本発明の第１の実施例である
イオンビーム加速装置について、図１を用いて説明す
る。
イオンビーム加速装置について、図１を用いて説明す
る。
【００４４】本実施例のイオンビーム加速装置は、ｎ個
の環状磁性体２０を装荷している加速空胴２と、ｎ個の
高周波電力供給装置３５をもつ。
の環状磁性体２０を装荷している加速空胴２と、ｎ個の
高周波電力供給装置３５をもつ。
【００４５】加速空胴２は、非同調型加速空胴で、加速
空胴外導体１０，イオンビーム６０が内部を通過する加
速空胴内導体１１Ｃ及び１１Ｄ，加速空胴外導体１０内
で加速空胴内導体１１Ｃ及び１１Ｄをそれぞれ取り囲ん
で配置される環状磁性体２０を有する。各環状磁性体２
０は、すべて同じ透磁率をもつ。１個の環状磁性体２０
のインピーダンスはＺd／ｎ である。
空胴外導体１０，イオンビーム６０が内部を通過する加
速空胴内導体１１Ｃ及び１１Ｄ，加速空胴外導体１０内
で加速空胴内導体１１Ｃ及び１１Ｄをそれぞれ取り囲ん
で配置される環状磁性体２０を有する。各環状磁性体２
０は、すべて同じ透磁率をもつ。１個の環状磁性体２０
のインピーダンスはＺd／ｎ である。
【００４６】加速空胴内導体１１Ｃ及び１１Ｄは、加速
空胴外導体１０の異なる側壁を通過して互いに対向し、
ギャップ１２が加速空胴内導体１１Ｃと加速空胴内導体
11Ｄとの間に形成される。このギャップ１２は、イオン
ビーム６０の進行方向で加速空胴外導体１０の中央部に
配置される。
空胴外導体１０の異なる側壁を通過して互いに対向し、
ギャップ１２が加速空胴内導体１１Ｃと加速空胴内導体
11Ｄとの間に形成される。このギャップ１２は、イオン
ビーム６０の進行方向で加速空胴外導体１０の中央部に
配置される。
【００４７】加速空胴外導体１０の側壁２５及び２６は
加速空胴内導体１１Ｃ及び１１Ｄに接続されている。
加速空胴内導体１１Ｃ及び１１Ｄに接続されている。
【００４８】高周波電力供給装置３５は、環状磁性体２
０ごとに設けられたｎ個の電力伝送路３４と、電力伝送
路３４に接続されて環状磁性体２０に高周波磁界を発生
させる巻線部３３とを備える。電力伝送路３４は、高周
波電力を発生する高周波電力発生装置３０Ａ，高周波電
力発生装置３０Ａの出力側に接続した増幅器３２、およ
び、増幅器３２の出力にそれぞれ接続された同軸ケーブ
ル１４から構成される。
０ごとに設けられたｎ個の電力伝送路３４と、電力伝送
路３４に接続されて環状磁性体２０に高周波磁界を発生
させる巻線部３３とを備える。電力伝送路３４は、高周
波電力を発生する高周波電力発生装置３０Ａ，高周波電
力発生装置３０Ａの出力側に接続した増幅器３２、およ
び、増幅器３２の出力にそれぞれ接続された同軸ケーブ
ル１４から構成される。
【００４９】同軸ケーブル１４の内部導体１５は、１対
１で、環状磁性体２０に巻きつけられて巻線部３３を形
成する。内部導体１５の先端は加速空胴外導体１０の内
壁に接続される。内部導体１５が加速空胴外導体１０を
貫通する部分では、電気絶縁体２７が内部導体１５と加
速空胴外導体１０との間に設けられる。外部導体１６
は、加速空胴外導体１０の外壁に接続される。
１で、環状磁性体２０に巻きつけられて巻線部３３を形
成する。内部導体１５の先端は加速空胴外導体１０の内
壁に接続される。内部導体１５が加速空胴外導体１０を
貫通する部分では、電気絶縁体２７が内部導体１５と加
速空胴外導体１０との間に設けられる。外部導体１６
は、加速空胴外導体１０の外壁に接続される。
【００５０】高周波電力発生装置３０Ａで発生した高周
波電力は、増幅器３２によって増幅される。増幅された
高周波電力は、同軸ケーブル１４で環状磁性体２０に伝
送される。
波電力は、増幅器３２によって増幅される。増幅された
高周波電力は、同軸ケーブル１４で環状磁性体２０に伝
送される。
【００５１】内部導体１５が環状磁性体２０に巻きつけ
られているので、内部導体１５に流れる高周波電流によ
って、環状磁性体２０の内部に高周波磁界４２が発生す
る。これらの高周波磁界４２によって、加速空胴２に高
周波電力が供給され、ギャップ１２に加速電圧が発生す
る。イオンビーム６０はこのギャップ１２を通るとき、
加速電圧によって加速される。
られているので、内部導体１５に流れる高周波電流によ
って、環状磁性体２０の内部に高周波磁界４２が発生す
る。これらの高周波磁界４２によって、加速空胴２に高
周波電力が供給され、ギャップ１２に加速電圧が発生す
る。イオンビーム６０はこのギャップ１２を通るとき、
加速電圧によって加速される。
【００５２】高周波電力供給装置３５から見た場合の加
速空胴の等価回路を図２（ａ）に示す。
速空胴の等価回路を図２（ａ）に示す。
【００５３】本実施例においては、ｎ個の環状磁性体２
０を介して高周波電力を加速空胴２に供給しているの
で、高周波電力発生装置３０と加速空胴２とは環状磁性
体２０のインダクタンスを利用したインダクティブ結合
であるといえる。
０を介して高周波電力を加速空胴２に供給しているの
で、高周波電力発生装置３０と加速空胴２とは環状磁性
体２０のインダクタンスを利用したインダクティブ結合
であるといえる。
【００５４】さらに、図２（ａ）の等価回路をｎ個の環
状磁性体２０のサブ回路で表すと、図２（ｂ）のように
なる。
状磁性体２０のサブ回路で表すと、図２（ｂ）のように
なる。
【００５５】１個の電力伝送路３４に接続された加速空
胴２のインピーダンスＺn は、１個の環状磁性体２０の
インピーダンスＺd／ｎ と等価である。従って、本実施
例のｎ個の環状磁性体２０を備えた加速空胴２は、イン
ピーダンスＺd／ｎ である加速空胴をｎ個直列に結合し
たものであるといえる。
胴２のインピーダンスＺn は、１個の環状磁性体２０の
インピーダンスＺd／ｎ と等価である。従って、本実施
例のｎ個の環状磁性体２０を備えた加速空胴２は、イン
ピーダンスＺd／ｎ である加速空胴をｎ個直列に結合し
たものであるといえる。
【００５６】１つの同軸ケーブル１４が伝送する高周波
電力をＰg／ｎ とすると、ギャップ１２に発生する加速
電圧Ｖn は、
電力をＰg／ｎ とすると、ギャップ１２に発生する加速
電圧Ｖn は、
【００５７】
【数４】
【００５８】で与えられる。
【００５９】従って、本実施例の加速空胴２は、直接結
合の加速空胴に比べて√ｎ倍の電圧を発生することがで
きる。
合の加速空胴に比べて√ｎ倍の電圧を発生することがで
きる。
【００６０】ところで、直接結合によって高周波電力が
供給される加速空胴では、電力伝送路は１つで、加速空
胴のインピーダンスＺは、ｎ個の磁性体のインピーダン
スＺd である。
供給される加速空胴では、電力伝送路は１つで、加速空
胴のインピーダンスＺは、ｎ個の磁性体のインピーダン
スＺd である。
【００６１】これに対して本実施例では、ｎ個のうちの
１個の電力伝送路３４における負荷のインピーダンスＺ
n は、１個の環状磁性体２０のインピーダンスＺd／ｎ
である。
１個の電力伝送路３４における負荷のインピーダンスＺ
n は、１個の環状磁性体２０のインピーダンスＺd／ｎ
である。
【００６２】すなわち、本実施例では、電力伝送路３４
における負荷のインピーダンスＺnは減少し、電力伝送
路３４の特性インピーダンスＺ0 に近づく。
における負荷のインピーダンスＺnは減少し、電力伝送
路３４の特性インピーダンスＺ0 に近づく。
【００６３】従って、電力伝送路３４と負荷とのインピ
ーダンス不整合が改善されるので、反射電力が減少す
る。高周波電力供給装置３５において、加速空胴２の内
部へ供給される高周波電力が増加し、むだな電力である
反射電力が減少する。よって、高周波電力発生装置３０
における反射電力の消費が減り、高周波電力の利用効率
が高くなる。
ーダンス不整合が改善されるので、反射電力が減少す
る。高周波電力供給装置３５において、加速空胴２の内
部へ供給される高周波電力が増加し、むだな電力である
反射電力が減少する。よって、高周波電力発生装置３０
における反射電力の消費が減り、高周波電力の利用効率
が高くなる。
【００６４】また、内部導体１５を磁性体に巻線するこ
とによって、磁性体の内部に効率良く高周波磁界４２を
作ることができる。そして、磁性体が環状であるので、
大きな高周波磁界４２が得られる。この高周波磁界４２
を介して、加速空胴２に供給される高周波電力が増加す
るため、ギャップ１２に高い加速電圧が得られる。ここ
で、内部導体１５の巻き線方向は、高周波電力発生装置
３０Ａの出力電力の位相によらず、全ての環状磁性体２
０内に発生する高周波磁界４２の方向が一致するように
選ぶ。以下示す実施例でも同様に選ぶものとする。
とによって、磁性体の内部に効率良く高周波磁界４２を
作ることができる。そして、磁性体が環状であるので、
大きな高周波磁界４２が得られる。この高周波磁界４２
を介して、加速空胴２に供給される高周波電力が増加す
るため、ギャップ１２に高い加速電圧が得られる。ここ
で、内部導体１５の巻き線方向は、高周波電力発生装置
３０Ａの出力電力の位相によらず、全ての環状磁性体２
０内に発生する高周波磁界４２の方向が一致するように
選ぶ。以下示す実施例でも同様に選ぶものとする。
【００６５】これは、図２（ｂ）のｎ個直列に接続され
たサブ回路において、それぞれのサブ回路で発生する電
圧は小さいが、これらを直列に結合することで結果的に
は、回路全体では大きな電圧が得られることを示してい
る。
たサブ回路において、それぞれのサブ回路で発生する電
圧は小さいが、これらを直列に結合することで結果的に
は、回路全体では大きな電圧が得られることを示してい
る。
【００６６】また、本実施例では、内部導体１５の先端
を加速空胴外導体１０の内壁に接続したが、接続せずに
環状磁性体２０に巻きつけるのみでも、本実施例と同様
の作用効果を得ることができる。
を加速空胴外導体１０の内壁に接続したが、接続せずに
環状磁性体２０に巻きつけるのみでも、本実施例と同様
の作用効果を得ることができる。
【００６７】また、本実施例は加速空胴として非同調型
を例にとり説明したが、同調型加速空胴でも同様の効果
を得ることができる。以降に述べる実施例でも同様であ
る。 （実施例２）図３および図４を用いて本発明による加速
空胴の第２の実施例を説明する。これは、環状磁性体２
０ごとに給電回路（高周波電力供給装置３５）を構成し
た場合を示している。加速空胴は、非同調型加速空胴で
ある。加速空胴システムは、加速空胴内導体１１，加速
空胴外導体１０，環状磁性体２０，加速ギャップ１２，
給電線４０，高周波電力発生装置３０Ｃより構成され
る。空胴に装荷する環状磁性体２０の数は８個である。
を例にとり説明したが、同調型加速空胴でも同様の効果
を得ることができる。以降に述べる実施例でも同様であ
る。 （実施例２）図３および図４を用いて本発明による加速
空胴の第２の実施例を説明する。これは、環状磁性体２
０ごとに給電回路（高周波電力供給装置３５）を構成し
た場合を示している。加速空胴は、非同調型加速空胴で
ある。加速空胴システムは、加速空胴内導体１１，加速
空胴外導体１０，環状磁性体２０，加速ギャップ１２，
給電線４０，高周波電力発生装置３０Ｃより構成され
る。空胴に装荷する環状磁性体２０の数は８個である。
【００６８】高周波電力発生装置３０Ｃにおいては、加
速空胴に装荷した環状磁性体２０の数分に、即ち、どの
環状磁性体へも同一の高周波電力が供給されるように、
高周波電力が分岐されている。
速空胴に装荷した環状磁性体２０の数分に、即ち、どの
環状磁性体へも同一の高周波電力が供給されるように、
高周波電力が分岐されている。
【００６９】各給電線４０の内部導体及び外部導体の配
置及び接続状態は、実施例１の同軸ケーブルと同じであ
る。
置及び接続状態は、実施例１の同軸ケーブルと同じであ
る。
【００７０】給電線４０の内部導体が環状磁性体２０に
巻きつけられているので、内部導体に流れる高周波電流
４１によって、環状磁性体の内部に高周波磁界４２が発
生する。
巻きつけられているので、内部導体に流れる高周波電流
４１によって、環状磁性体の内部に高周波磁界４２が発
生する。
【００７１】これらの高周波磁界４２によって、加速空
胴に高周波電力が供給される。そして、加速電圧がギャ
ップ１２に発生する。イオンビーム６０はこのギャップ
１２を通るとき、加速電圧によって加速される。
胴に高周波電力が供給される。そして、加速電圧がギャ
ップ１２に発生する。イオンビーム６０はこのギャップ
１２を通るとき、加速電圧によって加速される。
【００７２】本実施例の等価回路は、図２（ｂ）の等価
回路において、ｎ＝８とした場合である。従って、ギャ
ップ１２で発生する加速電圧Ｖ8 は、数４でｎ＝８とし
て、
回路において、ｎ＝８とした場合である。従って、ギャ
ップ１２で発生する加速電圧Ｖ8 は、数４でｎ＝８とし
て、
【００７３】
【数５】
【００７４】で与えられる。ここで、Ｖd は直接結合の
加速空胴が発生する加速電圧である。本実施例の加速空
胴２は、Ｖd のほぼ３倍の加速電圧を発生することがで
きる。従来例では、空胴への給電は、空胴の内外導体間
への直接結合であったが、本発明は、磁性体のインダク
タンスを利用したインダクティブ結合であることを示し
ている。
加速空胴が発生する加速電圧である。本実施例の加速空
胴２は、Ｖd のほぼ３倍の加速電圧を発生することがで
きる。従来例では、空胴への給電は、空胴の内外導体間
への直接結合であったが、本発明は、磁性体のインダク
タンスを利用したインダクティブ結合であることを示し
ている。
【００７５】従来の空胴のインピーダンスをＺd とする
と、本発明での各給電回路当たりのインピーダンスはＺ
d／８ と磁性体数分の１になっている。
と、本発明での各給電回路当たりのインピーダンスはＺ
d／８ と磁性体数分の１になっている。
【００７６】従って、本発明では、各給電回路当たりの
インピーダンスが低下し、Ｚ0 に近づくことによりイン
ピーダンス不整合がなくなり高周波電力の反射が減る。
従って、電力の利用効率が上がる。
インピーダンスが低下し、Ｚ0 に近づくことによりイン
ピーダンス不整合がなくなり高周波電力の反射が減る。
従って、電力の利用効率が上がる。
【００７７】（実施例３）本発明の第３の実施例である
イオンビーム加速装置１３が適用された医療用の円形加
速器１を、図５を用いて説明する。
イオンビーム加速装置１３が適用された医療用の円形加
速器１を、図５を用いて説明する。
【００７８】円形加速器１においては、前段加速器５０
で加速されたイオンビーム６０を入射する入射器５１，
入射器５１から入射されたイオンビーム６０の軌道を曲
げる偏向磁石５２，イオンビーム６０を発散又は収束さ
せる４極磁石５３，イオンビーム６０を実験室又は放射
線治療室７０に出射する出射器５４、および、イオンビ
ーム加速装置１３が、内部をイオンビーム６０が通過す
る環状の真空ダクト５５に沿って配置されている。
で加速されたイオンビーム６０を入射する入射器５１，
入射器５１から入射されたイオンビーム６０の軌道を曲
げる偏向磁石５２，イオンビーム６０を発散又は収束さ
せる４極磁石５３，イオンビーム６０を実験室又は放射
線治療室７０に出射する出射器５４、および、イオンビ
ーム加速装置１３が、内部をイオンビーム６０が通過す
る環状の真空ダクト５５に沿って配置されている。
【００７９】前段加速器５０で加速されたイオンビーム
６０は、入射器５１によって円形加速器１に入射され
る。イオンビーム加速装置１３により所定のエネルギー
になるまで加速された後、出射器５４により円形加速器
１の外に取り出される。取り出されたイオンビームは、
実験室又は放射線治療室７０において利用される。
６０は、入射器５１によって円形加速器１に入射され
る。イオンビーム加速装置１３により所定のエネルギー
になるまで加速された後、出射器５４により円形加速器
１の外に取り出される。取り出されたイオンビームは、
実験室又は放射線治療室７０において利用される。
【００８０】図６および図７を用いて、イオンビーム加
速装置１３を説明する。
速装置１３を説明する。
【００８１】本実施例のイオンビーム加速装置１３は、
８個の環状磁性体２０を装荷している加速空胴２と、高
周波電力供給装置３５Ａにより構成される。
８個の環状磁性体２０を装荷している加速空胴２と、高
周波電力供給装置３５Ａにより構成される。
【００８２】加速空胴２は、第１の実施例と同じ構造の
非同調型加速空胴である。
非同調型加速空胴である。
【００８３】加速空胴内導体１１Ｃ及び１１Ｄの両端
は、円形加速器１の真空ダクト５５に接続される。
は、円形加速器１の真空ダクト５５に接続される。
【００８４】高周波電力供給装置３５Ａは、実施例１の
高周波電力発生装置３０Ａの替わりに、高周波電力を発
生する１つの高周波電力発生装置３０Ｂ，高周波電力発
生装置３０Ｂの出力に接続した１入力８出力の分岐器３
１を設けたものである。
高周波電力発生装置３０Ａの替わりに、高周波電力を発
生する１つの高周波電力発生装置３０Ｂ，高周波電力発
生装置３０Ｂの出力に接続した１入力８出力の分岐器３
１を設けたものである。
【００８５】８個の電力伝送路３４と巻線部３３は、実
施例１と同様に環状磁性体２０ごとに設けられる。電力
伝送路３４は、同軸ケーブル１４及び増幅器３２からな
る。各増幅器３２は、分岐器３１の８つの出力にそれぞ
れ接続される。
施例１と同様に環状磁性体２０ごとに設けられる。電力
伝送路３４は、同軸ケーブル１４及び増幅器３２からな
る。各増幅器３２は、分岐器３１の８つの出力にそれぞ
れ接続される。
【００８６】各同軸ケーブル１４の内部導体１５及び外
部導体１６の配置及び接続状態は、実施例１と同じであ
る。
部導体１６の配置及び接続状態は、実施例１と同じであ
る。
【００８７】高周波電力発生装置３０Ｂで発生した高周
波電力は、分岐器３１によって８つの高周波電力に分岐
される。分岐された高周波電力はそれぞれ、増幅器３２
によって増幅される。８つの増幅された高周波電力の大
きさと位相はすべて同じである。増幅された高周波電力
は、同軸ケーブル１４で環状磁性体２０に伝送される。
内部導体１５が環状磁性体２０に巻きつけられているの
で、内部導体１５に流れる高周波電流によって、環状磁
性体２０の内部に高周波磁界４２が発生する。これらの
高周波磁界４２によって、加速空胴２に高周波電力が供
給される。そして、加速電圧がギャップ１２に発生す
る。イオンビーム６０はこのギャップ１２を通るとき、
発生した加速電圧によって加速される。
波電力は、分岐器３１によって８つの高周波電力に分岐
される。分岐された高周波電力はそれぞれ、増幅器３２
によって増幅される。８つの増幅された高周波電力の大
きさと位相はすべて同じである。増幅された高周波電力
は、同軸ケーブル１４で環状磁性体２０に伝送される。
内部導体１５が環状磁性体２０に巻きつけられているの
で、内部導体１５に流れる高周波電流によって、環状磁
性体２０の内部に高周波磁界４２が発生する。これらの
高周波磁界４２によって、加速空胴２に高周波電力が供
給される。そして、加速電圧がギャップ１２に発生す
る。イオンビーム６０はこのギャップ１２を通るとき、
発生した加速電圧によって加速される。
【００８８】本実施例の等価回路は、実施例２と同様
に、図２（ｂ）の等価回路において、ｎ＝８とした場合
である。従って、ギャップ１２で発生する加速電圧Ｖ8
は、数４でｎ＝８として、数５で与えられる。本実施例
の加速空胴２は、Ｖd のほぼ３倍の加速電圧を発生する
ことができる。
に、図２（ｂ）の等価回路において、ｎ＝８とした場合
である。従って、ギャップ１２で発生する加速電圧Ｖ8
は、数４でｎ＝８として、数５で与えられる。本実施例
の加速空胴２は、Ｖd のほぼ３倍の加速電圧を発生する
ことができる。
【００８９】そして、１個の電力伝送路３４には、１個
の環状磁性体２０のインピーダンスＺd／８ が接続され
ていることになる。すなわち、本実施例では、第１の実
施例と同様に、電力伝送路３４における負荷のインピー
ダンスＺ8 が減少して、電力伝送路の特性インピーダン
スＺ0 に近づく。
の環状磁性体２０のインピーダンスＺd／８ が接続され
ていることになる。すなわち、本実施例では、第１の実
施例と同様に、電力伝送路３４における負荷のインピー
ダンスＺ8 が減少して、電力伝送路の特性インピーダン
スＺ0 に近づく。
【００９０】従って、本実施例も、実施例１と同様に、
高周波電力の利用効率が高くなる。また、各電力伝送路
３４において、同軸ケーブル１４により伝送される高周
波電力の大きさと位相、および、内部導体１５の巻線の
方向は、それぞれ同じであるので、８個の環状磁性体２
０内に発生する高周波磁界４２の大きさと位相はすべて
同じである。また、内部導体１５を環状磁性体２０に巻
線することによって、磁性体の内部により大きな高周波
磁界を作ることができる。この高周波磁界４２を介し
て、加速空胴２に供給される高周波電力が増加し、より
高い加速電圧が得られる。
高周波電力の利用効率が高くなる。また、各電力伝送路
３４において、同軸ケーブル１４により伝送される高周
波電力の大きさと位相、および、内部導体１５の巻線の
方向は、それぞれ同じであるので、８個の環状磁性体２
０内に発生する高周波磁界４２の大きさと位相はすべて
同じである。また、内部導体１５を環状磁性体２０に巻
線することによって、磁性体の内部により大きな高周波
磁界を作ることができる。この高周波磁界４２を介し
て、加速空胴２に供給される高周波電力が増加し、より
高い加速電圧が得られる。
【００９１】また、各電力伝送路３４それぞれに増幅器
３２を設けたので、高周波電力発生装置３０Ｂの出力は
小さいものでよい。従って、電力容量の小さい分岐器３
１および増幅器３２を用いることができる。これによ
り、高周波電力供給装置３５Ａを小型化でき、イオンビ
ーム加速装置１３を小型化できる。
３２を設けたので、高周波電力発生装置３０Ｂの出力は
小さいものでよい。従って、電力容量の小さい分岐器３
１および増幅器３２を用いることができる。これによ
り、高周波電力供給装置３５Ａを小型化でき、イオンビ
ーム加速装置１３を小型化できる。
【００９２】更に、分岐器３１に１つの高周波電力発生
装置３０Ｂを接続しているので、各増幅器３２から出力
される各高周波電力の同期を取る必要がない。実施例１
は別々の高周波電力発生装置３０を設けているので、各
増幅器３２から出力される各高周波電力の同期を取る装
置が別途必要になる。本実施例は、このような同期を取
る装置が不要であり、実施例１よりも装置構成が簡単に
なる。
装置３０Ｂを接続しているので、各増幅器３２から出力
される各高周波電力の同期を取る必要がない。実施例１
は別々の高周波電力発生装置３０を設けているので、各
増幅器３２から出力される各高周波電力の同期を取る装
置が別途必要になる。本実施例は、このような同期を取
る装置が不要であり、実施例１よりも装置構成が簡単に
なる。
【００９３】上述したようなイオンビーム加速装置１３
を円形加速器１に用いることにより、イオンビーム加速
装置１３において反射電力が減少し、高周波電力の利用
効率が高くなるので、円形加速器１の電力効率をよくす
ることができる。また、イオンビーム加速装置１３を小
型化できるので、円形加速器１も小型化することができ
る。
を円形加速器１に用いることにより、イオンビーム加速
装置１３において反射電力が減少し、高周波電力の利用
効率が高くなるので、円形加速器１の電力効率をよくす
ることができる。また、イオンビーム加速装置１３を小
型化できるので、円形加速器１も小型化することができ
る。
【００９４】（実施例４）本発明の第４の実施例である
イオンビーム加速装置１３Ａについて、図８を用いて説
明する。本実施例は、第３の実施例と同様に、環状磁性
体２０ごとに電力伝送路３４を設けた。本実施例は、第
３の実施例と同様の作用によって、電力の利用効率が高
く、高い加速電圧が得られる。
イオンビーム加速装置１３Ａについて、図８を用いて説
明する。本実施例は、第３の実施例と同様に、環状磁性
体２０ごとに電力伝送路３４を設けた。本実施例は、第
３の実施例と同様の作用によって、電力の利用効率が高
く、高い加速電圧が得られる。
【００９５】（実施例５）本発明の第５の実施例である
イオンビーム加速装置１３Ｂについて、図９を用いて説
明する。
イオンビーム加速装置１３Ｂについて、図９を用いて説
明する。
【００９６】本実施例の加速空胴２は、第３の実施例と
同じ構造の非同調型加速空胴である。
同じ構造の非同調型加速空胴である。
【００９７】本実施例においては、８個の環状磁性体２
０を２本ずつの４グループとし、そのグループごとに電
力伝送路３４を設ける。
０を２本ずつの４グループとし、そのグループごとに電
力伝送路３４を設ける。
【００９８】高周波電力供給装置３５Ｂは、高周波電力
を発生する高周波電力発生装置30B,高周波電力発生装置
３０Ｂの出力に接続した１入力４出力の分岐器３１Ｂ，
分岐器３１Ｂの４つの出力にそれぞれ接続した電力伝送
路３４と電力伝送路３４に接続された巻線部３３とから
なる。
を発生する高周波電力発生装置30B,高周波電力発生装置
３０Ｂの出力に接続した１入力４出力の分岐器３１Ｂ，
分岐器３１Ｂの４つの出力にそれぞれ接続した電力伝送
路３４と電力伝送路３４に接続された巻線部３３とから
なる。
【００９９】同軸ケーブル１４は、第３の実施例と同様
に接続されており、１本の同軸ケーブル１４の内部導体
１５は、２個の環状磁性体２０に巻きつけられている。
に接続されており、１本の同軸ケーブル１４の内部導体
１５は、２個の環状磁性体２０に巻きつけられている。
【０１００】本実施例の等価回路は、第１の実施例の図
２の等価回路において、ｎ＝４とした場合である。従っ
て、ギャップ１２で発生する加速電圧Ｖ4 は、数４でｎ
＝４として、
２の等価回路において、ｎ＝４とした場合である。従っ
て、ギャップ１２で発生する加速電圧Ｖ4 は、数４でｎ
＝４として、
【０１０１】
【数６】
【０１０２】で与えられる。ここで、Ｖd は直接結合の
加速空胴が発生する加速電圧である。本実施例の加速空
胴２は、Ｖd の約２倍の加速電圧を発生することができ
る。
加速空胴が発生する加速電圧である。本実施例の加速空
胴２は、Ｖd の約２倍の加速電圧を発生することができ
る。
【０１０３】そして、１個の電力伝送路３４には、２個
の環状磁性体２０のインピーダンスＺd／４ が接続され
ていることになる。すなわち、本実施例では、第１の実
施例と同様に、電力伝送路３４における負荷のインピー
ダンスＺ4 が減少して、電力伝送路の特性インピーダン
スＺ0 に近づく。
の環状磁性体２０のインピーダンスＺd／４ が接続され
ていることになる。すなわち、本実施例では、第１の実
施例と同様に、電力伝送路３４における負荷のインピー
ダンスＺ4 が減少して、電力伝送路の特性インピーダン
スＺ0 に近づく。
【０１０４】従って、本実施例も、実施例１と同様に、
高周波電力の利用効率が高くなる。このように、１つの
グループに含まれる環状磁性体の数が同じであれば、グ
ループごとに電力伝送路３４を設けることにより、本実
施例と同様の作用によって、電力の利用効率が高く、高
い加速電圧が得られる。
高周波電力の利用効率が高くなる。このように、１つの
グループに含まれる環状磁性体の数が同じであれば、グ
ループごとに電力伝送路３４を設けることにより、本実
施例と同様の作用によって、電力の利用効率が高く、高
い加速電圧が得られる。
【０１０５】また、本実施例のように、磁性体をグルー
プに分けるとき、グループ数は何個あってもよい。ただ
し、全ての磁性体を１グループとして、１つの電力伝送
路３４と高周波電力発生装置３０Ｂを設けた場合は、本
実施例は直接結合の場合と同一の性能を有する。
プに分けるとき、グループ数は何個あってもよい。ただ
し、全ての磁性体を１グループとして、１つの電力伝送
路３４と高周波電力発生装置３０Ｂを設けた場合は、本
実施例は直接結合の場合と同一の性能を有する。
【０１０６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電力伝送路と加速空胴とのインピーダンス不整合が改善
されるので、反射電力が減少し、高周波電力の利用効率
が高くなる。
電力伝送路と加速空胴とのインピーダンス不整合が改善
されるので、反射電力が減少し、高周波電力の利用効率
が高くなる。
【０１０７】
【０１０８】
【０１０９】
【０１１０】
【０１１１】
【０１１２】
【０１１３】
【０１１４】
【図１】本発明の第１の実施例であるイオンビーム加速
装置の構造図である。
装置の構造図である。
【図２】本発明の第１の実施例であるイオンビーム加速
装置の等価回路を示す図である。
装置の等価回路を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例であるイオンビーム加速
装置の構造図である。
装置の構造図である。
【図４】図３のIII−III断面図である。
【図５】本発明の第３の実施例であるイオンビーム加速
装置を用いた円形加速器の構造図である。
装置を用いた円形加速器の構造図である。
【図６】図５のイオンビーム加速装置の詳細図である。
【図７】図６のVI−VI断面図である。
【図８】本発明の第４の実施例であるイオンビーム加速
装置の構造図である。
装置の構造図である。
【図９】本発明の第５の実施例であるイオンビーム加速
装置の構造図である。
装置の構造図である。
【図１０】従来の非同調型加速空胴を示す図である。
１…円形加速器、２，３…加速空胴、１０…加速空胴外
導体、１１…加速空胴内導体、１２…ギャップ、１３…
イオンビーム加速装置、１４…同軸ケーブル、１５…内
部導体、１６…外部導体、２０…環状磁性体、２７…電
気絶縁体、３０…高周波電力発生装置、３１…分岐器、
３２…増幅器、３３…巻線部、３４…電力伝送路、３５
…高周波電力供給装置、４１…高周波電流、４２…高周
波磁界、５０…前段加速器、５１…入射器、５２…偏向
磁石、５３…４極磁石、５４…出射器、５５…真空ダク
ト、６０…イオンビーム、７０…実験室又は放射線治療
室。
導体、１１…加速空胴内導体、１２…ギャップ、１３…
イオンビーム加速装置、１４…同軸ケーブル、１５…内
部導体、１６…外部導体、２０…環状磁性体、２７…電
気絶縁体、３０…高周波電力発生装置、３１…分岐器、
３２…増幅器、３３…巻線部、３４…電力伝送路、３５
…高周波電力供給装置、４１…高周波電流、４２…高周
波磁界、５０…前段加速器、５１…入射器、５２…偏向
磁石、５３…４極磁石、５４…出射器、５５…真空ダク
ト、６０…イオンビーム、７０…実験室又は放射線治療
室。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平７−6900（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−48800（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−76299（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−213198（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H05H 13/04
H05H 7/02
H05H 7/18
Claims (3)
- 【請求項１】内部に空間を有する加速空胴外導体と、前
記加速空胴外導体の１つの側壁を貫通するとともに内部
をイオンビームが通過する加速空胴内導体と、前記加速
空胴外導体内に前記加速空胴内導体を取り囲むように配
置された複数の磁性体とを備えたイオンビーム加速装置
において、 前記複数の磁性体毎に設けられた複数の高周波電力発生
装置と、前記複数の磁性体毎に設けられ、かつ前記複数
の高周波電力発生装置から出力される高周波電力を対応
する各磁性体に伝送する複数の電力伝送路とを備えたこ
とを特徴とする イオンビーム加速装置。 - 【請求項２】前記電力伝送路は、前記高周波電力発生装
置から出力される高周波電力を増幅する増幅器を有する
ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム加速装
置。 - 【請求項３】内部をイオンビームが通過する真空ダクト
と、前段加速器で加速されたイオンビームを前記真空ダ
クトに入射する入射器と、前記真空ダクトに沿って設け
られた偏向磁石及び４極磁石と、イオンビームを加速す
るイオンビーム加速装置と、イオンビームを出射する出
射器とを備えた円形加速器において、 前記イオンビーム加速装置は、内部に空間を有する加速
空胴外導体と、前記加速空胴外導体の１つの側壁を貫通
するとともに内部をイオンビームが通過する加速空胴内
導体と、前記加速空胴外導体内に前記加速空胴内導体を
取り囲むように配置された複数の磁性体と、前記複数の
磁性体毎に設けられた複数の高周波電力発生装置と、前
記複数の磁性体毎に設けられ、かつ前記複数の高周波電
力発生装置から出力される高周波電力を対応する各磁性
体に伝送する複数の電力伝送路とを有することを特徴と
する円形加速器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25783198A JP3367433B2 (ja) | 1994-11-04 | 1998-09-11 | イオンビーム加速装置およびそれを用いた円形加速器 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6-270889 | 1994-11-04 | ||
| JP27088994 | 1994-11-04 | ||
| JP25783198A JP3367433B2 (ja) | 1994-11-04 | 1998-09-11 | イオンビーム加速装置およびそれを用いた円形加速器 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28562795A Division JP2856126B2 (ja) | 1994-11-04 | 1995-11-02 | イオンビーム加速装置およびそれを用いた円形加速器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11144898A JPH11144898A (ja) | 1999-05-28 |
| JP3367433B2 true JP3367433B2 (ja) | 2003-01-14 |
Family
ID=26543413
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25783198A Expired - Lifetime JP3367433B2 (ja) | 1994-11-04 | 1998-09-11 | イオンビーム加速装置およびそれを用いた円形加速器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3367433B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3200566B1 (en) * | 2014-09-22 | 2022-08-31 | Mitsubishi Electric Corporation | Electricity supply connection plates |
-
1998
- 1998-09-11 JP JP25783198A patent/JP3367433B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11144898A (ja) | 1999-05-28 |
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