JP3382749B2 - 荷電粒子加速装置 - Google Patents

荷電粒子加速装置

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【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、電子滅菌装置等に適用
される荷電粒子加速装置に関する。 【0002】 【従来の技術】線形粒子加速器(LINAC)は、進行
波型、定在波型を問わず極めて高いQ値(通常1000
0以上)の多数の共振キャビティ群(加速構造)から構
成されている。 【0003】荷電粒子の加速は、この加速構造内に共振
周波数の大電力マイクロ波(通常2856MHZ 又は29
98MHZ )を入力し、加速粒子とほぼ同等の位相速度を
有する加速電界を発生させることにより行う。各共振キ
ャビティでは、金属表面のスキンデプス内で入力マイク
ロ波のオーム損が発生し、各共振キャビティの熱負荷と
なる(これを壁面損失と呼ぶ)。 【0004】荷電粒子ビームが存在する状態では、加速
用マイクロ波から荷電粒子へのエネルギーの供給(ビー
ムローディング)があるため、各キャビティでのマイク
ロ波の強度は一定ではなく、強度の分布が発生する。 【0005】進行波型電子加速器の例について説明する
と、エネルギー変換効率の改善等を目的として一定勾配
型の設計とするのが通常であるため、電子ビームがない
状態では各キャビティのマイクロ波強度がほぼ一様であ
るが、マイクロ波エネルギーの流れは図8に示す通りと
なり、同図8に示すように加速用マイクロ波強度に分布
が発生し、これに比例して壁面損失にも分布が発生して
各キャビティの熱負荷となる。 【0006】従来の加速器においては、各キャビティは
一定温度の冷媒で一様な液冷がおこなわれていたが、こ
れを大出力で使用する場合には、大きな熱負荷により各
キャビティがわずかであるが膨張し、各キャビティのQ
値が大きいために共振周波数が低下し、これとともに加
速位相がずれて加速性能が大幅に低下することがあっ
た。 【0007】これに対処するため、加速器出力の増加と
ともに冷媒温度を下げるよう制御した例もある(米国M
IT400MeV LINAC 参考文献 Linear Acc
elerators P445〜P446 P.M.Lapostolle and A.L.Septie
r North-Holland PublishingCompany)が、更に大出力
が要求される場合には、上記の熱負荷分布により各キャ
ビティ毎に熱膨張が異なり、共振周波数の分布が発生し
て加速位相のずれを許容値内に抑え切れず、加速性能が
低下することがあった。 【0008】 【発明が解決しようとする課題】従来の加速器において
は、前記のように大出力で使用する場合には、大きな熱
負荷により各キャビティが膨張し、各キャビティの共振
周波数が低下し、加速位相がずれ、加速性能が大幅に低
下することがあった。 【0009】本発明は、上記課題を解決するため、高熱
負荷下での加速器のキャビティの位相のずれ量を最小と
することにより、大出力の加速器を実現しようとするも
のである。 【0010】 【課題を解決するための手段】本発明の荷電粒子加速装
置は、その内部の軸方向に複数の共振キャビティが形成
され荷電粒子ビームが一端側から他端側へ通過する加速
管、同加速管の一端部に設けられた加速用マイクロ波の
入力カプラ、および上記加速管の他端部に出力カプラを
介して設けられたダミーロードを備えた荷電粒子加速装
置において、上記加速管の外側に設けられ同加速管の一
端側から他端側に向けて減少する熱負荷分布に対して冷
却水水路の厚さを入口側から出口側に向かって軸方向に
漸次拡大することによりそれぞれの共振キャビティの熱
膨張を一様とする冷却手段を備えたことを特徴としてい
る。 【0011】 【0012】 【作用】上記発明において、加速管の外側に配設される
冷却手段は、冷却水水路の厚さを入口側から出口側に向
かって軸方向に漸次拡大するように構成され、加速管の
一端側で冷却能力が高く、他端側に向かうに従い冷却能
力が低下するものであるため、一端側から他端側に向か
って漸減する熱負荷に対してそれぞれの共振キャビティ
の熱膨張を一様とし、共振周波数のズレを一様とするこ
とができる。 【0013】 【0014】 【0015】 【0016】 【実施例】本発明の一実施例に係る荷電粒子加速装置を
図1に示す。なお、本実施例は、進行波型25KWビーム
出力電子加速器の場合であり、加速用マイクロ波は28
56MHZ を使用し、設計運転温度は30℃としたもので
ある。 【0017】図1に示す本実施例は、図1(a)に示す
ように内面に加速管スペーサ2が設けられ内部にその中
心軸と直角の複数の加速管ディスク3が設けられそれぞ
れの加速管ディスク3の間に共振キャビティ4が形成さ
れた加速管8、同加速管8の左端側に接続され加速用マ
イクロ波9を入力する入力カプラ5、および上記加速管
8の右端部に出力カプラ6を介して接続されたダミーロ
ード7を備えた電子加速器において、図1(b)に示す
ように上記加速管8の左端の入口付近から軸方向の距離
が50cmまではその厚さが3mmと最も薄く、50cmから
80cmの間は4mm、80cmから120cmの間は6mm、1
20cmから150cmの間は10mm、150cmから出口ま
では15mmと漸次拡大する冷却水ジャケット1を上記加
速管8外側に備えている。 【0018】上記において、加速管8の冷却は、30℃
の純水を使用し、これが加速管8外側の冷却水ジャケッ
ト1中を軸方向に300L/min の流速で流れることに
より行われる。加速用マイクロ波9は、加速管8左端の
入力カプラ5から入力され、壁面損失と電子加速により
エネルギーを失いながら右端へ進行し、出力カプラ6を
経てダミーロード7に達し、ここで消費される。 【0019】図2は、本実施例の電子加速器の25KW出
力時の熱負荷の分布を示しており、熱負荷は加速管8の
入口付近で最大となった後、加速用マイクロ波9のエネ
ルギーが電子に与え続けられるために漸減し、加速管8
の出口付近ではほぼゼロとなる。 【0020】上記冷却水ジャケット1を用いて冷却した
場合、冷却水のレイノルズ数が図3(a)に示される通
り変化し、加速管8から冷却水への熱伝達率が制御され
て熱負荷の分布にも拘わらず加速管温度が一様化され、
加速管の周波数ズレが図3(b)に示される通りほぼ一
様化される。 【0021】しかしながら、上記冷却を行った場合に
も、加速位相ずれは加速管出口付近では図3(c)に示
す通り40°近くとなるため、加速特性は大幅に劣化す
る。このため、加速用マイクロ波周波数を低い方へずら
すか若しくは冷却水温度を30℃から更に下げてやる必
要がある。 【0022】これにより加速特性の改善を図ることがで
きる理由は、各キャビティの共振周波数ズレ量と加速位
相変動には次式(1)に示す関係があり、共振周波数ズ
レの一様化が達成されていれば、加速用マイクロ波を共
振周波数ズレ分だけ変化させることにより加速位相変動
量をゼロにすることができるためである(共振周波数ズ
レが完全に一様化されていない場合でも、加速位相変動
量を小さな値に抑えることができる)。 【0023】 【数1】 【0024】また、共振周波数ズレと(冷媒温度−加速
管設計温度)の間にはほぼ正比例の関係があり、共振周
波数を制御する代わりに液冷の冷媒温度を制御すること
により同様の効果が得られるためである。 【0025】上記加速特性の改善を図るため、加速用マ
イクロ波周波数をずらす方式による場合には、最適のズ
レ周波数は次式(2)に示す評価関数F(df)を最小
とするdfの数値解を得ることにより、容易に求めるこ
とができる。即ち、本実施例の場合、図4(a)に示す
最小点に対応する周波数が求めるdfである。 【0026】 【数2】 【0027】図4(b)は、加速用マイクロ波周波数を
dfずらした場合の加速位相ずれ量を示している。この
図4(b)から判るように、従来の冷却方式及び加速周
波数の制御方式では不可能であった低加速位相変動量
(±3°以内)が達成されており、大出力の加速におい
ても良好な加速特性が期待できる。 【0028】本実施例における熱負荷の冷却方式は、上
記のように冷却水水路の厚さによりレイノルズ数を制御
する方式であるが、その他にも参考例として以下のよう
に種々の方式が考えられる。 【0029】図5に示すものは、冷却水との接触面積を
制御して冷却能力を制御する方式であり、冷却水ジャケ
ット11の冷却水との接触面11aを歯型に加工して接
触面積を増やし冷却能力を増加させる方式と、接触面の
一部を熱伝達率の悪い材料11dで覆うか接触面付近で
流れを妨げるような構造として冷却能力を減少する方式
がある。 【0030】また、図6に示すものは、パイプ12によ
りジャケットを形成しパイプ数の増加、パイプ内のフィ
ンやパイプ12と加速管8の接着面積を増加させ冷却能
力を増加させる方式と、パイプ数の減少、パイプ12と
加速管8の接着面積の減少や接着部分に熱伝達率の悪い
材料12aを挟む等により冷却能力を減少させる方式が
ある。 【0031】更に、図7に示すものは、加速管8の各部
分に独立の冷却系を備え、熱負荷に応じて冷却水温度を
変化させる方式で、入力カプラ5の近傍で最低の冷却水
温とし、出力カプラ6に向かうに従って冷却水温を上昇
させるものである。 【0032】 【発明の効果】本発明の荷電粒子加速装置は、冷却水水
路の厚さを入口側から出口側に向かって軸方向に漸次拡
大するように構成されて加速管内の軸方向に複数配列さ
れた共振キャビティの熱負荷による熱膨張をそれぞれ一
様とする冷却手段が加速管の外側に配設されたことによ
って、加速位相変動量をゼロとすることが可能となり、
大出力・高エネルギー密度の加速装置の実現を可能とす
る。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の一実施例に係る電子加速器の説明図
で、(a)は電子加速器全体、(b)は冷却水ジャケッ
トの説明図である。 【図2】上記一実施例に係る装置の25KW出力時におけ
る各共振キャビティの熱負荷分布の説明図である。 【図3】上記一実施例に係る冷却水ジャケットの効果の
説明図で、(a)は冷却水のレイノルズ数、(b)は加
速管周波数ズレ、(c)は加速位相ズレの説明図であ
る。 【図4】上記一実施例に係る加速用マイクロ波周波数調
整による効果の説明図で、(a)は評価関数、(b)は
加速位相ズレの説明図である。 【図5】上記一実施例に係る冷却水ジャケットが他の方
式の場合の説明図である。 【図6】上記一実施例に係る冷却水ジャケットが更に他
の方式の場合の説明図である。 【図7】上記一実施例に係る冷却水ジャケットが独立の
冷却系により形成される場合の説明図である。 【図8】従来の装置の説明図である。 【符号の説明】 1 冷却水ジャケット 2 加速管スペーサ 3 加速管ディスク 4 共振キャビティ 5 入力カプラ 6 出力カプラ 7 ダミーロード 8 加速管 9 加速用マイクロ波 10 電子ビーム 11 冷却水ジャケット 12 冷却水パイプ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−203998(JP,A) 特開 昭55−32382(JP,A) 特開 昭57−95100(JP,A) 実開 昭60−48700(JP,U) 特公 昭42−7755(JP,B1) 特公 昭39−30372(JP,B1) 実公 昭40−2000(JP,Y1) 実公 昭48−6158(JP,Y1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H05H 9/00 A61L 2/08

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 その内部の軸方向に複数の共振キャビテ
    ィが形成され荷電粒子ビームが一端側から他端側へ通過
    する加速管、同加速管の一端部に設けられた加速用マイ
    クロ波の入力カプラ、および上記加速管の他端部に出力
    カプラを介して設けられたダミーロードを備えた荷電粒
    子加速装置において、上記加速管の外側に設けられ同加
    速管の一端側から他端側に向けて減少する熱負荷分布に
    対して冷却水水路の厚さを入口側から出口側に向かって
    軸方向に漸次拡大することによりそれぞれの共振キャビ
    ティの熱膨張を一様とする冷却手段を備えたことを特徴
    とする荷電粒子加速装置。
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