JP3971351B2

JP3971351B2 - 粒子加速器

Info

Publication number: JP3971351B2
Application number: JP2003197336A
Authority: JP
Inventors: 洋文宮崎
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2023-07-15
Also published as: JP2005038628A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は粒子加速器に関し、特に放射性同位元素の製造等に好適な粒子加速器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サイクロトロン等の粒子加速器に使用される高周波加速空洞（ＲＦキャビティ）は、イオン源から導入されたイオンを加速するために、通常、対向した一対の加速電極（通称、「ディ」）を備えている。このディには、印加する高周波電圧の周波数に応じた長さの内導体（ステム）が連結されている。この内導体の周囲には外導体が設けられており、これら内導体及び外導体の間にショート板（短絡板）が接触配置される。
【０００３】
一般に、高周波電圧の周波数が高い場合（１００ＭＨｚ以上）には、内導体の長さは短くてもよく、内導体はディの並び方向と同方向に延びている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１４４５９７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
粒子加速器を陽電子放射断層撮影装置（ＰＥＴ）等に用いる場合には、製造する放射性同位元素の種類等に応じて、陽子の他に重陽子を加速する必要がある。重陽子を加速する場合、ハーモニック数（＝加速周波数／ビームの回転周波数）を陽子を加速する場合の２倍にする必要があるが、加速周波数が１００ＭＨｚ程度の高い値であると、陽子のハーモニック数が４となり、重陽子については８が必要になる。しかるに、ハーモニック数が４よりも大きいと、加速効率が低下して、十分なビーム電流を得ることができない。従って、陽子の加速だけでなく重陽子の加速をも可能にするには、印加する高周波電圧の周波数を低く（５０ＭＨｚ未満）しなければならず、必然的に内導体の長さが長くなってしまう。
【０００６】
しかしながら、内導体がディの並び方向に延びる従来の粒子加速器では、内導体の長さが長くなってしまうと、粒子加速器の大型化を招いてしまう。
【０００７】
本発明は、上記した事情に鑑みて為されたものであり、複数種の粒子について効率的な加速を可能とする小型の粒子加速器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る粒子加速器は、一対の磁極と、一対の磁極間において所定軸上に対向配置される一対の加速電極と、一対の加速電極にそれぞれ連結される一対の内導体と、一対の内導体をそれぞれ取り囲む一対の外導体と、を備える。そして、一対の内導体は、所定軸と交差する方向に所定軸に対して反対方向に延びていることを特徴とする。
【０００９】
この粒子加速器では、一対の内導体は所定軸と交差する方向に延びているため、内導体の長さを長くした場合であっても、従来の加速器と比べて小型化を図ることができる。また、一対の内導体は所定軸に対して反対方向に延びているため、所定軸を挟んで磁極の両側にフォイルストリッパーやターゲット等の装置を配置することができ、スペースの有効利用が図られる。また、所定軸に対して対称に一対のフォイルストリッパーを配置することができるため、２ポート照射の制御が容易になる。
【００１０】
本発明に係る粒子加速器は、内導体と外導体とを短絡させるショート板を備え、内導体の軸と所定軸との交点と、内導体の軸とショート板との交点と、を結ぶ直線と、所定軸とのなす角度は、鋭角であることを特徴としてもよい。このようにすれば、粒子加速器がより一層コンパクトになる。また、ショート板と内導体との交点近傍の磁界が最大になる部分において、内導体と外導体との距離を離すことができるため、当該交点近傍での磁界を弱めることで発熱を抑えることができる。
【００１１】
本発明に係る粒子加速器では、一対の加速電極の対向する先端部同士は、機械的且つ電気的に接続されていることを特徴としてもよい。このようにすれば、一対の加速電極に同位相で高周波電圧を印加することができるため、アンプを共通化することができる。また、内導体が熱変形を起しても加速電極の先端部が磁極の中心からズレにくいため、粒子を安定的に加速することができる。
【００１２】
本発明に係る粒子加速器は、一対の磁極を取り囲む環状のヨークを備え、ヨークの長軸は、所定軸に沿うことを特徴としてもよい。このようにすれば、内導体をヨークの側方から外に向かって延ばすことができる。
【００１３】
本発明に係る粒子加速器は、一対の磁極、一対の加速電極、一対の内導体、及び一対の外導体を収容する真空箱であって、真空排気のための排気口を有する真空箱を備え、一対の磁極の対向する面には、谷領域と山領域とが交互に連続して設けられており、一対の磁極の中心と真空箱の排気口との間に、谷領域があることを特徴としてもよい。このようにすれば、真空箱内の効率的な排気が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る粒子加速器としてサイクロトロンの構成を示す正面図である。図１に示すように、本実施形態に係るサイクロトロン１０は縦型で、また全体が放射線を遮断する鉛等の遮蔽壁１００で覆われた自己シールド型のサイクロトロンである。
【００１６】
図２は、図１に示すサイクロトロン長軸に沿ってＩＩ−ＩＩ線で切断したサイクロトロン１０の断面図である。また図３は、サイクロトロン１０の本体部１２と蓋部１４とを分離した状態の断面図である。また図４は、サイクロトロン１０の本体部１２の正面図である。
【００１７】
図２〜４に示すように、サイクロトロン１０は、一対の磁極１６と、一対のコイル１８と、真空箱２０と、一対の加速電極２２と、一対の内導体２４と、一対の外導体２６と、一対のショート板３７と、ヨーク２８と、を備えている。
【００１８】
一対の磁極１６は、図４及び図５に示すように、それぞれ円板状の外形を有する。これら磁極１６の対向する面には、それぞれ谷領域１６ａと山領域１６ｂとが交互に連続して設けられている。より詳細には、これら磁極１６の対向する面は、それぞれ４つの谷領域１６ａと４つの山領域１６ｂとが交互に現れる８つの扇形のセクタに分割されている。このように構成することで、セクターフォーカシングを利用して加速粒子の高集束を図っている。
【００１９】
ヨーク２８は、本体部１２側のヨーク本体２８ａと、蓋部１４側のヨーク蓋２８ｂとを有している。ヨーク本体２８ａは、図２及び図３に示すように、縦断面がコ字状をなす。ヨーク蓋２８ｂは、鉛直方向に沿って延び、正面視が長方形状をなす。ヨーク蓋２８ｂの長軸は、磁極１６の直径の二倍程度の長さであり、短軸は磁極１６の直径よりも若干長い程度の長さである。一対の磁極１６の一方は、ヨーク本体２８ａ上に設けられ、他方の磁極１６は、ヨーク蓋２８ｂ上に設けられている。そして、固定側のヨーク本体２８ａに対して可動側のヨーク蓋２８ｂを付き当てることで、図２に示すように、環状のヨーク２８が構成されている。なお、ヨーク蓋２８ｂの長軸はヨーク２８全体としての高さと等しく、以降はこれをヨーク長軸という。このヨーク長軸が、サイクロトロン長軸となる。
【００２０】
真空箱２０は、図６に示すように、箱本体３０と箱蓋３２とを有している。箱本体３０は、底壁部３０ａと側壁部３０ｂとを含んでいる。底壁部３０ａには、磁極１６の外形と略同径の開口部３０ｃが設けられている。また、底壁部３０ａには真空排気用の２つの排気口３０ｄが設けられている。これら排気口３０ｄに、図１に示すように真空ポンプ１０２が接続される。この箱本体３０が、図２〜４に示すように、サイクロトロン１０の本体部１２側に取り付けられる。箱本体３０が取り付けられたとき、磁極１６の表面は開口部３０ｃを通して真空箱２０内に突出している。箱蓋３２は、箱本体３０の上部開口を塞ぐ。この箱蓋３２には、磁極１６の外形と略同径の開口部３２ａが設けられている。この箱本体３２が、図２〜４に示すように、サイクロトロン１０の蓋部１４側に取り付けられる。箱蓋３２が取り付けられたとき、磁極１６の表面は開口部３２ａを通して真空箱２０内に突出している。
【００２１】
サイクロトロン１０の本体部１２側のコイル１８は、磁極１６の周りであってヨーク本体２８ａと箱本体３０との間に設けられており、電磁石が構成されている。また、サイクロトロン１０の蓋部１４側のコイル１８は、磁極１６の周りであってヨーク蓋２８ｂと箱蓋３２との間に設けられており、電磁石が構成されている。
【００２２】
一対の加速電極２２は、図４に示すように、それぞれ正面視において略三角形状をなす。各加速電極２２は、図７に示すように、上下２枚の三角板を底辺で連結して構成されている。そして、加速電極２２の板面には複数の孔２２ａが穿設されている。これにより、真空排気の効率化とサイクロトロン１０の軽量化が図られている。かかる構成の一対の加速電極２２が、図３及び図４に示すように、サイクロトロン１０の本体部１２側に設けられている。ここで、一対の加速電極２２が並置される並び軸（所定軸）Ｘは、ヨーク長軸に沿っていると好ましい。本実施形態では、並び軸Ｘとヨーク長軸とは一致している。
【００２３】
これら一対の加速電極２２は、一対の磁極１６の谷領域１６ａに位置する。そして、加速電極２２の先端部同士が、図７に示すように、蝶の羽のような外形を有する接続部材３４により、機械的且つ電気的に接続されている。
【００２４】
一対の内導体２４は、図４及び図７に示すように、それぞれ加速電極２２の並び軸Ｘと交差する方向に、当該並び軸Ｘに対して反対方向に延びている。これら一対の内導体２４はそれぞれ円筒状の部材であり、一端が加速電極２２に接続されている。そして、加速電極２２の並び軸Ｘと内導体２４の軸との交点Ｐ１と、内導体２４の軸とショート板３７との交点Ｐ２と、を結ぶ直線と、並び軸Ｘとのなす角度θは鋭角である。なお、内導体２４は湾曲していてもよい。このようにすれば、サイクロトロン１０がよりコンパクトになる。また、ショート板３７と内導体２４との交点Ｐ２近傍の磁界が最大になる部分において、内導体２４と外導体２６との距離を離すことができるため、当該交点Ｐ２近傍での磁界を弱めることで発熱を抑えることができる。更に、内導体２４と真空箱２０との距離を離すことができるため、当該交点Ｐ２近傍での磁界が真空箱２０に与える影響を弱めることで発熱を抑えることができる。
【００２５】
一対の外導体２６は、それぞれ一対の内導体２４を取り囲む。各外導体２６は、図８に示すように、外導体本体部３６と外導体蓋部３８とを含み、所定周波数を生成するように外形が設計されている。外導体本体部３６は、底壁部３６ａと側壁部３６ｂとカウンタ電極３６ｃとを有する。カウンタ電極３６ｃは、外形が加速電極２２よりも若干大きく、加速電極２２の下板を収容可能である。これにより、加速電極２２の下板とカウンタ電極３６ｃの上端が面一になる。この外導体本体部３６が、サイクロトロン１０の本体部１２側で真空箱２０の箱本体３０上に設けられている。このとき、カウンタ電極３６ｃは磁極１６の谷領域１６ａに入り込む。そして、側壁部３６ｂの一端に、ショート板３７が設けられている。ショート板３７は、内導体２４と外導体２６とを短絡する。このショート板３７に設けられた開口部３７ｅを通して、加速電極２２が連結された内導体２４が支持されている。
【００２６】
外導体蓋部３８は、底壁部３８ａと側壁部３８ｂとカウンタ電極３８ｃとを有する。カウンタ電極３８ｃは、外形が加速電極２２よりも若干大きく、加速電極２２の上板を収容可能である。これにより、加速電極２２の上板とカウンタ電極３８ｃの下端が面一になる。この外導体蓋部３８が、サイクロトロン１０の蓋部１４側で真空箱２０の箱蓋３２上に設けられる。このとき、カウンタ電極３８ｃは磁極１６の谷領域１６ａに入り込む。
【００２７】
サイクロトロン１０の本体部１２と蓋部１４とを合体させたとき、外導体本体部３６と外導体蓋部３８とが合体し、閉空間が形成される。この閉空間内に、加速電極２２及び内導体２４が収容される。このようにして、外導体２６、内導体２４、ショート板３７、及び加速電極２２により、高周波加速空洞（ＲＦキャビティ）が形成される。なお、外導体本体部３６及び外導体蓋部３８それぞれの側壁部３６ｂ，３８ｂの縁とショート板３７の縁には、コンタクトフィンガー４０が設けられている。コンタクトフィンガー４０は、図９に示すように、バネ板片４０ａを所定方向に連続して並べて構成したものである。このように、外導体本体部３６と外導体蓋部３８及びショート板３７がコンタクトフィンガー４０を介して合わさることで、両者の確実な電気的接続が図られている。
【００２８】
一対の内導体２４は、図４に示すように、それぞれ真空箱２０の外まで延びている。これら内導体２４の内部には、冷媒を循環させるための管４２が通っており、加速電極２２及び内導体２４を冷却できるようになっている。また、外導体２６の内部にも冷媒を循環させるための管４４が通っており、外導体２６を冷却できるようになっている。
【００２９】
このように、本実施形態に係るサイクロトロン１０では、一対の内導体２４は、それぞれ加速電極２２の並び軸Ｘと交差するように、当該並び軸Ｘに対して反対方向に延びている。従って、磁極１６の周りには他の装置を配置するスペースが生じる。そこで、このスペースに、並び軸Ｘに対して対称な位置に、加速粒子を取り出すためのフォイルストリッパー４６と、放射性同位元素を生成するためのターゲット４８とを配置している。また、真空箱２０の右方に、先端が磁極１６内に至る電流検出器５０が設けられている。
【００３０】
また、真空箱２０に設けられた排気口３０ｄと、磁極１６の中心部に設けられたビーム引出し部Ｏとの間に、磁極１６の谷領域１６ａが存在している。よって、排気口３０ｄからビーム引出し部Ｏが見通せるようになっている。
【００３１】
本実施形態に係るサイクロトロン１０では、磁極１６の中心部に設けられたビーム引出し部Ｏから引き出された陽子或いは重陽子といった加速粒子は、ＲＦキャビティにより生成される加速電極２２とカウンタ電極３６ｃ，３８ｃとの間の電界により多重加速される。そして、加速に伴って軌道半径が大きくなり、最後にフォイルストリッパー４６のフォイルにより軌道が曲げられて、ターゲット４８内に進入する。
【００３２】
次に、本実施形態に係るサイクロトロン１０の作用及び効果について説明する。
【００３３】
本実施形態に係るサイクロトロン１０では、一対の内導体２４は加速電極２２の並び軸Ｘと交差する方向に延びているため、内導体２４の長さを長くした場合であっても、従来の加速器と比べて小型化を図ることができる。また、一対の内導体２４は並び軸Ｘに対して反対方向に延びているため、当該並び軸Ｘを挟んで磁極１６の両側にフォイルストリッパー４６やターゲット４８を配置することができ、スペースの有効利用が図られる。また、並び軸Ｘに対して対称に一対のフォイルストリッパー４６を配置することができるため、２ポート照射の制御が容易になる。発明者は、フォイルストリッパー４６を対称に配置した場合には、同じ強度のビームを安定して取り出すことが可能であり、磁極１６の片側にフォイルストリッパーを２つ配置する場合と比較して、その制御が容易になることを見出した。
【００３４】
なお、サイクロトロン１０の小型化を図るために、一対の内導体２４を、加速電極の並び軸Ｘの同じ側において、磁極１６の側面に沿うように屈曲して延ばすことも考えられるが、この場合は、フォイルストリッパーやターゲット等の装置の設置スペースが磁極１６の一側に限られてしまい、ビームの有効利用が図れない。
【００３５】
また本実施形態に係るサイクロトロン１０では、加速電極２２の並び軸Ｘと内導体２４の軸との交点Ｐ１と、内導体２４の軸とショート板３７との交点Ｐ２と、を結ぶ直線と、並び軸Ｘとのなす角度θは鋭角であるため、サイクロトロン１０のより一層のコンパクトが図られる。また、ショート板３７と内導体２４との交点Ｐ２近傍の磁界が最大になる部分において、内導体２４と外導体２６との距離を離すことができるため、当該交点Ｐ２近傍での磁界を弱めることで発熱を抑えることができる。更に、内導体２４と真空箱２０との距離を離すことができるため、当該交点Ｐ２近傍での磁界が真空箱２０に与える影響を弱めることで発熱を抑えることができる。
【００３６】
また本実施形態に係るサイクロトロン１０では、一対の加速電極２２の対向する先端部同士は、接続部材３４を介して機械的且つ電気的に接続されているため、一対の加速電極２４に同位相で高周波電圧を印加することができ、アンプを共通化することができる。
【００３７】
また本実施形態に係るサイクロトロン１０では、内導体２４及び外導体２６に設けられた管４２，４４に冷媒を循環させることにより、ＲＦキャビティの温度上昇を抑制し、内導体２４の熱膨張による変形を抑制して、粒子の安定的な加速を図ることができる。また、たとえ内導体２４が熱変形を起しても、一対の加速電極２２の先端部同士が接続されているため、磁極１６の中心に対して回動するだけで、加速電極２２の先端部が磁極の中心からズレにくいため、粒子を安定的に加速することができる。ここで、加速電極２２の先端部はビーム引き出し部Ｏと対向しており、正常なビーム引出しのためには、０．１ｍｍ程度の位置精度が要求される。従って、このように一対の内導体２４を加速電極２２の並び軸Ｘに対して対称に反対方向に延ばすことで、位置精度が高められ、正常なビーム引き出しが可能となる。
【００３８】
また本実施形態に係るサイクロトロン１０では、一対の加速電極２２の並び軸Ｘがヨーク長軸に沿っているため、内導体２４をヨーク２８の側方から外に向かって延ばすことができる。これにより、サイクロトロン１０の大型化が抑制される。
【００３９】
また本実施形態に係るサイクロトロン１０では、一対の磁極１６の中心と真空箱２０の排気口３０ｄとの間に磁極１６の谷領域１６ａがあり、磁極１６の中心から排気口３０ｄに至るガスの流れを遮るものが少ないため、真空箱２０内の効率的な排気が可能となり、真空ポンプ１０２への負荷を軽減することができる。
【００４０】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、ショート板３７は、内導体２４の軸方向に可動に構成してもよい。このようにすれば、周波数の微調整を行うことができる。
【００４１】
また、一対の加速電極２２の並び軸Ｘは、ヨーク長軸に対して±２０°程度の角度範囲内で傾斜していてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、複数種の粒子について効率的な加速を可能とする小型の粒子加速器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るサイクロトロンの構成を示す正面図である。
【図２】長軸に沿って切断したサイクロトロンの断面図である。
【図３】サイクロトロンの本体部と蓋部とを分離した状態の断面図である。
【図４】サイクロトロンの本体部の正面図である。
【図５】一対の磁極の構成を示す斜視図である。
【図６】真空箱の構成を示す斜視図である。
【図７】加速電極及び内導体の構成を示す斜視図である。
【図８】外導体及びショート板の構成を示す斜視図である。
【図９】コンタクトフィンガーの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…サイクロトロン、１６…磁極、１６ａ…谷領域、１６ｂ…山領域、２０…真空箱、２２…加速電極、２４…内導体、２６…外導体、２８…ヨーク、３０ｄ…排気口、３７…ショート板、Ｘ…並び軸。

Claims

一対の円板状の磁極と、該一対の円板状の磁極間において該円板の径方向に延びる所定軸上に対向配置される一対の加速電極と、該一対の加速電極にそれぞれ連結される一対の内導体と、該一対の内導体をそれぞれ取り囲む一対の外導体と、を備える粒子加速器であって、
前記内導体と前記外導体とを短絡させるショート板を備え、
前記一対の内導体は、前記所定軸と交差する方向に、該所定軸に対して反対方向に延びており、
前記内導体の軸と前記所定軸との交点と、該内導体の軸と前記ショート板との交点と、を結ぶ直線と、該所定軸とのなす角度は、鋭角であることを特徴とする粒子加速器。
一対の円板状の磁極と、該一対の円板状の磁極間において該円板の径方向に延びる所定軸上に対向配置される一対の加速電極と、該一対の加速電極にそれぞれ連結される一対の内導体と、該一対の内導体をそれぞれ取り囲む一対の外導体と、を備える粒子加速器であって、
前記一対の内導体は、前記所定軸と交差する方向であって前記一対の円板状の磁極の円板平面視において該磁極と交わらない方向に、該所定軸に対して反対方向に延びていることを特徴とする粒子加速器。
前記一対の加速電極の対向する先端部同士は、機械的且つ電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子加速器。
前記一対の磁極を取り囲む環状のヨークを備え、
前記ヨークの長軸は、前記所定軸に沿うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の粒子加速器。
前記一対の磁極、前記一対の加速電極、前記一対の内導体、及び前記一対の外導体を収容する真空箱であって、真空排気のための排気口を有する真空箱を備え、
前記一対の磁極の対向する面には、谷領域と山領域とが交互に連続して設けられており、
前記一対の磁極の中心と前記真空箱の前記排気口との間に、前記谷領域があることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の粒子加速器。