JP4194105B2 - Ｈモード・ドリフトチューブ線形加速器及びその設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、共振器内部に発生するＴＥ波（Ｈモード）を利用したＨモード・ドリフトチューブ線形加速器及びその設計方法に関し、特に、線形加速器の設計方法における自動チューナーの選定方法及びその選定方法によって選定された自動チューナーの調節方法に関する。

ビーム軸に対し垂直に電流が流れるＴＥ波（Ｈモード）を利用して荷電粒子を加速するドリフトチューブ線形加速器をＨモード・ドリフトチューブ線形加速器と呼ぶ。Ｈモード・ドリフトチューブ線形加速器では、空洞共振器内に、そのビーム軸に沿って多数のドリフトチューブが配列されており、それぞれ隣り合うドリフトチューブ間のギャップに所定の電圧が発生していて、粒子がドリフトチューブの中を通過するたびにその電圧により次々と加速されるようになっている。

Ｈモード・ドリフトチューブ線形加速器のうち、Interdigital H-mode（ＩＨ）型共振器を用いた線形加速器をＩＨ型線形加速器と呼ぶ。代表的なＩＨ型共振器は円筒形の共振器内部に上下（対向方向に）２枚のリッジと呼ばれる板が取り付けられている構造を持つ（リッジはなくても良い）。これらのリッジには、ステムを介して複数個のドリフトチューブが上下交互に取り付けられて軸方向に配列されている。粒子はこれらのドリフトチューブの中を通過して軸方向に進む。

線形加速器では、共振器の空洞全体の共振周波数や電圧分布を調整するためにチューナーが設けられている。電圧分布及び共振周波数の粗調整は、共振器のタンク側壁に設けられた複数個の固定チューナーを用いて行われる。これら固定チューナーは調整後は溶接され、固定される。更に微調整は手動チューナーが用いられ最終的な空洞の電圧が決定される。

線形加速器の運転中には、タンクの熱膨張等によって共振周波数が変化することがある。自動チューナーは、このような温度変化による共振周波数の変動を運転中に補正するのに有効である。温度変化などによるタンク側の共振周波数の微少なずれは、高周波増幅器の出力の進行波成分とタンク内でピックアップしたモニタ信号の位相差を測定することで求められる。測定された位相差は自動周波数調整回路（ＡＦＣ）により計算され、更に微少な共振周波数のずれを補正するよう自動チューナーが駆動される。

Ｈモード・ドリフトチューブ線形加速器では、複数のチューナーが使用されており、その一部を自動チューナーとして使用し、残りを手動及び固定チューナーとして使用している。これらのチューナーは、いずれも後述するように、共振器タンクの外面に軸方向に配置され、共振器タンクの側壁から先端部を空洞内に挿入して、共振器の回路定数を変化させることによって共振周波数又は電圧分布を変更させるものである。共振器のインダクタンスを変化させるように構成されたものが誘導チューナーすなわちＬチューナーであり、共振器の容量を変化させるように構成されたものが容量チューナーすなわちＣチューナーである。

自動チューナーとしては、電圧分布を変えずに周波数のみを変える機能が求められる。しかしながら、１つのチューナーの位置を変えると、共振器全体の電圧分布が変わることがある。これは、特に、ＩＨ型線形加速器において顕著であることが分かっている。そのため位置の異なる複数のチューナーを用いて電圧変化を打ち消して電圧分布を変えないようにする必要がある。共振器の電圧分布は、共振器全体の構造に依存するため、電圧分布を正確に求めるためには、三次元電磁場計算を行う必要がある。しかしながら、チューナー挿入量と電圧変化の関係を求めるのに、全チューナーに対して挿入量を細かく変え三次元電磁場計算を行うことは多大な時間を要する。自動チューナーとして適切なチューナーの組み合わせを調べるために、このような三次元計算を繰り返すのは現実的でない。

山田聰、外３名、「重粒子線がん治療装置建設総合報告書」、１９９５年５月、放射線医学総合研究所

本発明の目的は、多大な時間を必要とせずに自動チューナーとして適切なチューナーの組み合わせを調べるための方法を提供することであり、また、そのような方法によって選定した自動チューナーを使用して線形加速器を設計すること及びそのように設計された線形加速器を提供すること並びに選定した自動チューナーの調節方法を提供することである。

本発明の１つの特徴によれば、共振器内部に発生するＴＥ波（Ｈモード）を利用したＨモード・ドリフトチューブ線形加速器の設計方法において、共振器の軸方向に配置された複数のチューナーの中から少なくとも２つのチューナーを選択し、それらのチューナーの共振器軸方向の位置とその共振器内部への挿入量との組み合わせを利用して、共振器内の電圧分布を変えずに周波数のみを変えるように自動チューナーを選定することを特徴とする線形加速器の設計方法が提供される。

上記自動チューナーの選定は、チューナー挿入量と電圧変化との間の一定の関係に基づいて上記複数のチューナーに対して個々の挿入量に対する個別の電圧変化データを計算ないし測定し、上記個別の電圧変化データを用いて自動チューナーと挿入量の組み合わせを決定するという段階を含むことが好ましい。

上記自動チューナーの選定は、上記チューナー挿入量と電圧変化との間の一定の関係を確認する段階を更に含むことが好ましい。

上記自動チューナーの選定は、上記決定した組み合わせが適正かどうかを確認する段階を更に含むことが好ましい。

本発明の別の特徴によれば、チューナー挿入量と電圧変化との間の一定の関係が、チューナー挿入量と電圧変化の線形関係であり、上記線形関係に基づいて、複数のチューナーに対して、比例計算によって個々の挿入量に対する個別の電圧変化データを計算するように構成される。

本発明の更に別の特徴によれば、上記自動チューナーと挿入量の組み合わせを決定する段階は、上記選択したチューナーの個別の電圧変化データを足し合わせ、それらのチューナーによる電圧変化が打ち消し合って全体の電圧分布が実質的に変化しないような組み合わせによって決定するように構成される。

本発明の更に別の特徴によれば、共振器内部に発生するＴＥ波（Ｈモード）を利用したＨモード・ドリフトチューブ線形加速器であって、共振器の軸方向に配置された複数のチューナーのうちの一部を自動チューナーとして使用する線形加速器において、上記自動チューナーが、上記複数のチューナーのうちから選択された少なくとも２つのチューナーから成り、且つ、上記少なくとも２つのチューナーが、該チューナーの共振器軸方向の位置とその共振器内部への挿入量との組み合わせを利用して、共振器内の電圧分布を変えずに周波数のみを変えるように選定されたものであることを特徴とする線形加速器が提供される。

上記線形加速器は、上記選定された少なくとも２つの自動チューナー相互の挿入量の比率を変更せずに挿入量を調節する挿入量調節手段を備えることが好ましい。

上記挿入量調節手段は、上記少なくとも２つの自動チューナー相互の挿入量の比率を記憶する手段を含むことが好ましい。

本発明の更に別の特徴によれば、共振器内部に発生するＴＥ波（Ｈモード）を利用したＨモード・ドリフトチューブ線形加速器の設計方法における自動チューナーの選定方法において、共振器の軸方向に配置された複数のチューナーの中から少なくとも２つのチューナーを選択し、それらのチューナーの共振器軸方向の位置とその共振器内部への挿入量との組み合わせを利用して、共振器内の電圧分布を変えずに周波数のみを変えるように自動チューナーを選定することを特徴とする自動チューナーの選定方法が提供される。

本発明の更に別の特徴によれば、共振器内部に発生するＴＥ波（Ｈモード）を利用したＨモード・ドリフトチューブ線形加速器に使用される自動チューナーであって、共振器の軸方向に配置された複数のチューナーの中から少なくとも２つのチューナーを選択し、それらのチューナーの共振器軸方向の位置とその共振器内部への挿入量との組み合わせを利用して、共振器内の電圧分布を変えずに周波数のみを変えるように選定された自動チューナーの調節方法において、上記選定された自動チューナー相互の挿入量の比率を変更せずに挿入量を調節することを特徴とする自動チューナーの調節方法が提供される。

本発明によれば、共振器の軸方向に配置された複数のチューナーの中から少なくとも２つのチューナーを選択し、それらのチューナーの共振器軸方向の位置とその共振器内部への挿入量との組み合わせを利用して、自動チューナーとして適切な組み合わせを比較的容易に見つけることができる。特に、複数のチューナーによる電圧変化が打ち消し合って全体の電圧分布が実質的に変化しないようなチューナーの組み合わせを比較的容易に選定できる。また、どのチューナーの組み合わせが最も適切かを調べる方法として、チューナー挿入量と電圧変化との間の一定の関係に基づいて複数のチューナーに対して個々の挿入量に対する個別の電圧変化データを計算しているので、無限のチューナーの組み合わせに対して多大な時間を要する三次元電磁場計算を必要としない。また、本発明によれば、選定された自動チューナー相互の挿入量の比率を変更せずに挿入量を調節するので、その調節による電圧変化を予想できると共にその電圧変化を許容範囲に維持しながら共振周波数を補正することができる。

本発明の１つの実施例において、ＩＨモード・ドリフトチューブ線形加速器（ＩＨ−ＤＴＬ）の共振器の最終構造として、１６台のチューナーを設け、そのうちの数台を自動チューナーとして用いる。図１は、ＩＨモード・ドリフトチューブ線形加速器の概念図である。この線形加速器は、真空空洞のタンク１で形成される共振器を有し、タンク１の外面には、１６台のチューナー（チューナーＴ１〜Ｔ１６）が、入射端２から出射端３にかけて、軸方向に左右交互に配置されている。そして、タンク１の内部には、複数個のドリフトチューブ４が軸方向に配列されている。

図２、図３及び図５は、線形加速器を、軸方向に直交する方向に沿った概略縦断面図で示したものである。図２及び図３に示されているように、各ドリフトチューブ４は、リッジ５を介してタンク１の上下の内壁に取り付けられている。そして、各チューナーＴは、タンク１の側壁に、取り付けられている。チューナーＴはいずれも、その先端部６が、タンク１の側壁を通して空洞内に挿入されるようになっている。すなわち、図１のチューナーＴ１〜Ｔ１６は、同じ構造を有するチューナーＴで構成され、その共振器における軸方向位置が異なるものである。

図２は、先端部６を挿入していない状態すなわちチューナーＴを最も引いた状態を示している。また、図３は、先端部６を空洞内に挿入した状態を示している。この先端部６を空洞内に挿入した長さを、図４に示すように、挿入長ｄとする。図４は、チューナーの先端部６がタンク１の側壁を通して空洞内への挿入されている状態を詳しく示したもので、共振器とチューナーとの結合部分を、共振器の軸方向に沿った横断面図で示したものである。図１に示されているように、タンク１の内径は、入射端２から出射端３へかけて大きくなるように作られている。従って、図４に示すように、チューナーの挿入長ｄも、入射側（図の下側）と出射側（図の上側）とで厳密には異なるが、本発明の実施例では、出射側の長さを、挿入長ｄとして統一して使用する。

なお、本発明では、チューナーとして使用するものは、誘導性チューナーでも、容量性チューナーでもよい。図２〜図４に示すチューナーＴは、誘導性チューナー（Ｌチューナー）であり、図５に示すチューナーＴｃは、容量性チューナー（Ｃチューナー）である。容量性チューナーＴｃは、先端部６に更にロッド７が取り付けられ、そのロッド７の先端に導電板８が取り付けられている。導電板８は、ドリフトチューブ４を覆うようにして上下のリッジ５の一部まで延びている。容量性チューナーＴｃの挿入量を変更することによって、ドリフトチューブ４及び上下のリッジ５の一部と導電板８との間の間隔が変化して、その容量が変化し、共振器内の電圧分布又は共振周波数を調整できるようになっている。

図１に示す１６台のチューナーのうち、一部を自動チューナ−として使用し、残りを手動チューナーとして使用する。この際、自動チューナーとして何台必要か、またどのチューナーの組み合わせが最も適切かを調べる。この検討は、以下の手順で行う。
（１）チューナーの挿入量に対する電圧変化の線形性を確認する。
（２）電圧変化の線形性に基づいて、全チューナーに対して、個々の挿入量に対する電圧変化データを計算する。
（３）計算した個別の電圧変化データを用いて自動チューナーと挿入量の組み合わせを決定する。
（４）決定した自動チューナーと挿入量の組み合わせが適切かどうかを直接三次元電磁場計算によって確認する。

チューナー挿入量と電圧変化の関係を求めるのに、全チューナーに対して挿入量を細かく変え三次元電磁場計算を行うことは多大な時間を要する。チューナー挿入量に対する電圧変化が線形であれば、ある挿入量に対しての電圧変化から個々の挿入量に対する電圧変化を比例計算によって容易に求めることができる。そのために、この実施例によれば、先ずチューナー挿入量に対する電圧変化が線形であるかどうかの確認を行う。確認を行った上で、全チューナーに対してある挿入量に対する電圧変化を計算する。これにより個々のチューナーについて、その挿入量と電圧変化の関係を求めることができる。自動チューナーとしては、電圧分布を変えずに周波数のみを変える機能が求められるので、軸方向位置の異なる複数のチューナーを用いて相互の電圧変化を打ち消して全体の電圧分布を変えないようにする必要がある。そのために、この実施例によれば、個々のチューナーを挿入した際の電圧変化を足し引きして、複数のチューナーを同時に挿入した際の電圧変化を予想する。すなわち、個々のチューナーと挿入量の組み合わせによって、自動チューナーを決定する。最終的には、複数のチューナーを同時に挿入したモデルに関して三次元電磁場計算を直接行い、決定した自動チューナーが適切かどうかの確認を行う。

上記実施例によれば、本願発明におけるチューナー挿入量と電圧変化との一定の関係を線形関係に限定しているが、本発明によれば、その関係を利用して三次元電磁場計算によるデータの収集を省略できるものであれば、他の一定の関係も利用できる。また、上記実施例によれば、手順（１）及び（４）において、線形性の確認及び自動チューナーと挿入量の組み合わせが適切かどうかの確認を行っているが、本発明によれば、この確認手順を省略してもよい。さらに、上記実施例では、１６台のチューナーのすべてについて、チューナー挿入量と電圧変化の線形関係を利用してデータの収集を行っているが、本発明によれば、共振器のすべてのチューナーでなく、自動チューナーの選択の対象とすべき一部の複数のチューナーのみについてデータを収集してもよい。

線形性の確認
一つのチューナーに対して、チューナーを挿入していった際に、その挿入量と電圧変化の関係が線形であるかどうかを確認する。具体的には、チューナーの挿入量を変え、それぞれに関して三次元電磁場計算を行い電圧変化の様子をプロットする。本発明によれば、この線形性の確認の計算を少なくとも１つのチューナーについて行うが、この実施例では、この計算をチューナーＴ１に関して行った。チューナーを最も引いた状態（図２参照）から１０ｍｍ挿入した位置（挿入長ｄ＝１０ｍｍの位置）を基準位置として、その基準位置における電圧を基準電圧Ｖとし、その基準位置からチューナーを出し入れしていった際の電圧変化ΔＶを基準電圧Ｖに対する百分率としてプロットしたものが図６である。ここで、上記基準位置からの挿入量をＸとすると、この実施例では、ｄ＝１０＋Ｘの関係にある。この基準位置は、データの収集のために設定したものであり、本発明によれば、この基準位置を任意に設定してデータを収集してもよい。従って、本発明において、挿入量とは、一般に、この挿入量Ｘのことを言う。挿入量Ｘは、正負の値を有し、正の場合は、チューナーの先端部を基準位置から空洞内へ挿入する場合を示し、負の場合は、チューナーの先端部を空洞外へ移動する方向に基準位置から引いた場合を示す。

図６において、横軸は、入射端から昇順に付したギャップ番号であって、縦軸は、ΔＶ／Ｖ（％）である。なお、図６において曲線Ｓ０、Ｓ２０、Ｓ３０、Ｓ４０は、それぞれ、挿入長ｄ＝０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ（挿入量Ｘ＝−１０ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ）の場合の電圧変化を示す。より詳しく調べるため、代表的なギャップに対してチューナーの挿入量と電圧変化の様子を図７にプロットした。図７において、横軸は、チューナーＴ１の挿入長ｄであり、曲線Ｇ１、Ｇ２０、Ｇ４０、Ｇ６０、Ｇ７２は、それぞれギャップ番号１、２０、４０、６０、７２における電圧変化を示す。図７から分かるように、これらの曲線は、ほぼ直線を示しており、線形性は十分良いことが確認できる。

全チューナーに対する挿入量と電圧変化の関係
上述したように、チューナー挿入量に対する電圧変化の線形性は良い。よって、あるチューナー挿入量に対してのみ電圧変化を計算すれば、それ以外の挿入量に対する電圧変化は比例計算により求めることができる。そこで、１６台の全チューナーに関して、挿入量Ｘ＝１０ｍｍ（挿入長ｄ＝２０ｍｍ）の位置での電圧変化を求めた。その結果を図８（チューナーＴ１〜Ｔ８）及び図９（チューナーＴ９〜Ｔ１６）に示す。

図８及び図９において、曲線ｔ１〜ｔ１６は、それぞれ、チューナーＴ１〜Ｔ１６の電圧変化を示すものである。モデル共振器のときと同様、電圧変化はチューナーが異なる毎にすなわちチューナーの軸方向位置が異なる毎にそれぞれ幅広いピークを作るが、その効果は共振器全体に渡る。よって自動チューナーは複数のチューナーを用いてお互いの電圧変化を打ち消し合うようにしなければならない。

自動チューナーの決定と直接三次元電磁場計算による確認
（１）２チューナーの組み合わせ
最初に２台のチューナーを組み合わせることで、共振器全体に渡り電圧変化を打ち消すようにする。どの組み合わせが良いか、プログラムによるサーチを行った。すなわち、図８及び図９に示す各チューナーの電圧変化曲線から、比例計算によって、後述するようなステッピングモータ等で制御可能な精度で、個々の挿入量における各チューナーの電圧変化を求め、その個別の電圧変化を足し合わせることによって最も電圧変化の小さな組み合わせを求めた。この結果、最も電圧変化が小さくなるチューナーと挿入量の組み合わせは、チューナーＴ４とチューナーＴ１２であった。このときの２チューナーの挿入量の比率はＴ４：Ｔ１２＝６．６７：１０．００である。

上述した２台のチューナーＴ４及びＴ１２と挿入量との組み合わせを用いた際の電圧変化を計算した。図１０はチューナーＴ４の挿入量がＸ＝６．６７ｍｍ（挿入長ｄ＝１６．６７ｍｍ）、Ｔ１２の挿入量がＸ＝１０．００ｍｍ（挿入長ｄ＝２０．００ｍｍ）の場合の電圧変化の様子を示すグラフである。図１０において、曲線Ａ１は、チューナーＴ４及びＴ１２の個別の電圧変化を足し合わせることによって求めた電圧変化を示している。その結果、図１０で示すように、ΔＶ／Ｖの値の幅は共振器全体で１．２％であり、言い換えれば、最大電圧変化は全幅で１．２％であった。

次に、上述した２台のチューナーＴ４及びＴ１２を同時に挿入したモデルを作成し、直接三次元電磁場計算コードにより計算した。図１０において、曲線Ｂ１は、その結果を示す。図１０から、個別チューナーの足し合わせによる電圧変化と直接三次元電磁場計算による電圧変化は殆ど一致することが分かる。

直接三次元電磁場計算で得られた共振周波数、Ｑ、シャント抵抗及び所要電力等の共振器の特性を表すパラメータを表１に示す。表１に示すように、共振周波数の変化は、８１ＫＨｚ（０．０８１ＭＨｚ）であった。その他のパラメータには実質的な変化はない。よって、この自動チューナーの組み合わせにより、電圧分布及び共振器の特性に影響を与えず共振周波数のみ調整できることがわかる。なお、表１において、元のモデルとは、チューナーを挿入していないモデル、すなわち、チューナーが基準位置にあるモデルを示している。

表１

（２）３チューナーの組み合わせ
次に３台のチューナーを組み合わせて電圧変化を打ち消すようにする。２チューナーの組み合わせの場合と同様に、プログラムによるサーチを行った。その結果、最も電圧変化が小さくなるチューナーの位置と挿入量の組み合わせは、チューナーＴ３、Ｔ９，Ｔ１６を５．４０：７．６０：１０．００の比率で挿入した場合である。

図１１は、上述した３台のチューナーＴ３、Ｔ９及びＴ１６をそれぞれＸ＝５．４０ｍｍ（挿入長ｄ＝１５．４０ｍｍ）、Ｘ＝７．６０ｍｍ（挿入長ｄ＝１７．６０ｍｍ）、Ｘ＝１０．００ｍｍ（挿入長ｄ＝２０．００ｍｍ）挿入量した際の電圧変化の様子を示すグラフである。図１１において、曲線Ａ２は、チューナーＴ３、Ｔ９及びＴ１６の個別の電圧変化を足し合わせることによって求めた電圧変化を示している。その結果、最大電圧変化の全幅は、０．８１％であった。これは、図１０に示す２チューナーの組み合わせよりも３割程度小さい。

次に、上述した３台のチューナーＴ３、Ｔ９及びＴ１６と挿入量の組み合わせを用いたモデルの電圧変化を、直接三次元電磁場計算コードを用いて計算した。図１１において、曲線Ｂ２は、その結果を示す。曲線Ｂ２は、２０ギャップ付近で鋭いピークを示しているが、これは計算精度（計算メッシュの取り方）の問題と推測される。図１１から、個別チューナーの足し合わせによる電圧変化と直接三次元電磁場計算による電圧変化は殆ど一致することが分かる。

直接三次元電磁場計算で得られた共振周波数、Ｑ、シャント抵抗及び所要電力等の共振器の特性を表すパラメータを表２に示す。表２に示すように、共振周波数の変化は、９５ＫＨｚ（０．０９５ＭＨｚ）であった。その他のパラメータには実質的な変化はない。すなわち、この自動チューナーの組み合わせにより、電圧分布及び共振器の特性に影響を与えず共振周波数のみ調整できるということを示している。なお、表２において、元のモデルとは、チューナーを挿入していないモデル、すなわち、チューナーが基準位置にあるモデルを示している。

表２

次に、図１１のモデルにおいて、チューナーを基準位置から同じ量だけ引いて、周波数を下げてみる。すなわち、チューナーＴ３の挿入量Ｘ＝−５．４０ｍｍ（挿入長ｄ＝４．６０ｍｍ）、チューナーＴ９の挿入量Ｘ＝−７．６０ｍｍ（挿入長ｄ＝２．４０ｍｍ）、チューナーＴ１６の挿入量Ｘ＝−１０．００ｍｍ（挿入長ｄ＝０．００ｍｍ）とする。図１２において、曲線Ａ３は、その際の電圧変化を示し、曲線Ｂ３は、直接三次元電磁場計算コードで計算した電圧変化を示す。

この際の直接三次元電磁場計算で得られた共振周波数、Ｑ、シャント抵抗及び所要電力等の共振器の特性を表すパラメータを表３に示す。表３に示すように、共振周波数の変化は、−７５ＫＨｚ（−０．０７５ＭＨｚ）であった。その他のパラメータには実質的な変化はない。表３から分かるように、同じチューナーの組み合わせでも、引いた場合は、挿入した場合に比べて周波数の変化量が小さい。これは、チューナーを引いた場合は、他のチューナーが陰になっている効果などの影響が推測される。なお、表３において、元のモデルとは、チューナーを挿入していないモデル、すなわち、チューナーが基準位置にあるモデルを示している。

表３

次に図１１、図１２とは別の３台のチューナーを用いた場合について検討する。チューナーＴ３、Ｔ９及びＴ１６を自動チューナーとして用いる場合は、図１に示すように、対称性が悪いので、対称性を考慮して、チューナーＴ４、Ｔ９及びＴ１６を用いた場合について計算を行った。プログラムによるサーチを行った結果、チューナーＴ４、Ｔ９，Ｔ１６の挿入比が５．８５：４．５４：１０．００の場合が、共振器全体に渡る電圧変化が最も少ない。図１３は、このようなチューナーＴ４、Ｔ９及びＴ１６をそれぞれのＸ＝５．８５ｍｍ（挿入長ｄ＝１５．８５ｍｍ）、Ｘ＝４．５４ｍｍ（挿入長ｄ＝１４．５４ｍｍ）、Ｘ＝１０．００ｍｍ（挿入長ｄ＝２０．００ｍｍ）挿入した際の電圧変化の様子を示すグラフである。

図１３において、曲線Ａ４は、チューナーＴ４、Ｔ９及びＴ１６の個別の電圧変化を足し合わせることによって求めた電圧変化を示す。その結果、最大電圧変化の全幅は、０．９７％であった。また、図１３において、曲線Ｂ４は、直接三次元電磁場計算コードで計算した電圧変化を示す。図１３から、個別チューナーの足し合わせによる電圧変化と直接三次元電磁場計算による電圧変化は殆ど一致することが分かる。

この際の直接三次元電磁場計算で得られた共振周波数、Ｑ、シャント抵抗及び所要電力等の共振器の特性を表すパラメータを表４に示す。表４に示すように、共振周波数の変化は、７９ＫＨｚ（０．０７９ＭＨｚ）であった。その他のパラメータには実質的な変化はない。すなわち、この自動チューナーの組み合わせにより、電圧分布及び共振器の特性に影響を与えず共振周波数のみ調整できるということを示している。なお、表４において、元のモデルとは、チューナーを挿入していないモデル、すなわち、チューナーが基準位置にあるモデルを示している。

表４

また、チューナーＴ２、Ｔ９及びＴ１６の組み合わせについても計算を行ったが、電圧変化が最大＋０．８％、−０．６％であり、従って、最大電圧変化の全幅が１．４％となり、上記した組み合わせに比べて大きい。

次に、本発明の一実施例によって選定した自動チューナーによる温度補正範囲について説明する。共振器の共振周波数は、一般にｆ₀＝２００Ｈｚである。共振器は鉄製であるため、鉄の線膨張率α＝１．１８×１０^-5を用いると、温度ｔ＝１度当たりの共振周波数の変化Δｆは以下のように求められる。
Δｆ＝αｔｆ₀
＝１．１８×１０^-5×１×２００［ＭＨｚ］
＝２．３６［ＫＨｚ］

チューナーＴ３の挿入量Ｘ＝５．４０ｍｍ（挿入長ｄ＝１５．４０ｍｍ）、チューナーＴ９の挿入量Ｘ＝７．６０ｍｍ（挿入長ｄ＝１７．６０ｍｍ）、チューナーＴ１６の挿入量Ｘ＝１０．００ｍｍ（挿入長ｄ＝２０．００ｍｍ）の場合を例に取ると、共振周波数の増加は約９５ＫＨｚであった。よって、このチューナーの挿入量における温度補正範囲は、
ΔＣ＝９５［ＫＨｚ］／２．３６［ＫＨｚ］＝４０［度］
である。

また逆に基準位置に対してチューナーを引いた場合（チューナーＴ３の挿入量Ｘ＝−５．４０ｍｍ（挿入長ｄ＝４．６０ｍｍ）、チューナーＴ９の挿入量Ｘ＝−７．６０ｍｍ（挿入長ｄ＝２．４０ｍｍ）、チューナーＴ１６の挿入量Ｘ＝−１０．００ｍｍ（挿入長ｄ＝０．００ｍｍ）の場合）では、共振周波数は７５ＫＨｚだけ低下した。よって、温度補正範囲は、
ΔＣ＝７５［ＫＨｚ］／２．３６［ＫＨｚ］＝３２［度］
である。以上から上記挿入量に限定して考えてみると、温度補正範囲は、−３２度から＋４０度となる。実用上、十分な補正範囲を確保できていると言える。

従って、１度当たりのチューナー挿入量は、最小で５．４［ｍｍ］／４０［度］＝０．１４［ｍｍ／度］である。温度０．１度の制御を行うとすると、チューナー挿入時の移動ステップは、０．０１４［ｍｍ／ステップ］＝１４［μｍ／ステップ］となる。これは、ステッピングモータで十分制御できる範囲である。

以上述べたように、本発明の実施例によれば、誘導性チューナーの挿入量に対する電圧変化の線形性は十分良いことが分かった。また、各チューナーの電圧変化を求めれば、その足し合わせから幾つかのチューナーを組み合わせた際の電圧変化も予想できる。また、各チューナー相互の挿入量の比率を変えずに挿入量を増減した場合の電圧変化も予想できる。更に複数のチューナーを挿入したモデルを作成し、そのモデルを直接三次元電磁場コードにより計算して得られた電圧変化を求めたが、その結果は組み合わせにより予想された電圧変化と良く一致する。

本発明の実施例によれば、自動チューナーとしては、２チューナーの組み合わせについて１通り、３チューナーの組み合わせについて３通り、計４通りの組み合わせについて、計算を行った。何れの場合も電圧変化は±０．８％以内に抑えることができる。中でも最も電圧変化が少ないのはチューナーＴ３、Ｔ９及びＴ１６の組み合わせで、電圧変化は±０．８％強に抑えられる。またこのチューナー挿入時の移動量でも温度補正範囲は−３２度から＋４０度と十分である。よって、上記実施例では自動チューナーとして、この組み合わせが最も好ましい。

次に、本発明の一実施例によって選定した自動チューナーを用いて、共振器の共振周波数を補正する方法について簡単に説明する。図１４は、共振器の共振周波数を補正するための機構を説明するための簡単なブロック図である。図１４において、共振器１１には、矢印で示すようにイオンビームが入射され、高周波増幅器１２を介して供給される高周波電力によって共振器内で加速されて矢印で示すように出射される。共振器１１には、本発明によって選定された自動チューナーＡ、Ｂの２つの自動チューナー１３、１４が設けられている。これらの自動チューナーは、それぞれステッピングモータ（図示せず）で駆動されるようになっており、それらのステッピングモータには、それぞれモータドライバーＡ、Ｂの２つのモータドライバー１５、１６を介して駆動信号が送られる。

図１４に示すように、共振器の共振周波数の微妙なずれを検出し補正するための自動周波数調整回路（ＡＦＣ）１７が設けられており、ＡＦＣ１７には、高周波増幅器１２の進行波Ｓ１と共振器１１の加速空洞のピックアップモニター信号Ｓ２を比較して両信号の位相差を出力する位相比較器１８と、その位相差をホールドするサンプルホールド回路１９が設けられている。ＡＦＣ１７には、外部にある同期信号発生器２０から発生された同期信号が入力され、サンプルホールド回路１９は、この同期信号を受けた際に上記検出した位相差の値をホールドする。

上記ＡＦＣ１７において検出された位相差は、シーケンサ２１に与えられ、このシーケンス２１が、その位相差に応じて自動チューナーＡ、Ｂの挿入量を調節し、モータドライバーＡ、Ｂに制御信号を送る。この調節は、本発明によれば、上記自動チューナーＡ、Ｂの選定の際に得られた自動チューナー相互の挿入量の比率を変更せずに行われる。すなわち、上述した２チューナーの組み合わせによる選定方法の実施例において、自動チューナーＡ、ＢがそれぞれチューナーＴ４、Ｔ１２であると仮定すると、チューナーＡ対チューナーＢの挿入量の比率、すなわち、６．６７：１０．００を変更せずに調節を行う。例えば、チューナーＡの挿入量を２倍とした場合には、チューナーＢの挿入量も２倍とするような調節を行う。その結果、挿入量と電圧変化が線形関係を有するので、最大電圧変化も全幅で２倍すなわち２．４％となると予測できる。従って、このような調節を行うことによって、共振器内の電圧分布を許容範囲に維持しながら共振周波数を補正できる。

上記チューナーＡの挿入量とチューナーＢの挿入量の比率を記憶するために、シーケンサ２１には、比率記憶器２２が設けられている。シーケンサ２１は、モータドライバーＡ、Ｂへ、比率記憶器２２に記憶された挿入量の比率を変更せずに上記検出した位相差に応じたパルスを送るように制御指令を出す。モータドライバーＡ、Ｂは、この制御指令を受けて、ステッピングモータを介してチューナーＡ、Ｂをそれぞれ駆動する。

図１４の実施例では、挿入量調節手段として、シーケンサを使用しているが、シーケンサの代わりにパーソナルコンピュータを使用しても良い。また、図１４の実施例では、ＡＦＣは、シーケンサやモータドライバーとは別の装置として示されているが、シーケンサやモータドライバーをＡＦＣの中に含めても良い。さらに、図１４の実施例では、２つの自動チューナーを使用しているが、本発明によれば、３つ又はそれ以上の自動チューナーを使用しても良い。例えば、上述した最も好ましいチューナーＴ３、Ｔ９及びＴ１６の組み合わせによる選定方法の実施例に対しては、チューナーＴ３対チューナーＴ９対チューナーＴ１６の挿入量の比率は、５．４０：７．６０：１０．００であり、この挿入量の比率を変えずに挿入量の調節が行われる。

図１５は、本発明の一実施例による自動チューナー選定方法及びその自動チューナーを用いて共振周波数を補正する方法を示すフローチャートである。この実施例によれば、先ず、ステップＳ１において、各チューナーの特性を取得する。これは、上述したように、チューナーの挿入量に対する電圧変化の線形性を確認し、その電圧変化の線形性に基づいて、全チューナーに対して、個々の挿入量に対する電圧変化データを比例計算によって求めることによって行う。次に、ステップＳ２において、この取得した各チューナーのデータから、自動チューナーＡ、Ｂを決定する。これは、上述したようにプログラムによるサーチによって適切なチューナーの組み合わせと挿入量を決定しその決定した結果を直接三次元電磁場計算によって確認することによって行う。次にステップＳ３において、比率を記憶する。これは、確認された各チューナーの挿入量をシーケンサの比率記憶器に記憶するものである。ステップＳ１及びＳ２については、図１６を参照して更に詳しく説明する。

このように自動チューナーを選定した後に、ステップＳ４において、線形加速器の運転を開始する。この運転状態において、高周波増幅器１２を介して高周波電力を共振器１１に供給し、共振器１１内を共振状態に保つ。ステップＳ５及びステップＳ６において、高周波増幅器出力位相及び共振器内部位相をモニタし、共振器の温度変化等によって共振周波数が変化した場合には、ステップＳ７において、その検出した位相を比較して位相差を出力する。ステップＳ８において、この位相差が許容内か又は許容外かを判断する。許容外であれば、ステップＳ９に進み、共振周波数の補正を行う。この補正は、シーケンス２１が、その位相差に応じて自動チューナーＡ、Ｂの挿入量を調節し、モータドライバーＡ、Ｂに制御信号を送ることによって行われる。この調節は、上記ステップＳ３で記憶されたチューナーＡ対チューナーＢの挿入量の比率を変更せずに行われる。

この制御信号を受けて、ステップＳ１０及びＳ１１において、それぞれモータドライバーＡ及びＢを制御する。これらのモータドライバーの制御によってステップＳ１２及びＳ１３において、自動チューナーＡ及びＢが作動する。自動チューナーＡ及びＢが作動することによって共振周波数の補正が完了すると、ステップＳ１４に進み、線形加速器の運転が停止したかどうかを判断する。ステップＳ８において、許容内であると判断した場合もこのステップＳ１４に進む。ステップＳ１４において、運転中であると判断すると、運転開始後のステップに戻って上記ステップが繰り返される。ステップＳ１４において、運転が停止したと判断すると、この工程を終了する。

本発明の一実施例によれば、自動チューナー選定方法は図１５のステップＳ１及びステップＳ２によって構成される。図１６は、このステップのＳ１及びステップＳ２の手順を更に詳細に示すフローチャートである。図１６に示すように、ステップＳ１は、ステップＳ１ａとステップＳ１ｂを含む。先ず、ステップＳ１ａにおいて、チューナーの挿入量に対する電圧変化の線形性を確認する。具体的には、１つのチューナーについて、チューナーの挿入量を変え、それぞれに関して三次元電磁場計算を行い電圧変化の様子をプロットすることによりグラフを作成する。このグラフによって、チューナーの挿入量に対する電圧変化の線形性を確認する。次に、ステップＳ１ｂにおいて、その電圧変化の線形性に基づいて、全チューナーに対して、個々の挿入量に対する電圧変化データを比例計算によって求める。具体的には、全チューナーについて、ある挿入量例えば挿入量１０ｍｍに対する電圧変化を三次元電磁場計算によって求める。次に、この計算結果から、全チューナーについて、他の個々の挿入量に対する電圧変化データを比例計算によって求める。これにより各チューナーの特性すなわち個々の挿入量に対する電圧変化データを収得するステップを終了する。

図１６に示すように、ステップＳ２は、ステップＳ２ａとステップＳ２ｂを含む。先ず、ステップＳ２ａにおいて、上記取得した各チューナーのデータから、自動チューナーＡ、Ｂを決定する。これは、上述したようにプログラムによるサーチによって適切なチューナーの組み合わせと挿入量を決定することによって行われる。具体的には、これは、チューナーの個別の電圧変化データを足し合わせ、それらのチューナーによる電圧変化が打ち消し合って全体の電圧分布が実質的に変化しないようなチューナーと挿入量の組み合わせをプログラムによるサーチによって見つけることによって行われる。次に、ステップＳ２ｂにおいて、その決定した組み合わせが適正かどうかを直接三次元電磁場計算によって確認する。この確認によって、そのチューナーを自動チューナーＡ、Ｂとして選定する。これによって、自動チューナーと挿入量の適切な組み合わせが決定される。

ＩＨモード・ドリフトチューブ線形加速器の概念図である。 共振器と誘導性チューナーの概略縦断面図であって、チューナーを挿入していない状態を示す図である。 共振器と誘導性チューナーの概略縦断面図であって、チューナーを挿入している状態を示す図である。 図３の一部において、誘導性チューナーの挿入状態を詳しく示す概略縦断面図である。 共振器と容量性チューナーの概略縦断面図であって、チューナーを挿入している状態を示す図である。 チューナーの挿入量と電圧変化の関係を示すグラフである。 代表的なギャップに関してチューナーの挿入量と電圧変化の関係を示すグラフである。 チューナーＴ１〜Ｔ８に関して、挿入長ｄ＝２０ｍｍの位置における電圧変化を示すグラフである。 チューナーＴ９〜Ｔ１６に関して、挿入長ｄ＝２０ｍｍの位置における電圧変化を示すグラフである。 自動チューナーとしてチューナーＴ４及びＴ１２を用いた場合の電圧変化を示すグラフである。 自動チューナーとしてチューナーＴ３、Ｔ９及びＴ１６を用いた場合の電圧変化を示すグラフである。 自動チューナーとしてチューナーＴ３、Ｔ９及びＴ１６を用いた場合の電圧変化を示すグラフであって、基準位置（挿入長ｄ＝１０ｍｍの位置）に関して図１１の挿入量と対称的に、同じ量だけ引いた場合の電圧変化を示すグラフである。 自動チューナーとしてチューナーＴ４、Ｔ９及びＴ１６を用いた場合の電圧変化を示すグラフである。 共振器の共振周波数を補正するための機構を説明するための簡単なブロック図である。 本発明の一実施例による自動チューナー選定方法及びその自動チューナーを用いて共振周波数を補正する方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施例による自動チューナー選定方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ タンク
２ 入射端
３ 出射端
４ ドリフトチューブ
５ リッジ
６ 先端部
７ ロッド
８ 導電板
１１ 共振器
１２ 高周波増幅器
１３ 自動チューナーＡ
１４ 自動チューナーＢ
１５ モータドライバーＡ
１６ モータドライバーＢ
１７ 自動周波数制御装置（ＡＦＣ）
１８ 位相比較器
１９ サンプルホールド回路
２０ 同期信号発生器
２１ シーケンサ
２２ 比率記憶器
Ｔ１〜Ｔ１６ チューナー

Claims (11)

1. 共振器内部に発生するＴＥ波（Ｈモード）を利用したＨモード・ドリフトチューブ線形加速器の設計方法において、共振器の軸方向に配置された複数のチューナーの中から少なくとも２つのチューナーを選択し、それらのチューナーの共振器軸方向の位置とその共振器内部への挿入量との組み合わせを利用して、共振器内の電圧分布を変えずに周波数のみを変えるように自動チューナーを選定することを特徴とする線形加速器の設計方法。
2. 上記自動チューナーの選定は、
   チューナー挿入量と電圧変化との間の一定の関係に基づいて、上記複数のチューナーに対して、個々の挿入量に対する個別の電圧変化データを計算ないし測定し、
   上記個別の電圧変化データを用いて自動チューナーと挿入量の組み合わせを決定する
   段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の設計方法。
3. 上記チューナー挿入量と電圧変化との間の一定の関係を確認する段階を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の設計方法。
4. 上記決定した組み合わせが適正かどうかを確認する段階を更に含むことを特徴とする請求項２〜３のいずれか１つに記載の設計方法。
5. 上記一定の関係が、チューナー挿入量と電圧変化の線形関係であり、上記線形関係に基づいて、複数のチューナーに対して、比例計算によって個々の挿入量に対する個別の電圧変化データを計算することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の設計方法。
6. 上記自動チューナーと挿入量の組み合わせを決定する段階は、上記選択したチューナーの個別の電圧変化データを足し合わせ、それらのチューナーによる電圧変化が打ち消し合って全体の電圧分布が実質的に変化しないような組み合わせによって決定すること特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の設計方法。
7. 共振器内部に発生するＴＥ波（Ｈモード）を利用したＨモード・ドリフトチューブ線形加速器であって、共振器の軸方向に配置された複数のチューナーのうちの一部を自動チューナーとして使用する線形加速器において、上記自動チューナーが、上記複数のチューナーのうちから選択された少なくとも２つのチューナーから成り、且つ、上記少なくとも２つのチューナーが、該チューナーの共振器軸方向の位置とその共振器内部への挿入量との組み合わせを利用して、共振器内の電圧分布を変えずに周波数のみを変えるように選定されたものであることを特徴とする線形加速器。
8. 上記選定された少なくとも２つの自動チューナー相互の挿入量の比率を変更せずに挿入量を調節する挿入量調節手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の線形加速器。
9. 上記挿入量調節手段が、上記少なくとも２つの自動チューナー相互の挿入量の比率を記憶する手段を含むことを特徴とする請求項８に記載の線形加速器。
10. 共振器内部に発生するＴＥ波（Ｈモード）を利用したＨモード・ドリフトチューブ線形加速器の設計方法における自動チューナーの選定方法において、共振器の軸方向に配置された複数のチューナーの中から少なくとも２つのチューナーを選択し、それらのチューナーの共振器軸方向の位置とその共振器内部への挿入量との組み合わせを利用して、共振器内の電圧分布を変えずに周波数のみを変えるように自動チューナーを選定することを特徴とする自動チューナーの選定方法。
11. 共振器内部に発生するＴＥ波（Ｈモード）を利用したＨモード・ドリフトチューブ線形加速器に使用される自動チューナーであって、共振器の軸方向に配置された複数のチューナーの中から少なくとも２つのチューナーを選択し、それらのチューナーの共振器軸方向の位置とその共振器内部への挿入量との組み合わせを利用して、共振器内の電圧分布を変えずに周波数のみを変えるように選定された自動チューナーの調節方法において、上記選定された自動チューナー相互の挿入量の比率を変更せずに挿入量を調節することを特徴とする自動チューナーの調節方法。

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