JP4636468B2 - イオンパケット加速用のドリフトチューブ加速器 - Google Patents

Description

本発明は、イオンビーム加速システムにおけるイオンパケット加速用のドリフトチューブ加速器に関する。このドリフトチューブ加速器はIH型のものであり、長手方向に分割された三部構成の真空タンクの形態の筐体を有している。この真空タンクは、中心ユニットと下部ハーフシェルと上部ハーフシェルで構成されている。中心ユニットは、そのイオンビーム誘導長手方向軸上に、イオンパケットのための入口オリフィスと出口オリフィスを有している。中心ユニットはまた、互いに反対側に位置するその内壁上に、長手方向軸に平行な長手方向リブを有している。長手方向リブ上には交互にドリフトチューブ保持器が配置されており、このドリフトチューブ保持器は、その結果、イオンビーム誘導長手方向軸に対して同軸的にドリフトチューブユニットを保持する。ドリフトチューブ保持器を有する中心ユニットは、下部ハーフシェルに取り外し可能に取り付けられており、上部ハーフシェルによって取り外し可能に覆われている。

このような種類のIH型ドリフトチューブ加速器は、出版物 U. Ratzinger "IH-Structure and its capability to accelerate high current beams", Proceedings of the High IEEE Particle Accelerator Conference (PAC91), San Francisco, 1991 (IEEE Service Center Piscataway, N.J., 1991), P. 567〜571に開示されている。中心ユニットと上部及び下部ハーフシェルとを有し、その二つのハーフシェルが半円筒形横断面を有するそのような種類のドリフトチューブ加速器は、タンクから排気した時に、タンクの周囲と内側との間の圧力差によって生じる半径方向内側に向かって働く力のため、真空タンクの内部高さが中心ユニットの内壁間の内部間隔よりも大きいとき、特に、IH型ドリフトチューブ加速器用のそのような真空タンクにおける長さ対直径比が大きいとき、タンクの直径が中心ユニットの平面において最大数ミリメータ縮むという欠点がある。それにより、中心ユニットの互いに反対側にある長手方向リブによって保持されるドリフトチューブ保持器の設定ミスと、それらの保持器によって保持されるドリフトチューブユニットの設定ミスが、相互に、及び中心ユニットのイオンビーム誘導長手方向軸に対して生じる。

中心フレームの平面におけるタンク直径のそのような縮みと、ドリフトチューブユニットの設定ミスを減らすために、従来の構造のIH型ドリフトチューブ加速器の中心ユニットは、外部支持フレームによって寸法的に安定した方法で保持される。そのような種類の高価な支持フレームは、その支持フレーム内の空洞の困難な組立てと分解を必要とし、その結果、支持フレーム自身が誤差要因となり、中心フレームが支持フレーム内で十分正確に保持されなければドリフトチューブ構造の設定ミスを同様に生じることが有り得る。

そのような種類のIH型ドリフトチューブ加速器の場合における更なる課題は、別の同調部材（tuning members）の導入であり、この部材は、特に、直径に比べて非常に長いドリフトチューブ加速器空洞の場合に、イオンビーム誘導長手方向軸に沿って必要な電界分布を生じるために必要となることがある。従来のハーフシェルに追加同調部材を導入する際に、導入される部材とハーフシェルとの間の十分な高周波熱接触を達成することは、ハーフシェルが半円筒形横断面を有する場合に可能ではあるが困難を伴う。高周波電力損失は内部タンク表面で生じるので、導入された部材は熱接触不良のためにかなりの程度まで加熱される。このことは、動作中の空洞の電気的同調ミスの原因となると共に、熱応力と加熱の故に空洞の損傷の原因ともなる。

いくつかの場合、そのような種類のIH型ドリフトチューブ加速器は、イオンビームの横方向集束のための最大二つの一体型磁気四極三重レンズ（integrated magnetic quadrupole triplet lenses）を備えており、その四極三重レンズの支持を、真空タンクによって行わずに、ダイヤフラムベローズ（diaphragm bellows）を介して真空タンクから外へ延長して、外部タンクサブフレームの中で行い、その結果、真空タンクの排気時に、その中に発生する排気力の結果として、設定ミスが発生することが十分あり得る。また、外部タンクサブフレーム上の一体型四極三重レンズのそのような支持は、非常にコストがかかり、困難な据付を必要とする。

従来のIH型ドリフトチューブ加速器の更なる欠点は、ドリフトチューブ加速器に沿ってイオン速度が大きく増加するときに見られ、このイオン速度の多大な増加が、一定のドリフトチューブ加速器動作周波数と一定のギャップ幾何学的配置の場合に、加速器に沿ってドリフトチューブ構造の単位長に関する容量（unit-length-related capacity）の多大な減少を生じる。イオン加速において、イオン速度はドリフトチューブ加速器に沿って連続的に増加する。従って、隣接するドリフトチューブユニットの中心間間隔もまた加速器に沿って増加し、これにより、ドリフトチューブユニット間の加速ギャップが一定の幾何学的配置を有する場合、ドリフトチューブ構造の単位長関連容量が実質的に減少する。

その場合イオン速度の多大な増加をカバーするために単一のドリフトチューブ加速器空洞を使用するつもりであれば、その空洞の基本モードを励起できるようにするためにドリフトチューブ構造の単位長関連容量のそのような減少を補償（compensate）しなければならないという問題がある。単一ドリフトチューブ加速器空洞内の従来のIH型ドリフトチューブ加速器におけるそのような問題を解決することは、これまで不可能であった。その代わりに、イオン速度の多大な増加をカバーするために、これまで複数のドリフトチューブ加速器空洞を直列に配置していたが、これは非常に困難でコストが非常に高くつくものである。
U. Ratzinger "IH-Structureand its capability to accelerate high current beams", Proceedings of the High IEEE Particle Accelerator Conference (PAC91), San Francisco, 1991 (IEEE Service Center Piscataway, N.J., 1991), Page 567 to 571

本発明の課題は、上記問題を解決し、既知のドリフトチューブ加速器の欠点を克服すると共に、その使用範囲と周辺パラメータの範囲を拡大する、イオンパケット加速用のドリフトチューブ加速器を示すことである。本発明の課題はまた、ドリフトチューブ加速器の投資費用を減らし、その経済的な実現可能性を増すことにある。

この課題は独立請求項の主題によって解決される。本発明の有利な発展は従属請求項の中に見ることができる。

本発明による上述のドリフトチューブ加速器は、下部ハーフシェルが、部分的にフラットな内部ベースを有する構造化下部鋼鉄ブロックを有し、その内部ベース上に、好ましくは集束装置と真空ポートと同調素子（tuning elements）又はそのいずれかを設けることができることを特徴としている。本発明は更に、上部ハーフシェルが、好ましくは真空ポート用オリフィスが配置された、部分的にフラットな内部被覆表面を有する構造化上部鋼鉄ブロックを有し、その構造化上部鋼鉄ブロックを備えるものであって、同調素子を前記被覆表面のフラット領域上に設けることを可能にしたことを特徴とする。

本発明の解決手段には、支持フレームを不要とすることが可能であるという利点がある。なぜなら、本発明によるドリフトチューブ加速器は、大きくて重い構造化上部及び下部鋼鉄ブロックによって固有の安定性を有し、このことが外部支持フレームを不要にし、ドリフトチューブユニット相互の設定ミス、および、中心ユニットのイオンビーム誘導長手方向軸に関するドリフトチューブユニットの設定ミスを確実に防止するからである。また、本発明のドリフトチューブ加速器は、構造化下部鋼鉄ブロックが部分的にフラットな内部ベースを有し、真空タンクの空洞内の追加のイオンビーム影響部品を前記内部ベース上に有利に固定でき、集束装置や同調素子などの真空タンクの空洞内に配置されるすべての追加部品を内部ベースのフラット部分上に配置し支持することができるため、三重レンズ（triplet lenses）や、空洞の内壁によって保持された部品などの、外部サブフレームによって支持された部品の間に従来生じていた設定ミスが、もはや生じることがないという利点を有している。

本発明の一実施形態においては、真空タンクが少なくとも二つの内部領域を有し、その内部領域内に、交互に配置されたドリフトチューブ保持器を有するドリフトチューブが配置されており、横方向イオンビーム集束のために、下部構造化鋼鉄ブロックの部分的にフラットな内部ベース上に立っている集束装置を備えた特別なドリフトチューブが、中心ユニットの長手方向軸を囲むようにその領域のそれぞれの間に配置されている。本発明のこの実施形態により得られる利点は、少なくとも一つの集束装置のその後の調節がかなりの程度避けられることである。なぜなら、その集束装置が、ドリフトチューブ配置と関係のない外部タンクサブフレーム上に保持されておらず、既知の下部ハーフシェルに有利に取って代わる大きくて重い構造化下部鋼鉄ブロックの内部ベースのフラット部上のドリフトチューブ加速器の空洞内で支持されるためである。

本発明の更なる好適な実施形態においては、特別なドリフトチューブ内に単一体または複合体として配置された四極電磁石が集束装置として設けられている。本発明のこの実施形態は、試験済みの磁気レンズ部品が使用されるという利点を有している。

また、本発明による更なる実施形態においては、構造化下部鋼鉄ブロック若しくは構造化上部鋼鉄ブロック、又は構造化下部及び上部鋼鉄ブロックとが、交互に配置されたドリフトチューブ保持器を有するドリフトチューブが中に配置された領域に沿った場合と比べて、集束装置に沿って変更された横断面を有する。そのような集束装置の領域内の空洞の横断面の変更は、ドリフトチューブ加速器の長手方向軸に沿う電界分布の同調ミスをすることなく、支持体積の部分補正ができるという利点を有する。

本発明の更なる実施形態においては、交互に配置されたドリフトチューブ保持器を有するドリフトチューブが、中心間の間隔がビーム方向において増加するように配置されるので、イオンパケットがドリフトチューブ加速器を通過するときに、イオンパケットの増加速度を有利に考慮することができる。

構造化下部鋼鉄ブロック若しくは構造化上部鋼鉄ブロック、又は構造化下部及び上部鋼鉄ブロックは更に、特定部分において真空タンクの横断面を拡大する空洞を有する。これに伴い、ドリフトチューブ構造の単位長さに関する容量の減少を、製造条件内でかなりの範囲まで妥当なコストで補償でき、不一致があった場合、空洞の基本モードを励起できるよう妥当なコストでやり直しが可能であるという利点がある。

本発明の有利な実施形態において、構造化下部鋼鉄ブロック若しくは構造化上部鋼鉄ブロック、又は構造化下部及び上部鋼鉄ブロックは更に、段階的に特定部分において真空タンクの横断面を拡大する空洞を有する。空洞横断面の段階的拡大は、それを、製造条件内で妥当なコストで、大きくて重い下部及び上部鋼鉄ブロックに含めることができ、不一致があった場合、ドリフトチューブ構造の単位長さに関する容量の多大な減少を補償し、空洞の基本モードを励起できるよう、妥当なコストでやり直しが可能であるという利点がある。

追加の同調素子を、構造化下部鋼鉄ブロックの部分的にフラットな内部ベース上若しくは構造化上部鋼鉄ブロックの部分的にフラットな内部被覆表面上、又は構造化下部鋼鉄ブロックの部分的にフラットな内部ベース上及び構造化上部鋼鉄ブロックの部分的にフラットな内部被覆表面上に配置することが更に可能である。これに伴い、真空タンクのフラットな内面上で、同調素子又は同調部材と水冷の大きく重いハーフシェルとの間に非常に良好な高周波熱接触を達成することができ、また、その結果、同調素子を適切に冷却することができるので、熱応力と過熱から生じる空洞に対する悪影響を避けることができるという利点がある。

本発明の好ましい発展として、交互に配置されたドリフトチューブ保持器が、中心ユニットの長手方向リブ内の長手方向軸に平行な長手方向溝内に導入される。そのような種類の長手方向溝は、ビーム方向に対して同軸なドリフトチューブユニットの正確な位置合わせを向上させると共に、ドリフトチューブユニットの中心間の間隔の微調整を、加速されるイオンパケットの増加する速度に従って、長手方向溝内のドリフトチューブ保持器の変位によって可能にする。長手方向リブは更に、長手方向の冷却水路を有する。この冷却水路は、ドリフトチューブ保持器が固定された長手方向リブを直接冷却し、従って、熱を中心ユニットの内壁から直接放散させることができるという利点がある。

中心ユニットが端面に更なる冷却水路を有するということは、中心ユニットの端面の大きくて重い壁が同様に熱放散になるとともに、ドリフトチューブ加速器の部品、特に、端面にある入口オリフィスと出口オリフィスの熱変形（thermal distortion）による熱的逆調節（thermal de-adjustment）が発生しないために更なる利点である。

本発明の更なる実施形態において、構造化下部及び上部鋼鉄ブロックはその外面上に配置された冷却水ダクトを有している。そのような種類の冷却水ダクトは妥当なコストで製造することができ、更に、空洞の外側に配置されると共に、鋼鉄ブロックの外形に適合可能であるために、操業において信頼性がある。

本発明の更なる実施形態に対しては、構造化下部及び上部鋼鉄ブロックは最小壁厚が10mmで、その壁厚内に配置された冷却水路を有し、その冷却水路が強度に関して弱点とならない。

本発明は、中心ユニットの入口オリフィスにおける注入エネルギーから出口オリフィスまでのイオンの加速を可能にし、400keV/uから7MeV/uまで加速する。そのために、本発明のIH型ドリフトチューブ加速器は3.77mの長さを有する。イオンが本発明のIH型ドリフトチューブ加速器内で加速される際に、イオンの速度は光速の約2.9%から光速の約12.2%に増加する。それに比例して、ドリフトチューブまたはドリフトチューブユニットの増分ピッチまたは中心間間隔もまた、IH加速器に沿って約４倍に増加する。

本発明のIH型ドリフトチューブ加速器では、ドリフトチューブ構造の単位長さに関する容量の減少の補償が、本発明の一実施形態の中で更に提供される。そのために、構造化上部及び下部鋼鉄ブロックは、個々の領域内に空洞を有し、真空タンクの横断面は特定部分で拡大している。従って、ドリフトチューブ構造の単位長さに関する容量の減少は、拡大する横断面によって補償され、その結果、空洞の基本モードを有利に励起することができる。

本発明の好適な実施形態において、真空タンクは、４つの内部領域を有し、そこに、ドリフトチューブユニットがビーム方向に増加する増分ピッチで配置され、領域から領域へイオンビーム集束のための３つの三重レンズが、構造化下部鋼鉄ブロックの内部ベースのフラット部分上に立設されており、中心ユニットの長手方向軸を取り囲むように領域間に配置されている。

従来のシステムと比べ、本発明による４つの内部加速領域に対して一のみのドリフトチューブ加速器空洞を使用することにより、特に、イオン加速器のための約217MHzの比較的高い動作周波数で使用することにより、内径に比べて非常に長い空洞が生じる。本発明によるIH型ドリフトチューブ加速器の一実施形態において、IH空洞の内高は340mmしかなく、内長は3718mmであり、内高と内長の比は約1:11である。内寸法のこの比率は、従来の構造形式で動作させるならば、空洞の高周波同調（HF tuning）を実質的に更に困難にさせるものである。

しかしながら、空洞の高周波同調は、本発明によるドリフトチューブ加速器の変更可能な機械的構成によって大幅に容易となる。部分的にフラットな内部ベースを設けることにより。簡単な手段で、空洞の製造時にすでに同調素子を統合し、その後で同調部材を据え付けることが可能である。従って、本発明によれば、本発明の好ましい実施形態における構造化上部及び下部鋼鉄ブロックは、個々の領域に対して段階的に特定部分において真空タンクの横断面を拡大する空洞を有する。

従って、12000〜15000と推測される共振器のＱ（quality）を有する高周波空洞が、約217MHzの共振周波数を達成する。最大約0.5%のパルスデューティファクタに相当する、0.5msの高周波パルス持続時間と10Hzのパルス繰返し周波数を持つパルス動作で空洞自身を動作させる。空洞の電力損失の形での推測された高周波パルス所要電力は約1.0乃至1.1MWであり、これは最大約5乃至6kWの平均熱電力消費を生じる。そのプロセスにおいてタンクに向けて発散される熱エネルギーは、中心ユニット内の長手方向リブの効果的な水冷と、構造化上部及び下部鋼鉄ブロックの外面とに基づき得られるものである。

真空タンクは、３つの主要部分、従ってその３つすべてが水冷される部分、すなわち、中心ユニットと、構造化上部及び下部鋼鉄ブロックの形態での上部及び下部ハーフシェルで構成される。中心ユニットは、例えば５２個のそれぞれ別々の長さのドリフトチューブユニットからなるドリフトチューブ構造を支える。ドリフトチューブユニットは上述の４領域内に配置される。この４つのドリフトチューブ領域は、３つの一体化された四極三重レンズ（guadrupole triplet lenses）によって互いに結合される。異なるドリフトチューブ形式が各領域において用いられる。各種ドリフトチューブ形式は直径が異なる。ドリフトチューブは、ドリフトチューブにハンダ付けされたドリフトチューブ保持器によって支えられる。

ハンダ付けされたドリフトチューブを有するドリフトチューブ保持器は、直接に水冷されずにむしろ、中心ユニットの水冷された長手方向リブの長手方向溝にはめ込まれる。ドリフトチューブ保持器は、従って、水冷された中心フレームの熱伝導によって冷却され、熱伝導率を増すよう無酸素銅で作られる。ドリフトチューブ保持器は、中心フレームの長手方向リブ内の長手方向溝内に配置、固定される。ドリフトチューブ構造を有する中心フレームは水平面を形成し、中心ユニットの一部をなす。下部及び上部タンクハーフシェルは、本発明に従って、大きくて重い鋼鉄ブロックで作られた構造化上部及び下部鋼鉄ブロックを用いて製造される。これらの二つの構造化鋼鉄ブロックを冷却するために、幅270mm高さ4mmの冷却路を構造化鋼鉄ブロックの外側に配置することができる。

鋼鉄ブロックの内部は、平面機械加工（planar machined-out）された領域を有している。この平面機械加工された領域は、横断面がドリフトチューブ構造の単位長さに関する容量に段階的に整合するように、４つの異なる加速領域において深さが異なっている。それにより、IH空洞に沿ってのドリフトチューブ構造の単位長さに関する容量の減少が少なくとも部分的に補償される。

下部タンクハーフシェルと内部ベースのフラット部分に、上述の３つの大きな集束装置がフランジ取り付けされており、各集束装置は磁気四極三重レンズを備えている。これらの三重レンズに沿って、下部構造化鋼鉄ブロックは、三重レンズの位置合わせのために必要な内部ベース上の支持の部分的な補償のための変更された横断面を有している。

要約すれば、本発明では以下の利点が得られる。
１．大きくて重い構造化上部及び下部鋼鉄ブロック形態でのタンクハーフシェルの機械的に非常に剛性の大きい構成及び、ほぼ正方形の空洞横断面によって、排気力の補償のための高価な外部支持フレームなしで施行可能である。
２．IH空洞に沿ったドリフトチューブ構造の単位長さに関する容量の減少を、構造化上部鋼鉄ブロックと構造化下部鋼鉄ブロック内の特別な長手方向プロフィールを組み込むことによる空洞の横断面積の変更によって部分的補償することができる。このことは製造条件上妥当なコストで実現できる。
３．IH空洞の磁界分布のその後の補正は、本発明による構造によって容易となる。ハーフシェルの輪郭を、その後に構造化鋼鉄ブロックを機械工作することによって最適化することができ、同調ブロック（tuning blocks）をその後に、微調整のために大きくて重い構造化鋼鉄ブロックのフラットな内面上に導入することができる。従来の半円筒形上部ハーフシェルと下部ハーフシェルの場合に問題を引き起こしていたその中のフラットな接触面が非常に良好な高周波熱接触をもたらす。
４．構造化下部鋼鉄ブロックと構造化上部鋼鉄ブロックの機械的に非常に剛性の大きい構成により、磁気四極三重レンズは、鋼鉄ブロックの中間に直接ボルト締めすることができ、外部支持や外部調整装置を必要としない。
５．トリップレット軸のその後の補正は、追加的に挿入された平面の同調板（tuning plate）のその後の機械的変更によって可能であり、数マイクロメータの精度を達成することができる。このことは、技術的に、レンズをタンクサブフレーム内の真空タンクの外側に取り付ける従来技術よりも簡単で安価な解決策である。
６．三重レンズの調整の精度を改善することができる。0.05mmのビーム軸に対するトリップレット（triplet）軸の最大偏差が、本発明による配置を用いて、全トリップレット長に沿って達成できる。
７．最後に、空洞は、三重レンズの困難な再調整を必要とせずに、構造化上部鋼鉄ブロックを取り外すことによって、何度でも開放することができる。

その安定した構造によって、本発明はまた、特にタンクの内長と内径の比較的大きな比をこれまで作ることができなかったためにこれまで達成されなかったイオン速度を一つの空洞内で４倍に増やすという、非常に大きな課題を解決する。イオン速度をそのように大きく増やすために、これまで、既知のドリフトチューブ加速器の場合は、それぞれが全長にわたって一定の横断面を有する空洞の数を更に増加させる必要があった。

また、本発明のIH型ドリフトチューブ加速器は、従来では当たり前であった複数空洞への分割に伴うかなりの追加コストをなくす。一つのみの空洞の使用は、システムの動作を更に簡単にすると共に、それを更に信頼できるものにする。なぜなら、少数のパラメータしかチェックおよび設定する必要がなく、また、使用する追加装置の数を最小限度にし、このことがシステム全体の故障確率を減らすためである。また、従来技術によれば、一体型四極三重レンズ（トリップレット）を有するIH型ドリフトチューブ加速器に対して200MHzより大きい動作周波数を達成することはこれまで不可能であった。

上述の新規で有利な特徴を備えた本発明の構成は、大きくて重い鋼鉄ブロックからのタンクハーフシェルの新規に開発された構成によってかなり単純化できる。ここで、上述の新規で有利な特徴とは、特に比較的広いエネルギー範囲にわたって加速するのに一つの空洞を使用するだけでよいということであり、また、上記のより特定的にそれに関連する問題の解決策とは、特に、タンク横断面の段階的変更による、IH空洞に沿うドリフトチューブ構造の単位長関連容量の減少の部分的補償と、極めてコンパクトな三重レンズ（トリップレット）の省スペースで機械的に強固な一体化と、構造化上部及び下部鋼鉄ブロックの平らな内面上に追加同調部材を取り付ける純然たる可能性のことである。

以下、本発明を添付図面を参照して更に詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態によるドリフトチューブ加速器１の斜視図である。ドリフトチューブ加速器は真空タンク３の形態で筐体２の中に収納されている。この筐体２は、中心フレームを有する中心ユニット４を備え、この中心ユニット４は、大きくて重い構造化下部鋼鉄ブロック１５からなる下部ハーフシェル５上に、真空密となるようにボルト止めされている。上部ハーフシェル６は、大きくて重い構造化上部鋼鉄ブロック１９を有しており、この構造化上部鋼鉄ブロック１９は、部分的にフラットな内部被覆表面２０を有すると共に、ドリフトチューブ加速器１の空洞を覆うために、中心ユニット４に取り外し可能にボルト止めされている。

構造化上部鋼鉄ブロック１９を中心ユニット４にボルト止めする前に、個々のドリフトチューブ部品を約3770mmの細長い空洞内に収納する。そのために、筐体２は４つの加速領域２４，２５，２６，２７を備えている。加速領域２４，２５，２６，２７間に集束装置１７が配置されており、この集束装置１７は四極三重レンズ２８，２９，３０から成っている。この三重レンズは長手方向軸７を取り囲んでおり、その中でイオンビームパケットがビーム方向２３に中心ユニットを通って発射され、加速される。

イオンは共振器を通過するときに光速の2.9%から12.2%に加速されるので、個々のドリフトチューブユニット１４の間の増分ピッチはIH型ドリフトチューブ加速器１に沿って約４倍増加し、このことは、ドリフトチューブ構造の単位長関連容量を減少させるための補償手段を必要とする。これらの手段、例えば空洞の横断面の変更は、大きくて重い下部鋼鉄ブロック１５と上部鋼鉄ブロック１９の構造化によって達成される。

図１の本発明の実施形態の更なる詳細は、それに続く図２乃至図１１の中で明らかにされている。

図２は、図１のドリフトチューブ加速器１の中心ユニット４の部分破断上面図である。図１と同じ機能を有する構成部品は同じ符号によって示し、別途説明しない。

中心ユニット４の非破断部の中に、ドリフトチューブ加速器の共振部品の配置を見ることができる。ドリフトチューブユニット１４の長さはまた、加速領域２４，２５，２６，２７内で増加している。これらのドリフトチューブユニット１４は、それらが中心ユニット４の長手方向軸７を同軸に取り囲むように、ドリフトチューブ保持器１３によって保持されている。また、ドリフトチューブ保持器１３によって、ドリフトチューブユニット１４が、互いに反対側に位置する中心ユニット４の内壁１０に交互に固定されている。そのため、中心ユニットの二つの内壁１０は、４つの領域２４，２５，２６，２７のそれぞれの中で、長手方向溝を有する長手方向リブ１１を備えており、その長手方向溝の中で、ドリフトチューブ保持器１３が、ビーム方向に増加する中心間間隔をもって固定されている。３つの三重レンズ（トリップレット）２８，２９，３０の領域内で、中心ユニット４の内壁間間隔が、中心ユニットの内壁と三重レンズ（トリップレット）の間の容量を調節するためにわずかに拡大されているので、ドリフトチューブ加速器のイオンビーム誘導長手方向軸に沿って必要な電界分布が達成される。

図３は、図１のドリフトチューブ加速器１の構造化下部鋼鉄ブロック１５の底面図であり、対応する真空フランジ２２を有するオリフィス２１が、下部鋼鉄ブロック１５のこのフラットな底面上に配置されている。図２に示す三重レンズ２４，２５，２６には電力が供給されると共に、構造化下部鋼鉄ブロック１５内の真空ポート３４，３５，３６経由で冷却水が供給される。残りの真空フランジは一部は測定目的に、一部は共振器に200MHzを上回る大きさのオーダの高周波交流電流を供給するために用いられる。

図４は、図１のドリフトチューブ加速器１全体の縦断面図である。この縦断面図は、中心ユニット４の領域内の入口オリフィス８と出口オリフィス９を示している。また、４つの加速領域２４，２５，２６，２７内の空洞の横断面が、ドリフトチューブ構造の単位長関連容量の減少を補償するために段階的に拡大されているので、空洞の基本モードを励起できることは明らかである。

図５は、図１のドリフトチューブ加速器１の構造化上部鋼鉄ブロック１９の上面図である。前図と同じ機能を有する構成部品は同じ符号によって示し、別途説明しない。この上面図はまた、真空フランジと真空ポートの取り付けおよび冷却水路の溶接を容易にするという、構造化上部鋼鉄ブロック１９の外側輪郭のフラット性の利点を示している。

図６は、図１のドリフトチューブ加速器１の構造化上部鋼鉄ブロック１９から中心ユニット４に至る部分の横断面図である。詳細図である図６は、冷却水路３１による長手方向リブ１１の集中冷却を示しており、それによって、損失熱を、長手方向溝１２内に配置されたドリフトチューブ保持器から中心ユニット４へ発散させることができる。長手方向リブ１１は、冷却水路３１を形成するように中心ユニット４の内壁上に溶接され、長手方向溝１２は、溶接応力と溶接歪を補償するために溶接後に導入される。

構造化上部鋼鉄ブロック１９の外面３２上の冷却水路３３の配置はまた、この場合も単なる一例が示されているに過ぎず、構造化上部鋼鉄ブロック１９上に外板を溶接することによって得られる高さ4mm、幅240mmの冷却水路の形態で示されている。冷却効果は、中心ユニット４と、材料内に機械加工された冷却水路を別に持つ構造化上部鋼鉄ブロック１９との両者によって更に強化することができる。

図７は、ドリフトチューブ保持器１３の領域における図１のドリフトチューブ加速器１全体の横断面図である。前図と同じ機能を有する構成部品は同じ符号によって示し、別途説明しない。この横断面において、比較的大きなポンプ吐出接続部が、ドリフトチューブ加速器の空洞を10^-5パスカルまで排気するために、上部及び下部構造化鋼鉄ブロック１９、１５にそれぞれ含まれている。長手方向軸７に関して同軸にドリフトチューブユニットを保持するために、ドリフトチューブ保持器１３が、冷却された長手方向リブ１１の長手方向溝１２内に固定されている。

図８は、集束装置１７の領域における図１のドリフトチューブ加速器１全体の横断面図である。集束装置１７は、本発明に従って従来のハーフシェルに取って代わる下部構造化鋼鉄ブロック１５のフラットな内部ベースの上に位置している。四極三重レンズの集束装置１７には電力が供給されると共に、真空ポート１８を介して冷却水が供給される。前図と同じ機能を有する構成部品は同じ符号によって示し、別途説明しない。

図９は、集束装置１７の領域における図１のドリフトチューブ加速器１の斜視図である。三重レンズの形態の集束装置１７が、水冷される筐体３７の中に配置されている。空洞の横断面は三重レンズの大きさに応じて変更され、中心ユニット４の壁厚が減らされ、集束装置１７の領域内の内部ベース１６のベース面積が増やされる。

図１０は、図１のドリフトチューブ加速器１の集束装置１７全体の縦断面図である。前図と同じ機能を有する構成部品は同じ符号によって示し、別途説明しない。長手方向軸７に対するその後の補正は、この場合、挿入された同調板３８のその後の機械的変更によって可能であり、数マイクロメータの精度を達成することが可能である。このことは、三重レンズを位置決めし調節するためにフラットな内部ベース１６を本発明内の下部構造化鋼鉄ブロック１５内に設けているために可能である。また、フラットな内部ベース１６上に三重レンズを固定した結果、三重レンズの再調整を行う必要はなく、上部構造化鋼鉄ブロック１９を中心ユニット４から持ち上げて外すことが可能である。

図１１は、図１０の集束装置１７の領域における中心ユニット４全体の縦断面図である。前図と同じ機能を有する構成部品は同じ符号によって示し、別に説明しない。この縦断面図は、三重レンズが中心ユニット４での何らの側方支持なしに下部構造化鋼鉄ブロック１５のフラットな内部ベース１６上に配置されているので、中心ユニット４に対する側方支持補助手段を必要とせずに、三重レンズの軸がビーム軸に関して正確に位置合わせされることを示している。

本発明の実施形態のドリフトチューブ加速器の斜視図である。 図１のドリフトチューブ加速器の中心ユニットの部分破断上面図である。 図１のドリフトチューブ加速器の構造化下部鋼鉄ブロックの底面図である。 図１のドリフトチューブ加速器全体の縦断面図である。 図１のドリフトチューブ加速器の構造化上部鋼鉄ブロックの上面図である。 図１のドリフトチューブ加速器の構造化上部鋼鉄ブロックから中心ユニットに至る部分の横断面図である。 ドリフトチューブ保持器の領域における図１のドリフトチューブ加速器全体の横断面図である。 集束装置の領域における図１のドリフトチューブ加速器１全体の横断面図である。 集束装置の領域における図１のドリフトチューブ加速器の斜視図である。 図１のドリフトチューブ加速器の集束装置全体の縦断面図である。 図１０の集束装置の領域における中心ユニット全体の縦断面図である。

符号の説明

１ ドリフトチューブ加速器
２ 筐体
３ 真空タンク
４ 中心ユニット
５ 下部ハーフシェル
６ 上部ハーフシェル
７ 長手方向軸
８ 入口オリフィス
９ 出口オリフィス
１０ 中心ユニットの内壁
１１ 長手方向リブ
１２ 長手方向溝
１３ ドリフトチューブ保持器
１４ ドリフトチューブユニット
１５ 構造化下部鋼鉄ブロック
１６ フラットな内部ベース
１７ 集束装置
１８ 真空ポート
１９ 構造化上部鋼鉄ブロック
２０ 内部被覆表面
２１ 被覆表面内オリフィス
２２ 真空フランジ
２３ ビーム方向
２４ 第１内部領域
２５ 第２内部領域
２６ 第３内部領域
２７ 第４内部領域
２８ 第１三重レンズ
２９ 第２三重レンズ
３０ 第３三重レンズ
３１ 長手方向リブ内冷却水路
３２ 鋼鉄ブロック外面
３３ 上部及び下部鋼鉄ブロック内の冷却水路
３４ 三重レンズへの真空ポート
３５ 三重レンズへの真空ポート
３６ 三重レンズへの真空ポート
３７ 三重レンズ筐体
３８ 同調板
ａ ドリフトチューブユニットの中心間間隔

Claims (13)

1. イオンビーム加速システムにおけるイオンパケット（ion packets）加速用のドリフトチューブ加速器であって、
   筐体（２）が、中心ユニット（４）、下部ハーフシェル（５）、及び上部ハーフシェル（６）を有する長手方向に延在する、上下に分割された三部構成の真空タンク（３）を含み、
   中心ユニット（４）が、そのイオンビームの長手方向軸（７）上にイオンパケットを入射するのための入口オリフィス（８）とイオンパケットを出射するのため出口オリフィス（９）を有し、内壁（１０）上には、長手方向において交互に反対側に設置されたドリフトチューブ保持器（１３）を支える長手方向リブ（１１）が配置されており、イオンビームの長手方向軸（７）に対し同軸的にドリフトチューブユニット（１４）を保持し、中心ユニット（４）が下部ハーフシェル（５）上に取り外し可能に取り付けられ、上部ハーフシェル（６）によって取り外し可能に覆われており、
   下部ハーフシェル（５）が、上に真空ポート（１８）が配置された部分的にフラットな内部ベース（１６）を有する構造化下部鋼鉄ブロック（１５）を含み；及び、上部ハーフシェル（６）が、真空ポート（１８）を有する部分的にフラットな内部被覆表面（２０）を有する構造化上部鋼鉄ブロック（１９）を含むことを特徴とするドリフトチューブ加速器。
2. 真空タンク（３）が、長手方向軸の方向に少なくとも二つの内部領域（２４、２５）を有し、該内部領域内に、ドリフトチューブ（１４）を保持するドリフトチューブ保持器（１３）が設置され、ドリフトチューブの保持が、長手方向リブ（１１）の内部領域にドリフトチューブをはさんで長手方向において交互に反対側に配置されたドリフトチューブ保持器（１３）によって行われ、また、横方向（ビームの軸線と垂直の方向）イオンビーム集束のための集束装置（１７）を含む別のドリフトチューブが設けられており、該別のドリフトチューブが、構造化下部鋼鉄ブロック（１５）の部分的にフラットな内部ベース（１６）上に立設され、そして、中心ユニット（４）の長手方向軸（７）を囲むようにその領域のそれぞれの間に配置されていることを特徴とする、請求項１記載のドリフトチューブ加速器。
3. 別のドリフトチューブ内に、一重構成又は多重構成として配置された四極電磁石を集束装置（１７）として設けたことを特徴とする、請求項２記載のドリフトチューブ加速器。
4. 構造化下部鋼鉄ブロック（１５）若しくは構造化上部鋼鉄ブロック（１９）、又は構造化下部及び上部鋼鉄ブロック（１５、１９）が、集束装置設置されていない領域の空洞の横断面と比べて、集束装置（１７）設置の領域において、異なる断面積の空洞を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のドリフトチューブ加速器。
5. 長手方向において交互に反対側に配置されたドリフトチューブ保持器（１３）を有するドリフトチューブ（１４）が、中心間の間隔がビーム方向において増加するように、配置されたことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のドリフトチューブ加速器。
6. 構造化下部鋼鉄ブロック（１５）若しくは構造化上部鋼鉄ブロック（１９）、又は構造化上部及び下部鋼鉄ブロック（１５、１９）が、各加速部分において、入力オリフィスから出力オリフィスに向けて、真空タンク（３）の横断面が拡大する空洞を有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のドリフトチューブ加速器。
7. 構造化下部鋼鉄ブロック（１５）若しくは構造化上部鋼鉄ブロック（１９）、又は構造化下部及び上部鋼鉄ブロック（１５、１９）が、特定の断面において真空タンク（３）の横断面を段階的に拡大する空洞を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のドリフトチューブ加速器。
8. 同調板（３８）が、構造化下部鋼鉄ブロック（１５）の部分的にフラットな内部ベース上若しくは構造化上部鋼鉄ブロック（１９）の部分的にフラットな内部被覆表面上、又は構造化下部鋼鉄ブロック（１５）の部分的にフラットな内部ベース上及び構造化上部鋼鉄ブロック（１９）の部分的にフラットな内部被覆表面上に配置されたことを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のドリフトチューブ加速器。
9. 該長手方向において交互に反対側に設置されたドリフトチューブ保持器（１３）が、中心ユニット（４）の長手方向リブ（１１）内の長手方向軸（７）に平行な長手方向溝（１２）によって固定されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載のドリフトチューブ加速器。
10. 長手方向リブ（１１）が、長手方向の冷却水路（３１）を有することを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載のドリフトチューブ加速器。
11. 中心ユニット（４）が、側部端面に更なる冷却水路（３１）を有することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載のドリフトチューブ加速器。
12. 構造化下部及び上部鋼鉄ブロック（１５、１９）が、その外面（３２）上に配置された冷却水ダクト（３３）を有することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載のドリフトチューブ加速器。
13. 構造化下部及び上部鋼鉄ブロック（１５、１９）が、10mmの壁厚を有することを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載のドリフトチューブ加速器。

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