JP4911477B2 - IH type drift tube linear accelerator - Google Patents
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Description
この発明は、高周波加速電場によって粒子線を加速するためのドリフトチューブと呼ばれる電極を用いたIH型ドリフトチューブ線形加速器に関するものである。 The present invention relates to an IH type drift tube linear accelerator using an electrode called a drift tube for accelerating a particle beam by a high frequency acceleration electric field.
IH型ドリフトチューブ線形加速器においては、円筒形の加速空胴内部に加速空胴内周壁面の上下から交互に径方向に突出するステムを配置し、ステムにドリフトチューブを取り付けて、複数のドリフトチューブを円筒軸方向に配列する。ドリフトチューブ間に高周波電場が発生する。粒子線は複数のドリフトチューブの中を通過し、ドリフトチューブ間の高周波電場で加速される。この高周波電場は、通常、加速電場と呼ばれる。IH型加速器においては加速空洞内の水平方向を回転する方向の磁場が発生し、これによって電場が誘起されるため、加速空胴中央での加速電場が大きいという分布を持つ。これにより両端では加速電場が小さくなるため、入射側の加速電場を上げるために入射側数個のドリフトチューブ外径を大きくする、内径を小さくする、あるいはドリフトチューブ外側の曲率半径を小さくするなどして加速電場の向上が図られてきた(例えば、特許文献1参照)。
最も効率よく加速するためには各ドリフトチューブ間での電場強度の平均値が等しくなる必要がある。しかし、それぞれのドリフトチューブ間での平均電場強度を等しくするという調整を行なった場合、ドリフトチューブ同士の距離が遠い出射側においてはその表面における電場強度が高くなり、放電危険性が高くなる。この発明は、このような放電危険性を下げるためのものであり、この点は上記従来例と異なる。
In the IH type drift tube linear accelerator, a plurality of drift tubes are arranged in a cylindrical acceleration cavity by arranging stems that protrude alternately in the radial direction from the top and bottom of the inner wall surface of the acceleration cavity, and attaching the drift tubes to the stems. Are arranged in the cylindrical axis direction. A high frequency electric field is generated between the drift tubes. The particle beam passes through a plurality of drift tubes and is accelerated by a high-frequency electric field between the drift tubes. This high frequency electric field is usually called an acceleration electric field. In the IH type accelerator, a magnetic field rotating in the horizontal direction in the acceleration cavity is generated, and an electric field is induced thereby, so that the acceleration electric field at the center of the acceleration cavity is large. As a result, the accelerating electric field becomes smaller at both ends, so in order to increase the accelerating electric field on the incident side, increase the outer diameter of several drift tubes on the incident side, decrease the inner diameter, or decrease the radius of curvature outside the drift tube. Thus, the acceleration electric field has been improved (for example, see Patent Document 1).
In order to accelerate most efficiently, the average value of the electric field strength between the drift tubes needs to be equal. However, when the adjustment is made such that the average electric field strength between the drift tubes is equal, the electric field strength on the surface increases on the emission side where the distance between the drift tubes is long, and the risk of discharge increases. The present invention is intended to reduce such a discharge risk, and this point is different from the conventional example.
IH型ドリフトチューブ線形加速器において、ドリフトチューブの表面における電場強度が大きくなると、放電が起こり、粒子線が安定して加速できない。
粒子線が加速され、粒子線のエネルギーが大きくなると粒子は高速となり、ドリフトチューブ間の距離は長くする必要があるので、粒子線出射側のドリフトチューブ間の距離は粒子線入射側のドリフトチューブ間の距離より長くなる。ドリフトチューブ間の電場強度分布の平均値を一定にするという条件で設計を行うと、このドリフトチューブ間の距離が長くなるほどドリフトチューブにおける表面電場強度は大きくなる。
In the IH type drift tube linear accelerator, when the electric field strength on the surface of the drift tube increases, discharge occurs and the particle beam cannot be accelerated stably.
When the particle beam is accelerated and the energy of the particle beam increases, the particle becomes faster and the distance between the drift tubes needs to be longer, so the distance between the drift tubes on the particle beam exit side is between the drift tubes on the particle beam incident side. Longer than the distance. When the design is performed under the condition that the average value of the electric field strength distribution between the drift tubes is constant, the surface electric field strength at the drift tubes increases as the distance between the drift tubes increases.
また、加速空胴の共振周波数及びドリフトチューブ間の電場強度分布の平均値の調整は、加速空胴の円筒壁に孔を開けこの孔に銅製の棒あるいは銅メッキした金属棒からなるチューナを挿入して行う。円筒壁を貫通してチューナを挿入した場合、チューナ挿入部中心付近の電場強度は小さくなり、チューナ両側付近の電場強度は大きくなる。従って、このようにチューナを挿入した場合、ドリフトチューブにおける表面電場強度はさらに大きくなる。また、そのチューナよりもさらに出射側に位置するドリフトチューブの表面電場強度は、ドリフトチューブ間の距離が大きくなることにより、そのチューナよりも入射側に位置するドリフトチューブの表面電場強度より大きくなる。また、最も出射側に位置するチューナよりも入射側にあるドリフトチューブ間の電場強度分布はチューナ相互の調節によって調整でき、表面電場強度を下げることができるが、最も出射側に位置するチューナよりも出射側にあるドリフトチューブ間の電場強度分布はチューナによって調整できない。これは、ドリフトチューブ間の電場強度と空洞の共振周波数の両方をチューナにより調節する必要があることに起因している。 To adjust the resonant frequency of the accelerating cavity and the average value of the electric field strength distribution between the drift tubes, a hole is made in the cylindrical wall of the accelerating cavity and a tuner made of a copper rod or a copper-plated metal rod is inserted into the hole. And do it. When the tuner is inserted through the cylindrical wall, the electric field strength near the center of the tuner insertion portion is small, and the electric field strength near both sides of the tuner is large. Therefore, when the tuner is inserted in this way, the surface electric field strength in the drift tube is further increased. Further, the surface electric field strength of the drift tube located on the emission side further than the tuner becomes larger than the surface electric field strength of the drift tube located on the incident side of the tuner as the distance between the drift tubes becomes larger. Also, the electric field strength distribution between the drift tubes on the incident side than the tuner located on the most exit side can be adjusted by adjusting the tuners, and the surface electric field strength can be lowered, but it is lower than the tuner located on the most exit side. The electric field intensity distribution between the drift tubes on the exit side cannot be adjusted by the tuner. This is because both the electric field strength between the drift tubes and the resonant frequency of the cavity need to be adjusted by the tuner.
粒子線出射側のドリフトチューブ間の距離が長くなるということ、挿入したチューナよりもさらに出射側に位置するドリフトチューブの表面電場強度が大きくなること及び最も出射側に位置するチューナよりも出射側にあるドリフトチューブ間の電場強度分布はチューナによって調整できないことから、最も出射側に位置するチューナよりもさらに出射側に位置するドリフトチューブの円筒軸方向端部の外周エッジ部においては表面電場強度が大きくなり、放電が発生して粒子線の安定な加速が行えなくなる場合があるという問題がある。 The distance between the drift tubes on the particle beam exit side becomes longer, the surface electric field strength of the drift tube located on the exit side becomes larger than the inserted tuner, and the tuner located on the most exit side is closer to the exit side. Since the electric field strength distribution between certain drift tubes cannot be adjusted by the tuner, the surface electric field strength is larger at the outer peripheral edge of the cylindrical axial end of the drift tube located on the exit side than the tuner located on the most exit side. Therefore, there is a problem in that discharge may occur and stable acceleration of the particle beam may not be performed.
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、最も出射側に位置するチューナよりもさらに出射側にあるドリフトチューブの表面電場強度が大きくなり放電が発生する可能性がある場合に、このドリフトチューブの表面電場強度を低減し、これにより主にドリフトチューブ間の放電を防ぎ、粒子線の安定な加速が行えるようにしたIH型ドリフトチューブ線形加速器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and there is a possibility that the surface electric field strength of the drift tube on the exit side becomes larger than the tuner located on the most exit side and discharge may occur. The purpose is to provide an IH type drift tube linear accelerator that reduces the surface electric field strength of this drift tube in some cases, thereby mainly preventing discharge between drift tubes and enabling stable acceleration of particle beams. And
この発明に係るIHドリフトチューブ線形加速器は、円筒形の加速空胴と、上記加速空胴内部に円筒軸方向に配列され高周波加速電場を発生させる複数のドリフトチューブと、上記各ドリフトチューブを一方の先端部に固定し他方の先端部を上記加速空胴の内周壁面に保持した複数のステムと、上記加速空胴の円筒壁を貫通する孔に挿入され上記円筒軸方向に配列設置されたチューナとを備え、上記チューナは、上記各チューナの上記貫通する孔に挿入される挿入部の長さを相互に調節可能に構成され、上記加速空洞の円筒軸方向の一端を入射端、他端を出射端として上記入射端から入射した粒子線を上記ドリフトチューブ間にかけられている高周波加速電場で加速して上記出射端から出射するIH型ドリフトチューブ線形加速器であって、
上記ドリフトチューブは、上記円筒軸方向端部の外周エッジ部が所定の曲率半径を有し、
上記出射端最近接位置に配置された上記チューナの中心位置よりも上記出射端の側に位置する上記ドリフトチューブの上記曲率半径を、上記チューナの中心位置よりも上記入射端の側に位置する上記ドリフトチューブそれぞれの上記曲率半径よりも大きくしたものである。
An IH drift tube linear accelerator according to the present invention includes a cylindrical acceleration cavity, a plurality of drift tubes arranged in the axial direction of the cylinder inside the acceleration cavity and generating a high-frequency accelerating electric field, and each of the drift tubes. A plurality of stems fixed to the distal end and having the other distal end held on the inner peripheral wall surface of the accelerating cavity, and a tuner inserted in a hole penetrating the cylindrical wall of the accelerating cavity and arranged in the cylindrical axis direction The tuner is configured such that the lengths of the insertion portions inserted into the through-holes of the tuners can be adjusted to each other, and one end of the acceleration cavity in the cylindrical axis direction is an incident end and the other end is An IH type drift tube linear accelerator for accelerating a particle beam incident from the incident end as an exit end with a high frequency acceleration electric field applied between the drift tubes and exiting from the exit end,
The drift tube has a predetermined radius of curvature at the outer peripheral edge portion of the cylindrical axial end portion,
The curvature radius of the drift tube located on the side of the exit end of the center position of the tuner arranged in the exit end closest position, the center position of the upper Symbol tuner located on the side of the incident end It is larger than the curvature radius of each drift tube.
この発明に係るIHドリフトチューブ線形加速器によれば、円筒形の加速空胴と、上記加速空胴内部に円筒軸方向に配列され高周波加速電場を発生させる複数のドリフトチューブと、上記各ドリフトチューブを一方の先端部に固定し他方の先端部を上記加速空胴の内周壁面に保持した複数のステムと、上記加速空胴の円筒壁を貫通する孔に挿入され上記円筒軸方向に配列設置されたチューナとを備え、上記チューナは、上記各チューナの上記貫通する孔に挿入される挿入部の長さを相互に調節可能に構成され、上記加速空洞の円筒軸方向の一端を入射端、他端を出射端として上記入射端から入射した粒子線を上記ドリフトチューブ間にかけられている高周波加速電場で加速して上記出射端から出射するIH型ドリフトチューブ線形加速器であって、
上記ドリフトチューブは、上記円筒軸方向端部の外周エッジ部が所定の曲率半径を有し、
上記出射端最近傍位置に配置された上記チューナの中心位置よりも上記出射端の側に位置し上記表面電場強度が上記許容値を超える可能性の高いドリフトチューブの上記曲率半径を、上記出射端最近接位置に配置された上記チューナの中心位置よりも上記入射端の側に位置する上記ドリフトチューブそれぞれの上記曲率半径よりも大きくしたので、ドリフトチューブ間の放電を防ぎ、粒子線を安定に加速することができる。
According to the IH drift tube linear accelerator according to the present invention, a cylindrical acceleration cavity, a plurality of drift tubes arranged in the axial direction of the cylinder inside the acceleration cavity and generating a high-frequency accelerating electric field, and the drift tubes are provided. A plurality of stems fixed to one tip and the other tip held on the inner peripheral wall surface of the accelerating cavity, and inserted into a hole penetrating the cylindrical wall of the accelerating cavity and arranged in the cylindrical axis direction The tuner is configured such that the lengths of the insertion portions inserted into the through-holes of the tuners can be adjusted with respect to each other. An IH type drift tube linear accelerator that accelerates a particle beam incident from the incident end with a high-frequency accelerating electric field applied between the drift tubes with an end as an exit end and exits from the exit end. Te,
The drift tube has a predetermined radius of curvature at the outer peripheral edge portion of the cylindrical axial end portion,
The radius of curvature of the drift tube, which is located closer to the exit end than the center position of the tuner disposed at the position closest to the exit end and the surface electric field strength is likely to exceed the allowable value, is set to the exit end. Since the radius of curvature of each of the drift tubes located closer to the incident end than the center position of the tuner located at the closest position is larger than the curvature radius of each of the drift tubes, discharge between the drift tubes is prevented and the particle beam is stably accelerated. can do.
実施の形態1.
図1は、この発明に係るドリフトチューブ線形加速器の実施の形態1を示す断面図であり、IH(Interdigital H−mode)型ドリフトチューブ線形加速器の断面図を示している。図1に示したように、IH型ドリフトチューブ線形加速器は、円筒形の加速空胴1と、加速空胴1の円筒軸方向に配列され高周波加速電場を発生させる複数のドリフトチューブ3と、各ドリフトチューブ3を一方の先端部に固定し他方の先端部を加速空胴1の内周壁面に保持した複数のステム2と、加速空胴1の円筒壁を貫通する孔に円筒壁を貫通して挿入され円筒軸方向に配列された複数のチューナとを備える。複数のチューナ相互の円筒壁の孔に挿入される挿入部の長さを調節することによって加速空胴1の共振周波数及びドリフトチューブ3間の電場強度分布の平均値を各ドリフトチューブ3間において同じ値に調整し、かつ、ドリフトチューブ3間の電場強度分布を調整してドリフトチューブ3における表面電場強度を許容値以下とし、加速空洞1の円筒軸の一方を入射端、他方を出射端として入射端から入射した粒子線を加速して出射端から出射する。チューナは、銅棒あるいは銅メッキ金属等からなり、例えば、加速空胴1の円筒部のチューナ設置位置4,5,6,7に設けた貫通孔に挿入される。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a drift tube linear accelerator according to the present invention, and shows a cross-sectional view of an IH (Interdigital H-mode) type drift tube linear accelerator. As shown in FIG. 1, the IH type drift tube linear accelerator includes a
IH型ドリフトチューブ線形加速器においては、ドリフトチューブ3同士の間の空間に高周波加速電場が発生し、粒子線の加速が行われる。そのために、入射側から出射側に向かって次第に粒子線のエネルギーが高くなるので、入射端側から出射端側に向かって次第にドリフトチューブ3間の距離を長くする必要がある。ドリフトチューブ3間における粒子線加速軸(円筒軸)a方向の電場強度分布はドリフトチューブ3表面で高く、ドリフトチューブ3間で低くなる。すなわち、ドリフトチューブ3間の電場強度分布はドリフトチューブ3間の両端にピークを持つことになる。従って、各ドリフトチューブ3間の電場強度分布の平均値を等しくするという条件で設計を行った場合、ドリフトチューブ3間の距離を長くした出射側のドリフトチューブ3の表面電場強度の最大値は、入射側に位置するドリフトチューブ3間の距離が短いドリフトチューブ3の表面電場強度の最大値に比べて大きくなる。
In the IH type drift tube linear accelerator, a high frequency accelerating electric field is generated in the space between the
また、チューナを、円筒壁を貫通して挿入した場合、図2に示すようにチューナ挿入位置16(チューナの中心位置)付近の電場強度は小さくなり、チューナ挿入後のドリフトチューブ3間の電場分布18は、チューナの挿入位置から入射端側、出射端側に向かって離れるに従って、その電場強度がチューナ挿入前の電場分布17における電場強度より大きくなる。このような状況に対して、最も出射端側に位置するチューナの中心位置より入射端側に位置するドリフトチューブ3間の電場強度分布については複数のチューナの挿入部長さを相互に調節することによって、その強度を調整し、ドリフトチューブ3の表面電場強度を許容値以下にすることができる。しかし、チューナを用いて表面電場強度と共振周波数をともに調整する必要があるので、最も出射端側に位置するチューナの中心位置よりさらに出射端側に位置するドリフトチューブ3間の電場強度分布の調整範囲は制限されるため、チューナの調節という従来の方法では、最も出射端側に位置するチューナの中心位置より出射端側に位置するドリフトチューブ3の表面電場強度は放電にかかる許容値を超えることがある。
When the tuner is inserted through the cylindrical wall, the electric field strength near the tuner insertion position 16 (tuner center position) decreases as shown in FIG. 2, and the electric field distribution between the
このように、ドリフトチューブ3間の距離が長くなること、チューナを挿入したこと及び最も出射端側に位置するチューナの中心位置より出射端側に位置するドリフトチューブ3間の電場強度分布が調整できないことが原因となって、最も出射端側に位置するチューナの中心位置よりさらに出射端側に位置するドリフトチューブ3の表面電場強度が大きくなり、放電が発生する可能性が生じる。
As described above, the distance between the
この発明においては、最も出射端側に位置するチューナ設置位置7の中心位置よりもさらに出射端側に位置して放電発生の可能性があるドリフトチューブ3の端部外周(粒子線加速軸a方向端部の外周部)のエッジ部の曲率半径をチューナ設置位置7の中心位置よりも入射端側に位置する各ドリフトチューブ3の端部外周のエッジ部の曲率半径より大きくすることでエッジ部の電場集中を避けて電場強度を低減することにより放電を防ぎ、放電による加速電場の乱れを防止することで安定な粒子線加速ができるようにするものである。また、放電を防ぐことでドリフトチューブ線形加速器の長寿命化及び製品の安全性を図るものである。
In this invention, the outer periphery of the end of the
図3は、ドリフトチューブ3の端部外周エッジ部の曲率半径の大きさを変えた2種類のドリフトチューブを示す断面図である。図3(a)は、チューナ設置位置7の中心位置よりも入射端側に位置するドリフトチューブ3における端部外周エッジ部8,9の曲率半径を示し、図3(b)は、チューナ設置位置7の中心位置よりも出射端側に位置するドリフトチューブ3における端部外周エッジ部10,11の曲率半径を示している。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing two types of drift tubes in which the radius of curvature of the outer peripheral edge portion of the end portion of the
以上のように、この実施の形態1によれば、最も出射端側に位置するチューナ設置位置7の中心位置よりもさらに出射端側に位置するドリフトチューブ3の端部外周エッジ部10,11における曲率半径を、チューナ設置位置7の中心位置より入射端側に位置する各ドリフトチューブ3の端部外周エッジ部8、9の曲率半径に比べて大きくすることで放電を防ぎ、安定な粒子線加速ができるようにすることができる。
As described above, according to the first embodiment, in the end outer
また、端部外周エッジ部の曲率半径を大きくする対象となるドリフトチューブ3が複数ある場合においては、一つのドリフトチューブ3の両端で表面電場強度が異なり、その両端において放電の起こる可能性が異なる場合があるので、その場合には、図4に示すように、ドリフトチューブ3の端部外周エッジ部12の曲率半径と端部外周エッジ部13の曲率半径を異なるものとし、また、ドリフトチューブ3の端部外周エッジ部14の曲率半径と端部外周エッジ部15の曲率半径は異なるものとして放電の起こりやすい対向する面の端部外周エッジ部13,14の曲率半径を大きくする。
In addition, when there are a plurality of
また、端部外周エッジ部の曲率半径を大きくするドリフトチューブ3が複数ある場合、各ドリフトチューブ3の表面電場強度が異なるので、図5に示すように、ドリフトチューブ3の端部外周エッジ部12及び13の曲率半径と端部外周エッジ部14及び15の曲率半径とを異なるものとする。また、この場合、一つのドリフトチューブ3の両端で表面電場強度が異なる場合があるので、その場合には、その両端の端部外周エッジ部の曲率半径を異なるものとする。
Further, when there are a plurality of
この発明のドリフトチューブ線形加速器は、医療用の機器に有効に利用することができる。 The drift tube linear accelerator of the present invention can be effectively used for medical equipment.
1 加速空胴、2 ステム、3 ドリフトチューブ、4〜7 チューナ設置位置、
a ビーム加速軸、8〜15 端部外周エッジ部、16 チューナ挿入位置、
17 チューナ挿入前の電場分布、18 チューナ挿入後の電場分布。
1 Acceleration cavity, 2 stem, 3 drift tube, 4-7 tuner installation position,
a beam acceleration axis, 8 to 15 end outer peripheral edge, 16 tuner insertion position,
17 Electric field distribution before inserting the tuner, 18 Electric field distribution after inserting the tuner.
Claims (3)
上記ドリフトチューブは、上記円筒軸方向端部の外周エッジ部が所定の曲率半径を有し、
上記出射端最近傍位置に配置された上記チューナの中心位置よりも上記出射端の側に位置する上記ドリフトチューブの上記曲率半径を、上記チューナの中心位置よりも上記入射端の側に位置する上記ドリフトチューブそれぞれの上記曲率半径よりも大きくしたことを特徴とするIH型ドリフトチューブ線形加速器。 A cylindrical acceleration cavity, a plurality of drift tubes arranged in the axial direction of the cylinder inside the acceleration cavity and generating a high-frequency accelerating electric field, and each drift tube is fixed to one tip and the other tip is A plurality of stems held on the inner peripheral wall surface of the accelerating cavity; and tuners that are inserted into holes that penetrate the cylindrical wall of the accelerating cavity and that are arranged in the cylindrical axis direction. The length of the insertion portion inserted into the through-hole of each of the accelerating cavities is configured to be mutually adjustable. Is an IH type drift tube linear accelerator that accelerates with a high frequency acceleration electric field applied between the drift tubes and exits from the exit end,
The drift tube has a predetermined radius of curvature at the outer peripheral edge portion of the cylindrical axial end portion,
The curvature radius of the drift tube located on the side of the exit end of the center position of the tuner arranged in the exit end nearest position, the center position of the upper Symbol tuner located on the side of the incident end An IH type drift tube linear accelerator characterized by being larger than the curvature radius of each of the drift tubes.
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