JP5823397B2 - Ｈｆ共振器空洞および加速器 - Google Patents

Description

本発明は、粒子ビームの形をした荷電粒子がＲＦ共振器空洞を通って案内されるときおよびＲＦ場がＲＦ共振器空洞の粒子ビームに作用するとき、粒子ビームの形をした荷電粒子を加速できるＲＦ共振器空洞、ならびにこの種のＲＦ共振器空洞を有する加速器に関する。

ＲＦ共振器空洞は、従来技術で周知である。ＲＦ共振器空洞を使って引き起こされる加速は、ＲＦ共振器空洞に生成されるＲＦ電磁場の強度に依存し、そのＲＦ場は、粒子経路に沿って粒子ビームに作用する。ＲＦ場の場強度が増加するにつれて、電極間にスパークが生じる可能性が増加するので、達成可能な最大粒子エネルギーは、ＲＦ共振器空洞によって制限される。

粒子加速器での電気スパーク問題は、文書「Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｆｏｒ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｐａｒｋｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ Ｉｎｃｌｕｄｅ Ｂｏｔｈ ｒｆ ａｎｄ ｄｃ」、Ｒｅｖ． Ｓｃｉ． Ｉｎｓｔｒｕｍ． ２８、８２４〜８２６頁（１９５７）でＷ． Ｄ． Ｋｉｌｐａｔｒｉｃｋによって調べられた。第一近似では、ＲＦ電場の達成可能な最大場強度Ｅは、次の通りにＲＦ場の周波数ｆに関連する。

これは、もし電気スパーク（また「絶縁破壊」または「ＲＦ絶縁破壊」とも呼ばれる）が生じる前により高い周波数が使用されるならば、より高い電場強度が達成できることを意味する。

Ｗ． Ｄ． Ｋｉｌｐａｔｒｉｃｋ、「Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｆｏｒ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｐａｒｋｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ Ｉｎｃｌｕｄｅ Ｂｏｔｈ ｒｆ ａｎｄ ｄｃ」、Ｒｅｖ． Ｓｃｉ． Ｉｎｓｔｒｕｍ． ２８、８２４〜８２６頁（１９５７） Ｇ． Ｌｅｓｃｈ、Ｅ． Ｂａｕｍａｎｎ、「Ｌｅｈｒｂｕｃｈ ｄｅｒ Ｈｏｃｈｓｐａｎｎｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ」、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、Ｂｅｒｌｉｎ／Ｇｏｔｔｉｎｇｅｎ／Ｈｅｉｄｅｒｂｅｒｇ、１９５９年、１５５頁

高い絶縁破壊抵抗を持つＲＦ共振器空洞を提供することが、本発明の目的である。

本目的は、独立クレームによって達成される。有利な展開は、従属クレームの特徴から集めることができる。

それに応じて、荷電粒子を加速するためのＲＦ共振器空洞が、提供され、ＲＦ共振器空洞を通り抜ける粒子ビームに運転中に作用するＲＦ電磁場は、ＲＦ共振器空洞に結合でき、電気絶縁破壊抵抗を増加させるための少なくとも１つの中間電極が、粒子ビームのビーム経路に沿ってＲＦ共振器空洞に配置される。

Ｋｉｌｐａｔｒｉｃｋの基準の適用が、加速器での高周波数への傾向をもたらしたことがわかっている。しかしながら、これは特に、低速粒子、すなわち非相対論的速度を持つ粒子の加速について、イオン光学的理由で問題である。大きな加速器では、これは、最初の加速器段階で低周波数および対応する低Ｅ場強度が、運転のために使用され、典型的には後のそれに続く加速器段階だけが、より有利なより高い周波数で運転されることを意味する。共時性のために、周波数は、互いに関して有理比を有する。しかしながら、これは、大量の空間を必要とする加速器に、また加速器設計の選択での柔軟性の低下にもつながる。

しかしながら、本発明は、必須因子として真空中の達成可能な最大Ｅ場強度に影響を及ぼすのが、必ずしも周波数（Ｋｉｌｐａｔｒｉｃｋ基準による）ではなく、また第一近似で関係式

（誘電強度Ｕについては、第一近似で

である）によって与えられる電極距離ｄでもあるということの実現に基づいている。書籍「Ｌｅｈｒｂｕｃｈ ｄｅｒ Ｈｏｃｈｓｐａｎｎｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ」、Ｇ． Ｌｅｓｃｈ、Ｅ． Ｂａｕｍａｎｎ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、Ｂｅｒｌｉｎ／Ｇｏｔｔｉｎｇｅｎ／Ｈｅｉｄｅｒｂｅｒｇ、１９５９年において、１５５頁は、高真空での絶縁破壊場強度とプレート距離との間の関係を例示するための図表を示す。この関係は明らかに、ＤＣおよびＡＣ電圧についてならびに幾何学的に拡大縮小された電極の形について同じように、非常に大きな電圧範囲にわたって例外なく当てはまる。電極材料の選択は明らかに、比例定数だけに影響を及ぼす。

Ｋｉｌｐａｔｒｉｃｋの実験的基準

は、電極距離を明確に考慮に入れるパラメーターを含有しない。しかしながら、もし周波数に適合させるために拡大縮小中の共振器の形が、幾何学的に同様のままであり、その結果電極距離が、共振器のその他の寸法と一緒に拡大縮小されると仮定されるならば、電極距離を含む上記の関係式とのこの明らかな矛盾は、解決される。これは、ｄ〜１／ｆによる電極距離ｄの選択、それ故にＫｉｌｐａｔｒｉｃｋ基準

と上で確立された基準

との間の対応を意味する。

この考察の結果として、高周波数だけが、有用であるように見えることがわかる。Ｋｉｌｐａｔｒｉｃｋ基準による周波数依存は、少なくとも部分的に共振同調のための幾何学的拡大縮小によってシミュレートできる。

しかしながら、周波数が、ＲＦ場の所望の最大Ｅ場強度とは独立により大きな関連で選択されることは可能であり、その結果例えば重イオンのための小型加速器が、原理上は低周波数でもまた可能になる。本明細書では絶縁破壊抵抗は、中間電極で対処されるので、これは、本発明によるＲＦ共振器空洞を手段として達成される。最終的にこれは、基準

を観察することによって高い電気絶縁破壊抵抗および関連する高いＥ場強度を達成する。ＲＦ共振器の動作周波数は、理想的には所望のＥ場強度とは独立に明らかにより柔軟に選択でき、達成すべき電気絶縁破壊抵抗は、中間電極によって可能になり、動作周波数の選択によってではない。

本明細書では本発明は、より高いＥ場強度を達成するために、より小さな電極距離を使用することの考察を含む。しかしながら、電極距離は、最初に共振器の形によって与えられるので、より小さな電極距離は本明細書では、中間電極を導入することによって解決される。電極間の距離はその結果として、中間電極によってより小さなセクションに分割される。絶縁破壊抵抗に関する距離要件はそれ故に、大体は共振器のサイズおよび種類とは独立に満たすことができる。

中間電極は、電気絶縁破壊抵抗を増加させるのに役立つ。ＲＦ共振器空洞にそれの加速特性の観点からできるだけ少ししか影響を及ぼさないために、中間電極がＲＦ共振器空洞の運転中に、加速するように粒子ビームに作用するＲＦ場を生成しないように、中間電極は、ＲＦ共振器空洞の壁から絶縁されてもよい。その絶縁のために、ＲＦ電力は、壁から中間電極に移送されず、さもなければ中間電極は、中間電極を発端とする、粒子ビームに作用するＲＦ場を生成することになる。運転中は、この場合にはＲＦ場は、共振器壁から中間電極に移送されない、または中間電極によって放出されるＲＦ場は、たとえあったとしても、無視できるほどわずかな程度までであり、最良の場合には、粒子ビームの加速に全く寄与しない、もしくは加速に影響を及ぼさない。特に、ＲＦ電流は、共振器壁から中間電極に流れない。

共振器壁に関する絶縁は、必ずしも完全である必要はなく、中間電極がＲＦ空洞の動作周波数の周波数範囲で大体は絶縁されるように、中間電極の共振器壁への結合を構成することで十分である。例えば中間電極は、導電性接続部がＲＦ共振器空洞の動作周波数で高インピーダンスを有するように、導電性接続部を用いてＲＦ共振器空洞の壁に結合でき、その結果として、中間電極に関する所望の絶縁が、達成できる。中間電極はその結果として、ＲＦエネルギーの観点でＲＦ共振器空洞から大体は切り離される。それ故にＲＦ共振器空洞は、中間電極によって少しだけ減衰される。導電性接続部はそれにもかかわらず、散乱粒子による電荷消散の機能を同時に引き受けることができる。導電性接続部の高インピーダンスは、らせん状に案内される導体部分を用いて実現できる。

中間電極は、特に粒子ビームに作用するＲＦ電場に垂直に配置される。それ故に、中間電極によるＲＦ空洞の機能性へのできるだけ低い影響が、達成される。

中間電極は例えば、粒子ビームがそれを通って案内される中心穴を有するリング状ディスクの形状を有することができる。中間電極の形は、中間電極がない場合に生じるＥ場ポテンシャル面に適合させることができ、その結果理想的な中間電極のないＥ場構成の著しい歪みは、生じない。そのような形を使うと、追加の構造物による静電容量の増加は、最小限にされ、共振器の離調および局所的Ｅ場増強は、大体は避けられる。

中間電極は有利には、例えば弾性軸受けまたはサスペンションを手段として移動可能に取り付けられる。弾性軸受けは、ヘアピンの形状に構成できる。それ故に、表面に沿った沿面放電経路は、最適化されまたは最大化され、沿面放電発生の可能性は、最小限にされる。弾性軸受けは、らせん状導電性部分を含むことができ、その結果としてＲＦ共振器空洞の動作周波数での弾性軸受けのインピーダンス増加が、達成できる。

使用される中間電極の材料は、クロム、バナジウム、チタン、モリブデン、タンタル、タングステンまたはこれらの材料を含む合金とすることができる。これらの材料は、高Ｅ場強度を有する。保護すべき高Ｅ場強度の領域では、典型的には低い接線Ｈ場（およびそれ故に壁電流密度）だけが、生じるので、これらの材料でのより低い表面伝導率は、許容できる。

有利には、複数の中間電極は、ＲＦ共振器空洞でビーム方向に次々に配置される。複数の中間電極は、例えば弾性サスペンションを用いて互いに関して移動可能に取り付けられてもよい。それ故に、電極の個々の距離は、自動的に一様に分布する。

複数の中間電極を互いに接続する弾性軸受けは、導電性であり、好ましくはらせん状導電性部分を含むように構成できかつ／またはヘアピンの形状に構成できる。これはまた、中間電極間の散乱粒子による電荷消散も可能にする。

本発明による加速器は、中間電極を備える上述のＲＦ共振器空洞の少なくとも１つを含む。

従属クレームの特徴による有利な展開を持つ本発明の実施形態は、次の図面を参照して、しかしそれに限定されることなく、さらに詳細に説明されることになる。

挿入された中間電極を備えるＲＦ共振器空洞の構成を概略的に示す図である。 そのようなＲＦ共振器空洞を通る縦断面を示す図である。

図１は、ＲＦ共振器空洞１１を示す。ＲＦ共振器空洞１１の内部に位置する中間電極１３をより明瞭に例示することができるように、ＲＦ共振器空洞１１それ自体は、点線で例示される。

ＲＦ共振器空洞１１は典型的には、導電性壁を含み、ＲＦ送信機（ここでは例示されず）によってＲＦエネルギーが供給される。ＲＦ共振器空洞１１の粒子ビーム１５に作用する加速ＲＦ場は典型的には、ＲＦ共振器空洞１１の外部に配置されるＲＦ送信機によって生成され、共振するようにＲＦ共振器空洞１１に導入される。ＲＦ共振器空洞１１は典型的には、高真空を含有する。

中間電極１３は、ＲＦ共振器空洞１１でビーム経路に沿って配置される。中間電極１３は、中心穴を備えるリングの形に構成され、粒子ビームが、その穴を通り抜ける。真空は、中間電極１３間に位置する。

中間電極１３は、ＲＦ共振器空洞１１に関しておよび互いに関して弾性サスペンション１７を使って取り付けられる。

弾性サスペンション１７のために、中間電極１３は、ＲＦ共振器空洞１１の長さにわたって自動的に分布する。中間電極１３を安定させるのに役立つ追加のサスペンション（ここでは例示されず）が、同様に提供されてもよい。

図２は、図１で示されるＲＦ共振器空洞１１を通る縦断面を示し、ここでは互いに関しておよび共振器壁に関して中間電極１３の異なる種類のサスペンションが、示される。

図２の上半分１９は、ヘアピン形状の導電性接続部２３を備える中間電極１３の弾性サスペンションを示す。ヘアピン形状のために、サスペンションに沿った沿面放電の可能性は、減少する。

図２で示されるＲＦ共振器空洞１１の下半分では、中間電極１３は、互いに関しておよび共振器壁に関してらせん状に案内される導電性弾性接続部２５を用いて接続される。この構成は、導電性接続部２５のらせん状案内が、対応する構成の場合にはＲＦ共振器空洞１１の動作周波数で共振器壁に関して中間電極の所望の絶縁を生成するインピーダンスを構成するという利点を有する。このようにして、中間電極１３のＲＦ共振器空洞１１への挿入によるＲＦ共振器空洞１１の過度の減衰は、避けられる。

１１ ＲＦ共振器空洞
１３ 中間電極
１５ 粒子ビーム
１７ サスペンション
１９ 上部
２１ 下部
２３ へアピン形状の接続部
２５ らせん状接続部

Claims (15)

1. 荷電粒子（１５）を加速するためのＲＦ共振器空洞であって、前記ＲＦ共振器空洞（１１）を通り抜ける粒子ビーム（１５）に運転中に作用するＲＦ電磁場は、前記ＲＦ共振器空洞（１１）に結合でき、
   電気絶縁破壊抵抗を増加させるための少なくとも１つの中間電極（１３）が、前記粒子ビーム（１５）のビーム経路に沿って前記ＲＦ共振器空洞（１１）に配置されており、
   前記中間電極（１３）は、移動可能に取り付けられていることを特徴とする、ＲＦ共振器空洞。
2. 前記中間電極（１３）が前記ＲＦ共振器空洞の運転中に、加速するように前記粒子ビーム（１５）に作用するＲＦ場を生成しないように、前記中間電極（１３）は、前記ＲＦ共振器空洞（１１）の壁から絶縁される、請求項１に記載のＲＦ共振器空洞。
3. 導電性接続部（１７、２３、２５）が、前記ＲＦ共振器空洞（１１）の動作周波数で高インピーダンスを有するように、前記中間電極（１３）は、前記導電性接続部（１７、２３、２５）を用いて前記ＲＦ共振器空洞（１１）の前記壁に結合され、その結果として前記中間電極（１３）が前記ＲＦ共振器空洞（１１）の運転中に、加速するように前記粒子ビーム（１５）に作用するＲＦ場を生成しないように、前記中間電極（１３）は、前記ＲＦ共振器空洞（１１）の前記壁に関して絶縁される、請求項２に記載のＲＦ共振器空洞。
4. 前記導電性接続部は、らせん状に案内される導体部分（２５）を含む、請求項３に記載のＲＦ共振器空洞。
5. 前記中間電極（１３）は、弾性軸受け（１７）を手段として移動可能に取り付けられる、請求項１に記載のＲＦ共振器空洞。
6. 前記弾性軸受けは、ヘアピン（２３）の形状に構成される、請求項５に記載のＲＦ共振器空洞。
7. 前記弾性軸受けは、らせん状導電性部分（２５）を含む、請求項５または６に記載のＲＦ共振器空洞。
8. 前記中間電極（１３）の材料は、クロム、バナジウム、チタン、モリブデン、タンタルおよび／またはタングステンを含む、請求項１から７の一項に記載のＲＦ共振器空洞。
9. 前記中間電極（１３）は、リング状ディスクの形状を有する、請求項１から８の一項に記載のＲＦ共振器空洞。
10. 複数の中間電極（１３）は、前記ビーム方向に次々に配置される、請求項１から９の一項に記載のＲＦ共振器空洞。
11. 前記複数の中間電極（１３）は、移動可能に取り付けられる、請求項１０に記載のＲＦ共振器空洞。
12. 前記複数の中間電極（１３）は、弾性軸受け（１７、２３、２５）を用いて互いに接続される、請求項１０または１１に記載のＲＦ共振器空洞。
13. 前記複数の中間電極（１３）を互いに接続する前記弾性軸受けは、ヘアピン（２３）の形状に構成される、請求項１２に記載のＲＦ共振器空洞。
14. 前記複数の中間電極（１３）を互いに接続する前記弾性軸受けは、らせん状導電性部分（２５）を含む、請求項１３に記載のＲＦ共振器空洞。
15. 請求項１から１４の一項に記載のＲＦ共振器空洞（１１）を有する、荷電粒子を加速するための加速器。

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