JP5858300B2 - サイクロトロンに用いる共振空洞 - Google Patents

Description

本発明は、サイクロトロンおよび、特に、異なる電荷（ｑ）／質量（ｍ）比を示す、例えば、プロトン（ｑ／ｍ比は１である）、α粒子（ｑ／ｍ比は１／２である）または重陽子（ｑ／ｍ比は同様に１／２である）のような複数の種類の荷電粒子を加速することのできるサイクロトロンに関するものである。

特許文献１によってサイクロトロンが公知である。この文献の図２を参照すると、このようなサイクロトロンは、一般的にはディーと呼ばれ、その各々がステムと呼ばれる鉛直なピラー２９に接続された加速電極２８を備えている。前記のディー２８およびピラー２９は導電性チャンバによって囲まれており、全体で共振空洞を形成している。

共振空洞は、一般的に、電源ＲＦによって励起され、異なる電位にされているディーおよびセクターによって構成されたギャップ加速器内を荷電粒子が連続して通過することによって、いわゆる粒子の加速が起きる。印加された電圧ＲＦの周波数は、下記の数式１によって示される「サイクロトロン周波数」に等しくなければならない。

サイクロトロンは、また、調和モードで作動することができる。この場合、粒子はまだディーの内部を循環しているが、複数の電圧発振ＲＦが生じる。

これらの公知の空洞の場合、一つの端部がディーの容量によってπ／４に荷電された共振器の存在下にあり、そのもう一つの端部は短絡されている。ピラーは、主にディーの容量性インピーダンスを補償して、無効電力ＲＦを最小化するためのインダクタンスとして機能する軸方向の伝送線路を形成する。サイクロトロンの形態に応じて、空洞は粒子の循環正中面に関して対称または非対称に配置されている。非対称のモードの場合（本出願の図１ａ）、ディーを構成する二つのプレートは機械的および電気的に連動しており、ピラーによって支持された単一体を構成している。対称モードの場合（本出願の図１ｂ）、下方および上方ピラーは、各々、下半分および上半分を支持している。これらの下半分および上半分は、サイクロトロンが閉じるとすぐに、それらの周囲の数箇所で互いに電気的に接続される。

ディーは、図１ａに概略的に図示したように、共振空洞５の一部分である。この空洞は、いわゆるディー１０、鉛直な円筒形ピラー２０および導電性チャンバ４０を備える。図１ｃには、空洞の等価電気図が図示されており、そこでは、インダクタンスＬはピラー２０を示し、容量Ｃはディー１０と導電性チャンバ４０との間に含まれる空間の位置で形成されるものである。このような並列回路ＬＣの固有の共振周波数は、下記の数式２によって示される。

（数２）
ｆ_０＝１／２．π．√（Ｌ．Ｃ）

第一の解決方法には、下記の欠点がある。
−サイクロトロンの中心区域の複雑さの増大、
−高電流では、機械部品の起動を促す機械内部でのビームの損失。

反対に、第二の解決方法は、下記の利点を示す。
−質量の異なる粒子の同一のセンタリング、したがって、粒子は少なくとも低エネルギーでの最初の回転では類似の軌跡をたどる。
−ビームの損失が少なく、それにより、ビームの軌跡の近傍に配置された機械部品の作動を減少させる。
−比ｑ／ｍ＝１の粒子の一周あたりのより高い利得。
−より良好な等時値性。

この第二の解決方法の実施には、ディー、ピラーおよび導電性チャンバによって構成された空洞の共振周波数の変更が可能でなければならない。このような解決方法は、非特許文献１、２および３によって提案された。

最初の二つの著者は、共振器の長さを変更するための、ピストンによって作動するスライド短絡回路を使用して、周波数ＲＦの変化を実現する。最後の著書は、電極の容量と、したがって、共振周波数を偏向する９０°回転する可動プレートによって、周波数ＲＦの変化を実施する。

この共振周波数の変更は、比較的複雑で、高価なＲＦ構造を必要とし、それに加えて、信頼性の問題がある。実際、従来技術の装置では、下記に記載するいくつかの問題点を示す。

ａ）可動の短絡回路について
−短絡回路は共振器の壁部に無視できない摩擦力を及ぼすので、ピストンのサイズは短絡回路のサイズに比例する。
−周波数の変更の際、短絡回路が繰り返す直線運動によって摩耗が起きる。最後には、接触面および／またはそれらが滑動する壁の状態が劣化し、より抵抗のある地点の出現を引き起こし、それらの地点は、電流ＲＦが流れるとすぐに局所的な加熱を生じさせる。
−短絡回路が壁にかける圧力がもはや十分ではなくなると、短絡回路は無条件に破壊される。万一の場合、接触抵抗は移送すべき電流ＲＦに関して大きくなりすぎており、したがって、温度の上昇が生じ、それが接触の融解を引き起こす。

ｂ）可動プレートについて
−プレートの回転軸は、ピストンまたはサイクロトロンを駆動するモータへのサイクロトロンの接続を確保するためにサイクロトロンの真空下の部分の通過を必要とする。これらのピストンおよびモータが真空内に内蔵されていても、それにもかかわらず、それらに給電する必要があり、それによって、やはり、外部へのケーブルの通過が必要である。
−低周波数における空洞の品質因子は、この可動容量を通過する大きな電流ＲＦによって、実質的に悪い。周波数の安定性もまた問題である。

国際公開第８６／０６９２４号

Ｍ．Ｅｉｃｈｅ ｅｔ ａｌ．、"Ｄｕａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａ ｃｏｍｐａｃｔ ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ"、 Ｐｒｏｃ．ＸＩＩＩ Ｉｎｔｅｒｎ． Ｃｏｎｆ． ｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、 （Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、 Ｓｉｎｇｐｏｒｅ、１９９２、ｐ５１５） Ｐ． Ｌａｎｚ ｅｔ ａｌ．、"Ａ ｄｕａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ"、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １９９３ ＩＥＥＥ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、 １７−２０ Ｍａｙ １９９３、Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ、ＤＣ、１５ｔｈ ＩＥＥＥ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ｐ１１５１ Ｍｉｕｒａ Ｉｗａｏ ｅｔ ａｌ．、"Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｃａｖｉｔｙ"、ＪＰ０７−０６６８７７Ｂ、１９９５

本発明は、前記の問題点を少なくとも部分的に解決することを目的とする。

第一の側面によると、本発明は、ディー、ピラーおよび該ピラーと該ディーを少なくとも部分的に囲む導電性チャンバを備え、該ピラーの端部はディーを支持し、導電性チャンバおよびピラーがこのように伝送線路を形成するサイクロトロン内の荷電粒子の加速用の共振空洞であって、前記ピラーの反対側の端部は前記導電性チャンバの底部に連結されており、該ピラーの両端部の間に位置する前記伝送線路の中間部分の単位長さあたりの容量が該伝送線路の他の部分の単位長さあたりの容量より実質的に大きいことを特徴とする共振空洞に関するものである。

ピラーの反対側の端部が導電性チャンバの底部に連結されているとすると、該ピラーの反対側の端部はチャンバの底部に物理的に固定され、電気的に固定接続されていると理解されなければならない。したがって、ピラーは、その両端部の間に一定の物理的長さを示す。導電性チャンバはまた一定の物理的長さを備えるので、チャンバおよびピラーによって形成された伝送線路は一定の長さと、したがって、一定のインダクタンスを有する。

このような形態によって、例えばスライド短絡回路または可動プレートのような可動部品を使用する必要がなく、異なる二つのモード、例えば、λ／４モードおよび３λ／４モードに応じて空洞を共振させることができ、このようにして、二つの異なる周波数ＲＦを生成し、それによって、前記に指摘した問題の多数を解決する。

伝送線路の中間部分の単位長さあたりの容量は、該伝送線路の他の部分の単位長さあたりの容量の二倍より大きいことが好ましい。伝送線路の中間部分の単位長さあたりの容量は、該伝送線路の他の部分の単位長さあたりの容量の十倍より大きいことがさらに好ましい。

さらにより好ましくは、伝送線路の中間部分の特性インピーダンスおよび他の部分の特性インピーダンスは、空洞が二つのモードに応じて共振して、実質的に二倍の比で二つの異なる周波数を生成するようなものである。実質的に二倍とは、周波数の比が１．７〜２．３の範囲にあることであると理解しなければならない。実際、このような空洞によって、単一のサイクロトロン内で、例えば、プロトンとα粒子、または、プロトンと重陽子のように、ｑ／ｍ比の値が２である粒子を加速することができる。

また、より好ましくは、ピラーは複数の重ねられたシリンダを備えており、そのシリンダの一つは伝送線路の該中間部分に対応し、他のシリンダの一つの平均直径を実質的に上回る平均直径を有する。交互に、または、一緒に、導電性チャンバは複数の重ねられた中空のシリンダを備え、これらの中空のシリンダの一つは伝送線路の該中間部分に対応し、他の中空のシリンダの一つの平均直径を実質的に下回る平均直径を有する。ピラーおよび／または導電性チャンバのこのようなシリンダ状の形態によって、実際、良好な全体の物理的剛性を得ることができ、ピラーからの電場の良好な等電位分布を確保することができる。

本発明は、第二の特徴によると、請求項に記載したような二重周波数共振空洞の設計方法に関するものである。

本発明のこれらの特徴およびその他の特徴は、以下の本発明の特定の実施態様の詳細な説明によって明らかになるであろう。

図面は、例として示したものに過ぎず、本発明を限定するものではない。さらに、図面の比率は尊重されてはいない。一般的に、図面全体において、同一または類似の構成要素には、同一の参照番号を付した。

図１ａは従来技術のサイクロトロンの非対称共振空洞の断面図である。 図１ｂは従来技術のサイクロトロンの対称共振空洞の断面図である。 図１ｃは図１ａまたは図１ｂの共振空洞の単純化した等価電気概略図である。 図２ａは低周波数共振時の電流および磁場の流れを示した、本発明による空洞の断面の概略図である。 図２ｂは図２ａの空洞のλ／４モードでの作動時のピラーに沿った電圧および電流の展開を図示している。 図２ｃは図２ａの共振空洞の単純化した等価電気概略図である。 図３ａは高周波数共振時の電流および磁場の流れを示した、本発明による空洞の断面の概略図である。 図３ｂは図３ａの空洞の３λ／４モードでの作動時のピラーに沿った電圧および電流の展開を図示している。 図３ｃは図３ａの共振空洞の単純化した等価電気概略図である。 図４ａは従来技術の空洞の現実の幾何学的形状および静的磁場の等電位分布を示している。 図４ｂは同軸の伝送線路の形態で、その特性インピーダンスが直径ｄおよびＤの関数である従来技術の空洞の概略図である。 図５は低い特性インピーダンス線の部分の容量値に応じた二つの共振周波数の各々についての本発明による共振空洞内での損失電力を示すグラフである。 本発明の一実施態様でのピラーのインピーダンス図である。 図６ａのインピーダンス図に関連した、本発明による空洞の断面の概略図である。 本発明による四つの空洞を備える二重周波数サイクロトロンの断面図である。 本発明による空洞の周波数走査によって得られた二重比での異なる二つの周波数を示す概略的なグラフである。

図２ａは、本発明による二重周波数空洞の一実施態様を概略的に図示したものである。ここでは、サイクロトロンの正中面に関して対称の空洞について記載している（図面では一点鎖線によって図示）が、非対称の空洞でも同様に適することは明らかである。

空洞６は、電気的に接続され、その間を加速すべき粒子が循環する二つの半ディー１０および１０’、各々が三つの部分２０ａ、２０ｂおよび２０ｃ（２０ａ’、２０ｂ’および２０ｃ’）を備える二つのピラーおよび全部を囲む二つの導電性チャンバ４０および４０’を備える。チャンバは、この実施例では、ピラーの高さについて実質的に一定である横断面を有する。各ピラーは、端部に各々半ディーを支持し、反対側の端部は各々導電性チャンバ４０および４０’の底部４５および４５’に機械的におよび電気的に固定接続されており、そこで、高周波の観点から短絡回路を構成する。ピラーの端部はその導電性チャンバの底部に例えば溶接されるか、ねじ留めされるか、または、ボルトで締められるであろう。あるいは、ピラーおよびその導電性チャンバの底部は、例えば、単一の部材でのみ形成することもできる。したがって、各ピラーは、その両端部の間に一定の長さを有する。

ピラーの様々な部分は堆積されており、好ましくは同一軸線に沿って整列している。該部分は、この実施例では、直径が様々な円筒形管によって構成されており、そのサイズの例は、下記に本発明による空洞の設計方法について後述するときに記載する。中間部分２０ｂの直径は他の２つの部分２０ａおよび２０ｃの直径より実質的に大きく、したがって、この中間部分２０ｂの単位長さあたりの容量（１ｍあたりのファラッド）は、他の２つの部分２０ａおよび２０ｃの単位長さあたりの容量より実質的に大きい。その結果、空洞の作動周波数の範囲内（メガヘルツ単位に位置する）で、中間部分２０ｂは本質的に容量性の挙動を示し、一方、他の部分２０ａおよび２０ｃは本質的に誘導性の挙動を示す。

このような空洞の単純化した等価電気概略図を図２ｃに示した。

第一の型の作動は、空洞をλ／４（λは波長）モードに励起することによって得られ、それによって、第一の共振周波数（以下「低共振周波数」、例えば、３３ＭＨｚ）を得ることができる。

図２ｂは、ピラーに沿ったアキシアル位の関数ｘとしてこのモードでの電圧（Ｕ_ｘ）および電流（ｌ_ｘ）の展開を図示している。電圧はディーの位置で最大であるが、一方、対応する電流はそこでは零か極めて小さい。これは、ピラーの足元に来ると逆転する。この電圧の形態は、特にサイクロトロンの正中面内を動き回る粒子を加速することに適している。

第二の型の作動を図３ａに図示した。物理的構造は図２ａのものと同様であるが、３λ／４モードを励起し、これによって、第一の共振周波数より高い第二の共振周波数（以下「高共振周波数」とし、例えば、６６ＭＨｚ）を得ることができる。図３ｂは、このモードでの電圧（Ｕ_ｘ）および電流（ｌ_ｘ）の展開を図示しており、第一の共振モードと同様に、電圧はディーの位置で最大であるが、一方、対応する電流はそこでは零か極めて小さい。さらに、電流は低インピーダンス線２０ｂの実質的に半分の高さに位置する中間点で逆転する。これによって、線２０ｂのこの部分の容量性作用を二つに分割する結果となる。

空洞の中間部分の単位長さあたりの容量が他の部分の単位長さあたりの容量より実質的に大きい、好ましくは他の部分の単位長さあたりの容量の二倍以上、さらに好ましくは他の部分の単位長さあたりの容量の十倍以上であるとき、空洞の他の幾何学的形状が可能であることは当業者には明らかであろう。したがって、代わりに、その高さについて断面が一定のピラーおよび他の部分より中間部分の断面が実質的に小さい導電性チャンバを考案することができる。また、例えば図６ｂおよび７に図示したように、これらの二つの解決方法を組み合わせる、すなわち、中間部分に狭まりを備えるチャンバおよび中間部分に広がりを備えるピラーの組み合わせ、または、別のどのような組み合わせでも考えることができる。

本発明による空洞の構造の設計およびサイズ決定を可能にする計算方法を以下に説明する。

本発明による二重周波数空洞の計算に先立って、特許文献１に記載のような公知の空洞、すなわち、ピラーおよびチャンバが一定の断面を示す空洞のモデル化は、円形と仮定される等価なディーの直径およびこのような公知の空洞のピラーのインピーダンスを正確に決定するために、下記に記載の方法によって実施される。
１）ピラーおよび導電性チャンバが一定の断面を示す空洞のピラーの単位長さあたりの容量の計算で、該ピラーおよび導電性チャンバによってこのように形成された伝送線路の特徴インピーダンスを演繹することができる計算、
２）ピラーの異なる直径についての特性インピーダンスの計算、
３）導電性チャンバの等価平均外径の決定、
４）前記のように決定したサイズにもとづく空洞の二次元電磁シミュレーションおよび円形と仮定され、従来技術の空洞と同一の共振周波数を生成する等価なディーの直径の決定、
５）品質係数Ｑ、損失電力、貯蔵エネルギーなどのような空洞の固有のパラメータの計算および測定値との結果の比較。

段階１の詳細
Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬＬＣ社のプログラムＴｒｉｃｏｍｐを使用して、公知のピラーの特性インピーダンスを算出する。このプログラムは、最終要素の方法によって電場を決定する。

図４ａは、例えば、導電性チャンバはアース電位にあるが、直径ｄ＝９０ｍｍの公知のピラーに電圧１Ｖを印加して得られた電場の等電位分布を示している。貯蔵エネルギー１８．５３ｐＪ／ｍが得られる。

次に下記の数式３から容量Ｃの値が得られる。

（数３）
Ｅ＝Ｃ．Ｖ^２／２

これによって、実施例の場合では、Ｃ＝３７．０６ｐＦ／ｍが得られる。

次に下記の二つの数式、数式４および数式５を組み合わせる。

（数４）
Ｚ_ｃ＝√（Ｌ／Ｃ）

（数５）
ｃ_０＝１／√（Ｌ．Ｃ）
（ただし、ｃ_０＝光速）

特性インピーダンスＺ_ｃは、下記の数式６で書き換えられる。

（数６）
Ｚ_ｃ＝１／Ｃ．ｃ_０

そこから、Ｚ_ｃの値が得られ、実施例の場合９０．１オームになる。

段階２の詳細
ピラーの別の直径について、同一の特性インピーダンスの計算を実施する。したがって、たとえば、下記の値が得られる。
−ｄ＝１００ｍｍのとき、Ｃ＝３９．８８ｐＦ／ｍおよびＺ_ｃ＝８３．５８Ω
−ｄ＝８０ｍｍのとき、Ｃ＝３４．３６ｐＦ／ｍおよびＺ_ｃ＝９７．０１Ω

段階３の詳細
公知の導電性チャンバは必ずしも円形の断面を備えているわけではないので（例えば、図４ａでは公知のチャンバの例として多少とも三角形の断面を示す例が見られる）、次に、下記の数式７によってこの導電性チャンバの等価な平均直径を決定する（図４ｂを参照）。

（数７）
Ｄ＝ｄ．ｅ^{（Ｚｃ／６０）}

この実施例では、ピラー直径ｄ＝９０ｍｍについて、数式７からＤ＝４０４．０２ｍｍになる。

さらに、段階２で得られたデータで同一の計算を実行すると、Ｄはピラーの直径が異なっていてもほとんど変化しないことが分かる。実際、ｄ＝１００ｍｍのときＤ＝４０２．６９、および、ｄ＝８０ｍｍのときＤ＝４０２．９７が得られる。この実施例では、Ｄ＝４００ｍｍの値を選択することとする（＋／−３ｍｍは導電性チャンバの銅の厚さに割り当てられる）。

段階４の詳細
従来技術の該空洞と同一の共振周波数を生成する、円形と想定される等価なディーの直径を決定するために、例えば、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬＬＣ社のＷａｖｅｓｉｍプログラムによって、以前に見られたサイズにもとづく空洞の二次元電磁シミュレーションを実施する。このように、良好な共振周波数を得るまで、漸近法によって実行する。

本実施例の場合、共振周波数ｆ_０＝６６ＭＨｚ（実際の空洞で測定）についてディーの等価な直径は３７８ｍｍである。

段階５の詳細
次に、空洞内で表面電流を測定して、損失電力および品質係数を算出する。これは、例えば、またＷａｖｅｓｉｍプログラムによって実行できる。ギャップ加速器内に存在する５０ｋＶの電圧では、ここに示した実施例によって公知の空洞内の損失電力は１３００Ｗであり、品質係数Ｑは１０６００である。これらの数値は、下記の段階で基準点として使用される。

これらの最初の五段階のときに得られた数値によって、次に本発明による二重周波数空洞の構造の計算が可能である。本発明による計算方法の続く段階は、例として、図２ａおよび３ａにより、約３３ＭＨｚの低周波数ではλ／４の第一のモードおよび約６６ＭＨｚの高周波数では３λ／４の第２のモードである二つの共振モードを利用する空洞に関する。他の周波数および／または他の周波数比についてこれらの後続する段階に適合させることが必要なことは、当業者には明らかであるだろう。

本発明による二重周波数空洞の形状は、複数の物理的構成要素によって決定されるが、その下記の特性は、例えば、Ａｇｉｌｅｎｔ社の高周波シミュレーションソフトウェアＧｅｎｅｓｙｓによって得られ、好ましくは最適化される。
−線２０ｃの特性インピーダンスおよび長さ
−コンデンサと同一視できる低インピーダンス線２０ｂの特性インピーダンスおよび長さ
−線２０ａの特性インピーダンスおよび長さ

これらの要素を測定して、好ましくは、例えば、Ｗａｖｅｓｉｍプログラムを使用した二次元電磁シミュレーションによる空洞二重周波数の最終最適化を実行する。そこでは、ピラーの異なる部分の幾何学的特性の変動に応じた共振周波数の変動を調べる。

特に、最も難しい点は低インピーダンス線２０ｂの最適化である。実際、その容量があまりにも低く選択されていれば、この場所で展開した電圧と同様に、高周波数（例えば、６６ＭＨｚ）での損失は大きく、ディーに存在する電圧と同じように大きい場合もある。容量の値を大きくすると、電圧は空洞の下部に損失した電力と同様に減少する。所望の周波数比（例えば、二重比（参照点Ｃ_ｍｉｎ）を得ることのできる容量値と同様に電場の許容できる最大値を考慮して、損失電力が図５に図示したように二つの共振周波数とほとんど同じである最適点Ｃ_ｏｐｔを決定することが好ましい。

多数の解決方法が存在する。しかしながら、いくつかの技術的な基準が本発明によるより好ましい空洞の設計の指針となった。
ｉ）機械的剛性の理由で、部分２０ｃに直径が８０ｍｍ以上のピラーを備える、
ｉｉ）ピラーの全体の長さが可能な限り短い、
ｉｉｉ）低インピーダンス線２０ｂをサイクロトロンのシリンダヘッドの外に伸ばして、このようにして、電力ＲＦの入射および最適空洞調和を可能にする。
ｉｖ）特に高周波数（例えば６６ＭＨｚ）で、空洞の励起電力ＲＦを可能な限り低くして、それによって、粒子ビーム加速用の予備を備える。

前記の方法を適用して、最終的に、ピラーに下記の好ましいサイズを得る。
−部分２０ｃ（二つの部分からなる）
・第１の部分 直径８０ｍｍ、長さ５２０ｍｍ、Ｚ_ｃ９６．５Ω
・第２の部分 直径８０ｍｍ、長さ１４５ｍｍ、Ｚ_ｃ７０Ω
−部分２０ｂ 直径２５８ｍｍ、長さ２８５ｍｍ、Ｚ_ｃ５Ω（低インピーダンスの部分）
−部分２０ａ 直径１８４ｍｍ、長さ４０５ｍｍ、Ｚ_ｃ６０Ω

この結果を図６ａおよび６ｂに図示した。図６ａはピラーを構成する線の各部分のインピーダンス図であり、図６ｂは本発明による好ましい空洞の実施例の対応する物理的な実現の概略的な縦断面図である。

空洞の全体長は１３５５ｍｍであり、そのうち６００ｍｍは、サイクロトロンのシリンダヘッド６０の外である。低周波数は３３．０９４ＭＨｚ、高周波数は６６．４８６ＭＨｚと各々算出された。損失電力は、電圧２５ｋＶでは３３ＭＨｚで約２７６８Ｗであり、電圧５０ｋＶでは６６ＭＨｚで２６９９Ｗである。品質係数は、３３ＭＨｚで６７００および６６ＭＨｚで１００００である。

本発明による空洞の実際の作製およびサイクロトロンへのその設置を図７に示した。このサイクロトロンの垂直断面によって本発明による四つの空洞を見分けることができるが、見やすく、分かりやすくするために、一つだけに参照番号を付した。

空洞の共振周波数は、周波数での走査（ｗｏｂｂｕｌａｔｉｏｎ）を実行することによって、確認できる。これによって、二つの異なるピークを出現させる周波数の関数であるインピーダンス変動曲線を提供する。好ましい一実施例を示すと、図８に概略的に図示したように、一つのピークが実質的に３３ＭＨｚに、および、二番目のピークが実質的に６６ＭＨｚに見られる。

その作動のとき、空洞の共振周波数は、主にそのサイズを変更させる熱の偏流を原因としてドリフトしようとする。従来技術によると、サイクロトロンの正中面内に機械化され、制御され、空洞に入射された周波数ＲＦを調節するためのコンデンサを配置することが公知である。しかしながら、この形状では低周波数、例えば、３３ＭＨｚではほとんど効果がないであろう。

本発明の好ましい一態様では、空洞６は、導電性チャンバ４０に電気的に接続され、ピラーの正面および実質的に伝送線路の中間部分２０ｂの位置に配置された可動電極を備える調和コンデンサ５０を備える。この調和コンデンサ５０は図７に見られる。実際、シミュレーションによって、このような場所に配置された調和コンデンサ５０によって二つの共振周波数に極めて近い調整幅、すなわち、低周波数３３ＭＨｚおよび高周波数６６ＭＨｚの場合、３３ＭＨｚで１２．６ＫＨｚ／ｐＦの変動および６６ＭＨｚで１２．２ＫＨｚ／ｐＦの変動を得ることができることが測定された。

要するに、本発明はまた下記のように記載される。ディー１０、ピラー２０および該ピラーと該ディーを囲む導電性チャンバ４０を備え、該ピラーの端部は導電性チャンバの底部に連結されており、該ピラー２０の反対側の端部はディー１０を支持するサイクロトロン用の二重周波数共振空洞６である。導電性チャンバおよびピラーは、各々が特性インピーダンスＺ_ｃ１、Ｚ_ｃ２、Ｚ_ｃ３を有する少なくとも三つの部分２０ａ、２０ｂ、２０ｃを備える伝送線路を形成する。中間部分２０ｂの特性インピーダンスＺ_ｃ２は他の二つの部分２０ａ、２０ｃの特性インピーダンスＺ_ｃ１およびＺ_ｃ３より実質的に小さい。これによって、例えばスライド短絡回路や可動プレートなどの可動部品を使用する必要がなく、二つのモードに応じて空洞を共振させて、二つの異なる周波数を生成することができる。

特定の実施態様に関して、本発明を説明したが、それらの実施態様は純粋に例として示され、本発明を何ら限定するものではない。一般的に本発明が上記に図示した、および／または、記載した例に限定されないことは当業者には明らかであろう。本発明は、新たな特徴の各々およびそのあらゆる組み合わせを含む。図面における参照番号の存在も、これらの番号が特許請求の範囲に示されているときも含めて、限定的なものとみなすことはできない。

動詞「備える（ｃｏｍｐｒｅｎｄｒｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｒｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｏｒｔｅｒ）」および他の変形、およびそれらの活用の使用は、上記に示したもののとは別の要素の存在を排除するものでは全くない。要素を紹介するための不定冠詞「一つ（ｕｎ、ｕｎｅ）」または定冠詞 「その（ｌｅ、ｌａ、ｌ’）」の使用はこれらの要素の複数の存在を排除するものではない。

６ 共振空洞
１０ ディー
２０ ピラー
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 伝送線路の部分
４０ 導電性チャンバ
Ｚ_ｃ１、Ｚ_ｃ２、Ｚ_ｃ３ 特性インピーダンス

Claims (7)

1. ディー（１０）、ピラー（２０）および該ピラーと該ディーを少なくとも部分的に囲む導電性チャンバ（４０）を備え、前記ピラー（２０）の第１の端部は前記ディー（１０）を支持し、前記導電性チャンバおよび前記ピラー（２０）がこのように伝送線路を形成するサイクロトロン内の荷電粒子の加速用の共振空洞（６）であって、前記第１の端部の反対側に位置する第２の端部は前記導電性チャンバ（４０）の底部（４５）に機械的に固定され、電気的に固定接続されており、前記第１の端部と前記第２の端部の間に位置する前記伝送線路の中間部分（２０ｂ）の単位長さあたりの容量が該伝送線路の他の部分（２０ａ、２０ｃ）の単位長さあたりの容量より大きいことを特徴とする共振空洞（６）。
2. 前記伝送線路の前記中間部分（２０ｂ）の単位長さあたりの容量は、該伝送線路の他の前記部分（２０ａ、２０ｃ）の単位長さあたりの容量の二倍より大きいことを特徴とする請求項１に記載の共振空洞。
3. 前記伝送線路の前記中間部分（２０ｂ）の単位長さあたりの容量は、該伝送線路の他の前記部分（２０ａ、２０ｃ）の単位長さあたりの容量の十倍より大きいことを特徴とする請求項２に記載の共振空洞。
4. 前記伝送線路の前記中間部分（２０ｂ）の特性インピーダンス（Ｚ_ｃ２）および他の前記部分（２０ａ、２０ｃ）の特性インピーダンス（Ｚ_ｃ１、Ｚ_ｃ３）は、前記空洞（６）が二つのモードに応じて共振して、二倍の比で二つの異なる周波数を生成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の共振空洞。
5. 前記ピラー（２０）は複数の重ねられたシリンダ（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を備えており、これらのシリンダの一つ（２０ｂ）は伝送線路の該中間部分（２０ｂ）に対応し、他の前記シリンダ（２０ａ、２０ｃ）の一つの平均直径を上回る平均直径を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の共振空洞。
6. 前記導電性チャンバ（４０）は複数の重ねられた中空のシリンダを備え、これらの中空のシリンダの一つは伝送線路の前記中間部分（２０ｂ）に対応し、他の中空のシリンダの一つの平均直径を下回る平均直径を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の共振空洞。
7. さらに、前記導電性チャンバ（４０）に電気的に接続され、前記ピラーの正面および前記伝送線路の前記中間部分（２０ｂ）の位置に配置された可動電極を備える調和コンデンサ（５０）を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の共振空洞。