JPH0311600A - 高周波加速空洞の周波数自動同調回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、高周波加速空洞の共振周波数を自動的に同
調させる周波数自動同調回路に関し、特に高周波加速空
洞の運転条件に応して共振周波数を任意の値に設定でき
る高周波加速空洞の周波数自動同調回路に関するもので
ある。

［従来の技術］ 従来より、高周波加速空洞を用いたシンクロトロン等の
荷電ビーム加速装置は良く知られている。

この種の装置においては、一定周波数の高周波電源から
高周波加速空洞に電力を供給するが、高周波加速空洞の
共振周波数が変動するため、この変動を周波数同調器を
調整することにより吸収している。

第４図は、例えば分子科学研究所レポート［ＵＶ５ＯＲ
ストレージリングの設計」（Ｕ　Ｖ　Ｓ　ＯＲ−９，１
９８２年１２月）の第４８百〜第５５頁に記載された一
般的な高周波加速系を示す構成図である。

図において、（１）は荷電ビームＢの軌道に対して軸対
称の構造をした高周波加速空洞であり、対の円筒（１ａ
）及び（１ｂ）を内蔵しており、キャパシタンスＣに相
当する円筒間のキャップｄと、インダクタンスＬに相当
する円筒の外周空間とによりＬＣ共振回路を構成してい
る。そして、円筒間のギャップｄに発生ずる高周波電界
により荷電ビームＢを加速するようになっている。

（２）は高周波加速空洞（１）の共振周波数ｆｏを調整
するための周波数同調器であり、通常、高周波加速空洞
（１）内の径方向に移動可能な金属フロックで構成され
ている。（３）は周波数同調器（２）の駆動機構となる
モータ、（４）はモータ（３）の駆動回路である。

（５）は高周波電力を出力する高周波電源、（６）は高
周波電源（５）からの高周波電力を高周波加速空洞（１
）に伝送するための同軸管、（７）は高周波電力を高周
波加速空洞〈１）に供給するためのカプラループ、（８
ａ）は高周波加速空洞（１）内の加速電圧の位相φａを
検出する位相検出器、（８１］）は高周波電源（５）の
出力電圧の位相φ０を検出する位相検出器、（９）は出
力電圧及び加速電圧の位相差φを検出して位相差φに相
当する位相差電圧ｖｐを出力する位相差検出器、（１０
）は位相差電圧Ｖｐに基づいて駆動回路（４）を制御す
るための制御電圧Ｖｃを出力する周波数自動同調回路で
ある。

第５図は従来の周波数自動同調回路（１０）の具体的構
成を示ず回路図であり、（１１）は位相差電圧Ｖｐか印
加される入力端子である。

（１２）及び（１３）は並列配置された同構成の出力段
増幅器であり、互いに極性の異なる比較端子に位相差電
圧Ｖｐが入力されるようになっている。Ｒ１−Ｒ４は出
力段増幅器（１２）の回路定数を設定する抵抗器である
。

（１４）及び（１５）は各出力段増幅器（１２）及び（
１３）の出力端子とクランドとの間に挿入されたツェナ
ータイオード、（１６）及び（１７）は出力段増幅器（
１２）及び（１３）の出力端子からツェナータイオード
（１４）及び（１５）を介して制御電圧Ｖ　ｃ　１及び
Ｖｃ２か出力される出力端子である。周波数自動同調回
路〈１０）の出力端子（１６）及び（１７）は、駆動回
路（４）の２つの入内端子にそれぞれ接続されており、
出力端子（１６）はモータ（３）を成る方向に回転させ
るための入力端子に接続され、出力端子（１７）はモー
タ（３）を反対方向に回転させるための入力端子に接続
されている。

第６図は周波数自動同調回路（１０）に入力される位相
差電圧Ｖｐの位相差φに対する特性図てあり、位相差電
圧Ｖｐは位相差φに対して直線的に変化する正の一次関
数で表わされる。この場合、位相差電圧Ｖｐの値は、位
相差φの最大値（±１８０°）に対して±０．５■とな
るように設定されている。

第７図は位相差φに対する制御電圧Ｖｃの特性図であり
、位相差φが負の場合は出力端子（１６）からの制御電
圧Ｖ　ｃ　、が生成され、位相差φが正の場合は出力端
子（１７）からの制御電圧ＶＣ２が生成される状態を示
している。

次に、第４図〜第７図を参照しなから、従来の高周波加
速空洞の周波数自動同調回路の動作について説明する。

高周波加速空洞（１）は、例えばシンクロ１〜ロン等の
加速装置に適用され、電子等の荷電ヒームＢを加速する
。このとき、高周波加速空洞（１）の機械的寸法等て決
定する共振周波数ｆｏは、冷却水（図示せず）を含む周
囲の温度変化等によって時間的に変動するか、高周波加
速空洞（１）の運転周波数ｆｄは一定に保たれなければ
ならない。

もし、高周波電源（５）から供給される高周波電力の運
転周波数ｆｄが一定の状態て、高周波加速空洞（１）の
共振周波数ｆＯが変動すると、高周波加速空洞（１）と
高周波電源（５）との電気的整合が取れなくなるため、
反射電力が大きくなって高周波加速空洞（１）に入力さ
れる高周波電力が減少してしまう。又、高周波電力の変
動は、荷電ビームＢの加速状態を不安定にし、加速装置
の性能を劣化させることにもなる。

そこて、高周波加速空洞（１）に対する高周波電力を変
動させないために、共振周波数ｆＯが変動しないように
、周波数同調器（２）か設けられている。周波数同調器
（２）は、高周波加速空洞（１）内に出し入れ移動する
ことにより、円筒外周空間の容積を変化させて高周波加
速空洞（１）のインククタンスＩ−を変化させ、共振周
波数ｆｏを一定に調整する。これにより、周波数同調器
（２）を適切に制御ずれは、温度変化により高周波加速
空洞（１）が膨張又は収縮しても、共振周波数ｆｏの変
動をイア７殺することができる。

高周波加速空洞（１）の共振周波数ｆｏの変化は、高周
波電源（５）の出力電圧の位相φ０と、高周波加速空洞
（１）の加速電圧の位相φａとの位相差φを検出するこ
とにより観測できる。なぜなら、位相差φは、共振周波
数ｆｏの変化の小さいところてはその周波数変化率に比
例するからである。

従って、位相検出器（８ａ）は高周波加速空洞（］）の
加速電圧の位相φａを検出し、位相検出器（８１］）は
高周波電源（５）からの出力電圧の位相φ０を検出する
。このとき、加速電圧を直接検出することは難しいため
、実際には、位相検出器（８ａ）は高周波加速空洞（１
）内の磁場を観測する。この磁場の強度は、加速電圧に
比例し且つ位相が９０°異なるが、相対的な変化が重要
なので、加速電圧の位相φａとみなして問題ない。同様
に、位相検出器（８１１）は、高周波電力の伝送路とな
る同軸管（６）内の磁場の位相を測定し、高周波電源（
５）の出力電圧の位相φ０としている。

これらの２つの位相φａ及びφ０は、位相差検出器（９
）に入力され、位相差φに相当する位相差電圧ｖｐとな
って出力される。位相差検出器（９）は、例えばヘクタ
電圧計て構成され、位相差電圧Ｖ　ｐは位相差φに比例
した値となる。

位相差電圧Ｖｐは、入力端子（１１）を介して周波数自
動同調回路（１０）に入力され、負極性の場合は一方の
出力段増幅器（１２）により増幅され、正極性の場合は
他方の出力段増幅器（１３）により増幅される。又、ツ
ェナータイオード（１４）及び（１５）は、出力端子（
１６）及び（１７）から出力される制御電圧Ｖｃ及びＶ
Ｏ２を、所定レベル以１ユにならないように設定し、第
７図に示した特性の制御電圧Ｖｃを生成する。。

制御電圧Ｖｃは、駆動回路（４）を介してモータ（３）
を駆動し、高周波加速空洞（１）の共振周波数ｆＯが高
周波電源（５）の運転周波数ｆｄと一致するように、周
波数同調器（２）を調整する。即ち、負の位相差φに対
応する制御電圧Ｖ　ｃ　１か出力されたときには、モー
タ（３）を成る方向に回転させて周波数同調器（２）を
突出又は後退させ、正の位相差φに対応する制御電圧Ｖ
ｃ２が出力されたときには、モータ（３）を反対方向に
回転させる。これにより、周波数同調器（２）は、位ａ
差φかＯとなるように電気的に調整される。

一般に、モータ（３）の回転方向は、ＴＴＩ−レヘルの
５■を供給することにより決定されるか、わずかな位相
差φのずれに対しても５Ｖの制御電圧Ｖｃが出力される
ように、出力段増幅器（１２）及び（１３）の増幅率は
非常に高い値（例えば、２００倍）に設定される。従っ
て、抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は、例えば、Ｒ１，＝　
Ｒ２＝　Ｒ４＝　１　ｋΩ、Ｒ３＝２００にΩに設定さ
れている。

又、ツェナーダイオード（１４）及び（１５）は、駆動
回路（４）に対する制御電圧Ｖｃの値が５■以」−にな
らないようにしている。

このように、高周波電源（５）の出力電圧の位相φＯと
高周波加速空洞（１）の加速電圧の位相φａとを検出し
、両者の位相差φに相当する制御電圧Ｖｃを周波数自動
同調回路（１０）に入力し、位相差φか常に０となるよ
うにモータ（３）を回転することにより、周波数同調器
（２）を最適に調整することができる。

尚、駆動回路（４）によっては、モータ（３）の回転方
向に対応する入力端子を１つしが持たず、制御電圧Ｖｃ
が５■か又はＯＶかによりモータ（３）の回転方向を決
定するものがある。この場合は、出力端子（１６）及び
（１７）を例えはフリップフロップ回路等のＩＣに接続
することにより、」二連と同様に作用させることがてき
る。

しかし、高周波加速空洞（１−）に固有のトランジショ
ンエネルギ（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　　Ｅｎｅｒｇｙ）
と異なる運転エネルギで高周波電力を供給した場合、共
振周波数ｆｏを運転周波数ｆｄに完全に一致させると、
シンクロトロン振動と呼ばれる位相振動に起因するロヒ
ンソンビーム不安定性が発生する。このような不安定性
か発生ずると、荷電ビームＢの損失を招き、加速装置の
性能を著しく劣化することになる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の高周波加速空洞の周波数自動同調回路は以上のよ
うに、高周波加速空洞（１）の共振周波数ｆｏと高周波
電源（５）の運転周波数ｆｄとを一致させるために、位
相差φが０となるように周波数同調器（２）を制御して
いるので、ロビンソン不安定性と呼ばれるビーム不安定
性を避けることができず、加速装置としての性能が劣化
するという問題点があった。

又、共振周波数ｆｏを運転周波数ｆｄから所要の値だけ
ずらすためには、周波数同調器（２）により共振周波数
ｆｄかすらされた状態で位相差電圧Ｖｐが０となるよう
に位相差検出器（９）を調整しなければならず、調整操
作に多大の労力を要するという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、運転周波数に対して共振周波数を容易にすら
ずことかてき、目−つ共振周波数を一定に保つことので
きる高周波加速空洞の周波数自動同調回路を得ることを
目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る高周波加速空洞の周波数自動同調回路は
、位相差電圧に基づいて補正位相差電圧を出力する演算
増幅器と、位相差電圧に対する補正位相差電圧の位相差
ずれ量に対応したバイアス電圧を設定するバイアス電圧
設定器とを備えたものである。

［作用］ この発明においては、バイアス電圧を調整することによ
り、高周波加速空洞の共振周波数を運転周波数から任意
の値（位相差ずれ量）だけずらして設定し且つ一定に保
持する。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例を示す回路図であり、（１０）
〜（１７）及びＲ１−Ｒ４は前述と同様のものである。

又、この発明は適用される加速装置は、１ 第４図に示した通りである。

（１８）は入力端子（１１）と各出力段増幅器（１２）
及び（１３）の入力端子との間に挿入された演算増幅器
であり、位相差電圧ｖｐを増幅して補正位相差電圧Ｖｐ
’を出力するようになっている。Ｒ５−Ｒ７は演算増幅
器（１８）の回路定数を設定するための抵抗器であり、
例えば、増幅率を２倍にするため、各抵抗値を、Ｒ５＝
２にΩ、Ｒ６＝　Ｒ７＝　４にΩとしている。

従って、この場合、出力段増幅器（１２）及び（１３）
の増幅率が１００倍となるように、抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の
各抵抗値は、Ｒ１，＝Ｒ２＝２にΩ、Ｒ３＝２００にΩ
、Ｒ４＝１にΩに設定されている。

（１９）は演算増幅器（１８）の基準端子（＋）に入力
されるバイアス電圧ｖｂを設定するバイアス電圧設定器
であり、正のバイアス電圧ｖｂを調整するための可変抵
抗器ＶＲＩと、負のバイアス電圧Ｖ　ｌ）を調整するた
めの可変抵抗器ＶＲ２と、バイアス電圧ｖｂの正負を切
換えるスイッチＳＷとを備えている。

第２図は位相差φに対する補正位相差電圧Ｖｐ２ の特性図である。この場合、補正位相差電圧Ｖｐは、位
相差電圧Ｖｐ（第６図参照）を２倍に増幅しているので
、位相差電圧ずれ量ΔＶｐがＯのときく破線参照）、位
相差φの最大値（±１８０°）に対して±１．０■とな
っている。又、補正位相差電圧Ｖｐの特性（実線）は、
負のバイアス電圧ｖｂにより、位相差電圧ずれ量ΔＶｐ
だけ正方向にシフトされた状態を示す。

第３図は第２図の補正位相差電圧Ｖｐ’により生成され
る制御電圧Ｖｃの特性図であり、バイアス電圧ｖｂに相
当する位相差ずれ量Δφだけ負の方向にシフトされてい
る状態を示す。

次に、第２図〜第４図及び第６図を参照しながら、第１
図に示したこの発明の一実施例の動作について説明する
。

前述と同様に、周波数自動同調回路〈１０）の入力端子
（１１）には、位相差φに応じて±０．５■の範囲で変
動する位相差電圧Ｖｐ（第６図参照）が印加される。も
し、演算増幅器（１８）に対するバイアス電圧ｖｂが０
であれは、第２図の破線のように、補正位相差電圧Ｖｐ
′は、位相差電圧ずれ量△Ｖｐか００特性となり、周波
数同調器（２）（第４図参照）は位相差φが０となるよ
うに調整される。

しかし、ロヒンソン不安定性と呼はれるヒーム不安定性
を避けるため、高周波加速空洞（１）の共振周波数ｆｏ
は、高周波電源（５）の運転周波数ｆｄに対して多少ず
れた値に設定されなければならない。即ち、高周波加速
空洞（１）のトランジションエネルギか高周波電源（５
）から供給される運転エネルギより小さい場合は　共振
周波数ｆｏを運転周波数ｆｄより小さく設定し、逆に、
１〜ランシシヨンエネルキか運転エネルギより大きい場
合は、共振周波数ｆｏを運転周波数ｆｄより大きく設定
する必要がある。

トランジションエネルギは高周波加速空洞（１）に対し
て固有に決定される値であり、又、高周波電源（５）の
運転エネルキ（出力電力）は予め知ることがてきるので
、必要とする位相差ずれ量△φは一義的に決定する。従
って、位相差ずれ量Δφに対応するバイアス電圧Ｖ１〕
の極性及び大きさも一義的に決定し、バイアス電圧設定
器（１９）により容易に設定することができる。

例えは、第１図のように、バイアス電圧設定器〈１９）
内のスイッチＳＷを負極側に選択すると共に、可変抵抗
器ＶＲ２を調整して、第３図の位相差ずれ量Δφに対応
する負のバイアス電圧ｖｂを設定したとする。

このとき、演算増幅器（１８）は、位相差電圧Ｖｐ及び
バイアス電圧ｖｂを比較増幅し、位相差電圧Ｖｐ２倍に
増幅すると共に、正方向に位相差電圧すれ量ΔＶｐだけ
シフトされた特性の補正位相差電圧Ｖｐ’（第２図の実
線参照）を出力する。このように、位相差φに対する補
正位相差電圧Ｖｐ′の特性を変えることにより、バイア
ス電圧ｖｂに相当する負の位相差ずれ量Δφにおいて、
補正位相差電圧Ｖｐ’は０となる。

従って、第３図のように、位相差φが−Δφより小さい
領域では、一方の出力段増幅器（１２）からの制御電圧
Ｖ　ｃ　、が出力され、位相差φが−△φより大きい領
域ては他方の出力段増幅器（１３）からの５ 制御電圧Ｖ　ｃ　２が出力される。

そして、入力される位相差電圧Ｖｐに対応する位相差φ
が、バイアス電圧Ｖ　Ｉ）によって設定された位相差ず
れ量Δφより負の方向にずれた場合は、制御電圧Ｖ　ｃ
　、に基づいてモータ（３）を成る方向に回転させ、逆
に、正の方向にずれた場合は、制御電圧Ｖｃ２に基づい
てモータ（３）を反対方向に回転させる。

これにより、位相差検出器（９）から出力される位相差
電圧Ｖｐが、常に周波数自動同調回路（１０）て設定さ
れた値となるように周波数同調器（２）を制御すること
ができる。

尚、上記実施例では、演算増幅器（１８）の増幅率を２
倍に設定したが、出力段増幅器（１２）及び（１３）と
により十分な増幅率が得られれば、他の値に設定しても
よい。

又、バイアス電圧設定器（１９）として、スイッチＳＷ
と可変抵抗器ＶＲＩ及びＶＨ２とを用いたが、任意のバ
イアス電圧ｖｂを設定できるものであれば、他の手段を
用いてもよい。

６ 更に、各出力段増幅器（１２）及び（１３）の増幅率を
１００倍に設定したが、モータ（３）を駆動するための
位相差変動量の、必要最小値に応じて任意に設定する。

二とがてきる。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、位相差電圧に基づいて
補正位相差電圧を出力する演算増幅器と、位相差電圧に
対する補正位相差電圧の位相差ずれ量に対応したバイア
ス電圧を設定するバイアス電圧設定器とを設け、バイア
ス電圧を調整することにより、高周波加速空洞の共振周
波数を運転周波数から位相差ずれ量に相当する任意の値
だけずらして設定するようにしたので、ロビンソン不安
定性を防止して性能を向−卜させ、且つ共振周波数を一
定に保つことのできる高周波加速空洞の周波数自動同調
回路が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す回路図、第２図はこ
の発明による補正位相差電圧の位相差に対する特性図、
第３図はこの発明による制御電圧の位相差に対する特性
図、第４図は高周波加速空洞及び周波数自動同調回路を
用いた一般的な加速装置を示ず構成図、第５図は従来の
高周波加速空洞の周波数自動同調回路を示す回路図、第
６図は一般的な位相差電圧の位相差に対する特性図、第
７図は従来回路による制御電圧の位相差に対する特性図
である。 （１）・・・高周波加速空洞　（２）・・周波数同調器
（３）・・・モータ　　　　　（５）・・高周波電源（
８ａＬ（８ｂ）・・位相検出器（９）・位相差検出器（
１０）・・・周波数自動同調回路 （１８）・・・演算増幅器 （１９）・・・バイアス電圧設定器 Ｂ・・・荷電ビーム　　　　φ・・位相差Ｖｐ・・・位
相差電圧 Ｖｐ’・・・補正位相差電圧 Δφ・・・位相差ずれ量　　ｖｂ・・・バイアス電圧向
、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 ９ 特開平 ３ １１６００（７） ３ ５ Ｉ Ｒ４６ −） Ｒ２＼ノー・ 事件の表示 特願平 １４４０８５号 発明の名称 高周波加速空洞の周波数自動同調回路 補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　　　　　東京都千代田区丸の内二丁目２番３号
名　称　　（６０１，）三菱電機株式会社代表者　志岐
守哉

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 荷電ビームを加速する高周波加速空洞の加速電圧と高周
   波電源から前記高周波加速空洞に供給される出力電圧と
   の位相差に基づいて、前記高周波加速空洞の共振周波数
   を調整する周波数自動同調回路において、 前記位相差に相当する位相差電圧に基づいて補正位相差
   電圧を出力する演算増幅器と、 前記位相差電圧に対する前記補正位相差電圧の位相差ず
   れ量に対応したバイアス電圧を設定するバイアス電圧設
   定器と、 を備え、 前記共振周波数を、 前記高周波電源による運転周波数から、前記位相差ずれ
   量に対応した値だけ、ずらして設定できるようにしたこ
   とを特徴とする高周波加速空洞の周波数自動同調回路。