JPH05304000A - 高周波カップラー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セラミック窓を冷却する空気によってセラミ
ック窓が汚れ、高周波カップラーの寿命が短くなるのを
防止し、寿命の長い加速器用高周波カップラーを得る。 【構成】 表面に放熱フィン21を有するセラミック窓20
を用いる事により、セラミック窓20の表面に冷却空気15
を強制的に流さなくてもセラミック窓20の冷却が出来る
ので、セラミック窓20に汚れが付着せず、高周波カップ
ラーの寿命が長くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば実験核物理学
あるいは医療分野で用いられる荷電粒子加速器に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】荷電粒子を高周波電界によって加速する
加速器に於ては、荷電粒子の軌道を真空に保つための空
洞の内部に、加速用電極が設けられている場合が多いの
で、空洞外に設けられている高周波発振源から空洞内
へ、高周波電力を注入するために高周波伝送路を空洞に
接続しなければならないが、その際、空洞内の真空を破
らないようにする必要がある。

【０００３】そこで、前記の高周波電力の伝送には導波
管又は同軸形の伝送路が用いられ、これらを前記空洞へ
接続する部分に、真空を保つための誘導体窓又はセラミ
ック窓と呼ばれる障壁を内部に持つ高周波結合器（以
下、高周波カップラーという）が用いられている。以
下、ここで言う高周波伝送路とは導波管又は同軸形のも
のを言う。

【０００４】図７に従来の同軸形高周波伝送路を用いた
高周波カップラーの断面図を示す。図７は「高エネルギ
ー物理学研究所」発行の1990年１月ＫＥＫレポート89−
21ＶＯＬ１．１の360 頁、「PROCEEDINGS OF THE 4TH W
ORKSHOP ON R.F. SUPERCONDUCTIVITY.」に記載されてい
る高周波カップラーに類似のものである。

【０００５】図に於て１は荷電粒子を通す真空空洞、２
は真空空洞１の壁、３は壁２に設けられた高周波電力を
注入するための穴、４は高周波カップラーであり以下の
ものから構成されている。即ち、高周波電送路を構成す
る同軸外部導体５、同軸内部導体６、同軸外部導体５と
同軸内部導体６との間に設けられ、空気が真空空洞１へ
入るのを防止するためのセラミック窓７、セラミック窓
７を気密状態で保持するためのセラミック窓保持部を構
成する外部保持具８、内部保持具９、穴３に近い位置に
設けられ同軸内部導体６と同軸外部導体５に接続された
アンテナ10、アンテナ10に高周波電力を効率よく送り込
むため同軸内部導体６の端部に設けられたインピーダン
ス整合用のコーン11、コーン11を水冷するため同軸内部
導体６の内部に設けられた通水管12、セラミック窓７を
冷却する空気を通すため同軸外部導体５の外側の周囲に
設けられたジャケット13、セラミック窓７の両側の同軸
外部導体５の内部及び同軸内部導体６の外面に設けら
れ、セラミック窓７によるインピーダンスの不整合を軽
減するためのチョーク構造14、により構成されている。

【０００６】15は説明のため冷却用空気を示すもの、16
はセラミック窓７より真空空洞１の側の同軸外部導体５
の内側の空間を示す。空間16は真空空洞１と同様に高真
空に保たれている。17はセラミック窓７より真空空洞１
とは反対側で同軸外部導体５の内側の空間を示すもので
あり、ここには空気が存在する。

【０００７】図８は高周波カップラー４の一部分の構造
を詳細に説明するためセラミック窓７、外部保持具８、
内部保持具９の構造を示す部分斜視図である。図に於い
て18は外部保持具８の両端に、補強のため設けられたつ
ば、19は、外部保持具８及び内部保持具９のセラミック
窓７より空間17の側にあけられた空気穴で、冷却空気15
を通すためのものである。

【０００８】加速器に用いられる高周波電力は例えば１
MW程度の大電力であるので、水冷されているコーン11の
他にもセラミック窓７が、その誘導損失等により発熱す
る。セラミック窓７が熱膨張によるストレスにより破壊
することのないよう、外部保持具８及び内部保持具９は
厚さの薄い弾力性のある、又、セラミックに近い熱膨張
係数を有する金属、例えばコバール、で製作されてい
る。しかし、気密を保つためセラミック窓７と外部保持
具８及び内部保持具９とは、一般には互いにろう付によ
り接合されている上、両面の気圧差による圧力が常時か
かっている事から、セラミック窓７の温度が上がり過ぎ
るとセラミック窓７が破損したり、前記ろう付部がはが
れて気密が保てなくなったりする場合がある。又、コバ
ールは水で腐食しやすく水冷することはむつかしい。

【０００９】そこでジャケット13の内部へ冷却空気15を
送気し、外部保持具８の空気穴19からセラミック窓７と
チョーク構造14との隙間を通りセラミック窓７の表面を
流して、内部保持具８の空気穴19から内部導体６の内部
を通って外部（図示しない）へ放出する。この途中でセ
ラミック窓７が冷却される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の高周波カップラ
ーは、以上のように構成されているので、セラミック窓
の発熱を冷やすための冷却空気が常時セラミック窓の表
面を流れており、いかに清浄な空気を用いても、やがて
セラミック窓の表面や、チョーク構造の表面が汚れ絶縁
性が低下する。これにより同軸伝送路のインピーダンス
に不整合が生じ電力反射が増加したり、セラミック窓の
表面の発熱が増加する他、汚れがひどくなると外部導体
からセラミック窓の表面を経由して内部導体との間に短
絡電流が流れる場合もあり、いずれもセラミック窓の破
損やろう付部のはがれによる気密破壊の原因になるので
高周波カップラーとしての寿命が短くなると言う問題が
あった。

【００１１】又、加速器の粒子軌道付近で荷電粒子と気
体分子との衝突等により発生した二次電子が高周波カッ
プラー内に飛来し、セラミック窓に衝突することによっ
てもセラミック窓の発熱が増加する。これもセラミック
窓の通風冷却を必要とする原因である。

【００１２】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、寿命の長い高周波カップラーを
得る事を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明に係る高周波カ
ップラーは真空を保つためのセラミック窓の表面、又は
セラミック窓保持部の外面に放熱フィンを設けたもので
ある。

【００１４】又、高周波カップラー内部のセラミック窓
より真空側の伝送路内に、伝送路から絶縁され、正電位
を印加した電極を設けたものである。

【００１５】

【作用】以上の様に構成された高周波カップラーで高周
波を伝送すると、セラミック窓の熱が放熱フィンから伝
送路内の空気又はジャケット内の冷却空気に早く放熱す
るので、セラミック窓の温度上昇が低く、セラミック窓
の表面に冷却空気を強制的に流して冷却する必要がなく
なる。又、セラミック窓に向って飛来した二次電子は正
電位を印加された電極に捕捉され、セラミック窓に到達
する電子数が減少し、セラミック窓の発熱が減少するの
でセラミック窓の表面に冷却空気を流して冷却する必要
がなくなる。

【００１６】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１はこの発明の実施例１の高周波カップラーの
断面図、図２は、図１の高周波カップラーの構造を詳細
に説明するための部分斜視図である。なお真空空洞１、
壁２、穴３、アンテナ10、通水管12は図示していないが
従来と同様に用いられている。図に於て４〜６、11、13
〜17は従来と同様であるので説明を省略する。20は片面
に放熱フィン21を有するセラミック窓である。放熱フィ
ン21はセラミック窓20の空気のある空間17の側に同心円
状に設けられている。

【００１７】22はセラミック窓20を保持する外部保持具
であるが、従来の外部保持具８と異り、空気穴19を有し
ない。23は内部保持具であるが、従来の内部保持具９と
異り空気穴19を有しない。外部保持具22と内部保持具23
とによりセラミック窓保持部を構成している。

【００１８】図１及び図２に示す実施例１に於ては、外
部保持具22及び内部保持具23に空気穴19が設けられてい
ないので冷却空気15は外部保持具22の外側を冷却するの
みで、セラミック窓20やチョーク構造14の表面には流れ
ない。なお図示しないが、冷却空気15の放出はジャケッ
ト13の外側に適当な穴をあけて行う。

【００１９】セラミック窓20の熱は外部保持具22を通じ
て冷却空気15に放熱される他に放熱フィン21を通じて同
軸外部導体５の内側の空気のある空間17へと放熱される
ので、セラミック窓20の表面に冷却空気15を流さなくと
も、セラミック窓20の冷却は可能である。同軸外部導体
５の内側の空気のある空間17に放熱された熱は同軸外部
導体５を通じて外部に放熱される。

【００２０】図１では放熱フィン21の断面形状を矩形で
示しているが三角形状とし、その高さを伝送すべき高周
波の伝送路内での１／４波長とすると、セラミック窓20
に於ける高周波の反射を減らすことが出来る。又、冷却
空気15は外部保持具22を冷却するのみであるので使用す
る高周波電力量や、セラミック窓20の発熱程度により冷
却空気15の流量を増減したり、あるいは冷却空気15の使
用をやめてもよい。又、放熱フィン21は放射状又は平行
直線状としてもよい。

【００２１】実施例２．本発明の高周波カップラーの実
施例２を図３及び図４に示す。図３は断面図、図４は図
３の詳細を示すための部分斜視図である。図に於て24は
外面に放熱フィン25を有し、空気穴19のない外部保持具
である。

【００２２】実施例２に於ても冷却空気15はセラミック
窓７の表面には流していない。セラミック窓７の熱は外
部保持具24と放熱フィン15を介して冷却空気15に伝えら
れる。放熱フィン25の形状は輪状であるため直径方向の
一様な力に対しては強く、セラミック窓７の熱膨張に抗
して、セラミック窓７を破損する可能性があるため、放
熱フィン25の取付位置は、セラミック窓７の外部保持具
24への取付位置から少し離れた位置に取付けている。

【００２３】実施例３．本発明の実施例３を図５の部分
斜視図に示す。図に於て26は外面に放熱フィン27を有
し、空気穴19のない外部保持具である。放熱フィン27は
高周波カップラー４の軸方向に沿って設けられている。
又、セラミック窓７に過大なストレスを与えないよう、
放熱フィン27はセラミック窓７の外部保持具26への取付
部を避けて取付けられている。実施例３に於ても冷却空
気15はセラミック窓７の表面には流していない。

【００２４】実施例２及び実施例３に於て放熱フィン25
及び27は外部保持具24又は26に取付けられるものとして
説明しているが、外部保持具24又は26をプレス整形等に
より放熱フィン25又は27と一体で製作してもよい。又放
熱フィンの大きさ、取付ピッチ等は必要な放熱量を勘案
して適当なものとすればよい。

【００２５】実施例４．図６に本発明による高周波カッ
プラーの実施例４の断面図を示す。図に於て、28はセラ
ミック窓７より真空側で同軸外部導体５を貫通して設け
られた電極保持具である。29は電極保持具28に絶縁及び
気密を保持し得るように取付けられた電極で、該電極の
先端は同軸外部導体５の内側面より同軸内部導体６の方
向に向って、やや突出して設けられている。

【００２６】30は電極保持具28から外部に露出した電極
29の接続端子である。31は外部に設けられた直流の電源
を示し、その電圧は内部導体６と外部導体５との間に高
周波電力によって発生する高周波電圧のピーク値よりも
高い。32は電源31と接続端子30及び同軸外部導体５を図
６の通りに接続する電線である。

【００２７】実施例４に於ても、セラミック窓７の表面
には冷却空気15を流していない。冷却空気15は外部保持
具22を冷却し、セラミック窓７の熱は外部保持具22を介
して冷却空気15に放熱される。図６の電極29には同軸内
部導体６のピーク電圧よりも高い電圧が印加されている
ので、真空空洞１の方から空間16へと飛来した二次電子
は電極29に捕捉されセラミック窓７に達する電子の数が
減る。これより、セラミック窓７の発熱程度が軽減され
る。

【００２８】電極29が同軸外部導体５の内側の空間16に
露出している事は同軸構造のインピーダンスに不整合部
分を生じ、電力反射が増える。これを軽減するには使用
している高周波の周波数に於ける電極29と同軸外部導体
５の間のインピーダンスが低い程よいので、電極29と電
極保持具28の隙間に誘電体を挿入し、バイパスコンデン
サーを構成してもよい。

【００２９】実施例１〜４はそれぞれ単独で用いた例を
説明したが、実施例１と実施例２又は３、あるいは実施
例１と実施例４、あるいは実施例２又は３と実施例４と
を組合せて用いるか、あるいは実施例１と実施例２又は
３と実施例４を同時に用いるようにしてもよい。以上の
説明では高周波伝送路が同軸形である場合について説明
したが導波管形の伝送路についても同様に用いることが
出来る。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、この発明によればセラミ
ック窓の表面又はセラミック窓を保持する保持具の外面
に放熱フィンを設け、セラミック窓の放熱を促進させた
ので、セラミック窓の表面に冷却用の空気を強制的に流
す必要がなくなり、その結果、セラミック窓やその近傍
が汚れる事がなくなる。これらにより、絶縁劣化が生じ
なくなり高周波カップラーの寿命が長くなると言う効果
が得られる。

【００３１】又、高周波カップラーのセラミック窓より
真空側の高周波伝送路内に正電位を印加した電極を設け
たので飛来する二次電子がこの電極に捕捉され、セラミ
ック窓に衝突する二次電子が減り、もってセラミック窓
の発熱が低減されるので、セラミック窓の表面に冷却用
の空気を強制的に流す必要がなくなり、その結果、前記
と同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１による高周波カップラーを
示す断面図である。

【図２】実施例１の高周波カップラーの部分斜視図であ
る。

【図３】この発明の実施例２による高周波カップラーを
示す断面図である。

【図４】実施例２の高周波カップラーの部分斜視図であ
る。

【図５】この発明の実施例３による高周波カップラーの
部分斜視図である。

【図６】この発明の実施例４による高周波カップラーを
示す断面図である。

【図７】従来の高周波カップラーの一例を示す断面図で
ある。

【図８】従来の高周波カップラーの部分斜視図である

【符号の説明】

１ 真空空洞 ４ 高周波カップラー ７ セラミック窓 20 セラミック窓 21 放熱フィン 22 外部保持具 23 内部保持具 24 外部保持具 25 放熱フィン 26 外部保持具 27 放熱フィン 29 電極

フロントページの続き (72)発明者 別所 和典 神戸市兵庫区和田崎町１丁目１番２号 三 菱電機株式会社神戸製作所内 (72)発明者 松井 重明 神戸市兵庫区和田崎町１丁目１番２号 三 菱電機株式会社神戸製作所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷電粒子を加速する真空空洞を有する加
   速器に高周波電力を注入する高周波伝送路と、該高周波
   伝送路内にあって該真空空洞を真空に保つセラミック窓
   と、該セラミック窓を保持するセラミック窓保持部とか
   ら構成され、前記加速器の真空空洞に接続される高周波
   カップラーに於いて、前記セラミック窓の表面又は前記
   セラミック窓保持部の外面に放熱フィンを設けた事を特
   徴とする高周波カップラー。
2. 【請求項２】 荷電粒子を加速する真空空洞を有する加
   速器に高周波電力を注入する高周波伝送路と、該高周波
   伝送路内にあって該真空空洞を真空に保つセラミック窓
   と、該セラミック窓を保持するセラミック的保持部とか
   ら構成され，前記加速器の真空空洞に接続される高周波
   カップラーに於いて、前記セラミック窓より真空側の前
   記高周波伝送路内に、前記高周波伝送路に対して正電位
   を印加する電極を設けた事を特徴とする高周波カップラ
   ー。