JPH08250300A - 高周波加速空胴及びイオンシンクロトロン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、空胴の小型化を図った高周波
加速空胴及びそれを用いたイオンシンクロトロンを提供
することにある。 【構成】高周波加速空胴１は、空胴本体１ａ，空胴本体
１ａ内に設けられる円環状のフェライト３，高周波電源
４からの高周波電力を導入するＲＦフィーダー５，真空
シール６などから構成される。フェライトの比透磁率は
実数部１０００，虚数部２００である。空胴の共振周波
数は約３０ＭＨｚであり、加速周波数範囲２.５〜１０.
２ＭＨｚ より高く設定することにより空胴長さを２０
０mmと短くしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオンシンクロトロン
及びイオンシンクロトロンに使用される高周波加速空胴
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のイオンシンクロトロンの加速空胴
については、“Conceptual Design ofa Proton Therapy
Synchrotron for Loma Linda University Medical Cen
ter”,Fermilab, June (1986) pp. 25−27において論じ
られている。

【０００３】図１６はシンクロトロンに用いられる従来
の高周波加速空胴を示す。高周波加速空胴１は、イオン
シンクロトロン内を周回するイオンビームにエネルギー
を与え、イオンを加速する。高周波加速空胴１を用いて
イオンを加速するために、高周波電源４から高周波加速
空胴１へ供給する電圧の周波数（以下、加速周波数と呼
ぶ）ｆrfが、ｆrf＝ｈ・ｆrev となるようにする。ここ
で、ｆrev はイオンがシンクロトロン内を周回する周回
周波数、ｈはハーモニック数（整数）である。周回周波
数ｆrev はイオンのエネルギーに応じて変化し、加速す
るエネルギー範囲によって加速時の周回周波数の範囲が
決まる。周回周波数ｆrev は、ビーム入射時に最小値ｆ
min を、加速終了時に最大値ｆmax をとる。これに伴い
加速周波数ｆrfはｈ・ｆmin からｈ・ｆmax まで変化す
る。

【０００４】高周波加速空胴は、一定の供給電力に対し
て共振周波数で最大の加速電圧を発生する。そこで、従
来の高周波加速空胴では、高周波電力を効率良く加速電
圧に変換するため、図１７の従来型加速空胴の空胴イン
ピーダンスの周波数特性に示すように、共振周波数ｆre
sが加速周波数の範囲、ｈ・ｆmin＜ｆres＜ｈ・ｆmaxと
なるように設計していた。通常医療用等に用いるイオン
シンクロトロンでは、周回周波数ｆrev が０.５ＭＨｚ
〜１０ＭＨｚ 程度の範囲で用いられる。図１７に示す
のは、ｈ＝１，共振周波数ｆres ＝４ＭＨｚとした場合
である。

【０００５】加速空胴内の媒質が空気の場合、共振周波
数を４ＭＨｚとすると、空胴長さは１９ｍである。空胴
内に発生する電磁波の位相速度は、空胴内の媒質の比誘
電率をε、比透磁率をμとすると、(εμ)⁰・⁵ に反比例
する。そこで、空胴内に強磁性体であるフェライト３を
装荷することにより空胴長さを短縮することができる。
フェライトの比透磁率は１０００程度であるので、フェ
ライトを装荷しない場合に比べて空胴長さは約(１／１
０００)⁰・⁵ となるものの、従来のイオンシンクロトロ
ンの加速空胴は、空胴長さが５００mm以上と大型であっ
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の高周波加速空胴の共振周波数が加速周波数範囲内とな
るように設計することは、空胴が大型化するという問題
点があった。

【０００７】本発明の目的は、空胴の小型化を図った高
周波加速空胴及びそれを用いたイオンシンクロトロンを
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、高周波加速空胴の共振周波数を、該空
胴に供給される高周波電力の周波数よりも高くする。

【０００９】

【作用】以下、本発明の作用を図を用いて説明する。高
周波加速空胴は導体壁で囲まれた空胴共振器であり、空
胴はその大きさ，形状及び空胴内媒質の電磁気的性質に
より固有の共振周波数を持っている。ここでは図１５に
示す半同軸型空胴共振器を用いて説明する。半同軸型空
胴共振器の形状寸法を、空胴長さＬ₀ ，内半径ａ，外半
径ｂ，ギャップ長ｄとし、共振周波数をｆ₀ とすると、
これらの間には、

【００１０】

【数１】 β₀ａ²tan(β₀Ｌ₀）ln(ｂ／ａ）／２ｄ＝１ β₀ ²＝（２πｆ₀)²εμ …（数１） の関係がある。数１から、共振周波数ｆ₀ を高くするこ
とにより、空胴長さＬ₀を短くすることができる。

【００１１】具体的には、加速空胴の共振周波数をビー
ムの加速周波数範囲よりも高くすることにより、空胴長
さを従来よりも短くできるので、加速空胴を小型化する
ことができる。

【００１２】また、加速空胴の空胴インピーダンスは共
振周波数において最大となるので、共振周波数を加速周
波数範囲よりも高く設定すると、加速周波数範囲におけ
る空胴インピーダンスは最大値よりも低くなる。空胴イ
ンピーダンスをＺ、加速空胴への供給電力をＰとする
と、加速空胴の加速ギャップに発生する加速電圧Ｖは、

【００１３】

【数２】 Ｖ＝（２ＺＰ)⁰・⁵ …（数２） で表せる。従って、加速電圧Ｖを増大させるためには、
高周波電源の電力（加速空胴への供給電力）Ｐ又は空胴
インピーダンスＺを大きくすれば良い。

【００１４】高周波電源の電力Ｐを大きくする場合、加
速電圧Ｖが所望の電圧となるように、空胴インピーダン
スＺの周波数特性に応じて数２で与えられる電力Ｐを高
周波電源から供給すれば良い。

【００１５】また、加速周波数範囲内の空胴インピーダ
ンスＺを大きくする場合、空胴内にフェライトを挿入し
て空胴自体のインピーダンスを増加させれば良い。フェ
ライトの透磁率μには実数部μr と虚数部μi があり、

【００１６】

【数３】 μ＝μr−ｊμi …（数３） で表される。このときインピーダンスＺは、

【００１７】

【数４】 Ｚ＝ｊωＬμ＝ｊωＬ(μr−ｊμi)＝ωＬμi＋ｊωＬμr ＝Ｒ′＋ｊＬ′ …（数４） となる。数４より、透磁率の実数部μr はリアクタンス
成分を与え、虚数部μiはレジスタンス成分を与えるの
で、空胴内に透磁率の大きな（強磁性体である）フェラ
イトを挿入することにより空胴インピーダンスを増加す
ることができる。数２から、空胴インピーダンスＺを増
加することにより、所望の加速電圧Ｖを発生させるため
に必要な高周波電源の電力Ｐを低下できるので、電源容
量を低減できる効果も得られる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

【００１９】図１，図２，図３，図４及び図５を用い
て、本発明の第１の実施例を説明する。図１は本発明に
よる高周波加速空胴の第１の実施例を示す図、図２は図
１の高周波加速空胴を設けた医療用陽子シンクロトロン
の概略図、図３は図１の高周波加速空胴の空胴インピー
ダンスの周波数特性を示す図、図４は図２の偏向電磁石
の磁場強度とビームエネルギーの時間変化を示す図、図
５は図１の高周波加速空胴が発生する加速電圧の振幅と
位相の時間変化を示す図である。

【００２０】図２の陽子シンクロトロンは、陽子ビーム
２２を発生する陽子ライナック２１，陽子ビーム２２を
リングに入射するための静電インフレクター２３及び入
射用パルス電磁石２６，リングを周回する陽子ビームに
エネルギーを与える高周波加速空胴１，ビーム軌道を曲
げる偏向電磁石２４，ビームを発散させる４極電磁石２
５，ビームを集束させる４極電磁石２９，出射ビーム３
３を治療室３４に出射するために用いられる共鳴励起用
電磁石２７，出射軌道補正電磁石２８及び静電デフレク
ター３１，リングを周回するビームの位置を測定するビ
ームモニタ３５等で構成されている。

【００２１】本シンクロトロンはエネルギーが１０Ｍｅ
Ｖの陽子を入射し、高周波加速空胴１を用いて２５０Ｍ
ｅＶまで加速した後、出射する。シンクロトロンの周長
は１８ｍで、ビームの周回周波数の範囲は２.５ＭＨｚ
から１０.２ＭＨｚである。加速周波数はハームニック
数ｈ＝１で、周回周波数と同じ範囲で変化する。静電イ
ンフレクター２３からリングに入射されたビームは、リ
ング内を周回する過程で偏向電磁石２４で軌道が曲げら
れる。また、４極電磁石２５及び２９はビームの軌道勾
配を変化させ、平均してビームを集束させる働きを持
つ。ビームは周回する過程で高周波加速空胴１からエネ
ルギーを与えられる。

【００２２】次に、図１を用いて本発明による高周波加
速空胴の第１の実施例を説明する。本高周波加速空胴１
は、ビームダクト２に設置され導体壁でつくられた空胴
本体１ａ，空胴本体１ａ内に設けられる円環状のフェラ
イト３，高周波電源４からの高周波（ＲＦ）電力を導入
するＲＦフィーダー５，真空シール６などから構成され
る。空胴本体は円筒形をしており、空胴長さ２００mm，
内径９０mm，外径500mmである。空胴内に装荷する強磁
性体として、外径４５０mm，内径２５０mm，厚さ２５mm
の円環状のフェライト３を用いている。フェライトの比
透磁率は実数部１０００，虚数部２００である。

【００２３】本空胴の空胴インピーダンスの周波数特性
を図３に示す。空胴の共振周波数は約３０ＭＨｚであ
り、加速周波数範囲２.５〜１０.２ＭＨｚより高く設定
することにより空胴長さを２００mmと短くしている。高
周波加速空胴１には、高周波電源４からＲＦフィーダー
５を通して高周波電力が供給され、加速ギャップに加速
電圧を発生する。加速時の供給電力は、数２を用いて、
加速周波数に対する空胴インピーダンスと所望の加速電
圧とから決める。

【００２４】以下に、供給電力の時間変化パターンの設
定手順を示す。先ず、ビームの入射エネルギー，出射エ
ネルギーから偏向電磁石２４の磁場の時間変化パターン
を設定する。図４に偏向電磁石の磁場強度とビームエネ
ルギーの時間変化の一例を示す。磁場強度Ｂは、ビーム
エネルギーＵが１０ＭｅＶに対応する０.３Ｔ から２５
０ＭｅＶに対応する１.５Ｔ まで直線的に増加させる。

【００２５】次に、高周波加速空胴が発生する加速電圧
の振幅と位相の時間変化を図５を用いて説明する。図５
は、ビームの粒子数が加速途中で減少せずに安定にリン
グ内の周回軌道上を周回するように設定した例である。
図５に示す加速電圧の振幅を空胴で発生するには、図６
に示す空胴インピーダンスの周波数特性から加速周波数
に対応する空胴インピーダンスＲを求め、数２を用いて
図７に示すような必要な供給電力Ｐを求める必要があ
る。所望の加速電圧を得るに当って、供給電力を抑える
ためには、空胴インピーダンスの高い方が有利である。

【００２６】次に、図８を用いて本発明による高周波加
速空胴の第２の実施例を説明する。本実施例は第１の実
施例の変形例で、円環状のフェライト３の装荷量を２枚
から１枚に減らした例である。フェライト３の装荷量を
減らすと空胴の共振周波数は上がり、加速周波数範囲で
の空胴インピーダンスは下がる。第１及び第２の実施例
の空胴インピーダンスの周波数特性を、図９の共振曲線
１及び共振曲線２に示す。加速周波数の最大値をｆmax
、共振曲線１の共振周波数をｆ₁ 、共振曲線２の共振
周波数をｆ₂ とすると、各周波数の間にはｆmax＜ｆ₁＜
ｆ₂ の関係がある。加速周波数範囲での空胴インピーダ
ンスは共振曲線１の方が共振曲線２よりも大きいので、
共振周波数が加速周波数の最大値ｆmax に近い共振曲線
１の方が供給電力は低くて済む。共振曲線２では、所望
の加速電圧を得るために共振曲線１よりも高い供給電力
を与える必要がある。

【００２７】次に、図１０を用いて本発明による高周波
加速空胴の第３の実施例を説明する。本実施例は第２の
実施例の変形例で、フェライト３の装荷数はそのまま
で、装荷位置を真空シール６側へずらした例である。フ
ェライト３を真空シール６側へずらすと、共振周波数は
第２の実施例よりもさらに高くなり、加速周波数範囲で
のインピーダンスはより下がるので、さらに供給電力を
増やす必要がある。

【００２８】次に、図１１を用いて本発明による高周波
加速空胴の第４の実施例を説明する。本実施例は第２の
実施例の変形例で、フェライト３の形状を変化させた例
である。磁場の強い外周部にフェライトを多く配置する
ことにより、第２の実施例よりも少ないフェライト装荷
量で、効果的に空胴インピーダンスを増大できる。

【００２９】次に、図１２を用いて本発明による高周波
加速空胴の第５の実施例を説明する。本実施例は、第１
の実施例の空胴に付加インピーダンスとしてシャント抵
抗７を加速ギャップと並列に付加した例である。シャン
ト抵抗７を加速ギャップに付加すると、空胴インピーダ
ンスとシャント抵抗は並列接続となるので、空胴全体の
インピーダンスの周波数特性が平坦化する。そのため加
速周波数に対する空胴インピーダンスの変化が緩和さ
れ、これに伴い供給電力の変化が少なくなるので、供給
電力の時間変化パターンが平坦化され、高周波電源の運
転が容易になる。尚、上記の各実施例は半同軸型空胴に
ついての実施例であるが、他の形状の空胴に対して適用
しても同様にして小型化が可能となる。

【００３０】次に、図１３を用いて本発明による高周波
加速空胴の第６の実施例を説明する。本実施例はダブル
・リエントラント型の加速空胴であり、第２の実施例の
空胴本体２個が結合した構造となっている。この型の空
胴は、高周波電源からプッシュ・プルモードで駆動する
ことで偶数次の高調波を小さくできる特徴を有するの
で、ノイズの少ない高周波電圧を得ることができ、信頼
性の高いビーム加速が可能となる。本実施例の空胴長さ
は４００mmであり、第１〜第５の実施例ほど空胴長さを
短くできないが、それでも従来の５００mm以上に比べて
小型化できていることがわかる。

【００３１】次に、図１４を用いて本発明を適用したイ
オンシンクロトロンの第７の実施例を説明する。本実施
例は図２のシンクロトロンの変形例で、高周波加速空胴
を２台配置した例である。所望の加速電圧を発生するた
めに、１台の大型空胴を用いるとシンクロトロン中の直
線部が長くなる。そこで、小型の空胴２台を用い、シン
クロトロンの直線部を従来よりも短くし、より小型のイ
オンシンクロトロンとすることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、小
型の高周波加速空胴及びそれを備えたイオンシンクロト
ロンを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による高周波加速空胴の第１の実施例を
示す図。

【図２】図１の高周波加速空胴を設けた医療用陽子シン
クロトロンの概略図。

【図３】図１の高周波加速空胴の空胴インピーダンスの
周波数特性図。

【図４】図７の偏向電磁石の磁場強度とビームエネルギ
ーの時間変化を示す図。

【図５】図１の高周波加速空胴が発生する加速電圧の振
幅と位相の時間変化を示す図。

【図６】図１の高周波加速空胴の空胴インピーダンスの
周波数特性図。

【図７】図１の高周波加速空胴への供給電力の時間変化
を示す図。

【図８】本発明による高周波加速空胴の第２の実施例を
示す図。

【図９】図１及び図２の高周波加速空胴の空胴インピー
ダンスの周波数特性図。

【図１０】本発明による高周波加速空胴の第３の実施例
を示す図。

【図１１】本発明による高周波加速空胴の第４の実施例
を示す図。

【図１２】本発明による高周波加速空胴の第５の実施例
を示す図。

【図１３】本発明による高周波加速空胴の第６の実施例
を示す図。

【図１４】本発明を適用したイオンシンクロトロンの第
７の実施例を示す図。

【図１５】半同軸型空胴共振器の形状寸法図。

【図１６】従来の高周波加速空胴の概略図。

【図１７】図９の高周波加速空胴の空胴インピーダンス
の周波数特性図。

【符号の説明】

１…高周波加速空胴、１ａ…空胴本体、２…ビームダク
ト、３…フェライト、４…高周波電源、５…ＲＦフィー
ダー、６…真空シール、７…シャント抵抗。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオンシンクロトロンに設置されイオンの
   加速を行う高周波加速空胴において、 該空胴の共振周波数は、該空胴に供給される高周波電力
   の周波数よりも高いことを特徴とする高周波加速空胴。
2. 【請求項２】イオンシンクロトロンに設置されイオンの
   加速を行う空胴本体と，該空胴本体に高周波電力を供給
   する電源とを備える高周波加速空胴において、 前記空胴本体の共振周波数は、前記高周波電力の周波数
   よりも高いことを特徴とする高周波加速空胴。
3. 【請求項３】イオンシンクロトロンに設置され周回軌道
   上を周回するイオンの加速を行う高周波加速空胴におい
   て、 該空胴の共振周波数は、前記イオンの周回周波数よりも
   高いことを特徴とする高周波加速空胴。
4. 【請求項４】イオンシンクロトロンに設置されイオンの
   加速を行う高周波加速空胴において、 該空胴は空胴インピーダンスを増加させるための強磁性
   体を備え、 該空胴の共振周波数は、該空胴に供給される高周波電力
   の周波数よりも高いことを特徴とする高周波加速空胴。
5. 【請求項５】イオンシンクロトロンに設置され、加速ギ
   ャップに生じる加速電界によりイオンの加速を行う高周
   波加速空胴において、 前記加速ギャップと電気的に並列に接続された付加イン
   ピーダンスを備え、 該空胴の共振周波数は、該空胴に供給される高周波電力
   の周波数よりも高いことを特徴とする高周波加速空胴。
6. 【請求項６】イオンシンクロトロンに設置されイオンの
   加速を行う高周波加速空胴において、 該空胴の空胴長さを４００mm以下としたことを特徴とす
   る高周波加速空胴。
7. 【請求項７】イオンを入射する入射器と，該入射器から
   入射したイオンが周回する周回軌道を構成するリング
   と，該リングを周回するイオンを加速する高周波加速空
   胴とを備えたイオンシンクロトロンにおいて、 前記高周波加速空胴として、請求項１乃至６の何れかに
   記載のものを用いたことを特徴とするイオンシンクロト
   ロン。
8. 【請求項８】請求項７において、前記リングからイオン
   を出射する出射器と，該出射器から出射したイオンをイ
   オン照射室に輸送する輸送系とを備えたことを特徴とす
   るイオンシンクロトロン。