JPS598960B2 - サイクロトロンの周波数追従装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、粒子を磁場により円運動させて加速するサイ
クロトロンの周波数追従装置に係る。

とくに、サイクロトロンの高周波発振系に増幅方式を採
用した場合において、高周波発振系の発振周波数と共振
器の共振周波数とを同調させる周波数サーボ装置を用い
たサイクロトロンの周波数追従装置に関するものである
。

角度方向不均一磁場（ＡＶＦ）型サイクロトロンにおい
ては，荷電粒子（以下ビームと称する）を加速するため
に、ビームの高周波に対する位相を一定に保つことが要
求されるので，共振器における共振周波数すなわち加速
周波数の安定化が必要である。

特に高周波発振系（高周波発振器および最終段増幅電子
管を含む→が増幅方式である場合には、発振器の発振周
波数と共振器の共振周波数とがずれると、最終段増幅電
子管と共振系（発振系と共振器とを結合する伝送線路お
よび共振器を含む）とに不整合が生じ、最終段増幅電子
管の陽極損失を増大させ，発振系の事故の原因となる。

また、共振器における高周波電圧すなわち加速電圧が、
ビーム加速に要求される所要値に達し得す加速電圧変動
が太き〈なって、ビームの外部取出し効率を著しく低下
せしめ、サイクロトロンの運転が不可能になる欠点があ
った。

とくに高周波発振系の運転開始時または運転中に、下記
に述べる原因によって、共振周波数が発振周波数からず
れるか、もしくは発振系の高周波の位相推移が生じると
、最終段増幅電子管の陽極効率を低下させ、またビーム
強度の長時間安定化の要求を満足できない問題点があっ
た。

（ａ） 共振器に高周波電力が伝送されると、共振器
の熱変形によって共振周波数が時間的に変化する。

（ｂ） 高周波発振系の増幅電子管の動作点の変化に
よる高周波の位相推移。

（ｃ） 発振周波数を切換えて高周波発振系を運転す
ることによる高周波の位相推移。

（ｄ） 高周波発振系をパルス運転または連続運転す
ることによる高周波の位相推移。

従来のサイクロトロンでは、（ａ）の原因に対して共振
器の同調容量板のみに依存して、共振周波数の安定化を
計っていたが，（ｂ） ， （Ｃ）および（ｄ）の原因
の場合は、サイクロトロンに熟達した運転者が必要であ
った。

本発明では、上記の（ｂ） ， （Ｃ）および（ｄ）の
原因に注目し、高周波発振系め運転を容易にするために
、次に述べる周波数自動追従装置を開発した。

以下実施例を以て説明する。

本装置は、第１図に示す基準信号検出部１、共振器信号
検出部２、移相器３、位相検波器４、低域通過濾波器５
、直流増幅器６、サーボ増幅器７，サーボモーター８、
および共振器１３の同調容量板９から構成される。

共振器１３の共振周波数が高周波発振器１０など発振系
の発振周波数と同調していれば、共振器１３の中心部に
おける高周波電圧と、最終段増幅電子管１１の出力電圧
との位相差φは、次式で表わされる。

ここに％Ｒ，ＬおよびＣは、第２図に示すように、共振
器１３を集中定数回路として置き換えた場合の並列定数
であり％ ｆは発振周波数，Ｃｏは光速である。

２およびｔは発振系と共振器１３とを結合する伝送線路
１２の特性インピーダンスおよび線路長である。

そしてＣｃは伝送線路１２と共振器１３との結合容量で
ある。

同調時には上記定数はすべて一定となり、位相差φは一
定である。

従って基準信号検出部１において検出した基準信号ｓｔ
と、共振信号検出部２において検出した共振器信号ｒｓ
とは、基準信号ｓｔが移相器３を通過した後、位相検波
器４の入力部において、９０°の位相差となるように、
移相器３の回路定数を設定することが可能である。

このとき位相検波器４の出力には高調波成分が含まれる
ん、低域通過濾波器５を通過した後の出力電圧はＯＶで
あり、サーボモーター８は動作せず、同調容量板９は変
化しない。

然るに，先に述べた（ａ）の原因によって，共振周波数
が発振周波数からずれると，二つの信号ｓｔ，ｒｓの位
相差は位相検波器４の入力部において９０°から変位し
、低域通過濾波器５を通過した後の出力電圧は正、負い
ずれかの値をとり，サーボモーター８は正転もしくは逆
転し、共振周波数と発振周波数とが同調するように共振
器１３の同調容量板９は変化する。

以上のような応答動作を行なう周波数サーボ系において
、先の原因（ｂ） ， （ｃ）および（ｄ）によシ発振
系の高周波の位相推移が生じると，サーボ系の応答動作
の過程において，加速電圧の不安定な変動が発生する。

本発明では，サーボ系の誤動作を克服し、加速電圧の安
定化、サイクロトロン運転の容易性を計るために、移相
器３を特別に開発した。

第３図の様に、移相器３には可変容量ダイオード３２を
用い、そのバイアス電圧は遠隔操作できるので， （ｂ
），（ｃ）および（ｄ）の原因による高周波の位相推移
を容易に調整できることになる。

また、位相検波器４にはアナログマルチプライヤを用い
て検波効率を高め，サーボモーター８の応答速度を高め
る方式にした。

なお、移相器３は、第３図のような単同調２段で構成さ
れ、加変容量ダイオード３２は、サイクロトロン制御室
のコントロール盤〔デスク〕３３に内蔵された高安定化
電源３４により供給されるバイアス電圧によって容量変
化を行なう。

（ｂ）および（ｄ）の原因による高周波の位相推移の調
整を可変容量ダイオード３２のバイアス電圧を変化させ
ることによって行ない、（Ｃ）の原因による位相推移は
、発振周波数の切換え時に、移相器３の高周波シールド
されたＲＦコイル３１のＬＯの切換えによって調整され
る。

上記方式による位相器３によって、周波数３８ＭＨｚか
ら５６ＭＨｚにおいて、可変位相推移１６０°、減衰度
−９．６ｄＢを得ている。

本発明による周波数追従装置で、サイクロトロンを運転
することによって、最終段増幅電子管１１の陽極効率を
高め，共振器１３における加速電圧は、所定の磁場強度
において、プロトン（Ｈ＋）加速に要求される最犬３５
ＫＶに達し、かつ加速電圧変動を３％以内に押えること
ができる。

従ってビームの外部取出し効率を向上させ、ビーム強度
の長時間安定化が補償される。

また本周波数追従装置に付属する移相器３は遠隔操作で
、高周波発振系の運転を容易かつ簡単化でき、専門のオ
ペレーターを必要としない。

従ってサイクロトロン装置の高性能化、安定化およびコ
スト低減に犬き〈寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例をしめずブロック図、第２図
は共振器１３０等価集中定数回路、第３図は、同上の移
相器３をしめす具体的な回路図である。 １・・・・・・基準信号検出部％２・・・・・・共振器
信号検出部，３・・・・・・移相器、４・・・・・・位
相検波器、５・・・・・・低域通過濾波器、６・・・・
・・直流増幅器、７・・・・・・サーボ増幅器，８・・
・・・・サーボモーター、９・・・・・・共振器同調容
量板、１０・・・・・・高周波発振器、１１・・・・・
・最終段増幅電子管、１２・・・・・・伝送線路、１３
・・・・・・共振器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高周波発振系の発振周波数を検出する基準信号検出
   部１と、共振系の共振周波数を検出する共振器信号検出
   部２と，上記基準信号検出部１からの基準信号ｓｔ−を
   入力すると共に，上記共振器信号検出部２からの共振信
   号ｒｓ を入力して、これら信号の位相差を検出する位
   相検波器４とからなるサイクロトロンの周波数追従装置
   であって、該周波数追従装置が，前記の基準信号検出部
   １と位相検波器４との間に，前記の基準信号ｓｔと共振
   器信号ｒｓとの位相推移に応じて，これら信号の位相差
   を一定にするための調整用の移相器３を具備し、該移相
   器はさらな、高周波シールドされた切換え可能なＲＦコ
   イル３１と、コントロール盤に内蔵された高安定化電源
   ３４により供給されるバイアス電圧によって容量変化を
   行なう可変容量ダイオード３２とを具備することを特徴
   としたサイクロトロンの周波数追従装置。