WO2018180202A1 - 円形加速器 - Google Patents

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WO2018180202A1
WO2018180202A1 PCT/JP2018/008042 JP2018008042W WO2018180202A1 WO 2018180202 A1 WO2018180202 A1 WO 2018180202A1 JP 2018008042 W JP2018008042 W JP 2018008042W WO 2018180202 A1 WO2018180202 A1 WO 2018180202A1
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WO
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electrode
bearing
circular accelerator
shaft
rotor electrode
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/008042
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English (en)
French (fr)
Inventor
大士 永友
智史 上田
信高 小林
Original Assignee
三菱電機株式会社
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/01—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/04—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of effective area of electrode
    • H01G5/06—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of effective area of electrode due to rotation of flat or substantially flat electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/02—Synchrocyclotrons, i.e. frequency modulated cyclotrons

Definitions

  • the present application relates to a synchrocyclotron accelerator, which is a circular accelerator, particularly to a capacitance modulation element.
  • the synchrocyclotron accelerator is a cyclotron accelerator using frequency modulation.
  • the frequency of the high-frequency electric field between the Dee electrodes (hereinafter referred to as Dee electrodes) input from the high-frequency power source is synchronized with the decrease in the circulating frequency caused by the increase in the velocity of the charged particles and the accompanying increase in relativistic mass.
  • the resonance frequency has been changed by a modulation element inserted between a power source and a dee electrode as a load.
  • a bearing is used to receive the rotating shaft of the rotating capacitor that modulates the resonance frequency of the synchrocyclotron.
  • a direct current or alternating current flows through the bearing, the current concentrates on a narrow contact portion of a steel ball or cylinder in the bearing, so that there is a problem that the bearing is easily damaged and the life of the capacitor is short.
  • ceramic used for the bearing, current does not flow, but the maximum rotational speed or load resistance is inferior to that of metal bearings, and there is a concern that the rotating capacitor cannot achieve the desired change in capacitance at the desired cycle. is there.
  • the present application discloses a technique for solving the above-described problems, and an object thereof is to provide a circular accelerator using a rotating capacitor having high durability and capable of high-speed rotation.
  • the circular accelerator disclosed in the present application is a high-frequency power supply for supplying high-frequency power for generating a high-frequency electric field in a circular accelerator that accelerates a charged particle around a spiral orbit by a magnetic field and accelerates by a high-frequency electric field generated by a Dee electrode.
  • a stator electrode and a rotor electrode having a rotor electrode surface that forms a capacitance between the stator electrode surface of the stator electrode are provided.
  • a rotating capacitor with a variable capacity is provided inside the casing constituting the circular accelerator, and the rotor electrode is held by a shaft rotatably held by a metal bearing fixed inside the casing. Is made of an insulating material that insulates the direct current in at least a part of the axial direction, and at least between the bearing and the housing Bearing holder made of an insulating material region parts to insulate the direct current in which is disposed.
  • the rotating shaft of the rotating capacitor is made of an insulating material and the bearing is made of metal, it is possible to provide a circular accelerator using a rotating capacitor that has high durability and can rotate at high speed.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a rotating capacitor that is a main part of the circular accelerator according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a top cross-sectional schematic diagram showing a schematic configuration of a synchrocyclotron that is a circular accelerator according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a side cross-sectional schematic diagram showing a schematic configuration of a synchrocyclotron that is a circular accelerator according to Embodiment 1.
  • FIG. 4A and 4B are schematic diagrams showing the configuration of the electrodes of the rotating capacitor of the circular accelerator according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a shape of a stator electrode surface of a rotating capacitor of the circular accelerator according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view showing another example of the electrode shape of the rotating capacitor of the circular accelerator according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit of a rotating capacitor of the circular accelerator according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing an equivalent circuit of a rotating capacitor of a circular accelerator according to a second embodiment. 6 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a rotating capacitor of a circular accelerator according to Embodiment 3.
  • FIG. 10A and 10B are schematic cross-sectional views illustrating a schematic configuration of the rotating capacitor of the circular accelerator according to the fourth embodiment.
  • FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of a rotary capacitor of a circular accelerator according to a fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing an equivalent circuit of a rotating capacitor of a circular accelerator according to a fifth embodiment. It is a perspective view which shows an example of the shape of the set collar of the rotation capacitor of the circular accelerator by Embodiment 5.
  • FIG. 10 is a perspective view showing an example of a shape of a holder cap of a rotary capacitor of a circular accelerator according to a fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a rotating capacitor of a circular accelerator according to a sixth embodiment.
  • FIG. 10 shows an equivalent circuit of a rotating capacitor of a circular accelerator according to a sixth embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a rotating capacitor of a circular accelerator according to a seventh embodiment.
  • FIG. 10 shows an equivalent circuit of a rotating capacitor of a circular accelerator according to a seventh embodiment. It is a block diagram which shows the structure of the particle beam therapy apparatus as an example to which the circular accelerator which this application discloses is
  • the particle beam therapy system 100 to which the circular accelerator disclosed in the present application is applied includes a treatment planning unit 4, a particle beam generation unit 5, a particle beam transport unit 6, and a particle beam irradiation.
  • the unit 7 is provided.
  • the particle beam transport unit 6 connects the particle beam generation unit 5 and the particle beam irradiation unit 7 and irradiates the particle beam, which is a bundle of charged particles accelerated by the accelerator 200 in the particle beam generation unit 5 with the particle beam.
  • a particle beam transport path for transporting to the part 7 is provided.
  • the particle beam irradiation unit 7 includes an irradiation nozzle 71 that irradiates a particle beam to an irradiation target that is an affected part of a patient, a treatment table 72, a positioning device 73, and the like.
  • the particle beam generation unit 5 and the particle beam irradiation unit 7 are controlled via the treatment control unit 8 based on the irradiation dose set by the treatment planning unit 4.
  • the irradiation nozzle 71 is provided with a beam scanning device for deflecting the particle beam and scanning the particle beam in a direction perpendicular to the traveling direction of the particle beam.
  • the beam scanning device scans the particle beam in a two-dimensional direction perpendicular to the traveling direction of the particle beam according to a command from the beam scanning control unit of the treatment control unit 8.
  • the accelerator 200 is a synchrocyclotron
  • the present application relates to suppression of damage caused by direct current, alternating current, and heat generation in a bearing of a rotary capacitor that is a resonant frequency modulation element in a synchrocyclotron that is a circular accelerator.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a rotating capacitor 300 that is a main part of the circular accelerator according to the first embodiment.
  • 2 is a top cross-sectional schematic diagram showing a schematic configuration of a synchrocyclotron 200 that is a circular accelerator according to Embodiment 1 used in the particle beam therapy system
  • FIG. 3 is a side cross-sectional schematic diagram.
  • the synchrocyclotron 200 which is a circular accelerator, includes a pair of coils 9 and a deflecting electromagnet 400, each of which has a yoke 10 and a resonant cavity 11 to which high-frequency power is supplied. I have.
  • the resonant cavity 11 includes a Dee electrode 1 that is an acceleration electrode and a rotating capacitor 300.
  • a magnetic field in the Z-axis direction is formed on the dee electrode 1 by the deflection electromagnet 400.
  • the charged particles taken out from the ion source 12 circulate in the Dee electrode 1 by the magnetic field in the Z-axis direction generated by the coil 9 and reach the acceleration gap 30 between the Dee electrodes 1 every half cycle. Since the high-frequency electric field generated in the acceleration gap 30 between the dee electrodes 1 is adjusted to synchronize with the circulation period of the charged particles, the charged particles are accelerated every time they pass through the acceleration gap 30, and the acceleration trajectory of the charged particles is illustrated in FIG. It becomes a spiral orbit as shown by a broken line 2.
  • the synchrocyclotron 200 which is a circular accelerator, includes a vacuum device 13, a high-frequency power source 14, an input coupler 15, a rotating capacitor 300, and a control circuit.
  • the vacuum device 13 maintains the inside of the resonant cavity 11 at a low pressure, and suppresses scattering / discharge of charged particles that are accelerated.
  • the high frequency power supply 14 supplies high frequency power into the resonant cavity 11 via the input coupler 15, and the control circuit adjusts the power supply so that high frequency power having a frequency corresponding to the energy of the charged particles to be accelerated can be output.
  • variable inductance element or a variable capacitance element can be considered as the resonant frequency modulation element.
  • the resonance frequency of the resonance cavity 11 is modulated by modulating the inductance or capacitance of the modulation element so as to correspond to the change in the circulating frequency of the charged particles.
  • An example of the variable capacitance element is a rotating capacitor 300. As shown in FIG. 1, the rotating capacitor 300 includes a rotor electrode 3 and a stator electrode 2. The rotor electrode 3 is driven by a motor 16. The stator electrode 2 is fixed to the transmission line 17.
  • the electrostatic capacitance formed by the rotating capacitor 300 is defined by the facing area S of the stator electrode 2 and the rotor electrode 3, the inter-electrode distance d, and the dielectric constant ⁇ from the following equation (1).
  • C ⁇ S / d (1)
  • the driving mechanism of the rotating capacitor 300 shown in FIG. 1 includes a shaft 18 that holds the rotor electrode 3, a bearing 19 that holds the shaft 18 in rotation, a bearing holder 20 that holds the bearing 19, a bearing holder 20, and a resonant cavity. 11 and a housing 21 connected to the housing 11.
  • the shaft 18 is rotated by the power transmitted from the motor 16 to rotate the rotor electrode 3.
  • the drive mechanism is installed in a resonance cavity 11 that is a vacuum chamber.
  • the motor 16 is installed outside the resonance cavity 11, and transmits power to the shaft 18 by a power transmission mechanism using a motion seal such as a magnetic coupler 22, a magnetic fluid, or an O-ring as shown in the figure.
  • a motor 16 that generates power may be installed in the resonance cavity 11 and the shaft 18 may be directly rotated.
  • FIG. 4A is a schematic view of an electrode portion of a rotating capacitor of the circular accelerator according to the first embodiment as viewed from the direction of the rotation axis.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view at a position including the rotation axis Ce.
  • the rotor electrode 3 has a configuration in which a plurality of disk-shaped rotor electrode surfaces 31 having a plurality of electrode portions extending in a direction perpendicular to the rotation axis Ce are arranged in the direction of the rotation axis Ce.
  • the stator electrode 2 is connected to the end of the transmission line 17 and has a configuration in which a plurality of disk-shaped stator electrode surfaces 23 having a plurality of electrode portions extending in the direction perpendicular to the rotation axis Ce are arranged in the direction of the rotation axis Ce. Yes.
  • the stator electrode 2 and the rotor electrode 3 are arranged so that the stator electrode surface 23 and the rotor electrode surface 31 are alternately positioned.
  • the inter-electrode distance d is set to Form.
  • the opposing area S between the rotor electrode surface 31 and the stator electrode surface 23 can be temporally changed by the electrode arrangement and the rotation of the rotor electrode 3, and the capacitance formed by the stator electrode 2 and the rotor electrode 3. Changes over time.
  • the resonance cavity 11 including the Dee electrode 1 and the rotating capacitor 300 can change its resonance frequency by changing the capacitance.
  • the rotor electrode 3 is DC-insulated from the stator electrode 2 connected to the end of the transmission line 17.
  • the rotor electrode 3 and the stator electrode 2 are made of an electrically conductive material. This material is preferably a material having high electrical conductivity such as copper or aluminum.
  • FIG. 5 shows an example of the shape of the stator electrode surface, and the stator electrode surface 23 of FIG. 5 has a partially cut shape.
  • the change profile of the facing area S can be adjusted by adjusting the shape of the stator electrode surface 23 of the stator electrode 2 to an appropriate shape. it can.
  • the shape may be adjusted on the rotor electrode surface 31 of the rotor electrode 3, or the shapes of both the stator electrode surface 23 and the rotor electrode surface 31 of the rotor electrode 3 may be adjusted.
  • the capacitance may be adjusted by changing the number of laminated rotor electrodes and stator electrodes.
  • FIG. 6 shows an exploded perspective view of another example of the rotor electrode 3 and the stator electrode 2.
  • the rotor electrode 3 has a cylindrical shape, and has a plurality of convex portions extending in the direction of the rotation axis Ce on the inner surface, whereby a plurality of rotor electrode surfaces 31 are arranged in a cylindrical shape at a fixed radius from the rotation axis Ce. It has become.
  • the stator electrode 2 is connected at the end of the transmission line 17, and a plurality of plates extending in the direction of the rotation axis at a position where the distance from the rotation axis Ce is different from the rotor electrode surface 31 of the rotor electrode 3.
  • the stator electrode surface 23 has a cylindrical arrangement.
  • FIG. 6 shows a state in which the stator electrode 2 is pulled out from the rotor electrode 3, the stator electrode 2 is actually inserted into the rotor electrode 3.
  • an inter-electrode distance d is formed.
  • the shaft 18 that holds the rotor electrode 3 is made of an insulating material. Thereby, the bearing 19 can be insulated from the direct current flowing in the resonance cavity 11.
  • the insulating material used at this time may be, for example, an insulating material made of ceramic such as alumina, silicon nitride, or sapphire. By using the ceramic material, the mechanical strength necessary for the rotation of the rotor electrode 3 is maintained and DC insulation is realized.
  • a bearing 19 that rotates and holds the shaft 18 can be a metal bearing that can rotate at a higher speed and has a higher load resistance than a ceramic bearing. Note that the insulating material only needs to satisfy the mechanical strength, and a material such as glass or resin or a combination of the above materials such as FRP may be used.
  • the rotor electrode 3 is provided with a gap between the rotating rotor electrode 3 and the inner surface of the housing 21 as shown by reference numeral 24 in FIG. Acts as a short-circuit capacitor that is short-circuited at high frequencies.
  • the high-frequency current flowing from the rotor electrode 3 to the casing 21 is the high-frequency current flowing from the shaft 18 to the casing 21 via the bearing 19 and the high-frequency current flowing from the rotor electrode 3 to the casing 21 via the short-circuit capacitor 24. Divided into flows.
  • FIG. 7 shows an equivalent circuit of the rotating capacitor 300.
  • the rotary capacitor 300 includes a variable capacitance Cv formed from the rotor electrode 3 and the stator electrode 2, a capacitance Cs of the short-circuit capacitor 24 formed between the rotor electrode 3 and the housing 21, and the shaft 18 as an insulating material.
  • the electrostatic capacity Cp is formed between the rotor electrode 3 and the bearing 19.
  • Cs and Cp are arranged in series with respect to Cv, and Cp is arranged in parallel with respect to Cs.
  • Cv and Cs are DC-insulated by a vacuum in the resonance cavity 11, and Cp is DC-insulated by an insulating material constituting the shaft 18.
  • an alternating high-frequency current flowing in the resonance cavity 11 is divided into two paths Cs and Cp via Cv and flows to the housing 21.
  • the high-frequency current flowing through Cv is shunted according to the ratio of the ratio of Cs to Cp. Therefore, by increasing the capacitance ratio Cs / Cp, the high-frequency current that is alternating current passing through the bearing 19 can be reduced.
  • an uneven shape may be added to the rotor electrode 3 and the casing 21 to increase the facing area with the casing 21.
  • the value of Cs can be increased by reducing the distance between the rotor electrode 3 and the housing 21 as much as possible.
  • the shaft 18 of the rotating capacitor 300 is made of an insulating material, so that the amount of current flowing through the bearing 19 is reduced, so that damage to the bearing 19 is suppressed.
  • a metal bearing can be used by being insulated by the shaft 18.
  • FIG. 1 a more preferable high-frequency current suppressing mechanism in the bearing portion is shown.
  • an insulating structure is provided between the bearing 19 and the housing 21 in the drive mechanism.
  • the bearing holder 20 is also made of an insulating material.
  • the capacitance Cpp formed between the bearing 19 and the housing 21 is added in series to the capacitance Cp formed between the rotor electrode 3 and the bearing 19. It has become.
  • a series capacitor composed of Cp and Cpp can be formed with the bearing 19 interposed between the casing 21 and the rotor electrode 3.
  • the ratio Cs / Call of the capacitance Cs between the rotor electrode 3 and the casing 21 can be increased.
  • the value of this ratio can be controlled by adjusting the configuration of the bearing holder 20 made of an insulating material and controlling the value of Cpp.
  • the value of Cpp can be controlled by controlling the thickness of the bearing holder 20 having a cylindrical shape, for example.
  • the value of Cp may be adjusted to adjust the value of the ratio Cs / Call.
  • the value of the combined capacity is determined by the capacitance ratio between the shaft 18 and the bearing holder. Either or both of the conditions can be adjusted and the high-frequency current can be suppressed.
  • the capacitance can be controlled by the dielectric constant ⁇ by changing the insulating material of the bearing holder 20 and the shaft 18. As described above, by inserting an insulating material between the bearing 19 and the housing 21, a series capacitance is formed, and the high-frequency current flowing through the bearing 19 is reduced compared to the case where only the shaft 18 is insulated. Since it can be made smaller, damage to the bearing 19 can be suppressed.
  • Embodiment 3 a more preferable bearing damage suppression mechanism is shown.
  • a part of the shaft 18 or the bearing holder made of an insulating material such as alumina is formed into a metal film, that is, metallized. Since the metallized shaft 18 can be joined to metal by brazing or welding, the capacitance Cp between the rotor electrode 3 and the bearing 19 can be controlled with high accuracy by forming the shaft 18 from ceramic and metal. . At this time, since the ratio Cs / Call with the capacitance Cs in the second embodiment can be increased, the high-frequency current flowing through the bearing can be further suppressed. Further, as shown in FIG.
  • the shaft 18 is formed of the ceramic portion 181 and the metal portion 182 within a range in which the DC insulation between the bearing 19 and the rotor electrode 3 is maintained. You can also. Specifically, like the metal portion 182 of the shaft 18 shown in FIG. 9, the portion in contact with the bearing 19 can be a metal, and the remaining portion can be a ceramic portion 181. Furthermore, the interface between the bearing holder 20 made of a ceramic material and the housing 21 may be joined after metallization, for example, by brazing. Since the joint interface between the bearing holder 20 and the housing 21 is tightly coupled, heat generation due to high-frequency current penetration of the bearing 19 can be efficiently performed compared to the case where the bearing holder 20 is fixed to the housing 21 by screw fastening or the like. 21 can be transmitted. Thereby, damage to the bearing 19 due to heat can be suppressed. Furthermore, the bearing holder 20 may be made of ceramic and metal as long as the DC insulation between the bearing 19 and the housing 21 is maintained.
  • FIG. 10A is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the rotating capacitor 300 of the circular accelerator according to the fourth embodiment.
  • a suitable insulating mechanism of the bearing 19 is shown.
  • the shaft 18 has a flange shape 25 protruding in the direction perpendicular to the rotation axis Ce.
  • a potential difference occurs between the rotor electrode 3 and the bearing 19, and this distance is small. There is a concern about creeping discharge that discharges along the surface of the insulator.
  • the creeping discharge As a means for suppressing the creeping discharge, as shown in FIG. 10B, it is conceivable to increase the length of the creeping path serving as the discharge path, that is, the creeping distance. .
  • the creeping discharge is caused by adding a flange shape 25 having a size corresponding to the necessary creepage distance to the shaft 18 from the potential difference between the rotor electrode 3 and the bearing 19. Can be suppressed.
  • the flange shape 25 may not be used, and the shaft 18 has a convex or concave portion on the outer periphery between the rotor electrode 3 and the portion supported by the bearing 19. In this way, the creepage distance may be increased.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a main part of the rotating capacitor 300 of the circular accelerator according to the fifth embodiment.
  • a suitable insulating mechanism of the bearing 19 is shown.
  • FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view showing the periphery of the bearing 19, and the portion of the stator electrode connected to the D electrode is not shown.
  • the drive mechanism shown in FIG. 11 has a set collar 26 that fixes the bearing 19 on the shaft.
  • the set collar 26 contacts the inner ring 191 of the bearing 19 and is equipotential with the inner ring 191 of the bearing 19.
  • the drive mechanism has a metal holder cap 27 for fixing the bearing 19 in the bearing holder 20.
  • the holder cap 27 comes into contact with the outer ring 192 of the bearing 19 and is equipotential with the outer ring 192 of the bearing 19. At this time, the set collar 26 has a capacitance C ⁇ b> 1 with respect to the casing, and the holder cap 27 has a capacitance C ⁇ b> 2 with respect to the rotor electrode 3.
  • FIG. 12 shows an equivalent circuit around the bearing 19.
  • This circuit is known as a Wheatstone bridge.
  • the four capacitances Cp, Cpp, C1, and C2 constituting the circuit satisfy the following expression (4), the current I on the line connecting the contact 1 and the contact 2 becomes zero.
  • Cp ⁇ Cpp C1 ⁇ C2 (4)
  • the ceramic that forms the shaft 18 and the bearing holder 20 acts as a dielectric for Cp and Cpp
  • the vacuum gap acts as a dielectric for C1 and C2.
  • the above equation is realized by making at least one of the four capacitances adjustable.
  • C2 has a capacitance adjustment mechanism. This adjusting mechanism is constituted by a set collar 26 that fixes the bearing 19 on the shaft 18.
  • FIG. 13 shows an example of the set collar 26.
  • the structure may be divided into two and sandwich the shaft 18.
  • the set collar 26 has a plurality of electrode surfaces.
  • the set collar 26 forms a capacitance when a plurality of electrode surfaces extending in a direction perpendicular to the rotation axis Ce mesh with the grooves of the housing 21. Further, by adjusting the number of the electrode surfaces, it acts as an adjustable capacitance of the Wheatstone bridge. The adjustment of the capacitance may be realized by providing a notch in a part of the electrode surface.
  • the notch of the electrode surface is preferably axially symmetric with respect to the shaft 18 in order to suppress unbalance during rotation.
  • the electrode surface may extend in the direction of the rotational axis Ce like the electrode surface of the stator electrode 2 shown in FIG.
  • the capacitance can be adjusted by the holder cap 27 having a shape as shown in a perspective view in FIG. As shown in FIG. 11, the holder cap 27 shown in FIG. 14 can adjust the capacitance C ⁇ b> 1 of the rotor electrode 3 and the holder cap 27 by a shape having a plurality of electrode surfaces between the rotor electrode 3. .
  • the electrode surfaces of the set collar 26 and the holder cap 27 may both extend in a direction perpendicular to the rotation axis Ce, or may extend in parallel to the rotation axis Ce. Furthermore, you may combine both.
  • the notch on the electrode surface may be provided on one or both of the set collar 26 and the holder cap 27. Further, the capacitance may be adjusted by changing the thickness of the bearing holder 20 or the diameter of the shaft 18.
  • the structure may be such that at least one of C1 and C2 can be adjusted so as to satisfy Expression (4). That is, the first metal member 27 (the holder cap 27 in the example of FIG. 11) that is connected to the outer ring 192 of the bearing 19 and forms the capacitance C1 with the rotor electrode 3 is provided. The capacitance C ⁇ b> 1 is adjusted by adjusting the facing area / distance to the electrode 3. Alternatively, a second metal member 26 (set collar 26 in the example of FIG. 11) connected to the inner ring 191 of the bearing 19 and constituting the capacitance C2 with the housing 21 is provided, and the second metal member 26 and the housing The capacitance C ⁇ b> 2 is adjusted by adjusting the facing area / distance to 21.
  • the capacitance corresponding to C1 has a very small value between the outer ring 192 of the bearing 19 and the rotor electrode 3 even if the first metal member 27 is not provided.
  • the capacitance corresponding to C2 has a very small value between the inner ring 191 of the bearing 19 and the housing 21, even if the second metal member 26 is not provided. Therefore, in principle, by providing at least one of the first metal member 27 and the second metal member 26, the formula (4) can be satisfied. However, when one of the first metal member and the second metal member is not provided, the capacitance on the side where the first metal member or the second metal member is not provided is very small. Therefore, in order to satisfy the expression (4), it is formed by the other metal member. It is necessary to considerably increase the electrostatic capacity. Therefore, it is preferable to provide both the first metal member 27 and the second metal member 26.
  • the current that flows can be reduced to zero, so that damage due to conduction of the current that flows through the bearing 19 can be suppressed.
  • FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the rotating capacitor 300 of the circular accelerator according to the sixth embodiment.
  • the shape of the stator electrode 2 and the rotor electrode 3 is, for example, a shape in which the shapes of the stator electrode 2 and the rotor electrode 3 shown in FIG. 1 are interchanged.
  • the stator electrode 2 is directly connected to the transmission line 17 at the end of the transmission line 17, and the rotor electrode 3 is held by a bearing 19 fixed to a bearing holder 20 held by a housing 21. It is fixed to the shaft 18.
  • FIG. 16 shows an equivalent circuit of the rotating capacitor 300 having the configuration shown in FIG. As shown in FIG.
  • the stator electrode 2 directly connected to the transmission line 17 has a capacitance C ⁇ b> 4 between the casing 21.
  • This capacitance C4 is a parasitic capacitance parallel to the capacitance Cv formed from the stator electrode 2 and the rotor electrode 3. Therefore, for example, a shape in which the value of C4 is decreased by increasing the gap between the stator electrode 2 and the housing 21 is preferable.
  • the bearing 19 portion has C3 and C3 ′ which are capacitances in series with Cv by the shaft 18 and the bearing holder 20.
  • the shape of the stator electrode 2 and the rotor electrode 3 is, for example, the shape of the stator electrode 2 shown in FIG. 4A for the rotor electrode 3 of FIG. 15 of the sixth embodiment, and the shape of the stator electrode 2 of FIG. It is the shape of the rotor electrode 3 shown. Further, the rotor electrode 3 may have the shape of the stator electrode 2 shown in FIG. 6, and the stator electrode 2 may have the shape of the rotor electrode 3 shown in FIG.
  • FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the rotating capacitor 300 of the circular accelerator according to the seventh embodiment.
  • the rotary capacitor described in the embodiments so far has been described as being a stator electrode in which the transmission line side electrode does not rotate and a rotor electrode in which the housing side electrode rotates.
  • a rotating capacitor 300 according to the seventh embodiment has a configuration in which a transmission line side electrode rotates as a rotor electrode 3 and a casing side electrode does not rotate as a stator electrode 2.
  • a bearing 19 and a bearing holder 20 are arranged in the transmission line 17, and an insulating mechanism for holding the rotor electrode 3 through the shaft 18 is obtained. ing.
  • the shaft 18 that holds the rotor electrode 3 is held by the bearing holder 20 and the bearing 19 installed in the transmission line 17, and the motor 16 is installed inside the transmission line 17. .
  • the motor 16 rotates the rotor electrode 3 via a shaft 18 installed inside the transmission line 17.
  • a gap 24 is provided between the transmission line 17 and the rotor electrode 3 to avoid contact.
  • FIG. 18 shows an equivalent circuit of the rotating capacitor configured as shown in FIG.
  • the rotor electrode 3 has a capacitance Cs with respect to the transmission line 17 due to the gap 24 between the transmission line 17 and the rotor electrode 3. Since the capacitance Cs is in series with the variable capacitance Cv formed from the rotor electrode 3 and the stator electrode 2, it functions as a short-circuit capacitor. Therefore, for example, even if the rotor electrode 3 is covered with the transmission line 17 such that a part of the rotor electrode 3 has a gap 24 between the transmission line 17 and the opposing area between the transmission line 17 and the rotor electrode 3 is enlarged. good.
  • electrostatic capacitances Cp and Cpp parallel to the electrostatic capacitance Cs are formed as electrostatic capacitances formed between the rotor electrode 3 and the transmission line 17 by the shaft 18 and the bearing holder 20. Will have.
  • the combined capacitance formed by the capacitances Cp and Cpp formed by the shaft 18 and the bearing holder 20 can be made smaller than the capacitance Cs acting as a short-circuit capacitor. Therefore, the current flowing through the bearing 19 can be reduced.
  • the stator electrode 2 When the rotor electrode 3 is rotated using the above configuration and the stator electrode 2 is fixed, the capacity and bearings of the motor 16 necessary for the rotation of the rotor electrode 3 can be reduced, and the durability is also improved. Can be made.
  • the stator electrode 2 In FIG. 17, the stator electrode 2 is fixed to the casing 21 and integrated with the casing. However, the stator electrode 2 is configured to rotate in the same configuration as the rotor electrode of the first embodiment. You can also. In this case, since the desired rotational speed can be realized by the relative speed viewed from one electrode, the rotational speed of the motor can be substantially reduced, and the durability of the bearing can be improved.
  • the shape of the stator electrode 2 and the rotor electrode 3 is, for example, the shape of the stator electrode 2 shown in FIG.
  • the rotor electrode 3 may have the shape of the stator electrode 2 shown in FIG. 6, and the stator electrode 2 may have the shape of the rotor electrode 3 shown in FIG.
  • the rotor electrode 3 is held by the shaft 18, and the shaft 18 is formed by a metal bearing fixed to the conductor portion inside the housing 21 via the bearing holder 20. It is held rotatably.
  • the conductor portion inside the casing is the inner surface of the casing 21, and in the seventh embodiment, the transmission line 17 is connected to the dee electrode.

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Abstract

ステータ電極（２）と、このステータ電極（２）のステータ電極面との間で静電容量を形成するロータ電極面を有するロータ電極（３）と、を備え、このロータ電極（３）が回転することにより、静電容量が変化する回転コンデンサが筐体内に設けられた円形加速器において、ロータ電極（３）は、筐体の内部の導体部分に軸受ホルダ（２０）を介して固定された金属の軸受（１９）により回転可能に保持されるシャフト（１８）によって保持され、シャフト（１８）は軸方向の少なくとも一部の領域が直流を絶縁する絶縁材料で構成され、軸受ホルダ（２０）は少なくとも一部の領域が直流を絶縁する絶縁材料で形成されるようにした。

Description

円形加速器
　本願は、円形加速器であるシンクロサイクロトロン加速器の、特にキャパシタンス変調素子に関する。
　シンクロサイクロトロン加速器は、周波数変調を用いたサイクロトロン加速器である。荷電粒子の速度上昇とそれに伴う相対論的質量増加によって起こる周回周波数の低下に対して、高周波電源から投入されるＤｅｅ電極（以降ディー電極と称する）間の高周波電界の周波数を同期させる。
　高周波電界の周波数を変化させる場合、共振空洞内の電気的な共振周波数を高速に変化させる必要があった。上記の問題を解決するため、シンクロサイクロトロンでは電源と負荷であるディー電極との間に挿入された変調素子によって、共振周波数を変化させてきた。
　上記の変調素子としては、時間的に静電容量を変化させる回転コンデンサなどが用いられ、回転コンデンサを構成する電極対の一方が高速に回転することにより、共振周波数を変化させる。（例えば、特許文献１、特許文献２参照）
特表２０１４－５３３８８４号公報 特開２０１３－１５７５５６号公報
　シンクロサイクロトロンの共振周波数を変調する回転コンデンサには、その回転軸を受けるために軸受が用いられる。この軸受に直流もしくは交流の電流が流れた場合、軸受内の鋼球もしくは円筒の狭い接触箇所に電流が集中するため、軸受が損傷し易く、コンデンサの寿命が短いという問題があった。一方、軸受にセラミックを用いた場合は、電流は流れないが、最高回転数あるいは耐荷重が金属の軸受より劣り、回転コンデンサが所望の周期で、所望の静電容量の変化を達成できない懸念がある。
　本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、耐久性が高い、高速回転可能な回転コンデンサによる円形加速器を提供することを目的としている。
　本願に開示される円形加速器は、荷電粒子を磁場により螺旋軌道に沿って周回させながら、ディー電極によって発生する高周波電界により加速する円形加速器において、高周波電界を発生させる高周波電力を供給するための高周波整合回路の部材として、ステータ電極と、このステータ電極のステータ電極面との間で静電容量を形成するロータ電極面を有するロータ電極と、を備え、このロータ電極が回転することにより、静電容量が変化する回転コンデンサが、当該円形加速器を構成する筐体の内部に設けられ、ロータ電極は、筐体の内部に固定された金属の軸受により回転可能に保持されるシャフトによって保持され、シャフトは軸方向の少なくとも一部の領域が直流を絶縁する絶縁材料で構成され、軸受と筐体との間に、少なくとも一部の領域が直流を絶縁する絶縁材料で形成された軸受ホルダが配置されているものである。
　本願に開示される円形加速器によれば、回転コンデンサの回転シャフトを絶縁材料、軸受を金属で構成したため、耐久性が高く、高速回転可能な回転コンデンサによる円形加速器を提供できる。
実施の形態１による円形加速器の要部である回転コンデンサの概略構成を示す断面模式図である。 実施の形態１による円形加速器であるシンクロサイクロトロンの概略構成を示す上面断面模式図である。 実施の形態１による円形加速器であるシンクロサイクロトロンの概略構成を示す側面断面模式図である。 図４Ａおよび図４Ｂは、実施の形態１による円形加速器の回転コンデンサの電極の構成を示す模式図である。 施の形態１による円形加速器の回転コンデンサのステータ電極面の形状の一例を示す図である。 実施の形態１による円形加速器の回転コンデンサの電極形状の別の例を示す分解斜視図である。 実施の形態１による円形加速器の回転コンデンサの等価回路を示す図である。 実施の形態２による円形加速器の回転コンデンサの等価回路を示す図である。 実施の形態３による円形加速器の回転コンデンサの概略構成を示す断面模式図である。 図１０Ａおよび図１０Ｂは、実施の形態４による円形加速器の回転コンデンサの概略構成を示す断面模式図である。 実施の形態５による円形加速器の回転コンデンサの要部の構成を示す拡大断面図である。 実施の形態５による円形加速器の回転コンデンサの等価回路を示す図である。 実施の形態５による円形加速器の回転コンデンサのセットカラーの形状の一例を示す斜視図である。 実施の形態５による円形加速器の回転コンデンサのホルダキャップの形状の一例を示す斜視図である。 実施の形態６による円形加速器の回転コンデンサの概略構成を示す断面模式図である。 実施の形態６による円形加速器の回転コンデンサの等価回路を示す図である。 実施の形態７による円形加速器の回転コンデンサの概略構成を示す断面模式図である。 実施の形態７による円形加速器の回転コンデンサの等価回路を示す図である。 本願が開示する円形加速器が適用される一例としての粒子線治療装置の構成を示すブロック図である。
　まず、本願が開示する円形加速器が適用される一例としての粒子線治療装置の概要を、図１９を参照して説明する。本願が開示する円形加速器が適用される粒子線治療装置１００は、図１９のブロック図に示すように、治療計画部４と、粒子線発生部５と、粒子線輸送部６と、粒子線照射部７などを備える。粒子線輸送部６は、粒子線発生部５と、粒子線照射部７とを連結し、粒子線発生部５において加速器２００を用いて加速させた荷電粒子の束である粒子線を粒子線照射部７に輸送する粒子線輸送路を有する。粒子線照射部７は、粒子線を患者の患部である照射目標へ照射する照射ノズル７１、治療台７２、位置決め装置７３などを備えている。また、粒子線発生部５および粒子線照射部７は、治療計画部４で設定した照射線量に基づき治療制御部８を介して制御される。
　荷電粒子の束である粒子線を照射目標である患者の患部に照射したとき、その荷電粒子のエネルギーに応じて、患者の患部の深さ方向の照射位置が決まる。したがって、荷電粒子のエネルギーを変えることにより、深さ方向の照射位置を変えることができる。また、照射ノズル７１には粒子線を偏向して、粒子線の進行方向に対して垂直な方向に粒子線を走査するためのビーム走査装置を備えている。ビーム走査装置は、治療制御部８のビーム走査制御部からの指令により粒子線を粒子線の進行方向に対して垂直な２次元方向に走査する。このようにして、３次元の領域である患者の患部に粒子線を照射することができる。以下で説明するように、加速器２００がシンクロサイクロトロンの場合、荷電粒子を加速するためにディー電極の高周波電界の周波数を変調する必要があり、加速空洞内の電気的な共振周波数を機械的に変調する機構を有する。本願は、円形加速器であるシンクロサイクロトロンにおいて、共振周波数変調素子である回転コンデンサの軸受における直流電流、交流電流と発熱による損傷抑制に関するものである。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１による円形加速器の要部である回転コンデンサ３００の概略構成を示す断面模式図である。また、図２は、粒子線治療装置に用いる実施の形態１による円形加速器であるシンクロサイクロトロン２００の概略構成を示す上面断面模式図であり、図３は側面断面模式図である。図２および図３に示すように円形加速器であるシンクロサイクロトロン２００は、上下に対向して配置された一対のコイル９とヨーク１０から成る偏向電磁石４００と高周波電力が供給される共振空洞１１とを備えている。共振空洞１１は、加速電極であるディー電極１、回転コンデンサ３００を有する。偏向電磁石４００によってディー電極１にＺ軸方向の磁場が形成される。イオン源１２から取出された荷電粒子は、コイル９により発生したＺ軸方向の磁場によってディー電極１内を周回し、半周期ごとにディー電極１間の加速ギャップ３０へ到達する。ディー電極１間の加速ギャップ３０に発生する高周波電界は荷電粒子の周回周期と同期するよう調整されているため、荷電粒子は加速ギャップ３０を通過する毎に加速され、荷電粒子の加速軌道は図２の破線で示すような、螺旋軌道となる。
　円形加速器であるシンクロサイクロトロン２００は、真空装置１３、高周波電源１４、入力カプラ１５、回転コンデンサ３００と制御回路を備える。真空装置１３は共振空洞１１の内部を低圧に維持し、加速される荷電粒子の散乱・放電などを抑制する。高周波電源１４は入力カプラ１５を介して共振空洞１１内に高周波電力を供給し、制御回路は加速される荷電粒子のエネルギーに対応した周波数の高周波電力を出力できるよう電源を調整する。
　共振周波数の変調素子として、例えば可変インダクタンス素子あるいは可変キャパシタンス素子を考えることができる。変調素子のインダクタンスあるいはキャパシタンスを荷電粒子の周回周波数の変化に対応するように変調させることで共振空洞１１の共振周波数が変調される。可変キャパシタンス素子としては、回転コンデンサ３００があげられる。図１に示すように回転コンデンサ３００はロータ電極３とステータ電極２を有する。ロータ電極３はモータ１６によって駆動する。ステータ電極２は伝送線路１７に固定される。回転コンデンサ３００の形成する静電容量は、以下の式（１）からステータ電極２とロータ電極３の対向面積Ｓと電極間距離ｄと誘電率εにより規定される。
　　　　　　　C=ε S/d　　　　（１）
　図１が示す回転コンデンサ３００の駆動機構はロータ電極３を保持するシャフト１８と、シャフト１８を回転保持する軸受１９と、軸受１９を保持する軸受ホルダ２０と、軸受ホルダ２０を保持し、共振空洞１１と連結する筐体２１から構成される。シャフト１８はモータ１６から伝達される動力によって回転し、ロータ電極３を回転させる。上記駆動機構は真空槽である共振空洞１１内に設置される。モータ１６は共振空洞１１の外部に設置し、図に示すような、例えば磁気カプラ２２、磁気流体あるいはＯリングのような運動用シールを用いた動力伝達機構によりシャフト１８に動力を伝達する。ただし、動力を発生させるモータ１６を、共振空洞１１内に設置し、シャフト１８を直接回転させるようにしても良い。
　図４Ａは、実施の形態１による円形加速器の回転コンデンサの電極部を回転軸方向から見た模式図である。また、図４Ｂは回転軸Ｃｅを含む位置での断面図である。ロータ電極３は、回転軸Ｃｅに対して垂直方向に伸びる電極部を複数有する円盤形状のロータ電極面３１が回転軸Ｃｅ方向に複数配置された構成となっている。ステータ電極２は伝送線路１７の端部に接続され、回転軸Ｃｅに対して垂直方向に伸びる電極部を複数有する円盤形状のステータ電極面２３が回転軸Ｃｅ方向に複数配置された構成となっている。ステータ電極２とロータ電極３は、ステータ電極面２３とロータ電極面３１が互い違いに位置するように配置されており、ロータ電極面３１とステータ電極面２３が対向したときに、電極間距離ｄを形成する。上記の電極配置とロータ電極３の回転により、ロータ電極面３１とステータ電極面２３の対向面積Ｓを時間的に変化させることができ、ステータ電極２とロータ電極３とで形成される静電容量は時間的に変化する。一般に共振周波数ｆはインダクタンスＬとキャパシタンスＣから以下の式（２）で定義されるため、静電容量が増加すると共振周波数は低下する。
　　　　　　　f=1/(2π√(LC))　　　（２）
　よってディー電極１と回転コンデンサ３００を含む共振空洞１１は静電容量の変化により、その共振周波数を変化させることができる。ロータ電極３は、伝送線路１７の端部に接続されたステータ電極２と直流絶縁される。また、ロータ電極３およびステータ電極２は電気伝導性材料によって構成される。この材料は例えば銅・アルミニウムなどの電気伝導率の高い材料が好ましい。
　図５にステータ電極面の形状の一例を示す、図５のステータ電極面２３は、一部がカットされた形状となっている。このように、周波数変調に必要な静電容量変化のプロファイルを生成するため、ステータ電極２のステータ電極面２３の形状を適当な形状に調整することで対向面積Ｓの変化プロファイルを調整することができる。形状を調整するのは、ロータ電極３のロータ電極面３１であってもよく、またステータ電極面２３およびロータ電極３のロータ電極面３１の両方の形状を調整しても良い。さらにまた、ロータ電極とステータ電極の積層数を変更することによって静電容量を調整しても良い。
　また、図６に、ロータ電極３とステータ電極２の別の例の分解斜視図を示す。ロータ電極３は、円筒形状であり内面に回転軸Ｃｅの方向に伸びる凸部を複数有することにより、回転軸Ｃｅから一定半径の位置に、円筒状にロータ電極面３１が複数配置された構成となっている。また、ステータ電極２は伝送線路１７の端部で接続され、回転軸Ｃｅからの距離がロータ電極３のロータ電極面３１とは異なる一定の距離の位置に、回転軸方向に伸びた複数の板状のステータ電極面２３が円筒状に配置された構成となっている。図６ではステータ電極２をロータ電極３の内部から引き出した状態を示しているが、実際には、ステータ電極２がロータ電極３の内部に挿入された配置となっており、ロータ電極３のロータ電極面３１とステータ電極２のステータ電極面２３が対向したときに、電極間距離ｄを形成する。
　ロータ電極３を保持するシャフト１８は絶縁材料から形成される。これにより、共振空洞１１内を流れる直流電流から軸受１９を絶縁することができる。このとき用いる絶縁材料は、例えば、アルミナ、窒化ケイ素あるいはサファイアなどのセラミックから成る絶縁材料でよい。上記セラミック材料を用いることで、ロータ電極３の回転に必要な機械強度を保つとともに直流絶縁を実現する。シャフト１８にて直流絶縁を実現することにより、シャフト１８を回転保持する軸受１９はセラミックの軸受と比較して高速回転が可能で耐荷重が大きな金属軸受を用いることができる。なお、上記絶縁材料は機械的な強度を満たすものであれば良く、ガラス、樹脂などの材料、あるいはＦＲＰのように上記材料を組合せたものを用いても良い。
　また、ロータ電極３は回転するロータ電極３と筐体２１の内面との間に、図１の符号２４で示すように間隙を設けることにより、ロータ電極３と筐体２１の内面との間が高周波的に短絡となる、短絡コンデンサとして働く。このため、ロータ電極３から筐体２１へ流れる高周波電流は、シャフト１８から軸受１９を介して筐体２１へ流れる高周波電流と、ロータ電極３から短絡コンデンサ２４を介して筐体２１へ流れる高周波電流に分割して流れる。
　図７に回転コンデンサ３００の等価回路を示す。回転コンデンサ３００はロータ電極３とステータ電極２から形成される可変静電容量Ｃｖ、ロータ電極３と筐体２１の間で形成される短絡コンデンサ２４の静電容量Ｃｓと、シャフト１８を絶縁材料としたことで、ロータ電極３と軸受１９の間で形成される静電容量Ｃｐから構成される。ＣｓとＣｐはＣｖに対して直列に配置され、ＣｐはＣｓに対して、並列に配置される。ＣｖおよびＣｓは共振空洞１１内の真空によって、Ｃｐはシャフト１８を構成する絶縁材料によって直流絶縁される。一方、共振空洞１１内を流れる交流の高周波電流はＣｖを介して、ＣｓとＣｐの２つの経路に分流し、筐体２１へと流れる。このときＣｖを流れる高周波電流は、ＣｓとＣｐの比の大きさに応じて分流するため、静電容量の比Ｃｓ／Ｃｐを大きくすることで軸受１９を通過する交流である高周波電流を小さくできる。具体的には、Ｃｓの値を大きくするため、ロータ電極３と筐体２１に凹凸形状を追加し、筐体２１との対向面積を増やしても良い。或いはロータ電極３と筐体２１間との距離を可能な限り小さくすることによりＣｓの値を大きくすることもできる。
　以上説明したように、実施の形態１の円形加速器では、回転コンデンサ３００のシャフト１８を絶縁材料とすることによって、軸受１９に流れる電流量が低下することによって、軸受１９の損傷が抑制される。また、シャフト１８にて絶縁されることで、金属ベアリングを使用することができる。
実施の形態２．
　実施の形態２ではより好適な軸受部分における高周波電流の抑制機構を示す。実施の形態２においては駆動機構の内、軸受１９と筐体２１の間に絶縁構造を有する。具体的には、絶縁材料から成るシャフト１８に加えて軸受ホルダ２０も絶縁材料とする。この構成によれば、ロータ電極３と軸受１９の間に形成される静電容量Ｃｐに対して、軸受１９と筐体２１の間に形成される静電容量Ｃｐｐが直列に追加される構成となっている。図８の等価回路に示すように軸受ホルダ２０を絶縁材料とすることで、筐体２１とロータ電極３と間に軸受１９を挟んでＣｐとＣｐｐから成る直列コンデンサを形成することができる。このときＣｐとＣｐｐの合成容量Ｃallは下記の式（３）で表現される。
　　　　　　　Ｃall=Cp X Cpp/(Cp+Cpp) = Cp/((Cp/Cpp) + 1)　　（３）
　この式より合成容量ＣallはＣｐよりも値が小さくなるため、ロータ電極３と筐体２１との間の静電容量Ｃｓとの比Ｃｓ／Ｃallをより大きくとることができる。また、この比の値は、絶縁材料から成る軸受ホルダ２０の構成を調整してＣｐｐの値を制御することによって制御可能である。具体的には例えば円筒形状から成る軸受ホルダ２０の厚さを制御することでＣｐｐの値を制御することが可能である。また、シャフト１８の直径あるいは長さを調整することにより、Ｃｐの値を調整して比Ｃｓ／Ｃallの値を調整してもよい。実施の形態２では実施の形態１で示したシャフト１８のみを直流絶縁する場合と比べ、シャフト１８と軸受ホルダの静電容量比によって合成容量の値が決定するため、軸受周りの構造的な制約条件に対して、そのいずれか、もしくは両方を調整することができ、さらに高周波電流を抑制できる。また、軸受ホルダ２０およびシャフト１８の絶縁材料を変更することにより、誘電率εによって静電容量を制御することも可能である。以上説明したように、軸受１９と筐体２１の間に絶縁材料を挿入することで、直列の静電容量を形成し、シャフト１８のみを絶縁する場合と比較して軸受１９に流れる高周波電流をより小さくできるため、軸受１９の損傷を抑制することができる。
実施の形態３．
　実施の形態３ではより好適な軸受損傷の抑制機構を示す。例えば、図１に示す駆動機構の内、アルミナなどの絶縁材料から成るシャフト１８あるいは軸受ホルダの一部を金属膜化、即ちメタライズする。メタライズしたシャフト１８はロウ付あるいは溶接によって金属との接合が可能となるため、シャフト１８をセラミックと金属から形成することでロータ電極３と軸受１９の間の静電容量Ｃｐを高精度に制御できる。このとき、実施の形態２における静電容量Ｃｓとの比Ｃｓ／Ｃallを大きくすることができるため、軸受に流れる高周波電流をさらに抑制できる。また、図９に示すように、軸受１９とロータ電極３の直流絶縁を維持する範囲において、シャフト１８をセラミック部分１８１と金属部分１８２により形成することによって、強度が必要な部分のみを金属とすることもできる。具体的には、図９に示すシャフト１８の金属部分１８２のように、軸受１９と接触する部分を金属、残りの部分をセラミック部分１８１とすることができる。さらに、セラミック材料から成る軸受ホルダ２０と筐体２１の界面もメタライズ後、例えばロウ付により接合しても良い。軸受ホルダ２０と筐体２１の接合界面は密に結合するため、軸受ホルダ２０を筐体２１にネジ締結などによって固定した場合と比較して、軸受１９の高周波電流貫通による発熱を効率よく筐体２１へと伝達することができる。これによって、熱による軸受１９の損傷を抑制することができる。さらにまた、軸受ホルダ２０は軸受１９と筐体２１の直流絶縁を維持する範囲においてセラミックと金属から形成しても良い。
実施の形態４．
　図１０Ａは実施の形態４による円形加速器の回転コンデンサ３００の概略構成を示す断面模式図である。実施の形態４では好適な軸受１９の絶縁機構を示す。例えば、図１０Ａに示す駆動機構の内、シャフト１８は回転軸Ｃｅに対して垂直方向に突き出したフランジ形状２５を有する。少なくとも、シャフト１８の、ロータ電極が固定される部分から軸受１９で支持される部分までが絶縁材料で構成される場合、ロータ電極３と軸受１９の間には電位差が生じ、この距離が小さい場合には絶縁体の表面に沿って放電する沿面放電が懸念される。沿面放電抑制の手段として図１０Ｂに示すように、放電経路となる沿面経路の長さ、すなわち沿面距離を長くすることが考えられるため、ロータ電極３と軸受１９の間にフランジ形状２５を追加する。このとき沿面距離はシャフト１８のフランジ径に比例するため、ロータ電極３と軸受１９の間の電位差から、必要な沿面距離に応じた大きさのフランジ形状２５をシャフト１８に追加することにより沿面放電を抑制することができる。また、沿面距離を長くする方法としてはフランジ形状２５でなくともよく、シャフト１８が、ロータ電極３と軸受１９で支持される部分との間の外周に凸形状、または凹形状となる部分を有するようにして沿面距離を長くしても良い。
実施の形態５．
　図１１は実施の形態５による円形加速器の回転コンデンサ３００の要部を示す断面図である。実施の形態５では、好適な軸受１９の絶縁機構を示す。図１１は、軸受１９の周辺を拡大して示す断面図であり、ディー電極に接続されるステータ電極の部分は図示されていない。図１１に示す駆動機構は、軸受１９をシャフト上に固定するセットカラー２６を有する。セットカラー２６は軸受１９の内輪１９１に接触し、軸受１９の内輪１９１と等電位となる。また、駆動機構は軸受ホルダ２０内に軸受１９を固定する金属製のホルダキャップ２７を有する。このホルダキャップ２７は、軸受１９の外輪１９２と接触し、軸受１９の外輪１９２と等電位となる。このときセットカラー２６は筐体に対して静電容量Ｃ１をもち、ホルダキャップ２７はロータ電極３に対して静電容量Ｃ２をもつ。
　図１２に軸受１９周りの等価回路を示す。この回路はホイートストンブリッジとして知られ、構成する４つのキャパシタンスＣｐ、Ｃｐｐ、Ｃ１、Ｃ２が、下記の式（４）を満たすとき、接点１と接点２をつなぐ線路上の電流Ｉが０となる。
　　　　　　　Cp×Cpp=C1×C2　　　（４）
このときＣｐとＣｐｐについてはシャフト１８と軸受ホルダ２０を形成するセラミックが、Ｃ１とＣ２については真空ギャップが誘電体として作用する。ホイートストンブリッジ回路では、４種のキャパシタンスの内、少なくとも１つのキャパシタンスを調整可能にすることによって、上記の式を実現する。調整可能とするために、例えば、Ｃ２は静電容量の調整機構を有する。この調整機構は、軸受１９をシャフト１８上に固定するセットカラー２６によって構成される。
　図１３にセットカラー２６の一例を示す。セットカラー２６は軸受１９固定するため、例えば止めネジによる固定機構を有する。または２分割され、シャフト１８を挟み込むような構造でもよい。さらにセットカラー２６は複数の電極面を有する。図１１に示すように、セットカラー２６は回転軸Ｃｅに対して垂直方向に延びる複数の電極面が筐体２１の溝と噛み合うことによって静電容量を形成する。また、この電極面の枚数を調整することによって、ホイートストンブリッジの調整可能なキャパシタンスとして作用する。この静電容量の調整は、電極面の一部に切欠きを設けることによって実現しても良い。このとき、回転時のアンバランスを抑制するため電極面の切欠きはシャフト１８に対して軸対称が望ましい。また、電極面は図６に示すステータ電極２の電極面のように回転軸Ｃｅ方向に延びるものでもよい。
　また、図１４に斜視図として示すような形状のホルダキャップ２７によって静電容量の調整を行うこともできる。図１４に示すホルダキャップ２７は、図１１に示すように、ロータ電極３との間に複数の電極面を有する形状によって、ロータ電極３とホルダキャップ２７の静電容量Ｃ１を調整することができる。また、セットカラー２６とホルダキャップ２７の電極面は共に回転軸Ｃｅに対して垂直方向に延びるものでもよく、もしくは回転軸Ｃｅに対して平行に延びるものでもよい。さらに、その両方を組み合わせても良い。さらに電極面の切欠きはセットカラー２６とホルダキャップ２７のどちらか一方、もしくはその両方にあっても良い。また、軸受ホルダ２０の厚さあるいはシャフト１８の径を変更することによって、静電容量の調整を実現しても良い。
　以上をまとめると、式（４）を満足するように、Ｃ１またはＣ２の少なくとも一方を調整できる構造とすれば良い。すなわち、軸受１９の外輪１９２に接続され、ロータ電極３との間で静電容量Ｃ１を構成する第一金属部材２７（図１１の例ではホルダキャップ２７）を設け、第一金属部材２７とロータ電極３との対向面積・距離を調整することにより静電容量Ｃ１を調整する。または軸受１９の内輪１９１に接続され、筐体２１との間で静電容量Ｃ２を構成する第二金属部材２６（図１１の例ではセットカラー２６）を設け、第二金属部材２６と筐体２１との対向面積・距離を調整することにより静電容量Ｃ２を調整する。Ｃ１に相当する静電容量は、第一金属部材２７を設けなくても、軸受１９の外輪１９２とロータ電極３の間でごくわずかであるが値を有する。同様に、Ｃ２に相当する静電容量は、第二金属部材２６を設けなくても、軸受１９の内輪１９１と筐体２１の間でごくわずかであるが値を有する。従って、原理的には少なくとも第一金属部材２７または第二金属部材２６のいずれかを設けることで、式（４）を満足するようにできる。ただし、第一金属部材または第二金属部材の一方を設けない場合、設けない側の静電容量がごく小さい値となるため、式（４）を満足するためには、他方の金属部材により形成される静電容量をかなり大きくする必要がある。よって、第一金属部材２７および第二金属部材２６の両方の金属部材を設けるのが好ましい。
　上記のようにホイートストンブリッジ回路を構成する軸受１９周りの構造を調整することによって、流れる電流を０とすることができるため、軸受１９に流れる電流の導通による損傷を抑制することができる。
実施の形態６. 
　図１５は実施の形態６による円形加速器の回転コンデンサ３００の概略構成を示す断面模式図である。実施の形態６では、ステータ電極２とロータ電極３の形状が、例えば、図１に示すステータ電極２とロータ電極３の形状とが入れ替わった形状となっている。図１５では、ステータ電極２が伝送線路１７の端部に伝送線路１７に直結して設置され、ロータ電極３は、筐体２１に保持された軸受ホルダ２０に固定された軸受１９により保持されるシャフト１８に固定されている。図１５に示す構成の回転コンデンサ３００の等価回路を図１６に示す。図１６に示すように、伝送線路１７と直結したステータ電極２は筐体２１との間に静電容量Ｃ４を有する。この静電容量Ｃ４はステータ電極２とロータ電極３から形成される静電容量Ｃｖに対して並列の寄生容量となる。よって、例えばステータ電極２と筐体２１との隙間を大きくとることによってＣ４の値を小さくするような形状が好ましい。また、軸受１９部分にはシャフト１８と軸受ホルダ２０によって、Ｃｖに対して直列の静電容量であるＣ３とＣ３’を持つ。ロータ電極３を回転させることによって、回転に必要なモータ１６の容量および軸受を小さくすることができ、耐久性も向上させることができる。
　なお、ステータ電極２とロータ電極３の形状は、例えば、本実施の形態６の図１５のロータ電極３が図４Ａに示すステータ電極２の形状であり、図１５のステータ電極２が図４Ａに示すロータ電極３の形状である。また、ロータ電極３が図６に示すステータ電極２の形状であり、ステータ電極２が図６に示すロータ電極３の形状であっても良い。
実施の形態７.
　図１７は実施の形態７による円形加速器の回転コンデンサ３００の概略構成を示す断面模式図である。これまでの実施の形態で説明した回転コンデンサは、伝送線路側の電極が回転しないステータ電極、筐体側の電極が回転するロータ電極となる構成を説明した。本実施の形態７による回転コンデンサ３００は、伝送線路側の電極が回転するロータ電極３、筐体側の電極が回転しないステータ電極２となる構成となっている。この構成を実現するため、図１７に示すように、軸受１９および軸受ホルダ２０が伝送線路１７内に配置された構成となっており、シャフト１８を介してロータ電極３を保持する絶縁機構となっている。図１７に示す回転コンデンサ３００の構成では、ロータ電極３を保持するシャフト１８は伝送線路１７内に設置された軸受ホルダ２０と軸受１９によって保持され、伝送線路１７の内部にモータ１６が設置される。このときモータ１６は伝送線路１７の内部に設置されたシャフト１８を介してロータ電極３を回転させる。伝送線路１７内に回転機構を設けたことによって伝送線路１７とロータ電極３の間には、接触を避けるため間隙２４を有する。
　図１７の構成の回転コンデンサの等価回路を図１８に示す。図１８に示すように、送線路１７とロータ電極３の間の間隙２４によってロータ電極３は伝送線路１７に対して静電容量Ｃｓをもつ。この静電容量Ｃｓはロータ電極３とステータ電極２から形成される可変静電容量Ｃｖに対して直列となるので、短絡コンデンサとして働く。よって、例えばロータ電極３の一部が、伝送線路１７との間で間隙２４を有するように、伝送線路１７を覆うことで、伝送線路１７とロータ電極３の対向面積を拡大するような形状でも良い。また、このとき軸受１９部分では、シャフト１８と軸受ホルダ２０によってロータ電極３と伝送線路１７との間に形成される静電容量として、静電容量Ｃｓに対して並列の静電容量ＣｐとＣｐｐを持つことになる。実施の形態１および２で説明したように、シャフト１８と軸受ホルダ２０によって形成される静電容量ＣｐとＣｐｐから成る合成容量は、短絡コンデンサとして作用する静電容量Ｃｓに対して小さくすることができるため、軸受１９に流れる電流を小さくすることができる。
　上記の構成を用いてロータ電極３を回転させ、ステータ電極２を固定している場合には、ロータ電極３の回転に必要なモータ１６の容量および軸受を小さくすることができ、耐久性も向上させることができる。図１７では、ステータ電極２は筐体２１に固定され、筐体と一体化させた構成としているが、ステータ電極２は実施の形態１のロータ電極と同様の構成にして回転させる構成とすることもできる。この場合、一方の電極から見た相対速度によって、所望の回転速度を実現できるため、実質的にモータの回転速度を低下させることができ、軸受の耐久性を向上させることができる。なお、ステータ電極２とロータ電極３の形状は、例えば、本実施の形態７の図１７のロータ電極３が図４Ａに示すステータ電極２の形状であり、図１７のステータ電極２が図４Ａに示すロータ電極３の形状である。また、ロータ電極３が図６に示すステータ電極２の形状であり、ステータ電極２が図６に示すロータ電極３の形状であっても良い。
　以上で説明したいずれの実施の形態においても、ロータ電極３はシャフト１８により保持されており、シャフト１８は、筐体２１の内部の導体部分に軸受ホルダ２０を介して固定された金属の軸受により回転可能に保持されている。実施の形態１から６においては、上記筐体の内部の導体部分は、筐体２１の内面であり、実施の形態７においては、ディー電極に接続するための伝送線路１７である。
　以上に記載された実施の形態では、それぞれの構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係または実施の条件などについても記載する場合があるが、これらはすべての局面において例示であって、本願明細書に記載されたものに限られることはないものとする。
　したがって、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。たとえば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１　ディー電極、２　ステータ電極、３　ロータ電極、１６　モータ、１７　伝送線路、１８　シャフト、１９　軸受、１９１　内輪、１９２　外輪、２０　軸受ホルダ、２１　筐体、２２　磁気カプラ、２３　ステータ電極面、２４　短絡コンデンサ、２５　フランジ形状、２６　第二金属部材（セットカラー）、２７　第一金属部材（ホルダキャップ）、３１　ロータ電極面、２００　シンクロサイクロトロン（円形加速器）、３００　回転コンデンサ

Claims (9)

  1. 　荷電粒子を磁場により螺旋軌道に沿って周回させながら、ディー電極によって発生する高周波電界により加速する円形加速器において、
    前記高周波電界を発生させる高周波電力を供給するための高周波整合回路の部材として、ステータ電極と、このステータ電極のステータ電極面との間で静電容量を形成するロータ電極面を有するロータ電極と、を備え、このロータ電極が回転することにより、前記静電容量が変化する回転コンデンサが、当該円形加速器を構成する筐体の内部に設けられ、
    前記ロータ電極は、前記筐体の内部の導体部分に軸受ホルダを介して固定された金属の軸受により回転可能に保持されるシャフトによって保持され、前記シャフトは軸方向の少なくとも一部の領域が直流を絶縁する絶縁材料で構成され、前記軸受ホルダは、少なくとも一部の領域が直流を絶縁する絶縁材料で形成されていることを特徴とする円形加速器。
  2. 　前記筐体の内部の前記導体部分が、前記筐体の内面であることを特徴とする請求項１に記載の円形加速器。
  3. 　前記筐体の内部の前記導体部分が、前記回転コンデンサと前記ディー電極との間を電気接続するための伝送線路の導体であることを特徴とする請求項１に記載の円形加速器。
  4. 　前記シャフトの一部が導電材料で形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の円形加速器。
  5. 　前記シャフトの前記絶縁材料の少なくとも一部の表面に導電材料が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の円形加速器。
  6. 　前記軸受ホルダの少なくとも一部の表面に導電材料が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の円形加速器。
  7. 　前記シャフトは、少なくとも前記ロータ電極に固定される部分から前記軸受で支持される部分までが前記絶縁材料で形成されるとともに、前記ロータ電極と前記軸受で支持される部分との間の外周に凸形状、または凹形状となる部分を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の円形加速器。
  8. 　前記軸受は、前記シャフト側に配置された内輪と、前記軸受ホルダ側に配置された外輪とを備え、前記外輪に接続され、前記ロータ電極との間で静電容量を構成する第一金属部材が配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の円形加速器。
  9. 　前記軸受は、前記シャフト側に配置された内輪と、前記軸受ホルダ側に配置された外輪とを備え、前記内輪に接続され、前記筐体の内部の前記導体部分との間で静電容量を構成する第二金属部材が配置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の円形加速器。
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