(57)【要約】【課題】  １０ＭＷ以上の大電力で周波数１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送する場合でも、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより安定したマイクロ波の伝送が可能な高周波伝送用ロータリージョイントを提供する。【解決手段】  内部に高周波伝送用の中空の導波路１２ｂ，１４ｂを有し同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続される一対の導波管１２，１４を備えた回転導波管であって、導波管１２の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置Ａに、前記円筒部内周面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜１０が形成されている。【選択図】  図１
2006054604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に高周波伝送用の中空の導波路を有し同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続される一対の導波管部を備えたロータリージョイントであって、
導波管部の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置に、前記円筒部内周面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜が形成されていることを特徴とするロータリージョイント。
【請求項２】
前記被膜の厚さは被膜物質のスキンデプスよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のロータリージョイント。
【請求項３】
前記導波管部の軸方向に関する被膜の幅は、マイクロ波の伝送ロスを十分小さくでき、かつ、放電を抑制できる程度の大きさであることを特徴とする請求項１又は２に記載のロータリージョイント。
【請求項４】
前記被膜の物質はタングステン又はモリブデンであることを特徴とする請求項１、２又は３にロータリージョイント。
【請求項５】
内部に高周波伝送用の中空の導波路を有し同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続される一対の導波管部を備えたロータリージョイントの製造方法であって、
導波管部の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置を求める工程と、該高電場位置に前記円筒部内周面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜を形成する工程とを含むことを特徴とするロータリージョイントの製造方法。
【請求項６】
内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する導波管であって、
導波管の内面に現れる高電場位置に、前記内面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜が形成されていることを特徴とする導波管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線治療装置等に用いる高周波伝送用ロータリージョイントに関し、さらに詳しくは、１０ＭＷ以上の大電力で１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送するのに好適な高周波伝送用ロータリージョイントおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネトロンやクライストロンで発生したマイクロ波を用いた放射線治療装置として、例えば、下記特許文献１が開示されている。
【０００３】
特許文献１の放射線治療装置は、図４に示すように、電子銃、線形加速器及びターゲットを有する照射ヘッド５１と、この照射ヘッドを予め定めた球面座標上で支持しかつ移動させる支持移動機構５２と、床に設置されるマイクロ波発振器５３と、一端部がマイクロ波発振器に電磁気的に接続され他端部が線形加速器に電磁気的に接続される導波管部５４と、照射ヘッド内に位置する導波管部に設けられるＲＦ窓とを具備するものである。
【０００４】
また、このような放射線治療装置において、各導波管部５４は金属製の中空管であることから、複数の導波管部を回転可能にかつ電磁気的に接続するために、ロータリージョイントが用いられる。このロータリージョイント（特許文献１におけるロータリＲＦカプラ）は、図５に示すように、導波管５４の導波路はロータリージョイント５６の回転部材に取り囲まれた回転スペース５７ａ，５７ｂに連通し、この中を管内モード２ａ（２ｂ）でマイクロ波が導かれるようになっている。なお、この図において、５８は軸受を示し、５９はλ／４波長チョークを示す。このようなロータリージョイント５６と導波管部５４との組み合わせにより、床等に固定されたクライストロン等の加速マイクロ波源から移動する照射ヘッドへ加速用のマイクロ波を円滑に供給することができる。
【０００５】
ところで、従来のロータリージョイントは、可動部における電気的接触部での放電（スパーク）が問題となっており、これに関連して下記特許文献２が開示されている。特許文献２の「ロータリージョイント」は、高電力を扱う場合のスパーク発生を防止することを目的の一つとし、図６に示すように、導電性部材からなるグランド板８１と、このグランド板８１に垂直に立設されキャビティ回転用の中心軸線となる第１モノポールアンテナ８２と、この第１モノポールアンテナ８２の周囲に回転自在に配設されかつグランド板８１の上方に保持された導電性部材からなる有頭筒状のキャビティ８５と、このキャビティ８５の頭部カバー８４に垂設され、第１モノポールアンテナ８２と平行な第２モノポールアンテナ８６とを備えている。かかる構成により、アンテナ間を広い寸法に設定して高周波電力を伝達させ、高電力を扱う場合のスパーク発生を防止している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３?１７５１１７号公報
【特許文献２】特開平１０−１６３７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これまで、１０ＭＷ以上の大電力で周波数が１０ＧＨｚ以上の高周波に対応したロータリージョイントは無かったことから、導波管内での放電の問題は少なかった。しかしながら、１０ＭＷ以上の大電力で周波数が１０ＧＨｚ以上の高周波に対応したロータリージョイントにあっては、単位体積あたりの投入エネルギーが非常に大きくなるため、導波管内での放電が問題となってくる。特許文献２の技術分野は衛星通信のパラボラアンテナの回転体への搭載に関するので、特許文献２の放電防止技術は放射線治療装置等に用いる高周波伝送用ロータリージョイントには適切ではない。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、放射線治療装置等に用いる高周波伝送用ロータリージョイントにおける放電を防止することである。即ち、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する一対の導波管部を備えたロータリージョイントにおいて、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより、１０ＭＷ以上の大電力で１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送する場合でも安定したマイクロ波の伝送を可能とする高周波伝送用ロータリージョイントおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明によると、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有し同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続される一対の導波管部を備えたロータリージョイントであって、導波管部の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置に、前記円筒部内周面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜が形成されていることを特徴とするロータリージョイントが提供される（請求項１）。
【００１０】
従来では、１０ＭＷ以上の大電力で１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送するロータリージョイントでは単位体積あたりのエネルギーが高くなり放電が起こりやすかった。これに対し、上記本発明の構成によると、高電場位置に対応して局所的に導電率のより低い材料、即ち、放電限界のより高い物質の被膜を形成するので、伝送特性や伝送ロスに与える影響を影響を小さくしたまま放電を効果的に防止することができる。
【００１１】
上記ロータリージョイントにおいて、好ましくは、前記被膜の厚さは被膜物質のスキンデプスよりも大きい（請求項２）。
【００１２】
また、上記ロータリージョイントにおいて、好ましくは、前記導波管部の軸方向に関する被膜の幅は、マイクロ波の伝送ロスを十分小さくでき、かつ、放電を抑制できる程度の大きさである（請求項３）。
【００１３】
上記ロータリージョイントにおいて、好ましくは、前記被膜の物質はタングステン又はモリブデンである（請求項４）。
【００１４】
また、本発明によると、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有し同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続される一対の導波管部を備えたロータリージョイントの製造方法であって、導波管部の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置を求める工程と、該高電場位置に前記円筒部内周面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜を形成する工程とを含むことを特徴とするロータリージョイントの製造方法が提供される（請求項５）。
【００１５】
さらに、本発明によると、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する導波管であって、導波管の内面に現れる高電場位置に、前記内面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜が形成されていることを特徴とする導波管が提供される（請求項６）。
【発明の効果】
【００１６】
ピークパワーが１０ＭＷクラスで周波数が１０ＧＨｚ以上の高周波を伝送する導波管では、特に単位体積あたりのエネルギーの高くなるロータリージョイントでは、放電限界となる電場（約１０ＭＶ／ｍ）近くの電場が導波管内に発生する。高電場の位置はそれぞれ導波管の形状（内径、長さ）により一義的に決定され、高電場位置は、導波管の軸方向に周期的に現れる。そして、この高電場位置は導波管内の電場解析を行うことにより求めることができる。そこで、本発明では、導波管の内面において軸方向に周期的に現れる高電場位置に導電率のより低い材料、即ち、放電限界のより高い物質の被膜を形成する。このように、局所的に放電限界の高い被膜を形成するので、伝送特性や伝送ロスに与える影響を小さくしたまま放電を効果的に防止することができる。
【００１７】
つまり、本発明によれば、１０ＭＷ以上の大電力で周波数１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送する場合でも、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより安定したマイクロ波の伝送が可能となるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態が適用可能な高周波伝送用ローターリージョイントの一例の断面図である。このロータリージョイントは、マグネトロンやクライストロンで発生した大電力（例えば１０ＭＷ）で約１１ＧＨｚの高周波を伝送するために用いる。
【００２０】
同図に示すように、このロータリージョイントは、一対の導波管部１２、１４と、回転支持部２０と、１／４波長チョーク３０とを備えている。一対の導波管部１２、１４は、その端面が一定の隙間１５を隔てて直列に、かつ、回転支持部２０によって同心の軸心Ｚ−Ｚを中心に互いに相対的に回転可能に接続されている。
【００２１】
この導波管部１２、１４は、内部にマグネトロンやクライストロンで発生した高周波を伝送するための中空の導波路１２ｂ、１４ｂを有し、内部に断面円形の導波路を形成する中空円筒形の円筒部１６と、円筒部１６の端部を閉じる端板１７と、円筒部１６と端板１７に連結されその軸方向が円筒部１６の軸方向と直角方向を向き内部に断面矩形の導波路を形成する矩形部１８とから構成されている。
【００２２】
回転支持部２０は、一方の導波管部１２に嵌合する円筒形の補強ピース２１と、補強ピース２１の外周部に嵌合する軸受２２と、これらを覆う軸受ハウジング２３とから構成され、これにより、一対の導波管部１２、１４の相対的回転を支持している。なお、補強ピース２１と軸受ハウジング２３の間にはガスシール２４が介装され、これにより絶縁媒体として導波管内に封入したガスが隙間１５から漏れるのを防止している。
【００２３】
ここで、ＳＦ６（６フッ化硫黄）は、電子を付着して負イオンになりやすい負性気体の１つで、ガス絶縁方式の絶縁媒体として特に適しており、大気絶縁と比較して高絶縁耐力を有するために機器の小型化が可能になるという特徴がある。また、ＳＦ６ガスの絶縁耐力（交流放電電圧）は、大気圧よりも加圧するほど高まることが知られている。そこで、絶縁媒体として導波管内に封入するガスとしては、加圧したＳＦ６ガスを用いることが好ましい。
【００２４】
１／４波長チョーク３０は、断面コ字型の空間が周方向に延びて形成されており、このチョーク構造により、回転支持部２０側への高周波漏れを低減している。
【００２５】
図２は、図１において回転支持部２０を除いた状態の断面図である。この図に示すように、導波管部１２の円筒部１６は、軸方向に配列される３つのブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃから構成されている。この３つのブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃのうち軸方向中間部（図で中央部）に位置するブロック１６ｂは、周波数調整用ディスクであり、この周波数調整用ディスク１６ｂの軸方向の厚さを調整することにより所望の共振周波数に調整されている。ロータリージョイントの共振周波数は、導波管の内径や長さなど体積によって調整することができるので、この周波数調整ディスク１６ｂの厚さを調整することで、導波管の長さLを調整し、共振周波数調整を行う。
【００２６】
図１及び図２において、符号１０は本発明の要部である高放電限界値を有する被膜１０であり、高電場が起こる位置において導波管の内面に形成される。即ち、図１及び図２のロータリージョイントの例では、その内周面は銅Ｃｕで形成されているが、導波管の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置には銅Ｃｕよりも放電限界の高い物質の被膜１０が形成される。
【００２７】
ところで、タングステンＷを用いて線形加速器の加速管の内面を形成すると、銅で加速管の内面を形成した場合と比較して放電限界が高くなることが知られている。また、モリブデンＭｏを用いて線形加速器の加速管の内面を形成すると、放電限界がさらに高くなることが知られている。本実施形態では、このような放電限界の高い物質であるタングステンＷとモリブデンＭｏを被膜１０の形成に使用する。特に、タングステンとモリブデンは融点が高く、飽和蒸気圧が低いのでアーク放電の耐性が高く、高電場で用いる材料に適している。しかし、被膜材料はタングステンとモリブデンに限られず、他の適切な放電限界の高い物質を被膜形成に用いてもよい。
【００２８】
この放電限界のより高い物質の被膜形成について以下説明する。
【００２９】
図３は、ロータリージョイントの電場解析の結果を示すものである。この図は、図１、図２における軸心Ｚより上側の導波路内の電場を示しているが、下側の電場は軸心Ｚを中心に対称に現れる。なお、電場と導波管との位置関係を明確にするため、一対の導波管部１２、１４の円筒部１６を点線で示している。図中Ｌは、図１、図２における導波管の長さＬを意味する。同図に示すように、導波管部１２、１４の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に電場が高くなる高電場位置Ａが現れ、この高電場位置Ａの間に電場がほぼゼロとなる低電場位置Ｂが現れることが分かる。この高電場位置Ａ、低電場位置Ｂは、導波管の形状（内径、長さ）により一義的に決定され、高電場位置Ａは高周波の波長λに相当するピッチで周期的に現れる。なお、導波路内の最高電場（約１０ＭＶ／ｍ）は図中Ｃ点で発生するため、高電場位置Ａにおける電場は最高電場より低い値となる。そこで、まず、製作予定のロータリージョイントと同一寸法のロータリージョイントを用いて導波管内の電場解析を行い、高電場位置Ａを求める。
【００３０】
図３の高電場位置Ａとなる導波管部の円筒部内周面に、タングステン又はモリブデンの被膜１０を形成する。簡略のため、図面では限られた数の被膜１０しか示していないが、被膜は図１の符号１０で示される位置だけに形成するのではなく、マイクロ波発信器に接続される一端部から線形加速器に接続される他端部にわたって、即ち、ロータリージョイントだけでなく導波管の全長にわたって電場解析を行い、これにより求められた周期的に現れる高電場位置Ａのすべての箇所に形成することが好ましい。さらに、周期的に現れない最大電場位置Ｃなどの他の高電場位置にもタングステン又はモリブデンの被膜１０（図示せず）を形成することが好ましい。被膜１０は蒸着、溶着等の適切な方法で形成されてよい。
【００３１】
次に、被膜１０の厚さ及び幅について説明する。
【００３２】
まず、一般にスキンデプスδは次の式で求められる。
δ＝{１／（π＊ｆ＊μ＊σ）}１／２
ここで、ｆは伝送マイクロ波の周波数であり、μは物質の透磁率であり、σは物質の導電率である。
【００３３】
また、銅、タングステン及びモリブデンの導電率は、それぞれ
σＣｕ＝６．４５×１０７（Ｓ／ｍ）
σＷ＝２．０４×１０７（Ｓ／ｍ）
σＭｏ＝１．９９×１０７（Ｓ／ｍ）
である。
【００３４】
銅、タングステン及びモリブデンはすべて非磁性材料なので、比透磁率を１とするとこれらの透磁率は、
μ＝４π×１０−７（Ｈ／ｍ）＝１．２５×１０−６（Ｈ／ｍ）
となる。
【００３５】
従って、伝送マイクロ波の周波数ｆを高周波数である１０ＧＨｚと仮定して、これら導電率、透磁率、周波数の値を上記スキンデプスδの式に代入すると、銅、タングステン及びモリブデンのスキンデプスの値はそれぞれ、
δＣｕ＝０．６（μｍ）
δＷ＝１．０（μｍ）
δＭｏ＝１．１（μｍ）
となる。
【００３６】
タングステン又はモリブデン被膜１０の厚さは、これらのスキンデプスよりも大きい１．５μｍ程度で十分である。ここで、導波管の円筒部内周面に厚さ１．５μｍの被膜１０を形成しても銅で形成されている他の部分の円筒部内径よりも３μｍ小さくなるが、導波管の製作精度はプラスマイナス１０μｍから２０μｍなので、１．５μｍの被膜１０を形成しても導波管の性能に影響を与えない。
【００３７】
また、マイクロ波の周波数を１０ＧＨｚとした場合に、波長は３ｃｍなり、上述のように高電場位置Ａは波長３ｃｍに相当するピッチで周期的に現れるので、導波管部１２、１４の軸方向に関する被膜１０の幅は、波長３ｃｍよりも十分小さい５ｍｍ程度でよい。即ち、伝送ロスを小さくでき、かつ、放電を抑制できる適切な幅を持つように被膜１０を形成する。
【００３８】
このように、高電場位置Ａにおいて局所的に放電限界値の高い被膜１０を形成することにより、導波管全体の放電限界値を効果的に上げることができる。また、タングステンやモリブデンのように銅よりも導電率の低い材料を用いて被膜１０を形成しているが、被膜形成を局所的に行っているので、導波管の伝送特性や伝送ロスに与える影響は少ない。
【００３９】
次に、ロータリージョイントの被膜１０以外の構成部分について説明する。
【００４０】
各ブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃの内周部の継ぎ目に段差が生じないように、各ブロック１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、内径が同一寸法となるように製作する。このような段差が生じると、共振周波数に影響を与え所望の共振周波数に調整することが困難となるからである。
【００４１】
周波数調整用ディスク１６ｂは他の２つのブロック１６ａ、１６ｃで挟み込まれ、仮組み状態で図１のようなロータリージョイントを構成する。次に、このロータリージョイント１０の共振周波数を測定する。この測定には、例えば、低電力高周波を発振する測定器を用いることができる。そして、この測定結果に基づいて、周波数調整用ディスク１６ｂの軸方向の厚さを所望の共振周波数となるように切削等により微調整する。
また、放電防止のために、図１のチョーク３０は図３の低電場位置Ｂに位置することが好ましい。
【００４２】
なお、上述した実施形態では、ロータリージョイントへの本発明の適用を説明したが、本発明はこれに限定されない。即ち、本発明によると、ロータリージョイントを含まず内部放電が起きやすい導波管にも適用可能であり、この場合にも、高電場となる位置に放電限界値の高いタングステンやモリブデンなどの被膜１０を形成することで導波管全体の放電限界値を上げることができる。
【００４３】
このように、本発明によれば、導波管部１２、１４の円筒部１６内周面などに沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置Ａや最大電場位置Ｃなどに放電限界値の高いタングステンやモリブデンなどの被膜１０を形成するので、導波管内の高電場に起因して放電が起こることを効果的に防止することができる。従って、１０ＭＷ以上の大電力で周波数１０ＧＨｚ以上のマイクロ波を伝送する場合でも、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより安定したマイクロ波の伝送が可能となるという優れた効果が得られる。
【００４４】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る高周波伝送用ロータリージョイントの断面図である。
【図２】図１に示す導波管の断面図である。
【図３】ロータリージョイント付近の電場解析の結果を示す図である。
【図４】特許文献１の「放射線治療装置」の全体模式図である。
【図５】特許文献１の「ロータリＲＦカプラ」の説明図である。
【図６】特許文献２の「ロータリージョイント」の構成図である。
【符号の説明】
【００４６】
１２、１４  導波管部
１２ｂ、１４ｂ  導波路
１５  隙間
１６  円筒部
１６ａ、１６ｃ  ブロック
１６ｂ  ブロック（周波数調整用ディスク）
１７  端板
１８  矩形部
２０  回転支持部
２１  補強ピース
２２  軸受
２３  軸受ハウジング
２４  ガスシール
３０  １／４波長チョーク
Ａ  高電場位置
Ｂ  低電場位置
Ｃ  最高電場位置
Ｌ  導波管の長さ
【図１】
2006054604.tif 000003
【図２】
2006054604.tif 000004
【図３】
2006054604.tif 000005
【図４】
2006054604.tif 000006
【図５】
2006054604.tif 000007
【図６】
2006054604.tif 000008