(57)【要約】【課題】    ドリフトチューブ線形加速器において、ＲＦコンタクトを台座と土台間に挿入すると高周波電流の経路により台座と土台間に電位差が生じ放電するという問題があった。【解決手段】    円筒共振器に固定された土台と、円筒共振器の円筒軸方向に直線状に配列された複数のドリフトチューブとを備え、ドリフトチューブの少なくとも一つは、台座を有するステムにより支持され、このステムにより支持されたドリフトチューブの設置位置が調整可能となるよう、台座は土台に固定されるとともに、台座と土台との間にＲＦコンタクトが挿入されたドリフトチューブ線形加速器において、台座と土台との間であってＲＦコンタクトから外側部分に電気的な接触部がない隙間を有するようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒共振器と、この円筒共振器に固定された土台と、上記円筒共振器の円筒軸方向に直線状に配列された複数のドリフトチューブとを備え、上記複数のドリフトチューブのうち少なくとも１個のドリフトチューブは、台座を有するステムにより支持され、このステムにより支持されたドリフトチューブの設置位置が調整可能となるよう、上記台座は上記土台に固定されるとともに、上記台座と上記土台との間にＲＦコンタクトが挿入されたドリフトチューブ線形加速器において、上記台座と上記土台との間であって上記ＲＦコンタクトよりも外側部分全体に電気的な接触部がない隙間を有することを特徴とするドリフトチューブ線形加速器。
【請求項２】
隙間の寸法は３０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のドリフトチューブ線形加速器。
【請求項３】
隙間の寸法が外側に向かって大きくなっていることを特徴とする請求項1に記載のドリ
フトチューブ線形加速器。
【請求項４】
ＲＦコンタクトがネジより外側に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のドリフトチューブ線形加速器。
【請求項５】
ＲＦコンタクトが台座に設けられた溝に挿入されたことを特徴とする請求項１に記載のドリフトチューブ線形加速器。
【請求項６】
ＲＦコンタクトが土台に設けられた溝内に挿入されたことを特徴とする請求項１に記載のドリフトチューブ線形加速器。
【請求項７】
溝形状が蟻溝形状であることを特徴とする請求項５または６に記載のドリフトチューブ線形加速器。
【請求項８】
隙間の寸法が、溝の深さよりも小さいことを特徴とする請求項５または６に記載のドリフトチューブ線形加速器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空の円筒共振器に高周波電力を供給し、円筒共振器内の棒（ステム）により支持された電極（ドリフトチューブ）同士間に発生する電界で荷電粒子を加速するドリフトチューブ線形加速器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ドリフトチューブ線形加速器は、円筒共振器内に中空円筒状のドリフトチューブを加速方向に沿って複数個配列して構成される。円筒共振器内に高周波電力が供給され、ドリフトチューブ間に発生する高周波電界が荷電粒子（たとえば、陽子など）を加速方向に沿って加速する。ドリフトチューブの配列は、高周波電界の向きが加速方向と逆向きのときに荷電粒子がドリフトチューブ内にいるように設計される。
【０００３】
円筒共振器内に発生する電磁界モードはＴＭモード（円筒共振器長手方向に電界が発生）とＴＥモード（円筒共振器長手方向に磁界が発生）の２種類ある。ＴＭモードを用いたドリフトチューブ線形加速器にはアルバレ型ドリフトチューブ線形加速器がある。このアルバレ型ドリフトチューブ線形加速器においては、円筒共振器内の電磁界モードをそのままドリフトチューブ間に発生する加速電界に用いるため、ドリフトチューブは円筒共振器から吊り下げるようにステムにより支持される。一方、ＴＥモードを用いたドリフトチューブ線形加速器にはＩＨ（Interdigital-H）型ドリフトチューブ線形加速器等がある。ＩＨ型ドリフトチューブ線形加速器では、円筒共振器内の電磁界モードはそのままでは加速電界に用いることができないため、ドリフトチューブを支持するステムを円筒共振器上下（もしくは左右）から交互に配列し誘導電流により間接的にドリフトチューブ間に加速電界を発生させる。
【０００４】
ＴＥモードを用いるドリフトチューブ線形加速器にとって、ドリフトチューブ設置位置精度はとくに重要である。なぜなら、ドリフトチューブ間に発生する加速電界強度はドリフトチューブの設置位置に依存するからである。さらにＡＰＦ（Alternating Phase Focused）自己収束法を適用する場合、ドリフトチューブ間に発生する加速電界を荷電粒子の収束にも用いる為、加速電界強度をさらに高精度に調整する必要がある。そのため、従来のドリフトチューブ線形加速器のドリフトチューブ支持方法として提案されてきた円筒共振器にステムを差込み、その境界部にRFコンタクトを使用する方法を用いる事は得策ではない。
【０００５】
そこで、ドリフトチューブにはステムのほかに設置固定するための台座を設け、さらに円筒共振器内には台座を固定する土台を設ける構造が用いられている。ドリフトチューブの円筒共振器内への設置固定は、土台上のドリフトチューブ配列位置に設けられたネジ穴と、台座に設けられた貫通穴を使用してネジにより行われる。その結果、ドリフトチューブ配列位置の高精度アライメントはネジ穴と貫通穴の径方向の許容分にて実施できる。（例えば、特許文献1、特許文献２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７-１５７４００号公報（図８）
【特許文献２】特開２００６−３５１２３３号公報（図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のドリフトチューブ線形加速器では、RFコンタクトを台座と土台間に挿入すると高周波電流の経路により台座と土台間に電位差が生じ放電するという問題があった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、台座と土台間での放電を抑止し、安定した運転が可能となるドリフトチューブ線形加速器を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のドリフトチューブ線形加速器は、円筒共振器と、この円筒共振器に固定された土台と、円筒共振器の円筒軸方向に直線状に配列された複数のドリフトチューブとを備え、複数のドリフトチューブのうち少なくとも１個のドリフトチューブは、台座を有するステムにより支持され、このステムにより支持されたドリフトチューブの設置位置が調整可能となるよう、台座は土台に固定されるとともに、台座と土台との間にＲＦコンタクトが挿入されたドリフトチューブ線形加速器において、台座と土台との間であってＲＦコンタクトよりも外周部に電気的な接触部がない隙間を有するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、ＲＦコンタクトよりも外周部の台座と土台間に隙間を有することで電位差により発生する電界強度を低減させる、放電を抑止することができ、安定した運転が可能なドリフトチューブ線形加速器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器を示す外力断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器の要部を示す拡大断面図である。
【図３】ＴＥモードが励起したドリフトチューブ線形加速器内のモードを示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１によるドリフトチューブ線形加速器の台座と土台間での誘導電流経路図である。
【図５】本発明の実施の形態２によるドリフトチューブ線形加速器の要部を示す拡大断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２の変形例によるドリフトチューブ線形加速器の要部を示す拡大断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３によるドリフトチューブ線形加速器の要部を示す拡大断面図である。
【図８】本発明の実施の形態４によるドリフトチューブ線形加速器の要部を示す拡大断面図である。
【図９】本発明の実施の形態４の変形例によるドリフトチューブ線形加速器の要部を示す拡大断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態５によるドリフトチューブ線形加速器の要部を示す拡大断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態５の変形例によるドリフトチューブ線形加速器の要部を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるドリフトチューブ線形加速器の要部を示す概略断面図である。図１の右側の図は側面の断面の右側の一部を省略した側面断面図、左側の図は正面断面図で、右側の図のＡ−Ａ位置での断面が左側の図、左側の図のＢ−Ｂ位置での断面が右側の図となっている。図１において、１は、加速方向に伸びた真空容器となっ
ている円筒共振器で、この円筒共振器１がドリフトチューブ線形加速器を構成する。円筒共振器１内には加速方向に伸びた上下一対の土台２が設けられる。土台２はＴＥモードにより加速方向に発生する磁界が円筒共振器１端部まで発生する為のものである。必ずしも上下一対である必要は無いが、本実施の形態１では円筒共振器１内の対称性を考慮して、上下一対の同形状の土台２を設置している。
【００１２】
円筒共振器１の空胴形状、および土台２の高さ、幅、長さ、断面形状は、円筒共振器１内に発生する電磁界分布および共振周波数に影響を与える為、隣り合うドリフトチューブ４間に発生する加速電界強度が所望の値になるように３次元電磁界解析により決定される。本実施の形態１では、土台２の断面形状を台形として円筒共振器１側が下底となるよう設置して設置強度を強化させている。
【００１３】
土台２上にはステム３により支持された中空円筒状のドリフトチューブ４が加速方向に一対以上、すなわち複数配列される。円筒共振器１の加速方向の両端部（図１において右側端は省略）にはエンドドリフトチューブ５が円筒共振器１の端板に直接とりつけられ、エンドドリフトチューブ５の支持のためのステムは必要としない。上記ステム３は加速方向に順に円筒共振器１の上下から交互に配置される。ステム３には、ドリフトチューブ４が取り付けられる反対側端部に台座６が設けられる。
【００１４】
ＴＥモードを用いたドリフトチューブ線形加速器では、誘導電流が円筒共振器１内壁、土台２、ステム３、ドリフトチューブ４と流れるため、それぞれの接触部での接触抵抗が供給電力量に大きく影響する。したがって、本実施の形態１におけるドリフトチューブ線形加速器として、本発明の効果が大きいＩＨ型ドリフトチューブ線形加速器を例に説明する。
【００１５】
図２はこの発明の実施の形態１におけるドリフトチューブ線形加速器の台座６と土台２の設置固定面の拡大断面図である。ここで、ステム３は円柱状の棒形状、台座６は円板形状であって、図２の断面方向において、台座６は土台２上面の幅と同値以下の幅を持つ。これは、不要な不連続面による表面抵抗の増加やエッジ部での無用の放電を避けるためである。本実施の形態1ではステム径Ｄ１をφ３０ｍｍ、台座径Ｄ５をφ６０ｍｍ、土台が
台座と対向する側の面、すなわち土台上面幅Ｗ１を６０ｍｍとした例にて説明する。台座６には土台２とネジ１０で設置固定する為の貫通穴１１と、貫通穴の中心、すなわち貫通穴加工位置（Pitch Circle Diameter ;P.C.D.)Ｄ２より台座６外周側にＲＦコンタクト１３を設置するための溝１４を設けている。溝外周Ｄ４から外側に連続して台座６と土台２間にギャップを設けるための隙間１６を有するように、溝１４よりも外側となる台座６の周辺部の厚みを薄くしている。
【００１６】
貫通穴加工位置（P.C.D.）Ｄ２をφ４０ｍｍ、溝内周Ｄ３をφ５１．２ｍｍ、溝外周Ｄ５をφ５３．６ｍｍ、溝高さｄ２を１．２ｍｍ、隙間高さｄ１を０．５ｍｍとした例にて説明する。本発明においては、溝外周Ｄ４から連続して、すなわちＲＦコンタクト１３よりも台座６の外周側に、台座６と土台２間にギャップを設けるための隙間１６を有し、この間で台座６と土台２が電気的に接触しないことに特徴がある。さらに言えば、隙間高さｄ１を台座６や土台２の表面の表面粗さ以上、望ましくは機械加工精度以上、例えば３０μｍ以上とするものである。
【００１７】
なお、不要の熱集中や放電を発生させないために、ネジ１０にはキャップスクリューを採用し、台座６上面からはみ出ず、さらに銀メッキ等を施し導電率を向上させたものを使用する。また、台座６と土台２間を設置固定する為にはネジ１０である必要はなく、後加工によるピン等でもよい。一方、円筒共振器１と土台２間、ステム３とドリフトチューブ４間、ステム３と台座６間には製作後の後調整が必要ないため、それぞれの設置固定面で
の接触抵抗の発生を防止するよう、一体物から切削加工する、もしくは電子ビーム溶接などで固定される。
【００１８】
図３はＴＥモードが励起したドリフトチューブ線形加速器内での発生磁界方向２０、および誘導電流方向２１を示したモードの模式図である。高周波電源からドリフトチューブ線形加速器にＴＥモードを励起させるように供給する。すると、加速方向に磁界が発生する。その磁界に誘起された誘導電流がドリフトチューブ４、円筒共振器１内壁、土台２、台座６、ステム３と流れ、隣り合うドリフトチューブ４間に加速電界が発生する。
【００１９】
図４は台座６と土台２間での誘導電流の経路の詳細図である。誘導電流は高周波電流である為、一定の周期で流れる向きは反転するが、ここでは土台２から台座６に向かって誘導電流が流れる場合にて説明する。誘導電流は高周波電流である為表皮効果があり、導体の電流密度jは深さδに対して、次の数式（１）のように減少する。
【００２０】
【数１】
2011096389.tif 000003
ここでdは表皮深さで、電流が表面電流の1/e（約0.37）になる深さであり数式（２）で表される。
【００２１】
【数２】
2011096389.tif 000004
ここで、ρは導体の電気抵抗、ωは電流の角周波数、μは導体の透磁率である。
一般的にＩＨ型ドリフトチューブ線形加速器で用いられる運転周波数200MHz、導体として銅を例にとると、数式（１）、数式（２）より、表面から30μｍの深さでは表面電流密度の１０００分の１程度になり、導体表面でしか流れない事がわかる。
【００２２】
この現象を踏まえて図４を説明すると、土台２の表面を流れてきた誘導電流２１はＲＦコンタクト１３を経由して台座６に移り、ステム３、ドリフトチューブ４へと流れていく。誘導電流が導体の内部を経由して土台２から台座６に移ることはない。その結果、土台２と台座６間の接触はＲＦコンタクト１３により確実にされ、接触抵抗が低く、無用の熱発生が無い。このようにして、貫通穴１１に尤度を持たせた台座６をネジ１０により土台２に固定するためドリフトチューブ４位置の微調整が可能で、高精度アライメントができる構造において、供給電力量を低減できる効果がある。
【００２３】
誘導電流の大半は上述の通り、土台２表面を流れ、台座６に設けられた接触抵抗が低いＲＦコンタクト１３を経由して台座６に移り、ステム３、ドリフトチューブ４へと流れていく。ここで、誘導電流は高周波電流である為、表面にしか流れないことを鑑みると、ＲＦコンタクト１３まで往復することで特に台座６端部と土台２間には電位差が発生する。この電位差により誘発される電界強度は次の数式（３）で表現できる。
【００２４】
【数３】
2011096389.tif 000005
ここで、Ｖは台座６と土台２間の電位差、Ｅは台座６と土台２間の電界強度、ｄは台座６と土台２間のギャップ長である。
【００２５】
もし、隙間１６を有しない設計にした場合、台座６と土台２間は表面粗度による微小のギャップが開くことになる。ギャップが表面粗度程度（数μｍ）しか開いていない場合には、微小の電位差であっても発生電界強度は高く、放電が発生する問題があった。つまり、高周波電流は導体表面しか流れず、しかもＲＦコンタクト１３を経由するため、台座６と土台２間に電位差が発生し、かつ台座６と土台２間のギャップが表面粗度レベルに極端に狭い為、電界強度が高くなり放電が発生することがわかった。そのため、本実施の形態１では、ＲＦコンタクト１３までの往復距離を短くして発生電位差を小さくするため、ＲＦコンタクト１３を設置するための溝１４を貫通穴設置位置（P.C.D）Ｄ２より台座６の外側に設けると共に、台座６と土台２間に隙間１６を設けることにより、隙間での電界強度が弱まるため放電を抑止することができる。
【００２６】
また、ＲＦコンタクト１３までの往復距離が長いと、高周波電流の経路が電磁界設計時とは異なる共振器動作となる問題があった。ドリフトチューブ線形加速器の電磁界解析を、メッシュを用いた電磁界解析ソフトを使用して行った。解析上、台座６と土台２間に隙間１６はまったく無く、また接触抵抗はないものと仮定する（表面抵抗は考慮する）為、誘導電流は台座６と土台２間に進入せず、土台２表面から台座６表面にそのまま移る。したがって、ＲＦコンタクト１３までの往復距離がもともとの高周波電流経路長に比べ無視できない長さになると設計時とは異なった共振器動作となり、製作されたドリフトチューブ線形加速器の共振周波数および加速電界強度が設計値と異なる問題があった。高周波電流経路とドリフトチューブ線形加速器の共振周波数の関係を下記に説明する。
【００２７】
ドリフトチューブ線形加速器の共振周波数は次の数式（４）で表現される。
【数４】
2011096389.tif 000006
ここで、ｆはドリフトチューブ線形加速器の共振周波数、Ｌはインダクタンス成分、Ｃはキャパシタンス成分である。Ｃは主にドリフトチューブ４間に発生するキャパシタンスである。Ｌは一般のコイルの考え方を適用すると理解しやすく、コイルに発生するインダクタンスは次の数式（５）で表現される。
【００２８】
【数５】
2011096389.tif 000007
ここで、μは空芯の場合は1.0であり、ｎは巻き数、Ｓはコイルの断面積、ａはコイル
で囲まれる断面積の半径である。
ドリフトチューブ線形加速器でも数式（５）の考え方で説明する事ができ、この場合の断面積は、高周波電流の経路により囲まれる断面積とみなす事ができる。したがって、高周波電流経路長（circle）と共振周波数の関係は次の数式（６）として考える事ができ、共振周波数と高周波電流経路は反比例の関係にある。
【００２９】
【数６】
2011096389.tif 000008
次に、高周波電流経路とドリフトチューブ４間に発生する電界強度の関係を下記に説明する。ドリフトチューブ４間に発生する電界強度は、次の数式（７）で表されるファラデーの法則に従う。
【００３０】
【数７】
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ここで、lはドリフトチューブ４間長、ＥＤＴはドリフトチューブ４間に発生する電界
強度、Ｂはドリフトチューブ線形加速器内に発生する磁界強度、ドットは時間微分を示し、Ｓは高周波電流の経路により囲まれる断面積である。
したがって、高周波電流経路長（circle）と加速電圧（数式（７）左辺）の関係は数式（８）として考える事ができ、加速電界強度（加速電圧）と高周波電流経路は２乗に比例する関係がある。
【００３１】
【数８】
2011096389.tif 000010
本実施の形態１において円筒共振器１内径を一般的な値であるφ３２０ｍｍとすると、高周波電流経路の長さは、図２の本発明のＲＦコンタクト１３の設置方法では３％の増加にとどめることができ、設計値からの誤差を小さくする効果がある。
【００３２】
そして、隙間１６を設けない場合、溝１４内にガスが残留し、台座６と土台２間の微小ギャップから少しずつ排気される為、円筒共振器１の真空度が劣化する問題があったが、本実施の形態１で記すドリフトチューブ線形加速器は、隙間１６を設けたので溝１４内にガスが残留せず、真空度の劣化を防ぐ効果がある。
【００３３】
実施の形態２．
実施の形態１においては、隙間１６の形状は隙間が一定となるよう、隙間１６を形成するための台座６の面を平らで土台２の面と平行となる形状にしたが、Ｃ面取りやＲ面取りとした構成にしてもよい。図５は、本発明の実施の形態２によるドリフトチューブ線形加速器の台座部分の拡大断面図であり、台座６の、隙間１６を形成する部分、すなわち周辺
部分の形状をＣ面取り２３の形状にしている。Ｃ面取りだけではなく、図６で示すように、丸みを有するＲ面取り２４で構成しても良い。このように、Ｃ面取り又はＲ面取りの形状とすること、すなわち、外周部に向かって隙間１６の寸法が大きくなるようにすることで、実施の形態１と同様の効果があるとともに、台座端部２２での放電の可能性をさらに低減できるという効果がある。つまり、台座６と土台２間に発生する電位差は厳密には一定ではなく、電流経路が長くなる台座６端部にいくほど電位差は大きくなる。したがって、Ｒ面取りやＣ面取りを施すことで台座端部２２での隙間１６の寸法をより大きくし、さらには電界集中を緩和することで、発生電界強度を抑え、放電をより防止することができる。
【００３４】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３によるドリフトチューブ線形加速器の台座部分を示す拡大断面図である。本実施の形態３においては、図７に示すように、溝の形状を蟻溝２５、すなわち溝の開口寸法よりも溝底部の寸法が大きい溝とした。蟻溝２５で構成しても実施の形態１や２と同様の効果があるとともに、台座６を土台２上に設置固定するさいにＲＦコンタクト１３の落下を防止する効果がある。ＲＦコンタクト１３は高い導電性があるため、不用意にＲＦコンタクト１３の落下防止に一般の接着剤を使用すると導電性が失われ接触抵抗が増加し、供給電力量が増加する問題が生じることを防止する事ができる。
【００３５】
実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４によるドリフトチューブ線形加速器の台座部分の拡大断面図である。図８に示すように、ＲＦコンタクト１３を挟むための切り欠き１４１の高さ寸法ｄ２よりも隙間１６の高さ寸法ｄ１が大きくなるようにしても良い。このようにすることで、隙間１６での電界強度をさらに低減でき、放電が発生し難くなる効果がある。
また、図９は、隙間16にセラミックなどの誘電体物質１７を挟んだ本実施の形態４の変形例によるドリフトチューブ線形加速器の台座部分の拡大断面図である。隙間１６の高さ寸法ｄ１が大きくなることで電界強度は低減し誘電体表面での沿面放電は発生しないため、隙間１６に誘電体物質を挟み、RFコンタクトの設置性が向上する効果がある。
【００３６】
実施の形態５．
図１０は、本発明の実施の形態５によるドリフトチューブ線形加速器の台座部分を示す拡大断面図である。これまでの実施の形態においては、ＲＦコンタクトを設置するため、台座６に溝１４や切り欠き１４１を設けたが、図１０のように、土台２側に溝１４を設けた構成にしてもよい。また、図１１は、本発明の実施の形態５の変形例によるドリフトチューブ線形加速器の台座部分を示す拡大断面図である。図１１では、溝１４を土台２側に設けるとともに、溝１４の周囲を削ることにより、隙間１６を形成したものである。図１０や図１１で示した土台２側に溝１４を設け、台座６あるいは土台２のＲＦコンタクトよりも外周となる部分を削って隙間１６を形成するようにしても、これまでの実施の形態と同様の効果があるとともに、ＲＦコンタクト１３の設置固定性が安定し、台座６を土台２上に設置固定するさい容易になるという効果もある。
【００３７】
以上説明したように、本発明は、ドリフトチューブを支持するステムの台座と土台との電気的接触を確実にするために台座と土台との間にＲＦコンタクトを設けるとともに、ＲＦコンタクトよりも外側で台座と土台が電気的に接触しないように、この部分に隙間を設けたものであり、隙間は、望ましくは３０μｍ以上としたものである。
【符号の説明】
【００３８】
１：円筒共振器                        ２：土台
３  ステム                            ４：ドリフトチューブ
６：台座                            １０：ネジ
１３：ＲＦコンタクト                  １４：溝
１６：隙間                            ２３：Ｃ面取り部
２４：Ｒ面取り部                      ２５：蟻溝
ｄ１：隙間高さ
【図１】
2011096389.tif 000011
【図２】
2011096389.tif 000012
【図３】
2011096389.tif 000013
【図４】
2011096389.tif 000014
【図５】
2011096389.tif 000015
【図６】
2011096389.tif 000016
【図７】
2011096389.tif 000017
【図８】
2011096389.tif 000018
【図９】
2011096389.tif 000019
【図１０】
2011096389.tif 000020
【図１１】
2011096389.tif 000021