(57)【要約】【課題】冷却効率が向上し、しかも製造が容易な荷電粒子ビーム加速装置およびそれを用いた荷電粒子ビーム加速器を提供する。【解決手段】環状の磁心４または環の一部を欠いて環状に配置した磁心の中空部に荷電粒子ビームを通過させ、前記磁心内で時間変化する磁束密度に起因する誘導電場により該荷電粒子ビームを加速する装置であって、前記磁心４に密着配置された伝熱壁１１ａと、間隔保持部材１２を介して前記伝熱壁と間隔を空けて対向配置された対向壁１１ｂと、冷媒の導入口３ａおよび導出口３ｂとを有し、内部を冷媒が流通する冷却容器１を備えた。【選択図】        図１
2004247191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の磁心または環の一部を欠いて環状に配置した磁心の中空部に荷電粒子ビームを通過させ、前記磁心内で時間変化する磁束密度に起因する誘導電場により該荷電粒子ビームを加速する装置であって、
前記磁心に密着配置された伝熱壁と、間隔保持部材を介して前記伝熱壁と間隔を空けて対向配置された対向壁と、冷媒の導入口および導出口とを有し、内部を冷媒が流通する冷却容器を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム加速装置。
【請求項２】
伝熱壁と対向壁間に配置され、冷媒の導入口から導出口へ至る冷媒の流路を形成するガイド部材を備えたことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム加速装置。
【請求項３】
ガイド部材が間隔保持部材を兼ねることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子ビーム加速装置。
【請求項４】
ガイド部材は、伝熱壁に平行な断面における形状が波形状であることを特徴とする請求項２または３記載の荷電粒子ビーム加速装置。
【請求項５】
ガイド部材は、複数の流路を形成することを特徴とする請求項２記載の荷電粒子ビーム加速装置。
【請求項６】
複数の流路は、放射状に形成されることを特徴とする請求項５記載の荷電粒子ビーム加速装置。
【請求項７】
ガイド部材は、渦巻状の流路を形成することを特徴とする請求項２記載の荷電粒子ビーム加速装置。
【請求項８】
ガイド部材は、環状の流路を形成することを特徴とする請求項２記載の荷電粒子ビーム加速装置。
【請求項９】
冷媒の導入口および導出口の少なくとも何れか一方は、伝熱壁または対向壁に設けられていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム加速装置。
【請求項１０】
伝熱壁は電気絶縁性材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム加速装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０の何れかに記載された荷電粒子ビーム加速装置と、荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石とを備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム加速器。
【請求項１２】
偏向電磁石は、荷電粒子ビームの軌道を規定するための磁場が時間変化するものであることを特徴とする請求項１１記載の荷電粒子ビーム加速器。
【請求項１３】
偏向電磁石は、荷電粒子ビームの軌道を規定するための磁場を、前記荷電粒子ビーム周回軌道の径が大きくなる方向に単調増加または単調減少で変化させ、時間的には一定としたものであることを特徴とする請求項１１記載の荷電粒子ビーム加速器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁心内で時間変化する磁束密度に起因する誘導電場により荷電粒子ビームを加速する装置およびそれを用いた荷電粒子ビーム加速器に関し、特に、磁心の冷却構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術について説明する前に、まず、本発明で言う荷電粒子ビーム加速装置および荷電粒子ビーム加速器の定義を説明する。
本発明で言う荷電粒子ビーム加速装置とは、いわゆる荷電粒子ビーム加速器のうちの荷電粒子ビームを加速する部分を指し、荷電粒子ビーム加速装置に荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石を加えたものを荷電粒子ビーム加速器と定義する。
【０００３】
すなわち、荷電粒子ビームの軌道を囲むように環状または環の一部を欠いて環状に設置され、中空部に荷電粒子ビームを通過させ、磁束密度の時間変化に起因する誘導電場により荷電粒子ビームを加速する磁心、磁心内の磁束密度を時間変化させる励磁手段、および磁心を冷却する手段からなる荷電粒子ビーム加速手段を荷電粒子ビーム加速装置とよぶ。
荷電粒子ビーム加速装置としては、例えば、一般に加速コアと呼ばれるものと、高周波加速空洞と呼ばれるものを挙げることができる。加速コアと呼ばれるものは、磁心内の磁束密度を時間変化させる励磁手段が、磁心に巻きつけ高周波電源を接続した励磁コイルからなり、高周波加速空洞と呼ばれるものは、磁心内の磁束密度を時間変化させる励磁手段が、磁心を取り囲み中心部に設けた環状の開口部の両端に高周波電圧を印加する高周波空洞からなる。
【０００４】
上記のように定義される従来の荷電粒子ビーム加速装置においては、例えば、筒状に形成された内部導体および外部導体を同軸的に配置し、内部導体と外部導体とで構成される空間内にフェライトディスクとフェライトディスク冷却板とを軸方向に交互に積層して構成された半共振器が、軸方向に並設されてなるフェライト装荷型高周波加速空洞において、前記フェライトディスク冷却板が、良熱伝導体からなるリング状で、外周面に溝が形成された熱伝導板と、良熱伝導体からなり、前記熱伝導板の溝に周方向に配置されてロウ付けされた、冷媒が流通される冷却パイプとから構成されている。また、筒状に形成された内部導体および外部導体を同軸的に配置し、内部導体と外部導体とで構成される空間内にフェライトディスクを軸方向に積層して構成された半共振器が、軸方向に並設されてなるフェライト装荷型高周波加速空洞において、前記フェライトディスクは、その端面に渦巻き状の溝が形成され、該溝内に良熱伝導体で構成された冷媒を流通させる冷却パイプが配設されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−３３９８９８号公報（第２−８頁、第１−１０図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の荷電粒子ビーム加速装置は以上のような構成となっているので、フェライトディスクの側面に設置したリング状の熱伝導板の外周面に、冷媒が流通される冷却パイプを配置して冷却する構成では、リング状の熱伝導体の熱伝導率によってコア中心部の温度が決まるので、発熱量が大きい場合には、フェライトディスクの中心部を十分低い温度まで冷却できないという問題がある。また、熱伝導板の外周面に溝を形成するのに手間がかかるという問題もある。
また、フェライトディスクの端面に渦巻き状の溝が形成され、該溝内に良熱伝導体で構成された冷媒を流通させる冷却パイプが配設された構成では、フェライトディスクの端面に渦巻き状の溝を形成するのに手間がかかり、しかも、冷媒を大量に流す必要がある大発熱量の場合に、冷媒流通路の隔壁部分を出来るだけ薄く形成する必要があるが、薄くするのに限界があるという問題がある。
【０００７】
本発明は、冷却効率が向上し、しかも製造が容易な荷電粒子ビーム加速装置およびそれを用いた荷電粒子ビーム加速器を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる荷電粒子ビーム加速装置は、環状の磁心または環の一部を欠いて環状に配置した磁心の中空部に荷電粒子ビームを通過させ、前記磁心内で時間変化する磁束密度に起因する誘導電場により該荷電粒子ビームを加速する装置であって、前記磁心に密着配置された伝熱壁と、間隔保持部材を介して前記伝熱壁と間隔を空けて対向配置された対向壁と、冷媒の導入口および導出口とを有し、内部を冷媒が流通する冷却容器を備えたものである。
【０００９】
また、本発明に係わる荷電粒子ビーム加速器は、上記の荷電粒子ビーム加速装置と、荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石とを備えたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による荷電粒子ビーム加速装置の要部の構成を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は対向壁を取り除いて冷却容器の側から見た平面図である。
本実施の形態による荷電粒子ビーム加速装置は、荷電粒子ビームの軌道を囲むように環状に設置され、中空部に荷電粒子ビームを通過させ、磁束密度の時間変化に起因する誘導電場により荷電粒子ビームを加速する磁心４、磁心４内の磁束密度を時間変化させる励磁手段、および磁心を冷却する手段を備えているが、図１では要部の構成を示しており、励磁手段は図示していない。また、励磁手段が、磁心に巻きつけ高周波電源を接続した励磁コイルからなる、加速コアと呼ばれる荷電粒子ビーム加速装置、および励磁手段が、磁心を取り囲み中心部に設けた環状の開口部の両端に高周波電圧を印加する高周波空洞からなる、高周波加速空洞と呼ばれる荷電粒子ビーム加速装置の何れであってもよい。
【００１１】
本実施の形態による荷電粒子ビーム加速装置は、環状の磁心４に密着配置された伝熱壁１１ａと、間隔保持部材を介して伝熱壁１１ａと間隔を空けて対向配置された対向壁１１ｂと、冷媒の導入口（以下、冷媒導入口と称する。）３ａおよび導出口（以下、冷媒導出口と称する。）３ｂとを有し、内部を冷媒が流通する冷却容器１を備えている。１１ｃは側壁である。冷却容器１は伝熱壁１１ａと対向壁１１ｂと側壁１１ｃとで囲まれた密閉された容器であり、本実施の形態では側壁１１ｃの対向する位置に冷媒導入口３ａと冷媒導出口３ｂとが配置されている。
また、伝熱壁１１ａと対向壁１１ｂ間に配置され、冷媒導入口３ａから冷媒導出口３ｂへ至る冷媒の流路２を形成するガイド部材１２を備え、ガイド部材１２が間隔保持部材を兼ねている。本実施の形態では、ガイド部材１２は、複数の流路２を形成している。
なお、図中、矢印は冷媒の流れを示している。
【００１２】
以下、より具体的に説明する。環状の磁心４の側面に密着させた冷却容器１は、二枚の平板（伝熱壁１１ａと対向壁１１ｂに相当する。）とその内部に複数の互いに平行な隔壁（ガイド部材１２に相当する。）を設置して冷却水（冷媒に相当する。）の流路２としている。
【００１３】
本実施の形態では、伝熱壁１１ａ、対向壁１１ｂ、側壁１１ｃおよびガイド部材１２としては、熱伝導性を重視して、良熱伝導性金属である銅やステンレス鋼などを使用している。磁心４と冷却容器１（すなわち伝熱壁１１ａ）との間には、例えば、数十μｍ厚程度の電気絶縁性のポリイミドフイルムを、電気絶縁性の熱伝性グリス（例えばシリコングリス）を介して挟み込んで密着させている。伝熱壁１１ａおよび対向壁１１ｂと、側壁１１ｃおよびガイド部材１２との接合は、スポット溶接や接着剤によるが、冷却容器１内部のガイド部材１２は、伝熱壁１１ａと対向壁１１ｂ間の間隔を保持する間隔保持部材としての機能と流路２を規定する機能があれば十分であるので、ガイド部材１２の伝熱壁１１ａおよび対向壁１１ｂとの対向面は必ずしも全ての面が完全に接合されていなくてもよい（すなわち、完全な防水仕様である必要はない。）。したがって、製造も容易で、コストも低く抑えられる。
【００１４】
このように、本実施の形態によれば、二枚の平板（伝熱壁１ａと対向壁１ｂ）と間隔保持部材を兼ねるガイド部材１２による立体構造で冷却容器１の構造強度をもたせるので、特に磁心４に密着する側の平板（伝熱壁１ａ）の厚みを薄くでき、冷却効率を向上できる。すなわち、冷媒と磁心４との間が薄い平板（伝熱壁１ａ）であることから発熱量が大きい場合も磁心４を従来より低い温度まで冷却することができる。
さらに、内部を冷媒が流通する冷却容器１を磁心４に密着配置したので、冷却面積（冷媒によって冷却される部分の面積）を大きくすることができ、冷却効率が向上する。
しかも、上記のように、スポット溶接や接着剤によって作製した冷却容器１を、ポリイミドフイルムを熱伝性グリスを介して挟み込んで磁心４に密着させるので、従来例のように、熱伝導板の外周面やフェライトディスクの端面に溝を形成する必要がなく、切削加工が不要で製造が容易である。
【００１５】
さらに、本実施の形態では、複数の流路２を形成し、冷却水の導入部（冷媒導入口３ａに相当する。）は各ガイド部材１２間（各流路２に相当する。）のそれぞれに設けてあり、大流量の冷却水を導入できるので、磁心４の発熱が大きい場合にも高い冷却性能が得られる。
【００１６】
なお、図１では、ガイド部材１２として平板を使用しているが、図２に示すように、波板を用い、伝熱壁１１ａに平行な断面における形状を波形状としてもよい。
これにより、全体の構造強度がさらに高まるので、ガイド部材１２をさらに薄くでき、冷却効率をさらに向上できる。
【００１７】
なお、上記実施の形態では磁心４が環状である場合について示したが、環の一部を欠いて環状に配置した磁心であってもよい。これは、以下の各実施の形態においても、特に断らないが同様である。
【００１８】
また、上記実施の形態では冷媒が冷却水である場合について説明したが、これに限るものではなく、さまざまな液体および気体を用いることができる。これは、以下の各実施の形態においても、特に断らないが同様である。
【００１９】
実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２による荷電粒子ビーム加速装置の要部の構成を示す図であり、対向壁を取り除いて冷却容器の側から見た平面図である。
上記実施の形態１では、ガイド部材は、複数の流路２を形成するように設置されていたが、本実施の形態では、ガイド部材１２は一本の流路２を形成するように設置されている。他の構成は実施の形態１と同様である。
【００２０】
本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。
また、冷却水の量は実施の形態１に比較すると減少するが、冷却水の導入部（冷媒導入口３ａ）、取出し部（冷媒導出口３ｂ）がそれぞれ１箇所ですむので、磁心４の発熱が小さい場合には有効であり、この場合、冷却容器１の構造が簡単化し、加速装置コストが低減するという効果がある。
【００２１】
なお、ガイド部材１２として、平板の代わりに波板を用い、伝熱壁１１ａに平行な断面における形状を波形状としてもよく、これにより、全体の構造強度がさらに高まるので、ガイド部材１２をさらに薄くでき、冷却効率をさらに向上できるのは、実施の形態１の場合と同様である。
【００２２】
実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３による荷電粒子ビーム加速装置の要部の構成を示す図であり、対向壁を取り除いて冷却容器の側から見た平面図である。
上記実施の形態２では、ガイド部材１２は、折り返された一本の流路２を形成するように設置されていたが、本実施の形態では、ガイド部材１２は渦巻状の一本の流路２を形成するように設置されている。他の構成は実施の形態２と同様である。
【００２３】
本実施の形態においても、実施の形態２の場合と同様の効果が得られる。
また、通常、磁心４の発熱は磁心４中央部が大きいが、本実施の形態による冷却容器１は、冷却水を、図４に矢印で示すように、磁心４の中央部から外側に向けて流すことができるので、実施の形態２と比較して磁心４の冷却効率が向上する結果、冷却容器１総合の冷却効率が向上する。したがって、冷却容器１に冷却水を供給する冷却機器の小型化、低コスト化が可能になるという効果がある。
【００２４】
なお、ガイド部材１２として、平板の代わりに波板を用い、伝熱壁１１ａに平行な断面における形状を波形状としてもよく、これにより、全体の構造強度がさらに高まるので、ガイド部材１２をさらに薄くでき、冷却効率をさらに向上できるのは、実施の形態１の場合と同様である。
【００２５】
実施の形態４．
図５は本発明の実施の形態４による荷電粒子ビーム加速装置の要部の構成を示す図であり、冷却容器を対向壁の側から見た平面図である。
上記実施の形態１では、側壁１１ｃの対向する位置に冷媒導入口３ａと冷媒導出口３ｂとが配置されていたが、本実施の形態では、複数の流路２は放射状に形成されており、各流路２の冷媒導入口３ａは対向壁１１ｂの中央部に、各流路２の冷媒導出口３ｂは対向壁１１ｂの周縁部にそれぞれ設けられている。他の構成は実施の形態１と同様である。
【００２６】
本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。
また、冷媒導入口３ａおよび冷媒導出口３ｂは対向壁１１ｂに設け（伝熱壁に対して垂直に冷媒の導入および取り出しが可能であるように設け）、冷却容器１中空部の領域を広く取れるので、中空部に設置される電磁石のサイズが同じだとすると磁心および冷却容器の周長を短く、すなわちサイズを小型化できる。
通常、磁心４の発熱は磁心４中央部が大きいが、本実施の形態による冷却容器１では磁心４の中央部から冷却水３を導入するので、磁心４の発熱が大きい場合に有効であった実施の形態１と比較して冷却性能がさらに向上するという効果がある。
また、一本の流路２で磁心４中央部から冷却している実施の形態３と比較して、本実施の形態では複数の流路２を設けているので、冷却能力がさらに高くなる。その結果、磁心４損失の増大する高加速電圧化が可能となり、荷電粒子ビーム加速器に組み込んだ場合、そのビーム電流を増大できるという効果がある。
【００２７】
なお、図５では、ガイド部材１２として平板を使用しているが、図６に示すように、波板を用い、伝熱壁（図６では図示していない。）に平行な断面における形状を波形状としてもよい。
これにより、全体の構造強度がさらに高まるので、ガイド部材１２をさらに薄くでき、冷却効率をさらに向上できる。
【００２８】
また、図５および図６では、冷媒導入口３ａおよび冷媒導出口３ｂを共に対向壁１１ｂに設けた例を示したが、磁心４および冷却容器１の形状によっては、何れか一方のみを対向壁１１ｂに設けてもよく、さらには、冷媒導入口３ａおよび冷媒導出口３ｂの少なくとも何れか一方を伝熱壁（図５および図６では図示していない。）に設けてもよい。
【００２９】
実施の形態５．
図７は本発明の実施の形態５による荷電粒子ビーム加速装置の要部の構成を示す図であり、冷却容器の側から見た平面図である。
上記実施の形態１では、冷媒導入口３ａと冷媒導出口３ｂとが、側壁１１ｃの対向する位置に配置されていたが、本実施の形態では、側壁１１ｃの一箇所（一側面）に並んで設置されている。他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３０】
本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。
また、実施の形態１ほどではないが、実施の形態２および３よりも冷却水量を大流量にでき、かつ給排水口（冷媒導入口３ａと冷媒導出口３ｂ）の設置個所が側壁１１ｃの一側面のみであるので、冷却系を小型化、低コスト化できるという効果がある。
【００３１】
なお、ガイド部材１２として、平板の代わりに波板を用い、伝熱壁（図７では図示していない。）に平行な断面における形状を波形状としてもよく、これにより、全体の構造強度がさらに高まるので、ガイド部材１２をさらに薄くでき、冷却効率をさらに向上できるのは、実施の形態１の場合と同様である。
【００３２】
実施の形態６．
図８は本発明の実施の形態６による荷電粒子ビーム加速装置の要部の構成を示す図であり、対向壁を取り除いて冷却容器の側から見た平面図である。
上記各実施の形態では、冷媒導入口３ａから冷媒導出口３ｂへ至る冷媒の流路２を形成するガイド部材１２を備え、ガイド部材１２が間隔保持部材を兼ねる場合について説明したが、本実施の形態では、ガイド部材１２を備えておらず、間隔保持部材１３を備えている。他の構成は実施の形態１と同様であるので、以下では主に実施の形態１と異なる点について説明する。
【００３３】
以下、より具体的に説明する。本実施の形態では、冷却容器１は、伝熱壁１１ａと対向壁（図８では図示していない。）に相当する二枚の平板の間に円柱（間隔保持部材１３に相当する。）を設置して冷却容器１の形状を保持している。冷却容器１と円柱（間隔保持部材１３）の材質は良熱伝導材として例えば銅やステンレス鋼などを使用し、円柱（間隔保持部材１３）と平板（伝熱壁１１ａと対向壁）との機械的な接続はスポット溶接などで行なう。二枚の平板（伝熱壁１１ａと対向壁）の周端部には平板（側壁１１ｃに相当する。）を溶接し、流路２を確保している。冷却容器１へ冷却水を導入および導出する冷媒導入口３ａおよび冷媒導出口３ｂは、側壁１１ｃの対向する位置に冷却容器１に冷却水を供給する冷却機器の能力の許す限りの断面積で設け、冷却効率を高めている。
【００３４】
なお、円柱（間隔保持部材１３）の太さや配置間隔などについては、冷却容器１の形状や冷媒の圧力などに応じて適宜決定される。
【００３５】
本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。
また、冷却水の流量を最大限にとることができ、冷却効率を向上できる結果、冷却容器１に冷却水を供給する冷却機器の小型化、低コスト化が可能になるという効果がある。
【００３６】
なお、間隔保持部材１３は円柱に限るものではなく、角柱やＬ字状の柱など他の形状であってもよいのは言うまでもない。
【００３７】
さらに、間隔保持部材１３とガイド部材１２とが混在していてもよい。
また、ガイド部材１２の一部が伝熱壁１１ａおよび対向壁の両方に固定されて間隔保持部材１３を兼用し、他の部分は伝熱壁１１ａおよび対向壁の少なくとも何れか一方との間に隙間を設けた構成であってもよい。
【００３８】
実施の形態７．
本実施の形態による荷電粒子ビーム加速装置は、荷電粒子ビームの軌道を囲むように環状に設置され、中空部に荷電粒子ビームを通過させ、磁束密度の時間変化に起因する誘導電場により荷電粒子ビームを加速する磁心４、磁心４内の磁束密度を時間変化させる励磁手段、および磁心を冷却する手段を備えており、励磁手段が、磁心を取り囲み中心部に設けた環状の開口部の両端に高周波電圧を印加する高周波空洞からなる、高周波加速空洞と呼ばれる荷電粒子ビーム加速装置である。
【００３９】
上記各実施の形態では、冷却容器１（伝熱壁１１ａ、対向壁１１ｂ、側壁１１ｃ、ガイド部材１２、間隔保持部材１３）は冷却効率を高めるために、熱伝導性を重要視して、材料として銅やステンレス鋼のような良熱伝導性金属を使用しているが、本実施の形態では、冷却容器１を例えば、エンジニアリングプラスチック（例えばカプトン、ＭＣナイロンなど）、ＦＲＰ、ＴｉＮ、アルミナのような電気絶縁性材料で形成し、寄生静電容量の問題（後で詳細に説明する。）を回避するようにしている。
【００４０】
この場合、上記のような電気絶縁性材料は良熱伝導性金属に比べて熱伝導性が劣るが、実施の形態１で説明したように、伝熱壁１ａと対向壁１ｂと間隔保持部材（ガイド部材１２）による立体構造で冷却容器１の構造強度をもたせるので、特に磁心４に密着する側の伝熱壁１ａの厚みを薄くできる結果、伝熱壁１ａの材料を良熱伝導性金属から上記のような電気絶縁性材料に置き換えても十分な冷却性能が得られる。
【００４１】
以下、寄生静電容量について説明する。磁心４の冷却効率を上げるために、磁心４の両側に電気伝導体からなる冷却容器１を設置した場合、寄生静電容量が発生し高周波加速空洞のインピーダンスが低下する。インピーダンス低下は電源負荷を増大させるので高出力電源が必要となり、励磁電源の製作が困難になるという問題がある。
【００４２】
上記問題を、図９および図１０に従ってさらに詳細に説明する。図９は環状の磁心および冷却容器の片側断面のみを示している。通常の磁心４は導電性のアモルファスシートに絶縁膜を塗布し巻きつけて製作してあり、磁束を囲む閉ループで発生する渦電流損を抑えるようにしている。したがって、磁心４の巻き取り方向（積層方向）には導電性が無いが、厚み方向には導電性が有る構造となっている。
この場合、冷却効率を上げるために磁心４の両側に冷却容器１を設置すると、共に導電性である磁心４と冷却容器１との間には電気絶縁層１９（電気絶縁性のポリイミドフイルムおよび熱伝性グリス）を挟んでいるので、コンデンサが形成されることになるため、高周波加速空洞に並列に静電容量（寄生静電容量）Ｃが挿入されるのと等価となり、図９を等価回路で表すと図１０に示すようになる。ここで、図９に示すように磁束密度Ｂの時間変化が紙面に垂直方向に発生すると、図９の矢印で示す方向に高周波の誘導起電力が生じるが、上記寄生静電容量Ｃの存在により、高周波誘導起電力に対しては電流パスが存在することになるため、インピーダンス低下の問題を発生させる。
【００４３】
なお、冷却容器１のうち伝熱壁１ａが、静電容量Ｃへの影響が最も大きいが、上記各実施の形態で説明した冷却容器１は、何れも、伝熱壁１ａと対向壁１ｂと間隔保持部材１３（または間隔保持部材を兼ねるガイド部材１２）による立体構造で冷却容器１の構造強度をもたせるので、特に磁心４に密着する側の伝熱壁１ａの厚みを薄くできる結果、上記各実施の形態のように冷却容器１を良熱伝導性金属で形成した場合にも静電容量Ｃはそれほど大きなものとはならないが、本実施の形態のように、冷却容器１を電気絶縁性材料で形成することにより、より確実に静電容量（寄生静電容量）Ｃの影響によるインピーダンス低下の問題を防止することができる。
【００４４】
なお、冷却容器１のうち静電容量Ｃへの影響が最も大きい伝熱壁１ａのみを電気絶縁性材料で形成してもよく、この場合にも同様の効果が得られる。
【００４５】
実施の形態８．
図１１は本発明の実施の形態８による荷電粒子ビーム加速器の要部の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図、（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線での断面図である。ただし、（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線での断面図のうちの高周波空洞の部分を示している。
本実施の形態による荷電粒子ビーム加速器は上記各実施の形態のうちの何れかに記載された荷電粒子ビーム加速装置と、荷電粒子ビームの軌道を規定するための磁場が時間変化して荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石とを備えたものである。
【００４６】
本実施の形態による荷電粒子ビーム加速器は、より詳細には、荷電粒子ビームの軌道を囲むように設置され磁束密度の時間変化に起因する誘導電場により荷電粒子ビームを加速する磁心４、磁心４を取り囲み中心部に設けた環状の開口部の両端に励磁電源２１により高周波電圧を印加される高周波空洞２０、および磁心４の側面に設置された冷却容器１からなる高周波加速空洞（荷電粒子ビーム加速装置に相当する。）と、内部を真空に保ち荷電粒子ビームを周回させる真空ダクト２３と、荷電粒子ビームの軌道を真空ダクト２３内に維持する（すなわち荷電粒子ビームを周回させる）ために、真空ダクト２３を挟むように複数個設置される偏向電磁石２２と、真空ダクト２３に対して荷電粒子ビームを入射させる入射器（図示せず）と、荷電粒子ビームを取り出すビーム取り出し機器（図示せず）とから主に構成される。
なお、真空ダクト２３は、磁心４に囲まれた位置において電気絶縁性のギャップを設けてあり、この位置で加速電場を発生させるようになっている。
【００４７】
次に動作について説明する。ビーム入射器（図示せず）から荷電粒子ビームを出射させ、真空ダクト２３内に導入する。このとき励磁電源２１の励磁周波数は導入された荷電粒子ビームの回転に同期させ、荷電粒子ビームを一方向に繰り返し加速するように変化させる。加速された荷電粒子ビームは偏向電磁石２２により進路を曲げられ、環状の真空ダクト２３中を周回し（ほぼ円運動し）、励磁電源２１電圧が印加されている間、継続的に加速される。このとき、荷電粒子ビームの周回軌道を維持するため加速に応じて偏向電磁石２２による磁場を増加させる（荷電粒子ビームの軌道を規定するための磁場が時間変化する）。その後、所定の荷電粒子ビームエネルギーに達した段階でビーム出射器（図示せず）により取り出しを行なう。
【００４８】
なお、図１１では、荷電粒子ビーム加速装置として高周波加速空洞と呼ばれる種類のものを用いた場合を示しているが、これに限るものではなく、加速コアと呼ばれる種類のものを用いてもよい。
【００４９】
このように、本実施の形態による荷電粒子ビーム加速器では、上記実施の形態１〜７のうちの何れかに記載された荷電粒子ビーム加速装置を用いており、冷却容器１は冷却効率が高いので、磁心４を小型化および低コスト化できる。その結果、荷電粒子ビーム加速器も小型化および低コスト化できるという効果が得られる。
【００５０】
特に、荷電粒子ビーム加速装置として高周波加速空洞と呼ばれる種類のものを用いる場合に、上記実施の形態７で説明したように、少なくとも伝熱壁を電気絶縁性材料で形成することにより、寄生静電容量が発生し高周波加速空洞のインピーダンスが低下するのを確実に防止できる。その結果、高出力電源が不要になり低出力な電源で励磁できるようになるので、電源コストを低減できるという効果がある。
【００５１】
実施の形態９．
図１２は本発明の実施の形態９による荷電粒子ビーム加速器の要部の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図である。
本実施の形態による荷電粒子ビーム加速器は上記各実施の形態のうちの何れかに記載された荷電粒子ビーム加速装置と、荷電粒子ビームの軌道を規定するための磁場を、荷電粒子ビーム周回軌道の径が大きくなる方向に単調増加で変化させ、時間的には一定として荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石とを備えたものである。
【００５２】
本実施の形態による荷電粒子ビーム加速器（ベータトロン加速器）は、より詳細には、荷電粒子ビームの軌道を囲むように設置され磁束密度の時間変化に起因する誘導電場により荷電粒子ビームを加速する磁心４、磁心４に巻きつけ磁心励磁電源２５（高周波電源）を接続した励磁コイル２４、および磁心４の側面に設置された冷却容器１からなる加速コア（荷電粒子ビーム加速装置に相当する。）と、内部を真空に保ち荷電粒子ビームを周回させる真空ダクト２３と、荷電粒子ビームの軌道を真空ダクト２３内に維持する（すなわち荷電粒子ビームを周回させる）ために、該真空ダクト２３を挟むように複数個設置される偏向電磁石２２と、真空ダクト２３に対して荷電粒子ビームを入射させる入射器（図示せず）と、荷電粒子ビームを取り出すビーム取り出し機器（図示せず）とから主に構成される。
【００５３】
次に動作について説明する。ビーム入射器（図示せず）から荷電粒子ビームを出射させ、環状の真空ダクト２３の中心から内部に導入を開始する。この時点から磁心励磁電源２５電圧を高電圧とすると、磁心４の断面を取り囲む荷電粒子ビームの軌道上に励磁電圧に等しい誘導電場が発生し、荷電粒子ビームが加速を開始する。加速された荷電粒子ビームは偏向電磁石２２により進路を曲げられ、環状の真空ダクト２３中を周回し（ほぼ円運動し）、磁心励磁電源２５電圧が印加されている間、継続的に加速される。偏向電磁石２２による磁場は、荷電粒子ビームの周回軌道の径方向を外側に向けて単調増加する（すなわち荷電粒子ビーム周回軌道の径が大きくなる方向に単調増加する）ように設計されており、速度の増加した荷電粒子の軌道を大きく広げることなく荷電粒子ビームを真空ダクト２３内に閉じ込めることを可能としている。荷電粒子ビームエネルギーが所定の値に達したときに環状の真空ダクト２３の外縁に設置したビーム出射器（図示せず）により取り出しを行なう。
【００５４】
なお、図１２では、荷電粒子ビーム加速装置として加速コアと呼ばれる種類のものを用いた場合を示しているが、これに限るものではなく、高周波加速空洞と呼ばれる種類のものを用いてもよい。
【００５５】
なお、上記例では偏向電磁石２２による磁場は荷電粒子ビーム周回軌道の径方向の外側に向けて単調増加する（すなわち、荷電粒子ビーム周回軌道の径が大きくなる方向に単調増加する）ようにしているが、径方向の内側に向けて単調増加する（すなわち、荷電粒子ビーム周回軌道の径が大きくなる方向に単調減少する）ようにしてもよい。この場合は上記例の逆で、荷電粒子ビームはエネルギーが増加するほど径方向の内側に引き寄せられる。したがって、環状の真空ダクト２３の外側からビームを入射し、内側からビームを取り出すようにする。
【００５６】
通常のベータトロン加速器の偏向電磁石２２では、磁場を時間的に変化させ、磁場が増大する位相条件下で、加速中の荷電粒子ビームを所定の軌道に維持するようにしているので、最大繰り返し周波数は１０〜１００Ｈｚが限界であり、ビームデューティー（単位時間あたりビームが出射する時間）は１％以下に限られるが、図１２に示す加速器では、荷電粒子ビームの軌道を規定するための偏向電磁石２２の磁場を荷電粒子ビーム軌道の径方向に変化させ、時間的には一定として荷電粒子ビームを所定の軌道に維持するようにしたので、繰り返し周波数１０ｋＨｚ程度までの向上が可能となり、ビームデューティーを１０％以上に向上することが出来る。例えば、繰り返し周波数１ｋＨｚ、ビーム時間幅１００μｓ（ビームデューティー：１０％）が可能である。
【００５７】
このように、加速される荷電粒子ビームに関し、加速の初期は内側の軌道を、加速の終期は外側の軌道を周回させることで、ビーム閉じ込めを行なっており、荷電粒子ビームの加速は磁心４中の磁束密度変化に起因する誘導電場により行なうので、軌道を周回する多数のビームを一度に加速でき、大ビーム電流が得られるという特徴がある。
【００５８】
このように、本実施の形態による荷電粒子ビーム加速器では、ビーム電流を増大するために加速電圧を高電圧化しビームデューティーを増大させると、磁心４損失増大の結果発熱量が増大するという問題があるが、上記実施の形態１〜７のうちの何れかに記載された荷電粒子ビーム加速装置を用いており、冷却容器１は冷却効率が高く磁心４を十分冷却することができる。その結果、従来並みのビーム電流であれば冷却容器および磁心の小型化による小型加速器が実現できる、あるいは、冷却容器および磁心のサイズを従来並とすれば従来よりも大きなビーム電流が得られる加速器が実現できる、という効果がある。
【００５９】
特に、荷電粒子ビーム加速装置として高周波加速空洞と呼ばれる種類のものを用いる場合に、上記実施の形態７で説明したように、少なくとも伝熱壁を電気絶縁性材料で形成することにより、寄生静電容量が発生し高周波加速空洞のインピーダンスが低下するのを確実に防止できる。その結果、高出力電源が不要になり低出力な電源で励磁できるようになるので、電源コストを低減できるという効果がある。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、環状の磁心または環の一部を欠いて環状に配置した磁心の中空部に荷電粒子ビームを通過させ、前記磁心内で時間変化する磁束密度に起因する誘導電場により該荷電粒子ビームを加速する装置であって、前記磁心に密着配置された伝熱壁と、間隔保持部材を介して前記伝熱壁と間隔を空けて対向配置された対向壁と、冷媒の導入口および導出口とを有し、内部を冷媒が流通する冷却容器を備えたので、冷却効率が向上し、しかも製造が容易な荷電粒子ビーム加速装置が得られる。
【００６１】
また、上記の荷電粒子ビーム加速装置と、荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石とを備えたので、従来並みのビーム電流であれば冷却容器および磁心の小型化による小型の荷電粒子ビーム加速器が得られる、あるいは、冷却容器および磁心のサイズを従来並とすれば、従来よりも大きなビーム電流が得られる荷電粒子ビーム加速器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による荷電粒子ビーム加速装置の要部の構成を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は冷却容器の側から見た平面図である。
【図２】本発明の実施の形態１による荷電粒子ビーム加速装置の要部の別の構成を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態２による荷電粒子ビーム加速装置の要部の構成を示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態３による荷電粒子ビーム加速装置の要部の構成を示す平面図である。
【図５】本発明の実施の形態４による荷電粒子ビーム加速装置の要部の構成を示す平面図である。
【図６】本発明の実施の形態４による荷電粒子ビーム加速装置の要部の別の構成を示す平面図である。
【図７】本発明の実施の形態５による荷電粒子ビーム加速装置の要部の構成を示す平面図である。
【図８】本発明の実施の形態６による荷電粒子ビーム加速装置の要部の構成を示す平面図である。
【図９】本発明の実施の形態７に係わり、寄生静電容量について説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態７に係わり、寄生静電容量について説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態８による荷電粒子ビーム加速器の要部の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図、（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線での断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態９による荷電粒子ビーム加速器の要部の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図である。
【符号の説明】
１  冷却容器、２  流路、３ａ  冷媒導入口、３ｂ  冷媒導出口、４  磁心、１１ａ  伝熱壁、１１ｂ  対向壁、１１ｃ  側壁、１２  ガイド部材、１３  間隔保持部材、２２  偏向電磁石、２３  真空ダクト。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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