(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＥモードを励起するための共振器空胴と、上記共振器空胴内に加速ビーム軸方向に複数個配列され、粒子を加速するための高周波加速電場を発生させるドリフトチューブと、上記ドリフトチューブを支えるステムとを備えたドリフトチューブ線形加速器において、上記ステムを加速ビーム軸に対し交互に上下対称配置されたステム配列とすると共に、前記ステム形状を、ドリフトチューブと接合する円柱形ボトルネック部と、上記ボトルネック部の径より大きい径を有する円柱形ボトルボトム部と、上記円柱形ボトルネック部から円柱形ボトルボトム部まで円柱形が連続して変化する面とから構成されたボトルシェイプ型としたことを特徴としたドリフトチューブ線形加速器。
【請求項２】
上記ボトルシェイプ型ステムは、円錐台型ステムのドリフトチューブと接合する上底径と同じ径を有する円柱形ボトルネック部と、円錐台型ステムの下底径と同じ径を有する円柱形ボトルボトム部を持ち、その表面積が上記円錐台型ステムの表面積よりも大きくなるように形成されたことを特徴とした請求項１記載のドリフトチューブ線形加速器。
【請求項３】
上記ボトルシェイプ型ステムは、その円柱形ボトルネック部から円柱形ボトルボトム部まで円柱形が連続して変化する面をテーパー状としたことを特徴とした請求項１あるいは２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】
この発明は、ドリフトチューブ間に発生する高周波加速電場により粒子を加速するドリフトチューブ線形加速器に関し、特にＨモード・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】
一般に、ビーム軸に垂直に電流が流れるＴＥ波（Ｈモード）を利用して荷電粒子を加速するドリフトチューブ線形加速器をＨモード・ドリフトチューブ線形加速器と呼んでいる。このドリフトチューブ線形加速器では、共振器空胴内部にそのビーム軸に沿ってドリフトチューブ（筒状電極）がステム（支持体）により複数個配置され、それぞれ隣接するドリフトチューブ間(加速ギャップ)に発生する高周波加速電場によって粒子がドリフトチューブを通過するたびに次々と加速されるようになっている。
【０００３】
ある加速ギャップで加速され、次の加速ギャップで加速されるまでの時間が高周波位相の180度である場合をπモード加速、360度である場合を2πモード加速、540度である場合を3πモード加速、・・・と呼ぶ。一般的に、πモード加速、3πモード、5πモード・・・により加速するドリフトチューブ線形加速器におけるステム配置は、加速ビーム軸に対し交互に上下対称に設置される。これらのステム形状としては、極細円柱型(cylindrical)、円錐台型(conical)、台形型(triangular)等が提案・採用されている。（例えば特許文献１、非特許文献１を参照）
【０００４】
【特許文献１】特許出願公開番号２００６-３５１２３３
【非特許文献１】V. Kapinet. al., HIMAC-090 July, 2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高周波加速電場を発生させるドリフトチューブの全長が短くなると、ドリフトチューブを支えるステムの表面電場がドリフトチューブ間に発生する高周波加速電場に影響を与える。特にπモード加速を特徴とするドリフトチューブ線形加速器では、隣り合うステムは加速ビーム軸に対し交互に上下対称に設置しているため、本来加速ビーム軸に対し対称分布であるべき高周波加速電場は上記ステム配置により非対称成分の影響を受けることとなる。すなわち、この非対称成分を含む高周波加速電場により加速される粒子は、加速ビーム軸から傾きドリフトチューブ内壁に衝突し安定して加速することができなくなる。
【０００６】
円錐台型ステムでは側面により、ドリフトチューブ間に発生する高周波加速電場への非対称成分が大きいので、この解決策として、ドリフトチューブ全長に対しステム径が十分に小さい極細の円柱型ステムが採用されるが、極細円柱型ステムではステム自身の表面積が小さいために、消費電力が大きくなって大電力源が必要となり、また構造上設置強度が弱いため、極細円柱全長を短くすることで強度を確保しているが、極細円柱全長を短くできない場合もあり、非対称成分の増加の欠点を承知の上で円錐台型ステムを使用せざるを得ないという問題点があった。
【０００７】
円錐台型ステム形状に類似した、あるところまでステム径が一律に拡大し、その時点で構造上に問題がなければ一定円柱径とする改良円錐台型ステムがある。これは、極細円柱型ステム形状よりも、また同様の上底径と下底径を持った円錐台型ステム形状より表面積が大きいため消費電力は上記３種類のステムの中で一番少ないという点で円錐台型ステムより改良されているといえるが、その反面、極細円柱型ステムはもとより、円錐台型ステ
ム形状よりもステム径の拡大する割合が高いために非対称成分が３種類の中で一番増加するという問題点があった。
【０００８】
以上のように従来の技術では、粒子の加速に影響を与えない非対称成分が得られるのは極細円柱型ステム形状であり、表面積が大きく取れ消費電力が一番小さいものは改良型円錐台型ステム形状であり、円錐台型ステムはその両者のバランスをとった形状であるといえる。要するに設置強度と、安定した粒子の加速と消費電力削減による電源装置費用と運転費用の両面から満足できるものはなく、これらを満足できるステム形状の実現が待たれていた。
【０００９】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ステムによる加速電場への非対称成分の影響を低減し、かつステム自身による消費電力を抑え、さらに構造上設置強度が強いことを特徴するステムを用いた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】
【００１０】
この発明のドリフトチューブ線形加速器は、ＴＥモードを励起するための共振器空胴と、上記共振器空胴内に加速ビーム軸方向に複数個配列され、粒子を加速するための高周波加速電場を発生させるドリフトチューブと、上記ドリフトチューブを支えるステムとを備えたドリフトチューブ線形加速器において、上記ステムを加速ビーム軸に対し交互に上下対称配置されたステム配列とすると共に、前記ステム形状を、ドリフトチューブと接合する円柱形ボトルネック部と、上記ボトルネック部の径より大きい径を有する円柱形ボトルボトム部と、上記円柱形ボトルネック部から円柱形ボトルボトム部まで円柱形が連続して変化する面とから構成されたボトルシェイプ型としたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、ステム形状をボトルシェイプ型にすることにより、ボトルネック部分で極細円柱ステムと同程度の高周波加速電場への非対称成分にとどめることができ、かつボトルボトム部径が拡大することでステム自身の構造上設置強度が増し、さらに、ステム自身の表面積が大きくなることからステムでの消費電力が低下するため、粒子を安定に、かつ省電力に加速することができるという顕著な効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
Ｈモード・ドリフトチューブ線形加速器のうち、ＩＨ型（Interdigital-H-mode）共振器空胴を用いたものをＩＨ型線形加速器と呼ぶ。図１は本発明の実施の形態１によるＩＨ型線形加速器を示す断面図で、特にπモード加速型ドリフトチューブ線形加速器の例を示している。図において、１はＴＥモードを励起するための共振器空胴、２は粒子を加速するための高周波加速電場を発生させる加速ビーム軸方向aに沿って複数個配列したドリフトチューブ、３は上記ドリフトチューブ２を支えるボトルシェイプ型のステムであり、πモード加速により粒子を加速させるために加速ビーム軸aに対し交互に上下対称に配置されたステム配列となっている。
【００１３】
図２は実施の形態１によるボトルシェイプ型ステム形状の拡大図を示す。これから明らかなように、ドリフトチューブ２と接合する円柱部（ボトルネック部）５はステム３による非対称成分が実質的に影響を与えない極細円柱ステム径と同等（例えば５ｍｍ）とし、他方の円柱部(ボトルボトム部)６は構造上設置強度に問題がない程度の大きさ（例えば３０ｍｍ）にし、ボトルネック部５からボトルボトム部６まで円柱形が連続して変化する面７を有するステム形状となっている。ここで、構造上設置強度に問題がない程度の大きさとするのは、その形状が円柱、円錐台型、もしくはステム径がドリフトチューブと接合する上底径から共振器空胴もしくはリッジに設置する側の下底径にむけて同方向に拡大する形状の場合、構造上の設置強度は、いずれもその下底径に依存することが分っているからである。
【００１４】
そこで、ボトルシェイプ型ステムのボトルネック部からボトルボトム部まで円柱形が連続して変化する面７を、ボトルシェイプ型ステム自身の表面積がこの円錐台型ステム形状表面積よりも大きくなるように最適化設計をすると、ボトルネック部５は極細円柱型ステムと同程度にすることで高周波加速電場の非対称成分は抑制されたまま、ステム自身の表面積が円錐台型ステムよりも大きくなることで円錐台型ステムよりも消費電力が少なく、かつ構造上設置強度に問題がないステムを得ることができることが分かった。
さらに、ボトルボトム部６をさらに拡大すれば、より消費電力が少なくすることができる。なお、上記基準が満たされるものであるならば、ボトルネック部からボトルボトム部まで円柱形が連続して変化する面７を単純なテーパー状であっても、また、数段階のテーパー状を組み合わせても良い。
【００１５】
図３は極細円柱型ステム、円錐台型ステム、そして実施の形態１によるボトルシェイプ型ステムを搭載したＩＨ型線形加速器の消費電力を３次元電磁場解析計算により算出した結果を棒グラフにしたものである。ここで、それぞれの形状は、粒子の加速に影響がない高周波加速電場への非対称成分の影響に最適化されており、極細円柱型ステム径はφ5mm、円錐台型ステムのドリフトチューブとの接合部での上底径はφ5mmで中心軸と母線のなす角度は10度、下底径φ30mmの円錐台形状、ボトルシェイプ型ステムのボトルネック部の径は極細円柱型ステム径と円錐台型ステム上底径と同じφ5mmで、ボトルボトム部径は円錐台型ステム下底径と同じφ30mmとし、円錐台型ステムより表面積が大きくなるようなボトルネック部からボトルボトム部まで円柱形が連続して変化する面を最適化した。
【００１６】
図３より、非対称成分が同程度の極細円柱ステムに比べ消費電力が大幅に低下し、かつ円錐台型ステムよりも消費電力が低下していることが分かり、非対称成分の影響、消費電力の一方のみでは最良とはいえないものの、バランスとしては従来の円錐台型ステム形状や、改良型円錐台型ステム形状よりも大きく改善していることがわかる。
以上のようにボトルシェイプ型ステムを用いることにより、極細円柱ステムと同様に高周波加速電場に影響を与える非対称成分は実質的に粒子を加速するのに問題なく、また、ステム自身での消費電力も円錐台型ステムより減少させることができ、製作も容易で安価かつ構造上の設置強度も強いステムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１によるIH型線形加速器を示す断面図、
【図２】本発明の実施の形態１によるボトルシェイプ型ステム形状の拡大図、
【図３】ステム形状ごとのIH型線形加速器の消費電力計算結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１８】
１  共振器空胴、  ２  複数のドリフトチューブ、  ３  ステム、
５  ボトルネック部、  ６  ボトルボトム部、  ７  ボトルネック部からボトルボトム部まで円柱形が連続して変化する面部。
【図１】
0004717093.tif 000002
【図２】
0004717093.tif 000003
【図３】
0004717093.tif 000004