(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子の加速方向に延び且つ前記荷電粒子を加速するための空間を包囲する基本空洞と、前記加速する荷電粒子に摂動効果を与える円盤と、を前記加速方向に沿って交互に配列することで、前記荷電粒子を加速するための複数のセルが形成された加速空洞であって、
前記加速空洞は銅電鋳からなる外壁層を有し、
前記各基本空洞は、チューブ状のセラミックス製空洞と、前記セラミックス製空洞の表面に形成された活性銀ろう材層と、前記活性銀ろう材層の表面に形成された銅電鋳層と、を有し、
前記各円盤は、セラミックス製円盤と、前記セラミックス製円盤の表面に形成された活性銀ろう材層と、前記活性銀ろう材層の表面に形成された銅電鋳層と、を有し、
前記各基本空洞と前記各円盤とは、前記外壁層及び前記各銅電鋳層にて接合されることで一体化されていること、
を特徴とする加速空洞。
【請求項２】
少なくとも一端にセラミックス製空洞からなるダミーロードが形成されていることを特徴とする請求項１記載の加速空洞。
【請求項３】
請求項１或いは請求項２記載の加速空洞を具備する高周波加速器。
【請求項４】
チューブ状のセラミックス製空洞の表面に活性銀ろう材層を形成した後、当該活性銀ろう材層の表面に銅電鋳層を形成することで基本空洞を形成する工程と、セラミックス製円盤の表面に活性銀ろう材層を形成した後、当該活性銀ろう材層の表面に銅電鋳層を形成することで加速する荷電粒子に摂動効果を与えるための円盤を形成する工程と、
前記基本空洞と前記円盤とを加速方向に沿って交互に接続し、その外壁に銅電鋳層を形成することで前記基本空洞と前記円盤とを一体化させる工程と、
を具備することを特徴とする加速空洞の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高エネルギー物理学或いは医療機器等に用いられる加速空洞、当該加速空洞を備えた加速器及び当該加速空洞の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
加速器とは、電磁気力を利用することにより、電子、陽子や各種のイオン荷電粒子を加速して高エネルギーの粒子を作る装置である。この加速器によって作られた高速粒子のビームを原子核に衝突させ、核反応を起こさせたり、素粒子を作ったりすることにより、原子核や素粒子の性質を調べることができる。また、この加速器を用いて得られる高速粒子は、前記原子核や素粒子等の学術的実験に使用されるばかりでなく、例えば、医療分野における放射線治療への応用等様々な分野に応用されている。
【０００３】
加速空洞を用いた実験では、電子等の粒子を高エネルギーの状態まで加速させる。従って、加速空洞には、高い表面導電率が必要とされる。また、加速器は、粒子を標的に衝突させる実験に使用されるものである。従って、正確な衝突の実現のため、加速空洞は極めて高精度に製造かつ設置される必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の無酸素銅鍛造材を基本構造をする加速空洞は、高い表面導電率を有する。しかしながら、金属を基本材料としていることから、ビームの安定加速に影響を与えてしまう要因が幾つか存在する。
【０００５】
例えば、電子加速管１本で約１００ｋｇと自重が大きく、加速空洞自身のたわみが大きい。また、金属をその基本構造としていることから、温度によって膨張することで装置の精度が低下することがあり、熱安定性に欠ける。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高い導電性を有し、軽量且つ熱的に安定な加速空洞、当該加速空洞を有する加速器及び加速空洞の製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
本発明の第１の視点は、荷電粒子の加速方向に延び且つ前記荷電粒子を加速するための空間を包囲する基本空洞と、前記加速する荷電粒子に摂動効果を与える円盤と、を前記加速方向に沿って交互に配列することで、前記荷電粒子を加速するための複数のセルが形成された加速空洞であって、前記加速空洞は銅電鋳からなる外壁層を有し、前記各基本空洞は、チューブ状のセラミックス製空洞と、前記セラミックス製空洞の表面に形成された活性銀ろう材層と、前記活性銀ろう材層の表面に形成された銅電鋳層と、を有し、前記各円盤は、セラミックス製円盤と、前記セラミックス製円盤の表面に形成された活性銀ろう材層と、前記活性銀ろう材層の表面に形成された銅電鋳層と、を有し、前記各基本空洞と前記各円盤とは、前記外壁層及び前記各銅電鋳層にて接合されることで一体化されていること、を特徴とする加速空洞である。
【０００８】
本発明の第２の視点は、第１の視点に係る加速空洞であって、少なくとも一端にセラミックス製空洞からなるダミーロードが形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の第３の視点は、第１の視点又は第２の視点に係る加速空洞を具備する高周波加速器である。
【００１０】
本発明の第４の視点は、チューブ状のセラミックス製空洞の表面に活性銀ろう材層を形成した後、当該活性銀ろう材層の表面に銅電鋳層を形成することで基本空洞を形成する工程と、セラミックス製円盤の表面に活性銀ろう材層を形成した後、当該活性銀ろう材層の表面に銅電鋳層を形成することで加速する荷電粒子に摂動効果を与えるための円盤を形成する工程と、前記基本空洞と前記円盤とを加速方向に沿って交互に接続し、その外壁に銅電鋳層を形成することで前記基本空洞と前記円盤とを一体化させる工程と、を具備することを特徴とする加速空洞の製造方法である。
【００１１】
このような構成によれば、高い導電性を有し、軽量且つ熱的に安定な加速空洞、当該加速空洞を有する加速器及び加速空洞の製造方法を提供することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。なお、本発明に係る加速空洞は、直線状加速器及び円形状加速器の何れにも適用可能であるが、以下の説明においては定在波型の高周波型線形加速器を例として説明を行う。また、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１３】
図１は、高周波型線形加速器１０（図２参照）を構成する加速空洞２０を側面から見た断面図を示している。
【００１４】
図１において、加速空洞２０は、基本空洞２３、円盤２１、銅電鋳層からなる外層２４を有している。すなわち、加速空洞２０は、粒子の加速方向に沿って交互に配列された基本空洞２３と円盤２１とが外壁に形成した銅電鋳層にて一体に接合された構造を有している。
【００１５】
基本空洞２３は、ＳｉＣ（炭化珪素）を素材としたセラミックス空洞２００をその基本骨格とし、その表面にチタン添加による活性銀ろう材の金属層（以下、ろう材層２０１）、ろう材層２０１上にさらに無酸素銅の層（以下、無酸素銅層２０２）が積層された構成になっている。
【００１６】
円盤２１を基本空洞２３の開口縁と合わせて設置することで、加速空洞２０の中はｎ個のセルに仕切られている。この円盤２１も、ＳｉＣ（炭化珪素）を素材としたセラミックス製円盤２１０を基本骨格とし、その表面にチタン添加による活性銀ろう材の金属層（以下、ろう材層２０１）、ろう材層２０１上にさらに無酸素銅の層（以下、無酸素銅層２０２）が積層されてた構成となっている。当該各円盤２１の間隔（すなわち、各セルの長さ）は、πモードの高周波を印加するものとして設計されている。円盤２１は加速空洞２０に共振する電磁波に摂動効果を与え、円盤２１の穴の内径は、図示していない入射器から入射される加速粒子ビームの集束性に影響を与える。
【００１７】
図２は、本実施形態に係る定在波型の高周波型線形加速器１０の一部を示した鳥瞰図である。高周波型線形加速器１０は、要求される加速特性により多少異なるが、図１に示した円形チューブ状の空洞管である長さ１〜３ｍ程度の加速空洞２０を、軸方向（粒子加速方向）に複数接続した構成になっている。また、図１には図示してないが、本線型加速器は、ビーム入射器、ビームバンチャ、ビーム集束用磁石（４極磁石等）等公知の線形加速器１０が有する構成要素を有している。
【００１８】
次に、図１及び図２を参照して、上記線形加速器１０の動作原理を簡単に説明する。
【００１９】
円盤２１の穴の中心を同軸上に並べて装着した加速空洞２０を複数接続して線形加速器１０とし、その内部を真空にする。これは、ビームの通過軌道に残留ガスがあると、これがビームと衝突することによりビームが理想的な通過軌道より外れてしまい、その結果、ビーム中の粒子数が減少してビームの寿命を短くしてしまうからである。そして、線形加速器中にπモードの高周波（マイクロ波）を供給すると、高周波は定在波として線形加速器１０内を空洞共振する。
【００２０】
このような設定において、例えば、荷電粒子のビームを図２中ビーム入射側から出射側に向かって各円盤２１の中心を通過するように発射する。すると、ビームは各セル中を通過する度に当該セル中に生じた電場によって加速される。各セルの長さは、加速されたビームが各円盤２１中を通過したときに共振している高周波の向きがちょうど逆転するような電磁波のモード（今の場合、πモード）に合わせて調節される。
【００２１】
ところで、従来の無酸素銅鍛造材による加速空洞を使用した加速空洞においては、ダミーロードと呼ばれる周辺機器が別途必要とされる。ダミーロードとは、粒子加速に使用された余剰高周波電力を加速空洞の外部に取り出して、ジュール熱として吸収する吸収体である。このダミーロードは、印可される高周波と電気的に接続されて、例えば加速空洞の側面等設けられる。
【００２２】
本発明に係る加速空洞２０は、従来の無酸素銅鍛造材による加速空洞と異なり、新たに周辺機器としてのダミーロードを設ける必要はない。すなわち、基本構造であるセラミックス空洞２００の炭化珪素を適切な場所にて露出させ、ダミーロードとして使用することにより、上記周辺機器としてのダミーロードが不要な加速器を実現することができる。例えば、本発明に係る加速空洞２０では、図３に示すように、加速空洞２０内において活性銀ろう材層及び銅電鋳層が形成されていない部分を形成し、ダミーロードとすることができる。そして、余剰高周波電力は、この電波吸収体としての露出したＳｉＣ（炭化珪素）によって吸収される構成となっている。
【００２３】
この様な構成によれば、別途周辺機器としてのダミーロードを設ける必要が無く、装置の構成を簡略化することができる。また、加速空洞２０の一部のＳｉＣ（炭化珪素）をダミーロードとして使用しているから、装置の軽量化を実現することができる。
【００２４】
次に、加速空洞２０の製造方法について説明する。
【００２５】
本発明に係る製造方法の重要な点は、銅電鋳層２０２とセラミックス製空洞２００との間に活性銀ろう材層２０１を形成することで、ＳｉＣ界面において剥離が発生しない加速空洞２０を製造する着想にある。すなわち、例えば金属蒸着法によってセラミックス製空洞２００表面に直接銅電鋳層２０２を形成した場合には、セラミックス製空洞２００界面においてはその接着強度が不十分であり、例えばその銅被覆過程において銅電鋳層２０２とセラミックス製空洞２００界面で剥離が発生することがある。この剥離により、加速空洞の導電効率は低下し、実験精度は低下する。
【００２６】
しかしながら、本発明に係る加速空洞製造方法の様に、銅被覆工程の前に活性銀ろう材塗布・反応層形成処理を実行することで、銅電鋳層の剥離が発生しない加速空洞２０を製造することが可能である。これは、活性銀ろう材中に添加されたチタンがＳｉＣ中の炭素と化学反応を起こすことで当該活性銀ろう材とＳｉＣ基材表面との接着が強固となり、当該ＳｉＣ基材表面での剥離が発生しなくなるためである。
【００２７】
以下、具体的手段を示す。
【００２８】
図１に示した本実施形態に係る加速空洞２０は、粒子の加速方向に沿って交互に配列された基本空洞２３と円盤２１とが外壁に形成した銅電鋳層にて一体に溶接された構造を有している。
【００２９】
まず、上述した層構造を有する各基本空洞２３と各円盤２１との製造方法について説明する。
【００３０】
所定の設計にて製造されたセラミックス製空洞２００の表面に、チタン等を添加した活性銀ろう材シート或いは粉末を塗布し、層を形成する。このときの層の厚さは、例えば約１００μｍ程度である。なお、添加したチタンの比率は、例えば１．５乃至２％である。
【００３１】
次に、活性銀ろう材を塗布したセラミックス製空洞２００に対して、真空熱処理炉によりそのろう材成分に応じた溶融温度、およそ８５０℃で約５分間保持の真空熱処理を施し、ろう材層２０１を形成する。その結果、セラミックス製空洞２００と活性銀ろう材２０１とのＴｉＣ等の反応層を形成させて界面接合強度の確保を行う。なお、この真空熱処理によるろう材層２０１の形成は、一般的に７００乃至９００℃で行われる。
【００３２】
その後、上記工程によって形成されたろう材層２０１表面に対し、加速空洞成立に必要な膜厚の初層メッキ、銅電鋳処理を施すことで、基本構造のセラミックス製空洞２００の表面と銅電鋳層２０２との間に活性銀ろう材層２０１が形成された構成を有する基本空洞２３を得ることができる。
【００３３】
なお、円盤２１は、上述した加速空洞２０の同様の方法にて製造することが可能である。従って、その説明は省略する。
【００３４】
続いて、上記基本空洞２３と円盤２１とから加速空洞２０を製造する工程について説明する。
【００３５】
上述の様にして得られた基本空洞２３と円盤２１とを高精度にアライメントしながら粒子の加速方向に沿って交互に配列する。その外側に銅電鋳処理を施すことで、基本空洞２３及び円盤２１に形成された各銅電鋳層２０２と一体化された銅電鋳層２４が形成される。
【００３６】
以上の工程を経て、ＳｉＣ基材表面に活性ろう材層及び無酸素銅の電鋳層を形成させた構造を有する加速空洞を得ることができる。
【００３７】
このような構成の加速空洞によれば、高い導電性能を有し、且つ従来の無酸素銅鍛造材による加速空洞に比べて軽量な加速空洞及び加速器を実現することができる。例えば、発明者らの実験によれば、ＳｉＣを基本構造とした加速空洞２０と、当該加速空洞２０と同一構造をもる無酸素銅鍛造材による従来の加速空洞をの重量比較をした場合、加速空洞２０は従来のものの１／８の重量であった。
【００３８】
また、加速空洞２０は、ＳｉＣ（炭化珪素）を基本構造としている。従って、従来の無酸素銅鍛造材による加速空洞に比べて熱による膨張が少なく、より高精度な実験を行うことが可能である。
【００３９】
また、加速空洞２０は、ＳｉＣ（炭化珪素）の表面と銅電鋳層との間に活性銀ろう材層を有する構成となっている。従って、ＳｉＣ界面において剥離が発生するのを防止することができる。
【００４０】
また、加速空洞２０は、内側のみＳｉＣ（炭化珪素）を露出させた基本空洞をダミーロードとして使用することができる。従って、別途周辺機器としてのダミーロードを設ける必要が無く、装置の簡略化・軽量化を実現することができる。
【００４１】
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変形例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。例えば以下に示すように、その要旨を変更しない範囲で種々変形可能である。
【００４２】
上記実施形態においては、基本空洞内のセラミックスを露出させたダミーロード２５を設ける構成を示した（図３参照）。これに対し、ダミーロード２５とともにセルを形成する円盤２１（すなわち、図３では出射側から数えて一番目と二番目の円盤２１）のダミーロード側の面についても、セラミックスを露出させる構成であってもよい。
【００４３】
この様な構成によれば、余剰高周波の吸収効率をより高くすることができる。
【００４４】
なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその趣旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組合わせた効果が得られる。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００４５】
【発明の効果】
以上本発明によれば、高い導電性を有し、軽量且つ熱的に安定な加速空洞、当該加速空洞を有する加速器及び加速空洞の製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、高周波型線形加速器１０を構成する加速空洞２０を側面から見た断面図を示している。
【図２】図２は、高周波型線形加速器１０の一部を示した鳥瞰図である。
【図３】図３は、ダミーロードを備えた加速空洞２０を示した図である。
【符号の説明】
１０…線型加速器
２０…加速空洞
２１…円盤
２３…基本空洞
２４…外層（銅電鋳層）
２５…ダミーロード
２００…セラミックス製空洞（ＳｉＣ製空洞）
２０１…活性銀ろう材層
２０２…銅電鋳層
２１０…セラミックス製円盤
【図１】
0003868322.tif 000002
【図２】
0003868322.tif 000003
【図３】
0003868322.tif 000004