(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子が内部を移動するビームパイプに継合した超伝導材料製高周波加速空洞と該高周波加速空洞に近接して前記ビームパイプに取り付けられた高周波フィルターを有する高周波加速器において、前記高周波フィルターは、該ビームパイプの内部に連通した真空空間を画成する外導体、該外導体の内面に支持されて前記真空空間内に配設された内導体、及び前記外導体の内面を気密に貫いて配設されたアンテナから構成され、超伝導材料から形成された前記外導体、前記内導体及び前記アンテナの少なくとも一つの前記真空空間に面しない部分に相対的に高い熱伝導率を持つ部材が配置されていることを特徴とする高周波加速器用高周波フィルター。
【請求項２】
前記内導体の内部にそのほぼ全長に亘って相対的に高い熱伝導率を持つ部材が配置されていることを特徴とする請求項１記載の高周波加速器用高周波フィルター。
【請求項３】
前記外導体の外面に相対的に高い熱伝導率を持つ部材が配置されていることを特徴とする請求項１記載の高周波加速器用高周波フィルター。
【請求項４】
前記真空空間内に位置する前記アンテナの内部に相対的に高い熱伝導率を持つ部材が配置されていることを特徴とする請求項１記載の高周波加速器用高周波フィルター。
【請求項５】
前記内導体に近接する前記アンテナの先端に絶縁材層を形成していることを特徴とする請求項１記載の高周波加速器用高周波フィルター。
【請求項６】
前記外導体の上蓋に近接する前記内導体の端部の対向面積を大きくし前記上蓋と前記内導体の端部との間の静電容量を増大していることを特徴とする請求項１記載の高周波加速器用高周波フィルター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子加速に用いられる高周波加速器に関し、特に高周波加速空洞に組み合わせて使用される高周波フィルターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６を参照して従来の高周波加速器の構造を概説すると、内部が高真空に保持されたビームパイプ１の中を荷電粒子３（強調して図示されている。）が高速度に加速されて移動する。荷電粒子３を加速するのは、ビームパイプ１の途中に設けられた高周波加速空洞５で、これは軸方向断面が波形で径方向断面が環状の中空構造物であり、径方向断面が環状のビームパイプ１に継合している。高周波加速空洞５は、高周波電力の投入により内部に電場を発生させて荷電粒子３を加速するものであるが、超伝導高周波加速器では、その殻を流れる電流に対する抵抗を小さくするため、超伝導材料で製作され、その外部を取り囲む冷媒槽７の中を流れる冷媒によって所定温度以下に冷却されている。
【０００３】
而して、高周波加速空洞５内には、荷電粒子３の通過によって、投入した高周波の周波数（基本周波数）とは異なる周波数の高調波が発生し、荷電粒子３の加速に悪影響を及ぼす。前述のように、超伝導材料から形成された高周波加速空洞５の表面で高調波が減衰せずに高周波加速空洞５の内部に蓄積するため、高周波フィルター１０が設けられ、その高調波を取り除いて荷電粒子３の安定加速を行うようにしている。
【０００４】
高周波フィルター１０の詳細構造が図７に示されている。高周波フィルター１０は、高周波加速空洞５から周波数に対して選択的に高周波電力を取り出すが、高周波加速空洞５と同様に超伝導材料で製作される。高周波フィルター１０の構造を概説すると、ビームパイプ１に取り付けられた外導体１１，その外側端を閉じる外導体上蓋１３，内導体１５とこれを外導体１１に固定する内導体脚部１７及びアンテナ１９を有する。超伝導材料から製作された高周波フィルター１０を超伝導状態で使用するため、冷却される。高調波により内導体１５の表面、例えば内導体先端部１５ａで発生した熱は、内導体脚部１７を介しての熱伝導によって、又は内導体１５に設けた冷却用穴に冷媒を満たすことで外部に取り除いている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような高周波フィルター１０において、内導体１５を熱伝導で冷却する場合、その経路が長いので取り出すべき高調波の電力が高いと内導体１５の温度が上昇し、高調波の取り出し効率が低下して周波数特性が不安定になるという問題があった。又、形成した冷却用穴に冷媒を満たすために高周波フィルター１０全体を冷媒中に浸漬したり、又は配管を接続する必要があり、装置全体の構造が複雑化するという問題があった。
一方、高調波の取り出し効率は、アンテナ１９先端と内導体１５の隙間寸法に依存し、隙間は小さい程良いが、両者が接触すると高周波フィルター１０の周波数特性が、高帯域透過フィルターから帯域禁止フィルターに変化し、低周波側も透過するようになる。基本波の周波数が禁止帯域内に入るように調整を厳密に行う必要が生じ、これらを接触させてはいけない。このため、アンテナ１９の先端と内導体１５が接触することなく、隙間寸法を小さく保つための調整に多大の労力を要するとの問題もあった。
更に、高周波フィルター１０は基本波を取り出さずに高調波を取り出すものであるが、この周波数特性は内導体１５の上部と外導体上蓋１３との隙間寸法によって大きく変化するという性質がある。即ち、その隙間寸法の変化に対する周波数の変化が敏感なため、その調整にも多大な労力を要するという問題があった。本発明はこのような問題に鑑みなされたもので、構造が簡単で高調波による発生熱を速やかに除去できる高周波加速器用高周波フィルターを提供することを目的とする。
又、本発明は、周波数特性を安定させて各部の調整が容易な高周波加速器用高周波フィルターを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明によれば、荷電粒子が内部を移動するビームパイプに継合した超伝導材料製高周波加速空洞と該高周波加速空洞に近接して前記ビームパイプに取り付けられた高周波フィルターを有する高周波加速器において、高周波フィルターは、該ビームパイプの内部に連通した真空空間を画成する外導体、該外導体の内面に支持されて前記真空空間内に配設された内導体、及び前記外導体の内面を気密に貫いて配設されたアンテナから構成され、超伝導材料から形成された前記外導体、前記内導体及び前記アンテナの少なくとも一つの前記真空空間に面しない部分に相対的に高い熱伝導率を持つ部材が配置されて構成される。好適には、内導体の先端部から取り付け脚部の基端までの内部に銅、金、銀、アルミニウム又はこれらの合金などからなる相対的に高い熱伝導率を持つ部材が配置されて発生熱を速やかに外部に導出する。又は、外導体の外面や真空空間内に位置する前記アンテナの内部に同様な相対的に高い熱伝導率を持つ部材を配置するのも好適である。
更には、本発明の好適な実施形態によれば、高周波フィルターの内導体に近接するアンテナの先端に絶縁材層を形成し、或いは外導体の上蓋に近接する前記内導体の端部の対向面積を大きくし前記上蓋と前記内導体の端部との間の静電容量を増大し、その周波数特性を安定させている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。尚、全図に亘り同一部分には同一符号を付している。
先ず、図１を参照するに、高周波フィルター２０の外導体２１は、図示しない加速器のビームパイプに連絡している。外導体２１は、ニオブ、ニオブチタン、ニオブ三錫などの超伝導材料から製作されている。外導体２１の内部に位置する内導体２３は、脚部２３ａを介して外導体２１に固定されるが、これは前述と同様な超伝導材料の棒材から機械加工により製作されている。他の製作方法によって製作しても良い。そして、高い熱伝導率を有する銅の棒材からなる内部構造体２５が、内導体２３の中に削成された穴の中に入れられている。図示はされていないが、内導体２３の内面と銅棒製内部構造体２５との間の接触面積を増大するために、両者の間にインジウムなどの柔らかな材料を挟むのが好適である。そして、内部構造体２５の挿入口となった上端２３ｂは超伝導材料製の板を電子ビーム溶接により固定して閉じる。更に、外導体２１を気密に貫いて、超伝導材料製アンテナ２７が設けられ、その先端と内導体２３との間の隙間は適正に保持される。
【０００８】
前記した構成の高周波フィルター１０を使用すると、図示しない高周波加速空洞内で励起された高調波は、内導体２３、外導体２１の表面で高周波損失として発熱する。この熱は熱伝導により外部の低温側へ伝えられるが、特に内導体２３の表面で発生した熱は、銅棒製内部構造体２５により速やかに伝導されて外部に除去される。このようにして、高周波フィルター１０は低温に保持され、高調波の取り出し効率が良好に維持され、周波数特性も安定する。
【０００９】
尚、上述の実施形態においては、内部構造体２５を銅棒から形成したが、銅粉や銅ウールから構成しても良く、或いは金、銀、アルミニウム又はこれらを主成分とする合金材料を用いても良い。又、製作方法として、上述の実施形態におけるように、固体材料を内導体２３の穴の中に挿入しても良いが、これらの材料を溶融した状態で注入、固化しても良い。更には、銅棒製内部構造体２５と内導体２３との接触面積を増やす軟質材料の代わりに，溶射等により銅などの薄膜を内導体２３の穴の面に形成しても同様に作用効果が得られる。
更に又、前述の実施形態においては、超伝導材料製の素材に穴を削成して、内部に高熱伝導率材料の内部構造体２５を形成したが、先ず銅棒などで内部構造体２５を製作し、その外表面にメッキ、溶射、真空蒸着法、スパッタリング法などにより、前述のような超伝導材料の薄膜を形成して、内導体２３としても良い。超伝導材料としては、前記のものの外に酸化物超伝導体などの適宜なものが使用でき、前記のものに限定されるものではない。
【００１０】
次に図２を参照して別の実施形態を説明する。図２に示された高周波フィルター２０の外導体２１は前述のものであり、内導体３１の外形形状寸法は前述の内導体２３と同じであるが、超伝導材料の中実構造として形成されている。アンテナ３３は、超伝導材料製の素材に内部穴を穿設して形成され、銅棒製の内部構造体３５が挿入されている。当業者にとって図１との対比から容易に理解されるように、本実施形態のアンテナ３３は図１の実施形態の内導体２３と同様な構造をしており、従ってその製作は同様な態様ででき、同様な改変例も容易に想到される。そして、アンテナ３３の表面に発生した熱は速やかに外部へ導出され、同様な効果が得られる。
【００１１】
更に、図３を参照して更に別の実施形態を説明する。図３において、高周波フィルター４０の内導体３１は図２のものと同じであり、アンテナ２７は図１のものと同じである。図示しないビームパイプに連結する外導体４１は、超伝導材料製内殻部材４３と、銅製の外殻部材４５との二重壁構造として形成される。外殻部材４５の構成材料は、銅の代わりに金、銀、アルミニウム又はこれらの合金材料でも良いことは勿論である。これの製作方法としては、内殻部材４３の外面に銅を鍍金、溶射、スパッタ成膜、真空蒸着法などにより成膜しても良く、逆に外殻部材４５の内面に超伝導材料製の膜を同様な方法で形成しても良い。又、超伝導材料と高熱伝導率材料のクラッド材料として形成しても良い。
【００１２】
以上のような構成の高周波フィルター４０は、外導体４１の外面即ち外殻部材４５を冷媒への浸漬冷却又は熱伝導冷却の状態に置いて使用される。外導体４１、内導体３１又はアンテナ２７に高周波損失として発生した熱は、熱伝導により除去されるが、特に外殻部材４５が高熱伝導率材料である銅で製作されているので、熱抵抗が小さく効率的に除熱されて低温に維持される。このようにして、前述の実施形態と同様な効果が得られる。
【００１３】
前述の３個の実施形態においては、内導体、外導体及びアンテナを個別に複合構造とし、その構成材料の一部に高熱伝導率材料の銅を使用したが、これらを組合せて、２部材、例えば内導体とアンテナ、の構成材料の一つとして高熱伝導率材料を使用し、又は内導体、外導体及びアンテナの全ての構成材料の一部に高熱伝導率材料を使用しても良いことは勿論である。
【００１４】
更に、図４を参照して周波数特性の安定化を図った実施形態を説明する。図４（ａ）において、高周波フィルター５０の外導体４１、内導体２３及びアンテナ３３は、何れも前述したものであり、複合構造となっていてその構成材料の一部に銅が使用されている。そして、（ｂ）図に示すごとく、内導体２３に近接したアンテナ３３の先端には、酸化珪素からなる絶縁材層５１が形成されている。絶縁材層５１の形成方法としては、ＣＶＤ、溶射、イオンプレーティング、琺瑯引きなどの適宜なものが選択される。又、絶縁材層５１の形成材料としては、酸化珪素に代えて、窒化珪素、窒化硼素、アルミナなどが使用できる。
【００１５】
前述の構成の高周波フィルター５０においては、外導体４１、内導体２３及びアンテナ３３の有する銅の部材により熱が速やかに除去されると共に絶縁材層５１により内導体２３とアンテナ３３の直接接触が防止される。このため、常に絶縁材層５１の厚さだけの隙間が常に確保され、周波数Ｆfと基本周波数との厳密な調整無しに、高調波の高い取り出し効率を安定して得ることができる。
尚、本実施例においては、内導体、外導体及びアンテナの何れも複合構造としたが、少なくともその１部材、例えば内導体のみ、を複合構造として高熱伝導率材料を使用すればよい。
【００１６】
更に、周波数特性を安定化させるために、図５に示す高周波フィルター６０のように、内導体１２３の上端部１２３ａを拡大して、外導体４１の上蓋４１ａの対向面積を大きくする。内導体１２３の他の構造は、内導体２３と同じである。このような構造において、内導体１２３の上端部１２３ａと外導体４１の上蓋４１ａとの間に隙間ｄが存在する。このようにして、内導体１２３と外導体４１の間の静電容量が増大し、周波数特性が安定し、取り付け調整が容易になる。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１乃至請求項４の発明によれば、高周波加速器の超伝導材料製高周波フィルターの構成部材の少なくとも一つに、高熱伝導性材料からなる部材を複合的に組み合わせたので、高調波の吸収によって生ずる熱を速やかに外部に除去して低温に保持し、高調波の除去効率を向上することができる。更に、請求項５乃至請求項６による発明によれば、周波数特性が安定するので、取り付け調整を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施形態の概念図である。
【図２】本発明による別の実施形態の概念図である。
【図３】本発明による更に別の実施形態の概念図である。
【図４】本発明による別の改変実施形態の概念図である。
【図５】本発明による更に別の改変実施形態の概念図である。
【図６】本発明に係る高周波フィルターが使用される高周波加速器の概念図である。
【図７】従来の高周波フィルターの概念図である。
【符号の説明】
２０  高周波フィルター
２１  外導体
２３  内導体
２５  内部構造体
２７  アンテナ
３０  高周波フィルター
３１  内導体
３３  アンテナ
３５  内部構造体
４０  高周波フィルター
４１  外導体
４３  内殻部材
４５  外殻部材
５０  高周波フィルター
５１  絶縁材層
６０  高周波フィルター
１２３  内導体
【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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