(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子を発生する荷電粒子源と、超伝導状態に保たれる超伝導加速空洞を有していて前記荷電粒子源から供給される荷電粒子を当該超伝導加速空洞における高周波電界によって加速して出力する超伝導加速器と、この超伝導加速器内の超伝導加速空洞に加速用の高周波電力を供給する高周波発振器と、前記超伝導加速器にその内部の超伝導加速空洞を超伝導状態に保つ液体冷媒を供給する複数台の冷凍機とを備える荷電粒子加速装置において、
前記超伝導加速器から出力する荷電粒子のエネルギーを目的とする値に保ちつつ荷電粒子のパワーを定格パワーよりも下げて運転するときに、前記高周波発振器から高周波電力を前記超伝導加速器にデューティ比Ｄ（０＜Ｄ＜１）で間欠的に供給して前記超伝導加速器における荷電粒子の加速をデューティ比Ｄで間欠的に行って前記超伝導加速器から出力する荷電粒子の平均電流を下げ、かつ当該デューティ比Ｄを小さくする段階に応じて前記冷凍機の運転台数を減らすことを特徴とする荷電粒子加速装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高周波形の線形加速器の一種である超伝導加速器を用いて電子、イオン等の荷電粒子を加速して、被照射物に対する電子線照射、イオン照射、あるいはＸ線ターゲットへの電子線照射によるＸ線発生等に用いられる超伝導形の荷電粒子加速装置の運転方法に関し、より具体的には、荷電粒子のエネルギーを目的とする値に保ちつつそのパワーを定格パワーよりも下げて運転する場合に好適な運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導形の荷電粒子加速装置の一例を図１に示し、その超伝導加速器周りの一例を図２に示す。
【０００３】
この荷電粒子加速装置は、電子等の荷電粒子４を発生する荷電粒子源２と、超伝導状態に保たれる超伝導加速空洞１４を有していて荷電粒子源２から供給される荷電粒子４を当該超伝導加速空洞１４における高周波電界によって加速して出力する超伝導加速器６と、この超伝導加速器６に（より具体的にはその内部の超伝導加速空洞１４に）加速用の高周波電力１９を供給する高周波発振器１８と、超伝導加速器６にその内部の超伝導加速空洞１４を超伝導状態に保つ液体冷媒１２を供給する冷凍機１６とを備えている。２０は同軸管である。
【０００４】
超伝導加速器６は、冷凍機１６から供給された液体冷媒１２が満たされる液体冷媒容器１０内に、複数個（図示例では５個）直列に接続された超伝導加速空洞１４を収納し、更にこの液体冷媒容器１０を真空容器８内に収納した構造をしている。液体冷媒容器１０と真空容器８との間には、通常は、熱シールドやその支持体等が設けられているが、ここではその図示を省略している。
【０００５】
この例では、各超伝導加速空洞１４をニオブ（Ｎb ）で形成し、液体冷媒１２として液体ヘリウムを用い、冷凍機１６としてヘリウム冷凍機を備えている。従って各超伝導加速空洞１４は、液体ヘリウムの温度４．２Ｋで超伝導状態に保たれる。
【０００６】
なお、上記のような超伝導加速空洞１４の冷却に関する発明が、特許第３０９４２９９号に記載されている。
【０００７】
この荷電粒子加速装置は、この例では更に、超伝導加速器６の下流側に、超伝導加速器６から出力された荷電粒子４を走査する走査器２８および末広がりの走査管３０を設けて、走査管３０の先端部に設けた窓箔３２を透過させて、走査された荷電粒子４を照射雰囲気中（例えば大気中）へ取り出して被照射物３４に照射するように構成している。
【０００８】
このような荷電粒子加速装置において、超伝導加速器６から出力する荷電粒子４のエネルギーは、基本的には高周波電力１９の周波数および超伝導加速空洞１４の数（セル数）によって定まる。出力する荷電粒子４の電流は、基本的には荷電粒子源２から出力する荷電粒子４の電流によって定まる。
【０００９】
例えば、超伝導加速器６から出力する荷電粒子４を電子としてそのエネルギーＥが１０ＭｅＶでパワーＰが３００ｋＷという定格の荷電粒子加速装置を想定すると、３０ｍＡの荷電粒子４を連続的に出力する荷電粒子源２と、例えば６セルの超伝導加速空洞１４とを用い、これに例えば５００ＭＨｚの高周波電力１９を供給することになる。
【００１０】
このような１０ＭｅＶで３００ｋＷの定格の荷電粒子加速装置の場合、冷凍機１６の仕様は次のようにして定められる。
【００１１】
即ち、液体ヘリウムによって各超伝導加速空洞１４を４．２Ｋに保つ場合、前述した熱シールド、支持体等を通して外部から液体冷媒容器１０内に流入して来る流入熱量Ｑ1 は、通常５Ｗ程度になる。
【００１２】
一方、超伝導加速空洞１４で荷電粒子４を加速するためには、その加速エネルギーに相当する高周波高電界を発生させなければならず、このとき、超伝導加速空洞１４は、直流抵抗は完全に零であるけれども、高周波に対しては僅かながら「表面抵抗」と呼ばれる抵抗が残り、これが超伝導加速空洞１４の発熱の原因となる。この抵抗値は、使い方にも依るが１０ｎΩのオーダーであり、高周波高電界発生時にこの抵抗によるジュール熱損による発熱量Ｑ2 は、この例では３０Ｗ程度になる。この超伝導加速空洞１４における発熱量Ｑ2 は、加速用の高周波高電界の大きさ、即ち加速エネルギーに依存する。
【００１３】
従って、超伝導加速器６における必要総廃熱量Ｑ3 は次式で表され、これが定格運転時にはこの例では３５Ｗ程度になる。これに裕度を持たせて、４０Ｗ程度の冷凍能力が冷凍機１６に要求される。
【００１４】
【数１】
Ｑ3 ＝Ｑ1 ＋Ｑ2 
【００１５】
その場合、冷凍機１６を大型のもの１台とするよりかは、小型の冷凍機１６を複数台設けるのが好ましい。その方が、安価な冷凍機を使用することができると共に、冷凍機１６の維持・管理が容易になり、かつ高圧ガス保安法（旧高圧ガス取締法）の下での冷凍機１６の運転資格も不要になるからである。例えば、４．２Ｋで１０Ｗの冷凍能力を持つ冷凍機１６を４台設ける。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような荷電粒子加速装置は、荷電粒子４のエネルギーＥを目的とする値に保ちつつ、荷電粒子４のパワーＰを定格パワーよりも下げて運転する場合がある。
【００１７】
例えば、上記のような１０ＭｅＶで３００ｋＷの定格の荷電粒子加速装置であっても、荷電粒子４のエネルギーＥは１０ＭｅＶのままで、荷電粒子４のパワーＰを半分の１５０ｋＷで運転することもあれば、それ以下の５０ｋＷ等で運転することもある。むしろ通常では、このような、定格パワーよりもパワーＰの小さい低出力運転の方が多いかも知れない。
【００１８】
より具体例を示せば、同種の複数個の被照射物３４をコンベア等で搬送しながらそれに１０ＭｅＶのエネルギーＥの荷電粒子４を照射して殺菌等の処理を施す場合、コンベアの搬送速度を小さくして搬送する被照射物３４の量を減らして処理量を少なくする場合がある。しかし、搬送速度を小さくして処理量を少なくしても、処理の内容は変わらないので、即ち被照射物３４の種類や大きさ（体積）等は変わらないので、パワーＰは小さくて済むけれども、荷電粒子４のエネルギーＥとしては依然として１０ＭｅＶが必要であるのでそれを保つ必要がある。
【００１９】
このような場合、通常であれば、荷電粒子源２から出力して超伝導加速器６で加速する荷電粒子４の電流Ｉの値を下げることになる。そのようにすれば、超伝導加速器６から出力される荷電粒子４のパワーＰは次式で表されるから、パワーＰを下げることができる。
【００２０】
【数２】
Ｐ＝Ｅ・Ｉ
【００２１】
ところが、このような方法だと、低出力運転を行う場合でも、全ての（この例では４台の）冷凍機１６を運転しなければならない。なぜなら、前述したように、超伝導加速空洞１４における発熱量Ｑ2 は、加速用の高周波電界の大きさ、即ち荷電粒子４の加速エネルギーＥに依存するのであって、同じエネルギーＥで加速する限り、荷電粒子４の電流Ｉを小さくしても当該発熱量Ｑ2 は減らないからである。勿論、超伝導加速空洞１４は４．２Ｋに保つ必要があるので流入熱量Ｑ1 も一定であり、従って数１に示す必要総廃熱量Ｑ3 も減らない。
【００２２】
このような低出力運転の場合に、冷凍機１６の運転台数を減らすことができれば、冷凍機運転に要する消費電力が少なくて済み、電気代を節約できて経済的となる。この発明は、それを可能にする運転方法を提供することを主たる目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
この発明の運転方法は、前記超伝導加速器から出力する荷電粒子のエネルギーを目的とする値に保ちつつ荷電粒子のパワーを定格パワーよりも下げて運転するときに、前記高周波発振器から高周波電力を前記超伝導加速器にデューティ比Ｄ（０＜Ｄ＜１）で間欠的に供給して前記超伝導加速器における荷電粒子の加速をデューティ比Ｄで間欠的に行って前記超伝導加速器から出力する荷電粒子の平均電流を下げ、かつ当該デューティ比Ｄを小さくする段階に応じて前記冷凍機の運転台数を減らすことを特徴としている。
【００２４】
上記方法によれば、超伝導加速器における荷電粒子の加速をデューティ比Ｄ（０＜Ｄ＜１）で間欠的に行って超伝導加速器から出力する荷電粒子の平均電流を下げることによって、加速時の荷電粒子のエネルギーを目的とする値に保ちつつ、出力する荷電粒子のパワーを実質的に下げることができる。
【００２５】
しかも、超伝導加速器に高周波電力をデューティ比Ｄで間欠的に供給すると、超伝導加速空洞における高周波高電界も同じデューティ比Ｄで間欠的に発生するため、連続運転（即ちＤ＝１）に比べて、超伝導加速空洞におけるジュール熱による発熱量はＤ倍に減少する。それに応じて、冷凍機に必要とされる冷凍能力を低減させることができる。これは、超伝導加速器に特有の現象であり、本発明はこれをうまく利用したものである。
【００２６】
従って、デューティ比Ｄを小さくする段階に応じて、冷凍機の運転台数を減らすことができる。その結果、冷凍機運転に要する消費電力が少なくて済み、電気代を節約できて経済的となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
荷電粒子加速装置の構成の例としては、前述した図１、図２およびその説明を参照するものとする。
【００２８】
この発明に係る運転方法は、前記超伝導加速器６から出力する荷電粒子４のエネルギーＥを目的とする値に保ちつつ荷電粒子４のパワーＰを定格パワーよりも下げて運転するときに、前記高周波発振器１８から高周波電力１９を超伝導加速器６にデューティ比Ｄ（０＜Ｄ＜１）で間欠的に供給して超伝導加速器６における荷電粒子４の加速をデューティ比Ｄで間欠的に行って超伝導加速器６から出力する荷電粒子４の平均電流ＩM を下げ、かつ当該デューティ比Ｄを小さくする段階に応じて前記冷凍機１６の運転台数を減らすものである。
【００２９】
上記のような間欠運転を行うと、超伝導加速器６から荷電粒子４はデューティ比Ｄで間欠的に出力される。その荷電粒子４の電流波形の一例を図３に示す。出力される荷電粒子電流Ｉの周期をＴ、出力幅（期間）をτとすると、上記デューティ比Ｄは次式で表される。
【００３０】
【数３】
Ｄ＝τ／Ｔ
【００３１】
図３は、デューティ比Ｄ＝０．５の場合の例であり、荷電粒子源２から連続的に出力される荷電粒子４の電流をＩS とすると、超伝導加速器６から出力される荷電粒子４の時間的な平均電流ＩM は元の電流ＩS の半分になる。一般的に言えば、超伝導加速器６から出力される荷電粒子４の平均電流ＩM は次式で表される。
【００３２】
【数４】
ＩM ＝ＩS ・Ｄ
【００３３】
従って、間欠的に超伝導加速器６から出力される荷電粒子４のパワーＰは次式で表される。Ｅは前述した荷電粒子４のエネルギーである。
【００３４】
【数５】
Ｐ＝Ｅ・ＩM ＝Ｅ・ＩS ・Ｄ
【００３５】
このように、超伝導加速器６における荷電粒子４の加速をデューティ比Ｄで間欠的に行って超伝導加速器６から出力する荷電粒子４の平均電流ＩM を下げることによって、加速時の荷電粒子４のエネルギーＥを目的とする値に保ちつつ、出力する荷電粒子４のパワーＰを実質的に下げることができる。
【００３６】
しかも、超伝導加速器６に高周波電力１９をデューティ比Ｄで間欠的に供給すると、超伝導加速空洞１４における高周波高電界も同じデューティ比Ｄで間欠的に発生するため、連続運転（即ちＤ＝１）に比べて、超伝導加速空洞１４におけるジュール熱による発熱量Ｑ2 はＤ倍に減少する。即ち、図３を参照して、超伝導加速空洞１４では、高周波電界を発生させて荷電粒子４を加速している期間τ中にのみジュール熱は発生し、残りの期間（Ｔ−τ）中はジュール熱は発生しない。これは、超伝導加速器６に特有の現象であり、本発明はこれをうまく利用したものである。
【００３７】
このことは、前記数１中の発熱量Ｑ2 がデューティ比Ｄ倍のＤ・Ｑ2 に減るということであり、それに応じて必要総廃熱量Ｑ3 も減るので、そのぶん、冷凍機１６に必要とされる冷凍能力を低減させることができる。
【００３８】
従って、デューティ比Ｄを小さくする段階に応じて、冷凍機１６の運転台数を減らすことができる。その結果、冷凍機運転に要する消費電力が少なくて済み、電気代を節約できて経済的となる。
【００３９】
例えば、前述した４．２Ｋで１０Ｗの冷凍能力を有する冷凍機１６の１台当たりの消費電力は約２０ｋＷであるので、その運転休止台数倍の消費電力削減が可能になる。
【００４０】
なお、「デューティ比Ｄを小さくする段階に応じて」というのは、例えば後述する表１に示すように、デューティ比Ｄのある範囲ごとに、それに応じた冷凍機１６の運転台数を選ぶという意味である。これは、表１のような内容を制御装置（図示省略）に予めプログラムしておくこと等によって、容易に実現することができる。
【００４１】
前記と同様の１０ＭｅＶで３００ｋＷが定格の荷電粒子加速装置のパワーＰを定格より下げて運転するときに、この発明に従ってデューティ比Ｄで間欠運転する場合の具体例を図４および表１に示す。
【００４２】
図４を参照して、前述したように、流入熱量Ｑ1 は一定であり、この例では５Ｗである。超伝導加速空洞１４における発熱量Ｑ2 は、デューティ比Ｄに比例し、定格の３００ｋＷ出力時で前述したように３０Ｗであるから、この例では３０Ｄ［Ｗ］になる。従って、必要総廃熱量Ｑ3 は、数１からも分かるように、この例では５＋３０Ｄ［Ｗ］になる。
【００４３】
一方、前述した４．２ｋで１０Ｗの冷凍能力を有する４台の各冷凍機１６の実質の冷凍能力は、安全率を例えば８７％程度（換言すれば裕度を１１４％程度）として、１台では８Ｗ、２台では１７Ｗ、３台では２６Ｗ、４台では３５Ｗとする。上記必要総廃熱量Ｑ3 を何台の冷凍機１６で対応できるかを図４中に冷凍機運転台数Ｎで示している。
【００４４】
更に、超伝導加速器６から出力する荷電粒子４のパワーＰを下げて運転するときの、間欠運転のデューティ比Ｄ、荷電粒子４の平均電流ＩM 、冷凍機１６の運転台数Ｎの関係をまとめて表１に示す。
【００４５】
【表１】
0004032138.tif 000002
【００４６】
パワーＰを小さくする段階に応じて、即ちデューティ比Ｄを小さくする段階に応じて、冷凍機１６の運転台数Ｎを減らしている。パワーＰを０にするときも冷凍機１６を１台運転するのは、休日、夜間等において超伝導加速器６を休止させる場合、その超伝導加速空洞１４の冷却状態を保っておいた方が、運転再開時の立上りが速い等の理由から好ましいからである。
【００４７】
なお、上述した、超伝導加速器６から出力する荷電粒子４のエネルギーＥ、パワーＰ、冷凍機１６の１台当たりの冷凍能力、冷凍機１６の設置台数、デューティ比Ｄの区分、冷凍機運転台数Ｎ等は、あくまでも一例であり、上記例に限られるものではない。
【００４８】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、超伝導加速器から出力する荷電粒子のエネルギーを目的とする値に保ちつつそのパワーを定格パワーよりも下げて運転するときに、荷電粒子の加速をデューティ比Ｄで間欠的に行うことによって、超伝導加速器に特有の現象をうまく利用することができ、デューティ比Ｄを小さくする段階に応じて冷凍機の運転台数を減らすことができる。その結果、冷凍機運転に要する消費電力が少なくて済み、電気代を節約できて経済的となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超伝導形の荷電粒子加速装置の一例を示す概略図である。
【図２】図１中の超伝導加速器周りの一例を示す概略断面図である。
【図３】間欠運転時に超伝導加速器から出力される荷電粒子の電流波形の一例を示すものであり、デューティ比は０．５である。
【図４】超伝導加速器における荷電粒子加速のデューティ比と必要総廃熱量および冷凍機運転台数等との関係の一例を示す図である。
【符号の説明】
２  荷電粒子源
４  荷電粒子
６  超伝導加速器
１２  液体冷媒
１４  超伝導加速空洞
１６  冷凍機
１８  高周波発振器
１９  高周波電力
Ｄ  デューティ比
【図１】
0004032138.tif 000003
【図２】
0004032138.tif 000004
【図３】
0004032138.tif 000005
【図４】
0004032138.tif 000006