(57)【要約】【課題】磁性合金コアの冷却効率が高いとともに、高周波特性の向上した高周波加速空胴及び環状加速器システムを提供することにある。【解決手段】高周波加速空胴２５は、外導体４と、外導体を貫通して設けられ内部を荷電粒子ビームが通過するビームダクトを構成する内導体３と、内導体に接続される加速間隙１１と、外導体内部に複数のトロイダル形状の磁性体コア５とを備える。冷却タンク９は、磁性体コア５の内導体周辺部を冷却する第一の冷媒流路６ａと、第一の冷媒流路の磁性体コア外周部側にあって磁性体コアを冷却する第二の冷媒流路６ｂ，６ｃとを備え、高周波加速空洞内において前記第一の冷媒流路と前記第二の冷媒流路のそれぞれを流れる冷媒が混じらないよう構成している。【選択図】図１
2009277567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外導体と、前記外導体を貫通して設けられ内部を荷電粒子ビームが通過するビームダクトを構成する内導体と、該内導体に接続される加速間隙と、前記外導体内部に複数のトロイダル形状の磁性体コアとを備え、該磁性体コアの中心部を前記内導体が貫いている同軸共振型の高周波加速空胴であって、
前記磁性体コアの前記内導体周辺部を冷却する第一の冷媒流路と、
該第一の冷媒流路の前記磁性体コア外周部側にあって前記磁性体コアを冷却する第二の冷媒流路とを備え、
高周波加速空洞内において前記第一の冷媒流路と前記第二の冷媒流路のそれぞれを流れる冷媒が混じらないよう構成したことを特徴とする高周波加速空胴。
【請求項２】
請求項１記載の高周波加速空胴において、
前記第一の冷媒流路と前記第二の冷媒流路の流量を夫々個別に制御できる機構を備えることを特徴とする高周波加速空胴。
【請求項３】
請求項１記載の高周波加速空胴において、
前記第一の冷却流路を流れる冷媒は、冷媒入口から前記内導体一方の側で分岐し、その周辺を流れ、前記内導体他方の側で合流して冷媒出口より排出されるものであり、
前記第一の冷却流路を流れる冷媒は、層流で流れるものであって、
該分岐部または該合流部の少なくとも一方に淀み点の発生を抑制する抑制部材を設けたことを特徴とする高周波加速空胴。
【請求項４】
請求項３記載の高周波加速空胴において、
前記抑制部材は、
先端が尖った形状であり、
分岐前の流れと分岐後の流れの成す角度θ若しくは合流前の流れと合流後の流れの成す角度θ’が、９０度よりも大きく、１８０度よりも小さいことを特徴とする高周波加速空胴。
【請求項５】
請求項３記載の高周波加速空胴において、
前記抑制部材は、窒化アルミ製であることを特徴とする高周波加速空胴。
【請求項６】
外導体と、前記外導体を貫通して設けられ内部を荷電粒子ビームが通過するビームダクトを構成する内導体と、該内導体に接続される加速間隙と、前記外導体内部に複数のトロイダル形状の磁性体コアとを備え、該磁性体コアの中心部を前記内導体が貫いている同軸共振型の高周波加速空胴であって、
前記磁性体コアの前記内導体周辺部を冷却する第一の冷媒流路と、
該第一の冷媒流路の前記磁性体コア外周部側にあって前記磁性体コアを冷却する第二の冷媒流路とを備え、
高周波加速空洞内において前記第一の冷媒流路と前記第二の冷媒流路のそれぞれを流れる冷媒が混じらないように構成するとともに、
前記第一の冷媒流路と前記第二の冷媒流路の流量を夫々個別に制御する制御手段を備えることを特徴とする高周波加速空胴。
【請求項７】
前段加速器と、該前段加速器から出射された荷電粒子ビームをさらに加速する環状加速器からなる環状加速器システムにおいて、
前記環状加速器に設置する高周波加速空胴は、
外導体と、前記外導体を貫通して設けられ内部を荷電粒子ビームが通過するビームダクトを構成する内導体と、該内導体に接続される加速間隙と、前記外導体内部に複数のトロイダル形状の磁性体コアとを備え、該磁性体コアの中心部を前記内導体が貫いている同軸共振型の高周波加速空胴であって、
前記磁性体コアの前記内導体周辺部を冷却する第一の冷媒流路と、
該第一の冷媒流路の前記磁性体コア外周部側にあって前記磁性体コアを冷却する第二の冷媒流路とを備え、
高周波加速空洞内において前記第一の冷媒流路と前記第二の冷媒流路のそれぞれを流れる冷媒が分離されるよう構成したことを特徴とする環状加速器システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波加速空胴及び環状加速器システムに係り、特に、加速電圧の高い加速器に用いるに好適な高周波加速空胴及び環状加速器システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
科学研究や医療、産業用途など様々な分野に利用される環状加速器システムは、前段加速器、及び前段加速器より入射されるイオンビームをさらに加速する環状加速器を有する。環状加速器のイオンビーム周回軌道上には、高周波加速空胴が設置される。イオンビームは、高周波加速空胴内部の加速間隙に誘起される高周波の加速電圧によって加速される。
【０００３】
特に研究用加速器の分野では、数十ｋVにおよぶ高い加速電圧が必要とされる。加速電圧が高くなると、高周波加速空胴に装荷する磁性体のコア内部に生じる高周波磁場が強くなる。このため、コアには、飽和磁場の高い磁性合金等が使用される。磁性合金は、Ｑ値が低く広帯域特性を持ち、イオンビーム周回周波数に同調した共振周波数制御が不要である。しかし、Ｑ値の低さから、高い加速電圧を発生させるほど磁性合金コアには大きな熱損失が生じる。
【０００４】
磁性合金コアの熱損失を冷却する方式としては、空冷方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、特に研究用加速器の分野のように、加速電圧が高いものでは、空冷方式では十分でなく、冷却効率の良い液冷方式が用いられる。液冷方式では、磁性合金コアを強制対流冷媒の中に浸漬して冷却する。冷媒として、誘電率の低い絶縁性の液体を用いることで、高周波加速空胴の静電容量成分の増加を抑えることができる。
【０００５】
この方式による高周波加速空胴は、例えば、非特許文献１に記載のものが知られている。非特許文献１記載のものでは、高周波加速空胴は、内導体および外導体からなるリエントラント型の空胴共振器からなる。外導体と内導体の間の空間には、冷却タンクが設置されている。冷却タンクの中には、トロイダル形状の複数の磁性合金コアが収容され、磁性合金コアの周囲は絶縁性の液体である冷媒によって満たされている。磁性合金コア相互の間には、スペーサが挟まれている。それぞれのスペーサには、内導体から外導体にかけて複数の直線状の溝からなる冷媒流路が設けられている。この構成により、冷媒の流れが、磁性合金コアの最内周部（内導体側）から最外周部（外導体側）にかけて磁性合金コアの側面全体に及ぶようにしている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１６４９４１号公報
【非特許文献１】第14回加速器科学研究発表会プロシーディングス，（2003.11），鳥飼幸太他，“誘導加速シンクロトロン用1MHz 誘導加速空洞の開発”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、磁性合金コアに生じる発熱は、コア内部に発生する磁場による。トロイダル形状の磁性合金コア内部には周方向の磁場が生じ、その大きさＢは、コアに鎖交するループ電流をＩ、コア半径をｒとすると、
Ｂ＝μＩ／２πｒ
である。コア内部の発熱密度ｄＵ／ｄＶは、
ｄＵ／ｄＶ＝（Ｂ２／２μ）∝（１／ｒ２）
となる。
【０００８】
したがって、磁性合金コアの発熱密度は、周方向には一様で、半径方向には半径のマイナス２乗に比例して小さくなる。つまり、磁性合金コアは、内導体に最も近い最内周部の発熱密度が最も高いものである。
【０００９】
しかしながら、非特許文献１に記載された高周波加速空胴では、冷媒の流れが磁性合金コアの側面全体に行きわたるようにするため、スペーサの直線状の溝を十分長くする必要があり、そのためスペーサの体積が大きくなる。例えば、非特許文献１記載のものでは、冷媒流路容積のうち１/４程度は、スペーサの体積で占められている。スペーサを構成する絶縁材は、一般に絶縁油などの冷媒液体よりも誘電率が数倍大きい。したがって、低誘電率の冷媒液体を使用しているにも関わらず、スペーサの体積が大きくなることで冷媒流路内部が誘電率の高い物体で占められる割合が大きくなり、高周波加速空胴の静電容量成分が増加して高周波特性が悪化するという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、磁性合金コアの冷却効率が高いとともに、高周波特性の向上した高周波加速空胴及び環状加速器システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、外導体と、前記外導体を貫通して設けられ内部を荷電粒子ビームが通過するビームダクトを構成する内導体と、該内導体に接続される加速間隙と、前記外導体内部に複数のトロイダル形状の磁性体コアとを備え、該磁性体コアの中心部を前記内導体が貫いている同軸共振型の高周波加速空胴であって、前記磁性体コアの前記内導体周辺部を冷却する第一の冷媒流路と、該第一の冷媒流路の前記磁性体コア外周部側にあって前記磁性体コアを冷却する第二の冷媒流路とを備え、高周波加速空洞内において前記第一の冷媒流路と前記第二の冷媒流路のそれぞれを流れる冷媒が混じらないよう構成したものである。  
かかる構成により、磁性合金コアの冷却効率が高いとともに、高周波特性を向上することができる。
【００１２】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記第一の冷媒流路と前記第二の冷媒流路の流量を夫々個別に制御できる機構を備えるようにしたものである。
【００１３】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記第一の冷却流路を流れる冷媒は、冷媒入口から前記内導体一方の側で分岐し、その周辺を流れ、前記内導体他方の側で合流して冷媒出口より排出されるものであり、前記第一の冷却流路を流れる冷媒は、層流で流れるものであって、該分岐部または該合流部の少なくとも一方に淀み点の発生を抑制する抑制部材を設けたものである。
【００１４】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記抑制部材は、先端が尖った形状であり、分岐前の流れと分岐後の流れの成す角度θ若しくは合流前の流れと合流後の流れの成す角度θ’が、９０度よりも大きく、１８０度よりも小さいものである。
【００１５】
（５）上記（３）において、好ましくは、前記抑制部材は、窒化アルミ製である。
【００１６】
（６）また、上記目的を達成するために、本発明は、外導体と、前記外導体を貫通して設けられ内部を荷電粒子ビームが通過するビームダクトを構成する内導体と、該内導体に接続される加速間隙と、前記外導体内部に複数のトロイダル形状の磁性体コアとを備え、該磁性体コアの中心部を前記内導体が貫いている同軸共振型の高周波加速空胴であって、前記磁性体コアの前記内導体周辺部を冷却する第一の冷媒流路と、該第一の冷媒流路の前記磁性体コア外周部側にあって前記磁性体コアを冷却する第二の冷媒流路とを備え、高周波加速空洞内において前記第一の冷媒流路と前記第二の冷媒流路のそれぞれを流れる冷媒が混じらないよう構成するとともに、前記第一の冷媒流路と前記第二の冷媒流路の流量を夫々個別に制御する制御手段を備えるようにしたものである。  
かかる構成により、磁性合金コアの冷却効率が高いとともに、高周波特性を向上することができる。
【００１７】
（７）また、上記目的を達成するために、本発明は、前段加速器と、該前段加速器から出射された荷電粒子ビームをさらに加速する環状加速器からなる環状加速器システムにおいて、前記環状加速器に設置する高周波加速空胴は、外導体と、前記外導体を貫通して設けられ内部を荷電粒子ビームが通過するビームダクトを構成する内導体と、該内導体に接続される加速間隙と、前記外導体内部に複数のトロイダル形状の磁性体コアとを備え、該磁性体コアの中心部を前記内導体が貫いている同軸共振型の高周波加速空胴であって、前記磁性体コアの前記内導体周辺部を冷却する第一の冷媒流路と、該第一の冷媒流路の前記磁性体コア外周部側にあって前記磁性体コアを冷却する第二の冷媒流路とを備え、高周波加速空洞内において前記第一の冷媒流路と前記第二の冷媒流路のそれぞれを流れる冷媒が分離されるよう構成したものである。
かかる構成により、磁性合金コアの冷却効率が高いとともに、高周波特性を向上することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、磁性合金コアの冷却効率を高くできるとともに、高周波特性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図１〜図５を用いて、本発明の一実施形態による高周波加速空胴の構成について説明する。  
最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態による高周波加速空胴の構成について説明する。  
図１は、本発明の一実施形態による高周波加速空胴の構成を示す縦断面図である。図２は、本発明の一実施形態による高周波加速空胴の構成を示す横断面図である。また、図１は、図２のＡ−Ａ’断面図である。
【００２０】
本実施形態の高周波加速空胴２５は、リエントラント型の空胴共振器からなる。外導体４は空胴共振器の外壁部分であり、その内部には内導体３が設置される。内導体３は、イオンビームが通過するビームダクトであり、絶縁材製の加速間隙１１が接続される。内導体３を取り囲む形で、トロイダル形状の磁性合金コア５が複数配置される。高周波電力は、図示しないが、加速間隙１１の両端部付近に導体を接続するか、あるいは、磁性合金コアにループ状に導体を鎖交させることにより供給する。本実施形態の高周波加速空胴は、加速間隙１１を中心として左右に同数の磁性合金コア５が配置される左右対称な構造であるが、加速間隙１１の左右どちらか一方の側に全ての磁性合金コア５を配置する構造であってもよい。本実施形態では、加速間隙１１を中心として左右に磁性合金コア５を３つずつ設置する例を示している。
【００２１】
内導体３と外導体４で囲まれた空間内に、加速間隙１１を挟んで対向する形で、同一構成の冷却タンク９を２つ設置する。図２に示すように、冷却タンク９は、磁性合金コア５の周囲を、加速間隙１１側の開口部と冷媒入口・出口を除いて隙間無く取り囲んでいる。冷却タンク９の内部には、３つの磁性合金コア５を所定の間隔をあけて設置したのち、冷却タンク９の加速間隙１１側の開口部をシール材１０で密閉する。こうして、それぞれの磁性合金コア５と冷却タンク９、シール材１０との間に構成される空間に４つの冷媒流路を形成する。冷媒は、誘電率の低い絶縁性の液体が望ましく、例えば、シリコーンオイルや、パーフロロカーボン（ＰＦＣ）、鉱油などを用いる。なお、冷媒としては、誘電率がこれらの液体よりも高くなるが、磁性合金コアに防錆加工を施した上で純水を用いてもよい。冷媒は高周波加速空胴の下部より上部に向かって流れ、磁性合金コア５の両側面全体（ただし後述の仕切り板が入る領域を除く）が冷媒と接する伝熱面となる。冷却タンク９は、ポンプなどを用いて冷媒を圧力をかけて流すので、十分な機械的強度を有する金属製とする。磁性合金コア５は、図示しないが、その最外周部にテープ状の絶縁材を巻いた状態で冷却タンク９内に支持固定し、磁性合金コア５と金属製の冷却タンク９が直接接触しないようにすると共に、冷媒が最外周部に侵入することがないようにする。
【００２２】
それぞれの磁性合金コア５と冷却タンク９、シール材１０との間に構成される４つの冷媒流路は全て同一の形状であり、その内の１つの冷媒流路の断面（図２のＡ−Ａ’面を矢印の方向に見た断面）は、図１に示す構成となっている。冷媒流路には、高周波加速空胴の下端より上端にかけて、左右対称な形状の絶縁材製の仕切り板２ａ，２ｂを挿入する。こうして、１つの冷媒流路を、発熱密度の高い磁性合金コア５の最内周部付近を含む領域に設ける中心部流路６ａと、中心部流路６ａの両外側に設ける外縁部流路６ｂ，６ｃの３つの流路に分割する。仕切り板２ａ，２ｂは、冷媒流路に隙間無く配置し、中心部流路６ａと外縁部流路６ｂ，６ｃのそれぞれを流れる冷媒が互いに混じり合わないようにする。
【００２３】
中心部流路６ａと外縁部流路６ｂ，６ｃは、それぞれが専用の冷媒入口７ａ，７ｂ，７ｃおよび冷媒出口８ａ，８ｂ，８ｃを有する。これらの冷媒入口は高周波加速空胴の下端に、冷媒出口は高周波加速空胴の上端に位置し、図４にて後述するように、それぞれの流路の冷媒流量を調整できる機構を有している。したがって、冷媒流量を発熱量に応じて適切に配分することで、最も発熱密度が高くなる領域を含む中心部流路６ａを流れる冷媒の流速を、外縁部流路６ｂ，６ｃを流れる冷媒の流速よりも早くなるよう設定することができ、発熱密度の高い領域の熱伝達率を効果的に向上させることができる。
【００２４】
絶縁材製の仕切り板２ａ，２ｂは、中心部流路６ａと外縁部流路６ｂ，６ｃの各流路を仕切るために挿入するものであるから、仕切り板２ａ，２ｂの厚さは数ｍｍあればよく、非特許文献１に示されるスペーサに比べて、冷媒流路に挿入する絶縁材の体積をはるかに小さくすることができる。例えば、絶縁材の体積が冷媒流路容積に占める割合は、非特許文献１記載のものでは１／４程度であったが、本実施形態では例えば仕切り板の厚さを３ｍｍとすると１／１００程度とすることができる。したがって、高周波加速空胴の静電容量成分の増加分を大幅に抑制することができるので、高周波特性を向上することができる。なお、本実施形態では、必要な仕切り板の数を減らすため、冷媒流路の分割数を３つにしている。しかしながら、本実施形態よりも若干静電容量成分が増えるが、冷媒流路にさらに多数の仕切り板を挿入して分割数を増やし、分割したそれぞれの流路の冷媒流量を発熱密度分布に応じてより細かく制御してもよい。
【００２５】
冷媒入口７ａより中心部流路６ａに入った冷媒は、内導体３の下方で２つの流れに分岐した後、内導体３の上方で再び合流して冷媒出口８ａより排出される。この分岐と合流が起こる領域には、冷却タンク９の内部であって、冷媒入口７ａに対向する位置にフィン１ａを設置し、冷媒出口８ａに対向する位置にフィン１ｂを設置している。
【００２６】
本実施形態においては、冷媒入口７ａ，７ｂ，７ｃから流入する冷媒の流速は低くしており、中心部流路６ａ及び外縁部流路６ｂ，６ｃを流れる冷媒は、層流としている。これは、流路を流れる冷媒の流速が高いと、冷媒が帯電し、流路のいずれかの場所で放電が発生するためである。このように、中心部流路６ａ及び外縁部流路６ｂ，６ｃを流れる冷媒が層流の場合、中心部流路６ａに着目すると、内導体３の下方で流れが分岐する領域と、内導体３の上方で流れが合流する領域の双方において、流速がゼロとなる淀み点が生じる。これら淀み点が生じる領域は、磁性合金コア５の最内周部に近く発熱密度が高い領域であるにも関わらず、熱伝達率が低下する。そこで、本実施形態では、淀み点を解消するために、フィン１ａ，１ｂを設置している。
【００２７】
ここで、図３を用いて、本実施形態による高周波加速空胴の冷媒流路における淀み点の解消原理について説明する。  
図３は、本発明の一実施形態による高周波加速空胴の冷媒流路における淀み点の解消原理の説明図である。なお、図３は、図１の点線四角部Ａの拡大図である。また、図３において、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００２８】
フィン１ａは、冷媒入口７ａに対向する位置であって、冷却タンク９の内部に設置されている。したがって、冷媒入口７ａから流入した冷媒の流れＦ１は、フィン１ａにおいて、流れＦ２，Ｆ２’に分岐する。このとき、フィン１ａの部分における分岐前の流れＦ１と、分岐後の流れＦ２が成す角度をθとする。また、分岐前の流れＦ１と、分岐後の流れＦ２’が成す角度も同様にθである。
【００２９】
フィン１ａが無い場合、流れＦ１は、冷却タンク９の内壁に直角にぶつかった後、分岐することになる。この場合、分岐前の流れと分岐後の流れが成す角度は９０度であり、このように冷媒流れの向きが急激に変化すると、冷媒の流速がゼロとなる点が生じるため、淀み点が形成される。
【００３０】
それに対して、フィン１ａを設置することで、フィン１ａの部分における分岐前の流れＦ１と分岐後の流れＦ２が成す角度θを９０度よりも大きくすることができるので、冷媒流れの向きが徐々に変化し、冷媒の流速がゼロとなる点が生じにくくなって淀み点の形成が妨げられる。角度θは１８０度に近い方が、冷媒の流れの向きが徐々に変化することになるが、冷却タンク９は有径であるため、角度θを１８０度にすることはできないが、できるだけ、１８０度に近い角度とした方が、冷媒流れの向きが徐々に変化することができ、淀み点の形成が妨げことができる。
【００３１】
また、フィン１ｂは、冷媒出口８ａに対向する位置であって、冷却タンク９の内部に設置されている。したがって、合流前の冷媒の流れＦ３，Ｆ３’は、フィン１ｂにおいて、流れＦ３に合流する。このとき、フィン１ｂの部分における流れＦ３と、合流後の流れＦ４が成す角度をθ’とする。また、流れＦ３’と、合流後の流れＦ４が成す角度も同様にθ’である。
【００３２】
フィン１ｂが無い場合、流れＦ３と流れＦ３’は、互いに対向してぶつかった後、合流することになる。この場合、合流前の流れと合流後の流れが成す角度は９０度であり、このように冷媒流れの向きが急激に変化すると、冷媒の流速がゼロとなる点が生じるため、淀み点が形成される。
【００３３】
それに対して、フィン１ｂを設置することで、フィン１ｂの部分における流れＦ３と合流後の流れＦ４が成す角度θを９０度よりも大きくすることができるので、冷媒流れの向きが徐々に変化し、冷媒の流速がゼロとなる点が生じにくくなって淀み点の形成が妨げられる。角度θは１８０度に近い方が、冷媒の流れの向きが徐々に変化することができ、淀み点の形成が妨げことができる。
【００３４】
以上説明した淀み点の解消の原理に基づき、フィン１ａ，１ｂの断面形状は、先端が尖った形状であることが望ましく、例えば、図１に示したような細長い二等辺三角形のような断面形状とする。分岐が起こる領域のフィン１ａは、二等辺三角形の頂点を鉛直下向きに、合流が起こる領域のフィン１ｂは頂点を鉛直上向きとし、それぞれ、冷却タンク９の内導体３の側の壁面に密着させて設置する。こうすることで、分岐が始まるフィン１ａの頂点付近と、合流が始まるフィン１ｂの頂点付近では、冷媒流れの向きが急激にではなく徐々に変化し、冷媒の流速がゼロとなる点が生じにくくなって淀み点の形成が妨げられる。よって、分岐、合流点の双方において熱伝達率の増大を図ることができる。フィン１ａ，１ｂの断面形状を二等辺三角形として、その頂角を２０度とすると、角度θ，θ’は、１７０度となり、１８０度に近く角度となる。
【００３５】
フィン１ａ，１ｂの材質は、熱伝導率の高い絶縁材であることが望ましく、例えば窒化アルミとする。こうすることで、フィン１ａ，１ｂの拡大伝熱面としての効果を向上させ、熱伝達率をより増大させることができる。フィン１ａ，１ｂは、冷却流路に隙間無く設置するが、特にフィン１ａ，１ｂと磁性合金コア５との間は、接触熱抵抗を低減するためにサーマルコンパウンドを用いるなどして気泡の侵入がないように接着する。なお、高周波加速空胴の静電容量成分を極力減らすという観点からは、流路に存在する絶縁材体積が少ない方がよいので、フィン１ａ，１ｂはどちらか一方のみの使用に限ってもよい。この場合、冷媒出口８ａに近い側の、内導体３の上方では、２流が互いに正面方向から合流するため、内導体３の下方の分岐部に比べて淀みが発生しやすいため、フィン１ｂのみを設けることが効果的である。逆に、熱伝達率を向上させるという観点からは、分岐、合流が起こる領域のみでなく、流路中他の領域にも複数のフィンを設置してもよい。
【００３６】
なお、フィン１ａ，１ｂの材質として、窒化ボロンを用いることもできる。窒化ボロンは、窒化アルミよりも、熱伝導率は小さいものの、誘電率も小さいものである。また、フィン１ａ，１ｂの材質として、強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いることもできる。ＦＲＰは、窒化アルミよりも、熱伝導率は小さいものの、成形性がよく、任意の形状に成形しやすいとともに、安価に構成できるものである。
【００３７】
次に、図４を用いて、本実施形態による高周波加速空胴における流量制御システムの構成について説明する。  
図４は、本発明の一実施形態による高周波加速空胴における流量制御システムの構成を示すブロック図である。なお、図４において、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３８】
冷媒は、ポンプ３３により、配管３１を介して、冷媒入口７ａ，７ｂ，７ｃから冷却タンク９の内部に供給される。ここで、配管３１と冷媒入口７ａ，７ｂ，７ｃとの間には、それぞれ、バルブ３０ａ，３０ｂ，３０ｃが設けられており、各冷媒入口７ａ，７ｂ，７ｃから流入する冷媒の流量を個別に可変できる。前述したように、磁性合金コアの発熱密度は、半径方向には半径のマイナス２乗に比例して小さくなり、磁性合金コアは、内導体に最も近い最内周部の発熱密度が最も高いものである。そこで、中心部流路６ａが流量が、外縁部流路６ｂ，６ｃの流量よりも大きくすることで、磁性合金コアの内導体に近い側を効率的に冷却でき、全体としての冷却効率を向上することができる。なお、図示の例では、中心部流路６ａの体積は、外縁部流路６ｂ，６ｃのそれぞれの体積よりも小さいため、バルブ３０ａ，３０ｂ，３０ｃの開度を全て等しくしても、中心部流路６ａが流量を、外縁部流路６ｂ，６ｃの流量よりも大きくすることができる。バルブ３０ａ，３０ｂ，３０ｃの開度は、中心部流路６ａや外縁部流路６ｂ，６ｃの体積や、磁性合金コアの発熱密度に応じて、最適となるように設定される。
【００３９】
冷媒出口８ａ，８ｂ，８ｃから流出した冷媒は、配管３１を介して、バッファタンク３２に蓄積される。バッファタンク３２内の冷媒は、熱交換器３４において冷却水との間で熱交換され、冷却された上で、ポンプ３３により、冷却タンク９に供給される。  このように、冷却タンク９の内部に仕切り板２ａを設置して、冷媒流路を発熱密度の高い領域と低い領域とに分割した上で、それぞれの発熱密度に応じて冷媒流量を適切に調整することで、冷却効率を向上することができる。
【００４０】
特許文献１の図７には、案内板を設けて流路を分離しようとする考えが示されているが、この方式では、流路は完全に分離されておらず、発熱密度に応じて冷媒流量を適切に調整することができないものである。また、特許文献１記載のものでは、空冷式であるため、冷却風の流れは乱流となり、研究用加速器の分野のように、加速電圧が高いものには適用できないものである。
【００４１】
次に、図５を用いて、本実施形態による高周波加速空胴を用いた環状加速器システムの構成について説明する。  
図５は、本発明の一実施形態による高周波加速空胴を用いた環状加速器システムの構成を示す平面図である。
【００４２】
環状加速器システムは、前段加速器２１と、環状加速器２０とを備えている。環状加速器２０は、入射器２２と、偏向電磁石２３と、四極電磁石２４と、高周波加速空胴２５と、高周波電源２６と、出射器２７とから構成される。前段加速器２１で加速されたイオンビームは、入射器２２より環状加速器２０に入射される。偏向電磁石２３および四極電磁石２４は、入射されたイオンビームを発散させることなく軌道上を周回させる。イオンビームは、高周波電源２６より高周波電力を供給された高周波加速空胴２５を通過するたびに加速され、所定のエネルギーに達すると、出射器２７によって、環状加速器２０の外へ取り出されて物理実験等に利用される。
【００４３】
この環状加速器２０に設置する高周波加速空胴２５として、図１及び図２にて説明した構成のものを適用する。
【００４４】
本実施形態によれば、冷媒流路の分割に用いる仕切り板の体積は従来よりもはるかに小さくできるので、誘電率の高い材質の使用を最小限に留めることができ、従来よりも静電容量成分が小さくなることから、高周波領域においてシャントインピーダンスが上がるため必要な高周波電力を低く抑えることが可能となる。
【００４５】
また、冷媒が分岐、合流する領域に淀み点の発生を抑制する部材を設けるので、これらの領域で熱伝達率を向上させることができる。さらに、この部材はフィンとしても作用するため、拡大伝熱面効果によって熱伝達率がさらに向上する。よって、より高い加速電圧を発生させることが可能となり、例えば従来と同じ加速電圧を得るのであれば、高周波加速空胴を小型化することも可能である。
【００４６】
また、仕切り板を設置して、冷媒流路を発熱密度の高い領域と低い領域とに分割した上で、それぞれの発熱密度に応じて冷媒流量を適切に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態による高周波加速空胴の構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による高周波加速空胴の構成を示す横断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による高周波加速空胴の冷媒流路における淀み点の解消原理の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態による高周波加速空胴における流量制御システムの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態による高周波加速空胴を用いた環状加速器システムの構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ａ, １ｂ…フィン、２ａ, ２ｂ…仕切り板、３…内導体、４…外導体、５…磁性合金コア、６…冷媒流路、６ａ…中心部流路、６ｂ, ６ｃ…外縁部流路、７ａ, ７ｂ, ７ｃ…冷媒入口、８ａ, ８ｂ, ８ｃ…冷媒出口、９…冷却タンク、１０…シール材、１１…加速間隙、２０…環状加速器、２１…前段加速器、２２…入射器、２３…偏向電磁石、２４…四極電磁石、２５…高周波加速空胴、２６…高周波電源、２７…出射器、３０ａ, ３０ｂ, ３０ｃ…バルブ、３１…配管、３２…バッファタンク、３３…ポンプ、３４…熱交換器
【図１】
2009277567.tif 000003
【図２】
2009277567.tif 000004
【図３】
2009277567.tif 000005
【図４】
2009277567.tif 000006
【図５】
2009277567.tif 000007