(57)【要約】【課題】本発明は、各チューナ１０の挿入量の設定に当たって、チューナ１０挿入量の設定と電界分布測定の繰り返しの手間を省略し、速やかに所望の性能を満たすＨモード型ドリフトチューブ線形加速器を得ることを目的とする。【解決手段】この発明に係るＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法では、各ドリフトチューブ６間の電圧の測定値を求め、この電圧測定値と電圧設計値との差である差異分布を求める工程と、前記差異分布のスムージングを行う工程と、前記スムージングされた差異分布を用いて各チューナ１０の挿入量を決定する工程とを備えていることを特徴とする。【選択図】図３
2009283389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器空洞と、この加速器空洞内でビーム軸方向に加速電圧を生成するドリフトチューブと、前記電圧を調整するチューナとを備えるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法において、
前記各ドリフトチューブ間の電圧の測定値を求め、この電圧測定値と電圧設計値との差である差異分布を求める工程と、
この差異分布のスムージングを行う工程と、
前記スムージングされた差異分布を用いて各チューナの挿入量を決定する工程と、
を備えることを特徴とするＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法。
【請求項２】
加速器空洞と、この加速器空洞内でビーム軸方向に加速電圧を生成するドリフトチューブと、前記電圧及び前記加速器空洞の共振周波数を調整するチューナとを備えるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法において、
前記各チューナの挿入量と前記電圧の変化との、第１の関係を求める工程と、
前記各チューナの挿入量と前記共振周波数の変化との、第２の関係を求める工程と、
前記各ドリフトチューブ間の電圧の測定値を求め、この電圧測定値と電圧設計値との差である差異分布を求める工程と、
この差異分布のスムージングを行う工程と、
前記スムージングされた差異分布と、前記第１の関係と、前記第２の関係とを用いて、各チューナの挿入量を決定する工程と、
を備えることを特徴とするＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法。
【請求項３】
差異分布のスムージングを行う工程は、多項式近似によるものであることを特徴とする
請求項１又は２に記載のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法。
【請求項４】
第１の関係から、チューナの中から電圧変化が最も小さいものを自動チューナとして選定する工程を備える、
請求項２又は３に記載のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、加速器空洞内部に発生するＴＥ波（Ｈモード）を利用したＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｈモード型ドリフトチューブ線形加速器においては、所要のビーム加速効率を得るために、各ドリフトチューブ間で発生する電圧を極力設計値に近づけることが必要である。各ドリフトチューブ間の電圧の調整は、主として各チューナの加速器空洞内への挿入量を調整することにより行われる。
各チューナの挿入量の設定は、以下の手順で行われる。最初に各チューナの加速器空洞内への挿入量に対する各ドリフトチューブ間の電圧変化に与える影響について、加速器空洞内の電磁界を解析することにより求める。これとは別に、加速器空洞内の電界測定を行い、これを積分して各ドリフトチューブ間での電圧測定値、およびこれと電圧設計値との差異（以降、差異分布と呼ぶ）を求める。各ドリフトチューブ間の電圧変化は、各チューナ挿入による各ドリフトチューブ間での電圧変化の総和により表現されるので、前記差異分布を仕様値内に収束させるのに必要とされる電圧変化量から、逆に各チューナの挿入量を設定していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８７８５５号公報（第３−１２頁、第１−１３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
加速器空洞内の電界分布測定は摂動法と呼ばれる測定方法により行われるが、この方法は、加速器空洞の中に微小な測定球を配置し、このときの電場の乱れにより共振周波数が変化することを利用し、測定球を配置した場所の電界の相対値を求めるものである。ドリフトチューブ内ではほとんど電界が存在せず、ドリフトチューブ中心で理論的には０になるはずであるにもかかわらず、この電界測定では０となって観測されないため、これは明らかに外来ノイズ等の影響を受けて電界測定の精度を悪化させているものと考えられる。従って、隣接するドリフトチューブの中心間に渡って電界を積分して得られるドリフトチューブ間の電圧も精度が悪いものとなっていた。
従来の製造方法では、各チューナの挿入量設定にあたって、ドリフトチューブ間の発生電圧測定値そのものから得られる差異分布を用いていた。この方法では、基準となる電圧測定値及び差異分布の精度が悪いため、適切なチューナ挿入量が設定されず、一度で差異分布を仕様値内に収束させることが困難であった。このため、チューナ挿入量の設定と電界分布測定を繰り返す手間が必要であった。
【０００５】
本発明は、上記に示した手間を省略し、速やかに所望の性能を満たすＨモード型ドリフトチューブ線形加速器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法では、電圧測定値から得られる差異分布そのものではなく、この差異分布をスムージングしたものを用いて、各チューナの挿入量の設定を行う。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、スムージングした差異分布を使用することにより、電界測定時に混入する測定誤差を排除することができるため、チューナ挿入量を精度よく設定でき、一回の電界測定、及びチューナ挿入量設定によって所要性能を満たすＨモードドリフトチューブ線形加速器を得ることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
本実施の形態におけるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器のビーム軸方向の断面図を図１に、ビーム軸直角方向の断面図を図２に示す。本図において、共振器を兼ねた加速器空洞１のビーム入射端２からビーム出射端３に向けて荷電粒子ビームが加速される。隣り合うドリフトチューブ６の間にはビーム軸（ｚ軸）方向に高周波電界が形成されており、荷電粒子ビームはこの電界によりビーム軸方向に加速される。ビームは出射端３に近づくにつれ速度を増すため、ドリフトチューブ６のビーム軸方向長さは、ビーム下流側の方が長くなるように設計されている。また、このドリフトチューブ６は、加速器空洞側壁面４から加速器空洞１の内径方向に突き出したステム５により片持ちで支持されている。本実施の形態では、ビーム進行方向に隣り合うドリフトチューブ６は、左右交互となるようにステム５により支持されている（図２参照）。
【０００９】
加速器空洞１の共振周波数、及び各ドリフトチューブ６間電圧の設計値からのずれは、加速器空洞１の製作時の誤差により引き起こされるが、このずれは、主として加速器空洞１の円筒状胴部に取り付けられたチューナ１０を挿入することにより調整される。本実施の形態では、図１に示すように、チューナ１０は複数の固定チューナ（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４〜Ｔ６）と、１台の自動チューナ（Ｔ３）から構成され、共通の取り合い構造７を介して、ビーム軸方向に左右交互に加速器空洞１に取り付けられている。ただし取り付け形態は、必ずしも本形態に限られるものではなく、全てのチューナ１０を加速器空洞１の同じ方向から設置してもよく、交互に配置する必要もない。
各チューナ１０はその先端部８が加速器空洞１の側壁面４を貫通して、空洞内部に挿入できるように構成されている。図１に示すように、加速器空洞側壁面４は、ビーム入射端２から出射端３に行くに従い径が大きいテーパ状となっているため、各チューナ１０の加速器空洞側壁面４からの挿入量ｄは、チューナ１０の中心軸において定義することとする。
【００１０】
本実施の形態におけるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造フロー図を図３に示す。以下、このフロー図に従い、製造方法を順に説明する。下記項目番号の（１）（２）、・・・、（９）は、図３中の項目番号に対応する。
（１）まず、ドリフトチューブ６間に所要の加速電界が形成されるように、電磁界解析を行い加速器空洞１の形状を決定し、これに基づいて加速器空洞１の製作を行う。
【００１１】
（２）次に、各チューナ１０（Ｔ１〜Ｔ６）について、チューナ１０の挿入量が各ドリフトチューブ６間の電圧にどのように影響を与えるかを加速器空洞１内の電磁界解析により求める。
チューナ１０を挿入すると、加速器空洞１内の電磁界分布が変化し、挿入したチューナ１０の近くに配置されているドリフトチューブ６間の電圧は下がり、それ以外の部分のドリフトチューブ６間の電圧は上がる方向に変化する。ここにおいて、チューナ１０の挿入量が加速器空洞１の径と比較して十分小さい範囲においては、この時の電圧変動はチューナ１０挿入量にほぼ比例する。また、加速器空洞１内の電磁界の変化は、各チューナ１０の寄与による電磁界変化の線形和であるため、ドリフトチューブ６間の電圧変化も、各チューナ１０の寄与による電圧変化の線形和にて求めることができる。
以上の関係を用いて、各チューナ１０（Ｔ１〜Ｔ６）の挿入量が各ドリフトチューブ６間の電圧にどのような影響を与えるかということを、各チューナ１０について代表１ケースだけ電磁界解析により求めておけば、全てのチューナ１０について個々に挿入量を設定した時の、各ドリフトチューブ間の電圧を算出することが可能となる。図４は、上記に述べた考えに従って、代表１ケースとして、各チューナ１０（Ｔ１〜Ｔ６）を基準位置（ｄ＝３０ｍｍ）から更に２０ｍｍ挿入した場合に、各ドリフトチューブ６間の電圧変化を電磁界解析により求めたものである。
【００１２】
ここで、後に差異分布（各ドリフトチューブ間での電圧測定値と設計値との差異）がどのような関数系で表現されるかを調べる前段階として、図４に示されたチューナ１０の挿入量とドリフトチューブ間の電圧変化との関係が、どのような関数系で表現できるかを調べた。加速器空洞１の中央部に配置されたチューナ１０としてＴ３、端部に配置されたチューナ１０としてＴ６を各々代表として取り上げ、数１に示されるｚについての多項式展開近似を行った。
【００１３】
【数１】
2009283389.tif 000003
上記多項式近似がどの程度精度よく元の電圧変化を表現しているかを確認するために、重回帰分析を行い、その時の決定係数（Ｒ２値）を図５に示すが、Ｔ３、Ｔ６のいずれのチューナ１０も４次以上の多項式にて展開した場合、決定係数が０．９５以上であり、４次の多項式であれば十分精度よく近似できることが分かった。
【００１４】
（３）ドリフトチューブ間の電圧変化を求めたのと同様にして、各チューナ１０（Ｔ１〜Ｔ６）について、チューナ１０の挿入量が共振周波数に与える影響を加速器空洞内の電磁界解析により求める。各チューナ１０を１ｍｍ挿入した場合の共振周波数の変化量を表１に示す。ここでも、チューナ１０の挿入量が小さいときには、共振周波数の変動はチューナ挿入量にほぼ比例し、また、全チューナ１０挿入による共振周波数の変動は、各チューナ１０の挿入による共振周波数変動分の総和にて表現できる。
【００１５】
【表１】
2009283389.tif 000004
【００１６】
（４）チューナ１０を基準位置（ｄ＝３０ｍｍ）にして、摂動法により電界測定を行う。ここで、摂動法とは、ビーム軸（ｚ軸）上に摂動球を配置し、加速器空洞１内の電磁界分布に微小な摂動を与えたときに、共振周波数が変化することにより求められる。摂動球を配置した場所における電界強度をＥとし、共振周波数の変化をΔｆとすると、下記数２の関係がある。
【００１７】
【数２】
2009283389.tif 000005
図６に測定結果を示すが、Ａ部がドリフトチューブ６内の電界強度、Ｂ部がドリフトチューブ６間の電界強度である。本来ドリフトチューブ内（Ａ）では電界強度はほとんど０となるはずであるが、電界があるように計測されてしまう。これは外来ノイズ等による測定上の誤差によるものと考えられるが、電界測定精度向上、ならびに、これに引き続いて行われるチューナ１０の挿入量設定の精度向上のためには、この誤差の除去が重要である。
【００１８】
（５）（４）の結果を各ドリフトチューブ６のセル（図１において９の区間）ごとに積分して、各ドリフトチューブ６間の電圧を算出、設計値との差（差異分布）を求める（図７）。電圧設計値は、実運転時の電力を投入した場合における発生電圧を計算により求めることができるのに対し、電圧測定値は、（４）における測定装置の都合上低い電力しか投入できず、しかも数２で示される相対値しか得られないため、両者の単純比較はできない。そこで、下記数３式に示すように、各セルの電圧の総和で規格化したものに置き換えて、両者を比較することとする。
【００１９】
【数３】
2009283389.tif 000006
以上を用いて、差異分布を下記数４により定義する。
【００２０】
【数４】
2009283389.tif 000007
チューナ１０を基準位置（ｄ＝３０ｍｍ）に設定した場合の差異分布を、電圧設計値と測定値と併せて、図７に示す。
【００２１】
（６）（５）において得られた差異分布を多項式展開近似することにより、（４）の電界測定時に混入した誤差の除去を行う。数４では、差異分布をドリフトチューブ６間のセル番号と対応付けて表現したが、セル番号はビーム軸方向の位置（ｚ）に対応しているため、数５によりｚの関数として表現できる。
【００２２】
【数５】
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右辺第１項は各チューナ１０の挿入量がドリフトチューブ間の電圧変化に与える影響を表現したものであり、第２項はチューナ１０挿入量が０ｍｍの時の差異分布である。
右辺第２項ΔV0/Vは１次関数によってほぼ精度よく表現され、また、図５よりチューナ１０の挿入による電圧分布の変化は４次関数によって近似されるため、差異分布も４次関数によって精度よく表現できることとなる。
図７に示された差異分布を４次多項式展開した結果を図８に示す。
【００２３】
（７）差異分布及び、共振周波数が仕様値内となるように、全チューナ１０の挿入量を設定する。図８に示された差異分布を数５の右辺第２項に置き換え、右辺第１項については、各チューナ１０の挿入量（Δd1、Δd2、・・・、ΔdT）を網羅的に組み合せたものを用いて計算を行い、左辺の差異分布が仕様値（±５％以下）内となるような各チューナ１０の挿入量の組み合わせを見つけ出す。
ここで、右辺第２項としては、図８のスムージング前のものと、スムージング後のものとを用いた場合のチューナ１０挿入量を上記方法によって求め、この挿入量のときに左辺の差異分布を更に計算した結果を、図９に対比して示す。
スムージング後のデータを使用した場合には、１回で仕様値を満たす差異分布が得られた。このときの各チューナ１０の挿入量は表２に示すとおりである。
【００２４】
【表２】
2009283389.tif 000009
【００２５】
一方、スムージング前のものを使用した場合には、ｚの全範囲について仕様を満たしているものを求めることができなかった。したがってこの場合には、このチューナ１０挿入量をベースとして、電界測定とチューナ１０挿入量設定の一連の作業を仕様値に入るまで繰り返す必要がある。
上記に示した差異分布を仕様値内とする作業と同時に周波数変動分についても、表１に示された係数に従って計算を行い、仕様値（±５ｋHz以内)に入ることを確認する。
確認のため、表４に示すチューナ１０挿入量のときの加速器空洞内の電場分布測定を行い、差異分布を評価した結果を図１０に示す。測定誤差を考慮しても仕様値内に入っていることが確認され、本方法によるチューナ１０挿入量設定方法の有効性が検証された。
【００２６】
（８）自動チューナは、Ｈモードドリフトチューブ線形加速器が運転開始したときに、パワー投入により加速器空洞１が温度変化して膨張し、共振周波数がずれた場合にこれを補正する目的で使用される。各チューナ１０の配置箇所の中で、図４から電圧分布に与える影響が最も少ない箇所を自動チューナの配置場所として選定する。これは、自動チューナの挿入により、ドリフトチューブ５間の電圧も変化することになるが、この影響を極力小さくする必要があるためである。この結果、表３に示すとおりＴ３、又はＴ４の配置場所が最適であると考えられる。
【００２７】
【表３】
2009283389.tif 000010
【００２８】
（９）Ｔ３に割り当てられた自動チューナ以外については、表２に示された各チューナ１０の挿入量に相当する長さを持つチューナ１０ブロックを加工製作し、加速器空洞１に取り付ける。以上により、仕様値を満たすドリフトチューブ間の電圧を発生し、共振周波数を有するＨモード型ドリフトチューブ線形加速器を得ることができる。
【００２９】
本実施の形態におけるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法は上記のとおり構成されているので、差異分布に対して多項式近似展開を行いスムージングすることにより、電界測定時における測定誤差を排除することができる。従って、各チューナ１０の挿入量を精度よく決定することができるため、一回の電界測定、差異分布計算によって、チューナ１０の挿入量を決定することができ、調整に要する手間を省略することができる。以上の利点と併せて、自動チューナ以外のチューナ１０については、挿入量を変えて電界測定を繰り返す必要がないため、手動チューナではなく固定チューナとすることができる。このため各チューナ１０に対して手動駆動機構が不要になり、チューナ１０の構造を単純化できるという効果もある。
また、各チューナの挿入量が各ドリフトチューブに発生する電圧の変化に与える影響、及び各チューナの挿入量が共振周波数の変化に与える影響について、予めデータを取得しておくことにより、各ドリフトチューブの発生電圧、及び共振周波数を仕様値に収めるためのチューナ挿入量の設定を見通しよく効率的に実施することが可能となる。
更に、既に述べたようにドリフトチューブ間の電圧変化に与える影響の最も小さいものを自動チューナとして選定することにより、運転時に温度補正のために自動チューナの挿入量が変化しても、電圧分布に与える影響を最小限にとどめることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の実施の形態１によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器のビーム軸方向断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器のビーム軸直角方向断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造フロー図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法において、各チューナ１０を基準位置から２０ｍｍ挿入したときの各ドリフトチューブ間の電圧変化を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法において、図４の電圧変化を多項式展開した時の最高次数（ｎ）と決定係数の関係を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法において、摂動法による加速器空洞内の電化強度測定結果を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法において、ドリフトチューブ間発生電圧の設計値、測定値と差異分布を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態１によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法において、差異分布の多項式展開によるスムージング前後の様子を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態１によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法において、差異分布をスムージングすることによるチューナ１０の差異分布補正効果の比較を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態１によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法において、図９のチューナ１０挿入設定後の差異分布測定値を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    加速器空洞
６    ドリフトチューブ
１０    チューナ
【図１】
2009283389.tif 000011
【図２】
2009283389.tif 000012
【図３】
2009283389.tif 000013
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009283389.tif 000017
【図８】
2009283389.tif 000018
【図９】
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【図１０】
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