(57)【要約】【課題】１台の自動チューナーのみにより、温度により変化した各セルでの電圧分布と共振周波数とを元の設計値に戻して運転することが可能なＨモード型ドリフトチューブ線形加速器を提供する。また、その製造方法を提供する。【解決手段】加速器空胴１の加速軸に直交する方向に挿入可能に設置されたチューナーブロック８を備えた自動チューナー７により共振周波数を調整するＨモード型ドリフトチューブ線形加速器であって、上記加速軸方向長さが所定長さの上記チューナーブロック８を備えた自動チューナー７を、上記加速器空胴１の上記加速軸方向側壁面２に１台のみ設置し、チューナーブロック８の挿入量により温度変化による加速器空胴１の共振周波数の変化を元の設計値に戻す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器空胴の加速軸に直交する方向に挿入可能に設置されたチューナーブロックを備えた自動チューナーにより共振周波数を調整するＨモード型ドリフトチューブ線形加速器であって、上記加速軸方向長さが所定長さの上記チューナーブロックを備えた自動チューナーを、上記加速器空胴の上記加速軸方向側壁面に１台のみ設置したことを特徴とするＨモード型ドリフトチューブ線形加速器。
【請求項２】
チューナーブロックは、加速器空胴の加速軸方向中心位置、または上記加速軸方向中心位置よりビーム入射側の上記加速器空胴側壁面に設置したことを特徴とする請求項１に記載のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器。
【請求項３】
チューナーブロックは、加速軸方向長さが加速器空胴全長の１／２以上の長さであることを特徴とする請求項１または２に記載のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器。
【請求項４】
チューナーブロックは、加速軸と直交する面の断面積が、加速軸と直交する加速器空胴径の増大につれて増加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器。
【請求項５】
加速器空胴内に初期調整を行う固定チューナー及び手動チューナーを備え、上記固定チューナー及び上記手動チューナーは、自動チューナーのチューナーブロックが設置される加速器空胴側壁面と対向する加速器空胴側壁面に設置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器。
【請求項６】
加速器空胴の加速軸に直交する方向に挿入可能に設置されたチューナーブロックを備えた自動チューナーにより共振周波数を調整するＨモード型ドリフトチューブ線形加速器であって、上記加速器空胴は、上記加速軸方向の少なくとも一方の端部の径が拡大しており、上記チューナーブロックの挿入により、上記拡大した端部拡大空胴内に発生する磁場に実質的に影響を与えない領域に設置され、かつ上記端部拡大空胴壁面と上記チューナーブロックとの間に、上記チューナーブロックの挿入量に応じた静電容量が発生するように設置された上記チューナブロックを備えた自動チューナーを、上記端部拡大空胴の上記加速軸方向側壁面に１台のみ設置したことを特徴とするＨモード型ドリフトチューブ線形加速器。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の製造方法において、自動チューナーのチューナーブロックの形状を、
加速器空胴を構成する材質の線膨張率を用いて、ある温度変化あたりの加速器空胴寸法の変化を求めるステップ１、
空胴寸法が変化した上記加速器空胴の３次元電磁場解析を行い、電圧分布及び共振周波数を求めるステップ２、
上記ステップ２で求めた電圧分布及び共振周波数から、上記ある温度変化に対する電圧分布変化率及び共振周波数変化率を求めるステップ３、
所定形状の上記チューナーブロックを加速軸方向の所定位置に設置するステップ４、
上記ステップ４で設定した形状及び設置位置の上記チューナーブロックをある挿入量、上記加速器空胴内に挿入した際の電圧分布及び共振周波数を求めるステップ５、
上記ステップ５で求めた電圧分布及び共振周波数から、上記チューナーブロックの上記ある挿入量に対する電圧分布変化率及び共振周波数変化率を求めるステップ６、
上記ステップ３で求めた温度変化に対する電圧分布変化率及び共振周波数変化率と、上記ステップ６で求めた、上記チューナーブロックを挿入した際の電圧分布変化率及び共振周波数変化率とが互いに打ち消しあうように、上記チューナーブロックの形状の最適化を行うステップ７、
に従って決定し、製造す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８】
ステップ７において、ステップ３で求めた温度変化に対する電圧分布変化率及び共振周波数変化率と、ステップ６で求めた、チューナーブロックを挿入した際の電圧分布変化率及び共振周波数変化率とが互いに打ち消しあうように、上記チューナーブロックの加速軸方向の設置位置を決め、その後、上記チューナーブロックの形状の最適化を行うことを特徴とする請求項７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】
本発明は、加速器空胴内にＴＥ波（Ｈモード）を励振することで加速電場を発生させるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器に関するものであり、特に、加速器空胴の加速軸に直交する方向に挿入可能に設置されたチューナーブロックを備えた自動チューナーを有するＨモード型ドリフトチューブ線形加速器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加速器空胴内で加速されるビームのビーム進行方向（加速軸方向）に磁場を発生させることで間接的にドリフトチューブ電極間に加速電場を発生させて粒子を加速する線形加速器をＨモード型ドリフトチューブ線形加速器と呼ぶ。
Ｈモード型ドリフトチューブ線形加速器のひとつであるＩＨ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ  Ｈ−ｍｏｄｅ）型線形加速器は、加速軸方向に配置されたドリフトチューブ間に加速電場が発生するように、ドリフトチューブを支える支柱（ステムと呼ぶ）を加速器空胴壁から一本ずつ交互に設置するものである。
ＩＨ型線形加速器において、各セル（ドリフトチューブの中心から次のドリフトチューブの中心までをセルという。）でのドリフトチューブ間に発生する電圧分布は、リッジと呼ばれるステムを支える土台が搭載されていない場合は、ビーム進行方向の位置ごとの加速器空胴径を変化させることで調節する。
また、リッジが搭載されている場合は、リッジと加速器空胴端との距離により磁場が流れる領域を調節することで調節する。
各セルでの電圧分布を調節するためには、磁場が流れる領域を調節する方法のほかに、ドリフトチューブ電極形状を調節することで行う手法もある。
【０００３】
加速器空胴全体はＬＣ共振回路と等価であり、磁場が流れる領域を加速器空胴内のインダクタンス（Ｌ）、電極間もしくは加速器空胴内での静電容量をキャパシタンス（Ｃ）と等価とすると、加速器の共振周波数Ｆは次式の関係で表すことができる。
Ｆ＝１／（２π√（ＬＣ））      （１）
【０００４】
線形加速器を製作するには製作誤差によりＣ，Ｌの設計値からのずれが生じ、（１）式を介して共振周波数が設計値に対して誤差を生じる。また、共振周波数の誤差及び加速器空胴形状の変化に伴い、各セルでの電圧分布も設計値に対して誤差が生じる。
そこで複数の補正用チューナーにより、製作段階で上記設計値からの誤差を初期調整している。
粗調整は加速器空胴側壁面に取り付ける固定チューナーのチューナーブロックの取り付け位置、高さ等により行われ、微調整は加速器空胴側壁面の所定位置に取り付けられる手動チューナーのチューナーブロックの挿入量により調整され、その結果、設計値どおりの共振周波数と、設計値に対して許容範囲内の各セルでの電圧分布とを実現する。
【０００５】
また、線形加速器の運転には高周波電力を加速器空胴に投入するため、あるいは線形加速器設置環境での温度の変化により、加速器空胴本体が熱膨張、または熱収縮し、加速器空胴内のインダクタンスＬとキャパシタンスＣとが変化することにより、共振周波数が変化する。これらの温度変化による共振周波数の変動に対する補正は自動チューナーにより行われる。
温度変化によるタンク側の共振周波数の微少なずれは、例えば高周波増幅器の出力の進行波成分と加速器空胴内でピックアップしたモニタ信号との位相差を測定することで求められる。測定された上記位相差は自動周波数調整回路（ＡＦＣ）により計算され、微少な共振周波数のずれを補正するよう、自動チューナーを駆動してチューナーブロックの挿入量を自動制御する。
また、加速器空胴本体に取り付けた温度検出器を用い、検出された温度変化に対して自動チューナーを駆動させる手法もある。
さらには、加速器空胴内でピックアップしたモニタ信号が最大になるように自動チューナーを駆動させる手法など、各種手法が知られている。
【０００６】
ＡＰＦ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  Ｐｈａｓｅ  Ｆｏｃｕｓｅｄ）法のような独立した専用のビーム収束機器を要しない自己収束法を適用したＩＨ型線形加速器では、ドリフトチューブ間に発生する加速電場を粒子の収束にも用いるため、各セルでの電圧分布が共振周波数のずれと共に大きく変化してしまうと安定な加速を行うことができない。
そこで、従来は自動チューナーを少なくとも２台以上用いて、各チューナーブロックの加速軸方向設置位置と加速器空胴内部への挿入量との関係から各セルでの電圧分布を実質的に変化させずに共振周波数の変化を調整し、元に戻すという方法が行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−８７８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器においては、各セルでの電圧分布を実質的に変化させずに共振周波数を調節するにあたって、自動チューナーを複数用いるので、線形加速器本体の肥大化、また加速器制御システムの膨大化、複雑化などの問題があった。
【０００９】
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、１台の自動チューナーのみを用いて温度変化により変化した各セルでの電圧分布と共振周波数とを元の設計値または元の設計値に対して許容範囲内の値として運転することが可能なＨモード型ドリフトチューブ線形加速器を提供することを目的としている。
また、このようなＨモード型ドリフトチューブ線形加速器を製造する方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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は、加速器空胴の加速軸に直交する方向に挿入可能に設置されたチューナーブロックを備えた自動チューナーにより共振周波数を調整するＨモード型ドリフトチューブ線形加速器であって、上記加速軸方向長さが所定長さの上記チューナーブロックを備えた自動チューナーを、上記加速器空胴の上記加速軸方向側壁面に１台のみ設置したものである。
【００１１】
また、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は、加速器空胴の加速軸に直交する方向に挿入可能に設置されたチューナーブロックを備えた自動チューナーにより共振周波数を調整するＨモード型ドリフトチューブ線形加速器であって、上記加速器空胴は、上記加速軸方向の少なくとも一方の端部の径が拡大しており、上記チューナーブロックの挿入により、上記拡大した端部拡大空胴内に発生する磁場に実質的に影響を与えない領域に設置され、かつ上記端部拡大空胴壁面と上記チューナーブロックとの間に、上記チューナーブロックの挿入量に応じた静電容量が発生するように設置された上記チューナブロックを備えた自動チューナーを、上記端部拡大空胴の上記加速軸方向側壁面に１台のみ設置したものである。
【００１２】
また、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は、上記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、自動チューナーのチューナーブロックの形状を、
加速器空胴を構成する材質の線膨張率を用いて、ある温度変化あたりの加速器空胴寸法の変化を求めるステップ１、
空胴寸法が変化した上記加速器空胴の３次元電磁場解析を行い、電圧分布及び共振周波数を求めるステップ２、
上記ステップ２で求めた電圧分布及び共振周波数から、上記ある温度変化に対する電圧分布変化率及び共振周波数変化率を求めるステップ３、
所定形状の上記チューナーブロックを加速軸方向の所定位置に設置するステップ４、
上記ステップ４で設定した形状及び設置位置の上記チューナーブロックをある挿入量、上記加速器空胴内に挿入した際の電圧分布及び共振周波数を求めるステップ５、
上記ステップ５で求めた電圧分布及び共振周波数から、上記チューナーブロックの上記ある挿入量に対する電圧分布変化率及び共振周波数変化率を求めるステップ６、
上記ステップ３で求めた温度変化に対する電圧分布変化率及び共振周波数変化率と、上記ステップ６で求めた、上記チューナーブロックを挿入した際の電圧分布変化率及び共振周波数変化率とが互いに打ち消しあうように、上記チューナーブロックの形状の最適化を行うステップ７、
に従って決定し、製造するものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、１台の自動チューナーのみで温度により変化した各セルでの電圧分布と共振周波数とを元の設計値に戻して運転することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１（ａ），（ｂ）は本発明の実施の形態１によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の横断面構成図及び縦断面構成図であり、図１（ａ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ線での断面構成図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線での断面構成図である。
図１の線形加速器においては、ある加速器空胴全長Ｄを持った共振器を兼ねた加速器空胴１のビーム入射端３からビーム出射端４にかけて、加速器空胴側壁面２から加速器空胴１の径方向中心に向かって交互に設置されたステム５により支持されたドリフトチューブ電極（以下、ドリフトチューブと記す。）６が配列されており、そのドリフトチューブ長は基本的には加速エネルギーの増加に伴い長くなっている。
ドリフトチューブ長を周期的に変化させる場合もあるが、その場合でも周期ごとの平均ドリフトチューブ長は加速エネルギーの増加に伴い長くなっている。
【００１５】
ドリフトチューブ長がビームエネルギー増加に伴い出射端４に行くにつれ長くなっているため、加速器空胴全体としては入射端３側にドリフトチューブ６が集中し、加速器空胴全体の静電容量は入射端側に集中する。
このため、共振周波数を加速軸方向に対して一定にするには、（１）式に示す共振周波数（Ｆ）に対するインダクタンス（Ｌ）および静電容量（Ｃ）の関係から、リッジがある場合は、入射端側でのインダクタンスを下げるためリッジ切り欠き長を短くすることで行う。もしくは入射端側のリッジ切り欠きをなくし、出射端側で逆にインダクタンスを上げるためリッジ切り欠き長を伸ばすようにし、リッジ端を切り欠く領域を調節することで行う。
一方、リッジが無い場合は、共振周波数を加速軸方向に対して一定にするには、（１）式に示す共振周波数（Ｆ）に対するインダクタンス（Ｌ）および静電容量（Ｃ）の関係から、入射端側でのインダクタンスを下げるため空胴断面積を縮小し、出射端側では逆にインダクタンスを上げるため空胴断面積を拡大するように、空胴径で調節することで行う。
もしくは、出射端側のドリフトチューブ外径を大きくすることで、出射端側の静電容量を増加させるように、ドリフトチューブ径で調節することで行う。
【００１６】
さらに、ファラデーの式より、ドリフトチューブ間に発生する電場強度Ｅと磁束Ｂとの関係は（２）式のように表される。
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左辺はドリフトチューブ間に発生する電圧強度を表し（ｌは加速ギャップのギャップ長）、右辺は断面積Ｓの加速器空胴断面を垂直に貫通する磁束の時間的変化を示す。
なお、加速器空胴断面積Ｓは加速器空胴内の導体部分を除いた領域の面積である。
（２）式より、加速器空胴断面積は、共振周波数とドリフトチューブ間に発生する電圧強度に影響を与えることがわかる。
よって、加速器空胴内に導体を挿入すると共に、上記導体の挿入量をコントロールして上記電圧強度に影響を与える上記加速器空胴断面積をコントロールすることにより、共振周波数とドリフトチューブ間に発生する電圧分布を調整することができる。
自動チューナーは導体からなるチューナーブロックの挿入量をコントロールすることにより上記加速器空胴断面積をコントロールし、温度変化により発生する電圧分布と共振周波数の変動を補正する。
【００１７】
本実施の形態の自動チューナー７は、所定形状のチューナーブロック８と、このチューナーブロック８を駆動して加速器空胴１内部への挿入量を調整するブロック可動装置９とから構成され、加速器空胴側壁面２に１台のみ設置される。
【００１８】
なお、図１において、ビーム進行方向（加速器空胴の加速軸方向）をｚ軸、このｚ軸に直交する平面において、チューナーブロック８が挿入される方向をｘ軸、ｘ，ｚ軸に直交する方向であり、ステム５が通常設置される方向である方向をｙ軸とする。
【００１９】
図２に本実施の形態１のチューナーブロック８のブロック形状の例を示す。
図２に示す例は、従来の一般的な自動チューナーに用いられるφ１００ｍｍ（ｙｚ平面での径）程度の円柱ではなく、ビーム進行方向（ｚ軸）のチューナーブロック長Ｎが長いブロックであり、ビーム進行方向と直交する断面の形状は、ビーム進行方向に沿ってチューナーブロック高さＨ（ｘ軸方向の長さ）及びチューナーブロック幅Ｗ（ｙ軸方向の長さ）が一定で、ビーム進行方向と直交する断面の断面積Ｑが変らないブロック（図２（ａ））、あるいはビーム進行方向に沿ってチューナーブロック高さＨが一定で、チューナーブロック幅Ｗが変化し、ビーム進行方向と直交する断面の断面積Ｑがビーム出射端４側に近づくにつれて増加するように構成されたブロック（図２（ｂ））である。
なお、チューナーブロック８はブロックの角の面取りを行っても効果は変わらない。
【００２０】
本発明で用いる自動チューナー７のチューナーブロック形状と挿入量を決定する手順を以下に示す。各ステップは所定長さのチューナブロックを有する自動チューナーを加速器空胴側壁面に１台のみ設置することにより共振周波数の調整が可能であるという本発明に基づくものである。
（ステップ１）  加速器空胴１を構成する材質の線膨張率を用いて、ある温度上昇あたりの加速器空胴寸法の変化を求める。
（ステップ２）  上記ステップ１で求めた空胴寸法を用いて膨張した加速器空胴１の３次元電磁場解析を行い、各セルでの電圧分布及び共振周波数を求める。
（ステップ３）  上記ステップ２で求めた電圧分布及び共振周波数から、上記ある温度上昇に対する各セルでの電圧分布変化率及び共振周波数変化率を求める。
（ステップ４）  所定形状のチューナーブロック（チューナーブロック長Ｎ、高さＨ、幅Ｗ（ｚ））を加速器空胴１の軸方向中心位置（ｚ軸方向のＤ／２の位置）に設置する。
（ステップ５）  上記ステップ４で設定した形状及び設置位置に対するチューナーブロック８をｘ軸方向へある挿入量、挿入した際の各セルでの電圧分布及び共振周波数を、加速器空胴１の３次元電磁場解析により求める。
（ステップ６）  上記ステップ５で求めた電圧分布及び共振周波数から、上記チューナーブロック８の上記挿入量に対する各セルでの電圧分布変化率及び共振周波数変化率を求める。
（ステップ７）  上記ステップ３で求めた温度上昇に対する各セルでの電圧分布変化率及び共振周波数変化率と、上記ステップ６で求めたチューナーブロック８を挿入した場合の各セルでの電圧分布変化率及び共振周波数変化率とが互いに打ち消しあうように、チューナーブロック８の長さ及び断面形状の最適化を行う。
（ステップ８）  上記ステップ７で決定されたチューナーブロックに対し、温度上昇に対するチューナーブロック挿入量の関係を求める。
なお、ここでは、温度が上昇した場合を示したが、温度が低下し、加速器空胴１が熱収縮した場合でも同様の手順にて行う。
【００２１】
加速器空胴に投入する高周波電力による温度上昇、もしくは加速器空胴が設置される環境による温度変化を想定し、ここでは温度が１０度上昇した場合で、加速器空胴の材質をアルミニウムとし、アルミニウムの線膨張率２３×１０-6を適用した例を挙げる。
アルミニウムの線膨張率を用いて温度が１０度上昇したときの加速器空胴の寸法を算出し（ステップ１）、膨張した加速器空胴の３次元電磁場解析により、各セルでの電圧分布変化率と共振周波数変化率を計算すると、共振周波数の変化率は−２．６×１０-2％であった（ステップ２，３）。
温度の上昇に伴い加速器空胴は膨張したため、磁場が流れる領域が拡大しインダクタンス成分が増加するので、共振周波数は低下し、周波数変化の符号は負となる。
また、温度がΔＴ変化した場合の共振周波数の変化分Δｆは、以下の（３）式で表すことができる。
Δｆ＝α×ΔＴ×ｆ0      （３）
α：線膨張係数、ΔＴ：温度変化、ｆ0：初期状態の共振周波数
（３）式から温度が１０度上昇したときの共振周波数の変化率Δｆ／ｆ0は−２．３×１０-2％であり、３次元電磁場解析による計算結果とよく整合し、計算精度の妥当性が伺える。
【００２２】
次に、温度により膨張した加速器空胴の軸方向中心位置に、チューナーブロック長Ｎ、断面形状（Ｈ，Ｗ）のチューナーブロックを挿入した場合の電圧分布変化率及び共振周波数変化率を求め、（ステップ４〜６）、温度上昇に対する各セルでの電圧分布変化率及び共振周波数変化率と、チューナーブロックを挿入した場合の各セルでの電圧分布変化率及び共振周波数変化率とが互いに打ち消しあうようにチューナーブロックの最適化を行う（ステップ７）。
【００２３】
以下にチューナーブロックの最適化について説明する。
図３は、温度上昇により膨張した加速器空胴の軸方向中心位置に、以下に示す４種類のチューナーブロックを１つのみ挿入した際の電圧分布変化率を示す。横軸は加速セル番号であり、ｚ軸方向の位置に相当する。縦軸は電圧分布変化率であり、１０度の温度変化に対する電圧分布変化率である。
Ｍ１：チューナーブロック長Ｎが加速器空胴全長Ｄの１／２の長さを持ち、かつビーム進行方向と直交する面の断面積が加速器空胴径の増大にともない増加（幅方向（Ｗ）のみ拡大）させたチューナーブロック（図２（ｂ）に示す形状）。
Ｍ２：チューナーブロック長Ｎが加速器空胴全長Ｄの１／２の長さを持ち、かつビーム進行方向と直交する面がｚ軸方向に一定の形状であるチューナーブロック（図２（ａ）に示す形状）。
Ｍ３：チューナーブロック長Ｎが加速器空胴全長Ｄの１／４の長さを持ち、かつビーム進行方向と直交する面がビーム進行方向に一定の形状であるチューナーブロック（図２（ａ）に示す形状）。
Ｍ４：従来のチューナーブロックとして用いられるφ１００ｍｍ（ｙｚ平面での径）の円柱のチューナーブロック。
なお、図３においては、チューナーブロック挿入による周波数変化率が、温度上昇による加速器空胴の周波数変化率を打ち消しあうように、それぞれのチューナーブロック挿入量が設定されているものとする。
【００２４】
図３より、従来のチューナーブロックとして用いられるφ１００ｍｍの円柱のチューナーブロックによる各セルでの電圧分布率変化率（図３の曲線Ｍ４）は、挿入量に対する共振周波数変化率が小さく、挿入量を多く必要とし、自動チューナー設置位置（この例では加速器空胴中心位置）近傍におけるセルでの電圧分布変化率に対してのみ局所的に大きな影響を与えるため、元の設計値に対する調整範囲は±５％以内の精度しか得られない。
【００２５】
一方、チューナーブロック長が加速器空胴全長の１／４の長さを持つチューナーブロックによる各セルでの電圧分布率変化率（図３の曲線Ｍ３）は、加速器空胴全体にわたって電圧分布が変化しており、先の温度上昇（ΔＴ＝１０度）により膨張した加速器空胴の電圧分布変化を相殺し、±２％以内の精度で元の設計値に戻すことができることを表している。
【００２６】
また、同様にチューナーブロック長が加速器空胴全長の１／２の長さを持つチューナーブロックによる各セルでの電圧分布率変化率（図３の曲線Ｍ２）は、加速器空胴全長の１／４の長さを持つチューナーブロックによる各セルでの電圧分布率変化率（図３の曲線Ｍ３）よりも、より加速器空胴全体にわたり電圧分布が変化し、先の温度上昇（ΔＴ＝１０度）により膨張した加速器空胴の電圧分布変化を相殺し、±１％以内の精度で元の設計値に戻すことができることを表している。
【００２７】
ここで、電圧分布変化に関して要求される精度について説明する。実質的に変化しない電圧分布とは、例えば、医療用粒子線治療装置に使用される入射器に求められるスペックとして、電圧分布変化率が±０．５％以上ずれると加速電流量が１０％減少して医療用入射器として用いることができないため、±０．５％以内の電圧分布変化率がスペックとして要求される。
【００２８】
そこで図４に、一般的なチラーで調節可能範囲である温度変化として５度上昇した場合の、チューナーブロック長Ｎの加速器空胴全長Ｄに対する割合Ｎ／Ｄと、最大電圧強度変化率との関係を示す。
この結果より、温度変化が±５度の環境下で使用される場合、チューナーブロック長Ｎを加速器空胴全長Ｄの１／２以上にしておくことで、１台の自動チューナーにより±０．５％以内の精度で各セルの電圧分布を元の設計値に戻すことができる効果があることがわかる。
温度変化に対する加速器空胴径の変化は線形関係であり、加速器空胴径の変化と電圧強度は（２）式より加速器空胴径の変化が加速器空胴径に比べ微小である場合は線形関係と近似できるため、温度変化の変化量と電圧分布変化率との間には近似的に線形の関係がある。したがって、図３の場合は温度変化が１０度の場合なので、温度変化を５度とすると、曲線Ｍ２のものが、±０．５％以内の精度で元の設計値に戻すことができるチューナーブロックであるといえる。
【００２９】
さらに、図３において、チューナーブロック長Ｎが加速器空胴全長Ｄの１／２の長さを持ち、かつビーム進行方向と直交する面の断面積を加速器空胴径の増大にともない増加（幅（Ｗ）のみ拡大）させたチューナーブロックによる各セルでの電圧分布率変化率（図３の曲線Ｍ１）は、温度上昇（ΔＴ＝１０度）に対して±０．１％の精度で元の設計値に戻すことができることがわかる。
【００３０】
本実施の形態の自動チューナーは、（１）式のＬ（加速器空胴内のインダクタンス）を調整することで共振周波数Ｆを調整するものであり、チューナーブロック８を加速器空胴１内に挿入することで、磁場が流れる加速器空胴１内の領域が減少する結果、電圧強度が減少し、共振周波数を増加させる働きをする。
したがって、図１に示すように、加速器空胴径がビーム進行方向に増大している場合、ビーム進行方向と直交する断面の形状がビーム進行方向に亘って同一形状のチューナーブロックを挿入すると、加速器空胴径が小さい箇所より加速器空胴径が広い箇所でのチューナー効果が弱くなる。よって、加速器空胴径が増大するにつれ、チューナーブロック幅Ｗを拡大し、ビーム進行方向に直交する断面の断面積を増加させるとチューナー効果が加速軸方向に亘り均一に機能するようになる。
図３のＭ１のものは、このように断面積を増加させたものであり、Ｍ３のものより高精度で元の設計値に戻すことができる。
断面積の増加率は、加速器空胴断面に対するチューナーブロック断面の割合が、基本的にはビーム進行方向に従ってほぼ一定となるようにするとよく、さらに３次元電磁場解析によりチューナーブロックの断面形状を詳細に最適化することで、ビーム進行方向に亘ってチューナー効果が均一に機能するようになる。
【００３１】
なお、ビーム進行方向に直交する断面の断面積を増加させる際、チューナーブロックの断面形状としては、上記のようにＷのみが変化する図２（ｂ）に示す形状に限定されず、加速器空胴径が増大するにつれ、断面積が増大する形状であればよい。
図２（ｂ）に示すように、チューナーブロック幅Ｗにより断面積を増加させると、チューナー挿入量に対する加速器空胴内における有効断面積のビーム進行方向の増加率は、チューナー挿入量に対し直線的に増加するので、共振周波数の調整が容易となる。
【００３２】
図３の結果より、加速器空胴本体が設置される場所が仮に２０度±２０度の温度領域であったとしても、曲線Ｍ１を示す構成のチューナーブロックを用いれば、電圧分布変化率は±０．２％の精度で元の設計値に戻すことができ、±０．５％以内に調節することができる。
【００３３】
なお、図３のＭ１は、Ｍ２と同様チューナーブロック長Ｎが加速器空胴全長Ｄの１／２に対するものであるが、Ｍ１はＭ２より精度よく調整できるので、断面積が加速器空胴径の増大につれて増加するチューナーブロックを用いる場合は、チューナーブロック長Ｎが上記１／２より短くても、使用される環境の温度変化に対し電圧分布変化率を±０．５％以内に調節できる。チューナーブロック長Ｎを１／２以上とすれば、より高精度に調整できる。
【００３４】
以上のことより、加速器空胴の加速軸方向中心位置に自動チューナを設置した場合、温度変化による各セルでの電圧分布を実質的に変えないですむチューナーブロックの形状は、
（ａ）チューナーブロック長Ｎが加速器空胴全長Ｄの１／２以上のもの、
または
（ｂ）ビーム進行方向に沿ってチューナーブロックのビーム進行方向と直交する面の断面積が加速器空胴径の増大につれて増加するもの
であり、このような構成のチューナーブロックの形状を使用される環境の温度変化に応じて選択し、さらに詳細な形状を３次元電磁場解析により最適化する。
本実施の形態では、温度変化の範囲が５度以内の場合は（ａ）の構成を、５度より大きな温度範囲の環境で使用される場合は（ａ）＋（ｂ）の構成を選択する。
【００３５】
次に、最適化されたチューナーブロックに対し、温度上昇による加速器空胴の周波数変化率と、チューナーブロック挿入による周波数変化率とが打ち消しあうように、温度上昇に対するチューナーブロック挿入量の関係を求める（ステップ８）。
【００３６】
このように、本実施の形態によれば、チューナーブロック長Ｎが加速器空胴全長Ｄの１／２以上の１台の自動チューナー、またはビーム進行方向に沿ってチューナーブロックのビーム進行方向と直交する面の断面積が加速器空胴径の増大につれて増加する１台の自動チューナーにより、温度変化による各セルでの電圧分布を実質的に変えずに共振周波数の変化をチューナーブロック挿入量を調整することにより補正することができる。
【００３７】
なお、チューナーブロック８の材質は、アルミニウムの他、銅等の金属が望ましく、導体であり、かつ磁場を通さない材料であれば図３及び図４と同様の結果が得られる。
また、チューナーブロック８は外面が導体であればよく、中空状のブロックでも良い。
【００３８】
実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の縦断面構成図である。
実施の形態１では、自動チューナー７は、加速器空胴１の加速軸方向中心位置に１台設置されたが、図５の実施の形態２による線形加速器においては、自動チューナー７は、加速器空胴１の入射端３側の加速器空胴側壁面２に１台のみ設置される。
本実施の形態の線形加速器を製造する際に、自動チューナー７のチューナーブロック８を設計するにあたっては、各セルでの電圧分布に影響を与えるパラメータとして、チューナーブロックの形状の他、さらにチューナーブロックの設置位置（加速器空胴内のｚ軸方向の位置）を付け加えており、チューナーブロックの８の設置位置として加速器空胴１の入射端３側の位置を選択したものである。
【００３９】
温度が上昇し加速器空胴が膨張すると、電圧強度は必ずしも一定に増加するわけではないため、電圧強度が一番増加する箇所にチューナーブロックを設置するとよい。
とくに、加速器空胴１が出射端４側にいくにつれ拡大しているような加速器空胴１は、ビーム入射側での電圧増加が見られるため、加速軸方向中心位置に設置するよりビーム入射側の加速器空胴側壁面２にチューナーブロック８を設置することが好ましい。
【００４０】
本実施の形態では、実施の形態１のステップ７において、ステップ３で求めた温度上昇に対する各セルでの電圧分布変化率及び共振周波数変化率と、ステップ６で求めたチューナーブロックを挿入した場合の各セルでの電圧分布変化率及び共振周波数変化率とが互いに打ち消しあうように、チューナーブロックの加速軸方向の設置位置を決め、その後、チューナーブロック長及びチューナー形状の最適化を行う。
【００４１】
図５に示すように、加速器空胴１の入射端３側にチューナーブロック８を設置してチューナーブロック８の形状の最適化を行うと、図３に示す結果よりさらに優れた結果が得られた。
その結果、チューナーブロック８が設置される加速軸方向の設置位置を加速軸方向中心位置よりビーム入射側の位置にした場合は、チューナーブロック８の加速軸方向長さＮは加速器空胴全長Ｄの１／２より短くても、電圧分布変化率を±０．５％以内に調節できるようになる。
逆に、チューナーブロック８が設置される加速軸方向の設置位置を加速軸方向中心位置よりビーム出射側の位置にした場合は、チューナーブロック８の加速軸方向長さＮは加速器空胴全長Ｄの１／２より長くする必要がある。
それぞれの場合における必要な加速軸方向長さＮは、チューナーブロックの加速軸方向の設置位置に応じて、３次元電磁場解析により決定することができる。
【００４２】
以上のように、本実施の形態のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器は、各セルの電圧分布を元の設計値に戻すことができるパラメータとして加速軸方向のチューナーブロック設置位置を追加し、チューナーブロック形状の最適化を行うので、容易にチューナーブロック形状の最適化を行える効果がある。
また、温度により変化した電圧分布と共振周波数とを、実施の形態１よりも精度よく元の設計値に戻して運転することが可能となる。
【００４３】
実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の縦断面構成図である。
従来の線形加速器においては、設計値通りの電圧分布、共振周波数を実現するために、製作段階等で複数の固定チューナー１０及び複数の手動チューナー１１が加速器空胴壁面に設置され、粗調整は上記固定チューナー１０により、微調整は上記手動チューナー１１により初期調整が行われている。
本実施の形態においても、初期調整用のチューナーとして、上記複数の固定チューナー１０及び複数の手動チューナー１１が設置されるが、本実施の形態では、上記複数の固定チューナー１０及び複数の手動チューナー１１と１台の自動チューナー７とは、図６に示すように、加速器空胴側壁面２の対面に設置される。
【００４４】
図７に本実施の形態の自動チューナー７を１台、加速器空胴側壁面２の片側から加速器空胴内部に挿入したときの加速電圧への影響を示す。なお、この場合、複数の固定チューナー１０及び複数の手動チューナー１１が、上記自動チューナー７が挿入された加速器空胴側壁面２の対面に設置されているものとする。
図７において、横軸は加速セル番号、縦軸はチューナー挿入方向（ｘ軸方向）の電圧強度（Ｖｘ）とビーム進行方向（ｚ軸方向）の電圧強度（Ｖｚ）との割合（Ｖｘ／Ｖｚ）であり、実線Ｐ１は、複数の固定チューナー１０及び複数の手動チューナー１１が設置された加速器空胴内に自動チューナ７ーを挿入する前、破線Ｐ２は、上記加速器空胴内に自動チューナー７を挿入した後の上記割合（Ｖｘ／Ｖｚ）の分布である。
複数の固定チューナー１０及び複数の手動チューナー１１が設置された加速器空胴内に、自動チューナ７ーを挿入する前も、挿入した後も、ビーム進行方向に亘って上記割合（Ｖｘ／Ｖｚ）は１％未満であることがわかる。
【００４５】
Ｖｚに対してＶｘが１％未満とは、ビームのｘ軸方向の位置変動が、ビームのｚ軸方向の位置変動（＝加速ギャップ長）の１％未満であることを意味する。
したがって、仮にギャップ長として一般的な数１０ｍｍの場合、ビームのｘ軸方向（径方向）変動は数百μｍであり、ドリフトチューブ内壁に衝突することはない。
この結果から、自動チューナー７を加速器空胴側壁面２片側から加速器空胴内に挿入した場合でも、加速電圧への非対称成分は発生しないことがわかる。
この検討から得られた結果により、各チューナーは加速器空胴内に対称に設置する必要がないことがわかる。
よって、ビーム進行方向に長いチューナーブロック８を有する自動チューナー７の設置位置と、複数の固定チューナー１０及び複数の手動チューナー１１の設置位置とを、加速器空胴側壁面の対面にすることができ、各チューナー７，１０，１１の相互の位置が干渉することがない。
【００４６】
なお、上記実施の形態では、自動チューナー７の設置位置と、複数の固定チューナー１０及び複数の手動チューナー１１の設置位置とを、加速器空胴側壁面の対面としたが、必ずしも対面でなくてもよく、固定チューナー及び手動チューナーは、自動チューナーのチューナーブロックが設置される加速器空胴側壁面と物理的に干渉しない位置であればよい。
【００４７】
実施の形態４．
図８は本発明の実施の形態４によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の縦断面構成図であり、本実施の形態の自動チューナーは、（１）式のＣ（電極間もしくは加速器空胴内での静電容量）を調整することで共振周波数Ｆを調整する。
【００４８】
本実施の形態の線形加速器は、加速器空胴１の入射端３側に、加速器空胴径を拡大した端部拡大空胴１２が設けられ、この端部拡大空間１２で磁場が流れる領域を増加して、入射端３側のドリフトチューブ６間に発生する電圧強度を高め、電圧分布を加速器空胴端部から急峻に立ち上げることができるように設計されている。
端部拡大空胴１２に流れる磁場領域Ｇは端部拡大空胴１２の全域にわたって一様ではなく、端部拡大空胴１２の入射端３に近い領域の外周部には磁場の流れが弱い領域Ｇ０が形成される。
本実施の形態では、自動チューナー１３を、上記端部拡大空胴１２の加速軸方向側壁面に１台のみ設置し、上記領域Ｇ０に、従来と同程度の形状をもつチューナーブロック１４を挿入し、このチューナーブロック１４と加速器空胴１の入射端３にある端板３０（端部拡大空胴壁面）との間に発生する静電容量を利用して、共振周波数を変化させており、チューナーブロック１４の挿入量により、上記チューナーブロック１４と加速器空胴１の端板３０（または４０）との間の対向面積を変化させ、挿入量に応じて静電容量を変化させることで、共振周波数を調整する。
【００４９】
なお、上記端部拡大空胴１２は加速器空胴１の出射端４側に設置されることもあり、その場合は、端部拡大空胴１２の出射端４に近い領域の外周部に発生する磁場の流れが弱い領域Ｇ０に、従来と同程度の形状をもつチューナーブロック１４を挿入し、このチューナーブロック１４と加速器空胴１の出射端４にある端板４０（端部拡大空胴壁面）との間に発生する静電容量を利用して、共振周波数を変化させる。
【００５０】
図９に、領域Ｇ０におけるチューナーブロック１４の挿入量と共振周波数の変化量との関係を示す。
挿入量が少ない場合は、挿入量の増加につれて加速器空胴１の端板３０（または４０）とのキャパシタンスＣが増し、共振周波数は（１）式の関係から減少するが、ある挿入量を過ぎると磁場が流れる領域Ｇ（図８参照）に差し掛かるため、インダクタンスＬが低下し、共振周波数は増加する。
したがって、温度変化により変化した増加した加速器空胴１の共振周波数を元に戻すためには、端部拡大空胴内に発生する磁場に実質的に影響を与えない領域にチューナーブロック１４を設置し、インダクタンスＬの影響を受けず、共振周波数の変化が線形である領域Ｇ０で挿入量の調整を行う必要がある。
その領域Ｇ０は、加速器空胴１全体に発生する最大磁場強度（領域Ｇに発生する最大磁場強度）の１／１００００以下となる領域であれば、（１）式よりインダクタンスＬによる共振周波数への影響が１％以下に抑えられ、静電容量のみで調整することができる。
【００５１】
以上のように、端部拡大空胴内に発生する磁場に実質的に影響を与えない領域にチューナーブロックを設置し、チューナブロックの挿入量を変化させることにより、１台の自動チューナーにより、温度変化によって変化した共振周波数を元に戻すことができる。
【００５２】
なお、本実施の形態ではインダクタンスＬが実質的に変動しない領域でチューナーブロック１４を駆動し、（１）式のＬが変動しないことを前提として、Ｃのみにより共振周波数Ｆを調整している。したがって、Ｌが変動しないことから電圧分布の調整機能は生じない。そのため、本実施の形態の自動チューナー１３を適用するには、温度変化による電圧分布変化率が±０．５％以内であるような環境で使用されるものに対して、共振周波数のずれのみ補正する場合に適用すると良い。
【００５３】
また、上記実施の形態では自動チューナー１３は従来と同程度の形状をもつものとし、チューナーブロック１４の形状をｙｚ平面での径がφ１００ｍｍ程度の円柱のものとしたが、上記実施の形態では、前述のように、チューナーブロック１４と加速器空胴１の端板３０（または４０）との間の対向面積を変化させて静電容量を変化させるので、端板３０（または４０）との対向面の形状が矩形、三角形、台形等のブロックまたは板とするとよい。また、厚みの薄い板の方が、チューナーブロック１４を挿入する際に磁場が流れる領域Ｇに差し掛かるまでの挿入しろが大きくとれるのでより好ましい。
【００５４】
また、上記実施の形態では、チューナーブロック１４と加速器空胴１の端板３０（または４０）との間の対向面積を、チューナーブロック１４の挿入量に応じて変化させ、静電容量を変化させたが、端部拡大空胴の側壁面とチューナーブロック１４との距離を、チューナーブロック１４の挿入量により変化させ、静電容量を変化させても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態１によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の断面構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るチューナーブロックの形状を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る自動チューナーを挿入した場合の電圧分布率変化率を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るチューナーブロックに対し、温度が５℃上昇した場合のチューナーブロック長に対する最大電圧分布変化率を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の断面構成図である。
【図６】本発明の実施の形態３によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の断面構成図である。
【図７】本発明の実施の形態３による自動チューナーの設置により各加速セルにおける加速電圧に与える影響を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態４によるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の断面構成図である
【図９】本発明の実施の形態４による自動チューナーの挿入量と周波数変化との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  加速器空胴、２  加速器空胴壁面、３  入射端、４  出射端、５  ステム、６  ドリフトチューブ電極、７，１３  自動チューナー、８，１４  チューナーブロック、９  ブロック可動装置、１０  固定チューナー、１１  手動チューナー、１２  端部拡大空胴、３０，４０  端板。
【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】
2009009892.tif 000009
【図７】
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【図８】
2009009892.tif 000011
【図９】
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