JP2017117730A - 加速空洞及び加速器 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｑ値を従来の常伝導加速空洞よりも高めることができ、電力効率を高めることが可能な加速空洞及び加速器を提供することを目的とする。【解決手段】高周波加速空洞１は、内周面が筒形状であり少なくとも表面に導電性を有する筐体３と、筐体３内部に設けられ、中心部に荷電粒子が通過可能な開口部５ａが形成された誘電体である複数の加速セル２とを備え、筐体３は、筒形状を有する円筒部６と、円筒部６の両端に設置された端板７とを有し、加速セル２は、筐体３の一端側の端板７から他端側の端板７にかけて複数配置され、各加速セル２は、筐体３の円筒部６の内径よりも小さい直径を有する円筒部４と、円筒部４の内側にて円筒部４に固定され、荷電粒子の通過軸に対して板面が垂直になるように配置された、開口部５ａが形成されている円板部５とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、加速空洞及び加速器に関するものである。

荷電粒子加速用の加速器に用いられる高周波加速空洞は、金属筐体内に高周波電力を蓄積させ、その中に発生する高周波電場を利用して、電子やイオン等の荷電粒子を人工的に高速に加速する。高周波加速空洞を用いた加速器は、高エネルギー物理学実験や放射光施設などの学術分野、放射線治療・診断装置や滅菌装置などの産業分野に至るまでその利用は多岐にわたる。

高周波加速空洞は、一般的に高純度銅を利用した室温で動作する常伝導加速空洞と、超伝導材料（例えばニオブ）を利用した極低温で動作する超伝導加速空洞に大別される。

なお、下記の特許文献１では、非磁性耐熱金属よりなるリング状加速部材と、セラミックスよりなるリング状絶縁部材とが交互に接合されてなる加速管に関する発明が開示されている。また、特許文献２では、基本空洞と円盤が加速方向に沿って交互に接続された加速空洞であって、セラミックス製空洞とセラミックス製円板のそれぞれの表面に活性銀ろう材層と銅電鋳層の２層を形成して基本空洞と円盤を製造する発明が開示されている。

特開昭６３−２８４４７号公報 特開２００３−３０３７００号公報

加速空洞が多数連結された加速器の高エネルギー化や小型化を図る際、建設コストと運転コストを考慮すると、室温から数十ケルビン程度の低温領域で高いＱ値を持つ高周波加速空洞が必要である。ここで、Ｑ値とは、加速空洞自体の持つ高周波電力の蓄積効率を表し、その値は、加速空洞を構成する材料の電気伝導率でほぼ決まる。そのため、既存の金属製の加速空洞では、電気伝導率という金属固有の物性値によってリミットしているため、これまで以上にＱ値を大幅に上げることはできないという問題がある。

既存の常伝導加速空洞のＱ値を上げる方法としては、加速空洞を低温に冷却するという方法がある。一般的に、常伝導体も冷却することで飛躍的に電気伝導率が高くなり、例えば20Kまで冷却すると室温の約10⁴倍も電気伝導率が高くなる。しかし、異常表皮効果という室温とは異なる高周波損失のメカニズムによって余分に高周波電力が失われる。そのため、加速空洞の冷却によって高い電気伝導率が得られるとしても、例えば20K程度まで冷却した場合、Ｑ値は、せいぜい室温の5.5倍程度までしか上がらず、Ｑ値を大幅に上げることができない。

また、誘電体装荷型高周波加速管は、セラミックス製の円筒部材を有し、その円筒部材の外周部分が金属コーティングされたものであるが、既存のTM₀₁モードを用いた誘電体装荷型高周波加速管は、Ｑ値が常伝導加速空洞と同程度である。さらに、誘電体装荷型高周波加速管の場合、空洞内部に蓄積される高周波電力の大部分は誘電体内部に蓄積されており、荷電粒子の加速に利用できる電力は、ごく一部である。そのため、既存の加速空洞と比較してシャントインピーダンスが非常に小さいという深刻な問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、Ｑ値を従来の常伝導加速空洞よりも高めることができ、電力効率を高めることが可能な加速空洞及び加速器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の加速空洞及び加速器は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る加速空洞は、内周面が筒形状であり表面に導電性を有する筐体と、前記筐体内部に設けられ、中心部に荷電粒子が通過可能な開口部が形成された誘電体である複数のセルとを備え、前記筐体は、筒形状を有する筒部と、前記筒部の両端に設置された端板とを有し、前記複数のセルは、前記筐体の一端側の前記端板から他端側の前記端板にかけて配置され、各セルは、前記筐体の前記筒部の内径よりも小さい直径を有する円筒部と、前記円筒部の内側にて前記円筒部に固定され、前記荷電粒子の通過軸に対して板面が垂直になるように配置された、前記開口部が形成されている板部とを有する。

この構成によれば、加速空洞は、表面に導電性を有する筐体と、誘電体、特に比較的誘電損失が低い誘電体である複数のセルとを備え、セルの中心部に形成された開口部を荷電粒子が通過し加速される。荷電粒子の通過軸近傍には加速方向の電場が形成される。セルの板部の板面が荷電粒子の通過軸に対して垂直方向になるように、開口部を有する板部がセルの円筒部の内側に設置される。これにより、板部の開口部の内側で、荷電粒子の通過軸方向に加速電場を集中させることが可能となり、シャントインピーダンスを上げることができる。また、筐体の筒部の内径よりも小さい直径を有する円筒部が設けられることにより、荷電粒子のビームが通過する通過軸付近に高周波電力が蓄積されることが可能となる。また、筐体の端板の金属表面に対して平行な向きに発生する高周波磁場を低減化し、金属表面での導体損失を減らせる。

上記発明において、前記誘電体は、誘電損失を示す指標であるtanδが、1×10^-3以下、より好ましくは、1×10^-5以下である。

上記発明において、前記複数のセルのうち前記筐体の前記端板に隣接するセルにおいて、前記通過軸の周囲に設けられた第２の円筒部を更に備え、前記第２の円筒部は、前記端板と、前記端板に隣接するセルの前記板部に接続されてもよい。

この構成によれば、第２の円筒部が更に設けられることによって、金属表面に対して平行な向きに発生する高周波磁場を更に低減化することが可能となる。

上記発明において、前記複数のセルの前記各セルにおいて、複数の前記円筒部が配置され、前記各セルにおける前記複数の前記円筒部は、それぞれ直径が異なり、同心円状に配置されてもよい。
この構成によれば、高次のモードを加速モードに使用することができ、その結果、Ｑ値をさらに高くすることが可能である。

上記発明において、加速モードの次数をｎとするとき、前記各セルにおける前記複数の前記円筒部はｎ−１個である。

上記発明において、前記セルの表面にはＴｉＮコーティングが施されてもよい。
この構成によれば、運転時におけるセルの二次電子放出係数を下げることができる。

本発明に係る加速器は、上記の加速空洞を備える。

本発明によれば、Ｑ値を従来の常伝導加速空洞よりも高めることができ、電力効率を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係る高周波加速空洞を示す縦断面図である。 加速セルのセル数と高周波加速空洞の無負荷Ｑ値との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る高周波加速空洞を示す縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係る高周波加速空洞を示す縦断面図である。 誘電体の誘電損失を示す指標tanδと高周波加速空洞の無負荷Ｑ値との関係を示すグラフである。 誘電体の誘電損失を示す指標tanδと温度との関係を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る高周波加速空洞の変形例を示す部分縦断面図である。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係る加速器について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る高周波加速空洞を示す縦断面図である。
本実施形態に係る加速器は、高周波加速空洞１を備え、高周波加速空洞１は、TM_0nモード（ｎ＞１）といった高次モードを加速モードとする。
高周波加速空洞１は、誘電体からなる複数の加速セル２と、複数の加速セル２が内部に配置される円筒状の筐体３などを備える。高周波加速空洞１は、中心軸上を荷電粒子が通過する。

複数の加速セル２は、筐体３の内部で、筐体３の一側の端板７から他側の端板７まで、ビーム軸方向に直列に配置される。加速セル２は、円筒部４と円板部５を有する。

なお、加速セル２の製造上の都合や、支持構造の安定化のため、円筒部４の内側に設けられる円板部５の延長上に、円筒部４の外側に円環部８が設けられる。これにより、円板部５と円環部８が一体化された部材に対し円筒部４を接続することができる。また、円板部５を、円環部８を介して筐体３の内周面で支持することができる。

円筒部４と円板部５と円環部８は、誘電体であって、表面には金属コーティングなどを施さずに用いられる。加速セル２、すなわち、円筒部４と円板部５に用いられる誘電体は、誘電損失が低い誘電体であり、例えばアルミナやサファイア等のセラミックスである。本実施形態において、円筒部４と円板部５と円環部８に用いられる誘電体の誘電損失を示す指標であるtanδ（誘電正接）は、例えば、1×10^-3以下の範囲である。

なお、低誘電損失の誘電体として、誘電損失が室温で7.5×10^-6程度という低い値を有するセラミックス（高純度アルミナ）の開発例がある（Applied Physics Letters，（米），2002，Vol. 81， No.26, p. 5021-5023）。また、低損失誘電体の高周波特性に関する先行研究において、例えば、サファイアのtanδが、温度T[K]⁵に比例し、室温でtanδ=10^-5のものが、80Kではtanδ=10^-7まで減少するという実験結果がある（Physics Letters A，（オランダ），1987，Vol. 120， No.6, p. 300-305）。

筐体３は、円筒形状の円筒部６と、円筒部６の両側端に設けられる円板状の端板７を有する。筐体３は、例えば導電性が高い金属材料であり、無酸素銅等の純金属、ステンレスに銀メッキ又は銅メッキが施された材料などである。または、筐体３は、場合によっては、銀メッキ又は銅メッキが施されたセラミックスなどの誘電体を用いることもできる。こうした金属製の材料、又は、金属製のメッキが施された誘電体を用いることにより、筐体３の表面は、導電性が確保される。端板７は、中心に円形状の開口部７ａが形成された板状部材である。

加速セル２の円筒部４は、中心軸が筐体３の円筒部６の中心軸と同軸上に配置され、円筒部４の直径は、筐体３の円筒部６の直径よりも小さい。円筒部４の直径は、全ての加速セル２において同一であってもよいし、端部側が中間部側よりも大きく設定されるなど加速セル２ごとに異なってもよい。円筒部４の端部に円板部５が接続される。

加速セル２の円板部５は、中心に円形状の開口部５ａが形成された板状部材である。開口部５ａの直径は、円筒部４の直径よりも小さい。開口部５ａは、荷電粒子が通過する。円板部５の面上に対して垂直方向に円筒部４が設置される。また、円板部５は、筐体３の端板７から離隔した位置に配置され、円筒部４が端板７と接触する。なお、複数の加速セル２は、全ての加速セル２が円筒部４と円板部５を備えるわけではなく、円筒部４のみ、又は、円板部５のみの場合もある。

上述した構成により、ビーム軸近傍には加速方向の電場が形成される。加速セル２の円板部５の板面がビーム軸に対して垂直方向になるように、開口部５ａを有する円板部５が円筒部４の内側に設置される。これにより、円板部５の開口部５ａの内側で、ビーム軸方向に加速電場を集中させることが可能となり、シャントインピーダンスを上げることができる。

筐体３内において配置される加速セル２の円筒部４の内径や外径、円板部５間の間隔、円板部５の開口部５ａの内径、筐体３の内径などが調整されることによって、高周波加速空洞１の内部に励振される加速モードの電磁場分布が調整される。また、円筒部４によって、荷電粒子のビームが通過するビーム軸付近に高周波電力が蓄積されることが可能となる。その結果、筐体３の端板７の金属表面に対して平行な向きに発生する高周波磁場を低減化し、金属表面での導体損失を減らせる。

例えば、加速セル２が５個配置される５セルの場合、図２に示すように、Ｑ値は約60,000となり、従来の常伝導加速空洞の数倍以上の高いＱ値を実現できる。従来の常伝導加速空洞は、銅製である場合、Ｑ値が10,000程度である。図２は、セル数が多いほどＱ値が高くなる傾向にあることを示している。これは、セル数が多いほど高周波加速空洞１が長くなり、高周波加速空洞１内で損失するエネルギーの割合が少なくなるためである。

図２に示したＱ値の結果を導く演算は、計算プログラム（Poisson Superfish：ロスアラモス国立研究所（http://laacg.lanl.gov/laacg/services/download_sf.phtml））によって行った。

計算条件には、加速セル２の円筒部４と円板部５における誘電体として、上述した高純度アルミナ（Applied Physics Letters，（米），2002，Vol. 81， No.26, p. 5021-5023）の物性値を使用し、筐体３における金属として、無酸素銅の物性値を使用した。加速セル２の円筒部４の内径や外径、筐体３の内径を変化させ、高周波加速空洞１内に所定の共振周波数のπモードの電磁場分布が励振されるように、高周波加速空洞１の構造をシミュレーションすることによって、円筒部４の内径や外径及び筐体３の内径を算出した。そして、算出された構造を用いて、Ｑ値を演算した。πモードとは、円板部５で挟まれたビーム軸を含む各真空部分において、位相が１８０°ずれた共振電場が交互に並ぶモードをいう。

Ｑ値は下式で表される。
Ｑ＝（２πｆ・Ｕ）／（Ｐ_loss）
ここで、
Ｕ：高周波加速空洞１に蓄積された電磁波のエネルギー
Ｐ_loss：高周波加速空洞１内で損失された電磁波のエネルギー（電磁波の１周期あたり）
ｆ：電磁波の周波数
である。

なお、上述した例では、円環部８が円板部５の板面の延長上に設けられる場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。すなわち、円環部８は、各円板部５に対応して設けられる必要はなく、円板部５よりも少ない数で配置されてもよいし、図７に示すように、円板部５の延長上ではなく，円板部５の延長上からずれた位置に設けられてもよい。すなわち、円環部８は、円筒部４及び円板部５を支持できるように、筐体３の内周面と円筒部４の外周面の間に配置されていればよい。

以上、本実施形態によれば、室温で既存の常伝導加速空洞の５倍以上の高いＱ値が可能となり、従来よりも高い電力効率を持つ高周波加速器を実現することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る高周波加速空洞１について、図３を用いて説明する。本実施形態に係る高周波加速空洞１では、加速セル２のうち筐体３の端板７に隣接する加速セル２において、ビーム軸の周囲に円筒部９が設けられる。なお、円筒部９は、両側の端板７に近い加速セル２に設けられる。円筒部９は、円板部５の開口部５ａの内径と同一の内径を有し、一端部が筐体３の端板７に接続され、他端部が加速セル２の円板部５に接続される。

円筒部９は、第１実施形態で説明した円筒部４と円板部５と円環部８と同様の誘電体である。

第１実施形態における高周波加速空洞１の筐体３の端板７において、金属表面に対して平行な向きに発生する高周波磁場は、低減化されているが、本実施形態のように、円筒部９が更に設けられることによって、金属表面に対して平行な向きに発生する高周波磁場を更に低減化することが可能となる。

そして、第２実施形態に係る高周波加速空洞１の構造を用いて、上述した計算プログラムによってＱ値を算出した結果によれば、５セルの場合のＱ値は、100,000以上となり、円筒部９が設置されない第１実施形態に係る高周波加速空洞１の構造の場合に比べて、約２倍の高いＱ値を実現することができることが分かる。すなわち、従来よりも高い電力効率を持つ高周波加速器を実現することができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る高周波加速空洞１について、図４を用いて説明する。本実施形態に係る高周波加速空洞１は、一の加速セル２において直径の異なる円筒部４が複数、同心円状に設けられる。これにより、高周波加速空洞１は、高次のモードを加速モードに使用することができる。また、その結果、Ｑ値をさらに高くすることが可能である。

第１実施形態では、円筒部４は、各加速セル２において、一つのみ設けられる場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。円筒部４は、二つ以上設けられてもよい。図４では、円筒部４は、二つ設けられる例について示している。

二つ以上の円筒部４が設けられる場合、各円筒部４の中心軸は同軸上に配置され、各円筒部４は、各加速セル２において同心円状に設置される。高周波加速空洞の加速モードの次数がｎであるとき、円筒部４はｎ−１個設けられる。すなわち、加速モード次数が２であるとき、円筒部４は一つ設けられ、加速モード次数が３であるとき円筒部４は二つ設けられる。

図４に示す例では、第２実施形態と同様に加速セル２のうち筐体３の端板７に近い加速セル２において、ビーム軸の周囲に円筒部９が設置される。円筒部９は、高周波加速空洞の加速モードの次数がｎであるとき、円筒部９は一端側においてｎ−１個の加速セル２に設けられる。円筒部４が二つ設けられ加速モードの次数が３であるとき、円筒部９は、筐体３の端板７から二つの加速セル２に設置される。

なお、本実施形態では、第２実施形態のように筐体３の端板７に近い加速セル２において円筒部９が設けられる場合について説明したが、高次のモードを加速モードに利用する高周波加速空洞１において、第１実施形態と同様に、円筒部９が設けられなくてもよい。

（実施例１）
図５には、円筒部４が１個〜３個設けられた場合それぞれにおいて、加速セル２に使用する誘電体の誘電損失を示す指標tanδを変化させた場合の無負荷Ｑ値の計算結果を示した。この計算では、銅の表面抵抗は、室温の値を使用した。

図５に示す結果によれば、加速セル２において誘電体の円筒部４の数が増えるごとに、無負荷Ｑ値が向上していることが示されている。

すなわち、高次のモードにする際、円筒部４の数が増えることによって、表面に導電性を有する筐体３の表面に発生する電場を減らして、損失するエネルギーを低減でき、その結果、Ｑ値を高めることができる。すなわち、ビーム軸方向に加速電場を集中させることが可能となる。

（実施例２）
図６には、円筒部４が１個〜３個設けられた場合それぞれにおいて、高周波加速空洞１が使用される環境温度を変化させた場合の無負荷Ｑ値の計算結果を示した。この計算では、筐体３の金属に残留抵抗比（RRR）が2000以上の高純度銅を使用し、高周波加速空洞１全体を液体窒素温度まで冷却する場合について、無負荷Ｑ値を算出した。

この計算結果によれば、高周波加速空洞１全体を冷却することで高周波加速空洞１のＱ値とシャントインピーダンスを向上させることができることが分かる。すなわち、高周波加速空洞１全体を冷却することで、筐体３の温度が低下し電気抵抗も下がることから、筐体３において損失するエネルギーを低減できる。また、図６には、円筒部４が１個〜３個設けられたいずれの場合も温度の低下と共に無負荷Ｑ値が向上し、さらに円筒部４の層数が増えるごとにＱ値の上昇が大きくなっていることが示されている。

そして、円筒部４が３個設けられる３層の場合、液体窒素温度まで冷却することで室温に比べて約100倍もの高いＱ値が実現可能であり、高いシャントインピーダンスが得られる。

なお、上述した第１から第３実施形態において高周波加速空洞１は、加速セル２の円筒部４、円板部５や円環部８において、誘電体に金属コーティングが施されない場合について説明したが、円筒部４、円板部５や円環部８に対して、金属コーティングを施してもよい。

金属コーティングは、例えばＴｉＮによるコーティングであり、厚さは数ｎｍ程度である。誘電体の表面上にＴｉＮコーティングが施されることにより、加速器の運転時における加速セル２の二次電子放出係数を下げることができる。なお、誘電体がアルミナである場合において、HA95（純度95%）の場合に4.8、HA997（純度99.7%）の場合6.5であった二次電子放出係数が、ＴｉＮコーティングにより2以下に低下させることができることが知られている（来島裕子ら，“超伝導空洞カプラ用材料表面の二次電子放出係数”，真空，一般社団法人日本真空学会，2002年，第45巻，第7号，p.599−603）。二次電子放出係数が2以下になれば、既存の常伝導加速空洞が有する値程度となる。

二次電子放出係数が下がることによって、高周波加速空洞１に高電界が印加された場合も、セラミック表面でのマルチパクタによる放電が発生する可能性を下げることができ、より安定な運転が可能となる。

１ 高周波加速空洞
２ 加速セル
３ 筐体
４ 円筒部
５ 円板部
６ 円筒部
７ 端板
８ 円環部
９ 円筒部

Claims (8)

1. 内周面が筒形状であり表面に導電性を有する筐体と、
   前記筐体内部に設けられ、中心部に荷電粒子が通過可能な開口部が形成された誘電体である複数のセルと、
   を備え、
   前記筐体は、筒形状を有する筒部と、前記筒部の両端に設置された端板とを有し、
   前記複数のセルは、前記筐体の一端側の前記端板から他端側の前記端板にかけて配置され、
   各セルは、
   前記筐体の前記筒部の内径よりも小さい直径を有する円筒部と、
   前記円筒部の内側にて前記円筒部に固定され、前記荷電粒子の通過軸に対して板面が垂直になるように配置された、前記開口部が形成されている板部と、
   を有する加速空洞。
2. 前記誘電体は、誘電損失を示す指標であるtanδが、1×10^-3以下である請求項１に記載の加速空洞。
3. 前記誘電体は、誘電損失を示す指標であるtanδが、1×10^-5以下である請求項１に記載の加速空洞。
4. 前記複数のセルのうち前記筐体の前記端板に隣接するセルにおいて、前記通過軸の周囲に設けられた第２の円筒部を更に備え、
   前記第２の円筒部は、前記端板と、前記端板に隣接するセルの前記板部に接続される請求項１から３のいずれか１項に記載の加速空洞。
5. 前記複数のセルの前記各セルにおいて、複数の前記円筒部が配置され、前記各セルにおける前記複数の前記円筒部は、それぞれ直径が異なり、同心円状に配置される請求項１から４のいずれか１項に記載の加速空洞。
6. 加速モードの次数をｎとするとき、前記各セルにおける前記複数の前記円筒部はｎ−１個である請求項５に記載の加速空洞。
7. 前記セルの表面にはＴｉＮコーティングが施される請求項１から６のいずれか１項に記載の加速空洞。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の加速空洞を備える加速器。
   

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