JPH10501366A - 加速器及び進行波管のための高温超伝導体誘電性低速波構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 誘電体リングが高温超伝導薄膜を被覆した円盤と接触してなる複数の隣接区分を具備し、粒子加速器と進行波管において使用される区分の間の結合と同調可能な位相速度を有する周期及び擬似周期低速波構造が開示される。

Description

【発明の詳細な説明】 加速器及び進行波管のための高温超伝導体誘電性低速波構造 発明の分野 この発明は、粒子加速器と進行波管のために使用される、高温超伝導体（ＨＴ Ｓ）と、高Ｑ値、高結合インピ−ダンス及び高効率の誘電体材料から作られた低 速波構造に関する。 発明の背景 高エネルギー荷電粒子ビームを生成するための粒子加速器は、基礎物理学研究 と医学応用のために使用される。加速器の基本的な構成要素は、加速される荷電 粒子と相互作用するために、高周波数（ｒｆ）フィールド用の相互作用空間を設 ける低速波構造である。加速効果を累積するために、ｒｆフィールドの位相速度 は、粒子ビーム速度と同期化されなければならない。このため、低速波構造の第 一の仕様は、周波数の関数（又は等価的に、低速波比ＳＷＲ＝ｃ／ｖ_p、ここで ｃは自由空間における光の速さ）としての位相速度ｖ_pである。ｒｆフィールド と粒子の相互作用を高めるために、ｒｆ電界は、効率的な加速のための強力な力 を生成するために、粒子のビ−ムパスに沿って十分に高くなければならない。 このため、低速波構造の第二の仕様は、 Ｚｃ＝Ｖ²／２Ｐ （１） として規定された結合インピ−ダンスＺｃと呼ばれるパラメータである。ここで 、Ｐは、低速波構造の一つの区分における散逸パワーである。 は、粒子パスに沿ったＥフィールド線積分である。そしてＬは、低速波構造の区 分長である。結合インピ−ダンスＺｃは、 Ｚｃ＝Ｑ₀Ｇ （３） として表現される。ここで、Ｑ₀は、構造の無負荷時のＱ値であり、そしてＧは 、形状因子 として規定される。ここで、ｆ₀は、共振器の共振周波数であり、そしてＷ₀は、 共振周波数における共振器の蓄積エネルギーである。 ｄｃ高電圧Ｖ₀は、荷電粒子ビ−ムを低速波構造へ送られる初期「注入」速度 ｖまで加速するために使用される。Ｖ₀とＶの間の非相対関係は、 である。ここで、ｖ、ｅとｍは、それぞれ、粒子の速度、電荷及び質量である。 非常に高いｄｃ電圧が使用されないならば、ｖは、光の速さｃよりもずっと小さ く、低速波比は、低速波構造の入口区分において単位よりもずっと大きく、漸次 的に減少し、加速粒子ビ−ムと同期化されているべきである。 低速波構造はまた、進行波管（ＴＷＴ）において使われる。加速器の場合に反 して、ＴＷＴにおける電子ビ−ムは、増幅のためのｒｆフィールドにエネルギー を移送するために減速される。そのような相互作用はまた、電子ビ−ム速度ｖと ｒｆフィールドの位相速度ｖｐの間 の同期を必要とする。差異は、加速器の場合において、ｖは、ｖｐよりも小さい 又はほぼ等しいが、ＴＷＴの場合において、ｖは、ｖｐよりも大きい又はほぼ等 しいことである。 従来の低速波構造は、管形状であり、銅の如く共通な金属で作られ、縦方向に 沿って周期構造を有する。これらの構造はまた、一連の結合共振空洞として考え られる。位相速度と結合インピ−ダンスは、共振空洞の次元を変えて、又は空洞 の間の結合を変えることにより、調整される。従来の金属低速波構造に関する主 な問題は、低Ｑ値による低結合インピ−ダンスである。低Ｚｃは、低効率の原因 になり、投入量ｒｆパワーを増大させ、長い低速波構造を用いることにより、補 償されなければならない。両施策は費用がかかる。問題を解決する一つの方法は 、低速波構造を作製する際に使われた標準金属に置き換わるためのニオビウム（ Ｎｂ）又は鉛（Ｐｂ）の如く低温超伝導体（ＬＴＳ）の使用である。そのような ＬＴＳ低速波構造は例えば最大１０⁹の極めて高いＱ値を有し、Ｚｃを非常に増 大させ、これにより効率を改良する。しかし、ＬＴＳ構造は、液体ヘリウム温度 （４．２°Ｋ）の近くで動作されなければならず、全体構造を激烈に複雑にし、 費用を増大させる。非常に特殊な場合を除いて、そのような温度における多くの 加速器の運転費用は、正当化できない。 本発明は、極めて高いＱ値を有する液体窒素温度（７７°Ｋ）付近で動作され るＨＴＳ／誘電体低速波構造を提供することによって上記の問題を克服する。そ れは、効率を改良し、低速波構造の長さを短くし、加速器を小形化する加速器と ＴＷＴのために適切な加減低速波比を提供する。 １９９１年１１月５日に提出された、一般に譲渡された同時係属出願Ｎｏ．０ ７／７８８、０６３は、ＨＴＳ／誘電体ＴＥ_0in（ｉ、ｎ＝１、２．．．）モー ド共振器を記載する。そこで記載された幾つかのＴＥ₀₁₁モ−ドＨＴＳ／サファ イア共振器は、最大３ｘ１０⁶の極めて高いＱ値と、８０Ｋにおいて最大３ｘ１ ０⁴ワットまでのパワー処理能力を証明した。この実験データは、ＹＢａＣｕＯ 、ＴｌＢａＣａＣｕＯの如く薄膜ＨＴＳ材料と、単結晶サファイア（αーＡｌ₂ Ｏ₃）の如く誘電体材料が、高パワー応用のためのマイクロ波周波数で極めて高 いＱ値を達成することができることを立証した。しかし、そのようなＴＥモ−ド 共振器は、荷電粒子ビ−ムと相互作用するために低速波構造によって必要とされ る縦方向に沿ったＥフィールドを有さない。本発明は、低速波構造によって必要 とされたすべての特性を有する、第１ａ〜１ｂ図を参照して以下に記載された、 一連のＴＭ又はＥＭモ−ドＨＴＳ／誘電体共振器によって形成されるＨＴＳ／誘 電体構造を提供することによってこの問題を克服する。この発明による構造は、 加速器の効率を非常に増大させ、それを小形化する。 図面の簡単な説明 第１ａ〜１ｂ図は、本発明のＨＴＳ／誘電体周期的低速波構造の実施態様の概 略図である。第１ａ図は、該周期構造の端面図を示す。第１ｂ図は、該周期構造 の縦断面図を示す。構造の単一区分の長さは、Ｌで指示される。 第２ａ〜２ｂ図は、第１ａ〜１ｂ図において示された低速波周期構造における 誘電体リング１の詳細な構造の概略図である。第２ａ図は、誘電体リングの端面 図を示す。第２ｂ図は、誘電体リングの縦断面図を示 す。 第３ａ〜３ｃ図は、第１ａ〜１ｂ図において示された低速波構造におけるＨＴ Ｓ被覆円盤２や３の詳細な構造の概略図である。第３ａ図は、基板ウェーハ又は 円盤２又は３上に付着された超伝導体フィルムの平面又は正面図を示す。第３Ｂ 図は、円盤２の断面図を示す。第３Ｃ図は、円盤３の断面図を示す。 第４ａ〜４ｂ図は、管状の誘電体低速波構造の概略図である。第４ａ図は、そ の端面図を示す。第４ｂ図はその縦断面図を示す。 第５ａ〜５ｂ図は、第４ａ〜４ｂ図に示された管状の誘電体低速波構造の分散 特性を示すグラフである。第５ａ図は、ｋ対βのグラフであり、ＴＭ₀₁モ−ドの 一般化分散曲線（ｋ−β曲線）を示す。第５Ｂ図は、周波数の関数としてのＴＭ₀₁ モ−ドの位相速度を示す。 第６図は、ｋ対βのグラフであり、第１ａ〜１ｂ図において示された発明の周 期的ＨＴＳ／誘電体低速波構造のＴＭ₀₁モ−ドのためのＹ（ｋ−β曲線）として 表記された一般化分散曲線と、第４ａ〜４ｂ図において示された構造のためのＸ として表記された一般化分散曲線を示す。 第７ａ〜７ｂ図は、本発明のＨＴＳ／誘電体擬似周期的低速波構造の実施態様 の概略図である。第７ａ図は、該擬似周期構造の端面図を示す。 第７ｂ図は、該擬似周期構造の縦断面図を示す。 第８ａ〜８ｂ図は、２つのリング形状領域が結合機構としてのＨＴＳフィルム により被覆されていないＨＴＳ被覆円盤の概略図である。第８ａ図は、円盤の平 面又は正面図を示す。第８ｂ図は、円盤の縦断面図を示す。 第９ａ〜９ｂ図は、４つの対称領域が結合機構としてのＨＴＳフィル ムにより被覆されていないＨＴＳ被覆円盤の概略図である。第９ａ図は、円盤の 平面又は正面図を示す。第９ｂ図は、円盤の縦断面図を示す。 第１０ａ〜１０ｂ図は、付属品を有する密閉箱内のＨＴＳ／誘電体低速波構造 の実施態様の概略図である。第１０ａ図は、縦断面図を示す。第１０ｂ図は、密 閉箱への低速波構造の連結の詳細を示す分解図である。 発明の要約 本発明は、一般に、加速器又はＴＷＴのために使用されるＨＴＳ／誘電体周期 的又は擬似周期的低速波構造を提供する。ＨＴＳ薄膜の極めて低い表面抵抗Ｒｓ と、極低温におけるサファイア（αーＡｌ₂Ｏ₃）の如く使用誘電体材料の極めて 高い固有Ｑ値のために、本発明のＨＴＳ／誘電体低速波構造は、極めて高いＱ値 と非常に高い結合インピ−ダンスを有する。言い替えれば、そのような低速波構 造を使用する加速器又はＴＷＴの総合効率は、非常に改良される。さらに、低速 波構造の全長は、従来のものよりもずっと短く、加速器とＴＷＴに対する初期及 び運転費用をさらに削減する。 本発明は、 （ａ）複数の隣接区分であり、各該区分は、センタ穴を有する誘電体リングが該 リングよりも大きい直径のセンタ穴を有する円盤と接触してなり、一方又は両側 面において高温超伝導薄膜で被覆され、該隣接区分は該センタ穴を整列させるよ うに位置付けられた複数の隣接区分と、 （ｂ）隣接区分間の結合手段と、 （ｃ）位相速度の同調手段と、 （ｄ）該センタ穴と整列された粒子ビーム入口及び出口ポートと、別個の高周波 数入口及び出口ポートを有する外側囲いとを具備する周期的低 速波構造を提供する。 分散曲線と、これにより、低速波構造の位相速度が調整される。また、結合イ ンピ−ダンスが調整される。しかし、両方を最適化するために、トレ−ドオフと 革新的な設計が必要とされる。 本発明は、さらに、 （ａ）複数の隣接区分であり、各該区分は、センタ穴を有する誘電体リングがセ ンタ穴を有するより大きい直径の円盤と接触してなり、一方又は両側面において 、高温超伝導薄膜で被覆され、該隣接区分は該センタ穴を整列させるように位置 付けられ、隣接区分の該リングは、連続して長さを増大させ、直径は、動作モー ドの共振周波数を、比較的一定に例えば±１％内に保つようにサイズ調整される 複数の隣接区分と、 （ｂ）隣接区分間の結合手段と、 （ｃ）位相速度の同調手段と、 （ｄ）該センタ穴と整列された粒子ビ−ム入口及び出口ポートと、別個の高周波 数入口及び出口ポートとを有する外側囲いとを具備する擬似周期的低速波構造を 具備する。 そのような擬似周期構造は、荷電粒子ビームパスに沿って変化する位相速度を 設け、ビ−ムとｒｆフィールドの間の相互作用を高め、これにより効率を高める 。 本発明は、さらに、上記の周期低速波構造又は擬似周期的低速波構造を組み込 む荷電粒子加速器又は進行波管を具備する。 発明の詳細な説明 本発明は、荷電粒子加速器と進行波管において使用される増大効率と縮小長の 低速波構造を提供し、性能を改良し、同時に費用を低減する。 そのような加速器は、各種の電離放射線で疾病組織を治療するために、研究応用 と医学領域において役に立つ。 低速波構造の基本機能は、エネルギーを交換するために、ｒｆフィールドと荷 電粒子ビ−ムのための相互作用空間を提供することである。エネルギー交換の効 率は、主に２つの要因、（１）ｒｆフィールドとビームの速度の同期化、（２） ビームパスに沿った電界（Ｅフィールド）強さ、によって決定される。同期化は 、低速波の位相速度が粒子ビームの速度とおおよそ等しいことを必要とする。高 エネルギー粒子加速器の初期区分又は医学の応用のための低エネルギー加速器に おける非相対性粒子ビ−ムに対して、大きい低速波比が必要とされる。本発明は 、大きな加減定在波比を達成するために、ＨＴＳ／誘電体周期又は擬似周期構造 を提供する。式（３）により、パワーに関するＥフィールド強さを記述する結合 インピ−ダンスＺｃは、Ｑ値Ｑ₀と形状因子Ｇの積として表現される。本発明は 、極めて高いＱ₀と適度に高いＧを提供し、これにより、非常に高いＺｃが達成 され、効率を増大させる。 一様な誘電性媒体において進行する電磁波は、光の速さｃよりも小さなＶ_p＝ ｃ／（ε_r）^1/2（ε_r＞１に対して）の位相速度を有する。このため、第４ａ〜 ４ｂ図を参照して以下に記載された如く誘電管は、低速波構造として使われる。 第５ａ図は、第４ａ〜４ｂ図において示された低速波構造の分散曲線として公知 のｋーβ関係を示す。第５ｂ図は、周波数の関数としてのＴＭ₀₁モ−ドの位相速 度を示す。ｖｐは、ｃ／（ε_r）^1/2の下限を有する．サファイアは、その適切な 誘電率（ｃ軸に沿って伝搬するＴＭモ−ドに対してε_r＝１１．６）と液体窒素 温度でほぼ１０⁷程度の極めて高いＱ値により、この発明の実施においてその好 ま しい誘電材料である。特性、費用及び有用性の観点から、サファイアは、現在、 そのような低速波構造のための理想の材料である。しかし、主な問題は、（ε_r ）^1/2よりも小さな低速波比が、約３．４であり、特に初期段階において多くの 加速器のために十分ではない。もちろん、サファイアよりもずっと高いε_rを有 する誘電体材料が、現在、存在するが、それらのＱ値はそのような応用のための 極低温でさえ低すぎる。 本発明は、周期構造（第１ａ〜１ｂ図、下記）と擬似周期構造（第７ａ〜７ｂ 図、下記）を形成するために、負荷として、構造へのＨＴＳ円盤をとり入れるこ とによって、低速波比の問題を解決する。ＨＴＳ円盤の導入は、低速波比を増大 させるだけでなく、低速波比要求条件を満たすために、構造の次元を変えること によって、調整可能にする。本発明の低速波構造は、サファイアの固有Ｑ値に近 い極めて高いＱ値と、液体窒素温度付近で動作する多キロワットパワー処理能力 を有する。そのような低速波構造は、加速器の効率を大きく改良し、全長を短く し、エネルギーを節約し、加速器の費用を切り詰める。進行波管はまた、そのよ うな低速波構造の使用から利益を得る。 本発明の周期及び擬似周期構造の適切な動作モードは、ＴＭ又はＥＭモ−ドで あり、ｒｆフィールドと荷電粒子ビ−ムはエネルギーを交換する相互作用空間に おいて縦Ｅフィールドを有する。本発明の構造において、ＴＭ又はＥＭ動作モー ドは、誘電体リングとＨＴＳ被覆円盤の整列したセンタ穴の区域において縦Ｅフ ィールドを有する。本発明の構造において使用される好ましい動作モードは、Ｔ Ｍ₀₁とＥＭ₀₁である。 周期構造 第１ａ〜１ｂ図は、本発明のＨＴＳ／誘電体周期低速波構造の実施態 様を示す。第１Ａ図は、端面図を示し、そして第１ｂ図は、縦断面図を示す。こ の実施態様において、低速波構造は、６つの誘電体リング１と７つのＨＴＳ被覆 円盤２と３を具備する。誘電体リングとＨＴＳ円盤は、第１ｂ図に示された如く 交互に配置され、６区分周期構造を形成する。区分又は周期は、一つのＨＴＳ被 覆円盤と接触した一つの誘電体リングから成り立っている。ＨＴＳ被覆円盤と誘 電体リングのセンタ穴は、ビームがｒｆフィールドと相互作用するための相互作 用領域としても役立つ、荷電粒子ビ−ムのためのパスを形成するために整列させ る。加速器の場合において、発明のＨＴＳ誘電性周期又は擬似周期構造において 含められた区分の数は、必要なビームエネルギーと、加速器に給電するｒｆソ− スのパワーに従属する。最小３つの誘電体リングと４つのＨＴＳ被覆円盤が、本 発明の一つの構造を形成するために必要であるが、好ましくは、１２以上の区分 が存在する。 第２ａ〜２ｂ図は、誘電体リングの構造を示す。第２ａ図は、その端面図を示 し、そして第２ｂ図は、その縦断面図を示す。誘電体リング本体４は、荷電粒子 ビームのためのパスを設ける穴５を含む。誘電体リングは、高いε_rと極めて低 い損失正接、ｔａｎδを有している誘電材料から作られる。高いε_rは，大きな 低速波比のために必要とされ、そして極めて低いｔａｎδは、必要な極めて高い Ｑ値のために必要とされる。最も好ましい誘電材料は、単結晶サファイア（αー Ａｌ₂Ｏ₃）である。サファイアは、ａ軸とｂ軸を沿ってε_a、ε_b＝９．３、ｃ軸 に沿ってε_c＝１１．６を有する異方性の誘電材料である。ｃ軸は、低速波構造 によって必要とされる方位角の対称性を維持するために、リングの縦方向に沿っ て整列されなければならない。純サファイアは、極低温において 極めて低いｔａｎδを有し、方程式は、 ｔａｎδ＝ａＴ^4.75 （６） として与えられ、ここで、Ｔは、Ｋにおける温度であり、そしてａ＝３．５ｘ１ ０ー¹⁷／Ｋ^4.75である。７７Ｋにおいて、ｔａｎδは、１０^-7〜１０^-8範囲にあ り、そのような応用のために適切である。ｒｆ損失を縮小するために、サファイ アリングは、ｃ軸定位、誘電体リング４と穴５の同心性、リング本体４の２つの 端面の間の平行性において緊密な公差で作製されなければならない。すべての表 面は、光学的表面品質のために研磨されるべきである。 一般に、本発明の誘電体リング４を作成するための誘電材料は、サファイアに 限定されない。比較的高い誘電率（具体的、１０よりも大きなε_r）と極めて低 い損失正接（具体的に、１０^-7よりも小さなｔａｎδ）を有する天然又は合成誘 電材料が、使用できる。 第１ａ〜１ｂ図において示された特別の周期低速波構造は、５つの内部ＨＴＳ 薄膜被覆円盤２と、２つの端部ＨＴＳ薄膜被覆円盤３を具備する。第３ａ〜３ｂ 図は、円盤２と３の詳細を示す。第３ａ図は円盤２又は３の正面図を示し、そし て第３ｂ図と第３ｃ図は、それぞれ、円盤２と３の断面図を示す。第３ａ図と第 ３ｂ図に示された如く、内部ＨＴＳ被覆円盤２は、中心において通り穴９を有す る基板７を具備する。ＨＴＳ薄膜６は、円盤２の基板７の両側面に付着される。 フィルム６の中心においてＨＴＳフィルムによって被覆されていない円盤領域８ がある。異なる機能を有するために、範囲８の直径は、基板７の穴９の直径より もより大きいことに注意せよ。基板７の穴９は、荷電粒子ビ−ムが通過するもの であり、通常、ビーム径は、小さい。非被覆領域８は、ビ−ム が通過するためだけでなく、円盤２に隣接する２つの区分に対するｒｆ結合機構 を設ける。８の直径は、必要な結合を設けるために十分に大きくなければならな い。第３ａ図と第３ｃ図に示された如く、端部円盤３の構成は、円盤３が基板７ の一方の側のみにＨＴＳ薄膜６被覆を有することを除いて、内部円盤２の構成と 同一である。ケースに面する他方の側は、ｒｆフィールドに接触せず、このため 、ＨＴＳ被覆は必要とされない。 単一側においてＨＴＳ被覆を有する円盤３はまた、本発明の低速波構造におい て内部円盤として使用される。その場合に、単一ＨＴＳフィルム６の両側面は、 ｒｆフィールドに露呈される。結果として、ｒｆ電流がまた、フィルム６の両側 面において存在する。このため、円盤３は、ＨＴＳ両面被覆円盤２よりも小さな ｒｆパワーを扱い、内部位置における使用のために好ましくない。 円盤２又は３を作製するために適切なＨＴＳ材料は、高い臨界温度Ｔｃ、低表 面抵抗Ｒｓ、及び高い臨界電流密度Ｊｃを有する。そのような材料としては、限 定されないが、ＹＢａＣｕＯ（１２３）、ＴｌＢａＣａＣｕＯ（２２１２と２２ ２３）、ＴｌＰｂＳｒＣａＣｕＯ（１２１２と１２２３）とＢｉＳｒＣａＣｕＯ （２２２３）がある。実際に、約９０Ｋよりも高いＴｃ、（１０ＧＨｚと動作温 度で）約５ｘ１０^-4オーム／平方よりも小さなＲｓ、及び（動作温度で動作周波 数で）約１ｘ１０⁶アンペア／平方センチメートルよりも大きなＪｃを有する任 意のＨＴＳ材料が、本発明のＨＴＳ／誘電体低速波構造において円盤２と３を作 製するために使用される。 円盤２又は３における使用のために適切な基板は、使用ＨＴＳフィル ムに格子整合され、又はＣｅＯ₂の如く緩衝層を用いた使用ＨＴＳフィルムに格 子整合された材料である。そのような材料の例としては、ＬａＳｌＯ₃、ＮｄＧ ａＯ₃、ＭｇＯ、サファイア、及びイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が ある。 第１ａ〜１ｂ図において示された実施態様の如く、発明のＨＴＳ／誘電体周期 低速波構造は、高い結合インピ−ダンスＺｃと加減低速波比を有する。第６図は 、自由空間における伝搬定数ｋ対構造における伝搬定数βのグラフとしてＹとし て表記された分散曲線を示す。第５ａ〜５ｂ図は、第４図に示された如く従来の 無負荷時の管状誘電体低速波構造に対するｋ−β曲線と位相速度対周波数曲線を それそれ示す。第５ａ図と第６図を比較することによりわかる如く、ＨＴＳ被覆 円盤の周期的負荷は、ｋ−β曲線を下方に押し、β軸に沿ってそれに周期的にす る。動作周波数ｆ₀＝ｋ₀ｃ／（２π）において、ｋ₀における水平の直線は、点 ａにおいて実線ｋ−βに交差する。この周波数において、ＨＴＳ／誘電体周期的 低速波構造は、 ＳＷＲ＝β₀／ｋ₀＝ｃｏｔθ₀ （７） の低速波比を有する。比較目的のために、第４図において示された無負荷時の管 状誘電体低速波構造に対する第５ａ図のｋ−β曲線はまた、第６図において示さ れ、Ｘとして表記される。同一の動作周波数ｆ₀＝ｋ₀ｃ／（２π）において、ｋ₀ における直線は、 ＳＷＲ’＝β’₀／ｋ₀＝ｃｏｔθ’₀ （８） のθ₀’＞θ₀のためにより小さなＳＷＲ’に対応する点ａ’においてｋ−β曲線 に交差する。さらに、本発明のＨＴＳ／誘電体低速波構造のｋ−β曲線は、加速 器の要求条件により、低速波比を仮編成するために調 整される。例えば、同一の動作周波数ｆ₀を保持し、区分長Ｌを縮小することに より、β＝π／Ｌにおけるπモード点ｐと点ａは、ｋ＝ｋ₀において直線に沿っ て右側にシフトする。それから、θ₀は、減少し、そして低速波比は増大する。 第１ａ〜１ｂ図において示された６区分周期構造は、発明のＨＴＳ／誘電体低 速波構造の唯一の実施態様である。区分の数は、６に限定されない。それは、加 速器の要求条件により任意の数である。 擬似周期構造 第７ａ〜７ｂ図は、本発明のＨＴＳ／誘電体擬似周期低速波構造の実施態様を 示し、この場合、第７ａ図は、端面図を示し、そして第７ｂ図は、縦断面図を示 す。この特定例において、それは、６区分擬似周期構造である。それは、いろい ろな次元の６つの誘電体リング１ａー１ｆを具備する。リング１ａー１ｆの構造 は、第２ａ〜２ｂ図において示されたと同一である。それはまた、第３ａ〜３ｂ 図に示されたと同一の構造を有する５つの内部ＨＴＳ被覆円盤２と、第３ａ〜３ ｃ図に示されたと同一の構造を有する２つの端部ＨＴＳ被覆円盤３を具備する。 第１ａ図と第１ｂ図の周期構造と第７ａ図と第７ｂ図の擬似周期構造の間の差異 は、変化する次元の区分を有することである。ビーム伝搬方向に沿って左から右 へ、の区分長Ｌは、連続して増大し、そして誘電体リングの外径は、サイズを調 整（減少）され、動作モードの共振周波数を各区分に対して比較的一定に保つ。 比較的一定とは、±１％を意味するためにここで使用される。長さＬの変化は、 単調漸次変化である。第６図において示され、すでに議論された如く、ｒｆ電磁 波は、変化する位相速度で左から右に擬似周期構造を通って進行する。周波数が 一定である時、位 相速度ｖｐは、区分長Ｌの増大とともに増大すために、位相速度は、左側で遅く 、右側で速い。このようにして、荷電粒子ビ−ムが、ｒｆフィールドとエネルギ ーの利得の相互作用により、左側における位相速度ｖｐよりもわずかに小さな初 期注入速度Ｖで左側から擬似周期構造に入る時、それは、右側への伝搬方向に沿 って速度が増大する。低速波の位相速度の増大は、同期化させておくように荷電 粒子ビ−ムの速度の増大に一致し、第７図において示された擬似周期構造を、第 １図において示された周期構造よりも効率的にする。 第７ａ〜７ｂ図において示された６区分擬似周期構造は、発明のＨＴＳ／誘電 体低速波構造の唯一の実施態様である。区分の数は、６に限定されない。それは 、加速器の設計の要求条件により、任意の数である。 他の配置もまた可能である。例えば、第１ａ〜１ｂ図に示された周期構造のグ ループは、複合低速波構造を構成するために使用され、この場合、ビーム入口端 部におけるグループは、より小さなｖ_pを有し、ビーム出口端部におけるグルー プは、より大きなｖ_pを有し、中間のグループは、入口から出口の方へ次第に増 大する中間のｖ_pを有する。 結合機構 通常、低速波構造は、導波管を通って、荷電粒子ビ−ムが送られる第１区分に 、ｒｆソ−スによって給電される。電磁低速波は、隣接区分の間の結合機構を介 して、構造の縦方向に沿って伝搬される。第１ａ〜１ｂ図と第７ａ〜７ｂ図にお いて示された構造に対して、第３ａ〜３ｂ図に示された如く結合機構は、ＨＴＳ 被覆円盤２又は３の中心においてＨＴＳフィルム６によって被覆されていない円 盤領域８である。第３ａ〜３ｂ図において、ＨＴＳフィルム６によって被覆され ていない円盤領域 ８は、基板７における開口９よりもより大きいことに注意せよ。理由は、開口９ のサイズが、荷電粒子ビ−ムの断面のサイズによって決定され、妨害なしにビー ムを進行させるために十分に大きくなければならないことである。しかし、ＨＴ Ｓフィルム被覆されていない円盤領域８のサイズは、開口９のよりも通常大きい ｒｆ結合要求条件によって決定される。被覆されていない円盤領域８のサイズは 、交差結合を決定するだけでなく、ｋ−β曲線、低速波比と結合インピ−ダンス Ｚｃを決定する。一般に、被覆されていない円盤領域８が大きいほど、交差結合 を強力にし、低速波比を縮小し、結合インピ−ダンスＺｃを低下させる。加速器 のすべての要求条件を満足させるために、ある妥協が、被覆されていない円盤領 域８のサイズを決定するために必要とされる。被覆されていない円盤領域８が、 第３ａ図に示されているようにリング形状である時、そのサイズの増大は、強力 な結合を促進し、波を次の区分に伝搬させるが、小さい低速波比と低い結合イン ピ−ダンスを生ずる。 この妥協を避けるために、本発明はまた、交差結合に対する代替手段を具備す る。第８ａ〜８ｂ図は、第１ａ〜１ｂ図と第７ａ〜７ｂ図に示された構造におけ る内部円盤２に置き換わるために、同心結合リング１２を有するＨＴＳ被覆円盤 ２ａの実施態様を示す。第８ａ図は、正面図を示し、そして第８ｂ図は、断面図 を示す。同心結合リング１２は、基板７ａの両側面に付着されたＨＴＳフィルム ６ａによって被覆されていない円盤のリング形状領域である。該リング１２を除 いて、円盤２ａのすべての要素は、前述の円盤２と同一である。円盤２ａが第１ ａ〜１ｂ図と第７ａ〜７ｂ図に示された構造における円盤２に置き換わるならば 、交差結合は、非被覆領域８ａと非被覆リング１２によって達成される。 これは、分散曲線と結合インピ−ダンスＺｃを別々に調整する柔軟性を与える。 例えば、Ｚｃは、領域８ａのサイズによって主に決定される。所与のサイズの領 域８ａに対して、分散曲線と低速波比は、リング１２の位置と幅を変更すること によって調整される。 第９ａ〜９ｂ図は、代替的な内部ＨＴＳ円盤２ｂの別の実施態様を示し、この 場合、第９ａ図は、正面図であり、そして第９ｂ図は、断面図である。この特定 例において、付加的な結合は、基板７ｂ上に付着されたＨＴＳフィルム６ｂによ って被覆されていない４つの対称円盤領域１４によって導入される。円盤２ｂが 第１ａ〜１ｂ図と第７ａ〜７ｂ図に示された構造における円盤２に置き換わるた めに使用されるならば、交差結合は、非被覆円盤領域８ｂと非被覆円盤領域１４ によって達成される。これはまた、分散曲線と結合インピ−ダンスＺｃを別々に 調整する柔軟性を与える。例えば、Ｚｃは、領域８ｂのサイズによって主に決定 される。所与のサイズの領域８ｂに対して、分散曲線と低速波比は、非被覆円盤 領域１４の位置とサイズを変更することによって調整される。第９ａ〜９ｂ図は 、唯一の結合実施態様を表わす。結合非被覆領域の数と形状は、第９ａ〜９ｂ図 に示された特定の実施態様に限定されない。実際に、いろいろな形状と位置を有 する非被覆円盤領域の任意のセットが、方位角対称性が維持される限り、許容さ れる。 囲い 加速器と進行波管において使用されるために、第１ａ〜１ｂ図と第７ａ〜７ｂ 図に示された如く、組立部品１、２と３を具備する本発明のＨＴＳ／誘電体低速 波構造は、特別の付属品を有する囲いにおいて実装される。囲いの機能は、低速 波構造の下位組立品を保持し、真空シールを 設け、ＨＴＳフィルムの極低温冷却のための熱パスを提供することである。 付属品は、ｒｆパワー入力及び出力ポ−ト、同調機構と荷電粒子ソ−ス及びコ レクタへの連結部を含む。第１０ａ〜１０ｂ図は、本発明の低速波構造の一実施 態様を示す。第１０ａ図は、縦断面図であり、そして第１０ｂ図は、ＨＴＳ被覆 円盤と囲いの間の連結部の詳細を示す分解図である。 第１０ａ図において、特別の８区分周期的ＨＴＳ／誘電体低速波構造は、８つ の誘電体リング１、７つの内部ＨＴＳ被覆円盤２、そして２つの端部ＨＴＳ被覆 円盤３を具備し、第１図において示されたものと同様にして構成される。周期的 低速波構造は、ケース本体２１と２つの端部板２２と２２ａを具備する金属ケー スによって保持される。ＨＴＳフィルムに対する効率的な熱パスを提供するため に、ケース部品２１、２２と２２ａは、部品１、２と３を具備するＨＴＳ／誘電 体下位組立品とは異なる熱膨張係数（ＴＥＣ）を有する無酸素銅の如く高熱伝導 率を有する金属又は金属合金から作られる。構造の剛性を維持するために、ばね ３０が、下位組立品を適所に保持するために使用され、室温〜極低温サイクル中 の熱膨張又は収縮を補償する。 ｒｆパワーは、入力ポ−トとしての導波管２３を介して低速波構造へ導入され る。導波管２４は、ｒｆ出力ポ−トとして役立つ。真空密封窓２９と２９ａは、 ケース内の真空を維持し、ｒｆパワーを通過させるために使用される。フランジ ２５は、低速波構造から荷電粒子ソ−ス（不図示）への連結部を設け、低速波構 造への荷電粒子ビ−ムの入口として役立つ。フランジ２５ａは、低速波構造から 荷電粒子コレクタ（不図示） への連結部を設け、荷電粒子ビームの出口として役立つ。この例において、低速 波構造の各区分へケース本体２１における通り穴より挿入される８つの同調棒３ １がある。同調棒は、誘電体リングに垂直である。各同調棒の囲いへの貫入深さ は、加減される。同調棒は、位相速度を変えるｒｆフィールドの外乱を生じさせ る。同調棒の機能は、ｒｆ波と荷電粒子ビ−ムの間の速度の最適同期化のために 低速波構造の分散曲線を微同調し、最大効率を達成することである。同調棒は、 磁気同調のための高伝導率を有する導体から作られるか、又は電気同調のための 高い比誘電率と低損失正接を有する誘電体材料から作られる。機械的剛性と熱効 率のために、誘電体リング１及びＨＴＳ被覆円盤２と３は、一つの下位組立品と して一体的に保持される。誘電体リング１とＨＴＳ被覆円盤２又は３の間の接触 は、接着剤として、無定形フルオロポリマー、例えばテフロンＡＦの如く、低ｒ ｆ損失にかわを塗布することにより達成される。金属リング２６は、下位組立品 を補強し、囲いに対するＨＴＳ円盤のより良い熱パスを設けるために、付加的な 保持機構として使用される。第１０ｂ図は、ＨＴＳ円盤２、金属リング２６とケ ース本体２１の間の連結部の分解図を示す。ＨＴＳ円盤２の極縁において、リン グ形状金属被覆層２７は、ＨＴＳフィルム６の上に付着される。ガスケット２８ は、確実な結合のために、金属リング２６と金属被覆層２７の間に配設される。 第１０ａ〜１０ｂ図は、ＨＴＳ／誘電体構造の唯一の実施態様を表わす。本発 明は、この特定の構成に限定されるものではない。例えば、第１０ａ〜１０ｂ図 において、周期構造は、第７ａ〜７ｂ図に示されたものの如く、擬似周期構造に よって置き換えられる。第１０ａ〜１０ｂ図 に示された低速波構造は、第３図に示された内部ＨＴＳ円盤２を具備し、この場 合、交差結合は、単に、ＨＴＳフィルム６によって被覆されていない円盤領域８ を経由する。それは、第８ａ〜８ｂ図に示された代替的なＨＴＳ被覆円盤３ａ（ リング結合１２を有する）又は第９ａ〜９ｂ図において示されたＨＴＳ被覆円盤 ３ｂ（対称非被覆領域１４の結合を有する）によって置き換えられる。区分の数 は、第１０ａ〜１０ｂ図において示された例の如く、８に限定されない。 ｒｆ入口ポ−ト２３と出力ポ−ト２４の導波管バージョンは、同軸線路バージ ョンによって置き換えられる。二つ以上のｒｆソースを使用する加速器の場合に 、低速波構造の縦方向に沿って異なる区分で位置する多重入力ポ−トが使われる 。この場合、異なるソースの位相は、調整されなければならない。 本発明の周期及び擬似周期構造は、それらの長さを２〜３フィートに短縮する ことにより、加速器と進行波管を小形化する。本発明の低速波構造は、従来の構 造よりも少なくとも約１００倍大きな極めて高いＱ値を有し、こうして、改良さ れた動作効率を表わす。 本発明の付加的な見地は、小形サイズの改良された荷電粒子加速器と改良され た進行波管を具備し、この場合、改良は、前述の如く、本発明の周期又は擬似周 期低速波構造の組み込みを具備する。加速器と進行波管は、低速波構造構成部分 が本発明のものを含むことを除いて、技術における当業者に公知の任意の従来の 設計である。そのような加速器は、研究と医学の応用において役に立つ。特に、 それらは、各種の電離放射線で疾病した人の組織の治療のために有益である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）複数の隣接区分であり、各該区分は、センタ穴を有する誘電体リン グが該リングよりも大きい直径のセンタ穴を有する円盤と接触してなり、一方又 は両側面において高温超伝導薄膜で被覆され、該隣接区分は該センタ穴を整列さ せるように位置付けられた複数の隣接区分と、 （ｂ）隣接区分間の結合手段と、 （ｃ）位相速度の同調手段と、 （ｄ）該センタ穴と整列された粒子ビーム入口及び出口ポートと、別個の高周波 数入口及び出口ポートを有する外側囲いとを具備する周期的低速波構造。 ２．（ａ）複数の隣接区分であり、各該区分は、センタ穴を有する誘電体リン グがセンタ穴を有するより大きい直径の円盤と接触してなり、一方又は両側面に おいて、高温超伝導薄膜で被覆され、該隣接区分は該センタ穴を整列させるよう に位置付けられ、隣接区分の該リングは、連続して長さを増大させ、直径は、動 作モードの共振周波数を比較的一定に保つようにサイズ調整される複数の隣接区 分と、 （ｂ）隣接区分間の結合手段と、 （ｃ）位相速度の同調手段と、 （ｄ）該センタ穴と整列された粒子ビ−ム入口及び出口ポートと、別個の高周波 数入口及び出口ポートとを有する外側囲いとを具備する擬似周期的低速波構造。 ３．超伝導薄膜が、約９０Ｋよりも大きなＴｃ、１０ＧＨｚにおいて約５ｘ１ ０^-4オーム／平方よりも小さな表面抵抗、及び約１ｘ１０⁺⁶アンペア／平方セン チメートルよりも大きな臨界電流密度Ｊｃを有する請 求の範囲１又は２に記載の低速波構造。 ４．超伝導膜が、ＹＢａＣｕＯ（１２３）、ＴｌＢａＣａＣｕＯ（２２１２） 、ＴｌＢａＣａＣｕＯ（２２２３）、ＴｌＰｂＳｒＣａＣｕＯ（１２１２）とＴ ｌＰｂＳｒＣａＣｕＯ（１２２３）から成るグループから選択される請求の範囲 ３に記載の低速波構造。 ５．超伝導膜が、ＬａＡｌＯ₃、ＮｄＧａＯ₃、ＭｇＯ、サファイア、及びイッ トリウム安定化ジルコニアから成るグループから選択された該膜に格子整合され た材料の円盤において付着される請求の範囲３に記載の低速波構造。 ６．誘電体リングが、１０よりも大きな誘電体定数と、１０^-7よりも小さな損 失正接を有する材料である請求の範囲１又は２に記載の低速波構造。 ７．誘電体リングがサファイアである請求の範囲６に記載の低速波構造。 ８．結合手段が、センタ穴の回りに対称パターンにおいて高温超伝導膜によっ て被覆されていない円盤の少なくとも一つの離散領域を具備する請求の範囲１又 は２に記載の低速波構造。 ９．結合手段が、穴と同心な高温超伝導膜によって被覆されていない円盤の少 なくとも一つのリング形状領域を具備する請求の範囲１又は２に記載の低速波構 造。 １０．同調手段が、外側囲いにおける穴を通って挿入された少なくとも一つの 同調棒を具備し、棒の貫入深さが調整可能である如く、誘電体リングに垂直であ る請求の範囲１又は２に記載の低速波構造。 １１．一つの同調棒が、構造の各区分に対して存在する請求の範囲１ ０に記載の低速波構造。 １２．高周波数の入口と出口のための入口ポートと出口ポートが、真空密封さ れる請求の範囲１又は２に記載の低速波構造。 １３．粒子ビームに対する入口ポートと出口ポートが、円盤とリングにおける センタ穴と整列される請求の範囲１又は２に記載の低速波構造。 １４．外側囲いが、金属又は金属合金である請求の範囲１又は２に記載の低速 波構造。 １５．請求の範囲１又は２の低速波構造を組み込む荷電粒子加速器。 １６．請求の範囲１又は２の低速波構造を組み込む進行波管。