説明

ロータリージョイント、導波管およびその製造方法

【課題】 10MW以上の大電力で周波数10GHz以上のマイクロ波を伝送する場合でも、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより安定したマイクロ波の伝送が可能な高周波伝送用ロータリージョイントを提供する。
【解決手段】 内部に高周波伝送用の中空の導波路12b,14bを有し同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続される一対の導波管12,14を備えた回転導波管であって、導波管12の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置Aに、前記円筒部内周面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜10が形成されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、放射線治療装置等に用いる高周波伝送用ロータリージョイントに関し、さらに詳しくは、10MW以上の大電力で10GHz以上のマイクロ波を伝送するのに好適な高周波伝送用ロータリージョイントおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
マグネトロンやクライストロンで発生したマイクロ波を用いた放射線治療装置として、例えば、下記特許文献1が開示されている。
【0003】
特許文献1の放射線治療装置は、図4に示すように、電子銃、線形加速器及びターゲットを有する照射ヘッド51と、この照射ヘッドを予め定めた球面座標上で支持しかつ移動させる支持移動機構52と、床に設置されるマイクロ波発振器53と、一端部がマイクロ波発振器に電磁気的に接続され他端部が線形加速器に電磁気的に接続される導波管部54と、照射ヘッド内に位置する導波管部に設けられるRF窓とを具備するものである。
【0004】
また、このような放射線治療装置において、各導波管部54は金属製の中空管であることから、複数の導波管部を回転可能にかつ電磁気的に接続するために、ロータリージョイントが用いられる。このロータリージョイント(特許文献1におけるロータリRFカプラ)は、図5に示すように、導波管54の導波路はロータリージョイント56の回転部材に取り囲まれた回転スペース57a,57bに連通し、この中を管内モード2a(2b)でマイクロ波が導かれるようになっている。なお、この図において、58は軸受を示し、59はλ/4波長チョークを示す。このようなロータリージョイント56と導波管部54との組み合わせにより、床等に固定されたクライストロン等の加速マイクロ波源から移動する照射ヘッドへ加速用のマイクロ波を円滑に供給することができる。
【0005】
ところで、従来のロータリージョイントは、可動部における電気的接触部での放電(スパーク)が問題となっており、これに関連して下記特許文献2が開示されている。特許文献2の「ロータリージョイント」は、高電力を扱う場合のスパーク発生を防止することを目的の一つとし、図6に示すように、導電性部材からなるグランド板81と、このグランド板81に垂直に立設されキャビティ回転用の中心軸線となる第1モノポールアンテナ82と、この第1モノポールアンテナ82の周囲に回転自在に配設されかつグランド板81の上方に保持された導電性部材からなる有頭筒状のキャビティ85と、このキャビティ85の頭部カバー84に垂設され、第1モノポールアンテナ82と平行な第2モノポールアンテナ86とを備えている。かかる構成により、アンテナ間を広い寸法に設定して高周波電力を伝達させ、高電力を扱う場合のスパーク発生を防止している。
【0006】
【特許文献1】特開2003?175117号公報
【特許文献2】特開平10−163701号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
これまで、10MW以上の大電力で周波数が10GHz以上の高周波に対応したロータリージョイントは無かったことから、導波管内での放電の問題は少なかった。しかしながら、10MW以上の大電力で周波数が10GHz以上の高周波に対応したロータリージョイントにあっては、単位体積あたりの投入エネルギーが非常に大きくなるため、導波管内での放電が問題となってくる。特許文献2の技術分野は衛星通信のパラボラアンテナの回転体への搭載に関するので、特許文献2の放電防止技術は放射線治療装置等に用いる高周波伝送用ロータリージョイントには適切ではない。
【0008】
本発明は上記問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、放射線治療装置等に用いる高周波伝送用ロータリージョイントにおける放電を防止することである。即ち、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する一対の導波管部を備えたロータリージョイントにおいて、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより、10MW以上の大電力で10GHz以上のマイクロ波を伝送する場合でも安定したマイクロ波の伝送を可能とする高周波伝送用ロータリージョイントおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するため、本発明によると、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有し同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続される一対の導波管部を備えたロータリージョイントであって、導波管部の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置に、前記円筒部内周面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜が形成されていることを特徴とするロータリージョイントが提供される(請求項1)。
【0010】
従来では、10MW以上の大電力で10GHz以上のマイクロ波を伝送するロータリージョイントでは単位体積あたりのエネルギーが高くなり放電が起こりやすかった。これに対し、上記本発明の構成によると、高電場位置に対応して局所的に導電率のより低い材料、即ち、放電限界のより高い物質の被膜を形成するので、伝送特性や伝送ロスに与える影響を影響を小さくしたまま放電を効果的に防止することができる。
【0011】
上記ロータリージョイントにおいて、好ましくは、前記被膜の厚さは被膜物質のスキンデプスよりも大きい(請求項2)。
【0012】
また、上記ロータリージョイントにおいて、好ましくは、前記導波管部の軸方向に関する被膜の幅は、マイクロ波の伝送ロスを十分小さくでき、かつ、放電を抑制できる程度の大きさである(請求項3)。
【0013】
上記ロータリージョイントにおいて、好ましくは、前記被膜の物質はタングステン又はモリブデンである(請求項4)。
【0014】
また、本発明によると、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有し同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続される一対の導波管部を備えたロータリージョイントの製造方法であって、導波管部の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置を求める工程と、該高電場位置に前記円筒部内周面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜を形成する工程とを含むことを特徴とするロータリージョイントの製造方法が提供される(請求項5)。
【0015】
さらに、本発明によると、内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する導波管であって、導波管の内面に現れる高電場位置に、前記内面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜が形成されていることを特徴とする導波管が提供される(請求項6)。
【発明の効果】
【0016】
ピークパワーが10MWクラスで周波数が10GHz以上の高周波を伝送する導波管では、特に単位体積あたりのエネルギーの高くなるロータリージョイントでは、放電限界となる電場(約10MV/m)近くの電場が導波管内に発生する。高電場の位置はそれぞれ導波管の形状(内径、長さ)により一義的に決定され、高電場位置は、導波管の軸方向に周期的に現れる。そして、この高電場位置は導波管内の電場解析を行うことにより求めることができる。そこで、本発明では、導波管の内面において軸方向に周期的に現れる高電場位置に導電率のより低い材料、即ち、放電限界のより高い物質の被膜を形成する。このように、局所的に放電限界の高い被膜を形成するので、伝送特性や伝送ロスに与える影響を小さくしたまま放電を効果的に防止することができる。
【0017】
つまり、本発明によれば、10MW以上の大電力で周波数10GHz以上のマイクロ波を伝送する場合でも、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより安定したマイクロ波の伝送が可能となるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【0019】
図1は、本発明の実施形態が適用可能な高周波伝送用ローターリージョイントの一例の断面図である。このロータリージョイントは、マグネトロンやクライストロンで発生した大電力(例えば10MW)で約11GHzの高周波を伝送するために用いる。
【0020】
同図に示すように、このロータリージョイントは、一対の導波管部12、14と、回転支持部20と、1/4波長チョーク30とを備えている。一対の導波管部12、14は、その端面が一定の隙間15を隔てて直列に、かつ、回転支持部20によって同心の軸心Z−Zを中心に互いに相対的に回転可能に接続されている。
【0021】
この導波管部12、14は、内部にマグネトロンやクライストロンで発生した高周波を伝送するための中空の導波路12b、14bを有し、内部に断面円形の導波路を形成する中空円筒形の円筒部16と、円筒部16の端部を閉じる端板17と、円筒部16と端板17に連結されその軸方向が円筒部16の軸方向と直角方向を向き内部に断面矩形の導波路を形成する矩形部18とから構成されている。
【0022】
回転支持部20は、一方の導波管部12に嵌合する円筒形の補強ピース21と、補強ピース21の外周部に嵌合する軸受22と、これらを覆う軸受ハウジング23とから構成され、これにより、一対の導波管部12、14の相対的回転を支持している。なお、補強ピース21と軸受ハウジング23の間にはガスシール24が介装され、これにより絶縁媒体として導波管内に封入したガスが隙間15から漏れるのを防止している。
【0023】
ここで、SF(6フッ化硫黄)は、電子を付着して負イオンになりやすい負性気体の1つで、ガス絶縁方式の絶縁媒体として特に適しており、大気絶縁と比較して高絶縁耐力を有するために機器の小型化が可能になるという特徴がある。また、SFガスの絶縁耐力(交流放電電圧)は、大気圧よりも加圧するほど高まることが知られている。そこで、絶縁媒体として導波管内に封入するガスとしては、加圧したSFガスを用いることが好ましい。
【0024】
1/4波長チョーク30は、断面コ字型の空間が周方向に延びて形成されており、このチョーク構造により、回転支持部20側への高周波漏れを低減している。
【0025】
図2は、図1において回転支持部20を除いた状態の断面図である。この図に示すように、導波管部12の円筒部16は、軸方向に配列される3つのブロック16a、16b、16cから構成されている。この3つのブロック16a、16b、16cのうち軸方向中間部(図で中央部)に位置するブロック16bは、周波数調整用ディスクであり、この周波数調整用ディスク16bの軸方向の厚さを調整することにより所望の共振周波数に調整されている。ロータリージョイントの共振周波数は、導波管の内径や長さなど体積によって調整することができるので、この周波数調整ディスク16bの厚さを調整することで、導波管の長さLを調整し、共振周波数調整を行う。
【0026】
図1及び図2において、符号10は本発明の要部である高放電限界値を有する被膜10であり、高電場が起こる位置において導波管の内面に形成される。即ち、図1及び図2のロータリージョイントの例では、その内周面は銅Cuで形成されているが、導波管の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置には銅Cuよりも放電限界の高い物質の被膜10が形成される。
【0027】
ところで、タングステンWを用いて線形加速器の加速管の内面を形成すると、銅で加速管の内面を形成した場合と比較して放電限界が高くなることが知られている。また、モリブデンMoを用いて線形加速器の加速管の内面を形成すると、放電限界がさらに高くなることが知られている。本実施形態では、このような放電限界の高い物質であるタングステンWとモリブデンMoを被膜10の形成に使用する。特に、タングステンとモリブデンは融点が高く、飽和蒸気圧が低いのでアーク放電の耐性が高く、高電場で用いる材料に適している。しかし、被膜材料はタングステンとモリブデンに限られず、他の適切な放電限界の高い物質を被膜形成に用いてもよい。
【0028】
この放電限界のより高い物質の被膜形成について以下説明する。
【0029】
図3は、ロータリージョイントの電場解析の結果を示すものである。この図は、図1、図2における軸心Zより上側の導波路内の電場を示しているが、下側の電場は軸心Zを中心に対称に現れる。なお、電場と導波管との位置関係を明確にするため、一対の導波管部12、14の円筒部16を点線で示している。図中Lは、図1、図2における導波管の長さLを意味する。同図に示すように、導波管部12、14の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に電場が高くなる高電場位置Aが現れ、この高電場位置Aの間に電場がほぼゼロとなる低電場位置Bが現れることが分かる。この高電場位置A、低電場位置Bは、導波管の形状(内径、長さ)により一義的に決定され、高電場位置Aは高周波の波長λに相当するピッチで周期的に現れる。なお、導波路内の最高電場(約10MV/m)は図中C点で発生するため、高電場位置Aにおける電場は最高電場より低い値となる。そこで、まず、製作予定のロータリージョイントと同一寸法のロータリージョイントを用いて導波管内の電場解析を行い、高電場位置Aを求める。
【0030】
図3の高電場位置Aとなる導波管部の円筒部内周面に、タングステン又はモリブデンの被膜10を形成する。簡略のため、図面では限られた数の被膜10しか示していないが、被膜は図1の符号10で示される位置だけに形成するのではなく、マイクロ波発信器に接続される一端部から線形加速器に接続される他端部にわたって、即ち、ロータリージョイントだけでなく導波管の全長にわたって電場解析を行い、これにより求められた周期的に現れる高電場位置Aのすべての箇所に形成することが好ましい。さらに、周期的に現れない最大電場位置Cなどの他の高電場位置にもタングステン又はモリブデンの被膜10(図示せず)を形成することが好ましい。被膜10は蒸着、溶着等の適切な方法で形成されてよい。
【0031】
次に、被膜10の厚さ及び幅について説明する。
【0032】
まず、一般にスキンデプスδは次の式で求められる。
δ={1/(π*f*μ*σ)}1/2
ここで、fは伝送マイクロ波の周波数であり、μは物質の透磁率であり、σは物質の導電率である。
【0033】
また、銅、タングステン及びモリブデンの導電率は、それぞれ
σCu=6.45×10(S/m)
σW=2.04×10(S/m)
σMo=1.99×10(S/m)
である。
【0034】
銅、タングステン及びモリブデンはすべて非磁性材料なので、比透磁率を1とするとこれらの透磁率は、
μ=4π×10−7(H/m)=1.25×10−6(H/m)
となる。
【0035】
従って、伝送マイクロ波の周波数fを高周波数である10GHzと仮定して、これら導電率、透磁率、周波数の値を上記スキンデプスδの式に代入すると、銅、タングステン及びモリブデンのスキンデプスの値はそれぞれ、
δCu=0.6(μm)
δW=1.0(μm)
δMo=1.1(μm)
となる。
【0036】
タングステン又はモリブデン被膜10の厚さは、これらのスキンデプスよりも大きい1.5μm程度で十分である。ここで、導波管の円筒部内周面に厚さ1.5μmの被膜10を形成しても銅で形成されている他の部分の円筒部内径よりも3μm小さくなるが、導波管の製作精度はプラスマイナス10μmから20μmなので、1.5μmの被膜10を形成しても導波管の性能に影響を与えない。
【0037】
また、マイクロ波の周波数を10GHzとした場合に、波長は3cmなり、上述のように高電場位置Aは波長3cmに相当するピッチで周期的に現れるので、導波管部12、14の軸方向に関する被膜10の幅は、波長3cmよりも十分小さい5mm程度でよい。即ち、伝送ロスを小さくでき、かつ、放電を抑制できる適切な幅を持つように被膜10を形成する。
【0038】
このように、高電場位置Aにおいて局所的に放電限界値の高い被膜10を形成することにより、導波管全体の放電限界値を効果的に上げることができる。また、タングステンやモリブデンのように銅よりも導電率の低い材料を用いて被膜10を形成しているが、被膜形成を局所的に行っているので、導波管の伝送特性や伝送ロスに与える影響は少ない。
【0039】
次に、ロータリージョイントの被膜10以外の構成部分について説明する。
【0040】
各ブロック16a、16b、16cの内周部の継ぎ目に段差が生じないように、各ブロック16a、16b、16cは、内径が同一寸法となるように製作する。このような段差が生じると、共振周波数に影響を与え所望の共振周波数に調整することが困難となるからである。
【0041】
周波数調整用ディスク16bは他の2つのブロック16a、16cで挟み込まれ、仮組み状態で図1のようなロータリージョイントを構成する。次に、このロータリージョイント10の共振周波数を測定する。この測定には、例えば、低電力高周波を発振する測定器を用いることができる。そして、この測定結果に基づいて、周波数調整用ディスク16bの軸方向の厚さを所望の共振周波数となるように切削等により微調整する。
また、放電防止のために、図1のチョーク30は図3の低電場位置Bに位置することが好ましい。
【0042】
なお、上述した実施形態では、ロータリージョイントへの本発明の適用を説明したが、本発明はこれに限定されない。即ち、本発明によると、ロータリージョイントを含まず内部放電が起きやすい導波管にも適用可能であり、この場合にも、高電場となる位置に放電限界値の高いタングステンやモリブデンなどの被膜10を形成することで導波管全体の放電限界値を上げることができる。
【0043】
このように、本発明によれば、導波管部12、14の円筒部16内周面などに沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置Aや最大電場位置Cなどに放電限界値の高いタングステンやモリブデンなどの被膜10を形成するので、導波管内の高電場に起因して放電が起こることを効果的に防止することができる。従って、10MW以上の大電力で周波数10GHz以上のマイクロ波を伝送する場合でも、導波管内での放電を有効に防止でき、これにより安定したマイクロ波の伝送が可能となるという優れた効果が得られる。
【0044】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】本発明に係る高周波伝送用ロータリージョイントの断面図である。
【図2】図1に示す導波管の断面図である。
【図3】ロータリージョイント付近の電場解析の結果を示す図である。
【図4】特許文献1の「放射線治療装置」の全体模式図である。
【図5】特許文献1の「ロータリRFカプラ」の説明図である。
【図6】特許文献2の「ロータリージョイント」の構成図である。
【符号の説明】
【0046】
12、14 導波管部
12b、14b 導波路
15 隙間
16 円筒部
16a、16c ブロック
16b ブロック(周波数調整用ディスク)
17 端板
18 矩形部
20 回転支持部
21 補強ピース
22 軸受
23 軸受ハウジング
24 ガスシール
30 1/4波長チョーク
A 高電場位置
B 低電場位置
C 最高電場位置
L 導波管の長さ


【特許請求の範囲】
【請求項1】
内部に高周波伝送用の中空の導波路を有し同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続される一対の導波管部を備えたロータリージョイントであって、
導波管部の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置に、前記円筒部内周面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜が形成されていることを特徴とするロータリージョイント。
【請求項2】
前記被膜の厚さは被膜物質のスキンデプスよりも大きいことを特徴とする請求項1に記載のロータリージョイント。
【請求項3】
前記導波管部の軸方向に関する被膜の幅は、マイクロ波の伝送ロスを十分小さくでき、かつ、放電を抑制できる程度の大きさであることを特徴とする請求項1又は2に記載のロータリージョイント。
【請求項4】
前記被膜の物質はタングステン又はモリブデンであることを特徴とする請求項1、2又は3にロータリージョイント。
【請求項5】
内部に高周波伝送用の中空の導波路を有し同軸の軸心を中心に互いに回転可能に接続される一対の導波管部を備えたロータリージョイントの製造方法であって、
導波管部の円筒部内周面に沿って軸方向に周期的に現れる高電場位置を求める工程と、該高電場位置に前記円筒部内周面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜を形成する工程とを含むことを特徴とするロータリージョイントの製造方法。
【請求項6】
内部に高周波伝送用の中空の導波路を有する導波管であって、
導波管の内面に現れる高電場位置に、前記内面の構成物質よりも導電率の低い物質の被膜が形成されていることを特徴とする導波管。

【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】
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【公開番号】特開2006−54604(P2006−54604A)
【公開日】平成18年2月23日(2006.2.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−233738(P2004−233738)
【出願日】平成16年8月10日(2004.8.10)
【出願人】(000000099)石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【Fターム(参考)】