線形加速器
【課題】 ＩＨ型の共振器構造を有するとともに、荷電粒子の加速に用いられる高周波電場の電場分布を好適に制御可能な線形加速器を提供する。
【解決手段】 加速軸Ａｘを内部に含む加速管１０と、加速管１０の内壁上の所定位置に加速軸Ａｘの方向に延びるように設けられた第１リッジ部１１と、加速管１０の内壁上で第１リッジ部１１と対向する位置に設けられた第２リッジ部１２と、第１リッジ部１１に支持された第１ドリフトチューブ２１、及び第２リッジ部１２に支持された第２ドリフトチューブ２２が加速軸Ａｘに沿って複数交互に配列されたドリフトチューブ群２０とによってＩＨ型の線形加速器１を構成する。さらに、加速管１０内の高周波電場に対し、その電場分布を調整するチューナ３０を加速軸Ａｘ方向に複数並べて配置する。
【解決手段】 加速軸Ａｘを内部に含む加速管１０と、加速管１０の内壁上の所定位置に加速軸Ａｘの方向に延びるように設けられた第１リッジ部１１と、加速管１０の内壁上で第１リッジ部１１と対向する位置に設けられた第２リッジ部１２と、第１リッジ部１１に支持された第１ドリフトチューブ２１、及び第２リッジ部１２に支持された第２ドリフトチューブ２２が加速軸Ａｘに沿って複数交互に配列されたドリフトチューブ群２０とによってＩＨ型の線形加速器１を構成する。さらに、加速管１０内の高周波電場に対し、その電場分布を調整するチューナ３０を加速軸Ａｘ方向に複数並べて配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速管内に生成される高周波電場を用い、直線状の加速軸に沿って荷電粒子を加速する線形加速器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加速器は、電子や陽子、あるいは重粒子などの荷電粒子を加速して高エネルギーの粒子ビームを生成する装置である。また、加速器のうち、直線状の加速軸に沿って荷電粒子を加速するものは、線形加速器と呼ばれている。線形加速器では、共振器となる加速管内に加速軸に沿ってドリフトチューブと呼ばれる筒状電極を複数配列した構成が用いられる。そして、隣接するドリフトチューブ間のギャップにおいて、高周波電場によって荷電粒子が加速される（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】E. Nolte et al., "The Munich Heavy Ion Postaccelerator", IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-26, No.3(1979) pp.3724-3726
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
線形加速器の具体的な構造としては、従来、アルバレ型とよばれる共振器構造が用いられている。また、近年、ＩＨ（Interdigital H）型と呼ばれる共振器構造の線形加速器が注目されている。ここで、図１２は、線形加速器の構成を模式的に示す斜視図であり、図１２の構成（ａ）は、アルバレ型の線形加速器の基本構成を示し、構成（ｂ）は、ＩＨ型の線形加速器の基本構成を示している。
【０００４】
図１２の構成（ａ）に示すように、アルバレ型の線形加速器８は、加速管８０と、ステム８１を介して加速管８０に支持されたドリフトチューブ８６が加速軸Ａｘに沿って複数配列されたドリフトチューブ群８５とを備えている。
【０００５】
図１３は、アルバレ型の線形加速器における荷電粒子の加速原理を示す模式図である。ここでは、ドリフトチューブ群８５を構成するドリフトチューブ８６として、４個のドリフトチューブ８６１、８６２、８６３、８６４を示している。ドリフトチューブ８６は筒状の中空部８８ａを有し、加速対象となる荷電粒子Ｐは、加速軸Ａｘに沿ってドリフトチューブ８６の中空部８８ａ、及び隣接するドリフトチューブ８６間のギャップ部８８ｂを順に通過しつつ加速される。
【０００６】
アルバレ型の線形加速器８では、図１３の（ａ）〜（ｃ）に示すように、加速用の高周波電場は、各ドリフトチューブ間のギャップ部８８ｂにおいて同方向となる。ここで、図１３（ａ）に示すように、ドリフトチューブ８６１、８６２間、ドリフトチューブ８６２、８６３間、及びドリフトチューブ８６３、８６４間のギャップ部８８ｂでの電場がそれぞれ加速方向を向いている状態で、荷電粒子Ｐがドリフトチューブ８６１、８６２間のギャップ部８８ｂ内にあるとする。このとき、荷電粒子Ｐは、加速方向を向いているギャップ部８８ｂ内の電場によって加速される。
【０００７】
次に、図１３（ｂ）に示すように、半周期後には電場は逆方向となり、ドリフトチューブ８６間のギャップ部８８ｂでの電場が加速方向とは反対方向を向く。このとき、荷電粒子Ｐは、ドリフトチューブ８６２の中空部８８ａにあるために減速を受けない。さらに、図１３（ｃ）に示すように、１周期後には、ドリフトチューブ８６間のギャップ部８８ｂでの電場が再び加速方向を向く。このとき、荷電粒子Ｐは、ドリフトチューブ８６２、８６３間のギャップ部８８ｂ内にあって再び加速される。
【０００８】
一方、図１２の構成（ｂ）に示すように、ＩＨ型の線形加速器９は、加速管９０と、加速管９０の内壁上に互いに対向するように設けられた第１リッジ部９１及び第２リッジ部９２と、ステム９３、９４を介してそれぞれリッジ部９１、９２に支持された第１ドリフトチューブ９６、第２ドリフトチューブ９７が加速軸Ａｘに沿って複数交互に配列されたドリフトチューブ群９５とを備えている。
【０００９】
図１４は、ＩＨ型の線形加速器における荷電粒子の加速原理を示す模式図である。ここでは、ドリフトチューブ群９５を構成するドリフトチューブ９６、９７として、４個のドリフトチューブ９６１、９７１、９６２、９７２を示している。ドリフトチューブ９６、９７は筒状の中空部９８ａを有し、加速対象となる荷電粒子Ｐは、加速軸Ａｘに沿ってドリフトチューブ９６、９７の中空部９８ａ、及び隣接するドリフトチューブ９６、９７間のギャップ部９８ｂを順に通過しつつ加速される。
【００１０】
ＩＨ型の線形加速器９では、図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、加速用の高周波電場は、各ドリフトチューブ間のギャップ部９８ｂにおいて交互に逆方向となる。ここで、図１４（ａ）に示すように、ドリフトチューブ９６１、９７１間、及びドリフトチューブ９６２、９７２間のギャップ部９８ｂでの電場がそれぞれ加速方向を向いており、ドリフトチューブ９７１、９６２間のギャップ部９８ｂでの電場が加速方向とは反対方向を向いている状態で、荷電粒子Ｐがドリフトチューブ９６１、９７１間のギャップ部９８ｂ内にあるとする。このとき、荷電粒子Ｐは、加速方向を向いているギャップ部９８ｂ内の電場によって加速される。
【００１１】
次に、図１４（ｂ）に示すように、半周期後には電場は逆方向となり、ドリフトチューブ９６１、９７１間、及び９６２、９７２間のギャップ部９８ｂでの電場が加速方向とは反対方向を向き、ドリフトチューブ９７１、９６２間のギャップ部９８ｂでの電場が加速方向を向く。このとき、荷電粒子Ｐは、ドリフトチューブ９７１、９６２間のギャップ部９８ｂ内にあって、加速方向を向いている電場によって加速される。さらに、図１４（ｃ）に示すように、１周期後には、ドリフトチューブ９６１、９７１間、及び９６２、９７２間のギャップ部９８ｂでの電場が再び加速方向を向き、ドリフトチューブ９７１、９６２間のギャップ部９８ｂでの電場が加速方向とは反対方向を向く。このとき、荷電粒子Ｐは、ドリフトチューブ９６２、９７２間のギャップ部９８ｂ内にあって、加速方向を向いている電場によって加速される。
【００１２】
上記のように、アルバレ型の線形加速器８では、荷電粒子Ｐは高周波電場の１周期につき１回の加速を受けながら加速軸Ａｘに沿って加速される。一方、ＩＨ型の線形加速器９では、荷電粒子Ｐは高周波電場の１周期につき２回の加速を受けるような共振モードが用いられる。
【００１３】
ここで、ＩＨ型の共振器構造を用いて線形加速器を構成する場合、上記した共振モードによる荷電粒子の加速を実現するため、その実際の電場分布を設計の電場分布に精度良く合わせることが必要である。しかしながら、リッジ部９１、９２に支持されたドリフトチューブ９６、９７が交互に配列されるＩＨ型の構成では、ギャップ電圧を個別に調整する方法がなく、一部の構造を変化させると全体の電場分布に影響が及ぶため、そのような電場分布の制御が難しいという問題がある。
【００１４】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、ＩＨ型の共振器構造を有するとともに、荷電粒子の加速に用いられる高周波電場の電場分布を好適に制御可能な線形加速器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような目的を達成するために、本発明による線形加速器は、所定の加速軸に沿って荷電粒子を加速する線形加速器であって、（１）直線状に設定された荷電粒子の加速軸を内部に含み、加速軸を長手方向として設けられた加速管と、（２）加速管の内壁上の所定位置に加速軸の方向に延びるように設けられた第１支持部と、（３）加速管の内壁上で第１支持部と対向する位置に加速軸の方向に延びるように設けられた第２支持部と、（４）第１支持部に電気的に接続されて支持された第１ドリフトチューブ、及び第２支持部に電気的に接続されて支持された第２ドリフトチューブが加速軸に沿って複数交互に配列されたドリフトチューブ群と、（５）ドリフトチューブ群によって加速管内で生成されて荷電粒子の加速に用いられる高周波電場に対し、その電場分布を調整可能に構成されるとともに、加速軸に対してそれぞれ異なる位置に設置された複数の電場調整手段とを備えることを特徴とする。
【００１６】
上記した線形加速器においては、その共振器構造として、第１支持部（例えば第１リッジ部）にステム等を介して支持された第１ドリフトチューブと、第２支持部（例えば第２リッジ部）にステム等を介して支持された第２ドリフトチューブとを交互に配列して荷電粒子の加速を行うＩＨ型の構造を用いている。これにより、加速器における荷電粒子の加速効率を向上することができる。また、装置の小型化も可能となる。
【００１７】
さらに、このようなＩＨ型の構造に対し、加速管内で電場分布を調整する電場調整手段（チューナ）を加速軸方向に複数並べて配置している。このような複数の電場調整手段を用いることにより、例えば製造された加速器での電場分布が設計の電場分布からずれている場合でも、その共振器の全体として電場分布を細かく制御して、荷電粒子を加速するために好適な電場分布に調整することが可能となる。
【００１８】
ここで、電場分布の調整に用いられる複数の電場調整手段は、インダクタンスＬを変えることで電場分布を調整する誘導性の調整手段を含むことが好ましい。あるいは、複数の電場調整手段は、静電容量Ｃを変えることで電場分布を調整する容量性の調整手段を含むことが好ましい。このように、誘導性または容量性の調整手段を用いることにより、荷電粒子を加速するための高周波電場の電場分布を好適に制御することが可能となる。このような構成では、複数の電場調整手段は、その全部が誘導性の調整手段、または容量性の調整手段であっても良く、あるいは、誘導性の調整手段と容量性の調整手段とを併用する構成であっても良い。
【００１９】
また、電場調整手段は、加速管と加速軸との間に配置され、ドリフトチューブ群に対する位置関係を変えることが可能に構成された調整部材を有することが好ましい。このような調整部材を用いれば、調整部材のドリフトチューブ群との位置関係を変えることによって高周波電場の電場分布を確実に制御することができる。このような調整部材は、誘導性または容量性の調整手段のいずれに対しても適用が可能である。
【００２０】
また、ドリフトチューブ群は、高周波電場の位相を利用するＡＰＦ（Alternating Phase Focusing）法によって、荷電粒子の加速ビームを収束させることが可能に構成されていることが好ましい。ＡＰＦ法を用いることにより、加速される荷電粒子ビームを簡単な構成で収束させることができる。また、このようなＡＰＦ法では、電場分布を高い精度で設計値に近づける必要があり、上記構成による電場分布の調整が特に有効である。
【００２１】
また、加速管は、その直径が加速軸の方向に変化する形状に構成されていることとしても良い。このように、加速軸に沿った電場分布や荷電粒子の加速条件などの諸条件に合わせて加速管の形状を変えていく構成とすることにより、荷電粒子の加速を好適に実現することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の線形加速器によれば、共振器構造としてＩＨ型の構造を用いるとともに、ドリフトチューブ群によって生成されて荷電粒子の加速に用いられる高周波電場に対し、加速管内で電場分布を調整する電場調整手段を加速軸方向に複数並べて配置することにより、共振器の全体として電場分布を細かく制御して、好適な電場分布に調整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】
【００２３】
以下、図面とともに本発明によるＩＨ型の線形加速器の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２４】
図１は、本発明による線形加速器の一実施形態の構成を模式的に示す斜視図である。本実施形態の加速器１は、ＩＨ（Interdigital H）型の共振器構造を有し、直線状に設定された加速軸Ａｘに沿って荷電粒子を加速する線形加速器である。この線形加速器１は、加速管１０と、第１リッジ部１１と、第２リッジ部１２と、ドリフトチューブ群２０とを備えている。
【００２５】
加速管１０は、その内部に加速対象の荷電粒子を加速するための高周波電場が形成される管状部材であり、加速軸Ａｘを内部に含み、軸Ａｘを長手方向とした筒状形状（図１においては円筒形状）を有している。加速管１０の内壁上の所定位置には、加速軸Ａｘの方向に延びる第１リッジ部１１が設けられている。また、加速管１０の内壁上で第１リッジ部１１と対向する位置には、同様に加速軸Ａｘの方向に延びる第２リッジ部１２が設けられている。リッジ部１１、１２は、ドリフトチューブ群２０を構成する複数のドリフトチューブを支持するための第１支持部、第２支持部である。図１においては、これらのリッジ部１１、１２は、加速管１０の下側、上側の内壁上にそれぞれ設置されている。
【００２６】
ドリフトチューブ群２０は、加速管１０内において、荷電粒子の加速に用いられる高周波電場を生成するための電極群であり、加速軸Ａｘに沿って配列された複数のドリフトチューブによって構成されている。具体的には、ＩＨ型の構成を有するドリフトチューブ群２０は、上記した第１リッジ部１１、及び第２リッジ部１２に対応して、第１ドリフトチューブ２１、及び第２ドリフトチューブ２２の２種類のドリフトチューブが加速軸Ａｘに沿って複数交互に配列された構成となっている。
【００２７】
第１ドリフトチューブ２１は、第１支持部であるリッジ部１１に対して、ステム１３を介して電気的に接続された状態で支持されている。また、第２ドリフトチューブ２２は、第２支持部であるリッジ部１２に対して、ステム１４を介して電気的に接続された状態で支持されている。これらのドリフトチューブ２１、２２は、それぞれ加速軸Ａｘを中心軸とした中空部を有する円筒状部材から構成されている。このような構成において、加速対象となる荷電粒子は、加速軸Ａｘに沿ってドリフトチューブ２１、２２の中空部、及び隣接するドリフトチューブ２１、２２間のギャップ部を順に通過しつつ加速される。
【００２８】
図１の構成例においては、第１リッジ部１１に対してｎ個のステム１３１〜１３ｎ及びドリフトチューブ２１１〜２１ｎが、また、第２リッジ部１２に対して同様にｎ個のステム１４１〜１４ｎ及びドリフトチューブ２２１〜２２ｎが設けられている。そして、これらのドリフトチューブが、２１１、２２１、２１２、２２２、…、２１ｎ、２２ｎの順で加速軸Ａｘに沿って配列されることにより、ドリフトチューブ群２０が構成されている。なお、このようなＩＨ型の構成を有する線形加速器１における荷電粒子の加速原理については、基本的には図１４に関して上述したものと同様である。
【００２９】
本実施形態の線形加速器１においては、上記構成のドリフトチューブ群２０によって加速管１０内で生成されて荷電粒子の加速に用いられる高周波電場に対し、チューナ３０が設けられている。このチューナ３０は、高周波電場の電場分布を調整可能に構成された電場調整手段であり、加速軸Ａｘに対してそれぞれ異なる位置に複数設置されている。図１の構成例においては、ｍ個のチューナ３０１〜３０ｍが加速軸Ａｘ方向に並ぶように配置されている。
【００３０】
上記実施形態による線形加速器１の効果について説明する。
【００３１】
図１に示した線形加速器１においては、その共振器構造として、第１リッジ部１１にステム１３を介して支持された第１ドリフトチューブ２１と、第２リッジ部１２にステム１４を介して支持された第２ドリフトチューブ２２とを交互に配列したドリフトチューブ群２０によって荷電粒子の加速を行うＩＨ型の構造を用いている。このようなＩＨ型の線形加速器１では、上述したように、荷電粒子が高周波電場の１周期につき２回の加速を受けるような共振モードが用いられる。本構成の線形加速器１によれば、このような共振モードを用いることにより、荷電粒子を好適に加速することができる。また、装置の小型化、製造コストの低減も可能となる。このような線形加速器の小型化は、例えば、加速された荷電粒子ビームを用いたがん治療装置の普及などの実用面において非常に重要である。
【００３２】
さらに、上記した線形加速器１においては、ＩＨ型の共振器構造に対し、加速管１０内で電場分布を調整するチューナ（電場調整手段）３０を加速軸Ａｘ方向に複数並べて配置している。このような複数のチューナ３０１〜３０ｍを加速管１０内に設置することにより、その共振器の全体として高周波電場の電場分布を細かく制御して、荷電粒子を加速するために好適な条件の電場分布に調整することが可能となる。これにより、例えば実際に製造された加速器での電場分布が設計の電場分布からずれている場合でも、その電場分布を設計の電場分布に精度良く近づけることができる。また、このような構成では、ギャップ数が比較的多い線形加速器の設計が可能となる。
【００３３】
電場分布の調整に用いられる電場調整手段の例としては、図１に模式的に示すように、インダクタンスＬを変えることで電場分布を調整する誘導性のチューナを用いることができる。あるいは、電場調整手段としては、静電容量Ｃを変えることで電場分布を調整する容量性のチューナを用いても良い。
【００３４】
ここで、ＩＨ型の線形加速器では、その断面構造（後述する図８の断面図を参照）において、円形状の加速管、及びその中心で垂直方向に延びるリッジ部、ステム、及びドリフトチューブによって、高周波電場を生成するためのドリフトチューブに対応した電流路が構成される。これに対して、上記した誘導性または容量性のチューナを用いれば、ドリフトチューブに対する電流路でのインダクタンスＬまたは静電容量Ｃが変わることとなる。これにより、ドリフトチューブ群２０によって生成される荷電粒子を加速するための高周波電場の電場分布を好適に制御することが可能となる。なお、このような構成では、複数の電場調整手段は、その全部が誘導性の調整手段、または容量性の調整手段であっても良く、あるいは、誘導性の調整手段と容量性の調整手段とを併用する構成であっても良い。
【００３５】
また、電場調整手段の具体的な構成については、加速管１０と加速軸Ａｘとの間に配置され、ドリフトチューブ群２０に対する位置関係を変えることが可能に構成された調整部材を有する構成とすることが好ましい。このような調整部材を用いれば、調整部材のドリフトチューブ群との位置関係（例えば調整部材からドリフトチューブ群までの距離）を変えることによって電場分布を確実に制御することができる。このような調整部材は、上記した誘導性または容量性の調整手段のいずれに対しても適用が可能である。なお、電場調整手段（チューナ）及び調整部材の構成については、具体的には後述する。
【００３６】
また、このような電場分布の調整は、ドリフトチューブ群２０がＡＰＦ（Alternating Phase Focusing）法によって荷電粒子の加速ビームを収束させることが可能に構成されているような場合に特に有効である。ＡＰＦ法は、加速用の高周波電場の位相のプラス・マイナスによるビームの収束・発散効果を組み合わせることにより、簡単な構成で荷電粒子ビームの収束を実現する方法である。したがって、このような収束方法を用いることにより、簡単な構成で高品質の荷電粒子の加速ビームを得ることができる。また、ＡＰＦ法においては、高周波電場の位相を利用して荷電粒子ビームを収束させるため、その電場分布を高い精度で設計値に近づける必要がある。したがって、上記した複数のチューナ３０による電場分布の調整方法を適用すれば、ＡＰＦ法による荷電粒子ビームの収束を好適に実現することができる。
【００３７】
また、加速管１０は、その直径が加速軸Ａｘの方向に変化する形状に構成されていることとしても良い。このように、加速軸Ａｘに沿った電場分布や荷電粒子の加速条件などの諸条件に合わせて加速管１０の形状を変えていく構成とすることにより、荷電粒子の加速を好適に実現することができる。また、加速軸Ａｘに沿った各位置において、高周波電場を生成するための電流路のインダクタンスを適切に設定することが可能となる。
【００３８】
上記した複数のチューナ（電場調整手段）を用いた線形加速器における電場分布の調整について、さらに具体的に説明する。
【００３９】
図２は、単一のチューナを用いた場合の電場分布の変化について示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はドリフトチューブ群でのギャップ番号を示し、縦軸は相対的な電圧値を示している。また、位置Ａ０は単一の誘導性のチューナの設置位置を示し、グラフＡ１はチューナを用いない初期電圧分布を示し、グラフＡ２はチューナ使用時の電圧分布を示している。これらのグラフＡ１、Ａ２に示すように、チューナを用いることで、その設置位置Ａ０及びその近傍の電圧を下げることが可能である。ただし、このような単一のチューナでは、その近傍の電圧を調整できるのみで制御の自由度が低く、共振器の全体として電場分布を制御することはできない。
【００４０】
これに対して、複数のチューナを用いた場合の電場分布の変化を図３のグラフに示す。このグラフにおいて、グラフＢ１はチューナを用いない初期電圧分布を示し、グラフＢ２はチューナ使用時の電圧分布を示している。これらのグラフＢ１、Ｂ２に示すように、加速軸Ａｘに沿って適切に配置された複数のチューナを用いることにより、共振器の全体として高周波電場の電場分布を高い自由度で細かく制御して、電場分布を任意の形に調整することが可能となる。
【００４１】
このような複数のチューナによる効果について、さらに説明する。なお、以下に示す図４及び図５のグラフにおいては、チューナによる電場分布の調整の効果及び自由度についての説明の分かりやすさのため、線形加速器における実際の調整条件からは外れた条件で電場分布の調整を行っている。
【００４２】
図４は、複数のチューナのうちで個々のチューナを用いた場合の電場分布の変化について示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はドリフトチューブ群でのギャップ番号を示し、縦軸はチューナ使用時の電圧変化率を示している。また、グラフＤ１〜Ｄ４は、それぞれ位置Ｃ１〜Ｃ４のチューナを使用した場合の電圧変化率分布を示している。
【００４３】
これらのグラフＤ１〜Ｄ４に示すように、各位置Ｃ１〜Ｃ４に設置されたチューナを用いることで、その設置位置及びその近傍で電圧が下がり、それぞれ異なる調整条件で全体の電場分布が調整される。したがって、このようなチューナを加速軸Ａｘの方向に複数配置しておき、それらを組み合わせて電場調整を行うことにより、上記したように高周波電場の電場分布を高い自由度で任意の形に調整することが可能である。図５は、そのような複数のチューナを用いた電場分布の調整の例を示すグラフであり、矢印で示す８個所に配置されたチューナを用いて電場分布を変化させたときの電圧変化率分布を示している。
【００４４】
図１に示した線形加速器１の具体的な構成例について説明する。
【００４５】
図６は、本発明によるＩＨ型の線形加速器の具体的な構成例を示す側面断面図である。また、図７は、図６に示した線形加速器の上面図である。本構成例による線形加速器１Ａは、図１に示した線形加速器１と同様の基本構成を有し、加速管１０と、第１リッジ部１１と、第２リッジ部１２と、ドリフトチューブ群２０とを備えている。加速管１０は、加速軸Ａｘを含み、その直径が加速軸Ａｘに沿った荷電粒子の加速方向に向かって徐々に大きくなる略円筒形状を有している。
【００４６】
また、加速管１０の下側、上側の内壁上には、それぞれ第１リッジ部１１、第２リッジ部１２がほぼ加速管１０の全長にわたって設けられている。また、リッジ部１１、１２の加速方向側の端部（図中の右側の端部）には、それぞれ切り欠き部１１ａ、１２ａが形成されている。これらの切り欠き部１１ａ、１２ａは、リッジ部１１、１２に電流が流れたときに生じる磁束を通すことによって電場分布を調整するものである。
【００４７】
ドリフトチューブ群２０は、第１リッジ部１１に支持された第１ドリフトチューブ２１と、第２リッジ部１２に支持された第２ドリフトチューブ２２とが加速軸Ａｘに沿って複数交互に配列された構成となっている。本構成例においては、第１リッジ部１１に対してｎ個のドリフトチューブ２１１〜２１ｎが、また、第２リッジ部１２に対してｎ＋１個のドリフトチューブ２２１〜２２ｎ＋１が設けられている。そして、これらのドリフトチューブが、２２１、２１１、２２２、２１２、…、２１ｎ−１、２２ｎ、２１ｎ、２２ｎ＋１の順で加速軸Ａｘに沿って配列されることにより、ドリフトチューブ群２０が構成されている。
【００４８】
また、本構成例の線形加速器１Ａにおいては、電場分布調整用のチューナとして、図７に示すように１６個のチューナ３０１〜３０８、４０１〜４０８が設けられている。これらのチューナのうち、チューナ３０１〜３０８は加速方向で向かって右側に配置され、チューナ４０１〜４０８は向かって左側に配置されている。また、加速軸Ａｘに沿ったチューナの配列については、チューナ３０１、４０１、３０２、４０２、…、３０８、４０８の順で加速方向に並ぶ配列となっている。
【００４９】
図８は、図６に示した線形加速器の加速軸Ａｘに垂直な面での断面図である。この断面図では、加速方向で向かって右側に配置されたチューナ３０を含む面での断面構造を示している。また、図９は、チューナ３０の具体的な構成例を概略的に示す断面図である。なお、図８では、チューナ３０については、電場分布の調整に用いられる調整部材３１のみを図示している。
【００５０】
図８及び図９に示す断面構造においては、加速管１０の右側の所定位置に開口部１０ａが設けられており、この開口部１０ａに対して電場分布調整用のチューナ３０が設置されている。本構成例では、チューナ３０は、調整部材３１を有して構成されている。この調整部材３１は、加速管１０と加速軸Ａｘとの間に配置され、ドリフトチューブ群２０に対する位置関係を変えることが可能に構成されている。具体的には、この調整部材３１は、円筒形状を有するとともに、加速軸Ａｘに垂直な軸Ｄｘを駆動軸とし、ドリフトチューブ群２０との間の距離（加速管１０への調整部材３１の出し入れ量）によってインダクタンスＬを変えることで電場分布を調整する誘導性の調整手段として構成されている。
【００５１】
チューナ３０は、図９に示すように、上記の調整部材３１に加えて、調整部材３１を支持するとともに加速管１０内の真空を保持可能なように構成された支持部３２、及び調整部材３１を軸Ｄｘの方向に駆動する駆動部３３を有している。また、駆動部３３は、調整部材３１の後方側に接続され内部にネジ穴を有する駆動部材３３ａと、駆動部材３３ａのネジ穴を介して調整部材３１を駆動する駆動用ネジ３３ｂとを有している。
【００５２】
また、駆動用ネジ３３ｂには駆動ハンドル３４が接続されており、このハンドル３４によって手動で調整部材３１を駆動することが可能な構成となっている。なお、このような調整部材３１の駆動構成については、例えば駆動ハンドル３４に代えてステッピングモータを駆動用ネジ３３ｂに接続するなど、自動で調整部材３１を駆動することが可能な構成としても良い。例えば、図７に示す構成においては、１６個のチューナのうちで２個のチューナ３０２、４０７が自動駆動の構成、それ以外が手動駆動の構成となっている。
【００５３】
ここで、上記した線形加速器１Ａの構成において、加速管１０の具体的な形状は、例えば加速軸Ａｘ方向の長さが３．５ｍ程度、直径がφ３００ｍｍ程度である。また、ドリフトチューブ群２０の具体的な構成は、例えば加速軸Ａｘを中心としたドリフトチューブの円筒形状の内径がφ１４ｍｍ程度、外径がφ２８〜３０ｍｍ程度、加速軸Ａｘ方向の長さが位置によって異なるが１０〜３０ｍｍ程度である。また、ドリフトチューブ群の全体でのギャップ数は７２程度、高周波電場の周波数は２００ＭＨｚ程度である。また、チューナ３０の調整部材３１は、例えばその円筒形状がφ１００ｍｍ程度、軸Ｄｘ方向の駆動幅が５０ｍｍ程度である。なお、図６においては、ドリフトチューブ群２０を構成するドリフトチューブ２１、２２については、両端部近傍に位置するもののみを示し、その間に位置するものについては図示を省略している。また、図９においては、チューナ３０の構成を概略的に示しており、支持部３２における調整部材３１の支持機構、真空保持機構などの具体的な構造については図示を簡略化している。また、上記した各数値は、単に構成の一例を示すものであって、各部の形状、周波数、個数等は、個々の加速器の構成や必要な性能等に応じて適宜設定すれば良い。
【００５４】
図１０は、線形加速器の他の実施形態の構成を模式的に示す斜視図である。本実施形態の線形加速器２の構成のうち、加速管１０と、リッジ部１１、１２と、ステム１３、１４と、ドリフトチューブ２１、２２からなるドリフトチューブ群２０とについては、図１に示した線形加速器１の構成と同様である。本実施形態の線形加速器２においては、電場分布を調整する複数の電場調整手段として、誘電性のチューナ３０１〜３０ｍに代えて、ｍ個の容量性のチューナ５０１〜５０ｍが加速軸Ａｘ方向に並ぶように配置されている。
【００５５】
図１１は、図１０に示した線形加速器の加速軸Ａｘに垂直な面での断面図である。図１１に示す断面構造においては、加速管１０の右側の所定位置に開口部１０ｂが設けられており、この開口部１０ｂに対して電場分布調整用のチューナ５０が設置されている。本構成例では、チューナ５０は、調整部材５１を有して構成されている。具体的には、この調整部材５１は、容量板となる板状部材を支持用の棒状部材の先端部に接続した構成を有するとともに、加速軸Ａｘに垂直な軸Ｄｘを駆動軸とし、ドリフトチューブ群２０との間の距離によって静電容量Ｃを変えることで電場分布を調整する容量性の調整手段として構成されている。このように、電場分布を調整するための電場調整手段としては、具体的には様々な構成を用いることが可能である。
【００５６】
本発明による線形加速器は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、加速管の内壁上に設けられてドリフトチューブを支持する第１支持部、第２支持部として第１リッジ部、第２リッジ部を用いているが、リッジ部以外の構成の支持部を用いても良い。また、複数の電場調整手段の具体的な個数については、個々の加速器において必要とされる電場分布の調整精度などに応じて適宜に設定して良い。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、ＩＨ型の共振器構造を有するとともに、荷電粒子の加速に用いられる高周波電場の電場分布を好適に制御可能な線形加速器として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】線形加速器の一実施形態の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】単一のチューナを用いた場合の電場分布の変化について示すグラフである。
【図３】複数のチューナを用いた場合の電場分布の変化について示すグラフである。
【図４】複数のチューナのうちで個々のチューナを用いた場合の電場分布の変化について示すグラフである。
【図５】複数のチューナを用いた場合の電場分布の変化について示すグラフである。
【図６】線形加速器の具体的な構成例を示す側面断面図である。
【図７】図６に示した線形加速器の上面図である。
【図８】図６に示した線形加速器の加速軸に垂直な面での断面図である。
【図９】チューナの具体的な構成例を概略的に示す断面図である。
【図１０】線形加速器の他の実施形態の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１１】図１０に示した線形加速器の加速軸に垂直な面での断面図である。
【図１２】線形加速器の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１３】アルバレ型の線形加速器での荷電粒子の加速原理を示す模式図である。
【図１４】ＩＨ型の線形加速器での荷電粒子の加速原理を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５９】
１、１Ａ、２…線形加速器、Ａｘ…加速軸、１０…加速管、１０ａ、１０ｂ…開口部、１１…第１リッジ部、１２…第２リッジ部、１１ａ、１２ａ…切り欠き部、１３、１４…ステム、２０…ドリフトチューブ群、２１…第１ドリフトチューブ、２２…第２ドリフトチューブ、３０、４０、５０…チューナ、３１、５１…調整部材、３２…支持部、３３…駆動部、３３ａ…駆動部材、３３ｂ…駆動用ネジ、３４…駆動ハンドル。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速管内に生成される高周波電場を用い、直線状の加速軸に沿って荷電粒子を加速する線形加速器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加速器は、電子や陽子、あるいは重粒子などの荷電粒子を加速して高エネルギーの粒子ビームを生成する装置である。また、加速器のうち、直線状の加速軸に沿って荷電粒子を加速するものは、線形加速器と呼ばれている。線形加速器では、共振器となる加速管内に加速軸に沿ってドリフトチューブと呼ばれる筒状電極を複数配列した構成が用いられる。そして、隣接するドリフトチューブ間のギャップにおいて、高周波電場によって荷電粒子が加速される（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】E. Nolte et al., "The Munich Heavy Ion Postaccelerator", IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-26, No.3(1979) pp.3724-3726
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
線形加速器の具体的な構造としては、従来、アルバレ型とよばれる共振器構造が用いられている。また、近年、ＩＨ（Interdigital H）型と呼ばれる共振器構造の線形加速器が注目されている。ここで、図１２は、線形加速器の構成を模式的に示す斜視図であり、図１２の構成（ａ）は、アルバレ型の線形加速器の基本構成を示し、構成（ｂ）は、ＩＨ型の線形加速器の基本構成を示している。
【０００４】
図１２の構成（ａ）に示すように、アルバレ型の線形加速器８は、加速管８０と、ステム８１を介して加速管８０に支持されたドリフトチューブ８６が加速軸Ａｘに沿って複数配列されたドリフトチューブ群８５とを備えている。
【０００５】
図１３は、アルバレ型の線形加速器における荷電粒子の加速原理を示す模式図である。ここでは、ドリフトチューブ群８５を構成するドリフトチューブ８６として、４個のドリフトチューブ８６１、８６２、８６３、８６４を示している。ドリフトチューブ８６は筒状の中空部８８ａを有し、加速対象となる荷電粒子Ｐは、加速軸Ａｘに沿ってドリフトチューブ８６の中空部８８ａ、及び隣接するドリフトチューブ８６間のギャップ部８８ｂを順に通過しつつ加速される。
【０００６】
アルバレ型の線形加速器８では、図１３の（ａ）〜（ｃ）に示すように、加速用の高周波電場は、各ドリフトチューブ間のギャップ部８８ｂにおいて同方向となる。ここで、図１３（ａ）に示すように、ドリフトチューブ８６１、８６２間、ドリフトチューブ８６２、８６３間、及びドリフトチューブ８６３、８６４間のギャップ部８８ｂでの電場がそれぞれ加速方向を向いている状態で、荷電粒子Ｐがドリフトチューブ８６１、８６２間のギャップ部８８ｂ内にあるとする。このとき、荷電粒子Ｐは、加速方向を向いているギャップ部８８ｂ内の電場によって加速される。
【０００７】
次に、図１３（ｂ）に示すように、半周期後には電場は逆方向となり、ドリフトチューブ８６間のギャップ部８８ｂでの電場が加速方向とは反対方向を向く。このとき、荷電粒子Ｐは、ドリフトチューブ８６２の中空部８８ａにあるために減速を受けない。さらに、図１３（ｃ）に示すように、１周期後には、ドリフトチューブ８６間のギャップ部８８ｂでの電場が再び加速方向を向く。このとき、荷電粒子Ｐは、ドリフトチューブ８６２、８６３間のギャップ部８８ｂ内にあって再び加速される。
【０００８】
一方、図１２の構成（ｂ）に示すように、ＩＨ型の線形加速器９は、加速管９０と、加速管９０の内壁上に互いに対向するように設けられた第１リッジ部９１及び第２リッジ部９２と、ステム９３、９４を介してそれぞれリッジ部９１、９２に支持された第１ドリフトチューブ９６、第２ドリフトチューブ９７が加速軸Ａｘに沿って複数交互に配列されたドリフトチューブ群９５とを備えている。
【０００９】
図１４は、ＩＨ型の線形加速器における荷電粒子の加速原理を示す模式図である。ここでは、ドリフトチューブ群９５を構成するドリフトチューブ９６、９７として、４個のドリフトチューブ９６１、９７１、９６２、９７２を示している。ドリフトチューブ９６、９７は筒状の中空部９８ａを有し、加速対象となる荷電粒子Ｐは、加速軸Ａｘに沿ってドリフトチューブ９６、９７の中空部９８ａ、及び隣接するドリフトチューブ９６、９７間のギャップ部９８ｂを順に通過しつつ加速される。
【００１０】
ＩＨ型の線形加速器９では、図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、加速用の高周波電場は、各ドリフトチューブ間のギャップ部９８ｂにおいて交互に逆方向となる。ここで、図１４（ａ）に示すように、ドリフトチューブ９６１、９７１間、及びドリフトチューブ９６２、９７２間のギャップ部９８ｂでの電場がそれぞれ加速方向を向いており、ドリフトチューブ９７１、９６２間のギャップ部９８ｂでの電場が加速方向とは反対方向を向いている状態で、荷電粒子Ｐがドリフトチューブ９６１、９７１間のギャップ部９８ｂ内にあるとする。このとき、荷電粒子Ｐは、加速方向を向いているギャップ部９８ｂ内の電場によって加速される。
【００１１】
次に、図１４（ｂ）に示すように、半周期後には電場は逆方向となり、ドリフトチューブ９６１、９７１間、及び９６２、９７２間のギャップ部９８ｂでの電場が加速方向とは反対方向を向き、ドリフトチューブ９７１、９６２間のギャップ部９８ｂでの電場が加速方向を向く。このとき、荷電粒子Ｐは、ドリフトチューブ９７１、９６２間のギャップ部９８ｂ内にあって、加速方向を向いている電場によって加速される。さらに、図１４（ｃ）に示すように、１周期後には、ドリフトチューブ９６１、９７１間、及び９６２、９７２間のギャップ部９８ｂでの電場が再び加速方向を向き、ドリフトチューブ９７１、９６２間のギャップ部９８ｂでの電場が加速方向とは反対方向を向く。このとき、荷電粒子Ｐは、ドリフトチューブ９６２、９７２間のギャップ部９８ｂ内にあって、加速方向を向いている電場によって加速される。
【００１２】
上記のように、アルバレ型の線形加速器８では、荷電粒子Ｐは高周波電場の１周期につき１回の加速を受けながら加速軸Ａｘに沿って加速される。一方、ＩＨ型の線形加速器９では、荷電粒子Ｐは高周波電場の１周期につき２回の加速を受けるような共振モードが用いられる。
【００１３】
ここで、ＩＨ型の共振器構造を用いて線形加速器を構成する場合、上記した共振モードによる荷電粒子の加速を実現するため、その実際の電場分布を設計の電場分布に精度良く合わせることが必要である。しかしながら、リッジ部９１、９２に支持されたドリフトチューブ９６、９７が交互に配列されるＩＨ型の構成では、ギャップ電圧を個別に調整する方法がなく、一部の構造を変化させると全体の電場分布に影響が及ぶため、そのような電場分布の制御が難しいという問題がある。
【００１４】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、ＩＨ型の共振器構造を有するとともに、荷電粒子の加速に用いられる高周波電場の電場分布を好適に制御可能な線形加速器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような目的を達成するために、本発明による線形加速器は、所定の加速軸に沿って荷電粒子を加速する線形加速器であって、（１）直線状に設定された荷電粒子の加速軸を内部に含み、加速軸を長手方向として設けられた加速管と、（２）加速管の内壁上の所定位置に加速軸の方向に延びるように設けられた第１支持部と、（３）加速管の内壁上で第１支持部と対向する位置に加速軸の方向に延びるように設けられた第２支持部と、（４）第１支持部に電気的に接続されて支持された第１ドリフトチューブ、及び第２支持部に電気的に接続されて支持された第２ドリフトチューブが加速軸に沿って複数交互に配列されたドリフトチューブ群と、（５）ドリフトチューブ群によって加速管内で生成されて荷電粒子の加速に用いられる高周波電場に対し、その電場分布を調整可能に構成されるとともに、加速軸に対してそれぞれ異なる位置に設置された複数の電場調整手段とを備えることを特徴とする。
【００１６】
上記した線形加速器においては、その共振器構造として、第１支持部（例えば第１リッジ部）にステム等を介して支持された第１ドリフトチューブと、第２支持部（例えば第２リッジ部）にステム等を介して支持された第２ドリフトチューブとを交互に配列して荷電粒子の加速を行うＩＨ型の構造を用いている。これにより、加速器における荷電粒子の加速効率を向上することができる。また、装置の小型化も可能となる。
【００１７】
さらに、このようなＩＨ型の構造に対し、加速管内で電場分布を調整する電場調整手段（チューナ）を加速軸方向に複数並べて配置している。このような複数の電場調整手段を用いることにより、例えば製造された加速器での電場分布が設計の電場分布からずれている場合でも、その共振器の全体として電場分布を細かく制御して、荷電粒子を加速するために好適な電場分布に調整することが可能となる。
【００１８】
ここで、電場分布の調整に用いられる複数の電場調整手段は、インダクタンスＬを変えることで電場分布を調整する誘導性の調整手段を含むことが好ましい。あるいは、複数の電場調整手段は、静電容量Ｃを変えることで電場分布を調整する容量性の調整手段を含むことが好ましい。このように、誘導性または容量性の調整手段を用いることにより、荷電粒子を加速するための高周波電場の電場分布を好適に制御することが可能となる。このような構成では、複数の電場調整手段は、その全部が誘導性の調整手段、または容量性の調整手段であっても良く、あるいは、誘導性の調整手段と容量性の調整手段とを併用する構成であっても良い。
【００１９】
また、電場調整手段は、加速管と加速軸との間に配置され、ドリフトチューブ群に対する位置関係を変えることが可能に構成された調整部材を有することが好ましい。このような調整部材を用いれば、調整部材のドリフトチューブ群との位置関係を変えることによって高周波電場の電場分布を確実に制御することができる。このような調整部材は、誘導性または容量性の調整手段のいずれに対しても適用が可能である。
【００２０】
また、ドリフトチューブ群は、高周波電場の位相を利用するＡＰＦ（Alternating Phase Focusing）法によって、荷電粒子の加速ビームを収束させることが可能に構成されていることが好ましい。ＡＰＦ法を用いることにより、加速される荷電粒子ビームを簡単な構成で収束させることができる。また、このようなＡＰＦ法では、電場分布を高い精度で設計値に近づける必要があり、上記構成による電場分布の調整が特に有効である。
【００２１】
また、加速管は、その直径が加速軸の方向に変化する形状に構成されていることとしても良い。このように、加速軸に沿った電場分布や荷電粒子の加速条件などの諸条件に合わせて加速管の形状を変えていく構成とすることにより、荷電粒子の加速を好適に実現することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の線形加速器によれば、共振器構造としてＩＨ型の構造を用いるとともに、ドリフトチューブ群によって生成されて荷電粒子の加速に用いられる高周波電場に対し、加速管内で電場分布を調整する電場調整手段を加速軸方向に複数並べて配置することにより、共振器の全体として電場分布を細かく制御して、好適な電場分布に調整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】
【００２３】
以下、図面とともに本発明によるＩＨ型の線形加速器の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２４】
図１は、本発明による線形加速器の一実施形態の構成を模式的に示す斜視図である。本実施形態の加速器１は、ＩＨ（Interdigital H）型の共振器構造を有し、直線状に設定された加速軸Ａｘに沿って荷電粒子を加速する線形加速器である。この線形加速器１は、加速管１０と、第１リッジ部１１と、第２リッジ部１２と、ドリフトチューブ群２０とを備えている。
【００２５】
加速管１０は、その内部に加速対象の荷電粒子を加速するための高周波電場が形成される管状部材であり、加速軸Ａｘを内部に含み、軸Ａｘを長手方向とした筒状形状（図１においては円筒形状）を有している。加速管１０の内壁上の所定位置には、加速軸Ａｘの方向に延びる第１リッジ部１１が設けられている。また、加速管１０の内壁上で第１リッジ部１１と対向する位置には、同様に加速軸Ａｘの方向に延びる第２リッジ部１２が設けられている。リッジ部１１、１２は、ドリフトチューブ群２０を構成する複数のドリフトチューブを支持するための第１支持部、第２支持部である。図１においては、これらのリッジ部１１、１２は、加速管１０の下側、上側の内壁上にそれぞれ設置されている。
【００２６】
ドリフトチューブ群２０は、加速管１０内において、荷電粒子の加速に用いられる高周波電場を生成するための電極群であり、加速軸Ａｘに沿って配列された複数のドリフトチューブによって構成されている。具体的には、ＩＨ型の構成を有するドリフトチューブ群２０は、上記した第１リッジ部１１、及び第２リッジ部１２に対応して、第１ドリフトチューブ２１、及び第２ドリフトチューブ２２の２種類のドリフトチューブが加速軸Ａｘに沿って複数交互に配列された構成となっている。
【００２７】
第１ドリフトチューブ２１は、第１支持部であるリッジ部１１に対して、ステム１３を介して電気的に接続された状態で支持されている。また、第２ドリフトチューブ２２は、第２支持部であるリッジ部１２に対して、ステム１４を介して電気的に接続された状態で支持されている。これらのドリフトチューブ２１、２２は、それぞれ加速軸Ａｘを中心軸とした中空部を有する円筒状部材から構成されている。このような構成において、加速対象となる荷電粒子は、加速軸Ａｘに沿ってドリフトチューブ２１、２２の中空部、及び隣接するドリフトチューブ２１、２２間のギャップ部を順に通過しつつ加速される。
【００２８】
図１の構成例においては、第１リッジ部１１に対してｎ個のステム１３１〜１３ｎ及びドリフトチューブ２１１〜２１ｎが、また、第２リッジ部１２に対して同様にｎ個のステム１４１〜１４ｎ及びドリフトチューブ２２１〜２２ｎが設けられている。そして、これらのドリフトチューブが、２１１、２２１、２１２、２２２、…、２１ｎ、２２ｎの順で加速軸Ａｘに沿って配列されることにより、ドリフトチューブ群２０が構成されている。なお、このようなＩＨ型の構成を有する線形加速器１における荷電粒子の加速原理については、基本的には図１４に関して上述したものと同様である。
【００２９】
本実施形態の線形加速器１においては、上記構成のドリフトチューブ群２０によって加速管１０内で生成されて荷電粒子の加速に用いられる高周波電場に対し、チューナ３０が設けられている。このチューナ３０は、高周波電場の電場分布を調整可能に構成された電場調整手段であり、加速軸Ａｘに対してそれぞれ異なる位置に複数設置されている。図１の構成例においては、ｍ個のチューナ３０１〜３０ｍが加速軸Ａｘ方向に並ぶように配置されている。
【００３０】
上記実施形態による線形加速器１の効果について説明する。
【００３１】
図１に示した線形加速器１においては、その共振器構造として、第１リッジ部１１にステム１３を介して支持された第１ドリフトチューブ２１と、第２リッジ部１２にステム１４を介して支持された第２ドリフトチューブ２２とを交互に配列したドリフトチューブ群２０によって荷電粒子の加速を行うＩＨ型の構造を用いている。このようなＩＨ型の線形加速器１では、上述したように、荷電粒子が高周波電場の１周期につき２回の加速を受けるような共振モードが用いられる。本構成の線形加速器１によれば、このような共振モードを用いることにより、荷電粒子を好適に加速することができる。また、装置の小型化、製造コストの低減も可能となる。このような線形加速器の小型化は、例えば、加速された荷電粒子ビームを用いたがん治療装置の普及などの実用面において非常に重要である。
【００３２】
さらに、上記した線形加速器１においては、ＩＨ型の共振器構造に対し、加速管１０内で電場分布を調整するチューナ（電場調整手段）３０を加速軸Ａｘ方向に複数並べて配置している。このような複数のチューナ３０１〜３０ｍを加速管１０内に設置することにより、その共振器の全体として高周波電場の電場分布を細かく制御して、荷電粒子を加速するために好適な条件の電場分布に調整することが可能となる。これにより、例えば実際に製造された加速器での電場分布が設計の電場分布からずれている場合でも、その電場分布を設計の電場分布に精度良く近づけることができる。また、このような構成では、ギャップ数が比較的多い線形加速器の設計が可能となる。
【００３３】
電場分布の調整に用いられる電場調整手段の例としては、図１に模式的に示すように、インダクタンスＬを変えることで電場分布を調整する誘導性のチューナを用いることができる。あるいは、電場調整手段としては、静電容量Ｃを変えることで電場分布を調整する容量性のチューナを用いても良い。
【００３４】
ここで、ＩＨ型の線形加速器では、その断面構造（後述する図８の断面図を参照）において、円形状の加速管、及びその中心で垂直方向に延びるリッジ部、ステム、及びドリフトチューブによって、高周波電場を生成するためのドリフトチューブに対応した電流路が構成される。これに対して、上記した誘導性または容量性のチューナを用いれば、ドリフトチューブに対する電流路でのインダクタンスＬまたは静電容量Ｃが変わることとなる。これにより、ドリフトチューブ群２０によって生成される荷電粒子を加速するための高周波電場の電場分布を好適に制御することが可能となる。なお、このような構成では、複数の電場調整手段は、その全部が誘導性の調整手段、または容量性の調整手段であっても良く、あるいは、誘導性の調整手段と容量性の調整手段とを併用する構成であっても良い。
【００３５】
また、電場調整手段の具体的な構成については、加速管１０と加速軸Ａｘとの間に配置され、ドリフトチューブ群２０に対する位置関係を変えることが可能に構成された調整部材を有する構成とすることが好ましい。このような調整部材を用いれば、調整部材のドリフトチューブ群との位置関係（例えば調整部材からドリフトチューブ群までの距離）を変えることによって電場分布を確実に制御することができる。このような調整部材は、上記した誘導性または容量性の調整手段のいずれに対しても適用が可能である。なお、電場調整手段（チューナ）及び調整部材の構成については、具体的には後述する。
【００３６】
また、このような電場分布の調整は、ドリフトチューブ群２０がＡＰＦ（Alternating Phase Focusing）法によって荷電粒子の加速ビームを収束させることが可能に構成されているような場合に特に有効である。ＡＰＦ法は、加速用の高周波電場の位相のプラス・マイナスによるビームの収束・発散効果を組み合わせることにより、簡単な構成で荷電粒子ビームの収束を実現する方法である。したがって、このような収束方法を用いることにより、簡単な構成で高品質の荷電粒子の加速ビームを得ることができる。また、ＡＰＦ法においては、高周波電場の位相を利用して荷電粒子ビームを収束させるため、その電場分布を高い精度で設計値に近づける必要がある。したがって、上記した複数のチューナ３０による電場分布の調整方法を適用すれば、ＡＰＦ法による荷電粒子ビームの収束を好適に実現することができる。
【００３７】
また、加速管１０は、その直径が加速軸Ａｘの方向に変化する形状に構成されていることとしても良い。このように、加速軸Ａｘに沿った電場分布や荷電粒子の加速条件などの諸条件に合わせて加速管１０の形状を変えていく構成とすることにより、荷電粒子の加速を好適に実現することができる。また、加速軸Ａｘに沿った各位置において、高周波電場を生成するための電流路のインダクタンスを適切に設定することが可能となる。
【００３８】
上記した複数のチューナ（電場調整手段）を用いた線形加速器における電場分布の調整について、さらに具体的に説明する。
【００３９】
図２は、単一のチューナを用いた場合の電場分布の変化について示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はドリフトチューブ群でのギャップ番号を示し、縦軸は相対的な電圧値を示している。また、位置Ａ０は単一の誘導性のチューナの設置位置を示し、グラフＡ１はチューナを用いない初期電圧分布を示し、グラフＡ２はチューナ使用時の電圧分布を示している。これらのグラフＡ１、Ａ２に示すように、チューナを用いることで、その設置位置Ａ０及びその近傍の電圧を下げることが可能である。ただし、このような単一のチューナでは、その近傍の電圧を調整できるのみで制御の自由度が低く、共振器の全体として電場分布を制御することはできない。
【００４０】
これに対して、複数のチューナを用いた場合の電場分布の変化を図３のグラフに示す。このグラフにおいて、グラフＢ１はチューナを用いない初期電圧分布を示し、グラフＢ２はチューナ使用時の電圧分布を示している。これらのグラフＢ１、Ｂ２に示すように、加速軸Ａｘに沿って適切に配置された複数のチューナを用いることにより、共振器の全体として高周波電場の電場分布を高い自由度で細かく制御して、電場分布を任意の形に調整することが可能となる。
【００４１】
このような複数のチューナによる効果について、さらに説明する。なお、以下に示す図４及び図５のグラフにおいては、チューナによる電場分布の調整の効果及び自由度についての説明の分かりやすさのため、線形加速器における実際の調整条件からは外れた条件で電場分布の調整を行っている。
【００４２】
図４は、複数のチューナのうちで個々のチューナを用いた場合の電場分布の変化について示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はドリフトチューブ群でのギャップ番号を示し、縦軸はチューナ使用時の電圧変化率を示している。また、グラフＤ１〜Ｄ４は、それぞれ位置Ｃ１〜Ｃ４のチューナを使用した場合の電圧変化率分布を示している。
【００４３】
これらのグラフＤ１〜Ｄ４に示すように、各位置Ｃ１〜Ｃ４に設置されたチューナを用いることで、その設置位置及びその近傍で電圧が下がり、それぞれ異なる調整条件で全体の電場分布が調整される。したがって、このようなチューナを加速軸Ａｘの方向に複数配置しておき、それらを組み合わせて電場調整を行うことにより、上記したように高周波電場の電場分布を高い自由度で任意の形に調整することが可能である。図５は、そのような複数のチューナを用いた電場分布の調整の例を示すグラフであり、矢印で示す８個所に配置されたチューナを用いて電場分布を変化させたときの電圧変化率分布を示している。
【００４４】
図１に示した線形加速器１の具体的な構成例について説明する。
【００４５】
図６は、本発明によるＩＨ型の線形加速器の具体的な構成例を示す側面断面図である。また、図７は、図６に示した線形加速器の上面図である。本構成例による線形加速器１Ａは、図１に示した線形加速器１と同様の基本構成を有し、加速管１０と、第１リッジ部１１と、第２リッジ部１２と、ドリフトチューブ群２０とを備えている。加速管１０は、加速軸Ａｘを含み、その直径が加速軸Ａｘに沿った荷電粒子の加速方向に向かって徐々に大きくなる略円筒形状を有している。
【００４６】
また、加速管１０の下側、上側の内壁上には、それぞれ第１リッジ部１１、第２リッジ部１２がほぼ加速管１０の全長にわたって設けられている。また、リッジ部１１、１２の加速方向側の端部（図中の右側の端部）には、それぞれ切り欠き部１１ａ、１２ａが形成されている。これらの切り欠き部１１ａ、１２ａは、リッジ部１１、１２に電流が流れたときに生じる磁束を通すことによって電場分布を調整するものである。
【００４７】
ドリフトチューブ群２０は、第１リッジ部１１に支持された第１ドリフトチューブ２１と、第２リッジ部１２に支持された第２ドリフトチューブ２２とが加速軸Ａｘに沿って複数交互に配列された構成となっている。本構成例においては、第１リッジ部１１に対してｎ個のドリフトチューブ２１１〜２１ｎが、また、第２リッジ部１２に対してｎ＋１個のドリフトチューブ２２１〜２２ｎ＋１が設けられている。そして、これらのドリフトチューブが、２２１、２１１、２２２、２１２、…、２１ｎ−１、２２ｎ、２１ｎ、２２ｎ＋１の順で加速軸Ａｘに沿って配列されることにより、ドリフトチューブ群２０が構成されている。
【００４８】
また、本構成例の線形加速器１Ａにおいては、電場分布調整用のチューナとして、図７に示すように１６個のチューナ３０１〜３０８、４０１〜４０８が設けられている。これらのチューナのうち、チューナ３０１〜３０８は加速方向で向かって右側に配置され、チューナ４０１〜４０８は向かって左側に配置されている。また、加速軸Ａｘに沿ったチューナの配列については、チューナ３０１、４０１、３０２、４０２、…、３０８、４０８の順で加速方向に並ぶ配列となっている。
【００４９】
図８は、図６に示した線形加速器の加速軸Ａｘに垂直な面での断面図である。この断面図では、加速方向で向かって右側に配置されたチューナ３０を含む面での断面構造を示している。また、図９は、チューナ３０の具体的な構成例を概略的に示す断面図である。なお、図８では、チューナ３０については、電場分布の調整に用いられる調整部材３１のみを図示している。
【００５０】
図８及び図９に示す断面構造においては、加速管１０の右側の所定位置に開口部１０ａが設けられており、この開口部１０ａに対して電場分布調整用のチューナ３０が設置されている。本構成例では、チューナ３０は、調整部材３１を有して構成されている。この調整部材３１は、加速管１０と加速軸Ａｘとの間に配置され、ドリフトチューブ群２０に対する位置関係を変えることが可能に構成されている。具体的には、この調整部材３１は、円筒形状を有するとともに、加速軸Ａｘに垂直な軸Ｄｘを駆動軸とし、ドリフトチューブ群２０との間の距離（加速管１０への調整部材３１の出し入れ量）によってインダクタンスＬを変えることで電場分布を調整する誘導性の調整手段として構成されている。
【００５１】
チューナ３０は、図９に示すように、上記の調整部材３１に加えて、調整部材３１を支持するとともに加速管１０内の真空を保持可能なように構成された支持部３２、及び調整部材３１を軸Ｄｘの方向に駆動する駆動部３３を有している。また、駆動部３３は、調整部材３１の後方側に接続され内部にネジ穴を有する駆動部材３３ａと、駆動部材３３ａのネジ穴を介して調整部材３１を駆動する駆動用ネジ３３ｂとを有している。
【００５２】
また、駆動用ネジ３３ｂには駆動ハンドル３４が接続されており、このハンドル３４によって手動で調整部材３１を駆動することが可能な構成となっている。なお、このような調整部材３１の駆動構成については、例えば駆動ハンドル３４に代えてステッピングモータを駆動用ネジ３３ｂに接続するなど、自動で調整部材３１を駆動することが可能な構成としても良い。例えば、図７に示す構成においては、１６個のチューナのうちで２個のチューナ３０２、４０７が自動駆動の構成、それ以外が手動駆動の構成となっている。
【００５３】
ここで、上記した線形加速器１Ａの構成において、加速管１０の具体的な形状は、例えば加速軸Ａｘ方向の長さが３．５ｍ程度、直径がφ３００ｍｍ程度である。また、ドリフトチューブ群２０の具体的な構成は、例えば加速軸Ａｘを中心としたドリフトチューブの円筒形状の内径がφ１４ｍｍ程度、外径がφ２８〜３０ｍｍ程度、加速軸Ａｘ方向の長さが位置によって異なるが１０〜３０ｍｍ程度である。また、ドリフトチューブ群の全体でのギャップ数は７２程度、高周波電場の周波数は２００ＭＨｚ程度である。また、チューナ３０の調整部材３１は、例えばその円筒形状がφ１００ｍｍ程度、軸Ｄｘ方向の駆動幅が５０ｍｍ程度である。なお、図６においては、ドリフトチューブ群２０を構成するドリフトチューブ２１、２２については、両端部近傍に位置するもののみを示し、その間に位置するものについては図示を省略している。また、図９においては、チューナ３０の構成を概略的に示しており、支持部３２における調整部材３１の支持機構、真空保持機構などの具体的な構造については図示を簡略化している。また、上記した各数値は、単に構成の一例を示すものであって、各部の形状、周波数、個数等は、個々の加速器の構成や必要な性能等に応じて適宜設定すれば良い。
【００５４】
図１０は、線形加速器の他の実施形態の構成を模式的に示す斜視図である。本実施形態の線形加速器２の構成のうち、加速管１０と、リッジ部１１、１２と、ステム１３、１４と、ドリフトチューブ２１、２２からなるドリフトチューブ群２０とについては、図１に示した線形加速器１の構成と同様である。本実施形態の線形加速器２においては、電場分布を調整する複数の電場調整手段として、誘電性のチューナ３０１〜３０ｍに代えて、ｍ個の容量性のチューナ５０１〜５０ｍが加速軸Ａｘ方向に並ぶように配置されている。
【００５５】
図１１は、図１０に示した線形加速器の加速軸Ａｘに垂直な面での断面図である。図１１に示す断面構造においては、加速管１０の右側の所定位置に開口部１０ｂが設けられており、この開口部１０ｂに対して電場分布調整用のチューナ５０が設置されている。本構成例では、チューナ５０は、調整部材５１を有して構成されている。具体的には、この調整部材５１は、容量板となる板状部材を支持用の棒状部材の先端部に接続した構成を有するとともに、加速軸Ａｘに垂直な軸Ｄｘを駆動軸とし、ドリフトチューブ群２０との間の距離によって静電容量Ｃを変えることで電場分布を調整する容量性の調整手段として構成されている。このように、電場分布を調整するための電場調整手段としては、具体的には様々な構成を用いることが可能である。
【００５６】
本発明による線形加速器は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、加速管の内壁上に設けられてドリフトチューブを支持する第１支持部、第２支持部として第１リッジ部、第２リッジ部を用いているが、リッジ部以外の構成の支持部を用いても良い。また、複数の電場調整手段の具体的な個数については、個々の加速器において必要とされる電場分布の調整精度などに応じて適宜に設定して良い。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、ＩＨ型の共振器構造を有するとともに、荷電粒子の加速に用いられる高周波電場の電場分布を好適に制御可能な線形加速器として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】線形加速器の一実施形態の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】単一のチューナを用いた場合の電場分布の変化について示すグラフである。
【図３】複数のチューナを用いた場合の電場分布の変化について示すグラフである。
【図４】複数のチューナのうちで個々のチューナを用いた場合の電場分布の変化について示すグラフである。
【図５】複数のチューナを用いた場合の電場分布の変化について示すグラフである。
【図６】線形加速器の具体的な構成例を示す側面断面図である。
【図７】図６に示した線形加速器の上面図である。
【図８】図６に示した線形加速器の加速軸に垂直な面での断面図である。
【図９】チューナの具体的な構成例を概略的に示す断面図である。
【図１０】線形加速器の他の実施形態の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１１】図１０に示した線形加速器の加速軸に垂直な面での断面図である。
【図１２】線形加速器の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１３】アルバレ型の線形加速器での荷電粒子の加速原理を示す模式図である。
【図１４】ＩＨ型の線形加速器での荷電粒子の加速原理を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５９】
１、１Ａ、２…線形加速器、Ａｘ…加速軸、１０…加速管、１０ａ、１０ｂ…開口部、１１…第１リッジ部、１２…第２リッジ部、１１ａ、１２ａ…切り欠き部、１３、１４…ステム、２０…ドリフトチューブ群、２１…第１ドリフトチューブ、２２…第２ドリフトチューブ、３０、４０、５０…チューナ、３１、５１…調整部材、３２…支持部、３３…駆動部、３３ａ…駆動部材、３３ｂ…駆動用ネジ、３４…駆動ハンドル。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の加速軸に沿って荷電粒子を加速する線形加速器であって、
直線状に設定された荷電粒子の加速軸を内部に含み、前記加速軸を長手方向として設けられた加速管と、
前記加速管の内壁上の所定位置に前記加速軸の方向に延びるように設けられた第１支持部と、
前記加速管の内壁上で前記第１支持部と対向する位置に前記加速軸の方向に延びるように設けられた第２支持部と、
前記第１支持部に電気的に接続されて支持された第１ドリフトチューブ、及び前記第２支持部に電気的に接続されて支持された第２ドリフトチューブが前記加速軸に沿って複数交互に配列されたドリフトチューブ群と、
前記ドリフトチューブ群によって前記加速管内で生成されて前記荷電粒子の加速に用いられる高周波電場に対し、その電場分布を調整可能に構成されるとともに、前記加速軸に対してそれぞれ異なる位置に設置された複数の電場調整手段と
を備えることを特徴とする線形加速器。
【請求項２】
前記複数の電場調整手段は、インダクタンスＬを変えることで前記電場分布を調整する誘導性の調整手段を含むことを特徴とする請求項１記載の線形加速器。
【請求項３】
前記複数の電場調整手段は、静電容量Ｃを変えることで前記電場分布を調整する容量性の調整手段を含むことを特徴とする請求項１記載の線形加速器。
【請求項４】
前記電場調整手段は、前記加速管と前記加速軸との間に配置され、前記ドリフトチューブ群に対する位置関係を変えることが可能に構成された調整部材を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の線形加速器。
【請求項５】
前記ドリフトチューブ群は、前記高周波電場の位相を利用するＡＰＦ法によって、前記荷電粒子の加速ビームを収束させることが可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の線形加速器。
【請求項６】
前記加速管は、その直径が前記加速軸の方向に変化する形状に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の線形加速器。
【請求項１】
所定の加速軸に沿って荷電粒子を加速する線形加速器であって、
直線状に設定された荷電粒子の加速軸を内部に含み、前記加速軸を長手方向として設けられた加速管と、
前記加速管の内壁上の所定位置に前記加速軸の方向に延びるように設けられた第１支持部と、
前記加速管の内壁上で前記第１支持部と対向する位置に前記加速軸の方向に延びるように設けられた第２支持部と、
前記第１支持部に電気的に接続されて支持された第１ドリフトチューブ、及び前記第２支持部に電気的に接続されて支持された第２ドリフトチューブが前記加速軸に沿って複数交互に配列されたドリフトチューブ群と、
前記ドリフトチューブ群によって前記加速管内で生成されて前記荷電粒子の加速に用いられる高周波電場に対し、その電場分布を調整可能に構成されるとともに、前記加速軸に対してそれぞれ異なる位置に設置された複数の電場調整手段と
を備えることを特徴とする線形加速器。
【請求項２】
前記複数の電場調整手段は、インダクタンスＬを変えることで前記電場分布を調整する誘導性の調整手段を含むことを特徴とする請求項１記載の線形加速器。
【請求項３】
前記複数の電場調整手段は、静電容量Ｃを変えることで前記電場分布を調整する容量性の調整手段を含むことを特徴とする請求項１記載の線形加速器。
【請求項４】
前記電場調整手段は、前記加速管と前記加速軸との間に配置され、前記ドリフトチューブ群に対する位置関係を変えることが可能に構成された調整部材を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の線形加速器。
【請求項５】
前記ドリフトチューブ群は、前記高周波電場の位相を利用するＡＰＦ法によって、前記荷電粒子の加速ビームを収束させることが可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の線形加速器。
【請求項６】
前記加速管は、その直径が前記加速軸の方向に変化する形状に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の線形加速器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００７−１５７４００（Ｐ２００７−１５７４００Ａ）
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３４８３０７（Ｐ２００５−３４８３０７）
【出願日】平成１７年１２月１日（２００５．１２．１）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【出願人】（３０１０３２９４２）独立行政法人放射線医学総合研究所 (149)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月１日（２００５．１２．１）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【出願人】（３０１０３２９４２）独立行政法人放射線医学総合研究所 (149)
【Ｆターム（参考）】
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