Ｈモード型ドリフトチューブ線形加速器、およびその電場分布調整方法
【課題】Ｈモード型ドリフトチューブ線形加速器の運転中でも、加速器空胴内に発生する電場分布の変化の有無をリアルタイムで観測することができて故障の早期発見等に役立てることができ、また電場分布の調整を容易に行えるようにして調整の手間を軽減する。
【解決手段】真空容器と共振器とを兼ねた加速器空胴１と、この加速器空胴１内で荷電粒子軸方向に加速電圧を生成する複数のドリフトチューブ電極２と、上記ドリフトチューブ電極２間のギャップ４に生じる電場の分布を調整する複数のチューナ５とを備えるとともに、加速器空胴１の荷電粒子軸方向（Ｚ軸方向）に沿う中央部、および両端部の少なくとも３箇所に、それぞれ電場分布の変化を測定するためのアンテナ６が設置されている。
【解決手段】真空容器と共振器とを兼ねた加速器空胴１と、この加速器空胴１内で荷電粒子軸方向に加速電圧を生成する複数のドリフトチューブ電極２と、上記ドリフトチューブ電極２間のギャップ４に生じる電場の分布を調整する複数のチューナ５とを備えるとともに、加速器空胴１の荷電粒子軸方向（Ｚ軸方向）に沿う中央部、および両端部の少なくとも３箇所に、それぞれ電場分布の変化を測定するためのアンテナ６が設置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速器空胴内で荷電粒子進行方向に磁場を励起させるＴＥモード（Ｈモード）により、荷電粒子進行方向に複数配列したドリフトチューブ電極間に間接的に加速電場を発生させて荷電粒子を加速するＨモード型ドリフトチューブ線形加速器、およびその電場分布調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｈモード型ドリフトチューブ線形加速器においては、共振器としてＨモードを励起させる加速器空胴内に、荷電粒子進行方向（Ｚ軸方向）に沿って１対以上のドリフトチューブ電極間にギャッブを存して配列し、間接的にドリフトチューブ電極間のギャップに加速電場を発生させて荷電粒子を加速する。
【０００３】
各ドリフトチューブ電極は、内部が空胴の円筒形状であり、一対のドリフトチューブ電極（セルと称する）の円筒肉厚部で発生する電場により荷電粒子に加速エネルギを付与し、加速後の荷電粒子はドリフトチューブ電極内部を通過する。この場合、加速器空胴内には磁界が空胴中心を中心として同心状に発生していることから、この磁界に起因して加速器空胴内に発生する電場分布は、Ｈモードにより、加速器空胴の荷電粒子進行方向（Ｚ軸方向）に対して、両端部で最小、中央部で最大となる正弦波状の分布となる。
【０００４】
上記の加速器空胴内の電場分布は、当該空胴内にドリフトチューブが配置されていない状態であり、加速器空胴内にドリフトチューブ電極が配置される場合には、同空胴内の入射端側は出射端側に比べて荷電粒子は未加速でその速度が遅いため、ドリフトチューブ電極の長さは短くなるように設計されるので、加速器空胴内の入射端側にドリフトチューブ電極の数が相対的に多くなることから、入射端側の静電容量が増大し、上記の電場分布は入射端側で最大となる。
【０００５】
このような加速器空胴の入射端側での電場分布の集中は、例えばドリフトチューブ電極の相互間の放電や、加速器空胴の発熱をもたらし、安定して線形加速器を利用するのに支障をきたす原因となる。そのため、加速器空胴の内径やチューナ等を最適に設計するなどにより、各ギャップの電場強度の最大値が加速器空胴の両端部を除き一定（フラット）になるように電場分布を調整することが必要となる。
【０００６】
ところで、荷電粒子が各ギャップの中央に来たときの高周波位相を同期位相と呼ぶが、同期位相の選び方により荷電粒子は収束および発散の作用を受ける。ここで、高周波位相は−９０度から＋９０度の１８０度を１周期とし、電場強度はコサイン波形で発生するものとする。
【０００７】
荷電粒子進行方向（Ｚ軸方向）には位相安定性の原理から負の位相（−９０度から０度）を選択することで収束することが知られている。これは、負の同期位相とは電場強度が時間と共に増大する領域であるため、先にギャップを通過した粒子を後からギャップに到着した粒子がより強い電場強度を受けて追いつくことで収束するためである。これとは逆に、正の位相（０度から９０度）では荷電粒子進行方向に発散する。
【０００８】
一方、Ｚ軸方向と直交する径方向にはドリフトチューブ電極間に発生する電気力線形状から正の位相（０度から＋９０度）を選択することで収束することが知られている。これは、電気力線の形状がギャップ前半部は径方向中心向き、ギャップ後半部は径方向外側向きの湾曲形状であり、正の同期位相によりギャップ後半部よりも前半部に強い電場強度を受け粒子は径方向に収束するためである。これとは逆に、負の位相（−９０度から０度）では発散する。
【０００９】
このように、正の同期位相の場合は、荷電粒子進行方向に発散し、径方向には逆に収束する。負の同期位相の場合は、荷電粒子進行方向に収束し、径方向には発散する。したがって、同期位相の符号を数セル周期で変化させることにより、荷電粒子進行方向および径方向の両方に収束することができる。
【００１０】
このような自己収束法の一つにＡＰＦ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｐｈａｓｅ Ｆｏｃｕｓｅｄ）法がある。このＡＰＦ法を適用するＨモード型ドリフトチューブ線形加速器は、本来、加速のみに使用していた加速電場を、収束・発散にも使用するため、電場分布の設計値に対する製作許容値（すなわち、加速器空胴の製作精度）はより厳しいものとなる。
【００１１】
そのため、従来技術では、チューナを用いた電場分布調整方法（例えば、下記の特許文献１参照）や、ドリフトチューブ電極の形状による電場分布調整方法（例えば、下記の特許文献２参照）、あるいは、一度確定した電場分布を変化させないように共振周波数のみを調整する方法（例えば、下記の特許文献３参照）などがそれぞれ提案されている。
【００１２】
このように、各ギャップでの電場強度の最大値が加速器空胴の両端部を除き一定（フラット）になるように電場分布の調整を行うためには、その前提として、予め加速器空胴内のドリフトチューブ電極間に発生する電場分布を測定する必要がある。そのための電場分布測定法として、周知の摂動法がある。この摂動法は、加速器空胴内の荷電粒子加速軸上に沿って微小の測定球を挿入し、このときに生じる電場の乱れにより加速器空胴内に蓄積されたエネルギを微小変動させ、これに伴って共振周波数が変化することを利用して、共振周波数の変化量から測定球を配置した場所の電場強度を求める方法である。
【００１３】
この摂動法を適用する際には、加速器空胴内に測定球を挿入するために、摂動球を糸の一端に接着固定し、その糸の他端を加速器空胴の外部に配置されたモータに連結し、モータを回転させることで糸に固定された摂動球が加速器空胴内に挿入されるようになっている（例えば、下記の非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−１５７４００号公報
【特許文献２】特開２００６−３５１２３３号公報
【特許文献３】特開２００７−８７８５５号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｙ．Ｉｗａｔａ，ｅｔ．ａｌ．， ＮＩＭ Ａ ５６９（２００６）６８５−６９６（４． Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記のような摂動法を採用して加速器空胴内の電場分布を測定する場合には、加速器空胴の外部から摂動球を挿入する必要があるため、加速器空胴の内部は大気圧中に保持される。したがって、加速器空胴内が真空引きされた状態で高周波電力を投入して線形加速器を実際に運転する際には、そのときの電場分布を全く測定することができない。
【００１７】
このため、例えば、加速器空胴の構造の経時変化や熱的変化等に起因して、運転中に電場分布が変化して仕様を満たす荷電粒子が出射されない等の問題が発生した場合、従来は、加速器空胴の前後に接続されている機器を全て取り外し、真空を解除してから、例えば摂動法により加速器空胴内の電場分布を再度測定して加速器空胴内のドリフトチューブ電極間に発生する電場分布が設計通りになっているかを確認する必要が生じ、測定、確認のために余分な手間がかかるなどの不具合を生じていた。
【００１８】
本発明は、上記の課題を解決し、Ｈモード型ドリフトチューブ線形加速器の運転中でも、加速器空胴内に発生する電場分布の変化の有無をリアルタイムで観測することができて故障の早期発見等に役立てることができ、また、電場分布の調整を容易に行えるようにして調整の手間を軽減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係るＨモード型ドリフトチューブ線形加速器は、真空容器と共振器とを兼ねた加速器空胴と、この加速器空胴内で荷電粒子軸方向に加速電圧を生成する複数のドリフトチューブ電極と、上記ドリフトチューブ電極間のギャップに生じる電場の分布を調整する複数のチューナとを備えるとともに、上記加速器空胴の荷電粒子軸方向に沿う中央部、および両端部の少なくとも３箇所に、それぞれ上記電場分布の変化を測定するためのアンテナが設置されていることを特徴としている。
【００２０】
また、本発明に係るＨモード型ドリフトチューブ線形加速器は、真空容器と共振器とを兼ねた加速器空胴と、この加速器空胴内で荷電粒子軸方向に加速電圧を生成するドリフトチューブ電極と、上記ドリフトチューブ電極間のギャップに生じる電場の分布を調整する複数のチューナとを備えるとともに、上記加速器空胴の荷電粒子軸方向に沿って、各チューナの設置位置に個別に対応してチューナ数と同数分だけ上記電場分布の変化を測定するためのアンテナが設置されていることを特徴としている。
【００２１】
また、本発明に係るＨモード型ドリフトチューブ線形加速器における空胴内電場分布調整方法は、上記加速器空胴内の電場分布を調整するための方法であって、当該線形加速器の製作時に摂動法に基づいて電場分布を測定し、その測定結果に基づいて上記チューナで電場分布の調整を行い、電場分布調整後のアンテナ出力が全て所定値内に収まるように予め調整する第１のステップと、この第１のステップの後に上記加速器空胴内を真空引きして上記ドリフトチューブ電極間に加速電界を発生させた運転中にアンテナ出力を測定する第２のステップと、そのアンテナ出力の測定値の変動量が設定値以上になっている場合には、各チューナの挿入量を変化させて変動量が設定値に収まるように調整する第３のステップと、を含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、アンテナ出力による測定値に基づく電磁場強度から電場分布変化を換算することで、線形加速器の運転中であっても電場分布の変化をリアルタイムで確認することができる。これにより、故障の発生を早期に検出することができ、迅速な対処が可能になる。また、電場分布の調整を容易に行えるため、従来に比べて調整の手間を軽減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の荷電粒子進行方向（Ｚ軸方向）に沿う断面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図３】摂動法による電場分布の測定結果の一例を示す図である。
【図４】図３の電場分布から算出される電圧分布の一例を示す図である。
【図５】図４の電圧分布から算出される電圧の差異分布の一例を示す図である。
【図６】チューナで電場分布を調整した後の状態で、アンテナ出力を調整した際に得られたアンテナ出力分布の一例を示す図である。
【図７】熱的影響で加速器空胴の出射端部側の内周壁が拡径した場合の電場分布の計算値の一例を示す図である。
【図８】熱的影響で加速器空胴の入射端部側と出射端部側の両内周壁が共に拡径した場合の電場分布の計算値の一例を示す図である。
【図９】図７に対応して加速器空胴の出射端部側の内周壁が拡径した場合のアンテナ出力分布を示す図である。
【図１０】図８に対応して加速器空胴の入射端部側と出射端部側の両内周壁が共に拡径した場合のアンテナ出力分布を示す図である。
【図１１】各チューナを加速器空洞内の基準位置から所定量だけ挿入したことに伴うドリフトチューブ電極間の電圧の差異分布の計算値を示す図である。
【図１２】加速器空洞内の各ドリフトチューブ電極間の電場分布を調整するための手順を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態２におけるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の荷電粒子進行方向（Ｚ軸方向）に沿う断面図である。
【図１４】チューナの挿入量が変動した場合の摂動法による電場強度分布の測定結果の一例を示す図である。
【図１５】図１４に対応してチューナ挿入量の変動に伴うアンテナ出力分布を示す図である。
【図１６】電場分布変化測定用としてＣ型アンテナを使用した場合のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
実施の形態１．
図１は、この実施の形態１におけるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の荷電粒子進行方向（Ｚ軸方向）に沿う断面図、図２はＺ軸方向と直交するＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【００２５】
この実施の形態１のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器（以下、単に線形加速器という）は、真空容器と共振器とを兼ねた中空の加速器空胴１を備え、この加速器空胴１は、荷電粒子進行方向（Ｚ軸方向）の前後に荷電粒子の通過孔を有する入射端部１１と出射端部１２とが設けられ、また、入射端部１１側から出射端部１２側に向けて延びる胴部１３の内周面は、出射端部１２に向けて次第に拡径されるように傾斜面として形成されている。
【００２６】
そして、この加速器空胴１の内部の空間には、Ｚ軸方向に沿って複数（本例では６個）のドリフトチューブ電極２が所定のギャップ４を存して順次配置されている。なお、本発明内容の理解を促す上で、各々のドリフトチューブ電極２を区別する必要があるときには符号ＤＴ１〜ＤＴ６を、また、各ギャップ４を区別する必要があるときには符号Ｇ１〜Ｇ５をそれぞれ使用する。
【００２７】
ここに、荷電粒子は出射端部１２側に近づくにつれて速度を増すため、各ドリフトチューブ電極２の長さは、入射端部１１側から出射端部１２側に向けて次第に長くなるように設定されている。また、各ギャップ４も同様に、入射端部１１側から出射端部１２側に向けて次第に長くなるように設定されている。
【００２８】
そして、各ドリフトチューブ電極２は、加速器空胴１の胴部１３から径方向内方に突出したステム３により片持ちで支持されている。この場合、各ドリフトチューブ電極２を支持するステム３は、Ｚ軸方向に沿って左右交互となるように配置されている。
【００２９】
互いに隣り合うドリフトチューブ電極２間の各ギャップ４にはＺ軸方向に加速電場が形成されており、荷電粒子はこの加速電場によって加速器空胴１の入射端部１１側から出射端部１２側に向けて加速される。
【００３０】
また、加速器空胴１の胴部１３には、電場分布調整用の複数個（ここで４個）のチューナ５と、電場分布変化測定用の複数個（ここでは３個）のＬ型（インダクタンス型）ループアンテナ（以下、単にアンテナという）６とが設けられて胴部１３の空間内方に突出している。なお、本発明内容の理解を促す上で、各チューナ５を区別する必要があるときには符号Ｔ１〜Ｔ４を、また、各アンテナ６を区別する必要があるときには符号Ａ１〜Ａ３をそれぞれ使用する。
【００３１】
各チューナ５は、各ドリフトチューブ電極２を支持するステム３の取り付け方向に対して９０度回転した方向から、Ｚ軸方向に沿う２番目〜５番目の各ギャップ４（Ｇ２〜Ｇ５）の略中央をＺ軸方向に対して直交して横切るように、上下交互に取り付けられている。なお、各チューナ５の取り付け形態は、必ずしもこのようにＺ軸方向に沿って上下交互に配置した構成に限られるものではなく、全てのチューナ５を加速器空胴１のＺ軸方向に沿って全て同じ上方向あるいは下方向から設置してもよい。また、チューナ５の個数も、必ずしもこの実施の形態１のように４個に限定されるものではない。
【００３２】
加速器空胴１の共振周波数、および各ドリフトチューブ電極２間の電圧の設計値からのずれは、加速器空胴１の製作時の精度誤差により引き起こされるが、このずれは、各チューナ５をＺ軸方向と直交する方向に沿って胴部１３内方に向けて挿入する挿入量を変えることにより調整される。
【００３３】
また、各アンテナ６（Ａ１〜Ａ３）は、Ｚ軸方向に沿う１番目、３番目、および５番目の各ギャップ４（Ｇ１，Ｇ３，Ｇ５）の略中央をＺ軸方向に対して直交して横切るように、同一の方向（ここでは下方向）から取り付けられている。なお、各アンテナ６の取り付け形態は、必ずしもこれに限られるものではなく、Ｚ軸方向に沿って上下交互に配置した構成とすることも可能である。また、アンテナ６の個数も必ずしもこの実施の形態１のように３個に限定されるものではない。
【００３４】
各アンテナ６は、加速器空胴１の胴部１３の内周面から内方に突出して配置されたループ部６１と、各アンテナ６が共通のアンテナ出力（例えば３０Ｖ）となるようにその減衰率を調整する調整機構６２とを備え、調整機構６２が加速器空胴１の胴部１３に取り付けられている。この場合の調整機構６２としては、各アンテナ６のループ部６１で囲まれる内側の断面積を変更できる構造、もしくはループ部６１を回転してループ部６１の実質断面積（Ｚ軸方向に対して直交する面にループ部を投影したときのループ面積）を変更させる構造等が採用される。
【００３５】
そして、各アンテナ６は、そのループ部６１を通る磁場の時間変化からファラデーの法則よりループ内に誘起される電圧が測定される構造であって、加速器空胴１内の電場分布の変化は、これらの各アンテナ出力により測定される。
【００３６】
次に、ドリフトチューブ電極２間に発生する加速電場と、各アンテナ６で測定される電磁場強度との関係を説明する。
【００３７】
左右のドリフトチューブ電極２間のギャップ４の中央（すなわち、各セルの中央）をＺ軸方向に直交して横切る位置での加速器空胴１の内周の断面積をＳ、そのときのギャップ４（ギャップ長ｌ）に発生する電場強度をＥとすると、これら間には次の（１）式に示すような関係式が成り立つ。
【００３８】
【数１】
【００３９】
ここに、Ｂcavityは加速器空胴１内の磁束密度で、ドットは時間微分を表す。Ｓは加速度器空胴の内周の断面積である。そして、上記（１）式の左辺は、各セルのギャップ４に発生する電圧となり、右辺はそのセルでの加速器空胴１の断面積内の磁場の時間変化である。
【００４０】
一方、アンテナ６も同様、ループ部６１のループ面積をＡ、測定される電圧をＶ、ループ内の磁場をＢloopとすると、これらの間には、次の（２）式に示す関係式が成り立つ。
【００４１】
【数２】
【００４２】
加速器空胴１の断面積内の磁場（加速器空胴断面磁場強度）と、ループ内磁場（ループ断面磁場強度）との関係は、次の（３）式に示す減衰率の関係があるため、アンテナ６により測定される電圧Ｖの値は、ドリフトチューブ電極２間に発生する電圧によって決定される。
【００４３】
【数３】
【００４４】
この線形加速器の製作直後において、電場分布変化を測定するためにアンテナ６の先端部を加速器空胴１の内方に深く挿入すると、強い磁場により一般の測定器では観測することができないほどの電圧を出力する。その対策として、アンテナ６からの大出力をアッテネータ等により減衰して測定することも可能であるが、アンテナ６の先端部と加速器空胴１内に配置されたドリフトチューブ電極２などの内蔵物と間に不要の電気容量を発生させることは線形加速器の性能を落とすことにつながり適切でない。そのため、アンテナ６の先端部は、加速器空胴１の内周面近く、もしくはポート内に設置する。
【００４５】
そのように設置すると、ループ内磁場と加速器空胴１の断面積に発生する磁場は、必ずしも上記（３）式の減衰率で表される関係とならないため、その状態では、アンテナ６の測定値に基づいて各ドリフトチューブ電極２間に発生する電場を精度よく測定することが難しい。
【００４６】
したがって、製作直後に電場分布調整を行う際には、予めチューナ５で電場分布を調整しつつ、摂動法により電場分布を測定してその状態を確認する必要があるが、一旦、摂動法により電場分布を調整した後の電場分布の変化は、アンテナ６により十分観測可能である。以下、この点について説明する。
【００４７】
摂動法では、微小の摂動球をステッピングモータ等により摂動球位置を管理し、そのときの加速器空胴１内の共振周波数の変化から電場強度を算出するため、ドリフトチューブ電極２間での詳細な電場分布を測定することができる。
【００４８】
図３は、線形加速器の製作直後にチューナ５で電場分布を調整した後に、摂動法により電場分布を測定して得られた結果の一例である。なお、図３において、電場分布がゼロである箇所は各ドリフトチューブ電極２の設置箇所に対応しており、電場が発生している箇所は主にギャップ４である。しかし、ドリフトチューブ電極２内にも発生電場がしみこむため、微小に電場が発生している箇所はドリフトチューブ電極２の端部となっている。
【００４９】
図３中、破線Ａ−Ａ’は放電限界電場強度を示しており、この放電限界電場強度は、キルパトリック放電限界の何倍かで表現することが一般的であり、通常１．６〜１．８倍であるが、設計者により決定される値である。また、加速器空胴１の両端部１１，１２近傍のギャップ４（Ｇ１，Ｇ５）での最大電場強度は、その他のギャップ４（Ｇ２〜Ｇ４）での半分程度になることが知られている。これは、加速器空胴１の両端は、端部１１，１２が存在することにより磁場の流れが他の箇所とは異なることに起因している。
【００５０】
ドリフトチューブ電極２間の放電に寄与するのは電場強度であり、放電限界電場強度を超えず、かつ加速器空胴１の両端部１１，１２近傍のギャップ４（Ｇ１，Ｇ５）を除き、各ギャップ４（Ｇ２〜Ｇ４）での最大電場強度が一定になるように加速器空胴１の内径が設計されるとともに、製作後はチューナ５により電場分布を調整する。
【００５１】
図４は、図３に示した電場分布から各ドリフトチューブ電極２間の電場強度をそのギャップ長で積分して得られる電圧分布（荷電粒子に対する加速エネルギに相当）を示したものである。
【００５２】
ドリフトチューブ電極２間の放電を防いで効率よく加速するために粒子速度に比例してドリフトチューブ電極２間のギャップ４の長さを広げることで、図３に示したように、両端部を除き各セルでの最大電場強度を一定にしてあるので、電圧分布は図４に示されるように、最初と最後のギャップ４（Ｇ１，Ｇ５）をのぞきＺ軸方向に対してリニアとなっている。なお、この実施の形態１では電場分布が一定に傾斜するようにしているが、電圧分布が一定となるよう設計されたＨモード型線形加速器でもかまわない。
【００５３】
電圧設計値は、実運転時の電力を投入した場合における発生電圧を計算により求めることができるのに対し、摂動法に基づく電圧測定値は、真空に引けないなどの装置の都合上、低い電力しか投入できず、しかも相対値しか得られないため、両者の単純比較はできない。
【００５４】
そこで、下記の（４）式に示すように、各セルの電圧の総和で規格化したものに置き換えて、両者を比較することとする。
【００５５】
【数４】
【００５６】
これを用いて、セル番号ｃにおける電圧の差異分布を下記の（５）式により定義する。
【００５７】
【数５】
【００５８】
これらの各差異分布が全て所定の範囲内に収まるように製作時にチューナ５により調整される。
【００５９】
図５は、チューナ５により差異分布が仕様値（±５％）以内になるように調整した結果である。なお、±５％以内という仕様値は、ＡＰＦ法を取り入れた線形加速器が仕様を満たす為の一般的な値である。
【００６０】
図６は、上記のようにして電場分布が略一定になるようにチューナ５により調整した後、各アンテナ６の出力が全て３０Ｖになるように各ループ部６１の面積を前述のアンテナ調整機構により調整した後の結果を示している。
【００６１】
以上は、線形加速器の製作直後の電場分布の調整、すなわち、予めチューナ５で電場分布を調整し、摂動法により電場分布を測定して分布状態の確認を行う際の手順の説明である。
【００６２】
次に、上述のようにして、線形加速器の電場分布を調整した後は、粒子加速運転のために加速器空胴１内を真空引きした後、高電力を投入することになるが、上記のように予め電場分布を調整しておけば、その後の運転中の電場分布の変化は、真空状態を破らずにアンテナ出力に基づいて十分観測可能である。次に、この点について説明する。
【００６３】
線形加速器の運転中に電場分布が変化する要因としては、（１）加速器空胴１の熱的変化、（２）チューナ５の挿入量の変動、（３）ドリフトチューブ電極２の設置位置の変動によるギャップ長の変化があるが、この実施の形態１の線形加速器は、（１）〜（３）の要因の内、特に上記（１）の加速器空胴１の熱的変化に起因した電場分布変化を早期に観測できるものである。
【００６４】
すなわち、Ｚ軸方向で胴部１３の肉厚が異なる加速器空胴１に大電力を投入すると、加速器空胴１の本体冷却配管の設置溶接の不備等のために、入射端部１１側、もしくは出射端部１２側、さらには両端部１１，１２側がタンク発熱により拡大する（反る）ことがある。
【００６５】
線形加速器が大電力を投入した状態にある運転中の電場分布は、加速器空胴１内が真空状態に保持されているため、摂動法では測定することができないので、ここでは、発熱量を計算して熱膨張率から電力を投入したときの加速器空胴１の空胴径の変化を推測し、３次元電磁場解析によりシミュレーションして加速器空胴１に発生する電場分布を算出した。その結果を図７および図８に示す。
【００６６】
図７は加速器空胴１の出射端部１２側の空胴径のみが膨張した場合、図８は入射端部１１側と出射端部１２側の両方の空胴径が共に膨張した場合の、それぞれの電場分布をシミュレーションして得られた計算結果を示している。
【００６７】
加速器空胴１の内径の一部が他よりも大きく拡大した場合、加速器空胴１内に発生する磁場分布が変化し、（１）式から分かるように、拡大した箇所の電場強度が増大する。すなわち、加速器空胴１の出射端部１２側が拡大した場合、出射側の電場分布も加速器空胴１の拡大に伴い増大する（図７）。同様に、加速器空胴１の入射端部１１側が拡大した場合には、入射側の電場分布も加速器空胴１の拡大に伴い増大する。また、加速器空胴１の両端部１１，１２側がともに拡大した場合には、加速器空胴１の両端部の電場が増大して中央部が相対的に低下する谷形状となる（図８）。
【００６８】
図９および図１０はこのとき実際に観測されたアンテナ出力を示す。なお、図９は図７の場合（加速器空胴１の出射端部１２側の空胴径のみが膨張した場合）に、図１０は図８の場合（加速器空胴１の両端部１１，１２が共に拡大した場合）にそれぞれ対応している。
【００６９】
図７および図８およびこれに対応する図９および図１０の関係から分かるように、線形加速器の運転中、高電力を投入したことに伴う加速器空胴１の熱的変化に起因して電場分布が変化した場合、加速器空胴１の中央部のギャップ４（Ｇ３）、および両端部１１，１２近傍のギャップ４（Ｇ１，Ｇ５）にそれぞれ対応した位置に配置した計３つのアンテナ６（Ａ１〜Ａ３）によってその出力を測定することにより、その電場分布の変化の特徴を真空を破らずに把握することができる。これにより、従来のように、加速器空胴１前後に接続されている機器を全て取り外して真空を解除する手間が不用となり、装置故障の早期発見を行うことができる。
【００７０】
さらに、例えば図９、図１０のようなアンテナ出力が得られた場合、電場分布の変化に対応して各チューナ５の挿入量を調整して仕様値からのずれを補正するための自動フィードバック制御をかけるようにすれば、常に安定した運転を確保した線形加速器を得ることができる。そのためには、各チューナ５の加速器空胴１の径方向への挿入量が各ドリフトチューブ電極２の電圧にどのように影響を与えるかを計算もしくは測定をして求め、チューナ挿入量と電圧変化との関係（以下、チューナ効果という）をデータベースして予め確保しておくことが必要となる。
【００７１】
そこで、次に上記のチューナ効果、すなわち各チューナ５について、チューナ５の加速器空胴１の径方向への挿入量が各ドリフトチューブ電極２の電圧にどのように影響を与えるかを、加速器空胴１１内の電磁界解析（計算）、もしくは製作した加速器空胴１を実際に用いた測定により求める方法について説明する。
【００７２】
チューナ５を加速器空胴１内に挿入すると、加速器空胴１１内の磁界分布が変化し、挿入したチューナ５の近くに配置されているドリフトチューブ電極２間の電場強度（積分した電圧）は（１）式から分かるように下がり、それ以外の部分のドリフトチューブ電極２間の電場強度（積分した電圧）は上がる方向に変化する。
【００７３】
ここで、チューナ５の挿入量が加速器空胴１１の内径と比較して十分小さい範囲内では、その電圧変動はチューナ５の挿入量にほぼ比例する。また、加速器空胴１内の磁界の変化は、各チューナ５の寄与による磁界変化をそれぞれ加算した総和であるため、ドリフトチューブ電極２間の電圧変化も、各チューナ５の寄与による電圧変化をそれぞれ加算した総和により求めることができる。なお、チューナ５を加速器空胴１から引き出す場合には、これとは逆の傾向となる。
【００７４】
以上の関係を用いて、各チューナ５（Ｔ１〜Ｔ４）の加速器空胴１の径方向への挿入量が各ドリフトチューブ電極２間の電圧にどのような影響を与えるかを、各々のチューナ５について代表的な１つのケースについて計算により、あるいは測定により求めてデータベース化しておけば、各チューナ５について個々に挿入量を設定した時の、各々のドリフトチューブ間の電圧を算出することが可能となる。
【００７５】
図１１は、上記に述べた考えに従って、代表的な１つのケースとして、個々のチューナ５（Ｔ１〜Ｔ４）について、加速器空胴１の内周面からｄ＝３０ｍｍ挿入したときを基準位置として、この基準位置から更に２０ｍｍだけ挿入した場合に、各ドリフトチューブ電極２間の電圧の差異分布［ΔＶ／Ｖ］（（５）式参照）を計算により求めたものである。なお、図中の横軸のＰ１〜Ｐ４は、各チューナ５の設置位置に対応している。したがって、図１１において、例えば一つのチューナＴ１（位置Ｐ２）を基準位置から２０ｍｍだけ挿入した場合、Ｔ１のチューナに対応した差異分布は−２２％、Ｔ２のチューナに対応した差異分布は−１１％、Ｔ３のチューナに対応した差異分布は５％、Ｔ４のチューナに対応した差異分布は１２％となる。そして、この図１１の関係をチューナ効果としてデータベース化する。
【００７６】
次に、ドリフトチューブ電極２間の電圧変化を求めたのと同様にして、各チューナ５（Ｔ１〜Ｔ４）について、加速器空胴１の径方向への挿入量が共振周波数に与える影響を加速器空胴１内の電磁界解析（計算）、もしくは製作した加速器空胴１を実際に用いて測定により求める。
【００７７】
各チューナ５を１ｍｍ挿入した場合の共振周波数の変化量を表１に示す。ここでも、チューナ５の挿入量が小さいときには、共振周波数の変動はチューナ５挿入量にほぼ比例し、また、全チューナ挿入による共振周波数の変動は、各チューナ５の挿入による共振周波数変動分の総和にて表現できる。
【００７８】
【表１】
【００７９】
【数６】
【００８０】
上記（６）式において、右辺の第１項は各チューナ５の挿入量がドリフトチューブ間の電圧変化に与える影響を表現したものであり、また、右辺の第２項はチューナ５の挿入量を変化させずに加速器空胴１に熱的変化のみが生じた場合の影響を表現したものである。
【００８１】
そして、差異分布、および共振周波数が仕様値の範囲内となるように、全チューナ５の挿入量を設定する。すなわち、（６）式において、各アンテナ６の出力信号から得られる差異分布を（６）式の右辺第２項に置き換えることで、加速器空胴１本体の熱的変化の影響を反映させ、また、（６）式の右辺第１項については、各チューナ５の挿入量（Δｄ１，Δｄ２，・・・，Δｄｔ）を網羅的に組み合せたものを用いて計算を行うことで、左辺の差異分布が仕様値（±５％以下）内となるような各チューナ５の挿入量の組み合わせを見つけ出す。これによって各チューナ５の挿入量のフィードバック制御が可能となる。
【００８２】
例えば、上記より、図９の変化の場合には、各チューナ５（Ｔ１〜Ｔ４）の挿入量を（Δｄ１，Δｄ２，Δｄ３，Δｄ４）＝（−１．９ｍｍ，２１．４ｍｍ，６．４ｍｍ，２０．６ｍｍ）にすると、（６）式の左辺の差異分布が仕様値（±５％以下）内となる。また、図１０の変化の場合には、各チューナ５（Ｔ１〜Ｔ４）の挿入量を（Δｄ１，Δｄ２，Δｄ３，Δｄ４）＝（６．５ｍｍ，１８．１ｍｍ，７．９ｍｍ，１５．４ｍｍ）にすると、（６）式の左辺の差異分布が仕様値（±５％以下）内となる。
【００８３】
図１２は、上述した線形加速器の製作時における電場分布の調整、および線形加速器の実運転時に加速器空胴１の熱的変化に起因した電場分布の変化をアンテナ６で測定して自動調整する場合の手順を示すフローチャートである。なお、図中の符号Ｓは各処理ステップを意味する。
【００８４】
図１２のフローチャートに沿って、再度、その電場分布の調整手順の概略を説明すると、線形加速器の製作直後には、各ドリフトチューブ電極２に基づく電場分布が均一になるように調整する必要がある。そのため、まず、摂動法により電場分布を測定し（例えば図３）（Ｓ１１）、セルごとに積分して電圧分布を算出する（例えば図４）（Ｓ１２）。続いて、セルごとに設計値との差異分布を算出する（例えば図５）（Ｓ１３）。そして、差異分布が仕様値（例えば±５％）以内に収まっているか否かを判断する（Ｓ１４）。
【００８５】
このとき、各セルの差異分布が仕様値以内であれば、電場分布が均一になるように既にチューナ５で調整済みと考えられるため、各アンテナ６の出力が全て所定値（例えば３０Ｖ）となるように調整する（Ｓ１５）。
【００８６】
一方、Ｓ１４において、差異分布が仕様値（例えば±５％）以内に収まっていなければ、未だ電場分布が均一になるように調整されていないため、各チューナ５の挿入量を変化させて前述の（６）式で示される差異分布が仕様値に収まるように調整する（Ｓ１６）。その際、各チューナ５の挿入量の調整は、予めデータベースに登録されているチューナ効果の情報を参照して行うことも可能である。そして、再度Ｓ１１に戻りＳ１４までを繰り返す。
【００８７】
線形加速器の製作後の電場分布が調整された後は、線形加速器は実運転されることになるが、その場合、高電力を投入したことに伴う加速器空胴１の熱的変化に起因して電場分布が変化したか否かを調べるためには、まず、アンテナ出力を測定する（Ｓ２１）。そして、アンテナ出力の変動が設定値（例えば±５％）以上になっているか否かを判断する（Ｓ２２）。
【００８８】
このとき、アンテナ出力の変動が設定値（例えば±５％）以上であれば、熱的変化に起因して電場分布が変化したと判断できる。そのときには、各チューナ５の挿入量を変化させて前述の（６）式で示される差異分布が仕様値に収まるように調整する（Ｓ２３）。その際、各チューナ５の挿入量の調整は、予めデータベースに登録されているチューナ効果の情報を参照して行う。したがって、線形加速器の実運転中は、加速器空胴１内の真空を破らずに電場分布が正常であるか否かを判断できるとともに、チューナ効果を登録したデータベースを利用すれば、電場分布の調整を自動的にフィードバック制御することが可能となる。
【００８９】
実施の形態２．
図１３は、この実施の形態２における線形加速器の荷電粒子軸方向（Ｚ軸方向）に沿う断面図であり、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
【００９０】
この実施の形態２の線形加速器において、各チューナ５は、実施の形態１の場合と同様、各ドリフトチューブ電極２を支持するステム３の取り付け方向に対して９０度回転した方向から、Ｚ軸方向に沿う２番目〜５番目の各ギャップ４（Ｇ２〜Ｇ５）の略中央をＺ軸方向に対して直交して横切るように、上下交互に取り付けられている。しかし、各アンテナ６については、実施の形態１の場合と異なり、各チューナ５の設置位置に個別に対応して同数のアンテナ６（Ａ１〜Ａ４）が設置されている。
【００９１】
すなわち、この実施の形態２では、アンテナ６の数は、チューナ５の数と同数であって、各アンテナ６は、Ｚ軸方向に沿う２番目〜５番目の各ギャップ４（Ｇ２〜Ｇ５）の略中央をＺ軸方向に対して直交して横切って、各チューナ５と個別に対向するように、Ｚ軸に沿って上下交互に取り付けられている。しかも、その場合、各アンテナ６は、共通のアンテナ出力（例えば３０Ｖ）となるように減衰率を調整する調整機構６２を介して取り付けられている。
【００９２】
なお、アンテナ６の取り付け形態は、必ずしもこのようにチューナ５とギャップ４を挟んで対向した位置に配置した構成に限られるものではなく、Ｚ軸方向に沿う２番目〜５番目の各ギャップ４（Ｇ２〜Ｇ５）の略中央をＺ軸方向に対して直交して横切る面内であれば、いずれの角度に配置してもよい。また、チューナ５とアンテナ６の個数も必ずしもこの実施の形態２のように各４個に限定されるものではない。
その他の構成、およびアンテナ６の作用は実施の形態１と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
【００９３】
ここで、線形加速器の運転中に電場分布が変化する要因として、前述したように（１）加速器空胴１本体の熱的変化、（２）チューナ５の挿入量の変動、（３）ドリフトチューブ電極２の設置位置変動によるギャップ長の変化があるが、この実施の形態２の線形加速器は、上記（１）〜（３）の要因の内、特に（１）に加えて（２）の要因、すなわちチューナ５の挿入量の変化に起因した電場分布変化を早期に観測できるものである。
【００９４】
各チューナ５は、その挿入量を変えることで加速器空胴１の空胴断面積が減少してその領域の電場分布を低減することができる。そのため、チューナ５の加速器空胴１への挿入量は、随時変更できる構造であることが一般的である。そして、電場分布の調整後は、挿入量が変化しないようにロック機構によってロックされるが、加速器運転中には、何らかの影響でロック機構が緩んでチューナ５の挿入位置が変化して電場分布が変化することがある。
【００９５】
図１４は、あるギャップ位置に対応したチューナ５（ここではギャップＧ４の対応位置にあるチューナＴ３）のロックが緩んで、加速器空胴１内部にチューナＴ３が引き込まれ、挿入量が大きくなった場合の摂動法による電場強度分布の測定結果の一例を示したものである。
【００９６】
なお、図１４での電場分布がゼロの箇所はドリフトチューブ電極２部の位置に対応しており、電場が発生している箇所がギャップ４の位置であるが、ドリフトチューブ電極２内にも発生電場がしみこむため、微小に発生している箇所はドリフトチューブ電極２の端部となる。そして、図１４のように、チューナＴ３の挿入量が大きくなったギャップＧ４の箇所では電場強度が低下し、代わりに他の電場強度は増大する。
【００９７】
図１５はこのとき実際に観測されたアンテナ出力の値を示す。この場合、各アンテナ６は各チューナ５に個別に対応した位置に設置されているため、チューナ５の挿入量の変動に起因した電場分布変化の特徴を観測することができる。そのため、いずれのチューナ５の挿入量の変化に起因して電場分布が変化したかを早期に発見することができる。
【００９８】
さらに、例えば図１５に示すようなアンテナ出力が得られた場合、電場分布の変化に対応して各チューナ５の挿入量を調整して仕様値からのずれを補正するための自動フィードバック制御をかけるようにすれば、常に安定した運転を確保した線形加速器を得ることができる。そのためには、チューナ効果を計算もしくは測定することで得られるデータベースが必要となるが、その場合のデータベースの入手方法は、前述の実施の形態１と同様であるからここでは詳しい説明は省略する。
【００９９】
そして、図１５に示したように、アンテナ６による出力信号が設定値（±５％）以上の変動を示した場合、出力信号が設定値以下になるように先のチューナ効果のデータベースに基づいてチューナ５の挿入量を算出し、自動フィードバックを実施する。
【０１００】
図１５の場合、チューナ５（Ｔ３）を挿入したために、２８．５Ｖと当初から−５％変化したことが分かる。したがって、図１１より基準位置から２０ｍｍ挿入したときの位置Ｐ４における変化が約−５％であることから、このチューナＴ３を２０ｍｍだけ加速器空胴１から引き出せばよい。
【０１０１】
さらに、どのチューナが変化したかわからない場合であっても、実施の形態１の数６により、必ずしもチューナ挿入量を当初の調整位置に戻さなくても、データベースに基づき再調整した結果±５%の電場分布になればよい。
【０１０２】
なお、上記の各実施の形態１、２において、アンテナ６としてＬ型（インダクタンス型）ループアンテナを使用しているが、アンテナの形状は、このようなものに限定されるものではなく、例えば、図１６に示すようなＣ型（容量型）アンテナ７を適用することもできる。
【０１０３】
すなわち、Ｃ型アンテナ７のアンテナ部７１は、ループではなく単純な棒状のものであって、棒状のアンテナ部７１の先端と加速器空胴１の内蔵物との間に静電容量が発生し、この静電容量によって電荷が蓄積されて電圧が発生するので、この電圧が測定される。このようなＣ型アンテナ７を使用にしても、加速器空胴１内の真空を保持したままで電場分布の変化の有無を測定できるとともに、アンテナ自身を単純化することができる。
【０１０４】
さらに、本発明は、このようなＬ型ループアンテナやＣ型アンテナ７に限らず、加速器空胴１内に発生する電磁場強度を抽出できるアンテナであれば、その構造は特に限定されるものではない。
【符号の説明】
【０１０５】
１ 加速器空胴、２（ＤＴ１〜ＤＴ６） ドリフトチューブ電極、
４（Ｇ１〜Ｇ５） ギャップ、５（Ｔ１〜Ｔ４） チューナ、
６（Ａ１〜Ａ４） Ｌ型ループアンテナ、７ Ｃ型アンテナ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速器空胴内で荷電粒子進行方向に磁場を励起させるＴＥモード（Ｈモード）により、荷電粒子進行方向に複数配列したドリフトチューブ電極間に間接的に加速電場を発生させて荷電粒子を加速するＨモード型ドリフトチューブ線形加速器、およびその電場分布調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｈモード型ドリフトチューブ線形加速器においては、共振器としてＨモードを励起させる加速器空胴内に、荷電粒子進行方向（Ｚ軸方向）に沿って１対以上のドリフトチューブ電極間にギャッブを存して配列し、間接的にドリフトチューブ電極間のギャップに加速電場を発生させて荷電粒子を加速する。
【０００３】
各ドリフトチューブ電極は、内部が空胴の円筒形状であり、一対のドリフトチューブ電極（セルと称する）の円筒肉厚部で発生する電場により荷電粒子に加速エネルギを付与し、加速後の荷電粒子はドリフトチューブ電極内部を通過する。この場合、加速器空胴内には磁界が空胴中心を中心として同心状に発生していることから、この磁界に起因して加速器空胴内に発生する電場分布は、Ｈモードにより、加速器空胴の荷電粒子進行方向（Ｚ軸方向）に対して、両端部で最小、中央部で最大となる正弦波状の分布となる。
【０００４】
上記の加速器空胴内の電場分布は、当該空胴内にドリフトチューブが配置されていない状態であり、加速器空胴内にドリフトチューブ電極が配置される場合には、同空胴内の入射端側は出射端側に比べて荷電粒子は未加速でその速度が遅いため、ドリフトチューブ電極の長さは短くなるように設計されるので、加速器空胴内の入射端側にドリフトチューブ電極の数が相対的に多くなることから、入射端側の静電容量が増大し、上記の電場分布は入射端側で最大となる。
【０００５】
このような加速器空胴の入射端側での電場分布の集中は、例えばドリフトチューブ電極の相互間の放電や、加速器空胴の発熱をもたらし、安定して線形加速器を利用するのに支障をきたす原因となる。そのため、加速器空胴の内径やチューナ等を最適に設計するなどにより、各ギャップの電場強度の最大値が加速器空胴の両端部を除き一定（フラット）になるように電場分布を調整することが必要となる。
【０００６】
ところで、荷電粒子が各ギャップの中央に来たときの高周波位相を同期位相と呼ぶが、同期位相の選び方により荷電粒子は収束および発散の作用を受ける。ここで、高周波位相は−９０度から＋９０度の１８０度を１周期とし、電場強度はコサイン波形で発生するものとする。
【０００７】
荷電粒子進行方向（Ｚ軸方向）には位相安定性の原理から負の位相（−９０度から０度）を選択することで収束することが知られている。これは、負の同期位相とは電場強度が時間と共に増大する領域であるため、先にギャップを通過した粒子を後からギャップに到着した粒子がより強い電場強度を受けて追いつくことで収束するためである。これとは逆に、正の位相（０度から９０度）では荷電粒子進行方向に発散する。
【０００８】
一方、Ｚ軸方向と直交する径方向にはドリフトチューブ電極間に発生する電気力線形状から正の位相（０度から＋９０度）を選択することで収束することが知られている。これは、電気力線の形状がギャップ前半部は径方向中心向き、ギャップ後半部は径方向外側向きの湾曲形状であり、正の同期位相によりギャップ後半部よりも前半部に強い電場強度を受け粒子は径方向に収束するためである。これとは逆に、負の位相（−９０度から０度）では発散する。
【０００９】
このように、正の同期位相の場合は、荷電粒子進行方向に発散し、径方向には逆に収束する。負の同期位相の場合は、荷電粒子進行方向に収束し、径方向には発散する。したがって、同期位相の符号を数セル周期で変化させることにより、荷電粒子進行方向および径方向の両方に収束することができる。
【００１０】
このような自己収束法の一つにＡＰＦ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｐｈａｓｅ Ｆｏｃｕｓｅｄ）法がある。このＡＰＦ法を適用するＨモード型ドリフトチューブ線形加速器は、本来、加速のみに使用していた加速電場を、収束・発散にも使用するため、電場分布の設計値に対する製作許容値（すなわち、加速器空胴の製作精度）はより厳しいものとなる。
【００１１】
そのため、従来技術では、チューナを用いた電場分布調整方法（例えば、下記の特許文献１参照）や、ドリフトチューブ電極の形状による電場分布調整方法（例えば、下記の特許文献２参照）、あるいは、一度確定した電場分布を変化させないように共振周波数のみを調整する方法（例えば、下記の特許文献３参照）などがそれぞれ提案されている。
【００１２】
このように、各ギャップでの電場強度の最大値が加速器空胴の両端部を除き一定（フラット）になるように電場分布の調整を行うためには、その前提として、予め加速器空胴内のドリフトチューブ電極間に発生する電場分布を測定する必要がある。そのための電場分布測定法として、周知の摂動法がある。この摂動法は、加速器空胴内の荷電粒子加速軸上に沿って微小の測定球を挿入し、このときに生じる電場の乱れにより加速器空胴内に蓄積されたエネルギを微小変動させ、これに伴って共振周波数が変化することを利用して、共振周波数の変化量から測定球を配置した場所の電場強度を求める方法である。
【００１３】
この摂動法を適用する際には、加速器空胴内に測定球を挿入するために、摂動球を糸の一端に接着固定し、その糸の他端を加速器空胴の外部に配置されたモータに連結し、モータを回転させることで糸に固定された摂動球が加速器空胴内に挿入されるようになっている（例えば、下記の非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−１５７４００号公報
【特許文献２】特開２００６−３５１２３３号公報
【特許文献３】特開２００７−８７８５５号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｙ．Ｉｗａｔａ，ｅｔ．ａｌ．， ＮＩＭ Ａ ５６９（２００６）６８５−６９６（４． Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記のような摂動法を採用して加速器空胴内の電場分布を測定する場合には、加速器空胴の外部から摂動球を挿入する必要があるため、加速器空胴の内部は大気圧中に保持される。したがって、加速器空胴内が真空引きされた状態で高周波電力を投入して線形加速器を実際に運転する際には、そのときの電場分布を全く測定することができない。
【００１７】
このため、例えば、加速器空胴の構造の経時変化や熱的変化等に起因して、運転中に電場分布が変化して仕様を満たす荷電粒子が出射されない等の問題が発生した場合、従来は、加速器空胴の前後に接続されている機器を全て取り外し、真空を解除してから、例えば摂動法により加速器空胴内の電場分布を再度測定して加速器空胴内のドリフトチューブ電極間に発生する電場分布が設計通りになっているかを確認する必要が生じ、測定、確認のために余分な手間がかかるなどの不具合を生じていた。
【００１８】
本発明は、上記の課題を解決し、Ｈモード型ドリフトチューブ線形加速器の運転中でも、加速器空胴内に発生する電場分布の変化の有無をリアルタイムで観測することができて故障の早期発見等に役立てることができ、また、電場分布の調整を容易に行えるようにして調整の手間を軽減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係るＨモード型ドリフトチューブ線形加速器は、真空容器と共振器とを兼ねた加速器空胴と、この加速器空胴内で荷電粒子軸方向に加速電圧を生成する複数のドリフトチューブ電極と、上記ドリフトチューブ電極間のギャップに生じる電場の分布を調整する複数のチューナとを備えるとともに、上記加速器空胴の荷電粒子軸方向に沿う中央部、および両端部の少なくとも３箇所に、それぞれ上記電場分布の変化を測定するためのアンテナが設置されていることを特徴としている。
【００２０】
また、本発明に係るＨモード型ドリフトチューブ線形加速器は、真空容器と共振器とを兼ねた加速器空胴と、この加速器空胴内で荷電粒子軸方向に加速電圧を生成するドリフトチューブ電極と、上記ドリフトチューブ電極間のギャップに生じる電場の分布を調整する複数のチューナとを備えるとともに、上記加速器空胴の荷電粒子軸方向に沿って、各チューナの設置位置に個別に対応してチューナ数と同数分だけ上記電場分布の変化を測定するためのアンテナが設置されていることを特徴としている。
【００２１】
また、本発明に係るＨモード型ドリフトチューブ線形加速器における空胴内電場分布調整方法は、上記加速器空胴内の電場分布を調整するための方法であって、当該線形加速器の製作時に摂動法に基づいて電場分布を測定し、その測定結果に基づいて上記チューナで電場分布の調整を行い、電場分布調整後のアンテナ出力が全て所定値内に収まるように予め調整する第１のステップと、この第１のステップの後に上記加速器空胴内を真空引きして上記ドリフトチューブ電極間に加速電界を発生させた運転中にアンテナ出力を測定する第２のステップと、そのアンテナ出力の測定値の変動量が設定値以上になっている場合には、各チューナの挿入量を変化させて変動量が設定値に収まるように調整する第３のステップと、を含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、アンテナ出力による測定値に基づく電磁場強度から電場分布変化を換算することで、線形加速器の運転中であっても電場分布の変化をリアルタイムで確認することができる。これにより、故障の発生を早期に検出することができ、迅速な対処が可能になる。また、電場分布の調整を容易に行えるため、従来に比べて調整の手間を軽減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の荷電粒子進行方向（Ｚ軸方向）に沿う断面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図３】摂動法による電場分布の測定結果の一例を示す図である。
【図４】図３の電場分布から算出される電圧分布の一例を示す図である。
【図５】図４の電圧分布から算出される電圧の差異分布の一例を示す図である。
【図６】チューナで電場分布を調整した後の状態で、アンテナ出力を調整した際に得られたアンテナ出力分布の一例を示す図である。
【図７】熱的影響で加速器空胴の出射端部側の内周壁が拡径した場合の電場分布の計算値の一例を示す図である。
【図８】熱的影響で加速器空胴の入射端部側と出射端部側の両内周壁が共に拡径した場合の電場分布の計算値の一例を示す図である。
【図９】図７に対応して加速器空胴の出射端部側の内周壁が拡径した場合のアンテナ出力分布を示す図である。
【図１０】図８に対応して加速器空胴の入射端部側と出射端部側の両内周壁が共に拡径した場合のアンテナ出力分布を示す図である。
【図１１】各チューナを加速器空洞内の基準位置から所定量だけ挿入したことに伴うドリフトチューブ電極間の電圧の差異分布の計算値を示す図である。
【図１２】加速器空洞内の各ドリフトチューブ電極間の電場分布を調整するための手順を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態２におけるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の荷電粒子進行方向（Ｚ軸方向）に沿う断面図である。
【図１４】チューナの挿入量が変動した場合の摂動法による電場強度分布の測定結果の一例を示す図である。
【図１５】図１４に対応してチューナ挿入量の変動に伴うアンテナ出力分布を示す図である。
【図１６】電場分布変化測定用としてＣ型アンテナを使用した場合のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
実施の形態１．
図１は、この実施の形態１におけるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器の荷電粒子進行方向（Ｚ軸方向）に沿う断面図、図２はＺ軸方向と直交するＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【００２５】
この実施の形態１のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器（以下、単に線形加速器という）は、真空容器と共振器とを兼ねた中空の加速器空胴１を備え、この加速器空胴１は、荷電粒子進行方向（Ｚ軸方向）の前後に荷電粒子の通過孔を有する入射端部１１と出射端部１２とが設けられ、また、入射端部１１側から出射端部１２側に向けて延びる胴部１３の内周面は、出射端部１２に向けて次第に拡径されるように傾斜面として形成されている。
【００２６】
そして、この加速器空胴１の内部の空間には、Ｚ軸方向に沿って複数（本例では６個）のドリフトチューブ電極２が所定のギャップ４を存して順次配置されている。なお、本発明内容の理解を促す上で、各々のドリフトチューブ電極２を区別する必要があるときには符号ＤＴ１〜ＤＴ６を、また、各ギャップ４を区別する必要があるときには符号Ｇ１〜Ｇ５をそれぞれ使用する。
【００２７】
ここに、荷電粒子は出射端部１２側に近づくにつれて速度を増すため、各ドリフトチューブ電極２の長さは、入射端部１１側から出射端部１２側に向けて次第に長くなるように設定されている。また、各ギャップ４も同様に、入射端部１１側から出射端部１２側に向けて次第に長くなるように設定されている。
【００２８】
そして、各ドリフトチューブ電極２は、加速器空胴１の胴部１３から径方向内方に突出したステム３により片持ちで支持されている。この場合、各ドリフトチューブ電極２を支持するステム３は、Ｚ軸方向に沿って左右交互となるように配置されている。
【００２９】
互いに隣り合うドリフトチューブ電極２間の各ギャップ４にはＺ軸方向に加速電場が形成されており、荷電粒子はこの加速電場によって加速器空胴１の入射端部１１側から出射端部１２側に向けて加速される。
【００３０】
また、加速器空胴１の胴部１３には、電場分布調整用の複数個（ここで４個）のチューナ５と、電場分布変化測定用の複数個（ここでは３個）のＬ型（インダクタンス型）ループアンテナ（以下、単にアンテナという）６とが設けられて胴部１３の空間内方に突出している。なお、本発明内容の理解を促す上で、各チューナ５を区別する必要があるときには符号Ｔ１〜Ｔ４を、また、各アンテナ６を区別する必要があるときには符号Ａ１〜Ａ３をそれぞれ使用する。
【００３１】
各チューナ５は、各ドリフトチューブ電極２を支持するステム３の取り付け方向に対して９０度回転した方向から、Ｚ軸方向に沿う２番目〜５番目の各ギャップ４（Ｇ２〜Ｇ５）の略中央をＺ軸方向に対して直交して横切るように、上下交互に取り付けられている。なお、各チューナ５の取り付け形態は、必ずしもこのようにＺ軸方向に沿って上下交互に配置した構成に限られるものではなく、全てのチューナ５を加速器空胴１のＺ軸方向に沿って全て同じ上方向あるいは下方向から設置してもよい。また、チューナ５の個数も、必ずしもこの実施の形態１のように４個に限定されるものではない。
【００３２】
加速器空胴１の共振周波数、および各ドリフトチューブ電極２間の電圧の設計値からのずれは、加速器空胴１の製作時の精度誤差により引き起こされるが、このずれは、各チューナ５をＺ軸方向と直交する方向に沿って胴部１３内方に向けて挿入する挿入量を変えることにより調整される。
【００３３】
また、各アンテナ６（Ａ１〜Ａ３）は、Ｚ軸方向に沿う１番目、３番目、および５番目の各ギャップ４（Ｇ１，Ｇ３，Ｇ５）の略中央をＺ軸方向に対して直交して横切るように、同一の方向（ここでは下方向）から取り付けられている。なお、各アンテナ６の取り付け形態は、必ずしもこれに限られるものではなく、Ｚ軸方向に沿って上下交互に配置した構成とすることも可能である。また、アンテナ６の個数も必ずしもこの実施の形態１のように３個に限定されるものではない。
【００３４】
各アンテナ６は、加速器空胴１の胴部１３の内周面から内方に突出して配置されたループ部６１と、各アンテナ６が共通のアンテナ出力（例えば３０Ｖ）となるようにその減衰率を調整する調整機構６２とを備え、調整機構６２が加速器空胴１の胴部１３に取り付けられている。この場合の調整機構６２としては、各アンテナ６のループ部６１で囲まれる内側の断面積を変更できる構造、もしくはループ部６１を回転してループ部６１の実質断面積（Ｚ軸方向に対して直交する面にループ部を投影したときのループ面積）を変更させる構造等が採用される。
【００３５】
そして、各アンテナ６は、そのループ部６１を通る磁場の時間変化からファラデーの法則よりループ内に誘起される電圧が測定される構造であって、加速器空胴１内の電場分布の変化は、これらの各アンテナ出力により測定される。
【００３６】
次に、ドリフトチューブ電極２間に発生する加速電場と、各アンテナ６で測定される電磁場強度との関係を説明する。
【００３７】
左右のドリフトチューブ電極２間のギャップ４の中央（すなわち、各セルの中央）をＺ軸方向に直交して横切る位置での加速器空胴１の内周の断面積をＳ、そのときのギャップ４（ギャップ長ｌ）に発生する電場強度をＥとすると、これら間には次の（１）式に示すような関係式が成り立つ。
【００３８】
【数１】
【００３９】
ここに、Ｂcavityは加速器空胴１内の磁束密度で、ドットは時間微分を表す。Ｓは加速度器空胴の内周の断面積である。そして、上記（１）式の左辺は、各セルのギャップ４に発生する電圧となり、右辺はそのセルでの加速器空胴１の断面積内の磁場の時間変化である。
【００４０】
一方、アンテナ６も同様、ループ部６１のループ面積をＡ、測定される電圧をＶ、ループ内の磁場をＢloopとすると、これらの間には、次の（２）式に示す関係式が成り立つ。
【００４１】
【数２】
【００４２】
加速器空胴１の断面積内の磁場（加速器空胴断面磁場強度）と、ループ内磁場（ループ断面磁場強度）との関係は、次の（３）式に示す減衰率の関係があるため、アンテナ６により測定される電圧Ｖの値は、ドリフトチューブ電極２間に発生する電圧によって決定される。
【００４３】
【数３】
【００４４】
この線形加速器の製作直後において、電場分布変化を測定するためにアンテナ６の先端部を加速器空胴１の内方に深く挿入すると、強い磁場により一般の測定器では観測することができないほどの電圧を出力する。その対策として、アンテナ６からの大出力をアッテネータ等により減衰して測定することも可能であるが、アンテナ６の先端部と加速器空胴１内に配置されたドリフトチューブ電極２などの内蔵物と間に不要の電気容量を発生させることは線形加速器の性能を落とすことにつながり適切でない。そのため、アンテナ６の先端部は、加速器空胴１の内周面近く、もしくはポート内に設置する。
【００４５】
そのように設置すると、ループ内磁場と加速器空胴１の断面積に発生する磁場は、必ずしも上記（３）式の減衰率で表される関係とならないため、その状態では、アンテナ６の測定値に基づいて各ドリフトチューブ電極２間に発生する電場を精度よく測定することが難しい。
【００４６】
したがって、製作直後に電場分布調整を行う際には、予めチューナ５で電場分布を調整しつつ、摂動法により電場分布を測定してその状態を確認する必要があるが、一旦、摂動法により電場分布を調整した後の電場分布の変化は、アンテナ６により十分観測可能である。以下、この点について説明する。
【００４７】
摂動法では、微小の摂動球をステッピングモータ等により摂動球位置を管理し、そのときの加速器空胴１内の共振周波数の変化から電場強度を算出するため、ドリフトチューブ電極２間での詳細な電場分布を測定することができる。
【００４８】
図３は、線形加速器の製作直後にチューナ５で電場分布を調整した後に、摂動法により電場分布を測定して得られた結果の一例である。なお、図３において、電場分布がゼロである箇所は各ドリフトチューブ電極２の設置箇所に対応しており、電場が発生している箇所は主にギャップ４である。しかし、ドリフトチューブ電極２内にも発生電場がしみこむため、微小に電場が発生している箇所はドリフトチューブ電極２の端部となっている。
【００４９】
図３中、破線Ａ−Ａ’は放電限界電場強度を示しており、この放電限界電場強度は、キルパトリック放電限界の何倍かで表現することが一般的であり、通常１．６〜１．８倍であるが、設計者により決定される値である。また、加速器空胴１の両端部１１，１２近傍のギャップ４（Ｇ１，Ｇ５）での最大電場強度は、その他のギャップ４（Ｇ２〜Ｇ４）での半分程度になることが知られている。これは、加速器空胴１の両端は、端部１１，１２が存在することにより磁場の流れが他の箇所とは異なることに起因している。
【００５０】
ドリフトチューブ電極２間の放電に寄与するのは電場強度であり、放電限界電場強度を超えず、かつ加速器空胴１の両端部１１，１２近傍のギャップ４（Ｇ１，Ｇ５）を除き、各ギャップ４（Ｇ２〜Ｇ４）での最大電場強度が一定になるように加速器空胴１の内径が設計されるとともに、製作後はチューナ５により電場分布を調整する。
【００５１】
図４は、図３に示した電場分布から各ドリフトチューブ電極２間の電場強度をそのギャップ長で積分して得られる電圧分布（荷電粒子に対する加速エネルギに相当）を示したものである。
【００５２】
ドリフトチューブ電極２間の放電を防いで効率よく加速するために粒子速度に比例してドリフトチューブ電極２間のギャップ４の長さを広げることで、図３に示したように、両端部を除き各セルでの最大電場強度を一定にしてあるので、電圧分布は図４に示されるように、最初と最後のギャップ４（Ｇ１，Ｇ５）をのぞきＺ軸方向に対してリニアとなっている。なお、この実施の形態１では電場分布が一定に傾斜するようにしているが、電圧分布が一定となるよう設計されたＨモード型線形加速器でもかまわない。
【００５３】
電圧設計値は、実運転時の電力を投入した場合における発生電圧を計算により求めることができるのに対し、摂動法に基づく電圧測定値は、真空に引けないなどの装置の都合上、低い電力しか投入できず、しかも相対値しか得られないため、両者の単純比較はできない。
【００５４】
そこで、下記の（４）式に示すように、各セルの電圧の総和で規格化したものに置き換えて、両者を比較することとする。
【００５５】
【数４】
【００５６】
これを用いて、セル番号ｃにおける電圧の差異分布を下記の（５）式により定義する。
【００５７】
【数５】
【００５８】
これらの各差異分布が全て所定の範囲内に収まるように製作時にチューナ５により調整される。
【００５９】
図５は、チューナ５により差異分布が仕様値（±５％）以内になるように調整した結果である。なお、±５％以内という仕様値は、ＡＰＦ法を取り入れた線形加速器が仕様を満たす為の一般的な値である。
【００６０】
図６は、上記のようにして電場分布が略一定になるようにチューナ５により調整した後、各アンテナ６の出力が全て３０Ｖになるように各ループ部６１の面積を前述のアンテナ調整機構により調整した後の結果を示している。
【００６１】
以上は、線形加速器の製作直後の電場分布の調整、すなわち、予めチューナ５で電場分布を調整し、摂動法により電場分布を測定して分布状態の確認を行う際の手順の説明である。
【００６２】
次に、上述のようにして、線形加速器の電場分布を調整した後は、粒子加速運転のために加速器空胴１内を真空引きした後、高電力を投入することになるが、上記のように予め電場分布を調整しておけば、その後の運転中の電場分布の変化は、真空状態を破らずにアンテナ出力に基づいて十分観測可能である。次に、この点について説明する。
【００６３】
線形加速器の運転中に電場分布が変化する要因としては、（１）加速器空胴１の熱的変化、（２）チューナ５の挿入量の変動、（３）ドリフトチューブ電極２の設置位置の変動によるギャップ長の変化があるが、この実施の形態１の線形加速器は、（１）〜（３）の要因の内、特に上記（１）の加速器空胴１の熱的変化に起因した電場分布変化を早期に観測できるものである。
【００６４】
すなわち、Ｚ軸方向で胴部１３の肉厚が異なる加速器空胴１に大電力を投入すると、加速器空胴１の本体冷却配管の設置溶接の不備等のために、入射端部１１側、もしくは出射端部１２側、さらには両端部１１，１２側がタンク発熱により拡大する（反る）ことがある。
【００６５】
線形加速器が大電力を投入した状態にある運転中の電場分布は、加速器空胴１内が真空状態に保持されているため、摂動法では測定することができないので、ここでは、発熱量を計算して熱膨張率から電力を投入したときの加速器空胴１の空胴径の変化を推測し、３次元電磁場解析によりシミュレーションして加速器空胴１に発生する電場分布を算出した。その結果を図７および図８に示す。
【００６６】
図７は加速器空胴１の出射端部１２側の空胴径のみが膨張した場合、図８は入射端部１１側と出射端部１２側の両方の空胴径が共に膨張した場合の、それぞれの電場分布をシミュレーションして得られた計算結果を示している。
【００６７】
加速器空胴１の内径の一部が他よりも大きく拡大した場合、加速器空胴１内に発生する磁場分布が変化し、（１）式から分かるように、拡大した箇所の電場強度が増大する。すなわち、加速器空胴１の出射端部１２側が拡大した場合、出射側の電場分布も加速器空胴１の拡大に伴い増大する（図７）。同様に、加速器空胴１の入射端部１１側が拡大した場合には、入射側の電場分布も加速器空胴１の拡大に伴い増大する。また、加速器空胴１の両端部１１，１２側がともに拡大した場合には、加速器空胴１の両端部の電場が増大して中央部が相対的に低下する谷形状となる（図８）。
【００６８】
図９および図１０はこのとき実際に観測されたアンテナ出力を示す。なお、図９は図７の場合（加速器空胴１の出射端部１２側の空胴径のみが膨張した場合）に、図１０は図８の場合（加速器空胴１の両端部１１，１２が共に拡大した場合）にそれぞれ対応している。
【００６９】
図７および図８およびこれに対応する図９および図１０の関係から分かるように、線形加速器の運転中、高電力を投入したことに伴う加速器空胴１の熱的変化に起因して電場分布が変化した場合、加速器空胴１の中央部のギャップ４（Ｇ３）、および両端部１１，１２近傍のギャップ４（Ｇ１，Ｇ５）にそれぞれ対応した位置に配置した計３つのアンテナ６（Ａ１〜Ａ３）によってその出力を測定することにより、その電場分布の変化の特徴を真空を破らずに把握することができる。これにより、従来のように、加速器空胴１前後に接続されている機器を全て取り外して真空を解除する手間が不用となり、装置故障の早期発見を行うことができる。
【００７０】
さらに、例えば図９、図１０のようなアンテナ出力が得られた場合、電場分布の変化に対応して各チューナ５の挿入量を調整して仕様値からのずれを補正するための自動フィードバック制御をかけるようにすれば、常に安定した運転を確保した線形加速器を得ることができる。そのためには、各チューナ５の加速器空胴１の径方向への挿入量が各ドリフトチューブ電極２の電圧にどのように影響を与えるかを計算もしくは測定をして求め、チューナ挿入量と電圧変化との関係（以下、チューナ効果という）をデータベースして予め確保しておくことが必要となる。
【００７１】
そこで、次に上記のチューナ効果、すなわち各チューナ５について、チューナ５の加速器空胴１の径方向への挿入量が各ドリフトチューブ電極２の電圧にどのように影響を与えるかを、加速器空胴１１内の電磁界解析（計算）、もしくは製作した加速器空胴１を実際に用いた測定により求める方法について説明する。
【００７２】
チューナ５を加速器空胴１内に挿入すると、加速器空胴１１内の磁界分布が変化し、挿入したチューナ５の近くに配置されているドリフトチューブ電極２間の電場強度（積分した電圧）は（１）式から分かるように下がり、それ以外の部分のドリフトチューブ電極２間の電場強度（積分した電圧）は上がる方向に変化する。
【００７３】
ここで、チューナ５の挿入量が加速器空胴１１の内径と比較して十分小さい範囲内では、その電圧変動はチューナ５の挿入量にほぼ比例する。また、加速器空胴１内の磁界の変化は、各チューナ５の寄与による磁界変化をそれぞれ加算した総和であるため、ドリフトチューブ電極２間の電圧変化も、各チューナ５の寄与による電圧変化をそれぞれ加算した総和により求めることができる。なお、チューナ５を加速器空胴１から引き出す場合には、これとは逆の傾向となる。
【００７４】
以上の関係を用いて、各チューナ５（Ｔ１〜Ｔ４）の加速器空胴１の径方向への挿入量が各ドリフトチューブ電極２間の電圧にどのような影響を与えるかを、各々のチューナ５について代表的な１つのケースについて計算により、あるいは測定により求めてデータベース化しておけば、各チューナ５について個々に挿入量を設定した時の、各々のドリフトチューブ間の電圧を算出することが可能となる。
【００７５】
図１１は、上記に述べた考えに従って、代表的な１つのケースとして、個々のチューナ５（Ｔ１〜Ｔ４）について、加速器空胴１の内周面からｄ＝３０ｍｍ挿入したときを基準位置として、この基準位置から更に２０ｍｍだけ挿入した場合に、各ドリフトチューブ電極２間の電圧の差異分布［ΔＶ／Ｖ］（（５）式参照）を計算により求めたものである。なお、図中の横軸のＰ１〜Ｐ４は、各チューナ５の設置位置に対応している。したがって、図１１において、例えば一つのチューナＴ１（位置Ｐ２）を基準位置から２０ｍｍだけ挿入した場合、Ｔ１のチューナに対応した差異分布は−２２％、Ｔ２のチューナに対応した差異分布は−１１％、Ｔ３のチューナに対応した差異分布は５％、Ｔ４のチューナに対応した差異分布は１２％となる。そして、この図１１の関係をチューナ効果としてデータベース化する。
【００７６】
次に、ドリフトチューブ電極２間の電圧変化を求めたのと同様にして、各チューナ５（Ｔ１〜Ｔ４）について、加速器空胴１の径方向への挿入量が共振周波数に与える影響を加速器空胴１内の電磁界解析（計算）、もしくは製作した加速器空胴１を実際に用いて測定により求める。
【００７７】
各チューナ５を１ｍｍ挿入した場合の共振周波数の変化量を表１に示す。ここでも、チューナ５の挿入量が小さいときには、共振周波数の変動はチューナ５挿入量にほぼ比例し、また、全チューナ挿入による共振周波数の変動は、各チューナ５の挿入による共振周波数変動分の総和にて表現できる。
【００７８】
【表１】
【００７９】
【数６】
【００８０】
上記（６）式において、右辺の第１項は各チューナ５の挿入量がドリフトチューブ間の電圧変化に与える影響を表現したものであり、また、右辺の第２項はチューナ５の挿入量を変化させずに加速器空胴１に熱的変化のみが生じた場合の影響を表現したものである。
【００８１】
そして、差異分布、および共振周波数が仕様値の範囲内となるように、全チューナ５の挿入量を設定する。すなわち、（６）式において、各アンテナ６の出力信号から得られる差異分布を（６）式の右辺第２項に置き換えることで、加速器空胴１本体の熱的変化の影響を反映させ、また、（６）式の右辺第１項については、各チューナ５の挿入量（Δｄ１，Δｄ２，・・・，Δｄｔ）を網羅的に組み合せたものを用いて計算を行うことで、左辺の差異分布が仕様値（±５％以下）内となるような各チューナ５の挿入量の組み合わせを見つけ出す。これによって各チューナ５の挿入量のフィードバック制御が可能となる。
【００８２】
例えば、上記より、図９の変化の場合には、各チューナ５（Ｔ１〜Ｔ４）の挿入量を（Δｄ１，Δｄ２，Δｄ３，Δｄ４）＝（−１．９ｍｍ，２１．４ｍｍ，６．４ｍｍ，２０．６ｍｍ）にすると、（６）式の左辺の差異分布が仕様値（±５％以下）内となる。また、図１０の変化の場合には、各チューナ５（Ｔ１〜Ｔ４）の挿入量を（Δｄ１，Δｄ２，Δｄ３，Δｄ４）＝（６．５ｍｍ，１８．１ｍｍ，７．９ｍｍ，１５．４ｍｍ）にすると、（６）式の左辺の差異分布が仕様値（±５％以下）内となる。
【００８３】
図１２は、上述した線形加速器の製作時における電場分布の調整、および線形加速器の実運転時に加速器空胴１の熱的変化に起因した電場分布の変化をアンテナ６で測定して自動調整する場合の手順を示すフローチャートである。なお、図中の符号Ｓは各処理ステップを意味する。
【００８４】
図１２のフローチャートに沿って、再度、その電場分布の調整手順の概略を説明すると、線形加速器の製作直後には、各ドリフトチューブ電極２に基づく電場分布が均一になるように調整する必要がある。そのため、まず、摂動法により電場分布を測定し（例えば図３）（Ｓ１１）、セルごとに積分して電圧分布を算出する（例えば図４）（Ｓ１２）。続いて、セルごとに設計値との差異分布を算出する（例えば図５）（Ｓ１３）。そして、差異分布が仕様値（例えば±５％）以内に収まっているか否かを判断する（Ｓ１４）。
【００８５】
このとき、各セルの差異分布が仕様値以内であれば、電場分布が均一になるように既にチューナ５で調整済みと考えられるため、各アンテナ６の出力が全て所定値（例えば３０Ｖ）となるように調整する（Ｓ１５）。
【００８６】
一方、Ｓ１４において、差異分布が仕様値（例えば±５％）以内に収まっていなければ、未だ電場分布が均一になるように調整されていないため、各チューナ５の挿入量を変化させて前述の（６）式で示される差異分布が仕様値に収まるように調整する（Ｓ１６）。その際、各チューナ５の挿入量の調整は、予めデータベースに登録されているチューナ効果の情報を参照して行うことも可能である。そして、再度Ｓ１１に戻りＳ１４までを繰り返す。
【００８７】
線形加速器の製作後の電場分布が調整された後は、線形加速器は実運転されることになるが、その場合、高電力を投入したことに伴う加速器空胴１の熱的変化に起因して電場分布が変化したか否かを調べるためには、まず、アンテナ出力を測定する（Ｓ２１）。そして、アンテナ出力の変動が設定値（例えば±５％）以上になっているか否かを判断する（Ｓ２２）。
【００８８】
このとき、アンテナ出力の変動が設定値（例えば±５％）以上であれば、熱的変化に起因して電場分布が変化したと判断できる。そのときには、各チューナ５の挿入量を変化させて前述の（６）式で示される差異分布が仕様値に収まるように調整する（Ｓ２３）。その際、各チューナ５の挿入量の調整は、予めデータベースに登録されているチューナ効果の情報を参照して行う。したがって、線形加速器の実運転中は、加速器空胴１内の真空を破らずに電場分布が正常であるか否かを判断できるとともに、チューナ効果を登録したデータベースを利用すれば、電場分布の調整を自動的にフィードバック制御することが可能となる。
【００８９】
実施の形態２．
図１３は、この実施の形態２における線形加速器の荷電粒子軸方向（Ｚ軸方向）に沿う断面図であり、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
【００９０】
この実施の形態２の線形加速器において、各チューナ５は、実施の形態１の場合と同様、各ドリフトチューブ電極２を支持するステム３の取り付け方向に対して９０度回転した方向から、Ｚ軸方向に沿う２番目〜５番目の各ギャップ４（Ｇ２〜Ｇ５）の略中央をＺ軸方向に対して直交して横切るように、上下交互に取り付けられている。しかし、各アンテナ６については、実施の形態１の場合と異なり、各チューナ５の設置位置に個別に対応して同数のアンテナ６（Ａ１〜Ａ４）が設置されている。
【００９１】
すなわち、この実施の形態２では、アンテナ６の数は、チューナ５の数と同数であって、各アンテナ６は、Ｚ軸方向に沿う２番目〜５番目の各ギャップ４（Ｇ２〜Ｇ５）の略中央をＺ軸方向に対して直交して横切って、各チューナ５と個別に対向するように、Ｚ軸に沿って上下交互に取り付けられている。しかも、その場合、各アンテナ６は、共通のアンテナ出力（例えば３０Ｖ）となるように減衰率を調整する調整機構６２を介して取り付けられている。
【００９２】
なお、アンテナ６の取り付け形態は、必ずしもこのようにチューナ５とギャップ４を挟んで対向した位置に配置した構成に限られるものではなく、Ｚ軸方向に沿う２番目〜５番目の各ギャップ４（Ｇ２〜Ｇ５）の略中央をＺ軸方向に対して直交して横切る面内であれば、いずれの角度に配置してもよい。また、チューナ５とアンテナ６の個数も必ずしもこの実施の形態２のように各４個に限定されるものではない。
その他の構成、およびアンテナ６の作用は実施の形態１と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
【００９３】
ここで、線形加速器の運転中に電場分布が変化する要因として、前述したように（１）加速器空胴１本体の熱的変化、（２）チューナ５の挿入量の変動、（３）ドリフトチューブ電極２の設置位置変動によるギャップ長の変化があるが、この実施の形態２の線形加速器は、上記（１）〜（３）の要因の内、特に（１）に加えて（２）の要因、すなわちチューナ５の挿入量の変化に起因した電場分布変化を早期に観測できるものである。
【００９４】
各チューナ５は、その挿入量を変えることで加速器空胴１の空胴断面積が減少してその領域の電場分布を低減することができる。そのため、チューナ５の加速器空胴１への挿入量は、随時変更できる構造であることが一般的である。そして、電場分布の調整後は、挿入量が変化しないようにロック機構によってロックされるが、加速器運転中には、何らかの影響でロック機構が緩んでチューナ５の挿入位置が変化して電場分布が変化することがある。
【００９５】
図１４は、あるギャップ位置に対応したチューナ５（ここではギャップＧ４の対応位置にあるチューナＴ３）のロックが緩んで、加速器空胴１内部にチューナＴ３が引き込まれ、挿入量が大きくなった場合の摂動法による電場強度分布の測定結果の一例を示したものである。
【００９６】
なお、図１４での電場分布がゼロの箇所はドリフトチューブ電極２部の位置に対応しており、電場が発生している箇所がギャップ４の位置であるが、ドリフトチューブ電極２内にも発生電場がしみこむため、微小に発生している箇所はドリフトチューブ電極２の端部となる。そして、図１４のように、チューナＴ３の挿入量が大きくなったギャップＧ４の箇所では電場強度が低下し、代わりに他の電場強度は増大する。
【００９７】
図１５はこのとき実際に観測されたアンテナ出力の値を示す。この場合、各アンテナ６は各チューナ５に個別に対応した位置に設置されているため、チューナ５の挿入量の変動に起因した電場分布変化の特徴を観測することができる。そのため、いずれのチューナ５の挿入量の変化に起因して電場分布が変化したかを早期に発見することができる。
【００９８】
さらに、例えば図１５に示すようなアンテナ出力が得られた場合、電場分布の変化に対応して各チューナ５の挿入量を調整して仕様値からのずれを補正するための自動フィードバック制御をかけるようにすれば、常に安定した運転を確保した線形加速器を得ることができる。そのためには、チューナ効果を計算もしくは測定することで得られるデータベースが必要となるが、その場合のデータベースの入手方法は、前述の実施の形態１と同様であるからここでは詳しい説明は省略する。
【００９９】
そして、図１５に示したように、アンテナ６による出力信号が設定値（±５％）以上の変動を示した場合、出力信号が設定値以下になるように先のチューナ効果のデータベースに基づいてチューナ５の挿入量を算出し、自動フィードバックを実施する。
【０１００】
図１５の場合、チューナ５（Ｔ３）を挿入したために、２８．５Ｖと当初から−５％変化したことが分かる。したがって、図１１より基準位置から２０ｍｍ挿入したときの位置Ｐ４における変化が約−５％であることから、このチューナＴ３を２０ｍｍだけ加速器空胴１から引き出せばよい。
【０１０１】
さらに、どのチューナが変化したかわからない場合であっても、実施の形態１の数６により、必ずしもチューナ挿入量を当初の調整位置に戻さなくても、データベースに基づき再調整した結果±５%の電場分布になればよい。
【０１０２】
なお、上記の各実施の形態１、２において、アンテナ６としてＬ型（インダクタンス型）ループアンテナを使用しているが、アンテナの形状は、このようなものに限定されるものではなく、例えば、図１６に示すようなＣ型（容量型）アンテナ７を適用することもできる。
【０１０３】
すなわち、Ｃ型アンテナ７のアンテナ部７１は、ループではなく単純な棒状のものであって、棒状のアンテナ部７１の先端と加速器空胴１の内蔵物との間に静電容量が発生し、この静電容量によって電荷が蓄積されて電圧が発生するので、この電圧が測定される。このようなＣ型アンテナ７を使用にしても、加速器空胴１内の真空を保持したままで電場分布の変化の有無を測定できるとともに、アンテナ自身を単純化することができる。
【０１０４】
さらに、本発明は、このようなＬ型ループアンテナやＣ型アンテナ７に限らず、加速器空胴１内に発生する電磁場強度を抽出できるアンテナであれば、その構造は特に限定されるものではない。
【符号の説明】
【０１０５】
１ 加速器空胴、２（ＤＴ１〜ＤＴ６） ドリフトチューブ電極、
４（Ｇ１〜Ｇ５） ギャップ、５（Ｔ１〜Ｔ４） チューナ、
６（Ａ１〜Ａ４） Ｌ型ループアンテナ、７ Ｃ型アンテナ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と共振器とを兼ねた加速器空胴と、この加速器空胴内で荷電粒子軸方向に加速電圧を生成する複数のドリフトチューブ電極と、上記ドリフトチューブ電極間のギャップに生じる電場の分布を調整する複数のチューナとを備えるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器において、
上記加速器空胴の荷電粒子軸方向に沿う中央部、および両端部の少なくとも３箇所に、それぞれ上記電場分布の変化を測定するためのアンテナが設置されてい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。
【請求項２】
真空容器と共振器とを兼ねた加速器空胴と、この加速器空胴内で荷電粒子軸方向に加速電圧を生成する複数のドリフトチューブ電極と、上記ドリフトチューブ電極間のギャップに生じる電場の分布を調整する複数のチューナとを備えるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器において、
上記加速器空胴の荷電粒子軸方向に沿って、各チューナの設置位置に個別に対応してチューナ数と同数分だけ上記電場分布の変化を測定するためのアンテナが設置されてい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。
【請求項３】
上記アンテナは、Ｌ型ループアンテナであることを特徴とする請求項１または請求項２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】
上記アンテナは、Ｃ型アンテナであることを特徴とする請求項１または請求項２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】
請求項１ないし請求項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における上記加速器空胴内の電場分布を調整するための方法であって、
当該線形加速器の製作時に摂動法に基づいて電場分布を測定し、その測定結果に基づいて上記チューナで電場分布の調整を行い、電場分布調整後のアンテナ出力が全て所定値内に収まるように予め調整する第１のステップと、
上記第１のステップの後に、上記加速器空胴内を真空引きして上記ドリフトチューブ電極間に加速電界を発生させた運転中にアンテナ出力を測定する第２のステップと、
そのアンテナ出力の測定値の変動量が設定値以上になっている場合には、各チューナの挿入量を変化させて変動量が設定値に収まるように調整する第３のステップと、
を含むことを特徴とするＨモード型ドリフトチューブ線形加速器における空胴内電場分布調整方法。
【請求項６】
上記アンテナの加速器空胴内への挿入量と上記ドリフトチューブ電極間の電圧変化の関係を予めチューナ効果としてデータベース化して記憶しておき、上記第１のステップと第３のステップの少なくとも一方のステップにおいて、上記チューナで電場分布の調整を行う際には、上記データベースの情報に基づいて、チューナ挿入量を変化させて上記加速器空胴内の電場分布が均一化されるように自動的にフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項５記載のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器における電場分布調整方法。
【請求項１】
真空容器と共振器とを兼ねた加速器空胴と、この加速器空胴内で荷電粒子軸方向に加速電圧を生成する複数のドリフトチューブ電極と、上記ドリフトチューブ電極間のギャップに生じる電場の分布を調整する複数のチューナとを備えるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器において、
上記加速器空胴の荷電粒子軸方向に沿う中央部、および両端部の少なくとも３箇所に、それぞれ上記電場分布の変化を測定するためのアンテナが設置されてい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。
【請求項２】
真空容器と共振器とを兼ねた加速器空胴と、この加速器空胴内で荷電粒子軸方向に加速電圧を生成する複数のドリフトチューブ電極と、上記ドリフトチューブ電極間のギャップに生じる電場の分布を調整する複数のチューナとを備えるＨモード型ドリフトチューブ線形加速器において、
上記加速器空胴の荷電粒子軸方向に沿って、各チューナの設置位置に個別に対応してチューナ数と同数分だけ上記電場分布の変化を測定するためのアンテナが設置されてい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。
【請求項３】
上記アンテナは、Ｌ型ループアンテナであることを特徴とする請求項１または請求項２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】
上記アンテナは、Ｃ型アンテナであることを特徴とする請求項１または請求項２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】
請求項１ないし請求項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における上記加速器空胴内の電場分布を調整するための方法であって、
当該線形加速器の製作時に摂動法に基づいて電場分布を測定し、その測定結果に基づいて上記チューナで電場分布の調整を行い、電場分布調整後のアンテナ出力が全て所定値内に収まるように予め調整する第１のステップと、
上記第１のステップの後に、上記加速器空胴内を真空引きして上記ドリフトチューブ電極間に加速電界を発生させた運転中にアンテナ出力を測定する第２のステップと、
そのアンテナ出力の測定値の変動量が設定値以上になっている場合には、各チューナの挿入量を変化させて変動量が設定値に収まるように調整する第３のステップと、
を含むことを特徴とするＨモード型ドリフトチューブ線形加速器における空胴内電場分布調整方法。
【請求項６】
上記アンテナの加速器空胴内への挿入量と上記ドリフトチューブ電極間の電圧変化の関係を予めチューナ効果としてデータベース化して記憶しておき、上記第１のステップと第３のステップの少なくとも一方のステップにおいて、上記チューナで電場分布の調整を行う際には、上記データベースの情報に基づいて、チューナ挿入量を変化させて上記加速器空胴内の電場分布が均一化されるように自動的にフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項５記載のＨモード型ドリフトチューブ線形加速器における電場分布調整方法。
【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１５】
【図１６】
【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１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−２７７９４２（Ｐ２０１０−２７７９４２Ａ）
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３１７１１（Ｐ２００９−１３１７１１）
【出願日】平成２１年６月１日（２００９．６．１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１日（２００９．６．１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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