JP5844169B2

JP5844169B2 - シンクロサイクロトロン

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Publication number: JP5844169B2
Application number: JP2012018828A
Authority: JP
Inventors: 豊戸内
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: EP2654052A2; CN103227050A; US9007740B2; CN103227050B; US20130194713A1; EP2654052A3; JP2013157556A

Description

本発明は、一対の電極の向かい合う面積を変えることで静電容量を可変させる回転コンデンサーを備えたシンクロサイクロトロンに関する。

回転コンデンサーは、一対の電極として、所定の軸周りに回転する羽根板（第１の電極）と、この羽根板に対向して配置された対向電極（第２の電極）とを備えている。回転コンデンサーでは、羽根板を所定の軸周りに回転させて一対の電極の向かい合う面積を変化させることで、静電容量を変化させる（例えば特許文献１参照）。

特表２００８−５０７８２６号公報

例えばシンクロサイクロトロンを陽子線（荷電粒子線）治療に適用することが検討されている。陽子線治療に適用可能なシンクロサイクロトロンとしては、出射される陽子ビームの高出力化が求められており、荷電粒子を加速するための磁場を強くする必要がある。シンクロサイクロトロンは、加速電極に供給される高周波電力の共振周波数を変調するための可変コンデンサー（回転コンデンサー）を備えている。ビームの高出力化を図るためには、回転コンデンサーの羽根板の高速化が必要であり、そのために解決すべき新たな課題が生じることが考えられる。

例えば、強い磁場が生じている環境で高速で回転コンデンサーを使用した場合には、導体である羽根板が磁場中を移動することで羽根板に渦電流が流れ、羽根板が発熱することになる。特に、羽根板が高速で回転する場合には発熱量が増加するため、発熱を抑制することが求められている。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、羽根板中を流れる渦電流を低減して、発熱を抑制することが可能な回転コンデンサーを備えたシンクロサイクロトロンを提供することを目的とする。

本発明は、真空容器の内部で荷電粒子を加速するシンクロサイクロトロンであって、真空容器を通過する磁場を形成するコイルと、真空容器の内部の荷電粒子を加速させる加速電極と、加速電極に供給される高周波電力の共振周波数を変調する共振回路と、当該共振回路に電気的に接続され、互いに対向する一対の電極の向かい合う面積を変えることで静電容量を可変させる回転コンデンサーと、を備え、当該回転コンデンサーは、軸線周りに回転する回転軸を備え、一対の電極は、回転軸から径方向の外側へ張り出す第１の電極板と、回転軸の軸線方向に離間し第１の電極板と対向して配置された第２の電極板とを有し、第１の電極板の縁部には、板厚方向に切欠きが形成されている。

このようなシンクロサイクロトロンの回転コンデンサーによれば、第１の電極板に板厚方向に切欠きが形成されているため、第１の電極板中を流れる渦電流の経路が切欠きによって妨げられる。これにより、第１の電極板中を流れる渦電流を低減して、発熱を抑制することができる。

ここで、上記作用を奏する具体的な構成として、切欠きが、第１の電極板の縁部である側辺の延在方向に複数形成されている構成が挙げられる。渦電流は、中央部よりも側辺近傍を流れる傾向にあるため、第１の電極板の側辺に切欠きを設けることで、渦電流の流れを効果的に低減させることができる。また、側辺の延在方向に複数の切欠きを設けることで、渦電流の経路を延長させて渦電流が流れにくい構造とすることができる。

また、本発明は、真空容器の内部で荷電粒子を加速するシンクロサイクロトロンであって、真空容器を通過する磁場を形成するコイルと、真空容器の内部の荷電粒子を加速させる加速電極と、当該加速電極に供給される高周波電力の共振周波数を変調する共振回路と、当該共振回路に電気的に接続され、互いに対向する一対の電極の向かい合う面積を変えることで静電容量を可変させる回転コンデンサーと、を備え、当該回転コンデンサーは、軸線周りに回転する回転軸を備え、一対の電極は、回転軸から径方向の外側へ張り出す第１の電極板と、回転軸の軸線方向に離間し第１の電極板と対向して配置された第２の電極板とを有し、第１の電極板は、絶縁体からなる電極板本体と、電極板本体の第２の電極板側の表面を被覆する導電体からなる表面層と、を有する。

このようなシンクロサイクロトロンの回転コンデンサーによれば、絶縁体からなる電極板本体の表面に、導電体からなる表面層が形成されているので、渦電流が表面層を流れることになり、電極板本体を流れる渦電流を低減することができる。これにより、第１の電極板中を流れる渦電流を低減して、発熱を抑制することができる。

また、本発明は、真空容器の内部で荷電粒子を加速するシンクロサイクロトロンであって、真空容器を通過する磁場を形成するコイルと、真空容器の内部の荷電粒子を加速させる加速電極と、当該加速電極に供給される高周波電力の共振周波数を変調する共振回路と、当該共振回路に電気的に接続され、互いに対向する一対の電極の向かい合う面積を変えることで静電容量を可変させる回転コンデンサーと、を備え、当該回転コンデンサーは、軸線周りに回転する回転軸を備え、一対の電極は、回転軸から径方向の外側へ張り出す第１の電極板と、回転軸の軸線方向に離間し第１の電極板と対向して配置された第２の電極板とを有し、第１の電極板の縁部には、中央部よりも厚さが薄い薄肉部が形成されている。

このようなシンクロサイクロトロンの回転コンデンサーによれば、第１の電極板の縁部に、中央部よりも厚さが薄い薄肉部が形成されているので、渦電流を流れ難くすることができる。これにより、第１の電極板中を流れる渦電流を低減して、発熱を抑制することができる。

このように本発明によれば、磁場中を移動する第１の電極板に流れる渦電流を低減することが可能であるため、発熱を抑制することが可能な回転コンデンサーを備えたシンクロサイクロトロンを提供することができる。発熱を抑制することができるので、回転コンデンサーの回転数を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る回転コンデンサーを備えたシンクロサイクロトロンを示す斜視図である。図１に示すシンクロサイクロトロン内に配置されたヨーク、及びヨークの外面側に配置された回転コンデンサーを示す図である。図１に示すシンクロサイクロトロン内の加速電極、及び加速電極に接続された回転コンデンサーを示す断面図である。図１に示すシンクロサイクロトロン内の加速電極、及び加速電極に接続された回転コンデンサーを示す断面図である。回転コンデンサーの回転軸線方向に沿う断面図である。本発明の第１実施形態に係る回転コンデンサーを示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係る回転コンデンサーを軸線方向から示す正面図である。回転コンデンサーの回転羽根を示す正面図である。本発明の第２実施形態に係る回転コンデンサーの回転羽根を示す断面図である。本発明の第３実施形態に係る回転コンデンサーの回転羽根を示す断面図である。

以下、本発明に係る粒子加速器の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において、同一又は相当要素には同一の符号を付し重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、図面の位置関係に基づくものとする。本実施形態では、回転コンデンサーをシンクロサイクロトロンに適用した場合について説明する。

（シンクロサイクロトロン）
図１〜図４に示すシンクロサイクロトロン１は、陽子ビーム（荷電粒子ビーム）を生成するものであり、図示しないイオン源から供給されるイオン（水素の陽イオン）を真空容器２（図３、図４参照）の内部で加速させて、陽子ビームを生成する。

シンクロサイクロトロン１は、上下に対向して配置された一対の鉄心３（ヨーク）と、鉄心３に磁場生じさせるためのコイル４（電磁石）と、真空容器２内のイオンを加速させるための加速電極５（ディー電極）とを備えている。なお、図２では、上下一対の鉄心３のうち上部側の鉄心３のみを図示している。

鉄心３には、リング状の空間３ａが形成され、この空間３ａ内にコイル４が収容されている。コイル４の内側には、真空容器２（真空箱）が配置されている。コイル４に電流を流すことで、真空容器２内を上下方向Ｚに通過する磁場が形成され、真空容器２内を通過した磁場は、コイル４の外側の鉄心３を通って元に戻る。

加速電極５には、高周波電源（不図示）からの高周波電力の共振周波数を変調するための共振回路１０が接続されている。図５は、共振回路１０及び回転コンデンサー１１を示す断面図である。共振回路１０は、加速電極５と電気的に接続された内導体１０Ａと、内導体１０Ａの外側に配置された外導体１０Ｂとを備えている。外導体１０Ｂは筒状を成し、その内部に内導体１０Ａが挿通されている。

共振回路１０は、静電容量を可変させる回転コンデンサー１１（可変コンデンサー）と電気的に接続されている。回転コンデンサー１１は、軸周りに回転する回転軸１２と、回転軸１２から張り出す複数の回転羽根１３（第１の電極板）と、回転羽根１３と対向して配置された固定電極１４（第２の電極板）と、を備えている。

回転軸１２は、銅やアルミニウム等によって形成することができる。回転軸１２は、軸回りに回転自在に支持されている。回転軸１２は、例えば電動機（不図示）からの回転駆動力が伝達されて、所定の回転数で回転する。

回転羽根１３は、例えば、銅やアルミニウム等の板材によって形成することができる。回転羽根１３は、正面視において（回転軸１２の軸線方向Ｘから見て）、例えば、扇型を成している。回転羽根１３は、図６に示すように、円弧状の外周部１３ａ、外周部１３ａの両端から屈曲され回転軸１２の周面１２ａへ向かって延在する一対の側辺１３ｂ，１３ｂを有する。

なお、回転羽根１３の形状は、その他の形状でもよい。回転羽根１３の形状としては、台形状、楕円形状、三角形などが挙げられる。また、回転羽根１３の縁部（周面１３ａ、側辺１３ｂ）は、直線的に形成されていてもよく、曲線的に形成されていてもよい。

本実施形態の回転コンデンサー１１は、図６に示すように、例えば４枚を一組として、複数組の回転羽根１３を備えている。複数の回転羽根１３は、回転軸１２の周方向（回転方向Ｒ）において、例えば等間隔で配置されている。一組の回転羽根１３は、回転軸１２の軸線方向Ｘにおいて、所定の間隔で配置されている。回転羽根１３は、回転軸１２の一端側（鉄心３側）に配置されている。回転軸１２の他端側には、複数の接地電極１５（アース電極）が設けられている。

図７に示す固定電極１４は、例えば銅やアルミニウム等の板材によって形成することができる。固定電極１４は、正面視（回転軸１２の軸線方向Ｘから見て）において、例えば、扇型を成している。固定電極１４は、図５に示すように、内導体１０Ａに固定され回転軸１２の径方向の外側から、内側へ張り出すように形成されている。

本実施形態の回転コンデンサー１１は、例えば、４枚を一組として、複数組の固定電極１４を備えている。複数の固定電極１４は、回転軸１２の周方向Ｒにおいて、例えば等間隔で配置されている。一組の固定電極１４は、回転軸１２の軸線方向Ｘにおいて、所定の間隔で配置されている。複数の固定電極１４は、外周部において電気的に接続されている。

回転羽根１３及び固定電極１４は、回転軸１２の軸線方向Ｘに離間して、互いに対向する一対の電極として機能する。回転羽根１３は、回転軸１２の回転に伴って移動する。回転羽根１３が回転移動することで、一対の電極（回転羽根１３、固定電極１４）の向かい合う面積が変化する。一対の電極１３，１４の重なり合う面積を変化させることで、回転コンデンサー１１の静電容量を変更することができる。

ここで、図８に示すように、回転羽根１３の側辺１３ｂ（縁部）には、複数の切欠き２１が設けられている。切欠き２１は、板厚方向に貫通し、例えば、平面視において（板厚方向から見て）矩形状に形成されている。また、切欠き２１は、側辺１３ｂから回転羽根１３の中央部側へ延びている。更に、切欠き２１は、例えば、側辺１３ｂの延在方向に所定の間隔で配置されている。なお、図８では、１枚の回転羽根１３のみを図示している。また、図６及び図７では、切欠き２１の図示を省略している。図８では、切欠き２１が誇張して図示されているが、実際は、側辺１３ｂからの奥行きが２０〜３０ｍｍ、幅が１〜２ｍｍ程度である。

切欠き２１の形状は、矩形状に限定されず、その他の形状でもよい。切欠き２１の形状としては、例えば、Ｖ字状、Ｕ字状、半円形状などが挙げられる。なお、切欠き２１の位置、大きさ、数量は適宜変更することができる。切欠き２１は、例えば、回転羽根１３の外周部１３ａ側の縁部（エッジ部）に形成されていてもよい。また、切欠き２１の開口幅は、特に限定されない。

次に、回転コンデンサー１１を備えたシンクロサイクロトロン１の作用について説明する。シンクロサイクロトロン１の真空容器２内には、イオン源から供給されたイオンが存在している。コイル４には、交流電源から交流電力が供給され、鉄心３内に所定の磁場が形成されている。真空容器２内には上下方向Ｚに通過する磁場が形成されている。

真空容器２内の加速電極５には、高周波電源からの高周波電力が供給されている。高周波電源に接続された共振回路１０によって、高周波電力の共振周波数が変調される。回転コンデンサー１１の回転軸１２は、例えば１２６００ｒｐｍで回転している。回転コンデンサー１１では、回転羽根１３と固定電極１４との向かい合う面積を変更することで、静電容量を変化させる。これにより、共振回路１０による共振周波数の変調が行われ、所定の高周波電力が加速電極５に供給される。

シンクロサイクロトロン１では、イオンの重量増加に合わせて共振周波数を低下させ、イオンを加速させる。これにより、イオンのエネルギーが高くなることで生じる周期遅れを回避することができる。そのため、好適にイオンが加速されて、イオンのエネルギーが所定値以上となった後に、加速されたイオンが真空容器２外へ出射される。その結果、シンクロサイクロトロン１では、高強度のビーム電流を得ることができる。

また、シンクロサイクロトロン１の使用中において、鉄心３から空気中に磁束が漏洩している。回転コンデンサー１１は、鉄心３の外面側に配置されており、漏洩磁束による磁場（Ｘ方向の成分）の影響を受けている。そのため、磁場の中を移動する回転羽根１３には、渦電流Ｓ（図８参照）が生じている。回転羽根１３に形成された渦電流Ｓは、縁部（外周部１３ａ、側辺１３ｂ）に沿って流れる。

本実施形態の回転コンデンサー１１は、回転羽根１３の側辺１３ｂに、切欠き２１が形成されているため、回転羽根１３中を流れる渦電流Ｓの経路が切欠き２１によって妨げられる。これにより、渦電流Ｓが、切欠き２１を避けるように形成され、渦電流Ｓが流れ難くなる。その結果、回転羽根１３中を流れる渦電流Ｓを低減することで、回転コンデンサー１１の発熱を抑制することができる。

回転コンデンサー１１では、発熱が抑制されているため、高速で回転羽根１３を回転させてシンクロサイクロトロン１の共振周波数を適正に変調させることができる。その結果、イオンの加速を好適に行い、安定した陽子ビームの照射を実現することができる。

なお、図８では、側辺１３ｂ（縁部）に切欠き２１が形成されていない場合のローレンツ力密度解析結果が示されている。図８において、破線Ｌで示す範囲（破線Ｌと側辺１３ｂに挟まれた領域）内が、周囲と比較してローレンツ力密度が高い領域である。このローレンツ力密度が高いに領域に、切欠き２１を形成することが好ましい。これにより、渦電流の流れを効果的に抑制することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る回転コンデンサーについて説明する。図９は、本発明の第２実施形態に係る回転コンデンサーの回転羽根３１を示す断面図である。第２実施形態の回転コンデンサーが第１実施形態の回転コンデンサー１１と異なる点は、側辺１３ｂに切欠き２１が形成された回転羽根１３に代えて、積層構造の回転羽根３１を備えている点である。

回転羽根３１は、絶縁体からなる電極板本体３２と、電極板本体３２の表面を被覆する導電体からなる表面層３３とを有する。電極板本体３２としては、例えばセラミックスを使用することができる。その他に、電極板本体３２に使用可能な絶縁体としてはステンレス等が挙げられる。

表面層３３の材質としては、例えば銅を使用することができる。電極板本体３２の表面に銅めっきを施すことで、表面層３３を形成することができる。表面層３３の厚みは、例えば２０〜３０μｍ程度で薄く形成されている。なお、表面層の材質としては、銅以外の導電体を用いることができる。

このような第２実施形態に係る回転コンデンサーでは、絶縁体からなる電極板本体３２で剛性を保ち、導電体からなる表面層３３によって必要な高周波電流を流しつつ且つ表面層３３が薄く形成されているので、抵抗を増して、渦電流を抑制することができる。その結果、回転コンデンサーの発熱を抑えることができる。なお、積層構造の回転羽根３１に切欠き２１が形成されている構成でもよい。また、表面層３３は、電極板本体３２の外表面の全域に形成されていてもよく、例えば、電極板本体３２の縁部のみに形成されている構成でもよい。

次に、本発明の第３実施形態に係る回転コンデンサーについて説明する。図１０は、本発明の第３実施形態に係る回転コンデンサーの回転羽根の縁部を示す断面図である。第３実施形態の回転コンデンサーが第１実施形態の回転コンデンサー１１と異なる点は、側辺１３ｂに切欠き２１が形成された回転羽根１３に代えて、側辺（縁部）が薄肉である回転羽根４１を備えている点である。

回転羽根４１の側辺（１３ｂ）は、その他の部分（回転羽根４１の中央部）と比較して厚さが薄くなっている。例えば、先端部４１ａに向かって先細りするように、側辺が形成されている。図１０に示すように緩やかに湾曲するような形状となっている。なお、直線的に傾斜して、先細りする形状でもよく、段差面が形成されることで、薄く形成されていてもよい。

なお、薄肉部は、回転羽根４１の全周に形成されていてもよく、部分的に形成されていてもよい。薄肉部は、例えば、板厚方向において緩やかに湾曲するように形成されていてもよく、段差が設けられて薄肉となっている構成でもよい。

このような第３実施形態に係る回転コンデンサーでは、回転羽根４１の側辺に、薄肉部が形成されており、渦電流が流れ易い側辺部の抵抗が増すので、渦電流を低減することができる。これにより、回転羽根４１を流れる渦電流を低減して、発熱を抑えることができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記の実施形態では、回転コンデンサーをシンクロサイクロトロン（粒子加速器）に適用した場合について説明しているが、回転コンデンサーは、その他の機器、用途に使用することができる。なお、粒子加速器はシンクロサイクロトロンに限定されず、サイクロトロンやシンクロトロンでも良い。また、粒子線（荷電粒子）は陽子ビームに限定されず、炭素ビーム（重粒子ビーム）などでも良い。回転コンデンサーは、治療用のシンクロサイクロトロンに使用可能であるが、治療用に限定されず、その他の用途に使用してもよい。

１１…回転コンデンサー、１２…回転軸、１３，３１，４１…回転羽根（一対の電極、第１の電極板）、１３ｂ…側辺（縁部）、１４…固定電極（一対の電極、第２の電極板）、２１…切欠き（スリット）、３２…電極板本体、３３…表面層。

Claims

真空容器の内部で荷電粒子を加速するシンクロサイクロトロンであって、
前記真空容器を通過する磁場を形成するコイルと、
前記真空容器の内部の前記荷電粒子を加速させる加速電極と、
前記加速電極に供給される高周波電力の共振周波数を変調する共振回路と、
前記共振回路に電気的に接続され、互いに対向する一対の電極の向かい合う面積を変えることで静電容量を可変させる回転コンデンサーと、を備え、
前記回転コンデンサーは、軸線周りに回転する回転軸を備え、
前記一対の電極は、
前記回転軸から径方向の外側へ張り出す第１の電極板と、
前記回転軸の軸線方向に離間し前記第１の電極板と対向して配置された第２の電極板とを有し、
前記第１の電極板の縁部には、板厚方向に切欠きが形成されている、
シンクロサイクロトロン。
前記切欠きは、前記第１の電極板の前記縁部である側辺の延在方向に複数形成されている、
請求項１に記載のシンクロサイクロトロン。
真空容器の内部で荷電粒子を加速するシンクロサイクロトロンであって、
前記真空容器を通過する磁場を形成するコイルと、
前記真空容器の内部の前記荷電粒子を加速させる加速電極と、
前記加速電極に供給される高周波電力の共振周波数を変調する共振回路と、
前記共振回路に電気的に接続され、互いに対向する一対の電極の向かい合う面積を変えることで静電容量を可変させる回転コンデンサーと、を備え、
前記回転コンデンサーは、軸線周りに回転する回転軸を備え、
前記一対の電極は、
前記回転軸から径方向の外側へ張り出す第１の電極板と、
前記回転軸の軸線方向に離間し前記第１の電極板と対向して配置された第２の電極板とを有し、
前記第１の電極板は、絶縁体からなる電極板本体と、前記電極板本体の前記第２の電極板側の表面を被覆する導電体からなる表面層と、を有する、
シンクロサイクロトロン。
真空容器の内部で荷電粒子を加速するシンクロサイクロトロンであって、
前記真空容器を通過する磁場を形成するコイルと、
前記真空容器の内部の前記荷電粒子を加速させる加速電極と、
前記加速電極に供給される高周波電力の共振周波数を変調する共振回路と、
前記共振回路に電気的に接続され、互いに対向する一対の電極の向かい合う面積を変えることで静電容量を可変させる回転コンデンサーと、を備え、
前記回転コンデンサーは、軸線周りに回転する回転軸を備え、
前記一対の電極は、
前記回転軸から径方向の外側へ張り出す第１の電極板と、
前記回転軸の軸線方向に離間し前記第１の電極板と対向して配置された第２の電極板とを有し、
前記第１の電極板の縁部には、中央部よりも厚さが薄い薄肉部が形成されている、
シンクロサイクロトロン。