JPH11273898A - High-frequency acceleration cavity - Google Patents
High-frequency acceleration cavityInfo
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- JPH11273898A JPH11273898A JP7926798A JP7926798A JPH11273898A JP H11273898 A JPH11273898 A JP H11273898A JP 7926798 A JP7926798 A JP 7926798A JP 7926798 A JP7926798 A JP 7926798A JP H11273898 A JPH11273898 A JP H11273898A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、陽子やイオン等
の荷電粒子の加速器であるシンクロトロンの高周波加速
空胴に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-frequency accelerating cavity of a synchrotron which is an accelerator for charged particles such as protons and ions.
【０００２】[0002]
【従来の技術】一般に陽子やイオンのシンクロトロンで
は、加速と共に粒子の速度が速くなり、ビームの周回時
間が短くなる。このことを式で説明する。2. Description of the Related Art Generally, in a proton or ion synchrotron, the speed of particles increases with acceleration, and the orbiting time of a beam decreases. This will be described by an equation.
【０００３】たとえば、ビームの速度ｖと光速ｃとの比
をβ、すなわち式で表せば「β＝ｖ／ｃ……」とし、
加速高周波電圧の周波数をｆとしたとき、この周波数ｆ
の一周期の間にビームが進む距離は、「ｖ／ｆ＝βｃ／
ｆ＝βλ……」の式で表される（ここで、λは電磁場
自由空間での周波数ｆに相当する波長を示す）。[0003] For example, the ratio between the beam speed v and the light speed c is β, that is, when expressed by an equation, “β = v / c ...”
When the frequency of the accelerating high-frequency voltage is f, this frequency f
The distance the beam travels during one cycle is “v / f = βc /
f = βλ... (where λ indicates a wavelength corresponding to a frequency f in free space of an electromagnetic field).
【０００４】上記の式と、ビームの周回時間が加速高
周波ｆの周期の整数（ｈ：ハーモニック数）倍となる条
件とを用いれば、シンクロトロンの周長Ｃｓは、「Ｃｓ
＝ｈβλ＝ｈｃβ／ｆ……」の式で規定される。これ
は、ビームが周回軌道上の加速ギャップを介して周回す
る際にその同じ加速ギャップに到達する毎に高周波電圧
の向きがビームを加速する方向に一致するように設定し
なければならないといった制約に基づくものである。[0004] Using the above equation and the condition that the orbiting time of the beam is an integer (h: harmonic number) times the period of the accelerating high frequency f, the perimeter Cs of the synchrotron is given by "Cs
= Hβλ = hcβ / f ... ”. This is due to the restriction that the direction of the high-frequency voltage must be set to match the direction of accelerating the beam every time the beam reaches the same acceleration gap when the beam orbits through the acceleration gap on the orbit. It is based on
【０００５】このような加速ギャップを通過する毎にビ
ームは徐々に加速してそのエネルギーが増加していくた
め、これに伴って上述のビーム速度ｖと光速ｃの比βも
増加する。たとえば、粒子として陽子を加速している米
国フェルミ国立研究所のＮＡＬブースターシンクロトロ
ンの場合には、加速開始時のエネルギーは２００ＭｅＶ
（β＝０．５６６）であるのに対し、加速終了時のエネ
ルギーは８ＧｅＶ（β＝０．９９４５）にも達すること
が確認されている。[0005] Each time the beam passes through such an acceleration gap, the beam is gradually accelerated and its energy is increased. Accordingly, the ratio β between the beam speed v and the light speed c is also increased. For example, in the case of the NAL booster synchrotron of the US Fermi National Laboratory, which accelerates protons as particles, the energy at the start of acceleration is 200 MeV
(Β = 0.566), it has been confirmed that the energy at the end of acceleration reaches 8 GeV (β = 0.9945).
【０００６】上記の式は、βの増加に伴い、これに比
例して加速高周波電圧の周波数ｆを増加させなければな
らないことを示している。イオンや陽子のシンクロトロ
ンでは通常、数ｋＶから数十ｋＶという高い加速電圧を
必要とするため、空胴共振器を用いてこれを発生させて
いる。空胴共振器は通常、固有の共振周波数を有し、そ
れ以外の周波数では電圧を発生しない。The above equation shows that as β increases, the frequency f of the accelerating high-frequency voltage must be increased in proportion to β. Since an ion or proton synchrotron usually requires a high accelerating voltage of several kV to several tens of kV, it is generated using a cavity resonator. Cavities usually have a unique resonance frequency and do not generate voltage at other frequencies.
【０００７】このため、これらのシンクロトロンでは通
常、空胴内のどこかに磁性体であるフェライトを挿入
し、その透磁率をバイアス電流で変化させてインダクタ
ンスを調整し、これにより共振周波数を変化させて周波
数ｆとβとの間の同調をとるようになっている。たとえ
ば、科学技術庁放射線医学総合研究所のＨＩＭＡＣのシ
ンクロトロンにおける高周波加速空胴の場合には、その
周波数範囲は１〜８ＭＨzである（たとえば「Heavy Ion
Medial Accelerator in Chiba - A DesignSummary and
Update - NIRS-89, ９２年１２月、p20」参照）。For this reason, in these synchrotrons, usually, a ferrite, which is a magnetic substance, is inserted somewhere in the cavity, and the inductance is adjusted by changing the magnetic permeability with a bias current, thereby changing the resonance frequency. In this way, tuning between the frequency f and β is achieved. For example, in the case of a high-frequency accelerating cavity in a synchrotron of the HIMAC of the Science and Technology Agency, the frequency range is 1 to 8 MHz (for example, "Heavy Ion").
Medial Accelerator in Chiba-A DesignSummary and
Update-NIRS-89, December 1992, p20 ").
【０００８】さらに高い周波数範囲をカバーする加速空
胴の例としては、米国フェルミ国立研究所のＮＡＬブー
スターシンクロトロン用のフェライトチューナ付きドリ
フトチューブ型の加速空胴（「NAL Booster amd Storag
e rimg RF systems，J．A．Dinkel 他」参照）があ
り、その周波数範囲は３０．３〜５２．８ＭＨｚとなっ
ている。このフェライトチューナ付きドリフトチューブ
型の加速空胴を図９に基づいて説明する。An example of an acceleration cavity covering a higher frequency range is a drift tube type acceleration cavity with a ferrite tuner for a NAL booster synchrotron of the Fermi National Laboratory (“NAL Booster amd Storag”).
e rimg RF systems, J. A. Dinkel et al.)), And its frequency range is 30.3-52.8 MHz. This drift tube type acceleration cavity with a ferrite tuner will be described with reference to FIG.
【０００９】図９に示す加速空胴は、ビームを加速する
２つの加速ギャップ１ａ、１ｂ間をビーム軸方向に連絡
するビームダクトをなすドリフトチューブ２を備えてい
る。この空胴は、基本的には同軸共振器であり、その共
振周波数を可変にするための３本のフェライトチューナ
３…３が加速空胴の底部および両側面部にその軸方向に
配置され、ドリフトチューブ２の中心部、すなわち空胴
長さ方向の中央部から引き出したパイプに接続されてい
る。空胴の中央部には大電力高周波を供給する真空管を
内蔵したパワーアンプ４がドリフトチューブ２に対して
逆Ｔ字状に突設されている。The acceleration cavity shown in FIG. 9 is provided with a drift tube 2 which forms a beam duct connecting between two acceleration gaps 1a and 1b for accelerating the beam in the beam axis direction. This cavity is basically a coaxial resonator, and three ferrite tuners 3... 3 for changing the resonance frequency are arranged on the bottom and both side surfaces of the acceleration cavity in the axial direction, and the drift is reduced. It is connected to a pipe drawn from the center of the tube 2, that is, the center in the cavity length direction. At the center of the cavity, a power amplifier 4 having a built-in vacuum tube for supplying high power and high frequency is provided in an inverted T-shape with respect to the drift tube 2.
【００１０】このようなフェライトチューナ付きドリフ
トチューブ型の加速空胴の原理を図１０に基づいて説明
する。The principle of such a drift tube type acceleration cavity with a ferrite tuner will be described with reference to FIG.
【００１１】図１０に示す加速空胴において、図中の矢
印は電気力線の分布を示す。ここでの電気力線は、高周
波がある特定位相、すなわち図示の左側の加速ギャップ
１ａで電界が右向きに最大になる瞬間の状態を表し、こ
の特定位相から１８０°ずれると全く逆向きになる。In the acceleration cavity shown in FIG. 10, the arrows in the figure show the distribution of the lines of electric force. The lines of electric force here represent a state in which the high frequency has a certain phase, that is, the moment when the electric field becomes maximum rightward in the acceleration gap 1a on the left side in the drawing.
【００１２】ここで、高周波が空胴内の同軸線路の沿っ
て図示のＡ点→Ｂ点→Ｃ点→Ｄ点の経路で伝搬する場合
を考える。この伝搬経路の長さが伝搬高周波の周波数で
の管内波長の１／４、位相で言えば９０°であるとき、
高周波の電圧波形変化は、加速ギャップ１ａの地点で腹
の状態であれば、フェライトチューナ３の終端に相当す
るＤ点で節の状態となり、さらにこのＤ点で反射して上
記とは逆の経路に沿って加速ギャップ１ａ側に戻ってく
る高周波の電圧波形は腹の状態となる。従って、この場
合には同軸線路内に立つ定在波が共振条件を満たすた
め、加速ギャップ１ａで高い加速電圧が発生する。この
ことを式で説明する。Here, a case is considered in which a high frequency propagates along a coaxial line in the cavity in a path of point A → point B → point C → point D as shown. When the length of this propagation path is １ ／ of the guide wavelength at the frequency of the propagation high frequency, and 90 ° in terms of phase,
If the change of the high-frequency voltage waveform is in the antinode state at the point of the acceleration gap 1a, it becomes a node state at the point D corresponding to the end of the ferrite tuner 3, and is further reflected at this point D and the path opposite to the above is reflected. The high-frequency voltage waveform returning to the side of the acceleration gap 1a along the line becomes an antinode state. Therefore, in this case, since the standing wave standing in the coaxial line satisfies the resonance condition, a high acceleration voltage is generated in the acceleration gap 1a. This will be described by an equation.
【００１３】真空の同軸線路内での管内波長λｇは、通
常は自由空間波長λに等しく、The guide wavelength λg in the vacuum coaxial line is usually equal to the free space wavelength λ,
【数１】 の式で表される。(Equation 1) It is represented by the following equation.
【００１４】ただし、同軸線路内に比誘電率εｒおよび
比透磁率μｒが満たされる条件がある場合には、上記の
管内波長λｇは、However, when there is a condition that the relative permittivity εr and the relative magnetic permeability μr are satisfied in the coaxial line, the above-mentioned guide wavelength λg is
【数２】 の式で規定され、εｒおよびμｒの値により変化するこ
とになる。この場合の管内波長λｇは自由空間波長より
も短い。このことを利用すれば、線路の輪郭部に磁性体
であるフェライトを設け、これにバイアス巻き線を巻回
した状態で外部磁場を与えることにより、磁性体の非線
形特性でεr の値を変化させ、これにより管内波長λｇ
を変えて同軸線路の共振条件やその共振周波数を任意に
調整することが可能になる。(Equation 2) And is changed by the values of εr and μr. In this case, the guide wavelength λg is shorter than the free space wavelength. By utilizing this fact, ferrite, which is a magnetic material, is provided on the contour of the line, and an external magnetic field is applied to the ferrite in a state where a bias winding is wound around the ferrite. , Thereby the guide wavelength λg
It is possible to arbitrarily adjust the resonance condition of the coaxial line and its resonance frequency by changing
【００１５】上記のフェライトチューナ３は、このよう
にフェライトを用いて構成したものであり、ドリフトチ
ューブ型の加速空胴の場合にはビームタクトと完全に分
離して配置可能となる。このような方式は、数十ＭＨｚ
帯の比較的高い周波数帯の可変周波数における高電圧の
加速空胴として用いられる。The ferrite tuner 3 is formed using ferrite as described above. In the case of a drift tube type accelerating cavity, the tuner 3 can be arranged completely separated from the beam tact. Such a system is tens of MHz
It is used as a high voltage accelerating cavity at a variable frequency in a relatively high frequency band.
【００１６】次に、２つの加速ギャップ間の距離を考察
する。Next, the distance between the two acceleration gaps will be considered.
【００１７】ここでのビームは、陽子のように電荷が正
のイオンであるものと仮定する。電気力線の向きが図１
０に示す位相の場合には、図中の左側から進行してきた
ビームは左側の加速ギャップ１ａを通過する際に加速さ
れる。この加速ビームは、ドリフトチューブ２の内部す
なわち電気的にシールドされて殆ど電界の存在しないビ
ームダクト内を慣性進行し、右側の加速ギャップ１ｂに
達する。It is assumed that the beam is a positively charged ion, such as a proton. Fig. 1
In the case of the phase shown as 0, the beam traveling from the left side in the figure is accelerated when passing through the left acceleration gap 1a. This acceleration beam inertially travels inside the drift tube 2, that is, inside a beam duct that is electrically shielded and has almost no electric field, and reaches the right acceleration gap 1 b.
【００１８】この間の電気力線の向きは、ビームがドリ
フトチューブ２内を通過する時間によって変化している
が、加速効率を考えれば、その位相差はちょうど１８０
°であることが望ましい。なぜなら、この時の電気力線
の向きは、図１０に示す場合とは逆方向となるために右
側の加速ギャップ１ｂでビームを加速する方向に一致
し、最大になるためである。従って、この条件を満足す
るためには、２つの加速ギャップ１ａ、１ｂ間の距離Ｌ
を、The direction of the electric lines of force during this period varies depending on the time when the beam passes through the drift tube 2, but considering the acceleration efficiency, the phase difference is exactly 180 degrees.
° is desirable. This is because the direction of the lines of electric force at this time is opposite to the direction shown in FIG. 10 and thus coincides with the direction in which the beam is accelerated in the right acceleration gap 1b, and becomes the maximum. Therefore, in order to satisfy this condition, the distance L between the two acceleration gaps 1a and 1b is required.
To
【数３】 の式を満たすように設定する必要がある。この式中の
Ｎは０以上の整数を示している。理想的には、空胴を含
めた加速器の構成機器は全体のシステムがむやみに大型
化することを避けるため可能な限り小さくしたいため、
Ｎ＝０のときが最も効率がよい。すなわち、２つの加速
ギャップ１ａ、１ｂの間の距離Ｌの最適値は、(Equation 3) It is necessary to set to satisfy the equation. N in this formula represents an integer of 0 or more. Ideally, the components of the accelerator, including the cavities, should be as small as possible to prevent the overall system from becoming unnecessarily large.
The efficiency is highest when N = 0. That is, the optimal value of the distance L between the two acceleration gaps 1a and 1b is
【数４】 の式で規定される。ところが図９に示す従来型の加速空
胴では、２つの加速ギャップ１ａ、１ｂの距離Ｌを上記
の式に示す最適値に設定することはできない。(Equation 4) Is defined by the following equation. However, in the conventional acceleration cavity shown in FIG. 9, the distance L between the two acceleration gaps 1a and 1b cannot be set to the optimum value shown in the above equation.
【００１９】以下、その理由を説明する。Hereinafter, the reason will be described.
【００２０】まず、陽子やイオンのシンクロトロンにお
いて、このタイプの空胴を使用せねばならない数十ＭＨ
ｚ帯の加速周波数を用いるのは、最終エネルギーが高い
場合に限られる。前出のフェルミ研究所のＮＡＬブース
ターシンクロトロンの場合は、最終的には陽子をβ＝
０．９９４５とほぼ光速にまで加速する。First, in a proton or ion synchrotron, this type of cavity must be used for several tens of MHz.
The use of the acceleration frequency in the z-band is limited only when the final energy is high. In the case of the NAL booster synchrotron of the Fermi Institute mentioned above, the protons eventually become β =
It accelerates to 0.9945, almost the speed of light.
【００２１】ビームが光速近くまで加速された場合、上
記の式より、Ｌ＝λ／２となる。このとき、図１０に
示す同軸共振器のＡ点→Ｂ点→Ｃ点→Ｄ点の線路を考え
れば、Ａ点→Ｂ点の間はほば共振条件であるλ／４に達
していることになる。よってこの線路のその先の部分に
いかにフェライトを用いようとも、波長を変えて共振周
波数を変化させることは不可能である。When the beam is accelerated to near the speed of light, from the above equation, L = λ / 2. At this time, considering the line from the point A to the point B to the point C to the point D of the coaxial resonator shown in FIG. 10, the resonance condition between the point A and the point B almost reaches λ / 4. become. Therefore, no matter how much ferrite is used in the further part of the line, it is impossible to change the resonance frequency by changing the wavelength.
【００２２】この対策としては、２つの加速ギャップ間
の距離Ｌを、通過するビームの位相の進みにして１８０
°よりも小さくせねばならなかった。例えば、図９に示
すフェルミ研究所の例ではギャップ間距離を１４０°に
設定してある。このとき、Ａ点→Ｂ点→Ｃ点→Ｄ点の線
路でＡ点→Ｂ点の間では位相が７０°進むため、Ｂ点→
Ｃ点→Ｄ点間での位相進みを２００°分取ることが可能
である。フェライト部では波長が自由空間と比べて短縮
されるため、これだけの位相の余裕があれば、周波数を
ある程度変化させることができる。As a countermeasure for this, the distance L between the two acceleration gaps is set to 180 degrees as the phase of the passing beam advances.
° had to be smaller. For example, in the example of Fermilab shown in FIG. 9, the distance between the gaps is set to 140 °. At this time, since the phase advances by 70 ° between point A and point B on the line of point A → point B → point C → point D, the point B →
It is possible to obtain a phase advance of 200 ° from point C to point D. Since the wavelength in the ferrite portion is shorter than that in free space, the frequency can be changed to some extent if there is such a phase margin.
【００２３】しかしこの場合には、９０°の線路長のう
ち２００°にあたる部分だけで共振周波数を変化させね
ばならず、フェライトの透磁率の変化率への要請も大変
に厳しいものになる。このため、数十（ｋＡ・turn）と
いう大電流を１〜数十Ｈｚという速い繰り返しで変化さ
せねばならない。これに伴い、バイアス巻き線の配置や
この存在に伴い生じる寄生共振モードの抑制、フェライ
トの冷却構造の複雑化といった構造的な難しさや複雑
化、及びバイアス電流制御の難しさといった問題が生じ
てくる。However, in this case, the resonance frequency must be changed only in the portion corresponding to 200 ° of the 90 ° line length, and the demand for the change rate of the magnetic permeability of the ferrite becomes very severe. For this reason, a large current of several tens (kA · turn) must be changed at a high repetition rate of 1 to several tens Hz. Along with this, there arise problems such as the structural difficulty and complexity such as the arrangement of the bias windings and the suppression of the parasitic resonance mode caused by the existence thereof, the complicated ferrite cooling structure, and the difficulty in controlling the bias current. .
【００２４】この対策として、まず考えられる方法は、
２つの加速ギャップ間の距離をさらに縮めることであ
る。例えばフェルミ研究所の例の１４０°から１２０°
に縮めることにより、Ｂ点→Ｃ点→Ｄ点間の位相として
３００°分取ることかでき、周波数帯域を調整する上で
余裕ができる。As a countermeasure for this, the first conceivable method is:
The goal is to further reduce the distance between the two acceleration gaps. For example, from 140 ° to 120 ° in the example of Fermilab
In this way, the phase between point B, point C, and point D can be taken as 300 °, which allows a margin in adjusting the frequency band.
【００２５】しかし今度は別の問題が生じてくる。加速
ギャップ間の位相差が最適な１８０°からずれているた
め、２つのギャップを共に加速電圧がピーク値の時に通
過することはできなくなり、加速効率も低下する。この
加速効率の低下は、最適位相である１８０°からのずれ
をφとすれば、COS(φ／２）で表されることが知られて
おり、ギャップ間の位相差が１４０°のとき、 COS
（（１８０°−１４０°）／２）＝０．９４０とわずか
６°程度の加速効率の減少に留まるが、位相差を１２０
°にすれば、 COS（（１８０°−１２０°）／２）＝
０．８６６と、１３％以上も加速効率が悪くなる。この
影響は２つのギャップ間の位相差が１８０°から離れる
に従い急激に大きくなる。However, another problem arises this time. Since the phase difference between the acceleration gaps is deviated from the optimal 180 °, it is not possible to pass through the two gaps when the acceleration voltage reaches the peak value, and the acceleration efficiency also decreases. It is known that this decrease in acceleration efficiency is represented by COS (φ / 2), where φ is a deviation from the optimal phase of 180 °, and when the phase difference between the gaps is 140 °, COS
((180 ° −140 °) / 2) = 0.940, which is a decrease in acceleration efficiency of only about 6 °, but the phase difference is reduced by 120
°, COS ((180 ° -120 °) / 2) =
The acceleration efficiency is 0.866, which is 13% or more. This effect increases rapidly as the phase difference between the two gaps increases from 180 °.
【００２６】このように加速周波数の帯域幅を広げるた
めに同軸線路中にフェライトの占める割合を上げれば、
加速効率の面で大きく性能が劣化することが従来のこの
タイプの加速空胴の大きな問題点となっていた。As described above, if the proportion of ferrite in the coaxial line is increased in order to increase the bandwidth of the acceleration frequency,
Significant degradation of performance in terms of acceleration efficiency has been a major problem with conventional acceleration cavities of this type.
【００２７】これに加え、ビームダクトに対して平行に
設置されたフェライトチューナが架台周りの機器と干渉
する問題もあり、余り多くのフェライトチューナを装着
することかできないという欠点もあった。In addition, there is a problem that the ferrite tuner installed in parallel with the beam duct interferes with the equipment around the gantry, and there is a disadvantage that too many ferrite tuners cannot be mounted.
【００２８】さらに、図１０に示すように加速空胴の長
さ方向の中央部にフェライトチューナ３を装着する場
合、同じく中央部にパワーアンプ４も装着するため、フ
ェライトチューナ３をパワーアンプ部に設置できず、そ
の本数に制約があって、これも周波数帯域を狭くする一
因となっていた。Further, as shown in FIG. 10, when the ferrite tuner 3 is mounted at the center of the acceleration cavity in the longitudinal direction, the power amplifier 4 is also mounted at the center, so that the ferrite tuner 3 is mounted at the power amplifier. It could not be installed, and its number was limited, which also contributed to narrowing the frequency band.
【００２９】[0029]
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来のフェライトチューナ付きドリフトチューブ型高周
波加速空胴では、全体の共振器長でフェライトが占める
部分が短いので周波数の可変幅が広く取れないといった
問題があった。これを解決するために２つの加速ギャッ
プ間の位相差を１８０°からずらそうとすると、今度は
加速効率が低下する。またビームタクトに平行に設置さ
れたフェライトチューナと架台周りの機器とが干渉する
問題もある。As described above,
In a conventional drift tube type high frequency accelerating cavity with a ferrite tuner, there is a problem that the variable width of the frequency cannot be widened because the portion occupied by the ferrite in the entire resonator length is short. If an attempt is made to shift the phase difference between the two acceleration gaps from 180 ° in order to solve this, the acceleration efficiency will decrease this time. There is also a problem that the ferrite tuner installed in parallel with the beam tact interferes with equipment around the gantry.
【００３０】この発明は、上記の従来の課題を解決する
ためになされたもので、加速効率を低下させずに周波数
の可変幅を広く取ることができ、さらにフェライトチュ
ーナと周辺機器との配置上の干渉のない装置を提供する
ことを目的とする。The present invention has been made in order to solve the above-mentioned conventional problems, and it is possible to widen the variable range of the frequency without lowering the acceleration efficiency. It is an object of the present invention to provide a device free from interference.
【００３１】[0031]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明にかかる高周波加速空胴は、ビ
ームを加速する２つの加速ギャップの間をビーム軸方向
に連絡するビームダクトと、前記ビームを加速するため
の高周波信号の共振周波数を可変調整するフェライトチ
ューナとを備え、このフェライトチューナを、前記ビー
ムタクトのビーム軸方向の中央部とそれ以外の部分とに
分散させて接続したことを特徴とする。In order to achieve the above object, a high-frequency accelerating cavity according to the first aspect of the present invention includes a beam duct communicating in a beam axis direction between two acceleration gaps for accelerating a beam. A ferrite tuner that variably adjusts a resonance frequency of a high-frequency signal for accelerating the beam, and the ferrite tuner is dispersed and connected to a central portion of the beam tact in a beam axis direction and other portions. It is characterized by the following.
【００３２】このようにフェライトチューナのビームダ
クトへの接続部分を、従来の空胴のビーム軸方向（長さ
方向）の中央部に加え、中央部から外した位置にも設
け、言い換えれば空胴の長さ方向の中心部だけでなく、
加速ギャップと空胴の長さ方向の中心部の間に複数個分
散させることにより、実効波長を短くする作用を強化す
る。また高周波電界の電圧の腹が加速ギャップ部分にな
り、ここでビームを加速する。As described above, the connecting portion of the ferrite tuner to the beam duct is provided not only at the center of the conventional cavity in the beam axis direction (length direction) but also at a position off the center, in other words, the cavity. Not only in the center of the length of the
By dispersing a plurality of particles between the acceleration gap and the center in the longitudinal direction of the cavity, the effect of shortening the effective wavelength is enhanced. The antinode of the voltage of the high-frequency electric field becomes an acceleration gap portion, and accelerates the beam here.
【００３３】請求項２記載の発明では、前記フェライト
チューナをその軸方向が前記ビームダクトのビーム軸方
向に９０度の向きで前記ビームダクトに取り付けたこと
を特徴とする。これにより、ビーム軸に沿った加速空胴
の下部の空間の占める割合が減る。[0033] The invention according to claim 2 is characterized in that the ferrite tuner is attached to the beam duct so that its axial direction is 90 degrees with respect to the beam axis direction of the beam duct. This reduces the proportion of space below the acceleration cavity along the beam axis.
【００３４】請求項３記載の発明では、前記フェライト
チューナを前記ビームダクトの上部及び横部の少なくと
も一方に接続したことを特徴とする。このようにビーム
ダクトからの出口の方向を上部または横部にし、長さ方
向の中央部以外にフェライトチューナを設ければ、パワ
ーアンプとの干渉の心配もなく、空胴の全周にわたりフ
ェライトチューナを装着することか可能であり、より多
くのフェライトチューナを用いることにより効率よく広
い加速周波数帯域を得ることができる。According to a third aspect of the present invention, the ferrite tuner is connected to at least one of an upper portion and a lateral portion of the beam duct. In this way, if the direction of the exit from the beam duct is set to the top or side, and the ferrite tuner is provided other than in the center in the length direction, there is no fear of interference with the power amplifier, and the ferrite tuner will cover the entire circumference of the cavity. It is possible to efficiently obtain a wide acceleration frequency band by using more ferrite tuners.
【００３５】請求項４記載の発明では、前記ドリフトチ
ューブを一方向に直線状に延びた断面形状で構成したこ
と特徴とする。これは通常の同心円ではなく、長い直線
部を有する形状、例えばレーストラック状にするもので
あり、こうすればビームダクトの周方向に取り付け可能
なフェライトチューナの台数を増やし、広い周波数帯域
を得ることができる。According to a fourth aspect of the present invention, the drift tube has a cross-sectional shape linearly extending in one direction. This is not a normal concentric circle, but a shape with a long straight part, for example, a race track shape, so that the number of ferrite tuners that can be attached in the circumferential direction of the beam duct is increased and a wide frequency band is obtained. Can be.
【００３６】請求項５記載の発明にかかる高周波加速空
胴は、ビームを加速する２つの加速ギャップの間をビー
ム軸方向に連絡するビームダクトと、前記ビーム加速用
高周波信号の高周波電圧の共振周波数を可変調整するフ
ェライトチューナとを備え、このフェライトチューナを
その軸方向が前記ビームダクトのビーム軸方向に９０度
の向きで前記ビームダクトに取り付けたことを特徴とす
る。According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a high-frequency accelerating cavity, comprising: a beam duct communicating in a beam axis direction between two acceleration gaps for accelerating a beam; and a resonance frequency of a high-frequency voltage of the high-frequency signal for beam acceleration. And a ferrite tuner that variably adjusts the diameter of the beam duct, and the ferrite tuner is attached to the beam duct so that its axial direction is at 90 degrees to the beam axis direction of the beam duct.
【００３７】[0037]
【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる高周波加
速空胴の実施の形態を図面を参照して説明する。ここ
で、前述の図９に示すフェライトチューナ付きドリフト
チューブ型の加速空胴と実質的に同一または同等の構成
要素については、その説明を簡略または省略する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of a high-frequency acceleration cavity according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, description of components substantially the same as or equivalent to those of the drift tube type acceleration cavity with ferrite tuner shown in FIG. 9 will be simplified or omitted.
【００３８】（第１の実施の形態）図１に示す高周波加
速空胴は、フェライトチューナ付きドリフトチューブ型
の加速空胴を適用したもので、ビームを加速する２つの
加速ギャップ１、１間をビーム軸方向（空胴の長さ方
向）ＡＸに連絡するビームダクトを成すドリフトチュー
ブ２と、このドリフトチューブ２の軸方向ＡＸの中央部
およびこれを挟む両側の位置でそれぞれその下側（図１
参照）に突出させて接続される３本の共振周波数可変用
のフェライトチューナ３ａ、３ｂ、３ｂと、ドリフトチ
ューブ２の軸方向ＡＸの中央部でその上側（図１参照）
に突出させて接続される大電力高周波供給用のパワーア
ンプ４とを備えている（図中の５はフェライトを示
す）。(First Embodiment) The high-frequency accelerating cavity shown in FIG. 1 employs a drift tube type accelerating cavity with a ferrite tuner, and a gap between two accelerating gaps 1 for accelerating a beam is provided. A drift tube 2 forming a beam duct communicating with the beam axis direction (cavity length direction) AX, and a central portion of the drift tube 2 in the axial direction AX and positions on both sides sandwiching the drift tube 2 (see FIG. 1).
And three ferrite tuners 3a, 3b, and 3b for protruding and connecting to the resonance frequency, and the upper part of the center of the drift tube 2 in the axial direction AX (see FIG. 1).
And a power amplifier 4 for supplying a high-power high-frequency power and protruding from the power amplifier (5 in the figure denotes ferrite).
【００３９】ここで、この高周波加速空胴の原理を図２
に基づいて説明する。Here, the principle of this high-frequency accelerating cavity is shown in FIG.
It will be described based on.
【００４０】図２に示すグラフは、加速空胴内の電圧分
布を説明するものである。このグラフの横軸は片方の加
速ギャップ１からの距離を示し、この距離Ｌ／２がドリ
フトチューブ２の中央に相当する。縦軸は高周波電圧の
規格値を示し、加速ギャップ部で１とする。The graph shown in FIG. 2 explains the voltage distribution in the accelerating cavity. The horizontal axis of this graph indicates the distance from one of the acceleration gaps 1, and this distance L / 2 corresponds to the center of the drift tube 2. The vertical axis indicates the standard value of the high frequency voltage, which is set to 1 at the acceleration gap.
【００４１】ここで、図１に示す同軸線路中のＡ点→Ｂ
点→Ｃ点→Ｄ点→Ｃ点→Ｂ点→Ｅ点→Ｆ点→Ｇ点の線路
を考える。まず、この線路に立つ定在披は、Ａ点→Ｄ点
の間で１／４波長すなわち位相で９０°となり、さらに
Ｄ点→Ｇ点間で１／２波長すなわち位相進み１８０°と
なる。従って、加速ギャップ１を電圧波形の腹の状態と
すると、中央部を挟む側に位置するフェライトチューナ
３ｂの先端部のＤ点で電圧はゼロすなわち節の状態とな
る。さらに１８０°位相が進んだ中央部のフェライトチ
ューナ３ａの先端部のＧ点で再び電圧がゼロとなる。こ
こで全反射した電磁波はこの同軸線路内で定在波を作っ
て共振し、加速ギャップ１に高い電圧を発生させる。Here, point A → B in the coaxial line shown in FIG.
Consider a line from point → point C → point D → point C → point B → point E → point F → point G. First, the standing beam standing on this line has a 1/4 wavelength or 90 ° in phase between points A and D, and has a 1/2 wavelength or phase advance of 180 ° between points D and G. Accordingly, when the acceleration gap 1 is in the antinode state of the voltage waveform, the voltage becomes zero, that is, a node state, at the point D at the tip of the ferrite tuner 3b located on the side sandwiching the center. Further, the voltage becomes zero again at the point G at the tip of the ferrite tuner 3a at the center where the phase is advanced by 180 °. The electromagnetic wave totally reflected here forms a standing wave in the coaxial line and resonates, generating a high voltage in the acceleration gap 1.
【００４２】図２のグラフで示す電圧分布状態において
は、曲線１１は従来の中央部のみにフェライトチューナ
が存在する場合、曲線１２は本発明の場合をそれぞれ示
しており、この図から中央以外のフェライトチューナ３
ｂの位置で電圧が下がっていることが分かる。この図で
はフェライトチューナの電圧は示されていないが、その
先端部のＤ点及びＧ点では電圧はゼロになる。このこと
は、中央部以外のフェライトチューナ３ｂでも実効波長
が短縮されていることを示す。このようにフェライトチ
ューナを分散することで、実効波長の短縮を行いやすく
なり、周波数可変領域の幅を拡大することができる。In the voltage distribution state shown in the graph of FIG. 2, the curve 11 shows the case where the ferrite tuner exists only in the conventional central portion, and the curve 12 shows the case of the present invention. Ferrite tuner 3
It can be seen that the voltage has dropped at the position b. Although the voltage of the ferrite tuner is not shown in this figure, the voltage is zero at points D and G at the tip. This indicates that the effective wavelength of the ferrite tuner 3b other than the center is also shortened. By dispersing the ferrite tuners in this manner, the effective wavelength can be easily shortened, and the width of the frequency variable region can be increased.
【００４３】一方、２つの加速ギャップ１、１間の位相
差については、この加速空胴がいわゆる３／４・λ型の
共振器と考えられるため、全く問題にならない。すなわ
ち、２つの加速ギャップ１、１間の位相差を１８０°と
しても一方の加速ギャップ２と空胴の長さ方向ＡＸの中
央部とは９０°の位相差があるのに対し、その間で同軸
線路を進行する電磁波の位相は３／４・２π、すなわち
２７０°変化する。よってその差である１８０°分をフ
ェライトチューナ３の位相進みとしていることになる。
これは、従来のフェライトチューナ付きドリフトチュー
ブ型空胴において、同軸線路長９０°に対してフェライ
ト部がわずか２０°程度に過ぎなかった点と比較して相
当に大きい。On the other hand, the phase difference between the two acceleration gaps 1 and 1 has no problem at all because the acceleration cavity is considered to be a so-called 3 / 4.lambda. Type resonator. That is, even if the phase difference between the two acceleration gaps 1 and 1 is 180 °, there is a phase difference of 90 ° between one of the acceleration gaps 2 and the central portion in the longitudinal direction AX of the cavity, but the coaxial gap therebetween. The phase of the electromagnetic wave traveling on the line changes by 3/4 · 2π, that is, 270 °. Therefore, the difference of 180 ° is regarded as the phase advance of the ferrite tuner 3.
This is considerably larger than the conventional drift tube type cavity with a ferrite tuner in which the ferrite portion is only about 20 ° with respect to the coaxial line length of 90 °.
【００４４】以上のように、この実施の形態によれば、
全体の同軸線路長に占めるフェライト部、すなわち波長
の短縮を調整して周波数を変化させる作用を持った部分
の割合が増加し、より効率よく周波数可変領域の幅を拡
大できる。As described above, according to this embodiment,
The ratio of the ferrite portion to the entire coaxial line length, that is, the portion having the function of changing the frequency by adjusting the shortening of the wavelength is increased, and the width of the frequency variable region can be expanded more efficiently.
【００４５】なお、２つの加速ギャップ１、１間の距離
は、先に述べた通り位相差を１４０°として長さを７／
９としてもたかだか６％しか低下しないため、単位長さ
あたりの加速効率を重視する場合には１８０°より小さ
い幅にすることもできる。As described above, the distance between the two acceleration gaps 1 and 1 is set to be 7 / L with the phase difference of 140 °.
Since only 9% is reduced at 9, the width can be made smaller than 180 ° when emphasis is placed on acceleration efficiency per unit length.
【００４６】なお、図１では合計３本のフェライトチュ
ーナの例を示したが、さらに台数を増やしてもよいこと
は言うまでもない。Although FIG. 1 shows an example of a total of three ferrite tuners, it goes without saying that the number of ferrite tuners may be further increased.
【００４７】（第２の実施の形態）図３及び図４に示す
高周波加速空胴は、前述と同様の構成で、３本のフェラ
イトチューナ３ａ、３ｂ、３ｂを空胴の軸方向ＡＸに対
して垂直に横方向に吊り下げたものである。これによっ
て、前述の発明の原理に基づく同様の効果に加え、フェ
ライトチューナが高周波加速空胴の下部の空間を占める
割合が減るため、その空き空間が増えることにより機器
配置を容易にするといった利点がある。この空胴下部の
空間は真空排気機器や架台の設置で機器配置が難しい所
であるためである。(Second Embodiment) The high-frequency accelerating cavity shown in FIGS. 3 and 4 has the same structure as described above, and three ferrite tuners 3a, 3b, 3b are arranged in the axial direction AX of the cavity. It is suspended vertically and horizontally. As a result, in addition to the same effect based on the above-described principle of the present invention, the ratio that the ferrite tuner occupies the space below the high-frequency accelerating cavity is reduced. is there. This is because the space below the cavity is a place where equipment arrangement is difficult due to installation of a vacuum exhaust device and a gantry.
【００４８】（第３の実施の形態）図５に示す高周波加
速空胴は、前述と同様の構成で、ドリフトチューブ２の
中央部のフェライトチューナ３ａを空胴の軸方向ＡＸに
沿って水平に取り付ける一方、両端側のフェライトチュ
ーナ３ｂ、３ｂを空胴の軸方向ＡＸに対して垂直に上向
きに出して取り付けたものである。この場合にも、前述
と同様に空胴下部の空き空間を増やし、機器配置性をよ
くするといった利点がある。(Third Embodiment) The high-frequency accelerating cavity shown in FIG. 5 has the same configuration as that described above, and the ferrite tuner 3a at the center of the drift tube 2 is horizontally moved along the axial direction AX of the cavity. On the other hand, the ferrite tuners 3b and 3b at both ends are mounted so as to be vertically upward with respect to the axial direction AX of the cavity. Also in this case, there is an advantage that the empty space in the lower part of the cavity is increased as in the case described above, and the arrangement of the devices is improved.
【００４９】（第４の実施の形態）図６及び図７に示す
高周波加速空胴は、前述と同様の構成で、３本のフェラ
イトチューナ３ａ、３ｂ、３ｂをドリフトチューブ２の
横側に出して取り付け、チューナ３ａ、３ｂ、３ｂその
ものを上下方向を向くように取り付けたものである。こ
の場合にも、前述と同様に空胴下部の空き空間を増や
し、機器配置性をよくするといった利点がある。(Fourth Embodiment) The high-frequency accelerating cavity shown in FIGS. 6 and 7 has the same configuration as that described above, and three ferrite tuners 3a, 3b, 3b are extended to the side of the drift tube 2. The tuners 3a, 3b, and 3b are mounted so as to face up and down. Also in this case, there is an advantage that the empty space in the lower part of the cavity is increased as in the case described above, and the arrangement of the devices is improved.
【００５０】（第５の実施の形態）図８に示す高周波加
速空胴は、前述と同様の構成で、ドリフトチューブ２の
断面は通常の同心円ではなく、レーストラック状に形成
している。この場合も、同軸部の電気的特性は同心円断
面の場合と殆ど変わりない。これにより、前述の効果に
加え、ドリフトチューブ２の周方向に装着できるフェラ
イトチューナの数を増加させることができる。例えば、
パワーアンプとの干渉がない空胴中心部以外にチューナ
を設ける場合、図８に示すようにドリフトチューブ２の
周方向に４本のフェライトチューナ３ｂ…３ｂを装着す
ることも可能である。(Fifth Embodiment) The high-frequency accelerating cavity shown in FIG. 8 has the same configuration as that described above, and the cross section of the drift tube 2 is not formed as a normal concentric circle but is formed in a race track shape. Also in this case, the electric characteristics of the coaxial portion are almost the same as those of the concentric section. Thereby, in addition to the above-described effects, the number of ferrite tuners that can be mounted in the circumferential direction of the drift tube 2 can be increased. For example,
When a tuner is provided at a position other than the center of the cavity where there is no interference with the power amplifier, it is possible to mount four ferrite tuners 3b... 3b in the circumferential direction of the drift tube 2 as shown in FIG.
【００５１】また直線部の長さをより長くすれば、さら
に多くの台数のフェライトチューナを装着できる。これ
によって、より有効に周波数可変領域を広げることがで
きるといった利点がある。If the length of the straight portion is made longer, more ferrite tuners can be mounted. Thereby, there is an advantage that the frequency variable region can be expanded more effectively.
【００５２】[0052]
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、従来のフェライトチューナ付きドリフトチューブ型
空胴のフェライトチューナを長さ方向の中央部上以外に
設けたため、いわゆる３／４・λ型の共振を実現するこ
とにより、加速効率を低下させることなく周波数可変領
域の幅を拡大することができる。また高周波加速空胴の
下の空間を占める割合が減り、架台まわりの機器配置が
容易になる。As described above, according to the present invention, the so-called 3 / 4.lambda. Type is provided because the ferrite tuner of the conventional drift tube type cavity with a ferrite tuner is provided at a position other than the center in the longitudinal direction. By realizing the above resonance, the width of the frequency variable region can be increased without lowering the acceleration efficiency. Also, the proportion of the space below the high-frequency accelerating cavity is reduced, and the arrangement of the equipment around the gantry becomes easy.
【図１】第１の実施の形態にかかる高周波加速空胴の全
体構成を示す概略断面図。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the entire configuration of a high-frequency acceleration cavity according to a first embodiment.
【図２】図１の場合の高周波加速空胴の原理を説明する
グラフ。FIG. 2 is a graph illustrating the principle of a high-frequency accelerating cavity in the case of FIG.
【図３】第２の実施の形態にかかる高周波加速空胴の全
体構成を示す概略断面図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the entire configuration of a high-frequency acceleration cavity according to a second embodiment.
【図４】図３中のＩ−Ｉ線に沿った断面図。FIG. 4 is a sectional view taken along the line II in FIG. 3;
【図５】第３の実施の形態にかかる高周波加速空胴の全
体構成を示す概略断面図。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the entire configuration of a high-frequency acceleration cavity according to a third embodiment.
【図６】第４の実施の形態にかかる高周波加速空胴の全
体構成を示す概略断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the entire configuration of a high-frequency acceleration cavity according to a fourth embodiment.
【図７】図６中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。FIG. 7 is a sectional view taken along the line II-II in FIG. 6;
【図８】第５の実施の形態にかかる高周波加速空胴を示
すビーム軸方向からみた概略断面図。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a high-frequency accelerating cavity according to a fifth embodiment, viewed from a beam axis direction.
【図９】従来のドリフトチューブ型高周波加速空胴（フ
ェルミ研究所のブースターシンクロトロンに搭載）を示
す概略斜視図。FIG. 9 is a schematic perspective view showing a conventional drift tube type high-frequency accelerating cavity (mounted on a booster synchrotron of Fermilab).
【図１０】従来のドリフトチューブ型高周波加速空胴の
原理を説明する概略断面図。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating the principle of a conventional drift tube type high frequency acceleration cavity.
１、１ 加速ギャップ ２ ドリフトチューブ（ビームダクト） ３ａ フェライトチューナ（中央部） ３ｂ フェライトチューナ（中央部外） ４ パワーアンプ ５ フェライト ＡＸ ビーム軸方向（空胴の長さ方向） 1, 1 Acceleration gap 2 Drift tube (beam duct) 3a Ferrite tuner (center) 3b Ferrite tuner (outside center) 4 Power amplifier 5 Ferrite AX Beam axis direction (cavity length direction)
Claims (5)
間をビーム軸方向に連絡するビームダクトと、前記ビー
ムの加速用高周波信号の共振周波数を可変調整するフェ
ライトチューナとを備え、このフェライトチューナを、
前記ビームタクトのビーム軸方向の中央部とそれ以外の
部分とに分散させて接続したことを特徴とする高周波加
速空胴。1. A beam duct communicating between two acceleration gaps for accelerating a beam in a beam axis direction, and a ferrite tuner for variably adjusting a resonance frequency of a high-frequency signal for accelerating the beam, the ferrite tuner being provided with a ferrite tuner. ,
A high-frequency accelerating cavity, wherein the cavity is dispersed and connected to a central portion of the beam tact in the beam axis direction and other portions.
ライトチューナをその軸方向が前記ビームダクトのビー
ム軸方向に９０度の向きで前記ビームダクトに取り付け
たことを特徴とする高周波加速空胴。2. The high-frequency accelerating cavity according to claim 1, wherein said ferrite tuner is attached to said beam duct so that its axis is oriented at 90 degrees to the beam axis of said beam duct.
前記フェライトチューナを前記ビームタクトの上部及び
横部の少なくとも一方に接続したことを特徴とする高周
波加速空胴。3. The method according to claim 1, wherein
A high-frequency accelerating cavity, wherein the ferrite tuner is connected to at least one of an upper part and a lateral part of the beam tact.
載の発明において、前記ドリフトチューブを一方向に直
線状に延びた断面形状で構成したこと特徴とする高周波
加速空胴。4. The high-frequency acceleration cavity according to claim 1, wherein the drift tube has a cross-sectional shape linearly extending in one direction.
間をビーム軸方向に連絡するビームダクトと、前記ビー
ムの加速用高周波信号の高周波電圧の共振周波数を可変
調整するフェライトチューナとを備え、このフェライト
チューナをその軸方向が前記ビームダクトのビーム軸方
向に９０度の向きで前記ビームダクトに取り付けたこと
を特徴とする高周波加速空胴。5. A beam duct communicating in a beam axis direction between two acceleration gaps for accelerating a beam, and a ferrite tuner variably adjusting a resonance frequency of a high-frequency voltage of a high-frequency signal for acceleration of the beam. A high-frequency accelerating cavity, wherein a ferrite tuner is attached to the beam duct so that its axis is oriented at 90 degrees to the beam axis of the beam duct.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7926798A JPH11273898A (en) | 1998-03-26 | 1998-03-26 | High-frequency acceleration cavity |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7926798A JPH11273898A (en) | 1998-03-26 | 1998-03-26 | High-frequency acceleration cavity |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11273898A true JPH11273898A (en) | 1999-10-08 |
Family
ID=13685097
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7926798A Pending JPH11273898A (en) | 1998-03-26 | 1998-03-26 | High-frequency acceleration cavity |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11273898A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007034573A1 (en) * | 2005-09-26 | 2007-03-29 | National Institute Of Radiological Sciences | H-mode/drift-tube linear accelerator, and its designing method |
| KR100907239B1 (en) | 2007-11-27 | 2009-07-10 | 한국원자력연구원 | A method for controlling the radio-frequency accelerator |
| JP2017084574A (en) * | 2015-10-27 | 2017-05-18 | 株式会社東芝 | Untuned high-frequency acceleration cavity, accelerator, and impedance adjustment method of untuned high-frequency acceleration cavity |
-
1998
- 1998-03-26 JP JP7926798A patent/JPH11273898A/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2007034573A1 (en) * | 2005-09-26 | 2007-03-29 | National Institute Of Radiological Sciences | H-mode/drift-tube linear accelerator, and its designing method |
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