JP2005116328A - 周波数補償器及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータの制御を容易とし、また配置の自由度が高い周波数補償器を提供する。
【解決手段】 周波数補償器７０は、モータ８６の駆動により高周波共振器側の電極２４に対し補償板８０を進退させ、周波数を補償する。この周波数補償器７０は、モータ８６の駆動によりロッド７４を軸方向に進退させるリニア駆動機構７２と、ロッド７４の軸方向の進退運動を、軸方向とは異なる方向の補償板８０の高周波共振器側の電極２４に対する進退運動に変換する運動変換機構８４と、モータ８６の回転量と補償板８０の進退量との関係を、高周波共振器側の電極２４と補償板８０との間の距離に応じて変更する出力変換機構９６，９８と、を備える。
【選択図】 図９

Description

本発明は、高周波共振器の周波数補償器、及びその駆動方法に関する。

サイクロトロン等の粒子加速器に使用される高周波共振器（ＲＦキャビティ）は、粒子に高周波（ＲＦ）電力を与えることによって粒子を加速する。高周波共振器は、加速電極（ディー）及び内導体（ステム）を含むＲＦ電極と、外導体とを有している。この高周波共振器は、所定の周波数（共振周波数）で粒子に電力を与えるように設計されている（例えば、特許文献１）。

このような粒子加速器の稼動中には、温度変化やその他の要素により共振周波数が変化するため、ＲＦ電力の周波数を調整することが必要となる。そのための装置として、Ｃ型補償器とＬ型補償器とがあり、一般的にＣ型補償器が多く用いられる（例えば、特許文献２）。

Ｃ型補償器は、モータ、及びモータの駆動により軸方向に進退されるロッドを有するリニア駆動機構と、電極としての補償板と、を備えている。補償板は、ロッドの先端に取り付けられている。従って、モータを駆動してロッドを進退させることで、ＲＦ電極に対して補償板を近付けたり遠ざけたりすることができる。Ｃ型補償器は、このように補償板をＲＦ電極に対して進退させることで、キャパシタンスを調整して、周波数を補償する。
特開平５−１４４５９７号公報 特開２０００−２２８２９９号公報

ここで、ＲＦ電力の周波数ｆは、次式（１）を用いて表すことができる。

式（１）において、Ｌはインダクタンスであり、Ｃはキャパシタンスであり、Ｓは電極面積であり、εは誘電率であり、ｄは電極間距離である。式（１）に示すように、ＲＦ電力の周波数ｆは、ｄ^１／２に比例する。よって、ＲＦ電極と補償板との距離ｄがある程度以上となると、距離ｄの変動量Δｄに対する周波数ｆの変動量Δｆは非常に小さくなる。逆に言えば、ＲＦ電極と補償板との距離ｄがある程度以下となると、距離ｄの変動量Δｄに対する周波数ｆの変動量Δｆは非常に大きくなる。

従って、距離ｄが大きいときに周波数ｆを所定量Δｆだけ変動させるためには、補償板の移動量Δｄは大きくする必要がある。逆に言えば、距離ｄが小さいときに周波数ｆを所定量Δｆだけ変動させるためには、補償板の移動量Δｄは小さくする必要がある。

しかしながら、従来のＣ型補償器では、モータの駆動により単にロッドを軸方向に進退させていた。従って、周波数遅れに対する反応を一定にしてビーム出力を安定させるため、一定時間内に周波数ｆを所定量Δｆだけ変動させる必要があるとき、距離ｄが大きいときにはモータの回転数を高くする必要があり、一方、距離ｄが小さいときにはモータの回転数を低くする必要があった。このように、距離ｄに応じてモータの回転数を変動させる必要があり、モータの制御が複雑になるという問題があった。

本発明は、上記した事情に鑑みて為されたものであり、モータの制御を容易とする周波数補償器及びその駆動方法を提供することを目的とする。

また、近年、医療用サイクロトロン等においては、建て屋の簡略化及び軽量化等の観点から、サイクロトロン設置室自体をシールドする必要のない自己シールド型のサイクロトロンが求められており、サイクロトロン自体のコンパクト化が必要とされている。

しかしながら、従来のＣ型補償器では、補償板の移動方向（ロッドの軸方向）に駆動源としてのモータを設置する必要があり、配置の自由度が低く、サイクロトロンのコンパクト化を妨げているという問題があった。

本発明は、上記した事情に鑑みて為されたものであり、配置の自由度が高い周波数補償器を提供することを目的とする。

本発明に係る周波数補償器の駆動方法は、モータの駆動により高周波共振器側の電極に対し補償板を進退させ、周波数を補償する。この方法では、モータの回転数を一定とし、モータの回転量と補償板の進退量との関係を、高周波共振器側の電極と補償板との間の距離に応じて変更することを特徴とする。

また本発明に係る周波数補償器は、モータの駆動により高周波共振器側の電極に対し補償板を進退させ、周波数を補償する。この周波数補償器は、モータの回転量と補償板の進退量との関係を、高周波共振器側の電極と補償板との間の距離に応じて変更する出力変換機構を備えることを特徴とする。

この周波数補償器及びその駆動方法では、出力変換機構により、高周波共振器側の電極と補償板との距離が小さいときには、モータの所定回転量に対する補償板の進退量を小さくし、一方、高周波共振器側の電極と補償板との距離が大きいときには、モータの所定回転量に対する補償板の進退量を大きくすることができる。このように、モータの回転量と補償板の進退量との関係を、高周波共振器側の電極と補償板との間の距離に応じて変更することで、高周波共振器側の電極と補償板との距離にかかわらず、所望時間内に必要な量だけ周波数を変動させて、高周波共振器の周波数を補償することができる。その結果、周波数遅れに対する反応を一定にすることができ、例えばサイクロトロン等の粒子加速器においては、ビーム出力を安定させることが可能となる。このとき、モータの回転数を一定とすることで、その制御が容易になる。

本発明に係る周波数補償器の駆動方法では、高周波共振器側の電極と補償板とが第１の距離ｄ１及びこれより大きい第２の距離ｄ２だけそれぞれ離れているとき、モータの一定回転量に対する補償板の進退量をそれぞれΔＧ（ｄ１）及びΔＧ（ｄ２）とすると、ΔＧ（ｄ１） ≦ ΔＧ（ｄ２）であることを特徴としてもよい。このようにすれば、高周波共振器の周波数を好適に補償することができる。

本発明に係る周波数補償器は、モータの駆動により高周波共振器側の電極に対し補償板を進退させ、周波数を補償する。この周波数補償器は、モータの駆動によりロッドを軸方向に進退させるリニア駆動機構と、ロッドの軸方向の進退運動を、軸方向とは異なる方向の補償板の高周波共振器側の電極に対する進退運動に変換する運動変換機構と、を備えることを特徴とする。

この周波数補償器は、運動変換機構を備えているため、ロッドが進退する軸方向と、補償板が進退する方向とが異なる。従って、補償板が進退する方向にモータを配置する必要がなく、配置の自由度が高くなって、例えばサイクロトロン等の粒子加速器では、コンパクト化が可能となる。

本発明に係る周波数補償器は、モータの駆動により高周波共振器側の電極に対し補償板を進退させ、周波数を補償する。この周波数補償器は、モータの駆動によりロッドを軸方向に進退させるリニア駆動機構と、ロッドの軸方向の進退運動を、軸方向とは異なる方向の補償板の高周波共振器側の電極に対する進退運動に変換する運動変換機構と、モータの回転量と補償板の進退量との関係を、高周波共振器側の電極と補償板との間の距離に応じて変更する出力変換機構と、を備えることを特徴とする。

この周波数補償器は、運動変換機構を備えているため、ロッドが進退する軸方向と、補償板が進退する方向とが異なる。従って、補償板が進退する方向にモータを配置する必要がなく、配置の自由度が高くなって、例えばサイクロトロン等の粒子加速器では、コンパクト化が可能となる。また、出力変換機構により、高周波共振器側の電極と補償板との距離が小さいときには、モータの所定回転量に対する補償板の進退量を小さくし、一方、高周波共振器側の電極と補償板との距離が大きいときには、モータの所定回転量に対する補償板の進退量を大きくすることができる。このように、モータの回転量と補償板の進退量との関係を、高周波共振器側の電極と補償板との間の距離に応じて変更することで、高周波共振器側の電極と補償板との距離にかかわらず、所望時間内に必要な量だけ周波数を変動させて、高周波共振器の周波数を補償することができる。その結果、周波数遅れに対する反応を一定にすることができ、例えばサイクロトロン等の粒子加速器においては、ビーム出力を安定させることが可能となる。このとき、モータの回転数を一定とすることで、その制御が容易になる。

本発明に係る周波数補償器において、運動変換機構は、ロッドに一端が係止されると共に、他端には補償板が固定されており、ロッドの進退により所定軸を中心として回転して、補償板を高周波共振器側の電極に対して進退させるガイド部材を有することを特徴としてもよい。このようにすれば、ロッドの進退により所定軸を中心としてガイド部材が回転することで、ロッドの軸方向とは異なる方向に補償板が移動され、高周波共振器側の電極に対して進退される。

本発明に係る周波数補償器において、出力変換機構は、ロッドとガイド部材の一端との間に設けられる窪み部と、ロッドの進退により窪み部内を移動する突起部と、を有することを特徴としてもよい。このようにすれば、ロッドの進退により突起部が窪み部内を移動することにより、モータの回転量と補償板の進退量との関係が、高周波共振器側の電極と補償板との間の距離に応じて変更される。

本発明に係る周波数補償器の駆動方法は、モータの駆動により高周波共振器側の電極に対し補償板を進退させ、周波数を補償する。この方法では、モータからの出力を、高周波共振器側の電極と補償板との間の距離に応じて所定の出力に変換し、変換後の出力に基づいて補償板を進退させることを特徴とする。

この方法では、モータの回転数を一定とし、高周波共振器側の電極と補償板との距離が小さいときには変換後の出力を小さくして補償板の進退量を小さくし、一方、高周波共振器側の電極と補償板との距離が大きいときには変換後の出力を大きくして補償板の進退量を大きくすることができる。このように、モータからの出力を、高周波共振器側の電極と補償板との間の距離に応じて所定の出力に変換することで、高周波共振器側の電極と補償板との距離にかかわらず、所望時間内に必要な量だけ周波数を変動させて、高周波共振器の周波数を補償することができる。その結果、例えばサイクロトロン等の粒子加速器においては、ビーム出力を安定させることが可能となる。このとき、モータの回転数は一定であるため、その制御が容易になる。

本発明によれば、モータの制御を容易とする周波数補償器及び周波数補償方法が提供される。また本発明によれば、配置の自由度が高い周波数補償器が提供される。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る周波数補償器を備えた粒子加速器として、サイクロトロンの構成を示す正面図である。図１に示すように、サイクロトロン１０は縦型で、また全体が放射線を遮断する鉛等の遮蔽壁１００で覆われた自己シールド型のサイクロトロンである。

図２は、図１に示すサイクロトロン長軸に沿ってＩＩ−ＩＩ線で切断したサイクロトロン１０の断面図である。また図３は、サイクロトロン１０の本体部１２と蓋部１４とを分離した状態の断面図である。また図４は、サイクロトロン１０の本体部１２の正面図である。

図２〜４に示すように、サイクロトロン１０は、一対の磁極１６と、一対のコイル１８と、真空箱２０と、一対の高周波共振器と、ヨーク２８と、一対の周波数補償器７０と、を備えている。

一対の磁極１６は、図４及び図５に示すように、それぞれ円板状の外形を有する。これら磁極１６の対向する面には、それぞれ谷領域１６ａと山領域１６ｂとが交互に連続して設けられている。より詳細には、これら磁極１６の対向する面は、それぞれ４つの谷領域１６ａと４つの山領域１６ｂとが交互に現れる８つの扇形のセクタに分割されている。このように構成することで、セクターフォーカシングを利用して加速粒子の高集束を図っている。

ヨーク２８は、本体部１２側のヨーク本体２８ａと、蓋部１４側のヨーク蓋２８ｂとを有している。ヨーク本体２８ａは、図２及び図３に示すように、縦断面がコ字状をなす。ヨーク蓋２８ｂは、鉛直方向に沿って延び、正面視が長方形状をなす。ヨーク蓋２８ｂの長軸は、磁極１６の直径の二倍程度の長さであり、短軸は磁極１６の直径よりも若干長い程度の長さである。一対の磁極１６の一方は、ヨーク本体２８ａ上に設けられ、他方の磁極１６は、ヨーク蓋２８ｂ上に設けられている。そして、固定側のヨーク本体２８ａに対して可動側のヨーク蓋２８ｂを付き当てることで、図２に示すように、環状のヨーク２８が構成されている。なお、ヨーク蓋２８ｂの長軸はヨーク２８全体としての高さと等しく、以降はこれをヨーク長軸という。このヨーク長軸が、サイクロトロン長軸となる。

真空箱２０は、図６に示すように、箱本体３０と箱蓋３２とを有している。箱本体３０は、底壁部３０ａと側壁部３０ｂとを含んでいる。底壁部３０ａには、磁極１６の外形と略同径の開口部３０ｃが設けられている。また、底壁部３０ａには真空排気用の２つの排気口３０ｄが設けられている。これら排気口３０ｄに、図１に示すように真空ポンプ１０２が接続される。また底壁部３０ａには、後述する周波数補償器７０のリニア駆動機構７２が有するロッド７４を支持し、その直線運動をガイドするためのロッド支持部７６が設けられている。ロッド支持部７６は、例えば底壁部３０ａ上に立設された板材であって、ロッド７４が挿通される貫通孔７８を有している。この箱本体３０が、図２〜４に示すように、サイクロトロン１０の本体部１２側に取り付けられる。箱本体３０が取り付けられたとき、磁極１６の表面は開口部３０ｃを通して真空箱２０内に突出している。箱蓋３２は、箱本体３０の上部開口を塞ぐ。この箱蓋３２には、磁極１６の外形と略同径の開口部３２ａが設けられている。この箱本体３２が、図２〜４に示すように、サイクロトロン１０の蓋部１４側に取り付けられる。箱蓋３２が取り付けられたとき、磁極１６の表面は開口部３２ａを通して真空箱２０内に突出している。

サイクロトロン１０の本体部１２側のコイル１８は、図２及び図３に示すように、磁極１６の周りであってヨーク本体２８ａと箱本体３０との間に設けられており、電磁石が構成されている。また、サイクロトロン１０の蓋部１４側のコイル１８は、磁極１６の周りであってヨーク蓋２８ｂと箱蓋３２との間に設けられており、電磁石が構成されている。

一対の高周波共振器は、それぞれ加速電極２２と、内導体２４と、外導体２６と、を有している。

一対の加速電極２２は、図４に示すように、それぞれ正面視において略三角形状をなす。各加速電極２２は、図７に示すように、上下２枚の三角板を底辺で連結して構成されている。そして、加速電極２２の板面には複数の孔２２ａが穿設されている。これにより、真空排気の効率化とサイクロトロン１０の軽量化が図られている。かかる構成の一対の加速電極２２が、図３及び図４に示すように、サイクロトロン１０の本体部１２側に設けられている。ここで、一対の加速電極２２が並置される並び軸（所定軸）Ｘは、ヨーク長軸に沿っていると好ましい。本実施形態では、並び軸Ｘとヨーク長軸とは一致している。

これら一対の加速電極２２は、一対の磁極１６の谷領域１６ａに位置する。そして、加速電極２２の先端部同士が、図７に示すように、蝶の羽のような外形を有する接続部材３４により、機械的且つ電気的に接続されている。

一対の内導体２４は、図４及び図７に示すように、それぞれ加速電極２２の並び軸Ｘと交差する方向に、当該並び軸Ｘに対して反対方向に延びている。これら一対の内導体２４はそれぞれ円筒状の部材であり、一端が加速電極２２に接続されている。そして、加速電極２２の並び軸Ｘと内導体２４の軸との交点Ｐ１と、内導体２４の軸とショート板３７との交点Ｐ２と、を結ぶ直線と、並び軸Ｘとのなす角度θは鋭角である。なお、内導体２４は湾曲していてもよい。このようにすれば、サイクロトロン１０がよりコンパクトになる。また、ショート板３７と内導体２４との交点Ｐ２近傍の磁界が最大になる部分において、内導体２４と外導体２６との距離を離すことができるため、当該交点Ｐ２近傍での磁界を弱めることで発熱を抑えることができる。更に、内導体２４と真空箱２０との距離を離すことができるため、当該交点Ｐ２近傍での磁界が真空箱２０に与える影響を弱めることで発熱を抑えることができる。

一対の外導体２６は、それぞれ一対の内導体２４を取り囲む。各外導体２６は、図８に示すように、外導体本体部３６と外導体蓋部３８とを含み、所定周波数を生成するように外形が設計されている。外導体本体部３６は、底壁部３６ａと側壁部３６ｂとカウンタ電極３６ｃとを有する。カウンタ電極３６ｃは、外形が加速電極２２よりも若干大きく、加速電極２２の下板を収容可能である。これにより、加速電極２２の下板とカウンタ電極３６ｃの上端が面一になる。この外導体本体部３６が、サイクロトロン１０の本体部１２側で真空箱２０の箱本体３０上に設けられている。このとき、カウンタ電極３６ｃは磁極１６の谷領域１６ａに入り込む。そして、側壁部３６ｂの一端に、ショート板３７が設けられている。ショート板３７は、内導体２４と外導体２６とを短絡する。このショート板３７に設けられた開口部３７ｅを通して、加速電極２２が連結された内導体２４が支持されている。外導体本体部３６の側壁部３６ｂには、後述する周波数補償器７０を通す開口３６ｅが設けられている。また、カウンタ電極３６ｃに近い側壁部３６ｂ上には、後述する周波数補償器７０が備える補償板８０をアースするためのアース部材８２が設けられている。このアース部材８２は補償板８０に連結されるものであり、補償板８０の進退に伴って変形可能なように、銅等から形成された導電性を有する薄板から構成されている。

外導体蓋部３８は、底壁部３８ａと側壁部３８ｂとカウンタ電極３８ｃとを有する。カウンタ電極３８ｃは、外形が加速電極２２よりも若干大きく、加速電極２２の上板を収容可能である。これにより、加速電極２２の上板とカウンタ電極３８ｃの下端が面一になる。この外導体蓋部３８が、サイクロトロン１０の蓋部１４側で真空箱２０の箱蓋３２上に設けられる。このとき、カウンタ電極３８ｃは磁極１６の谷領域１６ａに入り込む。

サイクロトロン１０の本体部１２と蓋部１４とを合体させたとき、外導体本体部３６と外導体蓋部３８とが合体し、閉空間が形成される。この閉空間内に、加速電極２２及び内導体２４が収容される。このようにして、外導体２６、内導体２４、及び加速電極２２により、高周波共振器（ＲＦキャビティ）が形成される。また、内導体２４と加速電極２２により、ＲＦ電極（高周波共振器側の電極）が形成される。なお、外導体本体部３６及び外導体蓋部３８それぞれの側壁部３６ｂ，３８ｂの縁とショート板３７の縁には、コンタクトフィンガー４０が設けられている。コンタクトフィンガー４０は、バネ板片を所定方向に連続して並べて構成したものである。このように、外導体本体部３６と外導体蓋部３８及びショート板３７がコンタクトフィンガー４０を介して合わさることで、両者の確実な電気的接続が図られている。

一対の内導体２４は、図４に示すように、それぞれ真空箱２０の外まで延びている。これら内導体２４の内部には、冷媒を循環させるための管４２が通っており、加速電極２２及び内導体２４を冷却できるようになっている。また、外導体２６の内部にも冷媒を循環させるための管（図示しない）が通っており、外導体２６を冷却できるようになっている。

このように、本実施形態に係るサイクロトロン１０では、一対の内導体２４は、それぞれ加速電極２２の並び軸Ｘと交差するように、当該並び軸Ｘに対して反対方向に延びている。従って、磁極１６の周りには他の装置を配置するスペースが生じる。そこで、このスペースに、並び軸Ｘに対して対称な位置に、加速粒子を取り出すためのフォイルストリッパー４６と、放射性同位元素を生成するためのターゲット４８とを配置している。また、真空箱２０の右方に、先端が磁極１６内に至る電流検出器５０が設けられている。

また、真空箱２０に設けられた排気口３０ｄと、磁極１６の中心部に設けられたビーム引出し部Ｏとの間に、磁極１６の谷領域１６ａが存在している。よって、排気口３０ｄからビーム引出し部Ｏが見通せるようになっている。

一対の周波数補償器７０は、図４に示すように、それぞれ内導体２４に沿って設けられている。この周波数補償器７０は、リニア駆動機構７２と、ガイド部材（運動変換機構）８４と、補償板８０とを備えている。

リニア駆動機構７２は、図９に示すように、モータ８６と、モータ８６の駆動によりその軸方向に進退するロッド７４と、を有している。モータ８６とロッド７４との間には、公知の運動伝達機構が設けられている。運動伝達機構は、例えば外周面に雄ネジが刻設されたボールネジ８８と、このボールネジ８８の雄ネジと噛合するように、ロッド７４の起端部に穿設された雌ネジを含むネジ穴とにより構成することができる。このボールネジ８８を、モータ８６の出力軸９０にカップリング９２を介して連結することで、ボールネジ８８はモータ８６の出力軸９０と同期に回転する。そして、このボールネジ８８が回転することで、ボールネジ８８がロッド７４のネジ穴にねじ込まれたり、引き出されたりして、ロッド７４がその軸方向に進退する。

このリニア駆動機構７２は、大部分が真空箱２０の外部に配置され、ロッド７４が側壁部３０ｂを貫通して真空箱２０の内部にまで延びている。そして、ロッド７４は真空箱２０の底壁部３０ａ上に設けられたロッド支持部７６の貫通孔７８に挿通され、その直線運動がガイドされている。なお、リニア駆動機構７２のロッド７４の軸方向Ｙは、高周波共振器の内導体２４の軸方向にほぼ沿っている。

ガイド部材８４は、図１０に示すように、外形が略扇形状の板材である。ガイド部材８４の先端には、補償板８０を取り付けるための取付部９４が設けられている。ガイド部材８４の起端部は、リニア駆動機構７２のロッド７４と連結されるようになっている。より詳細には、図１１に示すように、ロッド７４の先端には円柱状の突起部９６が設けられており、ガイド部材８４の起端部にはその突起部９６が摺動可能に嵌まり込む窪み部９８が設けられている。本実施形態では、窪み部９８は貫通形成された孔から構成されており、嵌め込まれた突起部９６の先端にナット５２が締結されて、ロッド７４とガイド部材８４との連結が確実になされている。図９に示すように、ガイド部材８４は、その大部分が外導体２６の内部に設けられており、起端部は外導体２６の側壁部３６ｂに設けられた開口３６ｅから出入りできるようになっている。

補償板８０は、図１２に示すように、長手方向に垂直な断面が円弧状をなす板材である。この補償板８０は、例えば銅などの金属から形成されており、内径が内導体２４の外径より若干大きくなるように形成されている。従って、図１３に示すように、補償板８０は内導体２４に対して至近距離まで近接できるようになっている。この補償板８０は、図１２に示すように、外面に設けられた基部５４を介して、ガイド部材８４の取付部９４に取り付けられている。

上記したガイド部材８４は、長手方向について略中心付近に支点Ｑを有し、図９及び図１３に示すように、外導体２６の底壁部３６ａ上に立設された所定軸としてのピン（図示しない）により、その支点Ｑを中心として図中の矢印方向（図９に示すＡ方向、或いは、図１３に示すＢ方向）に回転可能に支持されている。

ここで、上記したように、リニア駆動機構７２のロッド７４とガイド部材８４とは、突起部９６及び窪み部９８を介して連結されているため、ロッド７４が進退して窪み部９８内を突起部９６が移動することにより、図９及び図１３に示すように、ガイド部材８４が支点Ｑを中心として回転して、補償板８０が内導体２４に対して進退されるようになっている。この様な機構により補償板８０が進退される周波数補償器７０では、補償板８０の進退方向Ｚは、リニア駆動機構７２のロッド７４の進退方向Ｙと交差（ここでは、ほぼ直交）している。

ここで、式（１）を参照して前述したように、ＲＦ電力の周波数ｆは、図１４に示すように、ＲＦ電極（ここでは内導体２４）と補償板８０との距離（電極間距離）をｄとして、ｄ^１／２に比例する。よって、内導体２４と補償板８０との距離ｄがある程度以上となると、距離ｄの変動量Δｄに対する周波数ｆの変動量Δｆは非常に小さくなる。逆に言えば、内導体２４と補償板８０との距離ｄがある程度以下となると、距離ｄの変動量Δｄに対する周波数ｆの変動量Δｆは非常に大きくなる。

従って、距離ｄが大きいときに周波数ｆを所定量Δｆだけ変動させるためには、補償板８０の移動量Δｄは大きくする必要がある。逆に言えば、距離ｄが小さいときに周波数ｆを所定量Δｆだけ変動させるためには、補償板８０の移動量Δｄは小さくする必要がある。

本実施形態では、上記した事情を踏まえ、ＲＦ電力の周波数ｆがｄ^１／２に比例することを考慮して、図１０に示すように、窪み部９８を、直線状に延びる孔の部分（直線部）９８ａと、曲線状に延びる孔の部分（曲線部）９８ｂとにより構成している。これにより、図１４に示すように、距離ｄの変動に対して周波数ｆが略直線的に変動する距離範囲（ｄ＞ｄ_０）では、モータ８６の回転量に対して補償板８０の進退量が直線的に変動するようにしている。一方、距離ｄの変動に対して周波数ｆが曲線的に変動する距離範囲（ｄ≦ｄ_０）では、モータ８６の回転量に対して補償板８０の進退量が曲線的に変動するようにしている。

このようにして、モータ８６の回転量と補償板８０の進退量との関係を、内導体と補償板８０との間の距離に応じて変更できるようにしている。本実施形態では、この窪み部９８と突起部９６とが、出力変換機構を構成している。

なお、窪み部９８は、ＲＦ電力の周波数ｆがｄ^１／２に比例することを考慮して、図１５（ａ）に示すように、傾きの異なる直線部を繋げて構成したものであってもよいし、また図１５（ｂ）に示すように、全て曲線部で構成してもよい。最も好ましくは、周波数ｆが常にリニアに変化するように、窪み部９８の形状を決定するとよい。ただし、いずれの場合であっても、内導体２４と補償板８０とが第１の距離ｄ１及びこれより大きい第２の距離ｄ２だけそれぞれ離れているとき、モータ８６の一定回転量に対する補償板８０の進退量をそれぞれΔＧ（ｄ１）及びΔＧ（ｄ２）とすると、ΔＧ（ｄ１） ≦ ΔＧ（ｄ２）であるように設計すると好ましい。このようにすれば、高周波共振器の周波数を好適に補償することができる。

次に、本実施形態に係るサイクロトロン１０が備える周波数補償器７０の駆動方法について説明する。

本実施形態に係るサイクロトロン１０では、まず所定の周波数（共振周波数）で粒子に電力を与えるように、内導体２４に対して補償板８０を所定距離だけ離して運転する。

この状態で、図４を参照して、磁極１６の中心部に設けられたビーム引出し部Ｏから引き出された陽子或いは重陽子といった加速粒子は、ＲＦキャビティにより生成される加速電極２２とカウンタ電極３６ｃ，３８ｃとの間の電界により、所定の共振周波数で多重加速される。そして、加速に伴って軌道半径が大きくなり、最後にフォイルストリッパー４６のフォイルにより軌道が曲げられて、ターゲット４８内に進入する。

このようなサイクロトロン１０の稼動中には、温度変化やその他の要素により共振周波数が変化するため、周波数ｆを調整することが必要となる。

例えば、図１４に示すｄ_２の距離で運転を開始したとき（点Ｅ１参照）、電極間距離ｄと周波数ｆとの関係が曲線Ｓで表すように変化して、周波数がΔｆだけ変動すると（点Ｅ２参照）、これを補償する必要がある。この周波数の変動Δｆを補償するためには、補償板８０をΔｄ_２だけ遠ざける（点Ｅ３参照）必要がある（第１のケース）。一方、図１４に示すｄ_１の距離で運転を開始したとき（点Ｆ１参照）、電極間距離ｄと周波数ｆとの関係が曲線Ｔで表すように変化して、周波数がΔｆだけ変動すると（点Ｆ２参照）、これを補償する必要がある。この周波数の変動Δｆを補償するためには、補償板８０をΔｄ_１だけ遠ざける（点Ｆ３参照）必要がある（第２のケース）。

このとき、本実施形態では、ガイド部材８４の窪み部９８を、直線状に延びる孔の部分（直線部）９８ａと、曲線状に延びる孔の部分（曲線部）９８ｂとにより構成している。従って、第１のケースでは、モータ８６の回転量に対して補償板８０の進退量が直線的に変動して、補償板８０が大きく変位する。一方、第２のケースでは、モータ８６の回転量に対して補償板８０の進退量が曲線的に変動して、補償板８０が小さく変位する。

このように、モータ８６の出力は、ガイド部材８４の窪み部９８とロッド７４の突起部９６とから構成される出力変換機構により、内導体２４と補償板８０との距離に応じて、ガイド部材８４を必要な量だけ回転させる所定出力に変換され、この変換後の出力に基づいて、ガイド部材８４により補償板８０が内導体２４に対して進退される。

このようにして、必要な量だけ周波数を変動させて、高周波共振器の周波数ｆを補償する。このとき、一連の操作において、モータ８６の回転数を常に一定とすることで、内導体２４と補償板８０との距離にかかわらず、所望時間内に周波数の補償が行われる。

次に、本実施形態に係るサイクロトロン１０の作用及び効果について説明する。

本実施形態では、モータ８６の回転量と補償板８０の進退量との関係を、内導体２４と補償板８０との間の距離に応じて変更できるため、内導体２４と補償板８０との距離にかかわらず、所望時間内に必要な量だけ周波数を変動させて、高周波共振器の周波数ｆを補償することができる。その結果、周波数遅れに対する反応を一定にすることができ、サイクロトロン１０のビーム出力を安定させることが可能となる。このとき、モータ８６の回転数は一定であるため、その制御が容易になる。

また、ロッド７４の直線運動をガイド部材８４の回転運動に変換して、このガイド部材８４の回転運動により補償板８０を進退させている。従って、ロッド７４が進退する軸方向Ｙと、補償板８０が進退する方向Ｚとを異ならしめることができる。その結果、補償板８０が進退する方向にモータ８６を配置する必要がなく、配置の自由度が高くなって、サイクロトロン１０のコンパクト化が可能となる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、ショート板３７を内導体２４の軸方向に移動可能に構成して、高周波共振器の周波数ｆを粗調整するようにしてもよい。

また、モータ８６の回転量と補償板８０の進退量との関係を、高周波共振器側の電極（内導体２４）と補償板８０との間の距離に応じて変更する出力変換機構は、モータ８６の出力軸９０とボールネジ８８との間に設けてもよい。

本実施形態に係るサイクロトロンの構成を示す正面図である。 長軸に沿って切断したサイクロトロンの断面図である。 サイクロトロンの本体部と蓋部とを分離した状態の断面図である。 サイクロトロンの本体部の正面図である。 一対の磁極の構成を示す斜視図である。 真空箱の構成を示す斜視図である。 加速電極及び内導体の構成を示す斜視図である。 外導体の構成を示す斜視図である。 周波数補償器の構成を示す図である（内導体に対して補償板が最も離れている状態）。 ガイド部材の構成を示す斜視図である。 リニア駆動機構のロッドとガイド部材との連結の様子を示す斜視図である。 補償板の構成を示す斜視図である。 周波数補償器の構成を示す図である（内導体に対して補償板が最も近接している状態）。 電極間距離と周波数との関係を示すグラフである。 窪み部の変形例を示す図である。

符号の説明

１０…サイクロトロン、２２…加速電極、２４…内導体、２６…外導体、６０…高周波共振器、７０…周波数補償器、７２…リニア駆動機構、７４…ロッド、８０…補償板、８４…ガイド部材、８６…モータ、９６…突起部、９８…窪み部、９８ａ…直線部、９８ｂ…曲線部。

Claims (8)

1. モータの駆動により高周波共振器側の電極に対し補償板を進退させ、周波数を補償する周波数補償器の駆動方法であって、
   前記モータの回転数を一定とし、
   前記モータの回転量と前記補償板の進退量との関係を、前記高周波共振器側の電極と該補償板との間の距離に応じて変更することを特徴とする周波数補償器の駆動方法。
2. 前記高周波共振器側の電極と前記補償板とが第１の距離ｄ１及びこれより大きい第２の距離ｄ２だけそれぞれ離れているとき、
   前記モータの一定回転量に対する前記補償板の進退量をそれぞれΔＧ（ｄ１）及びΔＧ（ｄ２）とすると、
   ΔＧ（ｄ１） ≦ ΔＧ（ｄ２）
   であることを特徴とする請求項１に記載の周波数補償器の駆動方法。
3. モータの駆動により高周波共振器側の電極に対し補償板を進退させ、周波数を補償する周波数補償器であって、
   前記モータの回転量と前記補償板の進退量との関係を、前記高周波共振器側の電極と該補償板との間の距離に応じて変更する出力変換機構を備えることを特徴とする周波数補償器。
4. モータの駆動により高周波共振器側の電極に対し補償板を進退させ、周波数を補償する周波数補償器であって、
   前記モータの駆動によりロッドを軸方向に進退させるリニア駆動機構と、
   前記ロッドの軸方向の進退運動を、該軸方向とは異なる方向の前記補償板の前記高周波共振器側の電極に対する進退運動に変換する運動変換機構と、
   を備えることを特徴とする周波数補償器。
5. モータの駆動により高周波共振器側の電極に対し補償板を進退させ、周波数を補償する周波数補償器であって、
   前記モータの駆動によりロッドを軸方向に進退させるリニア駆動機構と、
   前記ロッドの軸方向の進退運動を、該軸方向とは異なる方向の前記補償板の前記高周波共振器側の電極に対する進退運動に変換する運動変換機構と、
   前記モータの回転量と前記補償板の進退量との関係を、前記高周波共振器側の電極と該補償板との間の距離に応じて変更する出力変換機構と、
   を備えることを特徴とする周波数補償器。
6. 前記運動変換機構は、前記ロッドに一端が係止されると共に、他端には前記補償板が固定されており、該ロッドの進退により所定軸を中心として回転して、該補償板を前記高周波共振器側の電極に対して進退させるガイド部材を有することを特徴とする請求項５に記載の周波数補償器。
7. 前記出力変換機構は、
   前記ロッドと前記ガイド部材の前記一端との間に設けられる窪み部と、
   前記ロッドの進退により前記窪み部内を移動する突起部と、
   を有することを特徴とする請求項６に記載の周波数補償器。
8. モータの駆動により高周波共振器側の電極に対し補償板を進退させ、周波数を補償する周波数補償器の駆動方法であって、
   前記モータからの出力を、前記高周波共振器側の電極と前記補償板との間の距離に応じて所定の出力に変換し、変換後の出力に基づいて前記補償板を進退させることを特徴とする周波数補償器の駆動方法。

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