JP2019185941A - 高周波線形加速器、粒子加速システムおよび高周波線形加速器製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波線形加速器における放電リスクや水漏れリスクを低減し、消費電力増大を抑制しつつ十分にその加速器を冷却する。【解決手段】実施形態に係る高周波線形加速器１４は、真空容器・電極構造体２０と冷却部材２１とを有する。真空容器・電極構造体２０は、内部に真空空間２２を形成してその真空空間２２の内部に荷電粒子を導入して出射する容器壁部２３と、容器壁部２３の内側に突出して容器壁部２３と一体に形成されて真空空間２２内部に高周波を印加するための複数の電極部２４と、を備える。冷却部材２１は、容器壁部２３の外側に接触して取り付けられて内部に冷却材流通路３０が形成されている。冷却材流通路３０は、真空容器・電極構造体２０によって真空空間２２から隔離されている。【選択図】図２

Description

この発明の実施形態は、高周波線形加速器およびそれを利用した粒子加速システム、並びに高周波線形加速器製造方法に関する。

一般に、イオン源で生成されたイオンビームの加速には、高周波四重極線形加速器（ＲＦＱ： Radio Frequency Quadrupole）やドリフトチューブ線形加速器（ＤＴＬ： Drift Tube Linac）などの高周波線形加速器が広く用いられている。ＲＦＱは、対向する４個の電極に高周波を印加し四重極電場により荷電粒子を加速する装置である。また、ＤＴＬは、ドリフトチューブ電極と呼ばれる中空円筒状の電極を軸方向に複数並べて高周波を印加することで荷電粒子を加速する装置である。

特許第５３１７０６３号公報 特許第５６９２９０５号公報

上述した線形加速器においては、核変換処理や中性子治療、重イオン慣性核融合ドライバーなどの用途で大強度ビームの供給が要求されるが、大強度ビーム加速のためには線形加速器の高デューティ運転もしくは連続運転（以降、連続運転を含めて「高デューティ運転」と表記する）が必要となる。

線形加速器の高デューティ運転時には、投入された高周波による発熱が運転上の課題となる。外部からの冷却水により温度平衡に達しない場合には、線形加速器を構成する金属製真空容器や電極の熱膨張により共振周波数が変化し、荷電粒子の加速効率が悪化し、もしくは加速不能となる。また、接続した電子機器が温度上昇により損傷する可能性もある。

従来、線形加速器の冷却方法としては、冷却水を流す流路を銅パイプで形成し、これを加速器外側から接続する方法や、加速器の電極に対してガンドリルなどで直接流路を切削加工し、電極表面をろう付けで封止し流路を構築する方法などが用いられてきた。しかしながら、これらの方法では、冷却能力の不足や、電極表面に追加工を施すことに起因する水漏れのリスクや、表面精度荒れによる放電リスク、消費電力の増大などの弊害を招いていた。

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、高周波線形加速器における放電リスクや水漏れリスクを低減し、消費電力増大を抑制しつつ十分にその加速器を冷却することを目的とする。

実施形態に係る高周波線形加速器は、空間に荷電粒子を導入してその荷電粒子を加速して出射する高周波線形加速器であって、内部に前記空間を形成してその空間の内部に前記荷電粒子を導入して出射する容器壁部と、前記容器壁部の内側に突出して前記容器壁部と一体に形成されて前記空間内部に高周波を印加するための複数の電極部と、を備えた容器・電極構造体と、前記容器壁部の外側に接触して取り付けられて内部に冷却材流通路が形成された冷却部材と、を備え、前記冷却材流通路が前記容器・電極構造体によって前記空間から隔離されていることを特徴とする。

また、実施形態に係る高周波線形加速器製造方法は、空間に荷電粒子を導入してその荷電粒子を加速して出射する高周波線形加速器の製造方法であって、内部に前記空間を形成してその空間の内部に前記荷電粒子を導入して出射する容器壁部と、前記容器壁部の内側に突出して前記容器壁部と一体に形成して前記空間内部に高周波を印加するための複数の電極部と、を備えた容器・電極構造体を製造する容器・電極構造体製造ステップと、冷却部材の内部に冷却材流通路を形成する流路形成ステップと、前記流路形成ステップの後に前記冷却部材を前記容器壁部の外側に接触して取り付ける冷却部材取り付けステップと、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、高周波線形加速器における放電リスクや水漏れリスクを低減し、消費電力増大を抑制しつつ十分にその加速器を冷却することができる。

本発明の第１の実施形態に係る高周波線形加速器を用いた粒子加速システムの全体構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図であって、図３のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。 第１の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す縦断面図であって、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。 第１の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す底面図であって、図３のＩＶ−ＩＶ線矢視図である。 第１の実施形態に係る高周波線形加速器の冷却システムの構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る高周波線形加速器の製造方法の手順を示すフロー図である。 第２の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図である。 第３の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図である。 第４の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す底面図である。 第４の実施形態に係る高周波線形加速器の製造方法における冷却材流通路形成ステップの詳細を示すフロー図である。 第５の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図である。 第５の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す底面図であって、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線矢視図である。 第５の実施形態に係る高周波線形加速器の冷製造方法における冷却材流通路形成ステップの詳細を示すフロー図である。 第６の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図である。 第７の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図であって、図１６のＸＶ−ＸＶ線矢視断面図である。 第７の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す縦断面図であって、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線矢視断面図である。 第８の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図であって、図１８のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線矢視断面図である。 第８の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す縦断面図であって、図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線矢視断面図である。 第９の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図であって、図２０のＸＩＸ−ＸＩＸ線矢視断面図である。 第９の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す縦断面図であって、図１９および図２１のＸＸ−ＸＸ線矢視断面図である。 第９の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す縦断面図であって、図１９および図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線矢視断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る高周波線形加速器、粒子加速システムおよび高周波線形加速器製造方法について、図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る高周波線形加速器を用いた粒子加速システムの全体構成を示すブロック図である。

図１に示すように、この実施形態に係る粒子加速システムは、イオン源１１と、ビーム輸送系１２と、ビーム収束要素１３と、高周波線形加速器（線形加速器）１４と、主加速器１５と、ビーム照射系１６とを有する。

イオン源１１は、イオンを生成するものであって、たとえば、ＥＣＲイオン源、アーク放電式イオン源、レーザイオン源などが用いられる。ビーム収束要素１３は、イオンビームを収束させるものであって、たとえば、アインツェルレンズ、永久磁石、四重極や六重極などの電磁石などが用いられる。線形加速器１４は、高周波を用いてイオンを加速するものであり、たとえば、高周波四重極線形加速器（ＲＦＱ）やドリフトチューブ線形加速器（ＤＴＬ）、またはこれらの組み合わせである。高周波線形加速器１４の詳細については後述する。

主加速器１５は、高周波線形加速器１４で得られたイオンビームをさらに加速するものであって、たとえば、シンクロトロンやサイクロトロンなどである。ビーム輸送系１２は、内部に荷電粒子を透過させるための真空ダクトで構成される。

ビーム照射系１６は、たとえば、粒子線治療装置の照射部である。粒子線治療装置の照射部の場合は、患者を載せたベッドの周りに回転可能な回転部（図示せず）を備えていてもよい。

その他、図示を省略するが、ビーム輸送系１２に、真空排気のための真空ポンプ、不要なビームを排除するスリット、荷電粒子のプロファイルおよび位置を検出するプロファイルモニタ、ワイヤモニタ、ドリフトチェンバ、パラレルプレートアバランチチェンバ、プラスチックシンチレータ／液体シンチレータ／無機シンチレータと光電子増倍管を組み合わせたもの、荷電粒子を間引くチョッパ、荷電粒子の種類を選別するための偏向電磁石、荷電粒子の光学的な確認用のビューポート・蛍光板、ビーム電流値測定用のファラデーカップ、カレント・トランスなどを接続して構成してもよい。

さらに、図示を省略するが、線形加速器１４と主加速器１５の間にはさらなる加速のための別の線形加速器や、永久磁石、電磁石、静電レンズなどにより構成されるビーム収束要素や軌道変更のための双極磁石、ビーム診断機器、チョッパなどの荷電粒子の選別機器、ゲートバルブなどの真空およびビームの遮断機器、カーボンフォイルストリッパなどのビームの価数調整機構、スリットなどのビームサイズ調整機構などを挿入してもよい。主加速器１５とビーム照射系１６との間に、線形加速器１４と主加速器１５との間に挿入可能な前述の機器と同様の機器が挿入されてもよい。

つぎに、図２ないし図４を参照して、この実施形態に係る高周波線形加速器１４の詳細について説明する。

図２は、第１の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図であって、図３のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。図３は、第１の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す縦断面図であって、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。図４は、第１の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す底面図であって、図３のＩＶ−ＩＶ線矢視図である。

この第１の実施形態に係る線形加速器１４は、高周波四重極線形加速器であって、真空容器・電極構造体（容器・電極構造体）２０と冷却部材２１とを有する。

真空容器・電極構造体２０は、内部に真空空間２２を形成する容器壁部２３と、容器壁部２３と一体に形成された複数（図示の例では４個）の電極部２４とを備えている。

容器壁部２３は、両端が閉じて横断面がほぼ正方形の角筒状である。容器壁部２３の一端には、イオンビームを真空空間２２内に導入するための入射窓２７が形成され、入射窓２７の反対側の端部には、イオンビームを真空空間２２外に出射するための出射窓２８が形成されている。入射窓２７から入射されたイオンビームは、真空空間２２内で加速されながら出射窓２８に向かって進む。以下、このイオンビームの進む方向を軸方向と称する。

各電極部２４は、容器壁部２３の各側壁の横方向中央で内側に向かって突出して、軸方向に延びている。

真空容器・電極構造体２０は、導電性の高い材料からなり、たとえば、無酸素銅やタフピッチ銅などの導電性の高い銅からなる。他の例として、鉄やアルミニウムなどの金属材料で形状を成形した後に、銅鍍金など異種の金属の鍍金を施して形成することでもよい。

容器壁部２３には、これを貫通してカプラ２５が取り付けられ、カプラ２５は、容器壁部２３の外側で、図示しない高周波電源に接続されている。高周波電源より供給された高周波が、カプラ２５を介して容器壁部２３および電極部２４に印加され、荷電粒子を加速するための電場が真空空間２２内に形成されるように構成されている。

カプラ２５は、外部の高周波電源から導波管（図示せず）を介して供給される高周波を真空空間２２内部に導入するための部位であり、導波管と、容器壁部２３内側に挿入するアンテナ（図示せず）とを真空隔壁のため、ＴｉＮコーティングしたセラミック窓などで接続するものである。アンテナは、銅などの棒状の金属材料をループ状に曲げ加工したものであるが、発熱の回避のために中空の材料を用いて内部に流路を形成するもしくは複数の金属部材をＥＢ（電子ビーム）溶接などで接続し、カプラ２５外部に冷却水の入口および出口を設け、アンテナを冷却する構造を持たせてもよい。

容器壁部２３には、カプラ２５を接続するための開口部が設けられている。図示を省略するが、真空容器・電極構造体２０を加工後に、一式の線形加速器として成立させるために、容器壁部２３には、真空封止用のＯリングやインジウムリング、メタルガスケットなどを挿入するための溝ならびに導電性向上のためのＲＦ（Radio Frequency）コンタクト挿入用の溝を設ける。なお、これらの溝は１個のみ用意し、真空封止とＲＦコンタクトを一つの部材で兼ねてもよい。

容器壁部２３には真空ポート２６が形成されている。真空ポート２６には、容器壁部２３の外側に配置された図示しない真空ポンプに接続されており、真空ポンプを作動することによって、容器壁部２３内に真空空間２２を形成することができるように構成されている。真空ポンプとしては、たとえば、ターボ分子ポンプ、イオンポンプ、ロータリーポンプ、ドライポンプ、スクロールポンプなどを用いることができる。真空ポート２６と真空ポンプの間には、ゲートバルブやバタフライバルブなどのバルブが配置されている（図示せず）。

真空ポート２６には、高周波の漏えいを防ぐための複数の小さい開口部が形成されたＲＦスリットやＲＦメッシュ（図示せず）が配置されている。真空容器・電極構造体２０を製造する際の切削加工時にこの開口部のみを残すことでＲＦスリットやＲＦメッシュとして形成してもよい。

容器壁部２３には、共振周波数調整用の金属ブロックで形成されるチューナを接続するためのチューナ接続ポートとする開口部を設けてもよい（図示せず）。これらチューナは、周波数調整のために外形を調整された調整ブロックを真空フランジと一体化させ、フランジとともに真空空間２２内部に挿入されるか、直線導入器や回転導入器と接続して外部から調整ブロックの位置を可変調整するようにしてもよい（図示せず）。容器壁部２３には上記ポートとは別のポートを設け、ポートに接続されたアンテナとネットワークアナライザなどの測定器を接続し、真空空間２２内の電場分布や周波数測定を可能とする構成としてもよい（図示せず）。

この実施形態では、４個の電極部２４のうちの１個が形成された位置に対応する容器壁部２３の側壁裏側（外側）に、軸方向に延びるくぼみ３５が形成されている。冷却部材２１は、くぼみ３５に嵌め込まれて、たとえば溶接またはろう付けにより固定されている。くぼみ３５と冷却部材２１とが接する部分は、その接触面積がなるべく大きくなるように形状を合わせてある。これにより、容器壁部２３から冷却部材２１への放熱効果が高められる。

冷却部材２１内には、水などの冷却材が通る冷却材流通路３０が形成されている。冷却材流通路３０は、軸方向に直線的に延びる軸方向流路部３１と、軸方向流路部３１の一端で連通して真空容器・電極構造体２０と反対側（外側）に向かって延びる入口流路３２と、軸方向流路部３１の他端で連通して真空容器・電極構造体２０と反対側（外側）に向かって延びる出口流路３３とからなる。入口流路３２と出口流路３３は後述する冷却配管４０（図５）に接続されている。冷却材は、入口流路３２から冷却材流通路３０内に流入し、軸方向流路部３１を通り、その後に出口流路３３から流出するように構成されている。

図５は、第１の実施形態に係る高周波線形加速器の冷却システムの構成を示すブロック図である。図５に示すように、冷却システム５０は、冷却配管４０、バッファタンク４１、冷却ポンプ４２、冷却器４３、加熱器４５、バルブ４６、フィルタ４７などを備える。冷却配管４０から冷却部材２１内の冷却材流通路３０内に冷却材を流通させることにより、真空容器・電極構造体２０を冷却することができる。

バッファタンク４１に溜められた水などの冷却材は、冷却ポンプ４２で昇圧され、冷却器４３で冷却され、温度計４４を経て加熱器４５へ送られ、その下流側のバルブ４６を経て冷却部材２１内の冷却材流通路３０内に送られる。冷却材は、冷却材流通路３０で冷却部材２１および真空容器・電極構造体２０を冷却して高温となり、フィルタ４７を通ってバッファタンク４１に戻される。

冷却器４３は、図示しない熱交換器を含み、大気または海水や河川水などに放熱するものである。

冷却システム５０はさらに、制御装置５１を備える。制御装置５１は、温度計４４の出力に応じて、冷却配管４０を通して冷却部材２１の冷却材流通路３０に流れる冷却材の温度が所定の幅に入るように、加熱器４５を制御する。

つぎに、第１の実施形態に係る高周波線形加速器の製造方法の手順について説明する。図６は、第１の実施形態に係る高周波線形加速器の製造方法の手順を示すフロー図である。

まず、真空容器・電極構造体２０を製造する（ステップＳ１０）。このとき、容器壁部２３の外表面のくぼみ３５も形成する。

一方、冷却部材２１に冷却材流通路３０を形成する（ステップＳ２０）。このとき、冷却部材２１は真空容器・電極構造体２０に取り付けられていないので、冷却材流通路３０の加工は容易である。たとえば、軸方向流路部３１を形成するに当たっては、軸方向の一方の端部から直線的な穴を形成して、後に開口端部を塞ぐことができる。なお、軸方向流路部３１を作成するにあたっては、両端開放の貫通孔を形成した後に両端部を塞いでもよい。また、入口流路３２および出口流路３３は、外側（真空容器・電極構造体２０との接合部の反対側）から直線的な穴を形成して、軸方向流路部３１と連絡する位置までの穴とすればよい。また、入口流路３２および出口流路３３の形成方法の他の例として、両端開放の貫通孔を形成した後に真空容器・電極構造体２０と接する側の端部を塞ぐようにしてもよい。

なお、上記ステップＳ１０とＳ２０の順序はどちらが先でもよく、また、これらのステップを並行に進めてもよい。

つぎに、真空容器・電極構造体２０のくぼみ３５に冷却部材２１を、溶接またはろう付けなどにより取り付ける（ステップＳ３０）。

つぎに、冷却部材２１の冷却材流通路３０（具体的には入口流路３２および出口流路３３）に、冷却配管４０を接続する（ステップＳ４０）。

以上説明した実施形態によれば、真空容器・電極構造体２０の効率的な冷却を、簡単な構造で実現できる。これにより、真空容器・電極構造体２０の温度上昇による熱膨張に伴う電極の変形を抑制することができる。その結果、電極変形に伴う荷電粒子の加速効率の低下および輸送効率の低下を抑制できる。

また、真空空間と接する電極表面への加工を伴わないので、水漏れのリスクや表面精度荒れによる放電リスク、消費電力を低減できる。

［第２の実施形態］
図７は、第２の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図である。この実施形態は、第１の実施形態の変形であって、容器壁部２３のくぼみ３５と冷却部材２１との間に、高熱伝導膜５２が介在している。高熱伝導膜５２は、たとえば銀、インジウム、サーマルグリスなどであって、熱伝導率が高く、容器壁部２３および冷却部材２１よりも柔軟な材料であることが望ましい。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得られるとともに、容器壁部２３と冷却部材２１との間の熱抵抗が低下し、真空容器・電極構造体２０をより効率的に冷却することができる。

［第３の実施形態］
図８は、第３の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図である。この実施形態は第１の実施形態の変形であって、容器壁部２３と冷却部材２１との結合が、溶接やろう付けによるものではなく、ボルト５５の締め付けによる。

冷却部材２１にフランジ５６が形成され、このフランジ５６に貫通孔が形成され、その貫通孔にボルト５５が挿入される。容器壁部２３の外側のボルト５５に対応する位置にねじ穴が形成されていて、このねじ穴にボルト５５を締め付けることにより、容器壁部２３と冷却部材２１とが結合される。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得られるとともに、容器壁部２３と冷却部材２１との結合がボルト５５の締め付けによって行われるため、組み立てが容易である。さらに、たとえば、冷却部材２１内の冷却材流通路３０の目詰まりなどに対応して新しい冷却部材２１に取り換えることもできる。

［第４の実施形態］
図９は、第４の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す底面図である。この実施形態は第１の実施形態の変形である。冷却部材２１は、軸方向に互いに接続された第１の冷却部材片２１ａと第２の冷却部材片２１ｂとからなり、これらは軸方向に垂直な接合面６０で、溶接またはろう付けなどにより接合されている。第１の冷却部材片２１ａには、第１の軸方向流路部分３１ａと入口流路３２とが形成されている。第２の冷却部材片２１ｂには、第２の軸方向流路部分３１ｂと出口流路３３とが形成されている。第１の軸方向流路部分３１ａと第２の軸方向流路部分３１ｂとは接合面６０で連通していて、外部に対してはシールされている。第１の軸方向流路部分３１ａと第２の軸方向流路部分３１ｂとが連通することにより、第１の実施形態と同様の軸方向流路部３１が形成される。

上記以外の構成は第１の実施形態と同様である。

図１０は、第４の実施形態に係る高周波線形加速器の製造方法における冷却材流通路形成ステップの詳細を示すフロー図である。冷却材流通路形成ステップＳ２０以外の部分は第１の実施形態（図６）と同様である。

この第４の実施形態における冷却部材２１の製造にあたっては、はじめに、第１の冷却部材片２１ａに冷却材流通路３０の一部を形成する（ステップＳ２１）。具体的には、第１の軸方向流路部分３１ａと入口流路３２とを形成する。また、第２の冷却部材片２１ｂに冷却材流通路３０の一部を形成する（ステップＳ２２）。具体的には、第２の軸方向流路部分３１ｂと出口流路３３とを形成する。ここで、ステップＳ２１とステップＳ２２の順序はどちらが先でもよく、またこれらのステップを並行して進めてもよい。

つぎに、第１の冷却部材片２１ａと第２の冷却部材片２１ｂを接合面６０で接合し、第１の軸方向流路部分３１ａと第２の軸方向流路部分３１ｂとを連通させて軸方向流路部３１を形成する（ステップＳ２３）。これにより、冷却材流通路３０が形成される。

この第４の実施形態では、第１の冷却部材片２１ａと第２の冷却部材片２１ｂとを接合する前に、第１の軸方向流路部分３１ａと第２の軸方向流路部分３１ｂとを形成する。そのため、第１の冷却部材片２１ａと第２の冷却部材片２１ｂのそれぞれに、接合面６０からドリルを入れて、入口流路３２および出口流路３３と連絡する位置まで穴開け作業を行い、貫通孔としないようにすることができる。それにより、穴加工の後に開口端を塞ぐ作業を行わなくても済む。

さらに、この第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果も得られる。

［第５の実施形態］
図１１は、第５の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図である。図１２は、第５の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す底面図であって、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線矢視図である。

この実施形態は第１の実施形態の変形である。冷却部材２１は、軸方向に互いに接続された第１の冷却部材片２１ｃと第２の冷却部材片２１ｄとからなり、これらは軸方向および径方向に広がる接合面６１で、溶接またはろう付けなどにより接合されている。

冷却材流通路３０すなわち、軸方向流路部３１、入口流路３２および出口流路３３は、いずれも接合面６１に沿って形成されている。これらの冷却材流通路３０は、第１の冷却部材片２１ｃと第２の冷却部材片２１ｄとを互いに接合する前に、第１の冷却部材片２１ｃおよび第２の冷却部材片２１ｄに溝８０ｃ、８０ｄとして形成される。その後、第１の冷却部材片２１ｃと第２の冷却部材片２１ｄとを互いに接合することにより、溝８０ｃ、８０ｄ同士が合わさって冷却材流通路３０が形成される。図示の例では、冷却材流通路３０を形成する各溝８０ｃ、８０ｄの横断面はほぼ半円状であり、これらの溝８０ｃ、８０ｄ同士が合わさって、横断面がほぼ円形の冷却材流通路３０が形成されている。

第１の冷却部材片２１ｃと第２の冷却部材片２１ｄとの接合を液密にシールすることにより、漏れのない冷却材流通路３０とすることができる。

上記以外の構成は第１の実施形態と同様である。

図１３は、第５の実施形態に係る高周波線形加速器の製造方法における冷却材流通路形成ステップの詳細を示すフロー図である。冷却材流通路形成ステップＳ２０以外の部分は第１の実施形態（図６）と同様である。

この第５の実施形態における冷却部材２１の製造にあたっては、はじめに、第１の冷却部材片２１ｃに、接合面６１に沿って冷却材流通路３０の半分を構成する溝８０ｃを形成する（ステップＳ２５）。また、第２の冷却部材片２１ｄに、接合面６１に沿って冷却材流通路３０の半分を構成する溝８０ｄを形成する（ステップＳ２６）。ここで、ステップＳ２５とステップＳ２６の順序はどちらが先でもよく、またこれらのステップを並行して進めてもよい。

つぎに、第１の冷却部材片２１ｃと第２の冷却部材片２１ｄを接合面６１で接合し、第１の冷却部材片２１ｃの溝８０ｃと第２の冷却部材片２１ｄの溝８０ｄによって冷却材流通路３０を形成する（ステップＳ２７）。

この第５の実施形態によれば、冷却材流通路３０を形成するにあたり、ドリルによって細長い穴を形成する必要がなく、溝を形成すればよいので、冷却材流通路３０の加工が容易である。

さらに、この第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果も得られる。

上記説明では、第１の冷却部材片２１ｃおよび第２の冷却部材片２１ｄの両方の接合面に溝８０ｃ、８０ｄを形成して、第１の冷却部材片２１ｃと第２の冷却部材片２１ｄとを互いに接合することにより、溝同士が合わさって冷却材流通路３０が形成されるものとした。

このような構成の変形例として、たとえば第１の冷却部材片２１ｃのみに溝を形成して、第２の冷却部材片２１ｄの接合面は溝を設けず、平坦なものとしてもよい。この場合は冷却材流通路３０の横断面形状を円形とするのは困難であるが、第２の冷却部材片２１ｄへの溝加工が不要となるので、その点で省力化を図ることができる。

また、たとえば、他の変形例として、入口流路３２と出口流路３３と軸方向流路部３１のうちの二つをなす溝を第１の冷却部材片２１ｃのみに形成し、他の一つをなす溝を第２の冷却部材片２１ｄのみに形成してもよい。すなわち、第１の冷却部材片２１ｃと第２の冷却部材片２１ｄとを接合したときに入口流路３２、軸方向流路部３１および出口流路３３がこの順に連通するように形成されていればそれでよい。

［第６の実施形態］
図１４は、第６の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図である。この実施形態は、第１の実施形態の変形であって、４個の電極部２４それぞれに対応する位置に、冷却部材２１が取り付けられている。その他の構成は第１の実施形態と同様である。

この第６の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、４個の電極部２４を効率よく、かつ均等に冷却することができる。これにより、真空空間２２の内部の電場の対称性を保つことができる。その結果、荷電粒子が電場の非対称性により軌道をそれ、透過効率が悪化することを抑制できる。

［第７の実施形態］
図１５は、第７の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図であって、図１６のＸＶ−ＸＶ線矢視断面図である。図１６は、第７の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す縦断面図であって、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線矢視断面図である。

この実施形態に係る高周波線形加速器（線形加速器）１４は、アルバレ型ドリフトチューブ線形加速器（ＤＴＬ）であって、真空容器・電極構造体２０と冷却部材２１とを有する。

真空容器・電極構造体２０は、内部に真空空間２２を形成する容器壁部２３と、容器壁部２３と一体に形成された複数（図示の例では３個）の電極部７０とを備えている。

容器壁部２３の構造は、第１の実施形態と同様である。ただし、ここでは、カプラ２５および真空ポート２６（図２）の図示を省略している。

各電極部７０は、１個の両端開放の筒状部７１と、筒状部７１を容器壁部２３で支持する１本の脚部７２とからなる。筒状部７１の内側を電子ビームが通り抜けるように、３個の電極部７０が軸方向に並んで、互いに間隔をあけて配置されている。この実施形態では、３本の脚部７２が、径方向に（軸方向に垂直に）互いに同じ向きに延びていて、容器壁部２３の一つの内側面で支持されている。

３本の脚部７２が接続された容器壁部２３の側面の外側に、脚部７２の付け根の裏側位置に、軸方向に延びるくぼみ３５が形成され、そのくぼみ３５に冷却部材２１が嵌め込まれている。

冷却部材２１の構造や冷却システム５０（図５）の構成などは第１の実施形態と同様である。

この実施形態によれば、アルバレ型ドリフトチューブ線形加速器においても、第１の実施形態と同様に、真空容器・電極構造体２０の効率的な冷却を、簡単な構造で実現できる。これにより、真空容器・電極構造体２０の温度上昇による熱膨張に伴う電極の変形を抑制することができる。その結果、電極変形に伴う荷電粒子の加速効率の低下および輸送効率の低下を抑制できる。

また、冷却部材２１の取り付けにあたって、真空空間２２と接する電極部７０の表面への加工を伴わない。これにより、水漏れのリスクや表面精度荒れによる放電リスク、消費電力を低減できる。

また、すべての電極部７０に対して、それぞれに近接する位置に冷却構造があるため、効率よく、かつ均等に冷却可能となる。電極部７０が均等に冷却されることにより、内部の電場の対称性を保つことが可能となる。その結果、荷電粒子が電場の非対称性により軌道をそれ、透過効率が悪化することを抑制できる。

［第８の実施形態］
図１７は、第８の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図であって、図１８のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線矢視断面図である。図１８は、第８の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す縦断面図であって、図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線矢視断面図である。

この実施形態は第７の実施形態の変形であって、高周波線形加速器（線形加速器）１４は、インターディジタルＨ型ドリフトチューブ線形加速器（ＤＴＬ）である。この実施形態では、第７の実施形態と同様に、３個の電極部７０の筒状部７１が軸方向に配列されている。各電極部７０の脚部７２は、容器壁部２３の内面と一体的に接続されている。電極部７０の脚部７２は、互いに軸方向に隣接する電極部７０の脚部７２とは反対側に、径方向に（軸方向に垂直に）延びている。脚部７２の付け根の位置の容器壁部２３外側の２箇所に軸方向に延びるくぼみ３５が形成され、各くぼみ３５に冷却部材２１が嵌め込まれている。

上記以外の構成は第７の実施形態と同様である。

この第８の実施形態によれば、インターディジタルＨ型ドリフトチューブ線形加速器においても、上記第７の実施形態と同様の効果を得ることができる。この場合、すべての電極部７０に対してそれぞれに近接する位置に冷却構造があるため、効率よく、かつ均等に冷却することができる。また、電極部７０が均等に冷却されることにより、真空空間２２内部の電場の対称性を保つことが可能となる。その結果、荷電粒子が電場の非対称性により軌道をそれ、透過効率が悪化することを抑制できる。

［第９の実施形態］
図１９は、第９の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す横断面図であって、図２０のＸＩＸ−ＸＩＸ線矢視断面図である。図２０は、第９の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す縦断面図であって、図１９および図２１のＸＸ−ＸＸ線矢視断面図である。図２１は、第９の実施形態に係る高周波線形加速器の構成を示す縦断面図であって、図１９および図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線矢視断面図である。

この実施形態は第７の実施形態の変形であって、高周波線形加速器（線形加速器）１４は、クロスバーＨ型ドリフトチューブ線形加速器（ＤＴＬ）である。この実施形態では、第７の実施形態と同様に、３個の電極部７０の筒状部７１が軸方向に配列されている。各筒状部７１は、軸方向に垂直に筒状部７１をはさんで互いに反対側に延びる２本の脚部７２によって容器壁部２３に支持されている。脚部７２は容器壁部２３の内面と一体的に接続されている。電極部７０の脚部７２の延びる方向は、互いに軸方向に隣接する脚部７２とは軸方向周りに９０度ずれた方向である。

脚部７２の付け根の位置の容器壁部２３外側の４箇所に軸方向に延びるくぼみ３５が形成され、各くぼみ３５に冷却部材２１が嵌め込まれている。

上記以外の構成は第７の実施形態と同様である。

この第９の実施形態によれば、クロスバーＨ型ドリフトチューブ線形加速器においても、上記第７の実施形態と同様の効果を得ることができる。この場合、すべての電極部７０に対してそれぞれに近接する位置に冷却構造があるため、効率よく、かつ均等に冷却することができる。また、電極部７０が均等に冷却されることにより、真空空間２２内部の電場の対称性を保つことが可能となる。その結果、荷電粒子が電場の非対称性により軌道をそれ、透過効率が悪化することを抑制できる。

［他の実施形態］
上記第４および第５の実施形態では、各冷却部材２１が、それぞれ、２個の冷却部材片を互いに接合することにより形成されるものとした。これらの変形例として、３個以上の冷却部材片を互いに接合して冷却部材２１を形成してもよい。

以上説明した複数の実施形態の特徴を適宜組み合わせることもできる。

たとえば、第２〜第５の実施形態は第１の実施形態の冷却部材の変形例として説明したが、これらの特徴を組み合わせてもよい。また、第２〜第５の実施形態の冷却部材を第６〜第９の実施形態の冷却部材として適用することもできる。

また、上記実施形態（図１）では、線形加速器で加速したイオンを照射するビーム照射系１６としては、たとえば、粒子線治療装置の照射部であるとしたが、その他の用途への適用も可能である。たとえば、線形加速器で加速したイオンを中性子生成標的（図示せず）に衝突させて中性子を発生させることに応用してもよい。この場合、中性子生成標的としては、たとえば、リチウムやベリリウムなどを利用できる。また、この場合、標的を冷却するために冷却水を循環させる構造を真空容器に接続するのが好ましい。さらにその場合に、中性子の拡散を防ぐコリメータやエネルギ減衰のための減速機構を備えてもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１１…イオン源、 １２…ビーム輸送系、 １３…ビーム収束要素、 １４…高周波線形加速器（線形加速器）、 １５…主加速器、 １６…ビーム照射系、 ２０…真空容器・電極構造体（容器・電極構造体）、 ２１…冷却部材、 ２１ａ…第１の冷却部材片、 ２１ｂ…第２の冷却部材片、 ２１ｃ…第１の冷却部材片、 ２１ｄ…第２の冷却部材片、 ２２…真空空間、 ２３…容器壁部、 ２４…電極部、 ２５…カプラ、 ２６…真空ポート、 ２７…入射窓、 ２８…出射窓、 ３０…冷却材流通路、 ３１…軸方向流路部、 ３１ａ…第１の軸方向流路部分、 ３１ｂ…第２の軸方向流路部分、 ３２…入口流路、 ３３…出口流路、 ３５…くぼみ、 ４０…冷却配管、 ４１…バッファタンク、 ４２…冷却ポンプ、 ４３…冷却器、 ４４…温度計、 ４５…加熱器、 ４６…バルブ、 ４７…フィルタ、 ５０…冷却システム、 ５１…制御装置、 ５２…高熱伝導膜、 ５５…ボルト、 ５６…フランジ、 ６０…接合面、 ６１…接合面、 ７０…電極部、 ７１…筒状部、 ７２…脚部、 ８０ｃ、８０ｄ…溝

Claims (15)

1. 空間に荷電粒子を導入してその荷電粒子を加速して出射する高周波線形加速器であって、
   内部に前記空間を形成してその空間の内部に前記荷電粒子を導入して出射する容器壁部と、前記容器壁部の内側に突出して前記容器壁部と一体に形成されて前記空間内部に高周波を印加するための複数の電極部と、を備えた容器・電極構造体と、
   前記容器壁部の外側に接触して取り付けられて内部に冷却材流通路が形成された冷却部材と、
   を備え、前記冷却材流通路が前記容器・電極構造体によって前記空間から隔離されていることを特徴とする高周波線形加速器。
2. 前記容器壁部の外側にくぼみが形成されており、前記冷却部材が前記容器壁部のくぼみに嵌め込まれるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波線形加速器。
3. 前記冷却部材は、前記電極部が形成されている突出部分の裏側の位置に取り付けられていること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の高周波線形加速器。
4. 前記容器壁部および前記冷却部材よりも柔軟で、前記容器壁部と前記冷却部材との間に介在する高熱伝導膜をさらに備えること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の高周波線形加速器。
5. 前記冷却材流通路は、前記荷電粒子が通る方向に沿って直線的に延びる軸方向流路部と、前記軸方向流路部に連通して容器・電極構造体の反対側に延びて互いに間隔をあけて形成された入口流路および出口流路と、を含むこと、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の高周波線形加速器。
6. 前記冷却部材は、前記荷電粒子が通る方向に互いに接合された第１および第２の冷却部材片を備え、
   前記第１の冷却部材片に、前記軸方向流路部の一部である第１の軸方向流路部分と、前記入口流路とが形成され、
   前記第２の冷却部材片に、前記軸方向流路部の一部である第２の軸方向流路部分と、前記出口流路とが形成され、
   前記第１の軸方向流路部分と前記第２の軸方向流路部分とが互いに連通して外部とは液密にシールされていること、
   を特徴とする請求項５に記載の高周波線形加速器。
7. 前記冷却部材は、前記荷電粒子が通る方向に広がる接合面で互いに接合された第１および第２の冷却部材片を備え、
   前記接合面で前記第１および第２の冷却部材片の少なくとも一方に、前記軸方向流路部を形成する軸方向流路溝が形成され、
   前記接合面で前記第１および第２の冷却部材片の少なくとも一方に、前記入口流路を形成する入口流路溝が形成され、
   前記接合面で前記第１および第２の冷却部材片の少なくとも一方に、前記出口流路を形成する出口流路溝が形成され、
   前記接合面が液密のシールを構成していること、
   を特徴とする請求項５に記載の高周波線形加速器。
8. 前記容器は真空容器であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の高周波線形加速器。
9. 前記冷却部材の前記冷却材流通路に接続されて冷却材が流通する冷却配管と、
   前記冷却配管に接続されて前記冷却材を冷却する冷却器と、
   前記冷却配管に接続されて前記冷却材を加熱する加熱器と、
   前記冷却材の温度を検出する温度計と、
   前記温度計で検出された前記冷却材の温度が所定の範囲に入るように前記加熱器の加熱量を制御する制御装置と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の高周波線形加速器。
10. 前記複数の電極部は、互いに対向する２個の電極からなる電極対を２対備え、
    前記高周波線形加速器は高周波四重極線形加速器であること、を特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の高周波線形加速器。
11. 前記複数の電極部は、前記荷電粒子が通る方向に貫通孔が形成された複数の筒状部およびこれら複数の筒状部それぞれを前記容器壁部で支持する複数の脚部とを備え、
    前記高周波線形加速器はドリフトチューブ線形加速器であること、を特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の高周波線形加速器。
12. 荷電粒子を生成するイオン源と、
    前記イオン源で生成された前記荷電粒子を空間中で輸送するビーム輸送系と、
    前記ビーム輸送系内に配置されて前記荷電粒子を収束させるビーム収束要素と、
    前記ビーム輸送系から出射される前記荷電粒子を受け入れる請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の高周波線形加速器と、
    を有する粒子加速システム。
13. 空間に荷電粒子を導入してその荷電粒子を加速して出射する高周波線形加速器の製造方法であって、
    内部に前記空間を形成してその空間の内部に前記荷電粒子を導入して出射する容器壁部と、前記容器壁部の内側に突出して前記容器壁部と一体に形成して前記空間内部に高周波を印加するための複数の電極部と、を備えた容器・電極構造体を製造する容器・電極構造体製造ステップと、
    冷却部材の内部に冷却材流通路を形成する流路形成ステップと、
    前記流路形成ステップの後に前記冷却部材を前記容器壁部の外側に接触して取り付ける冷却部材取り付けステップと、
    を備えることを特徴とする高周波線形加速器製造方法。
14. 前記冷却部材は、前記荷電粒子が通る方向に互いに接合される第１および第２の冷却部材片を備え、
    前記流路形成ステップは、
    前記第１の冷却部材片に、前記荷電粒子が通る方向に沿って直線的に延びる第１の軸方向流路部分と、前記第１の軸方向流路部分に連通して前記容器・電極構造体の反対側に延びる入口流路とを形成する第１の冷却部材片流路形成ステップと、
    前記第２の冷却部材片に、前記荷電粒子が通る方向に沿って直線的に延びる第２の軸方向流路部分と、前記第２の軸方向流路部分に連通して前記容器・電極構造体の反対側に延びる出口流路とを形成する第２の冷却部材片流路形成ステップと、
    前記第１および第２の冷却部材片流路形成ステップの後に、第１および第２の冷却部材片を互いに接合して、前記第１および第２の軸方向流路部分同士を互いに連通させる接合ステップと、
    を含むこと、を特徴とする請求項１３に記載の高周波線形加速器製造方法。
15. 前記冷却部材は、前記荷電粒子が通る方向に広がる接合面で互いに接合される第１および第２の冷却部材片を備え、
    前記流路形成ステップは、
    前記接合面で前記第１および第２の冷却部材片の少なくとも一方に、前記荷電粒子が通る方向に沿って直線的に延びる軸方向流路溝を形成する軸方向流路溝形成ステップと、
    前記接合面で前記第１および第２の冷却部材片の少なくとも一方に、前記軸方向流路溝に連通して容器・電極構造体の反対側に延びる入口流路溝を形成する入口流路溝形成ステップと、
    前記接合面で前記第１および第２の冷却部材片の少なくとも一方に、前記軸方向流路溝に連通して前記入口流路溝から離間して配置されて容器・電極構造体の反対側に延びる出口流路溝を形成する出口流路溝形成ステップと、
    前記軸方向流路溝形成ステップおよび前記入口流路溝形成ステップおよび前記出口流路溝形成ステップの後に、第１および第２の冷却部材片を互いに接合する接合ステップと、
    を含むこと、を特徴とする請求項１３に記載の高周波線形加速器製造方法。

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