本发明涉及加速腔以及加速器。
背景技术：
带电粒子加速用的加速器中使用的高频加速腔使高频电力蓄积在金属壳体内，利用其中产生的高频电场，人为地将电子、离子等带电粒子加速达到高速。关于使用了高频加速腔的加速器，其利用遍及高能物理学实验、辐射光设施等学术领域、放射线治疗/诊断装置、杀菌装置等产业领域。
高频加速腔一般大致分为利用了高纯度铜的在室温下动作的常导加速腔和利用了超导材料(例如铌)的在极低温下动作的超导加速腔。
另外，在下述的专利文献1中公开了一种关于由非磁性耐热金属构成的环状加速构件和由陶瓷构成的环状绝缘构件交替地接合而成的加速管的发明。此外，在专利文献2中公开的发明是一种沿加速方向将基本腔与圆盘交替地进行了连接的加速腔，在陶瓷制腔和陶瓷制圆板各自的表面形成活性银焊料层和铜电铸层这两层来制造基本腔和圆盘。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：jp特开昭63-28447号公报
专利文献2：jp特开2003-303700号公报
技术实现要素：
发明要解决的课题
在实现将许多的加速腔进行了连结的加速器的高能化、小型化时，若考虑建设成本和运转成本，则需要在从室温到数十开尔文左右的低温区域具有较高的q值的高频加速腔。这里，所谓q值，表示加速腔本身具有的高频电力的蓄积效率，该值大致由构成加速腔的材料的电导率决定。因此，对于现有的金属制的加速腔来说，由于受到称为电导率的金属固有的物性值限制，因而存在不能比以往大幅提高q值这样的问题。
作为现有的提高常导加速腔的q值的方法，存在将加速腔冷却至低温的方法。一般，常导体通过冷却，电导率也飞跃性地提高，例如若冷却到20k则电导率提高室温的约104倍。但是，由于称为反常趋肤效应的与室温不同的高频损失的机理，而额外地损失高频电力。因此，即使通过加速腔的冷却而得到高的电导率，例如在冷却到了20k左右的情况下，q值也最多只提高到室温的5.5倍左右，不能大幅提高q值。
此外，电介质加载型高频加速管具有陶瓷制的圆筒构件，该圆筒构件的外周部分进行了金属涂敷，但是现有的使用了tm01模式的电介质加载型高频加速管的q值是与常导加速腔同等程度。而且，在电介质加载型高频加速管的情况下，蓄积在腔内部的高频电力的大部分蓄积在电介质内部，能够用于带电粒子的加速的电力是非常小的一部分。因此，与现有的加速腔相比，存在分流阻抗非常小这样的深刻问题。
本发明鉴于这样的情况而作，其目的在于提供一种相较于以往的常导加速腔能够提高q值，能够提高电力效率的加速腔以及加速器。
用于解决课题的手段
本发明的第1方面所涉及的加速腔具备：壳体，其内周面为筒形，在表面具有导电性；和多个单元，设置在所述壳体内部，为在中心部形成有带电粒子能够通过的开口部的电介质，所述壳体具有：筒部，其具有筒形；和端板，其设置在所述筒部的两端，所述多个单元从所述壳体的一端侧的所述端板直到另一端侧的所述端板进行配置，各单元具有：圆筒部，其具有比所述壳体的所述筒部的内径小的直径；和板部，其形成有所述开口部，所述板部在所述圆筒部的内侧固定于所述圆筒部，并且配置为板面相对于所述带电粒子的通过轴而垂直。
根据该结构，加速腔具备：壳体，其在表面具有导电性；和多个单元，为电介质尤其是介电损耗比较低的电介质，带电粒子通过形成在单元的中心部的开口部而被加速。在带电粒子的通过轴附近形成加速方向的电场。在单元的圆筒部的内侧设置具有开口部的板部，使得单元的板部的板面相对于带电粒子的通过轴成为垂直方向。据此，在板部的开口部的内侧，能够使加速电场集中在带电粒子的通过轴方向，能够提高分流阻抗。此外，通过设置具有比壳体的筒部的内径小的直径的圆筒部，从而能够使高频电力蓄积在带电粒子束通过的通过轴附近。此外，能够减小在相对于壳体的端板的金属表面平行的方向上产生的高频磁场，能够减少在金属表面的导体损耗。
在上述第1方面中，所述电介质的表示介电损耗的指标即tanδ为1×10-3以下，更优选为1×10-5以下。
在上述第1方面中也可以构成为，在所述多个单元中的与所述壳体的所述端板相邻的单元中，还具备设置在所述通过轴的周围的第2圆筒部，所述第2圆筒部连接于所述端板以及与所述端板相邻的单元的所述板部。
根据该结构，通过进一步设置第2圆筒部，从而能够进一步减小在相对于金属表面平行的方向上产生的高频磁场。
在上述第1方面中也可以构成为，在所述多个单元的所述各单元中配置多个所述圆筒部，所述各单元中的所述多个所述圆筒部直径分别不同，并且配置为同心圆状。
根据该结构，能够在加速模式使用高次模式，结果，能够进一步提高q值。
在上述第1方面中，在将加速模式的次数设为n时，所述各单元中的所述多个所述圆筒部为n-1个。
在上述第1方面中也可以构成为，在所述单元的表面实施tin涂敷。
根据该结构，能够降低运转时的单元的二次电子发射系数。
本发明的第2方面所涉及的加速器具备上述加速腔。
发明效果
根据本发明，能够相比于以往的常导加速腔提高q值，能够提高电力效率。
附图说明
图1是示出本发明的第1实施方式所涉及的高频加速腔的纵剖视图。
图2是示出加速单元的单元数与高频加速腔的无负载q值的关系的图。
图3是示出本发明的第2实施方式所涉及的高频加速腔的纵剖视图。
图4是示出本发明的第3实施方式所涉及的高频加速腔的纵剖视图。
图5是示出表示电介质的介电损耗的指标tanδ与高频加速腔的无负载q值的关系的图。
图6是示出表示电介质的介电损耗的指标tanδ与温度的关系的图。
图7是示出本发明的第1实施方式所涉及的高频加速腔的变形例的部分纵剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明所涉及的实施方式。
[第1实施方式]
以下，使用图1来说明本发明的第1实施方式所涉及的加速器。图1是示出本发明的第1实施方式所涉及的高频加速腔的纵剖视图。
本实施方式所涉及的加速器具备高频加速腔1，高频加速腔1将称为tm0n模式(n＞1)的高次模式作为加速模式。
高频加速腔1具备：包含电介质的多个加速单元2、和在内部配置多个加速单元2的圆筒状壳体3等。对于高频加速腔1，带电粒子在中心轴上通过。
多个加速单元2在壳体3的内部从壳体3的一侧的端板7到另一侧的端板7沿射束轴方向串联配置。加速单元2具有圆筒部4和圆板部5。
另外，为了加速单元2的制造上的方便、支承构造的稳定化，在设置于圆筒部4的内侧的圆板部5的延长线上，在圆筒部4的外侧设置圆环部8。据此，能够针对将圆板部5和圆环部8一体化的构件连接圆筒部4。此外，能够隔着圆环部8在壳体3的内周面支承圆板部5。
圆筒部4、圆板部5和圆环部8是电介质，在表面不实施金属涂敷等而使用。用于加速单元2的电介质，即，用于圆筒部4和圆板部5的电介质，是介电损耗低的电介质，例如是氧化铝、蓝宝石等陶瓷。在本实施方式中，表示用于圆筒部4、圆板部5和圆环部8的电介质的介电损耗的指标即tanδ(介电损耗因子)例如是1×10-3以下的范围。
另外，作为低介电损耗的电介质，存在介电损耗在室温下具有7.5×10-6左右这样的低的值的陶瓷(高纯度氧化铝)的开发例(appliedphysicsletters(应用物理快报)，(美)，2002，vol.81，no.26，p.5021-5023)。此外，在关于低损耗电介质的高频特性的现有研究中，例如，存在如下实验结果：蓝宝石的tanδ与温度t[k]5成比例，在室温下为tanδ＝10-5而在80k下减小到tanδ＝10-7(physicslettersa(物理快报a)，(荷兰)，1987，vol.120，no.6，p.300-305)。
壳体3具有圆筒形的圆筒部6和设置在圆筒部6的两侧端的圆板状的端板7。壳体3例如是导电性高的金属材料，是无氧铜等纯金属、对不锈钢实施了镀银或镀铜的材料等。或者，根据情况，壳体3也可以使用实施了镀银或镀铜的陶瓷等电介质。通过使用这样的金属制的材料或者实施了金属镀覆的电介质，从而壳体3的表面能够确保导电性。端板7是在中心形成了圆形的开口部7a的板状构件。
加速单元2的圆筒部4的中心轴与壳体3的圆筒部6的中心轴配置在同轴上，圆筒部4的直径小于壳体3的圆筒部6的直径。圆筒部4的直径既可以在全部加速单元2中都相同，也可以设定为端部侧大于中间部侧等按每个加速单元2而不同。在圆筒部4的端部连接圆板部5。
加速单元2的圆板部5是在中心形成了圆形的开口部5a的板状构件。开口部5a的直径小于圆筒部4的直径。带电粒子通过开口部5a。在相对于圆板部5的面上垂直方向上设置圆筒部4。此外，圆板部5配置在从壳体3的端板7隔开的位置，圆筒部4与端板7接触。另外，关于多个加速单元2，并不是所有的加速单元2都具备圆筒部4和圆板部5，也存在仅具备圆筒部4或仅具备圆板部5的情况。
通过上述的结构，在射束轴附近形成加速方向的电场。具有开口部5a的圆板部5设置在圆筒部4的内侧，使得加速单元2的圆板部5的板面相对于射束轴成为垂直方向。据此，在圆板部5的开口部5a的内侧，能够使加速电场集中在射束轴方向，能够提高分流阻抗。
通过调整在壳体3内配置的加速单元2的圆筒部4的内径、外径、圆板部5间的间隔、圆板部5的开口部5a的内径、壳体3的内径等，从而调整在高频加速腔1的内部激励的加速模式的电磁场分布。此外，通过圆筒部4，能够使高频电力蓄积在带电粒子束通过的射束轴附近。结果，能够减少在相对于壳体3的端板7的金属表面平行的方向上产生的高频磁场，减少在金属表面的导体损耗。
例如，在配置5个加速单元2的5单元的情况下，如图2所示，q值成为约60000，能够实现以往的常导加速腔的数倍以上的较高的q值。以往的常导加速腔在铜制的情况下q值为10000左右。图2示出了单元数越多则q值越高的倾向。这是因为，单元数越多则高频加速腔1变得越长，在高频加速腔1内损耗的能量的比例越小。
通过计算程序(poissonsuperfish：洛斯阿拉莫斯国家实验室(http://laacg.lanl.gov/laacg/services/download_sf.phtml))，进行了导出图2所示的q值的结果的运算。
在计算条件中，作为加速单元2的圆筒部4和圆板部5中的电介质，使用了上述的高纯度氧化铝(appliedphysicsletters(应用物理快报)，(美)，2002，vol.81，no.26，p.5021-5023)的物性值，并且作为壳体3中的金属，使用了无氧铜的物性值。改变加速单元2的圆筒部4的内径、外径、壳体3的内径，使得在高频加速腔1内激励规定共振频率的π模式的电磁场分布，从而对高频加速腔1的构造进行了仿真。根据仿真结果，计算出圆筒部4的内径、外径以及壳体3的内径。而且，使用所计算出的构造，运算了q值。所谓π模式，是指在由圆板部5夹着的包含射束轴的各真空部分中，交替地排列相位偏离了180°的共振电场的模式。
q值由下式表示。
q＝(2πf·u)/(p_loss)
其中，
u：蓄积在高频加速腔1的电磁波的能量
p_loss：在高频加速腔1内损耗的电磁波的能量(电磁波的每一周期)
f：电磁波的频率。
另外，在上述的示例中，对圆环部8设置在圆板部5的板面的延长线上的情况进行了说明，但是本发明不限定于该示例。即，圆环部8不必与各圆板部5对应地设置，也可以配置为比圆板部5少的数量，还可以如图7所示，不设置在圆板部5的延长线上而设置在从圆板部5的延长线上偏离的位置。即，圆环部8只要配置在壳体3的内周面与圆筒部4的外周面之间使得能够支承圆筒部4以及圆板部5即可。
以上，根据本实施方式，能够得到室温下现有的常导加速腔的5倍以上的较高的q值，能够实现具有高于以往的电力效率的高频加速器。
[第2实施方式]
接下来，使用图3来说明本发明的第2实施方式所涉及的高频加速腔1。在本实施方式所涉及的高频加速腔1中，在加速单元2中的与壳体3的端板7相邻的加速单元2中，在射束轴的周围设置圆筒部9。另外，圆筒部9设置在靠近两侧的端板7的加速单元2。圆筒部9具有与圆板部5的开口部5a的内径相同的内径，一端部连接于壳体3的端板7，另一端部连接于加速单元2的圆板部5。
圆筒部9是与第1实施方式中说明的圆筒部4、圆板部5和圆环部8相同的电介质。
在第1实施方式中，在高频加速腔1的壳体3的端板7，在相对于金属表面平行的方向上产生的高频磁场被减少。在本实施方式中，通过进一步设置圆筒部9，从而能够进一步减少在相对于金属表面平行的方向上产生的高频磁场。
然后，使用第2实施方式所涉及的高频加速腔1的构造，根据通过上述的计算程序计算q值的结果，5单元的情况下的q值成为100000以上。由此可知，与未设置圆筒部9的第1实施方式所涉及的高频加速腔1的构造的情况相比，本实施方式能够实现约2倍高的q值。即，能够实现具有比以往更高的电力效率的高频加速器。
[第3实施方式]
接下来，使用图4来说明本发明的第3实施方式所涉及的高频加速腔1。本实施方式所涉及的高频加速腔1在一个加速单元2中呈同心圆状设置多个直径不同的圆筒部4。据此，高频加速腔1能够在加速模式使用高次模式。此外，结果，能够进一步提高q值。
在第1实施方式中，针对在各加速单元2中仅设置一个圆筒部4的情况进行了说明，但是本发明不限定于该示例。圆筒部4也可以设置两个以上。在图4中，示出了设置两个圆筒部4的示例。
在设置两个以上的圆筒部4的情况下，各圆筒部4的中心轴配置在相同轴上，各圆筒部4在各加速单元2中设置为同心圆状。在高频加速腔的加速模式的次数为n时，设置n-1个圆筒部4。即，在加速模式次数为2时设置一个圆筒部4，在加速模式次数为3时设置两个圆筒部4。
在图4所示的示例中，与第2实施方式同样地在加速单元2中的靠近壳体3的端板7的加速单元2中，在射束轴的周围设置圆筒部9。关于圆筒部9，在高频加速腔的加速模式的次数为n时，圆筒部9在一端侧设置在n-1个加速单元2中。在设置两个圆筒部4并且加速模式的次数为3时，从壳体3的端板7起在两个加速单元2设置圆筒部9。
另外，在本实施方式中，对于如第2实施方式那样在靠近壳体3的端板7的加速单元2中设置圆筒部9的情况进行了说明，但是在加速模式利用高次模式的高频加速腔1中，也可以与第1实施方式同样，不设置圆筒部9。
(实施例1)
图5中示出分别在设置了一个～三个圆筒部4的情况下使表示加速单元2中使用的电介质的介电损耗的指标tanδ变化的情况下的无负载q值的计算结果。在该计算中，铜的表面电阻使用了室温的值。
根据图5所示的结果，示出了如下情况，即，每当加速单元2中电介质的圆筒部4的数量增加时，无负载q值提高。
即，设为高次模式时，通过圆筒部4的数量增加，从而减少在表面具有导电性的壳体3的表面所产生的电场，能够降低损耗的能量，结果，能够提高q值。即，能够使加速电场集中于射束轴方向。
(实施例2)
图6中示出分别设置了一个～三个圆筒部4的情况下使利用高频加速腔1的环境温度发生了变化的情况下的无负载q值的计算结果。在该计算中，使用剩余电阻比(rrr)为2000以上的高纯度铜作为壳体3的金属，针对将高频加速腔1整体冷却到液氮温度的情况，计算了无负载q值。
根据该计算结果可知，通过冷却高频加速腔1整体，能够提高高频加速腔1的q值和分流阻抗。即，通过冷却高频加速腔1整体，从而壳体3的温度降低、电阻也降低，因此能够减少在壳体3中损耗的能量。此外，在图6中示出了在设置了一个～三个圆筒部4的任一情况下，无负载q值都伴随温度的降低而提高，而且每当圆筒部4的层数增加时q值的上升变大。
而且，在设置三个圆筒部4的3层的情况下，通过冷却到液氮温度从而能够实现相较于室温而言大约100倍的较高的q值，能够获得较高的分流阻抗。
另外，在上述的第1至第3实施方式中针对高频加速腔1在加速单元2的圆筒部4、圆板部5、圆环部8中对电介质并未实施金属涂敷的情况进行了说明，但是也可以对圆筒部4、圆板部5、圆环部8实施金属涂敷。
金属涂敷例如是基于tin的涂敷，厚度为几nm左右。通过在电介质的表面上实施tin涂敷，能够降低加速器的运转时的加速单元2的二次电子发射系数。另外，已知在电介质为氧化铝的情况下，ha95(纯度95％)的情况下为4.8、ha997(纯度99.7％)的情况下为6.5的二次电子发射系数，通过tin涂敷能够降低到2以下(来岛裕子等，“超伝導空洞カプラ用材料表面の二次電子放出係数(超导腔耦合器用材料表面的二次电子发射系数)”，真空，一般社团法人日本真空学会，2002年，第45卷，第7号，p.599-603)。若二次电子发射系数变为2以下，则成为现有常导加速腔具有的值左右。
通过降低二次电子发射系数，从而即使在对高频加速腔1施加了高电场的情况下，也能够降低在陶瓷表面的倍增效应所引起的放电发生的可能性，能够实现更稳定的运转。
符号说明
1高频加速腔
2加速单元
3壳体
4圆筒部
5圆板部
6圆筒部
7端板
8圆环部
9圆筒部。