ＲＦＱ粒子加速器の周波数可変構造

【目的】粒子の加速性・集束性などの特性を維持しながら、共振周波数を可変できるＲＦＱ粒子加速器の周波数可変構造を提供する。
【構成】間隔をおいて配設した複数のサポート１２，１３に、粒子の通過方向Ａを取り囲むように４本のロッド１４ａ〜１４ｄを支持している。互いに隣り合うロッド１４ａ〜１４ｄ間にはそれぞれ長手方向に沿って容量可変部材１６ａ〜１６ｄを配置し、これら容量可変部材１６ａ〜１６ｄを駆動機構１７によって互いに同期させて前記粒子の通過方向Ａと直交する方向に進退させる。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高周波粒子加速器の１種であるＲＦＱ (Radio Frequency Quadrupole) に係り、特にその共振周波数を可変するための構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＲＦＱ粒子加速器は、従来の静電加速器に比し大電流の粒子をＭｅＶオーダまで容易に加速でき、また、ドリフトチューブ等に比し入射エネルギーが小さくてすみ、構造も比較的簡単である。このため、産業用イオン打込装置、分析装置などのイオン加速器として好都合である。
【０００３】図４および図５に、ＲＦＱ粒子加速器の構造例を示す。真空容器１内のベースプレート４上には、第１のサポート５ａと第２のサポート５ｂが間隔をおいて立設されている。第１のサポート５ａには粒子の通過方向Ａを挾んで相対向する一対のロッド６ａ，６ｄが、第２のサポート５ｂにはロッド６ａ，６ｄと交差する方向に相対向する一対のロッド６ｂ，６ｃが支持されている。このＲＦＱに高周波電力を供給すると、第１のサポート５ａ、ベースプレート４及び第２のサポート５ｂを通じて共振電流ｉ (図５参照) が流れ、隣接するロッド６ａ〜６ｄ間に電場が発生する。この状態で、ロッド６ａ〜６ｄの中心部に粒子ビーム (方向Ａ) を入射すると、そのビームはロッド６ａ〜６ｄ間の４重極電場によって集束と加速とを受けて出射される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記ＲＦＱにおける共振周波数は、ロッド６ａ〜６ｄ間の静電容量Ｃと、電流ｉの経路長に比例するインダクタンスＬとによって決まり、共振周波数を任意に変更することはできない。ＲＦＱにおける加速エネルギーは、通常、共振周波数の２乗に比例するため、ＲＦＱをイオン打込装置に適用する場合、共振周波数を可変することは不可欠である。
【０００５】そこで、本発明の目的は、粒子の加速性や集束性などの特性を維持し、共振周波数を可変できるＲＦＱ粒子加速器の周波数可変構造を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明の周波数可変構造は、間隔をおいて配設した複数のサポート上に、粒子の通過方向を取り囲むように４本のロッドを支持してなるＲＦＱ粒子加速器において、互いに隣り合うロッド間に、それぞれ長手方向に沿って容量可変部材を配置し、これら容量可変部材を互いに同期させて前記粒子の通過方向と直交する方向に進退させる駆動機構を設けたものである。
【０００７】
【作用】隣接するロッド間に容量可変部材をそれぞれ配置し、これら容量可変部材を互いに同期させて粒子の通過方向と直交する方向に進退させることで、容量可変部材の移動量に応じて、ロッド間の静電容量を可変することができる。このとき、容量可変部材は、隣接するロッドの間に長手方向に沿って配置され、粒子の通過方向と直交する方向に移動されるので、ロッド間の静電容量を長手方向に均一な状態で可変できる。
【０００８】
【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
【０００９】図１に本実施例のＲＦＱの全体構成を示す。図において、１０は筒状の真空容器で、その内底部にはベースプレート１１が敷設され、このプレート１１上には、第１のサポート１２と第２のサポート１３が紙面垂直方向に間隔をおいて交互に立設されている。第１のサポート１２には、その上端両側に略Ｌ字状の支持部１２ａ，１２ｂが起立形成され、これら支持部１２ａ，１２ｂにロッド１４ａ，１４ｄがビーム通過方向Ａを挾んで相対向して支持されている。同様に、第２のサポート１３の支持部１３ａ，１３ｂには、ロッド１４ｂ，１４ｃが前記ロッド１４ａ，１４ｄと交差する方向に相対向して支持されている。ロッド１４ａ〜１４ｄは丸断面又は断面略弾丸状とされ、ビーム通過方向Ａを放射状に取り囲むように配置されている。
【００１０】１５は容器１０内壁上部に据付けられた架台１５で、この架台１５には、駆動装置１７を介して４本の容量可変部材１６ａ〜１６ｄが支持されている。容量可変部材１６ａ〜１６ｄは、ロッド１４ａ〜１４ｄの長さとほぼ同一長とされ、隣接する２つのロッド１４ａ〜１４ｄの間にそれぞれ配置されている。このとき、左右２つの容量可変部材１６ｃ，１６ｄは、図２に示すように、それぞれサポート１２，１３の支持部１２ａ，１３ｂの内側に配設され、それらの背面には支持部１２ａ，１３ｂとの干渉を避けるため切欠１８が形成されている。容量可変部材１６ａ〜１６ｄの材料としては、誘電体材料あるいは金属材料が好ましい。駆動装置１７は、容量可変部材１６ａ〜１６ｄを互いに同期させて前記ビーム方向Ａと直交する方向に進退させるもので、大別して、上下２つの容量可変部材１６ａ，１６ｂを移動させる第１の駆動機構１９と、左右２つの容量可変部材１６ｃ，１６ｄを移動させる第２の駆動機構２０とからなる。
【００１１】第１の駆動機構１９は、図１に示すように、架台１５上のモータ２１を回転駆動することによりウォームギア２２及びピニオンギア２３を介してボールネジ２４を回転させる。ボールネジ２４は、軸受２５，２６間に回転自在に支持されており、軸受２５，２６を架台１５及びサポート１２，１３にそれぞれ取付けることで、モータ２１の回転軸と平行配設されている。両軸受２５，２６間には、図３に示すように、ガイドロッド２７も掛け渡され、ガイドロッド２７及びボールネジ２４に２つのアーム２８，２８が螺合乃至嵌合されている。ボールネジ２４のピニオンギア２３の両側には、互いに逆螺旋のネジ部２４ａ，２４ｂが形成されており、ボールネジ２４の回転によりアーム２８，２８が互いに逆方向に移動するようになっている。アーム２８の先端は、前記ボールネジ２２と直交方向に延出する櫛歯状部２８ａが形成され、それら櫛歯状部２８ａの先端に容量可変部材１６ａあるいは１６ｂが取着されている。
【００１２】第２の駆動機構２０は、第１の駆動機構１９と基本的に同様の構成であり、第１の駆動機構１９の参照符号に十を加えて示し、説明を省略する。
【００１３】なお、図１中、４０は前記第１及び第２の駆動機構１９，２０のモータ２１，３１への電流導入端子であるフィードスルー、４１，４２はそれぞれ高周波電力を供給するためのカップラ、共振状態を監視するためのモニタループ、４３は冷却水の導入管である。
【００１４】次に、上記構成のＲＦＱの動作について説明する。
【００１５】高周波電力をカップラ４１より供給すると、第１のサポート１２、ベースプレート１１及び第２のサポート１３を通じて共振電流が流れ、ロッド１４ａ〜１４ｄ間に４重極電場が発生する。この状態で、ロッド１４ａ〜１４ｄの中心線 (Ａ方向) に沿ってイオンビームを入射すると、このイオンビームはロッド１４ａ〜１４ｄ間の電場によって加速されて出射される。
【００１６】いまＲＦＱの加速エネルギーを可変する場合、駆動装置１７のモータ２１，３１を互いに同期をとって回転駆動する。すると、第１の駆動機構１９のモータ２１の回転に追従してウォームギア２２，ピニオンギア２３を介してボールネジ２４が回転する。これにより、２つのアーム２８，２８が互いに連動して開あるいは閉方向に移動して、上下２つの容量可変部材１６ａ，１６ｂがそれぞれロッド１４ａ及び１４ｃ間、ロッド１４ｂ及び１４ｄ間にて上下方向に逆移動する。同時に、第２の駆動機構２０のモータ３１の回転に追従してベベルギア３２，３３を介してボールネジ３４が回転し、アーム３８，３８が互いに開閉移動して、左右２つの容量可変部材１６ｃ，１６ｄがそれぞれロッド１４ａ及び１４ｂ間、ロッド１４ｃ及び１４ｄ間にて水平方向に逆移動する。かくして、これら容量可変部材１６ａ〜１６ｄの移動により、隣接する２つのロッド１４ａ〜１４ｄの間の透磁率が変化して、ロッド１４ａ〜１４ｄ間の静電容量が変化される。
【００１７】ところで、ＲＦＱにおける共振周波数ｆは、ｆ＝１／２π（ＬＣ）^1/2…（１）
と表される。ここで、Ｃはロッド１４ａ〜１４ｄ間の静電容量、Ｌはベースプレート１１及びサポート１２，１３により決まるインダクタンスである。このため、上述の如く容量可変部材１６ａ〜１６ｄを互いに同期させて進退させれば、その進退量に応じて静電容量Ｃ、ひいては共振周波数ｆを可変することができ、１種のイオンを様々なエネルギーで加速することができる。このとき、容量可変部材１６ａ〜１６ｄは、隣接するロッド１４ａ〜１４ｄ間に長手方向に沿って配置され、粒子の通過方向Ａと直交する方向に移動されるので、静電容量Ｃは常に長手方向に均一に保たれる。従って、加速性・集束性などのＲＦＱの特性を良好に維持しつつ、共振周波数ｆの可変を行うことができる。
【００１８】なお、上記実施例では、隣接するロッド１４ａ〜１４ｄ間に単に容量可変部材１６ａ〜１６ｄを設けたが、各ロッド１４ａ〜１４ｄに金属板を取付けて平行平板コンデンサを形成し、これらコンデンサに誘電体若しくは金属よりなる容量可変部材を挿入してもよい。これによれば、静電容量の変化を平行平板コンデンサの容量変化として考慮できるので、静電容量の制御が正確かつ簡単となる。
【００１９】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、隣接するロッド間に容量可変部材を配置し、これら容量可変部材を互いに同期させて粒子の通過方向と直交する方向に進退させたので、ロッド間の静電容量を、長手方向に均一に保ちながら共振周波数を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＲＦＱ粒子加速器の一実施例を示す概略構成図である。
【図２】一実施例の要部拡大斜視図である。
【図３】ＲＦＱ粒子加速器に適用される駆動装置の要部を示す概略構成図である。
【図４】従来のＲＦＱ粒子加速器を示す概略構成図である。
【図５】従来のＲＦＱ粒子加速器の要部拡大斜視図である。
【符号の説明】
１０真空容器
１２第１のサポート
１３第２のサポート
１４ａ〜１４ｄロッド
１６ａ〜１６ｄ容量可変部材
１７駆動機構
Ａ粒子の通過方向

【特許請求の範囲】
【請求項１】間隔をおいて配設した複数のサポート上に、粒子の通過方向を取り囲むように４本のロッドを支持してなるＲＦＱ粒子加速器において、互いに隣り合うロッド間に、それぞれ長手方向に沿って容量可変部材を配置し、これら容量可変部材を互いに同期させて前記粒子の通過方向と直交する方向に進退させる駆動機構を設けたことを特徴とするＲＦＱ粒子加速器の周波数可変構造。

【図１】