High-frequency generator

本発明は、請求項１の上位概念事項による高周波発生器および請求項１６による高周波発生器を有する粒子加速器に関する。

高周波出力をテトロード管、クライストロン又はその他の装置により発生させることは公知である。 更に、高周波出力を導波管、例えば中空導波管により伝送することは公知である。 従来の方法によれば、高周波出力が第１の場所で発生させられて、導波管により第２の場所に伝送され、その高周波出力が、例えば減衰器又は誘導結合器により、例えば空洞に導入される。 しかし、このような装置では、結合箇所に必然的に出力損失が発生する。 更に、この種の装置は大きな占有スペースを要求する。

更に、高周波電磁振動を空洞内で励起するために、駆動装置を組み込まれた高周波空洞を設けることは公知である。 このような高周波空洞は特許文献１に記載されている。

本発明の課題は、高周波出力の発生および発生させられた高周波出力の伝送が同一の装置によって行われる装置を提供することにある。

この課題は、請求項１の特徴事項によって解決される。 更に、本発明の課題はこの種の高周波発生器を有する粒子加速器を提供することにある。 この課題は請求項１６の特徴事項を有する粒子加速器によって解決される。 好ましい実施形態は従属請求項に示されている。
本発明による高周波発生器は、導電壁を備えた中空導波管を有し、導電壁が第１のスリットを有する。 第１のスリットを横切って高周波電圧を印加するために、第１の固体スイッチが第１のスリットの上を跨いで配置されている。 有利なことに、この高周波発生器においては、高周波出力が直接に高周波出力を伝送する中空導波管内において励起される。 それによって高周波発生器の複雑さおよび製造コストが低減する。 他の利点は、高周波出力の発生のための従来装置に比べて高められた柔軟性を提供しかつコンパクトに低コストで構成できる固体スイッチが使用できるということにある。

中空導波管が円形断面を有することが好ましい。 有利なことに、円形断面を有する中空導波管は格別に適切な振動モードを有する。

他の実施形態では中空導波管が方形断面を有する。 有利なことに、方形断面を有する中空導波管も高周波振動の伝送に好適である。

高周波発生器が、中空導波管内にＴＥ１０振動モードを励起するように構成されていることが好ましい。

第１の固体スイッチが第１の遮蔽ケーシング内に配置されているのが適切である。 有利なことに、それによって高周波出力の放射が低減される。

高周波発生器の発展形態では、高周波発生器が、第１の位相制御信号を発生するように構成されている位相信号装置を含む。 更に、高周波発生器が、第１の固体スイッチに第１の位相制御信号を供給するように構成されている。 有利なことに、固体スイッチは、出力される高周波電圧を位相制御信号と同期させることができる。

高周波発生器の好ましい実施形態では、第２の固体スイッチが第１のスリットの上を跨いで配置されている。 有利なことに、多量の高周波出力を発生させることができる。 発生する高周波出力を更に高めるために、第１のスリットの上を跨いで、第１および第２の固体スイッチに並列になおも別の固体スイッチを配置することもできる。

好ましくは、第１および第２の固体スイッチが共通な遮蔽ケーシング内に配置されている。 有利なことに、その遮蔽ケーシングによって、固体スイッチにより放射される高周波出力が低減される。

高周波発生器が、第２の固体スイッチにも第１の位相制御信号を供給するように構成されていることが望ましい。 有利なことに、第１および第２の固体スイッチが、互いにかつ位相制御信号に同期して、中空導波管内において高周波出力を結合することができる。

高周波発生器の発展形態では、導電壁が第２のスリットを有し、第３の固体スイッチが第２のスリットの上を跨いで配置されている。 有利なことに、それによっても、高周波発生器により発生可能な高周波出力を高めることができる。

高周波発生器の代替的実施形態では、第３の固体スイッチが第１のスリットの上を跨いで配置されている。 有利なことに、それによっても、高周波発生器により発生可能な高周波出力を高めることができる。

第３の固体スイッチが第２の遮蔽ケーシング内に配置されているようにすることが望ましい。 有利なことに、第３の固体スイッチによって放射される高周波出力も低減される。

高周波発生器の付加的な発展形態では、位相制御装置が、更に第２の位相制御信号を発生するように構成されていて、高周波発生器が、第３の固体スイッチに第２の位相制御信号を供給するように構成されている。 有利なことに、第２の固体スイッチが第２の位相制御信号に同期して高周波電圧を出力することができる。

位相制御装置が、互いに１８０°の位相差を有する第１の位相制御信号および第２の位相制御信号を発生するように構成されていることが特に有効である。

高周波発生器の発展形態では、中空導波管が空洞に結合されている。 有利なことに、高周波発生器によって発生させられた高周波出力を、中空導波管を介して空洞に導くことができる。

本発明による粒子加速器は上述の様式の高周波発生器を有する。 有利なことに、高周波発生器によって発生させられた高周波出力を荷電粒子の加速のために使用することができる。

以下において、添付図面に基づいて本発明を更に詳細に説明する。

第１の実施形態の高周波発生器の第１の斜視図を示す図である。

第１の実施形態の高周波発生器の第２の斜視図を示す図である。

第１の実施形態の高周波発生器の断面図を示す図である。

第１の実施形態の高周波発生器の上面図を示す図である。

第２の実施形態の高周波発生器の第１の斜視図を示す図である。

第２の実施形態の高周波発生器の第２の斜視図を示す図である。

第２の実施形態の高周波発生器の断面図を示す図である。

第２の実施形態の高周波発生器の上面図を示す図である。

図１は第１の実施形態による高周波発生器１００の概略斜視図を示す。 高周波発生器１００は高周波電磁波を発生するために用いられる。 高周波発生器１００によって発生させられた高周波出力は、例えば荷電粒子を加速するための粒子加速器において使用される。

高周波発生器１００は中空導波管２００を含む。 中空導波管２００は、ほぼ中空円筒状に形成されており、導電材料、好ましくは金属から成る。 円筒状の中空導波管２００の軸方向が長手方向２０１を定める。 長手方向２０１に対して垂直に半径方向２０２が延びている。 中空導波管２００は円形断面を有する。 しかし、中空導波管２００は、楕円形又はその他の断面を有するものとしてもよい。

円筒状の中空導波管２００の外周面は壁２５０によって構成されている。 中空導波管２００内で電磁振動モードが励起されると、壁２５０に位置および時間に依存した電流が流れる。 これらの電流の空間的および時間的な経過は、中空導波管２００内で励起された振動モードに依存し、算定可能であり、専門家には知られている。

高周波発生器１００の中空導波管２００の壁２５０は、第１のスリット２１０および第２のスリット２２０を有する。 スリット２１０，２２０は、中空導波管２００内で所望の振動モードが励起された際に大きな電流が流れる壁２５０の位置に配置されている。 スリット２１０，２２０が延びている方向は電流の流れ方向に対して垂直に向けられている。 図示の例では、スリット２１０，２２０は長手方向２０１に平行に向けられている。 しかしスリット２１０，２２０は、異なった方向に向けられているようにしてもよい。

中空導波管２００の壁２５０内の第１のスリット２１０には、第１グループ３００の固体スイッチが配置されている。 図示の例では、第１グループ３００が第１の固体スイッチ３１０と第２の固体スイッチ３２０とを含む。 しかし、第１グループ３００が単に固体スイッチ３１０しか含まないようにしてもよい。 しかし、通常、第１グループ３００は、少なくとも２つの固体スイッチ３１０，３２０を含んでいる。

固体スイッチ３１０，３２０は、それぞれ第１の出力端子３１１と第２の出力端子３１２を有し（図３）、両出力端子３１１，３１２間において高周波電圧を印加しかつ高周波電流をスイッチングするように構成されている。 このために固体スイッチ３１０，３２０は、例えば固体トランジスタを有するものであることが望ましい。 或いは、固体スイッチ３１０，３２０は、それとは異なる構成であってもよい。 固体スイッチの概念は、この意味において限定的に解釈すべきではない。

第１の固体スイッチ３１０および第２の固体スイッチ３２０は、それぞれ、第１のスリット２１０の第１側面２１１における壁２５０の部分と、第１のスリット２１０の第２側面２１２における壁２５０の部分とに、固体スイッチ３１０，３２０が第１のスリット２１０を横切って高周波電圧を印加することができるように導電接続されている。 それによって、壁２５０内に流れる電流が励起され、これらの電流が更に中空導波管２００内に振動モードを励起する。

高周波発生器１００の中空導波管２００の壁２５０の第２のスリット２２０の上を跨いで、第３の固体スイッチ４１０と第４の固体スイッチ４２０とを含む第２グループ４００の固体スイッチが配置されている。 この第２グループ４００も、２よりも多い又は少ない個数の固体スイッチ４１０，４２０を含むことができる。 第２グループ４００の固体スイッチ４１０，４２０によっても、中空導波管２００の壁２５０内に電流を励起させることができ、これらの電流がここでも中空導波管２００において振動モードを励起する。

図４に示されている高周波発生器１００の上面図において認識できるように、高周波発生器１００の中空導波管２００の壁２５０が、図１では視認できない第３のスリット２３０と、図１では視認できない第４のスリット２４０とを有する。 第３のスリット２３０は半径方向２０２において第１のスリット２１０と向かい合っている。 第４のスリット２４０は半径方向２０２において第２のスリット２２０と向かい合っている。 第３のスリット２３０の上を跨いで、固体スイッチの第３グループ５００が配置されている。 第４のスリット２４０の上を跨いで、固体スイッチの第４グループ６００が配置されている。

中空導波管２００の壁２５０は更に別のスリットを含むことができ、これらの別のスリットの上を跨いで、それぞれ同様に固体スイッチグループが配置されている。 全てのスリットは、中空導波管２００の壁２５０に、次のように配置されている。 即ち、固体スイッチにより壁２５０内に電流が励起可能であり、それらの電流が中空導波管２００内における所望の振動モードの励起をもたらすように配置されている。

図２は、高周波発生器１００の他の概略斜視図を示す。 図２は、中空導波管２００の壁２５０の第１スリット２１０における第１グループ３００の固体スイッチ３１０，３２０が遮蔽ケーシング３３０内に配置されていることを示す。 同様に、第２グループ４００の固体スイッチ４１０，４２０が第２の遮蔽ケーシング４３０内に配置されている。 遮蔽ケーシング３３０，４３０導電材料、好ましくは金属から成る。 これらの遮蔽ケーシングは壁２５０に導電接続されており、固体スイッチ３１０，３２０，４１０，４２０から放射される電磁出力を遮蔽するのに役立つ。 それによって高周波発生器１００の放射損失が減少する。 更に、それによって高周波発生器１００の周辺内のその他の装置に対して起こり得る高周波発生器１００の障害作用が減少する。

図２の概略図において、遮蔽ケーシング３３０，４３０は半径方向２０２において外側に開いている。 しかし、この表示は分かり易さのためにだけ選ばれている。 遮蔽ケーシング３３０，４３０は、固体スイッチ３１０，３２０，４１０，４２０を完全に包囲することが好ましい。

第３のスリット２３０の上を跨いで配置されている固体スイッチの第３グループ５００は、第３の遮蔽ケーシング５３０内にある。 第４のスリット２４０の上を跨いで配置されている固体スイッチの第４グループ６００は、第３の遮蔽ケーシング５３０内にある。

図３は、高周波発生器１００の長手方向に対して垂直な断面を示す。 中空円筒体として形成された中空導波管２００と、それの壁２５０とが認識される。 壁２５０は第１のスリット２１０および第３のスリット２３０を有する。 第３のスリット２３０は半径方向において第１のスリット２１０と向かい合っている。

第１のスリット２１０の上を跨いで第１グループ３００の固体スイッチ３１０，３２０が配置されている。 第１のグループ３００の固体スイッチ３１０，３２０は第１の遮蔽ケーシング３３０内に配置されている。 第１の固体スイッチ３１０だけが視認できる。 第１の固体スイッチ３１０は、第１の出力端子３１１および第２の出力端子３１２を有する。 第１の出力端子３１１は、第１のスリット２１０の第１側面２１１の側の壁２５０の部分と導電接続され、これに対して第２の出力端子３１２は、第１のスリット２１０の第２側面２１２の側の壁２５０の部分と導電接続されている。 第１グループ３００の第２の固体スイッチ３２０および他の全ての固体スイッチも、相応に壁２５０に接続された相応の出力端子３１１，３１２を有する。 このことは残りのグループ４００，５００，６００の固体スイッチについても当てはまる。

図４は、高周波発生器１００の概略上面図を示す。 固体スイッチ３１０，３２０の第１グループ３００と、固体スイッチ４１０，４２０の第２グループ４００、そして個体スイッチの第３グループ５００並びに第４グループ６００が示されている。

既に説明したように、中空導波管２００の壁２５０に流れる電流は位置および時間に依存する。 従って、ケーブル２５０のスリット２１０，２２０，２３０，２４０の位置において流れる電流は、各時点で互いに異なる位相を有する。 従って、固体スイッチのグループ３００，４００，５００，６００は異なる位相を有する電流を励起しなければならない。 個々のグループ３００，４００，５００，６００のそれぞれの固体スイッチは互いに同期して電流をスイッチングしなければならない。

高周波発生器１００は概略的にしか示されていない位相制御装置１１０を有し、この位相制御装置１１０は複数の位相制御信号１１１，１１２，１１３，１１４を発生するように構成されている。 位相制御信号１１１，１１２，１１３，１１４は、それぞれ同じ周波数を有するが、しかし互いに異なる位相を有する。 第１の位相制御信号１１１は第１グループ３００の固体スイッチに供給される。 第２の位相制御信号１１２は第２グループ４００の固体スイッチに供給される。 第３の位相制御信号１１３は第３グループ５００の固体スイッチに供給される。 第４の位相制御信号１１４は第４グループ６００の固体スイッチに供給される。 高周波発生器１００が、中空導波管２００の壁２５０の他のスリットの上を跨いで配置されている他のグループの固体スイッチを含む場合、位相制御装置１１０は、他のグループの固体スイッチに供給する他の位相制御信号を出力する。

グループ３００，４００，５００，６００の各固体スイッチは、当該固体スイッチから出力端子３１１，３１２を介して出力される電圧を、当該固体スイッチに供給される位相制御信号１１１，１１２，１１３，１１４に同期して、スイッチングするように構成されている。 つまり、第１グループ３００の固体スイッチは、壁２５０内に、第１の位相制御信号１１１に同期して電流を励起する。 第２グループ４００の固体スイッチは、第２の位相制御信号１１２に同期して電流を励起する。 それに対応して第３グループ５００および第４グループ６００の固体スイッチも動作する。

中空導波管２００の壁２５０におけるスリット２１０，２２０，２３０，２４０が設けられている位置の選択と、位相制御信号１１１，１１２，１１３，１１４の相互の位相関係の選択とによって、高周波発生器１００の中空導波管２００においてどの振動モードが励起できるかが定められる。

同様に、分離されたスリット２１０および２２０、もしくは２３０および２４０の代わりに、それぞれ１つのみの通しのスリットを中空導波管２００の各側に設けることもできる。 その場合に各スリットに１つ又は複数のグループの固体スイッチを配置することができる。

図５は、第２の実施形態による高周波発生器１１００の概略斜視図を示す。 高周波発生器１１００は、高出力を有する高周波電磁波を生成するために使用される。 高周波発生器１１００によって生成させられる高周波出力も、例えば荷電粒子を加速するための粒子加速器において利用することができる。

高周波発生器１１００は中空導波管１２００を含む。 中空導波管１２００は、基本的に中空円筒状に形成されており、導電材料、好ましくは金属から成る。 円筒状の中空導波管１２００の軸方向が長手方向１２０１を定める。 中空導波管１２００は方形断面を有する。

円筒状の中空導波管１２００の外周面は壁１２５０によって形成されている。 中空導波管１２００内で電磁振動モードが励起されると、壁１２５０には位置および時間に依存した電流が流れる。 それらの電流の空間的および時間的な経過は算定可能であり、専門家には知られている。

壁１２５０は、長手方向１２０１に延びる中空導波管１２００の狭幅側面１２６０に、第１のスリット１２１０を有する。 中空導波管１２００における狭幅側面１２６０と向かい合っている図５では視認できない他の狭幅側面が第３のスリット１２３０を有する。 第１のスリット１２１０および第３のスリット１２３０は両方とも長手方向に延びている。 中空導波管１２００内で電磁振動モードが励起されると、中空導波管１２００の壁１２５０に、スリット１２１０，１２３０に対して垂直に向いた電流が流れる。 逆に、壁１２５０においてスリット１２１０，１２３０に対して垂直に経過する電流が励起されることによって、中空導波管１２００内に電気振動モードが励起され得る。

図６は、第１のスリット１２１０に第１グループ１３００の固体スイッチが配置されていることを示し、その第１グループは、第１の固体スイッチ１３１０と、第２の固体スイッチ１３２０と、他の固体スイッチとを含む。 第１グループ１３００の固体スイッチ１３１０，１３２０は、第１の遮蔽ケーシング１３３０内に配置されており、第１の遮蔽ケーシング１３３０は、第１グループ１３００の固体スイッチを完全に包囲している。 更に、第１のスリット１２１０に第２グループ１４００の固体スイッチが配置されており、その第２グループは、第３の固体スイッチ１４１０と、第４の固体スイッチ１４２０と、他の固体スイッチとを含む。 第２グループ１４００の固体スイッチ１４１０，１４２０は、第２の遮蔽ケーシング１４３０内に配置されており、第２の遮蔽ケーシング１４３０は、第４グループ１４００の固体スイッチ１４１０，１４２０を全空間方向において包囲している。 これに対応して、第３のスリット１２３０に第３グループ１５００の固体スイッチが第３の遮蔽ケーシング１５３０内に配置され、第４グループ１６００の固体スイッチが第４の遮蔽ケーシング１６３０内に配置されている。

従って、第１の実施形態の高周波発生器１００とは違って、第２の実施形態の高周波発生器１１００の場合には、各スリット１２１０，１２３０に複数のグループ１３００，１４００，１５００，１６００の固体スイッチが配置されている。 しかし、その第１のスリット１２１０の代わりに、２つの分離されたスリットを設け、第１のグループ１３００を第１のスリットに配置し、第２グループ１２００を第２のスリットに配置することもできる。 これに対応して、第３のスリット１２３０も、２つ以上の分離されたスリットに置き換えることもできる。 同様に第１のスリット１２１０および第３のスリットに、それぞれ２つよりも多いグループの固体スイッチを設けることもできる。 各グループ１３００，１４００，１５００，１６００は任意の個数の固体スイッチを含むことができる。

第２の実施形態の高周波発生器１１００の固体スイッチは、構成および動作態様において、第1の実施形態の高周波発生器１００の固体スイッチに対応する。

図７は概略図にて高周波発生器の断面を示す。 各スリット１２１０，１２３０の上を跨いで高周波電圧を印加するために、グループ１３００，１４００，１５００，１６００の各固体スイッチが、各グループ１３００，１４００，１５００，１６００に割り当てられたスリット１２１０，１２３０の両側の壁１２５０の部分に接続されていることが分かる。 そこまでは、高周波発生器１１００の構成は第１の実施形態の高周波発生器１００の構成に一致する。

図８は高周波発生器１１００の概略上面図を示す。 第１グループ１３００の固体スイッチ１３１０，１３２０と、第２グループ１４００の固体スイッチ１４１０，１４２０と、第３グループ１５００の固体スイッチと、第４グループ１６００の固体スイッチとを有する中空導波管１２００が認識できる。

更に、高周波発生器１１００は、既に第１の実施形態の高周波発生器１００との関連で説明した位相制御装置１１０を有する。 中空導波管１２００の壁１２５０に流れる電流は位置および時間に依存する。 中空導波管１２００において、例えばＴＥ１０振動モードが励起されると、第１グループ１３００の固体スイッチの位置において流れる電流は、各時点で、第２グループ１４００の固体スイッチの位置において流れる電流に対してちょうど１８０°だけ位相がずれている。 これに対応することが、第３グループ１５００の固体スイッチと第４グループ１６００の固体スイッチとに当てはまる。

位相制御装置１１０は位相制御信号１１１，１１２，１１３，１１４を発生するように構成されている。 第１の位相制御信号１１１は第１グループ１３００の固体スイッチに供給される。 第２の位相制御信号１１２は第２グループ１４００の固体スイッチに供給される。 第３の位相制御信号１１３は第３グループ１５００の固体スイッチに供給される。 第４の位相制御信号１１４は第４グルー１６００の固体スイッチに供給される。

位相制御信号１１１，１１２，１１３，１１４は、それぞれ同じ周波数を有するが、しかし互いに位相がずらされている。 高周波発生器１１００の中空導波管１２００において、例えばＴＥ１０振動モードを励起させようとする場合には、第１の位相制御信号１１１および第２の位相制御信号１１２が互いに１８０°だけずらされる。 これと対応して、第３の位相制御信号１１３および第４の位相制御信号１１４は互いに１８０°だけ位相をずらされる。

高周波発生器１００，１１００の中空導波管２００，１２００において励起される電磁出力は、中空導波管２００，１２００を通して長手方向２０１，１２０１に伝送される。 各中空導波管２００，１２００の長手方向端部において電磁出力が中空導波管２００，１２００から取り出される。 例えば、中空導波管２００，１２００の長手方向端部に、高周波発生器１００，１１００によって発生させられた高周波出力が入射する空洞が配置されているとよい。 適切な結合器が従来技術により公知である。 高周波発生器１００，１１００によって発生させられた高周波出力は、荷電粒子を加速するための粒子加速器においても使用することができる。 この場合、高周波発生器１００，１１００の中空導波管２００，１２００が、例えば粒子加速器の空洞に結合されているとよい。

１００，１１００ 高周波発生器１１０ 位相制御装置１１１〜１１４ 位相制御信号２００，１２００ 中空導波管２０１，１２０１ 長手方向２０２ 半径方向２１０，１２１０ 第１のスリット２１１，２１２ スリット側面２２０，１２１０ 第２のスリット２３０，１２３０ 第３のスリット２４０ 第４のスリット２５０，１２５０ 壁３００，１３００ 第１グループ３１０，１３１０ 第１の固体スイッチ３１１，３１２ 出力端子３２０，１３２０ 第２の固体スイッチ３３０，１３３０ 第１の遮蔽ケーシング４００，１４００ 第２グループ４１０，１４１０ 第３の固体スイッチ４２０，１４２０ 第４の固体スイッチ４３０，１４３０ 第２の遮蔽ケーシング５００，１５００ 第３グループ５３０，１５３０ 第３の遮蔽ケーシング６００，１６００ 第４グループ６３０，１６３０ 第４の遮蔽ケーシング１２６０ 狭幅側面

第３のスリット２３０の上を跨いで配置されている固体スイッチの第３グループ５００は、第３の遮蔽ケーシング５３０内にある。 第４のスリット２４０の上を跨いで配置されている固体スイッチの第４グループ６００は、第３の遮蔽ケーシング６ ３０内にある。

図６は、第１のスリット１２１０に第１グループ１３００の固体スイッチが配置されていることを示し、その第１グループは、第１の固体スイッチ１３１０と、第２の固体スイッチ１３２０と、他の固体スイッチとを含む。 第１グループ１３００の固体スイッチ１３１０，１３２０は、第１の遮蔽ケーシング１３３０内に配置されており、第１の遮蔽ケーシング１３３０は、第１グループ１３００の固体スイッチを完全に包囲している。 更に、第１のスリット１２１０に第２グループ１４００の固体スイッチが配置されており、その第２グループは、第３の固体スイッチ１４１０と、第４の固体スイッチ１４２０と、他の固体スイッチとを含む。 第２グループ１４００の固体スイッチ１４１０，１４２０は、第２の遮蔽ケーシング１４３０内に配置されており、第２の遮蔽ケーシング１４３０は、第２グループ１４００の固体スイッチ１４１０，１４２０を全空間方向において包囲している。 これに対応して、第３のスリット１２３０に第３グループ１５００の固体スイッチが第３の遮蔽ケーシング１５３０内に配置され、第４グループ１６００の固体スイッチが第４の遮蔽ケーシング１６３０内に配置されている。

従って、第１の実施形態の高周波発生器１００とは違って、第２の実施形態の高周波発生器１１００の場合には、各スリット１２１０，１２３０に複数のグループ１３００，１４００，１５００，１６００の固体スイッチが配置されている。 しかし、その第１のスリット１２１０の代わりに、２つの分離されたスリットを設け、第１のグループ１３００を第１のスリットに配置し、第２グループ１ ４ ００を第２のスリットに配置することもできる。 これに対応して、第３のスリット１２３０も、２つ以上の分離されたスリットに置き換えることもできる。 同様に第１のスリット１２１０および第３のスリットに、それぞれ２つよりも多いグループの固体スイッチを設けることもできる。 各グループ１３００，１４００，１５００，１６００は任意の個数の固体スイッチを含むことができる。