JP2011134632A - イオン粒子電源 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム引出開始時の加速電源の電圧低下を抑制し、質の高いビームを放出できるイオン粒子電源を提供する。
【解決手段】フィラメント電源２と、アーク電源３と、イオン源の壁１と電極６間に直流電圧を印加してイオン粒子を加速するための加速電源４とから構成する。加速電源４は、
商用交流電源に接続された交流スイッチ７と、交流スイッチ７の出力を整流して直流に変換する整流器９と、整流器９の出力を平滑して直流電圧を得るためのコンデンサ１０と、
加速電源出力指令値を交流スイッチ７に与えてその出力電圧を制御するための制御手段２０を備える。制御手段２０は、直流電圧と電圧設定値との偏差に応じて加速電源出力基準を得る電圧制御手段２２と、加速電源４とアーク電源３が共にオンしたとき、所定の関数を発生する関数発生器２２とを有し、加速電源出力基準と関数発生器２２の出力を加算して加速電源出力指令値を得る。
【選択図】図１

Description

この発明は、イオン粒子を生成・加速するためのイオン粒子電源に関する。

一般に、イオン粒子電源はイオン源でイオン粒子を生成し、生成されたイオン粒子をイオン源から引出し、加速して核融合装置のプラズマを加熱するために用いる装置である。

イオン粒子電源は、イオン源内のフィラメントを加熱する目的で電流を流すためのフィラメント電源、フィラメントとイオン源の壁の間に１００Ｖ程度の電圧を印加してイオン粒子を生成させるアーク電源、及びイオン源と電極の間に数１０ｋＶから数１００ｋＶの電圧を印加し、両者間の電位差によりイオン粒子を加速する加速電源から構成されている。

イオン粒子電源の運転タイムシーケンスとしては、通常、フィラメント電源、アーク電源の順に立ち上げて粒子を予備電離させた後、一旦アーク電源を立ち下げ、その後、加速電源、アーク電源の順に立ち上げて粒子ビームを引出す。

また、加速電源の電圧制御については、加速電圧設定値と加速電圧出力値の差分に比例ゲイン、積分ゲインを乗じた値を加速電源出力指令値とするのが普通である（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０００−３４６９６８号公報（第３頁、図８）

従来のイオン粒子電源においては、アーク電源のＯＮによって、イオン粒子が生成することによって加速電源の負荷インピーダンスが急激に低下し、出力側に設けられたコンデンサから負荷へ電流が流れることによってコンデンサ電圧が一時的に低下し、出力電圧が変動するという問題があった。特に電圧制御を交流入力側のサイリスタスイッチによって行う場合は、応答時間が遅いため変動の回復が遅れるという問題があった。このように加速電源の出力電圧が低下している期間は、電子の放出量の制御が不能になり、ビームの質が低下してしまう。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、ビーム引出開始時の加速電源の電圧低下を抑制し、質の高いビームを放出できるイオン粒子電源を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のイオン粒子電源は、イオン源内に設けられたフィラメントを加熱するためのフィラメント電源と、前記フィラメントと前記イオン源の壁に電圧を印加してイオン粒子を生成させるためのアーク電源と、前記イオン源の壁と電極間に直流電圧を印加して前記イオン粒子を加速するための加速電源とから成るイオン粒子電源であって、前記加速電源は、商用交流電源に接続された交流スイッチと、この交流スイッチの出力を整流して直流に変換する整流器と、この整流器の出力を平滑して前記直流電圧を得るためのコンデンサと、加速電源出力指令値を前記交流スイッチに与えてその出力電圧を制御するための制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記直流電圧と電圧設定値との偏差に応じて加速電源出力基準を得る電圧制御手段と、前記加速電源と前記アーク電源が共にオンしたとき、所定の関数を発生する関数発生器とを有し、前記加速電源出力基準と前記関数発生器の出力を加算して前記加速電源出力指令値を得るようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、ビーム引出開始時の加速電源の電圧低下を抑制し、質の高いビームを放出できるイオン粒子電源を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係るイオン粒子電源のブロック構成図。 実施例１の加速電源の出力電圧変動抑制効果の説明図。 本発明の実施例２に係るイオン粒子電源のブロック構成図。 実施例２の加速電源の出力電圧変動抑制効果の説明図。 本発明の実施例３に係るイオン粒子電源のブロック構成図。 アーク電圧と負荷抵抗の関係を示す説明図。 本発明の実施例４に係るイオン粒子電源のブロック構成図。 フィラメント電圧と負荷抵抗の関係を示す説明図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下、本発明の実施１に係るイオン粒子電源を図１及び図２を参照して説明する。図１は実施例１に係るイオン粒子電源のブロック構成図である。

図示しない真空チャンバー内に配置されたイオン源の壁１の内部には数１０本のフィラメントから成るフィラメント５が設けられ、フィラメント電源２はこのフィラメント５に数１００Ａの電流を供給してフィラメント５を加熱する。

アーク電源３は、加熱されたフィラメント５とイオン源の壁１の間に直流または交流の数１００Ｖの電圧を印加し、イオン源の壁１内にイオン粒子を生成する。生成されたイオン粒子は、加速電源４によって電極６とイオン源の壁１間に印加された高電圧の作る電界によって加速され、電極６の開口部を通過して外部に引き出される。

以下、加速電源４の内部構成について説明する。図示しない商用交流電源から給電される交流スイッチ７は後述する制御部２０によってその出力電圧が制御される。交流スイッチ７の出力は昇圧用変圧器８を介してダイオード整流器９に与えられる。尚、加速電源４の電圧定格によっては昇圧用変圧器８を省略することもできる。ダイオード整流器９の直流出力はコンデンサ１０に与えられて加速電源４の出力電圧が平滑化される。コンデンサ１０に印加される電圧すなわち加速電源４の出力電圧は、電圧検出器１１で検出され制御部２０に与えられる。

以下制御部２０の内部構成を説明する。

電圧検出器１１で検出された加速電源４の出力電圧は減算器２１によって電圧設定値から減算され、その偏差が電圧制御器２２に与えられる。電圧制御器２２においてはこの偏差が最小となるように必要に応じてＰＩＤ制御を行って加速電源出力基準を出力して加算器２３の一方の入力とする。尚、加速電源は、電圧制御器２２の出力がオーバーシュートして過電圧が出力されることを嫌うため、電圧制御器２２は通常比例及び積分制御のみとする。このため電圧制御器２２の応答速度には限界がある。

ＡＮＤ回路２４は、加速電源４が作動したタイミングで得られる加速電源ＯＮ信号とアーク電源３が作動したタイミングで得られるアーク電源ＯＮ信号の論理積を関数発生器２５に与える。関数発生器２５はこの信号を受けると直ちに予め設定された時間関数ｆ（ｔ）を加算電圧として出力し、加算器２３の他方の入力とする。

そして、加算器２３の出力は加速電源出力指令値として交流スイッチ７に与えられる。交流スイッチ７はその出力が加速電源出力指令値に一致するように内部のスイッチング素子をオンオフ制御する。交流スイッチ７のスイッチング素子は通常サイリスタが用いられるが、ＩＧＢＴなどの自己消弧型素子を用いても良い。

時間関数ｆ（ｔ）が所定時間の間所定の一定値を出力するように設定されているとき、加速電源４の出力電圧変動がどのようになるかについて図２を参照して説明する。

図２（ａ）に示すように、時刻ｔ＝ｔ０で加速電源４をオンし、時刻ｔ＝ｔ１でアーク電源３をオンする。このとき、図示したように加速電源出力指令値は一定値の加速電源出力基準に対しｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ２までの間関数発生器２５の出力が加算電圧として加算される。その結果、加速電源出力電圧はｔ＝ｔ１で若干落ち込むが、加算電圧の効果によって短時間で回復する。図２（ｂ）には、関数発生器２５による加算電圧がない場合の加速電源４の出力電圧変動を比較図として示している。この図との比較によって、関数発生器２５による加算電圧が加速電源４の出力電圧変動を抑制していることが判る。

本実施例によれば、アーク電源と加速電源が共にオンとなった時刻から一定時間の間、加速電源の出力基準値に一定値を加算するので、加速電源の出力電圧が落込んだ時に加速電源の出力指令値が高くなり、電圧の回復時間を短縮して加速出力電圧の変動を抑制し、質の高いビームを放出するイオン粒子電源を提供できる。

尚、加速電源の出力基準値に加算する加算電圧を時間の関数とすることも可能である。このようにすれば、加速電源の出力電圧の落込みの是正をきめ細かく行うことができる。

以下、本発明の実施２に係るイオン粒子電源を図３及び図４を参照して説明する。

図３は本発明の実施例２に係るイオン粒子電源のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係るイオン粒子電源の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、加速電源４の出力電流を検出する電流検出器１２を設けた点、関数発生器２５Ａの関数を、電流検出器１２で検出された出力電流Ｉの関数ｆ（Ｉ、ｔ）となるように構成した点である。

図４は実施例２における加速電源の出力電圧変動抑制効果の説明図であり実施例１の図２相当図である。図４に示したように、ｔ＝ｔ１でアーク電源がオンすると加速電源出力電流Ｉは急激に立ち上がる。この立ち上がりの微分要素を主体として関数ｆ（Ｉ、ｔ）を設定し、図示するように関数ｆ（Ｉ、ｔ）を加速電源出力基準に加算して加速電圧出力指令値を得るようにすれば、出力電圧の落ち込みを抑制することが可能となる。

この実施例２によれば、加速電源出力指令値を一定の加速電源出力基準よりも関数値分だけ高くすることができるため、加速電源出力電圧の落込み時間が短縮される。関数ｆ（Ｉ、ｔ）を適切に選定すれば電圧の回復曲線をきめ細かく調整することが可能となる。

以下、本発明の実施３に係るイオン粒子電源を図５及び図６を参照して説明する。

図５は本発明の実施例３に係るイオン粒子電源のブロック構成図である。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係るイオン粒子電源の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、関数発生器２５Ｂの関数を、加速電源４の電圧設定値Ｅとアーク電源３の電圧設定値Ｅａの関数ｆ（Ｅ、Ｅａ、ｔ）となるように構成した点である。

加速電源４の電圧制御は交流スイッチ７による制御であるため応答時間が比較的遅い。このため、コンデンサ１０の電圧が落ち込んでからそれを補償するのでは遅いため、事前に電圧落込み量を予測して電圧を上積みする。コンデンサの電荷量変化を△Ｑ、出力電流をＩ、時間変化を△ｔ、コンデンサ容量をＣ、コンデンサ電圧変化を△Ｖとすると、ΔＱ＝ＩΔｔ＝ＣΔＶで表されるため、コンデンサ電圧の落込み△Ｖは電流時間積ＩΔｔに比例する。加速電源の負荷は抵抗負荷であるため、電流は加速電圧設定値Ｅに比例する。従って、コンデンサ電圧の落込みは加速電圧設定値Ｅに比例することになる。また、図６に示すように、アーク電圧が３０Ｖのときには負荷抵抗はＲ１０と高く、アーク電圧を１３０Ｖとすれば負荷抵抗はＲ２０と低くなり、負荷抵抗はアーク電圧に反比例する。このため、一例として（１）式に示すように、加速電圧設定値Ｅとアーク電圧設定値Ｅａより電流を予測することができる。

電流Ｉ＝Ａ×加速電圧設定値×アーク電圧設定値Ｅａ・・・（１）
ここでＡはイオン源の性能と各電源の定格によって決まる定数である。このことから、加速電圧設定値Ｅとアーク電圧設定値Ｅａより（２）式によってコンデンサ電圧の落込みを予測し、落込み量を補償するための加算電圧を出力する関数ｆ（Ｅ、Ｅａ、ｔ）を決めることが可能となる。

電圧落込み量△Ｖ＝電流Ｉ×△ｔ／Ｃ＝Ａ×Ｅ×Ｅａ×△ｔ／Ｃ・・・（２）
この実施例３によっても、加速電源出力指令値を一定の加速電源出力基準よりも関数値分だけ高くすることができるため、加速電源出力電圧の落込み時間が短縮される。関数ｆ（Ｅ、Ｅａ、ｔ）を適切に選定すれば電圧の回復曲線をきめ細かく調整することが可能となる。

尚、関数ｆ（Ｅ、Ｅａ、ｔ）の時間変化は、電圧制御器２２の応答時間等によって決めることができるが、実際に観測される電圧落ち込みの時間変化から決めるようにしても良い。

以下、本発明の実施４に係るイオン粒子電源を図７及び図８を参照して説明する。

図７は本発明の実施例２に係るイオン粒子電源のブロック構成図である。この実施例４の各部について、図５の本発明の実施例３に係るイオン粒子電源の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例３と異なる点は、関数発生器２５Ｃの関数を、加速電源４の電圧設定値Ｅとアーク電源３の電圧設定値Ｅａに、フィラメント電源２の電圧設定値Ｅｆも加えた関数ｆ（Ｅ、Ｅａ、Ｅｆ、ｔ）となるように構成した点である。

実施例３においてはフィラメント電源２の電圧設定値を一定としていたのに対し、本実施例においてはフィラメント電源設定値Ｅｆを関数内に盛り込むことによりフィラメント電源設定値Ｅｆが変化した場合においても電圧落込み量を正確に予測できる。従って、加速電源出力電圧の変動を更にきめ細かく調整することができる。

図８に示すように、フィラメント電圧が１５Ｖから１０Ｖ、５Ｖと低下すると、アーク電圧が１３０Ｖのときの負荷抵抗はＲ２０からＲ２１、Ｒ２２と上昇し、アーク電圧が３０Ｖのときの負荷抵抗もＲ１０からＲ１１、Ｒ１２と上昇する。

従って、一例として（３）式に示すように、加速電圧設定値Ｅ、アーク電圧設定値Ｅａ及びフィラメント電圧設定値Ｅｆより加速電流を予測することができる。

電流Ｉ＝Ｅ／｛（１／（Ａ×Ｅａ）＋（Ｂ／Ｅｆ）−Ｃ}・・・（３）
ここでＢ、Ｃはイオン源の性能と各電源の定格によって決まる定数である。このことから、加速電圧設定値Ｅ、アーク電圧設定値Ｅａ及びフィラメント電圧設定値Ｅｆより（４）式によってコンデンサ電圧の電圧落込み量△Ｖを予測し、落込み量を補償するための加算電圧を出力する関数ｆ（Ｅ、Ｅａ、Ｅｆ、ｔ）を決めることが可能となる。

△Ｖ＝Ｅ／｛（１／（Ａ×Ｅａ）＋（Ｂ／Ｅｆ）−Ｃ}×△ｔ／Ｃ・・・（４）
この実施例４によっても、加速電源出力指令値を一定の加速電源出力基準よりも関数値分だけ高くすることができるため、加速電源出力電圧の落込み時間が短縮される。関数ｆ（Ｅ、Ｅａ、Ｅｆ、ｔ）を適切に選定すれば電圧の回復曲線をきめ細かく調整することが可能となる。

１ イオン源の壁
２ フィラメント電源
３ アーク電源
４ 加速電源
５ フィラメント
６ 電極
７ 交流スイッチ
８ 昇圧変圧器
９ ダイオード整流器
１０ コンデンサ
１１ 電圧検出器
１２ 電流検出器
２０ 制御部
２１ 減算器
２２ 電圧制御器
２３ 加算器
２４ ＡＮＤ回路
２５、２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ 関数発生器

Claims (5)

1. イオン源内に設けられたフィラメントを加熱するためのフィラメント電源と、
   前記フィラメントと前記イオン源の壁に電圧を印加してイオン粒子を生成させるためのアーク電源と、
   前記イオン源の壁と電極間に直流電圧を印加して前記イオン粒子を加速するための加速電源とから成るイオン粒子電源であって、
   前記加速電源は、
   商用交流電源に接続された交流スイッチと、
   この交流スイッチの出力を整流して直流に変換する整流器と、
   この整流器の出力を平滑して前記直流電圧を得るためのコンデンサと、
   加速電源出力指令値を前記交流スイッチに与えてその出力電圧を制御するための制御手段と
   を具備し、
   前記制御手段は、
   前記直流電圧と電圧設定値との偏差に応じて加速電源出力基準を得る電圧制御手段と、
   前記加速電源と前記アーク電源が共にオンしたとき、所定の関数を発生する関数発生器と
   を有し、
   前記加速電源出力基準と前記関数発生器の出力を加算して前記加速電源出力指令値を得るようにしたことを特徴とするイオン粒子電源。
2. 前記関数発生器は、所定の時間に所定の一定値を出力するようにしたことを特徴とする
   請求項１に記載のイオン粒子電源。
3. 前記関数発生器は、前記加速電源の出力電流に応じた関数を出力するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のイオン粒子電源。
4. 前記関数発生器は、前記加速電源の前記電圧設定値と、前記アーク電源のアーク電圧設定値に応じた関数を出力するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のイオン粒子電源。
5. 前記関数発生器は、前記加速電源の前記電圧設定値と、前記アーク電源のアーク電圧設定値と、前記フィラメント電源のフィラメント電圧設定値に応じた関数を出力するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のイオン粒子電源。

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