JP2017004599A - Charged particle accelerator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、荷電粒子を加速して高エネルギーの荷電粒子ビーム(イオンビーム)を得る荷電粒子加速器に関する。 The present invention relates to a charged particle accelerator that accelerates charged particles to obtain a high energy charged particle beam (ion beam).
荷電粒子を加速する荷電粒子加速器が知られている。例えば、下記特許文献1は、図15に示すように構成された荷電粒子加速器を開示している。この荷電粒子加速器1は、荷電粒子を発生する荷電粒子発生源2と、荷電粒子を加速する加速電圧を印加するための加速電源3A、3Bと、加速電源3A、3Bにスイッチ4A、4Bを介して接続され、荷電粒子を順次通過させて加速させるための一対の加速電圧印加用電極板5A、5Bと、一対の加速電圧印加用電極板5A、5Bの間に分圧回路による加速勾配を形成するように配列され接続された分圧用電極板6A、6Bと、荷電粒子を加速電圧印加用電極板5A、5B及び分圧用電極板6A、6Bを順次通過させて加速させるように所定のタイミングでスイッチ4A、4Bをオンオフ制御する制御部7と、を備えている。更に、2対の加速電圧印加用電極板5C、5D、及び5E、5Fが、ギャップG2、G3を介して荷電粒子進行経路上に3対配列され、それぞれが、共通の電源バスB1、B2を通じて、加速電源3A、3Bとスイッチ4C、4D、及び4E、4Fを介して接続されている。
Charged particle accelerators that accelerate charged particles are known. For example,
荷電粒子加速器1は、制御部7により、荷電粒子発生源2により発生したイオンを引出して加速するために、電極板5A、6A、6B及び5Bに、この方向にイオンが加速されるように電圧を印加する(プラスイオンであれば、順に電位が低くなるように印加する)。電極板5C、6C、6D及び5D、並びに、5E、6E、6F及び5Fに関しても同様に、電圧を印加する。これにより、イオン群は、電極5Aから電極5Bの間で加速される。その後、イオン群の先頭部が電極5Bに到達したタイミングで、電極板5A、6A、6B及び5Bの電位勾配を維持したまま、電極板5A、6A、6B及び5Bに、それまで印加していた電圧と逆の電圧を印加する。これにより、さらにイオンが電極板5Aからに引込まれることが防止され、所定の広がりを有する、即ち後端を有するイオンビームのクラスタ即ちバンチが形成され、加速される。なお、分圧抵抗9A〜9Cにより、電極板5A、6A、6B及び5Bには、イオンを集束させるような電圧が印加され、バンチは半径方向に集束されながら加速される。
The
バンチが、電極板5Bを抜けた後、電極板5Cを通過し、電極板5Cに入力すると、電極板5A、6A、6B及び5Bにより加速されたのと同様に、電極板5C、6C、6D及び5Dにより、加速される。同様に、分圧抵抗9D〜9Fにより、電極板5C、6C、6D及び5Dには、イオンを集束させるような電圧が印加され、バンチは半径方向に集束されながら加速される。
When the bunch passes through the
バンチの終端部が、電極板5Cに到達したタイミングで、電極板5C、6C、6D及び5Dの電位勾配を維持したまま、電極板5C、6C、6D及び5Dに印加していた電圧と逆の電圧を印加する。なお、分圧抵抗9D〜9Fにより、電極板5C、6C、6D及び5Dには、イオンを集束させるような電圧が印加され、バンチは半径方向に集束されながら加速される。
At the timing when the end of the bunch reaches the
同様にして、バンチの終端部が、電極板5Eに到達したタイミングで、電極板5E、6E、6F及び5Fの電位勾配を維持したまま、電極板5E、6E、6F及び5Fに印加していた電圧と逆の電圧を印加する。なお、分圧抵抗9G〜9Iにより、電極板5E、6E、6F及び5Fには、イオンを集束させるような電圧が印加され、バンチは半径方向に集束されながら加速される。
Similarly, at the timing when the end of the bunch reaches the
バンチの終端部が、電極板5Eに到達したタイミングで、電極板5E、6E、6F及び5Fに逆の電圧を印加するときに、電極板5A、6A、6B及び5Bに、最初に印加していたのと同じ電圧を印加することにより、イオン源により発生させた次のイオン群を、引込み、上記と同様に加速する。
When a reverse voltage is applied to the
このようにして、荷電粒子加速器1は、分圧回路を形成する分圧用電極板を設けたことにより、一対の加速電圧印加用電極板及びそれらの間の分圧用電極板を順次通過している間にもイオンビームが加速勾配により常に加速されるとともにイオンビームを維持するための集束電界が形成され、イオンビームの発散を抑えることができる。1000mAを超えるような大電流のイオンビームをイオン源から引き出した場合でも、加速管の内壁にイオンビームを衝突させることなく、加速させることができる。
In this way, the
しかし、特許文献1の荷電粒子加速器は、複数の電極板の間隔を適切に調整し、且つ分圧抵抗9A〜9Iにより、イオンビーム集束電位を発生させるので、設計が容易ではない。また、分圧抵抗9A〜9I等により部品点数が多くなる。また、加速電源3A、3Bとして、直流高電圧電源が必要であり、例えばコッククロフト型電源が使用されるが、コッククロフト型電源は出力電圧が高くなると非常に高価になる。
However, the charged particle accelerator of
本発明は、斯かる事情を鑑みてなされたものであり、設計が容易であり、百kVを超えるような直流高電圧電源を使用しなくても、高エネルギーのイオンビームを得ることができる荷電粒子加速器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, is easy to design, and is capable of obtaining a high-energy ion beam without using a DC high-voltage power supply exceeding 100 kV. An object is to provide a particle accelerator.
本発明に係る荷電粒子加速器は、荷電粒子を発生する荷電粒子発生源と、所定の電圧が印加されることにより、荷電粒子を所定の軸に沿って一方向に加速させる、3以上の複数の導電性の電極板と、複数の電極板のそれぞれに電圧を印加するパルス電源と、パルス電源が複数の電極板に印加する電圧を制御する制御部とを備える。複数の電極板は、所定の軸に沿って等間隔に配置され、制御部は、荷電粒子発生源により発生した荷電粒子が、電極板の間に引込まれ、隣接する前記電極板の間に形成される電界により、一方向に加速されるように、複数の電極板のそれぞれに電圧を印加するように、パルス電源を制御する。 The charged particle accelerator according to the present invention includes a charged particle generating source that generates charged particles, and a predetermined voltage that is applied to accelerate the charged particles in one direction along a predetermined axis. A conductive electrode plate; a pulse power source that applies a voltage to each of the plurality of electrode plates; and a control unit that controls a voltage applied by the pulse power source to the plurality of electrode plates. The plurality of electrode plates are arranged at equal intervals along a predetermined axis, and the control unit is configured to draw charged particles generated by the charged particle generation source between the electrode plates and to generate an electric field formed between the adjacent electrode plates. The pulse power supply is controlled so as to apply a voltage to each of the plurality of electrode plates so as to be accelerated in one direction.
好ましくは、複数の電極板は、所定の軸に沿って、順に第1の加速区間、第2の加速区間、及び第3の加速区間を形成し、荷電粒子発生源が発生した荷電粒子は、第1の加速区間に引込まれ、第1の加速区間に配置された電極板の間に形成される電界により、一方向に加速され、第1の加速区間を通過した荷電粒子は、第2の加速区間に配置された電極板の間に形成される電界により、集束され、第2の加速区間を通過した荷電粒子は、第3の加速区間に配置された電極板の間に形成される電界により、一方向に加速され、第1の加速区間に配置された電極板には、一方向に沿って均一な電位勾配を生じるように、パルス電源から電圧が印加され、第2の加速区間に配置された電極板には、一方向に沿って電位勾配が交互に逆になる電界を生じるように、パルス電源から電圧が印加され、第3の加速区間に配置された電極板には、一方向に沿って均一な電位勾配を生じるように、パルス電源から電圧が印加される。 Preferably, the plurality of electrode plates sequentially form a first acceleration section, a second acceleration section, and a third acceleration section along a predetermined axis, and the charged particles generated by the charged particle generation source are: Charged particles that are drawn into the first acceleration section and accelerated in one direction by the electric field formed between the electrode plates arranged in the first acceleration section and passed through the first acceleration section are second acceleration section The charged particles that have been focused by the electric field formed between the electrode plates disposed in the first and second passes through the second acceleration section are accelerated in one direction by the electric field formed between the electrode plates disposed in the third acceleration section. A voltage is applied from the pulse power source to the electrode plate disposed in the first acceleration section so that a uniform potential gradient is generated along one direction, and the electrode plate disposed in the second acceleration section is applied to the electrode plate disposed in the second acceleration section. Produces an electric field whose potential gradient alternates along one direction. In so that, a voltage is applied from the pulse power supply, the third electrode plate arranged on the acceleration section, to produce a uniform potential gradient along the one direction, a voltage is applied from the pulse power supply.
好ましくは、制御部は、荷電粒子により形成されるイオンビームのバンチの先頭部が、第2の加速区間と第3の加速区間との境界に到達するタイミングで、複数の電極板のそれぞれに印加されている電圧の正負が反転するように、パルス電源を制御する。 Preferably, the control unit applies each of the plurality of electrode plates at a timing at which the head of the ion beam bunch formed by the charged particles reaches the boundary between the second acceleration section and the third acceleration section. The pulse power supply is controlled so that the positive and negative voltages are reversed.
好ましくは、パルス電源は、制御部からの制御信号が入力され、相互に正負が異なる電圧を出力する第1端子及び第2端子を有する電源セルを複数備え、複数の電源セルは、1の電源セルの第1端子と、1の電源セルに隣接する電源セルの第2端子とが接続されることにより、直列接続され、電源セルは、制御信号のレベルが反転されることにより、第1端子の電圧の正負を反転させ、且つ、第2端子の電圧の正負を反転させる。 Preferably, the pulse power supply includes a plurality of power cells having a first terminal and a second terminal that receive a control signal from the control unit and output voltages having different positive and negative values, and the plurality of power cells are one power source. The first terminal of the cell and the second terminal of the power cell adjacent to one power cell are connected in series, and the power cell is connected to the first terminal by inverting the level of the control signal. And the polarity of the voltage at the second terminal is inverted.
好ましくは、複数の電源セルのそれぞれの第1端子は、同時に同じ電圧を出力し、複数の電源セルのそれぞれの第2端子は、同時に同じ電圧を出力し、パルス電源は、第1端子及び端子の相互接続ノードから、1つの電源セルの第1端子及び第2端子間の電圧の整数倍の電圧を、電極板に印加し得る。 Preferably, each first terminal of the plurality of power cells outputs the same voltage at the same time, each second terminal of each of the plurality of power cells outputs the same voltage at the same time, and the pulse power source includes the first terminal and the terminal From these interconnection nodes, a voltage that is an integral multiple of the voltage between the first terminal and the second terminal of one power cell can be applied to the electrode plate.
好ましくは、上記の荷電粒子加速器は、荷電粒子発生源と複数の電極板から構成される加速管とを複数備え、加速管を構成する電極板の配置は、複数の加速管相互において同じであり、複数の加速管相互において、対応する電極板は相互に電気的に接続される。 Preferably, the charged particle accelerator includes a plurality of charged particle generating sources and a plurality of acceleration tubes composed of a plurality of electrode plates, and the arrangement of the electrode plates constituting the acceleration tube is the same among the plurality of acceleration tubes. In the plurality of accelerator tubes, corresponding electrode plates are electrically connected to each other.
好ましくは、上記の荷電粒子加速器は、複数の荷電粒子発生源のそれぞれにより荷電粒子を発生させるタイミングを、独立に制御するタイミング制御部をさらに備える。 Preferably, the charged particle accelerator further includes a timing control unit that independently controls the timing of generating charged particles by each of the plurality of charged particle generation sources.
本発明によれば、従来のように、コッククロフト型の直流高電圧電源を使用することも、分圧抵抗により電極板に印加する電圧を調整することもなく、イオンビームを生成することができる。したがって、従来よりも小型で、低価格の荷電粒子加速器を実現することができる。 According to the present invention, an ion beam can be generated without using a cockcroft type DC high-voltage power supply as in the prior art and without adjusting the voltage applied to the electrode plate by a voltage dividing resistor. Accordingly, it is possible to realize a charged particle accelerator that is smaller and less expensive than the conventional one.
また、加速管を構成する複数の電極板の間隔は等間隔であるので、従来よりも設計が容易である。 Moreover, since the intervals between the plurality of electrode plates constituting the acceleration tube are equal, the design is easier than in the prior art.
パルス電源は、複数のパルス電源セルを直列接続したパルス電源モジュールを、複数直列接続し、隣接するパルス電源モジュール間の接続ノードの電圧を、各出力端子から出力可能な構造になっているので、設計に応じて、各電極板に、適切な出力端子から電圧を供給することができる。 Since the pulse power supply has a structure in which a plurality of pulse power supply modules in which a plurality of pulse power supply cells are connected in series are connected in series, and the voltage of a connection node between adjacent pulse power supply modules can be output from each output terminal. Depending on the design, a voltage can be supplied to each electrode plate from an appropriate output terminal.
以下、図を用いて本発明の実施形態について説明する。以下において、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same parts are denoted by the same reference numerals. Their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.
(第1の実施の形態)
図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る荷電粒子加速器100は、第1パルス電源111、第2パルス電源112、第3パルス電源113、イオン源110、制御部120、容器130、及び複数の電極板Pを備えている。容器130及び複数の電極板Pは、加速管を構成する。イオン源110は、制御部120の制御を受けて、所定のタイミングでビームシャッタを開放してイオンを出力する。第1パルス電源111、第2パルス電源112、第3パルス電源113は制御部120の制御を受けて、複数の電極板Pのそれぞれに所定のタイミングで適切な電圧を印加する。これにより、イオン源110近傍に放出されたイオンは、電極板P間に生じた電界により加速され、加速管からイオンビームIBとして出力される。
(First embodiment)
Referring to FIG. 1, a charged
図2を参照して、加速管を構成する複数の電極板Pは、同じ形状(ドーナツ状(同心円の外径D1及び内径D2)の厚さtの平板)であり、中心が同一直線上に位置し、等間隔Wになるように配置されている。イオンビーム引出電流の値によるが、例えばD1=90〜300(mm)、D2=50〜260(mm)、W=30〜200(mm)、t=0.5〜3(mm)である。電極板Pは、導電性であればよく、例えばステンレスで形成され得る。なお、これに限定されない。 Referring to FIG. 2, the plurality of electrode plates P constituting the accelerating tube have the same shape (doughnut-shaped (concentric outer diameter D1 and inner diameter D2) and a thickness t), and their centers are on the same straight line. It is located and arranged so that it may become equal interval W. Depending on the value of the ion beam extraction current, for example, D1 = 90 to 300 (mm), D2 = 50 to 260 (mm), W = 30 to 200 (mm), and t = 0.5 to 3 (mm). The electrode plate P should just be electroconductive, for example, can be formed with stainless steel. However, the present invention is not limited to this.
容器130は、複数の電極板Pを収容する円筒状に形成され、内部に真空を形成する。容器130は、例えばポリエチレンで形成される。素材はこれに限定されない。
The
加速管は、3つの部分から構成される。図3を参照して、前段部分は電極板P1〜P15を備えている。これらには、第1パルス電源111から所定の電圧が供給される。後述するように、第1パルス電源111は、36個の端子T1〜T36を備え、それぞれの端子から同時に異なる電圧を出力する。各端子の出力電圧は、端子番号に比例する。電極板P1〜P4には、それぞれ端子Tn(n=9、18、27及び36)と、9の整数倍の番号の端子に接続されている。これにより、後述するように、電極板P1〜P4には線形な電圧が印加され、区間G1には電位勾配が一定の電界が形成される。電極板P5〜P12は交互に端子T33及び端子T36に接続されている。奇数番号の電極板Pは端子T33に接続され、偶数番号の電極板Pは端子T36に接続されている。これにより、電極板P4〜P12の間(区間S1)では、電位勾配の方向が交互に逆になる電界が発生する。電極板P13、P14及びP15は、それぞれ端子T24、端子T12及び端子T0(接地)に接続されている。これにより、区間G2Aにも、電位勾配が一定の電界が形成される。
The acceleration tube is composed of three parts. Referring to FIG. 3, the front portion includes electrode plates P1 to P15. These are supplied with a predetermined voltage from the first
図4を参照して、中段部分は電極板P15〜P33を備えている。これらには、第2パルス電源112から所定の電圧が供給される。なお、上記では、電極板P15が前段部分を構成するとして説明したが、便宜上、電極板P15は、中段部分をも構成するとして説明する(電極板P15が2つあるわけではない)。
Referring to FIG. 4, the middle portion includes electrode plates P15 to P33. These are supplied with a predetermined voltage from the second
後述するように、第2パルス電源112は、第1パルス電源111と同様に構成されており、36個の端子T1〜T36を備え、各端子の出力電圧は端子番号に比例する。電極板P15〜P18には、端子T0(接地)、端子T12、端子T24、端子T36と、12の整数倍の番号の端子に接続されている。これにより、区間G2Bには、電位勾配が一定の電界が形成される。電極板P19〜P30は交互に端子T33及び端子T36に接続されている。奇数番号の電極板Pは端子T33に接続され、偶数番号の電極板Pは端子T36に接続されている。これにより、電極板P18〜P30の間(区間S2)では、電位勾配の方向が交互に逆になる電界が発生する。電極板P31、P32及びP33は、それぞれ端子T24、端子T12及び端子T0(接地)に接続されている。これにより、これらの間(区間G3A)にも、電位勾配が一定の電界が形成される。
As will be described later, the second
図5を参照して、後段部分は電極板P33〜P53を備えている。これらには、第3パルス電源113から所定の電圧が供給される。なお、上記では、電極板P33が中段部分を構成するとして説明したが、便宜上、電極板P33は、後段部分をも構成するとして説明する(電極板P33が2つあるわけではない)。
Referring to FIG. 5, the rear portion includes electrode plates P33 to P53. These are supplied with a predetermined voltage from the third
第3パルス電源113も、第1パルス電源111と同様に構成されており、36個の端子T1〜T36を備え、各端子の出力電圧は端子番号に比例する。電極板P33〜P35には、端子T0(接地)、端子T18、端子T36と、18の整数倍の番号の端子に接続されている。これにより、区間G3Bには、電位勾配が一定の電界が形成される。電極板P36〜P50は交互に端子T33及び端子T36に接続されている。偶数番号の電極板Pは端子T33に接続され、奇数番号の電極板Pは端子T36に接続されている。これにより、電極板P35〜P50の間(区間S3)では、電位勾配の方向が交互に逆になる電界が発生する。電極板P51、P52及びP53は、それぞれ端子T24、端子T12及び端子T0(接地)に接続されている。これにより、これらの間(区間G4)にも、電位勾配が一定の電界が形成される。
The third
図6を参照して、第1パルス電源111は、36個のパルス電源モジュール200、タイミング制御回路210、及び光ファイバー213を備えている。タイミング制御回路210は、パルス発生器211、及び、パルス電源モジュール200の数(36)の2倍(72)のEO変換器212を備えている。各EO変換器212には、パルス発生器211の出力NOUT又はPOUTが入力される。EO変換器212は、入力される電気信号を光信号に変換して出力する。各パルス電源モジュール200において、NOUTが入力される1つのEO変換器212の出力、及び、POUTが入力される1つのEO変換器212の出力が、それぞれN$ON端子及びP$ON端子に入力される。各パルス電源モジュール200は2つの出力端子MA及びMBを有し、36個のパルス電源モジュール200は、隣接する端子MA及びMBが接続されて、直列に接続されている。36個のパルス電源モジュール200の一端に位置するパルス電源モジュール200(図6の最も下側のパルス電源モジュール200)の端子MBは、端子T0に接続され、端子T0は接地されている。36個のパルス電源モジュール200の他端に位置するパルス電源モジュール200(図6の最も上側のパルス電源モジュール200)の端子MAは、端子T36に接続されている。端子MA及びMBの接続ノードは、端子T1〜T35に接続されている。
Referring to FIG. 6, the first
第2パルス電源112及び第3パルス電源113も、図6に示した第1パルス電源111と同様に構成されている。
The second
図7を参照して、パルス電源モジュール200は、4個のパルス電源セル230、OE変換器240及び241、DC/DC変換器250、並びにリチウム電池251を備えている。N$ON端子は、光ケーブル242を介してOE変換器240に接続され、OE変換器240の出力端は、各パルス電源セル230のN$OUTに接続されている。P$ON端子は、光ケーブル243を介してOE変換器241に接続され、OE変換器241の出力端は、各パルス電源セル230のP$OUTに接続されている。OE変換器240及び241は、入力される光信号を電気信号に変換して出力する。
With reference to FIG. 7, the pulse
リチウム電池251は、例えば、容量60Whであり、DC3.7Vを出力する。DC/DC変換器250は、リチウム電池251から供給されるDC電圧を所定の電圧に変換し、OE変換器240、光ケーブル242、及び各パルス電源セル230のPW$GATE端子に供給する。OE変換器240及び241を囲む点線の矩形は、それらへの電力供給を示す。4個のパルス電源セル230は、隣接するCA端子及びCB端子が接続されて、直列接続されている。4個のパルス電源セル230の一端に位置するパルス電源セル230(図7の最も下側のパルス電源セル230)のCB端子は、MB端子に接続されている。4個のパルス電源セル230の他端に位置するパルス電源セル230(図7の最も上側のパルス電源セル230)のCA端子は、MA端子に接続されている。
The
図8を参照して、パルス電源セル230は、FET271〜274、ゲートドライバ281〜284、DC/DC変換器290及び291、並びに、リチウム電池292及び293を備えている。FET271〜274は、例えばNチャネルMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect−Transistor)である。FET271〜274は、SiC−MISFET(Silicon Carbide Metal−Insulator−Semiconductor Field−Effect−Transistor)であってもよい。ゲートドライバ281〜284は、例えば絶縁耐圧DC7kVの絶縁型ゲートドライバである。
Referring to FIG. 8, the pulse
N$OUT端子は、ゲートドライバ282及びゲートドライバ283の入力端子に接続されている。ゲートドライバ282及びゲートドライバ283の出力端子は、FET272及びFET273のゲートGに接続されている。P$OUT端子は、ゲートドライバ281及びゲートドライバ284の入力端子に接続されている。ゲートドライバ281及びゲートドライバ284の出力端子は、FET271及びFET274のゲートGに接続されている。
The N $ OUT terminal is connected to the input terminals of the
リチウム電池292及び293は、例えば、電池容量60Whであり、DC3.7Vを出力する。DC/DC変換器290は、リチウム電池292から供給されるDC電圧(例えばDC+3.7V)から正の高電圧(例えば、DC+550V)を生成し、FET271及びFET273のドレインDに供給する。DC/DC変換器291は、リチウム電池293から供給されるDC電圧(例えばDC+3.7V)から負の高電圧(例えば、DC−550V)を生成し、FET272及びFET274のソースSに供給する。FET271のソースS及びFET272のドレインDは共に端子CAに接続されている。FET273のソースS及びFET274のドレインDは共に端子CBに接続されている。
The
PW$GATE端子は、ゲートドライバ281〜284の電源ラインに接続される。ゲートドライバ281〜284を囲む点線の矩形は、それらの電源ラインへの接続を示す。
The PW $ GATE terminal is connected to the power supply line of the
図6〜8のように構成されていることにより、パルス電源セル230のCA端子及びCB端子の出力値により、パルス電源モジュール200のMA端子及びMB端子の出力値が決まり、パルス電源モジュール200の端子T1〜T36の出力値が決まる。
6-8, the output values of the MA terminal and MB terminal of the pulse
具体的には、制御部120の制御を受けて、パルス発生器211がNOUTをハイレベル(以下、Hという)、POUTをローレベル(以下、Lという)にすると、各パルス電源モジュール200のN$ONがH、P$ONがLになる。これにより、各パルス電源モジュール200において、各パルス電源セル230のN$OUTがH、P$OUTがLになる(図7参照)。これにより、各パルス電源セル230のFET272及びFET273がONし、FET271及びFET274がOFFし、端子CAからは、DC/DC変換器291の出力電圧(−550V)が出力され、端子CBからは、DC/DC変換器290の出力電圧(+550V)が出力される(図8参照)。ここで、36個のパルス電源モジュール200のうち、一端のパルス電源モジュール200(図6の最も下側のパルス電源モジュール200)の端子MBは接地されているので、そのパルス電源モジュール200を構成する4個のパルス電源セル230のうち、一端のパルス電源セル230(図7の最も下側のパルス電源セル230)の端子CBは接地されている。したがって、このパルス電源セル230は、端子CBを0Vとして、端子CAは−1100Vになる。したがって、このパルス電源セル230に接続された次段のパルス電源セル230(図7の下から2番目)の端子CAは、端子CB(−1100V)からさらに1100V低い、−2200Vになる。同様にして、図7の下から3番目のパルス電源セル230の端子CAは、−3300Vになり、図7の最も上側のパルス電源セル230の端子CAは、−4400Vになる。即ち、図6の最も下側のパルス電源モジュール200の端子MA(端子T1)は、−4400Vになる。同様にして、各パルス電源モジュール200の端子MAは、端子MBよりも4400V低い電圧になる。したがって、NOUTをH、POUTをLに設定すると、端子Tn(n=1〜36)の電圧は、−4400×n(V)となる。
Specifically, under the control of the
制御部120の制御を受けて、パルス発生器211がNOUTをH、POUTをLに設定すると、各パルス電源セル230のFET271及びFET274がONし、FET272及びFET273がOFFする(図8参照)。これにより、各パルス電源セル230の端子CAからは、DC/DC変換器290の出力電圧(+550V)が出力され、端子CBからは、DC/DC変換器291の出力電圧(−550V)が出力される。したがって、図6の最も下側のパルス電源モジュール200のMA端子(端子T1)は、+4400Vになる。直列接続されたパルス電源モジュール200により、端子Tn(n=1〜36)の電圧は、+4400×n(V)となる。
Under the control of the
このように、NOUT及びPOUTを相互に反転したレベルに設定することにより、第1パルス電源111の端子Tn(n=1〜36)からは、−4400×n(V)又は+4400×n(V)の電圧が出力される。第2パルス電源112及び第3パルス電源113に関しても、同様である。
In this way, by setting NOUT and POUT to the mutually inverted levels, from the terminal Tn (n = 1 to 36) of the first
このように構成された荷電粒子加速器100において、イオンを加速してイオンビームIBを生成するための第1パルス電源111、第2パルス電源112、及び第3パルス電源113の制御タイミングを図9に示す。
FIG. 9 shows control timings of the first
時刻t0で、制御部120は、イオン源110からイオンの放出を開始する。ここでは、プラスイオンが放出されるとする。同時に、制御部120は、第1パルス電源111、第2パルス電源112、及び第3パルス電源113のそれぞれのパルス発生器211を制御して、NOUTをH、POUTをLにする。これにより、端子Tn(n=1〜36)の電圧は、−4400×n(V)になり、イオン群が区間G1に引込まれて、加速される。その後、イオン群は区間S1で、加速減速を繰返し、集束される。この集束は、公知のアインツェルレンズ効果によるものである。
At time t0, the
イオン群の先頭部が電極板P4に到達したタイミング(時刻t1)で、制御部120は、第1パルス電源111のパルス発生器211を制御して、NOUTをL、POUTをHにする。これにより、第1パルス電源111の端子Tn(n=1〜36)の電圧は、+4400×n(V)になり、イオン群は、区間G2A及びG2Bで加速される。なお、イオン源110で発生したイオンは、区間G1に引込まれなくなる。これにより、イオン群は、後端を有するイオンビームのクラスタすなわちバンチを形成する。
At the timing (time t1) when the head of the ion group reaches the electrode plate P4, the
バンチの後端部が電極板P18に到達したタイミング(時刻t2)で、制御部120は、第2パルス電源112のパルス発生器211を制御して、NOUTをL、POUTをHにする。これにより、第2パルス電源112の端子Tn(n=1〜36)の電圧は、+4400×n(V)になり、バンチは、区間S2で、加速減速を繰返し、集束される。さらに、バンチは、区間G3A及びG3Bで加速される。
At the timing (time t2) when the rear end of the bunch reaches the electrode plate P18, the
バンチの後端部が電極板P35に到達したタイミング(時刻t3)で、制御部120は、第3パルス電源113のパルス発生器211を制御して、NOUTをL、POUTをHにする。これにより、第3パルス電源113の端子Tn(n=1〜36)の電圧は、+4400×n(V)になり、バンチは、区間S3で、加速減速を繰返し、集束される。さらに、バンチは、区間G4で加速された後、イオンビームIBとして外部に放出される。
At the timing (time t3) when the rear end of the bunch reaches the electrode plate P35, the
このように、荷電粒子加速器100は、最大出力電圧±158.4kV(=4×36×1.1kV)のパルス電源を3台使用することにより、イオンビームを約950keVまで加速することができる。
Thus, the charged
時刻t3の後、所定のタイミングで、第1パルス電源111、第2パルス電源112、及び第3パルス電源113のパルス発生器211の出力(NOUT及びPOUT)を時刻t0と同じ状態に戻し、その後、上記と同様に制御すれば、次のイオンビームIBを出力することができる。
After time t3, at a predetermined timing, the outputs (NOUT and POUT) of the
このように、荷電粒子加速器100により、従来の荷電粒子加速器(図15参照)と同様に、イオンビームIBを生成することができる。荷電粒子加速器100においては、電極板Pの間隔は等間隔であるので、従来よりも設計が容易である。また、従来のように、コッククロフト型の直流高電圧電源を使用することも、分圧抵抗により電極板に印加する電圧を調整することも必要ない。
As described above, the charged
第1パルス電源111、第2パルス電源112及び第3パルス電源113はそれぞれ、複数(上記では4個)のパルス電源セル230を直列接続したパルス電源モジュール200を、複数(上記では36個)直列接続し、パルス電源モジュール200間の接続ノードの電圧を端子Tnから出力可能な構造になっているので、加速管の設計(電極板Pの数、D1、D2、t、W)に応じた電圧を、適切な端子Tnから各電極板Pに供給することができる。また、パルス電源モジュール200を構成するパルス電源セル230の数を変更すること、及び、第1パルス電源111〜第3パルス電源113を構成するパルス電源モジュール200の数を変更することにより、加速管の設計に、より柔軟に対応することができる。例えば、パルス電源モジュールは、1つのパルス電源セルから構成されていてもよい。
Each of the first
上記では、リチウム電池251、292及び293(図7及び図8参照)を使用する場合を説明したが、これに限定されず、任意の種類の一次電池を使用することができる。ニッケル水素電池等の二次電池であってもよい。
Although the case where the
上記では、時刻t3で、第3パルス電源113に関してのみ、パルス発生器211の出力(NOUT及びPOUT)を反転させた。しかし、これに限定されない。時刻t3で、制御部120が、第1パルス電源111及び第2パルス電源112を制御して、パルス発生器211の出力を反転(NOUTをL、POUTをHにする)させてもよい。そのようにすれば、次のイオン群が区間G1に引込まれ、連続してイオンビームIBを出力することができる。この場合、第3パルス電源113のパルス発生器211の出力(NOUT及びPOUT)を時刻t0と同じ状態に戻すのは、例えば時刻t1に対応するタイミングで行えばよい。
In the above description, the output (NOUT and POUT) of the
(第2の実施の形態)
図10を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る荷電粒子加速器300は、パルス電源310、制御部320、イオン源330、容器340、及び複数の電極板Pを備えている。容器340及び複数の電極板Pは、加速管を構成する。イオン源330は、制御部320の制御を受けて、所定のタイミングでビームシャッタを開放し、イオンを出力する。パルス電源310は制御部320の制御を受けて、複数の電極板Pのそれぞれに所定のタイミングで適切な電圧を印加する。これにより、イオン源330近傍に放出されたイオンは、電極板P間に生じた電界により加速され、イオンビームIBとして出力される。
(Second Embodiment)
Referring to FIG. 10, a charged
本実施の形態においては、加速管は、第1の実施の形態と同様に構成されている。但し、第1の実施の形態とは異なり、24枚の電極板Pを備えている。また、本実施の形態においては、パルス電源は1台であり、後述するように端子T0及び端子T1〜T300の出力端子を有する。端子T1〜T300の出力電圧は、端子番号に比例する。 In the present embodiment, the accelerating tube is configured in the same manner as in the first embodiment. However, unlike the first embodiment, 24 electrode plates P are provided. Further, in the present embodiment, there is one pulse power supply, and it has an output terminal of terminal T0 and terminals T1 to T300 as will be described later. The output voltage of the terminals T1 to T300 is proportional to the terminal number.
電極板P1〜P24は、パルス電源310の端子T1〜T300中の所定の端子に接続されている。即ち、電極板P1〜P5は、それぞれ端子Tn(n=33、66、99、132及び165)と、33の整数倍の番号の端子に接続されている。これにより、電極板P1〜P5には線形な電圧が印加される。電極板P6〜P9には、それぞれ端子Tn(n=197、230、263及び300)と、33の整数倍に近い番号の端子に接続されている。これにより、電極板P5〜P9にも略線形な電圧が印加される。これにより、区間G1には電位勾配が略一定の電界が形成される。なお、電極板P6〜P9が正確に33の整数倍になっていないのは、イオン源の近く(電極板P1〜P5)ではイオンビームの速度が遅いため集束電界の影響を受けやすく厳密に電界(電位勾配)を作る必要があるが、電極板P8付近ではイオンビームの速度もかなり速くなっており、電界(電位勾配)の値が多少変わってもエンベロープが影響を受けにくいためである。
The electrode plates P1 to P24 are connected to predetermined terminals among the terminals T1 to T300 of the
電極板P10〜P18は交互に端子T295及び端子T300に接続されている。奇数番号の電極板Pは端子T300に接続され、偶数番号の電極板Pは端子T295に接続されている。これにより、電極板P9〜P182の間(区間S1)では、電位勾配の方向が交互に逆になる電界が発生する。 The electrode plates P10 to P18 are alternately connected to the terminal T295 and the terminal T300. The odd-numbered electrode plate P is connected to the terminal T300, and the even-numbered electrode plate P is connected to the terminal T295. Thereby, between the electrode plates P9 to P182 (section S1), an electric field in which the direction of the potential gradient is alternately reversed is generated.
電極板P19〜P24は、それぞれ端子Tn(n=250、200、150、100、50及び0)と、50の整数倍の番号の端子に接続されている。これにより、区間G2には、電位勾配が略一定の電界が形成される。なお、区間G2においてはイオンビームの速度がかなり速いため、上記したように、電界(電位勾配)の値が多少変わってもエンベロープが影響を受けにくいので、電界(電位勾配)が一定である精度はそれほど高くなくてもよい。 The electrode plates P19 to P24 are connected to a terminal Tn (n = 250, 200, 150, 100, 50 and 0) and a terminal having an integer multiple of 50, respectively. As a result, an electric field having a substantially constant potential gradient is formed in the section G2. In the section G2, since the speed of the ion beam is considerably high, as described above, the envelope is not easily affected even if the value of the electric field (potential gradient) is slightly changed, so that the accuracy of the electric field (potential gradient) is constant. Does not have to be so expensive.
図11を参照して、パルス電源310は、図6の第1パルス電源111と同様に構成されている。図11のパルス電源310が、図6の第1パルス電源111と異なるのは、300個のパルス電源モジュール200が直列接続され、対応する200組のEO変換器212と、端子T0〜T300とを備える点だけである。図11の各パルス電源モジュール200は図7のように構成され、パルス電源セル230は図8のように構成されている。したがって、NOUT及びPOUTを相互に反転したレベルに設定することにより、パルス電源310の端子Tn(n=1〜300)からは、−4400×n(V)又は+4400×n(V)の電圧が出力される。
Referring to FIG. 11,
このように構成された荷電粒子加速器300において、イオンを加速してイオンビームIBを生成するためのパルス電源310の制御タイミングを図12に示す。なお、図12において、POUT及びNOUTの位置は、図9と逆になっている。
FIG. 12 shows the control timing of the
制御部320は、パルス電源310のパルス発生器211を制御して、POUTをH、NOUTをLにした状態(端子Tn(n=1〜300)の電圧は+4400×n(V))で、イオン源330からイオンの放出を開始させる。ここでは、プラスイオンが放出されるとする。制御部320は、時刻t1で、POUTをLにし、その直後の時刻t2で、NOUTをHにする。これにより、端子Tn(n=1〜300)の電圧は、−4400×n(V)になり、イオン源330により発生したイオン群は区間G1に引込まれて、加速される。その後、イオン群は区間S1で、加速減速を繰り返し、集束される。
The
その後、所定の時刻t3(図12では時刻t2から100ns経過後)で、制御部320は、パルス電源310のパルス発生器211を制御して、NOUTをLにし、その直後の時刻t4で、POUTをHにする。時刻t3は、イオン群の先頭部が電極板P18付近に到達したタイミングである。これにより、パルス電源310の端子Tn(n=1〜300)の電圧は、+4400×n(V)になり、イオン群は、区間G2で加速され、加速管からイオンビームIBとして出力される。なお、イオン源330で発生したイオンは、区間G1に引込まれなくなる。これにより、イオン群は、後端を有するイオンビームのクラスタすなわちバンチを形成する。
Thereafter, at a predetermined time t3 (in FIG. 12, 100 ns has elapsed from time t2), the
その後、制御部320は、所定時間(図12では1μs)経過後、時刻t1〜t4と同様に、POUT及びNOUTのレベルを制御する。これにより、イオン源330により放出されたイオンが区間G1に引込まれて、加速され、イオンビームIBとして出力される。
Thereafter, after a predetermined time (1 μs in FIG. 12) has elapsed,
このように、荷電粒子加速器300は、所定の期間(例えば100ns)、NOUTをHにし、POUTをLにすることを、所定の周期(例えば1μs)で繰返すことにより、イオン源330により放出されたイオンを、連続してイオンビームIBとして出力することができる。
As described above, the charged
荷電粒子加速器300においては、第1の実施の形態と同様に、電極板Pの間隔は等間隔であるので、従来よりも設計が容易である。また、従来のように、コッククロフト型の直流高電圧電源を使用することも、分圧抵抗により電極板に印加する電圧を調整することも必要ない。
In the charged
なお、周期1μs、NOUTをHにし、POUTをLにする期間100ns、及び、図10に示した、各電極板Pと端子Tnとの接続関係は一例であり、これに限定されない。加速管の設計(電極板Pの数、D1、D2、t、W)に応じて、適宜変更され得る。 Note that the period of 1 μs, the period of 100 ns in which NOUT is set to H, and POUT is set to L, and the connection relationship between each electrode plate P and the terminal Tn shown in FIG. 10 are merely examples, and the present invention is not limited thereto. Depending on the design of the accelerating tube (number of electrode plates P, D1, D2, t, W), it can be appropriately changed.
また、パルス電源310は、第1の実施の形態の第1パルス電源111と同様に、パルス電源モジュール200を構成するパルス電源セル230の数を変更すること、及び、パルス電源310を構成するパルス電源モジュール200の数を変更することにより、加速管の設計に、より柔軟に対応することができる。例えば、パルス電源モジュールは、1つのパルス電源セルから構成されていてもよい。
Further, the
(第1の変形例)
図13を参照して、3つの加速管を備えて、荷電粒子加速器を構成することができる。荷電粒子加速器400は、パルス電源310、制御部322、イオン源330〜332、容器340〜342、及びイオン源制御装置410を備えている。制御部322は、パルス電源310及びイオン源制御装置410を制御する。イオン源制御装置410は、イオン源330〜332のそれぞれのビームシャッタを個別に制御して、イオンを出力させる。
(First modification)
Referring to FIG. 13, a charged particle accelerator can be configured by including three accelerator tubes. The charged
イオン源330、容器340、及び複数の電極板Pで構成される加速管は、第2の実施の形態と同様に構成され、各電極板Pは、第2の実施の形態(図10参照)と同様に、パルス電源310の端子Tn(n=1〜300)の所定の端子に接続されている。イオン源331、容器341、及び複数の電極板Pで構成される加速管、並びに、イオン源332、容器342、及び複数の電極板Pで構成される加速管も、第2の実施の形態と同様に構成されている。3つの加速管において、対応する電極板Pは相互に接続されている。
The acceleration tube including the
このように構成され、制御部322が、パルス電源310を第2の実施の形態と同様に制御する(図12参照)ことにより、荷電粒子加速器400は、3つの加速管からそれぞれイオンビームIB1〜IB3を出力することができる。
With this configuration, the
また、荷電粒子加速器400では、イオン源制御装置410は、イオン源330〜332のそれぞれのビームシャッタを個別に制御することができるので、各加速管の加速電流値(イオンビームIBの強度)を独立に加減することができる。
In the charged
加速管の数は、図13に示した3に限定されない。2つの加速管、又は4つ以上の加速管を備え、対応する電極板Pを相互に接続し、各電極板Pをパルス電源310の端子Tn(n=1〜300)の所定の端子に接続してもよい。
The number of acceleration tubes is not limited to 3 shown in FIG. Two accelerator tubes or four or more accelerator tubes are provided, corresponding electrode plates P are connected to each other, and each electrode plate P is connected to a predetermined terminal of terminal Tn (n = 1 to 300) of
(第2の変形例)
パルス電源セルは、図14のように構成されてもよい。パルス電源セル500が、図8のパルス電源セル230と異なる点は、リチウム電池292及び293に代えて、ワイヤレス給電装置510及び511を備えている点だけである。ワイヤレス給電装置510及び511は、電磁誘導方式又は電波方式(光を含む)等の公知の非接触電力伝送により、無線で電力を供給する。ワイヤレス給電装置510及び511は、例えば、入力されるDC12Vを、DC/DC変換器290及び291に供給する。これにより、荷電粒子加速器400は、図8のパルス電源セル230と同様に機能する。
(Second modification)
The pulse power cell may be configured as shown in FIG. The
図8のパルス電源セル230は、リチウム電池292及び293が放電してしまうと、稼働できなくなるので、連続して使用可能な時間が制限される。これに対して、パルス電源セル500は、ワイヤレス給電装置510及び511を備えているので、外部から電力を連続的に供給することができ、時間的な制限がなくなる。
The
以上、実施の形態を説明することにより本発明を説明したが、上記した実施の形態は例示であって、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々変更して実施することができる。 The present invention has been described above by describing the embodiment. However, the above-described embodiment is an exemplification, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and is implemented with various modifications. be able to.
100 荷電粒子加速器
110 イオン源
111 第1パルス電源
112 第2パルス電源
113 第3パルス電源
120 制御部
130 容器
200 パルス電源モジュール
210 タイミング制御回路
211 パルス発生器
212 EO変換器
213 光ファイバー
230 パルス電源セル
240、241 OE変換器
242、243 光ケーブル
250 DC/DC変換器
251 リチウム電池
271、272、273、274 FET
281、282、283、284 ゲートドライバ
290、291 DC/DC変換器
292、293 リチウム電池
300 荷電粒子加速器
310 パルス電源
320 制御部
330 イオン源
340 容器
400 荷電粒子加速器
322 制御部
331、332 イオン源
341、342 容器
410 イオン源制御装置
500 パルス電源セル
510、511 ワイヤレス給電装置
100 charged
281, 282, 283, 284
Claims (7)
所定の電圧が印加されることにより、前記荷電粒子を所定の軸に沿って一方向に加速させる、3以上の複数の導電性の電極板と、複数の前記電極板のそれぞれに電圧を印加するパルス電源と、
前記パルス電源が複数の前記電極板に印加する電圧を制御する制御部とを備え、
複数の前記電極板は、前記所定の軸に沿って等間隔に配置され、
前記制御部は、前記荷電粒子発生源により発生した荷電粒子が、前記電極板の間に引込まれ、隣接する前記電極板の間に形成される電界により、前記一方向に加速されるように、複数の前記電極板のそれぞれに電圧を印加するように、前記パルス電源を制御する、荷電粒子加速装置。 A charged particle source that generates charged particles;
When a predetermined voltage is applied, the charged particles are accelerated in one direction along a predetermined axis, and a voltage is applied to each of the three or more conductive electrode plates and the plurality of electrode plates. Pulse power supply,
A controller that controls the voltage applied by the pulse power supply to the plurality of electrode plates;
The plurality of electrode plates are arranged at equal intervals along the predetermined axis,
The control unit includes a plurality of the electrodes such that charged particles generated by the charged particle generation source are drawn between the electrode plates and accelerated in the one direction by an electric field formed between the adjacent electrode plates. A charged particle acceleration device for controlling the pulse power supply so as to apply a voltage to each of the plates.
前記荷電粒子発生源が発生した荷電粒子は、前記第1の加速区間に引込まれ、前記第1の加速区間に配置された前記電極板の間に形成される電界により、前記一方向に加速され、
前記第1の加速区間を通過した前記荷電粒子は、前記第2の加速区間に配置された前記電極板の間に形成される電界により、集束され、
前記第2の加速区間を通過した前記荷電粒子は、前記第3の加速区間に配置された前記電極板の間に形成される電界により、前記一方向に加速され、
前記第1の加速区間に配置された前記電極板には、前記一方向に沿って均一な電位勾配を生じるように、前記パルス電源から電圧が印加され、
前記第2の加速区間に配置された前記電極板には、前記一方向に沿って電位勾配が交互に逆になる電界を生じるように、前記パルス電源から電圧が印加され、
前記第3の加速区間に配置された前記電極板には、前記一方向に沿って均一な電位勾配を生じるように、前記パルス電源から電圧が印加される、請求項1に記載の荷電粒子加速装置。 The plurality of electrode plates form a first acceleration section, a second acceleration section, and a third acceleration section in order along the predetermined axis,
The charged particles generated by the charged particle generation source are drawn into the first acceleration section and accelerated in the one direction by an electric field formed between the electrode plates disposed in the first acceleration section,
The charged particles that have passed through the first acceleration section are focused by an electric field formed between the electrode plates disposed in the second acceleration section,
The charged particles that have passed through the second acceleration section are accelerated in the one direction by an electric field formed between the electrode plates disposed in the third acceleration section,
A voltage is applied from the pulse power source to the electrode plate disposed in the first acceleration section so as to generate a uniform potential gradient along the one direction,
A voltage is applied to the electrode plate disposed in the second acceleration section from the pulse power source so as to generate an electric field whose potential gradient is alternately reversed along the one direction,
2. The charged particle acceleration according to claim 1, wherein a voltage is applied from the pulse power source to the electrode plate disposed in the third acceleration section so as to generate a uniform potential gradient along the one direction. apparatus.
複数の前記電源セルは、1の前記電源セルの前記第1端子と、前記1の電源セルに隣接する電源セルの前記第2端子とが接続されることにより、直列接続され、
前記電源セルは、前記制御信号のレベルが反転されることにより、前記第1端子の電圧の正負を反転させ、且つ、前記第2端子の電圧の正負を反転させる、請求項1〜3の何れかに記載の荷電粒子加速装置。 The pulse power supply includes a plurality of power cells having a first terminal and a second terminal that receive a control signal from the control unit and output voltages having different positive and negative values,
The plurality of power cells are connected in series by connecting the first terminal of the one power cell and the second terminal of the power cell adjacent to the one power cell,
4. The power supply cell according to claim 1, wherein the level of the control signal is inverted, so that the voltage of the first terminal is inverted and the voltage of the second terminal is inverted. A charged particle accelerator according to claim 1.
複数の前記電源セルのそれぞれの前記第2端子は、同時に同じ電圧を出力し、
前記パルス電源は、前記第1端子及び前記端子の相互接続ノードから、1つの前記電源セルの前記第1端子及び前記第2端子間の電圧の整数倍の電圧を、前記電極板に印加し得る、請求項4に記載の荷電粒子加速装置。 Each of the first terminals of the plurality of power cells outputs the same voltage at the same time,
Each of the second terminals of the plurality of power cells outputs the same voltage at the same time,
The pulse power supply may apply a voltage that is an integral multiple of the voltage between the first terminal and the second terminal of one power supply cell to the electrode plate from an interconnection node of the first terminal and the terminal. The charged particle acceleration device according to claim 4.
前記加速管を構成する前記電極板の配置は、複数の前記加速管相互において同じであり、
複数の前記加速管相互において、対応する前記電極板は相互に電気的に接続される、請求項1〜5の何れかに記載の荷電粒子加速器。 A plurality of acceleration particles composed of the charged particle generation source and a plurality of the electrode plates,
The arrangement of the electrode plates constituting the acceleration tube is the same among the plurality of acceleration tubes,
The charged particle accelerator according to claim 1, wherein in the plurality of accelerator tubes, the corresponding electrode plates are electrically connected to each other.
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- 2015-06-04 JP JP2015113852A patent/JP2017004599A/en active Pending
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