JP2017004599A - Charged particle accelerator - Google Patents

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中村 孝
Takashi Nakamura
孝 中村
浩隆 大嶽
Hirotaka Otake
浩隆 大嶽
達也 柳
Tatsuya Yanagi
達也 柳
敦彦 平井
Atsuhiko Hirai
敦彦 平井
雄二 古久保
Yuji Kokubo
雄二 古久保
敬史 亀井
Takashi Kamei
敬史 亀井
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KYOTO NEUTRONICS CO Ltd
Rohm Co Ltd
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KYOTO NEUTRONICS CO Ltd
Rohm Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a charged particle accelerator which is easily designed and capable of obtaining a high-energy ion beam even without using a DC high-voltage power source.SOLUTION: A charged particle accelerator 300 comprises: a charged particle generator 330 that generates a charged particle; a plurality of conductive electrode plates P1-P24 to which a predetermined voltage is applied, thereby accelerating charged particles; a pulse power source 310 that applies a voltage to each of the electrode plates P1-P24; and a control unit 320 for controlling the voltage that the pulse power source 310 applies to each of the electrode plates P1-P24. The electrode plates P1-P24 are disposed at equal intervals. The control unit 320 controls the pulse power source 310 to apply the voltage to each of the electrode plates P1-P24 in such a manner that charged particles generated by the charged particle generator 330 are pulled in between the electrode plates P1 and P2 and accelerated in one direction by an electric field formed between neighboring electrode plates.SELECTED DRAWING: Figure 10

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, Patent Document 1 below discloses a charged particle accelerator configured as shown in FIG. The charged particle accelerator 1 includes a charged particle generation source 2 that generates charged particles, acceleration power sources 3A and 3B for applying an acceleration voltage for accelerating charged particles, and switches 4A and 4B to the acceleration power sources 3A and 3B. And an acceleration gradient by a voltage dividing circuit is formed between the pair of acceleration voltage application electrode plates 5A and 5B and the pair of acceleration voltage application electrode plates 5A and 5B. The voltage dividing electrode plates 6A and 6B arranged and connected to each other and the acceleration voltage application electrode plates 5A and 5B and the voltage dividing electrode plates 6A and 6B are sequentially passed and accelerated at a predetermined timing. And a control unit 7 that performs on / off control of the switches 4A and 4B. Further, two pairs of acceleration voltage applying electrode plates 5C, 5D, and 5E, 5F are arranged on the charged particle traveling path through gaps G2, G3, and each through a common power bus B1, B2. Are connected to the acceleration power supplies 3A and 3B via the switches 4C, 4D and 4E, 4F.

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 charged particle accelerator 1 has a voltage applied to the electrode plates 5A, 6A, 6B and 5B so that the ions are accelerated in this direction in order to extract and accelerate ions generated by the charged particle generation source 2 by the control unit 7. (If positive ions are applied, the potential is applied in order to decrease). Similarly, voltages are applied to the electrode plates 5C, 6C, 6D and 5D, and 5E, 6E, 6F and 5F. Thereby, the ion group is accelerated between the electrode 5A and the electrode 5B. After that, at the timing when the head of the ion group reached the electrode 5B, the voltage was applied to the electrode plates 5A, 6A, 6B and 5B while maintaining the potential gradient of the electrode plates 5A, 6A, 6B and 5B. Apply a voltage opposite to the voltage. Thereby, further ions are prevented from being drawn into the electrode plate 5A, and a cluster or bunch of ion beams having a predetermined spread, that is, having a rear end is formed and accelerated. A voltage for focusing ions is applied to the electrode plates 5A, 6A, 6B, and 5B by the voltage dividing resistors 9A to 9C, and the bunch is accelerated while being focused in the radial direction.

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 electrode plate 5C after passing through the electrode plate 5B and inputs to the electrode plate 5C, the electrode plates 5C, 6C, 6D are accelerated in the same manner as accelerated by the electrode plates 5A, 6A, 6B and 5B. And 5D. Similarly, a voltage that focuses ions is applied to the electrode plates 5C, 6C, 6D, and 5D by the voltage dividing resistors 9D to 9F, and the bunch is accelerated while being focused in the radial direction.

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 electrode plate 5C, the voltage gradient opposite to that applied to the electrode plates 5C, 6C, 6D and 5D is maintained while maintaining the potential gradient of the electrode plates 5C, 6C, 6D and 5D. Apply voltage. A voltage that focuses ions is applied to the electrode plates 5C, 6C, 6D, and 5D by the voltage dividing resistors 9D to 9F, and the bunch is accelerated while being focused in the radial direction.

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 electrode plate 5E, the potential gradient of the electrode plates 5E, 6E, 6F, and 5F is maintained and applied to the electrode plates 5E, 6E, 6F, and 5F. Apply a voltage opposite to the voltage. A voltage that focuses ions is applied to the electrode plates 5E, 6E, 6F, and 5F by the voltage dividing resistors 9G to 9I, and the bunch is accelerated while being focused in the radial direction.

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 electrode plates 5E, 6E, 6F and 5F at the timing when the terminal end of the bunch reaches the electrode plate 5E, it is first applied to the electrode plates 5A, 6A, 6B and 5B. By applying the same voltage as the above, the next ion group generated by the ion source is drawn and accelerated in the same manner as described above.

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 charged particle accelerator 1 sequentially passes through the pair of acceleration voltage applying electrode plates and the voltage dividing electrode plates between them by providing the voltage dividing electrode plates forming the voltage dividing circuit. In the meantime, the ion beam is always accelerated by the acceleration gradient, and a focusing electric field for maintaining the ion beam is formed, thereby suppressing the divergence of the ion beam. Even when an ion beam having a large current exceeding 1000 mA is extracted from the ion source, the ion beam can be accelerated without colliding with the inner wall of the acceleration tube.

特許第5686453号明細書Japanese Patent No. 5686453

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 Patent Document 1 is not easy to design because it appropriately adjusts the interval between the plurality of electrode plates and generates the ion beam focused potential by the voltage dividing resistors 9A to 9I. Further, the number of parts increases due to the voltage dividing resistors 9A to 9I. Further, a DC high voltage power supply is required as the acceleration power supplies 3A and 3B. For example, a cockcroft type power supply is used, but the cockcroft type power supply becomes very expensive when the output voltage becomes high.

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.

本発明の第1の実施の形態に係る荷電粒子加速器を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the charged particle accelerator which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図1に示した電極板の配置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows arrangement | positioning of the electrode plate shown in FIG. 図1に示した荷電粒子加速器の前段部分を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the front | former stage part of the charged particle accelerator shown in FIG. 図1に示した荷電粒子加速器の中段部分を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the middle stage part of the charged particle accelerator shown in FIG. 図1に示した荷電粒子加速器の後段部分を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the back | latter stage part of the charged particle accelerator shown in FIG. 第1パルス電源の内部構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the internal structure of a 1st pulse power supply. 図6のパルス電源モジュールの内部構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the internal structure of the pulse power supply module of FIG. 図7のパルス電源セルの内部構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the internal structure of the pulse power supply cell of FIG. 第1〜第3パルス電源の制御信号を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the control signal of the 1st-3rd pulse power supply. 本発明の第2の実施の形態に係る荷電粒子加速器を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the charged particle accelerator which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る荷電粒子加速器を構成するパルス電源の内部構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the internal structure of the pulse power supply which comprises the charged particle accelerator which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る荷電粒子加速器における制御信号とパルス電源の出力信号とを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the control signal and output signal of a pulse power supply in the charged particle accelerator which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 荷電粒子加速器の変形例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the modification of a charged particle accelerator. パルス電源セルの変形例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the modification of a pulse power supply cell. 従来の荷電粒子加速器を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the conventional charged particle accelerator.

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 particle accelerator 100 according to the first embodiment of the present invention includes a first pulse power supply 111, a second pulse power supply 112, a third pulse power supply 113, an ion source 110, a control unit 120, A container 130 and a plurality of electrode plates P are provided. The container 130 and the plurality of electrode plates P constitute an acceleration tube. Under the control of the control unit 120, the ion source 110 opens the beam shutter at a predetermined timing and outputs ions. The first pulse power supply 111, the second pulse power supply 112, and the third pulse power supply 113 apply appropriate voltages to each of the plurality of electrode plates P at a predetermined timing under the control of the control unit 120. Thereby, the ions emitted in the vicinity of the ion source 110 are accelerated by the electric field generated between the electrode plates P, and are output as an ion beam IB from the acceleration tube.

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 container 130 is formed in a cylindrical shape that accommodates a plurality of electrode plates P, and forms a vacuum inside. The container 130 is made of polyethylene, for example. The material is not limited to this.

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 pulse power supply 111. As will be described later, the first pulse power supply 111 includes 36 terminals T1 to T36, and outputs different voltages simultaneously from the respective terminals. The output voltage at each terminal is proportional to the terminal number. The electrode plates P1 to P4 are connected to a terminal Tn (n = 9, 18, 27 and 36) and a terminal having an integer multiple of 9, respectively. Thereby, as will be described later, a linear voltage is applied to the electrode plates P1 to P4, and an electric field having a constant potential gradient is formed in the section G1. The electrode plates P5 to P12 are alternately connected to the terminals T33 and T36. The odd-numbered electrode plate P is connected to the terminal T33, and the even-numbered electrode plate P is connected to the terminal T36. Thereby, between the electrode plates P4 to P12 (section S1), an electric field in which the direction of the potential gradient is alternately reversed is generated. The electrode plates P13, P14, and P15 are connected to the terminal T24, the terminal T12, and the terminal T0 (ground), respectively. As a result, an electric field having a constant potential gradient is also formed in the section G2A.

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 pulse power source 112. In the above description, the electrode plate P15 is described as constituting the previous stage portion. However, for convenience, the electrode plate P15 is described as also constituting the middle stage portion (there are not two electrode plates P15).

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 pulse power source 112 is configured in the same manner as the first pulse power source 111, and includes 36 terminals T1 to T36. The output voltage of each terminal is proportional to the terminal number. The electrode plates P15 to P18 are connected to a terminal T0 (ground), a terminal T12, a terminal T24, a terminal T36, and a terminal having an integer multiple of 12. Thereby, an electric field with a constant potential gradient is formed in the section G2B. The electrode plates P19 to P30 are alternately connected to the terminal T33 and the terminal T36. The odd-numbered electrode plate P is connected to the terminal T33, and the even-numbered electrode plate P is connected to the terminal T36. Thereby, between the electrode plates P18 to P30 (section S2), an electric field in which the direction of the potential gradient is alternately reversed is generated. The electrode plates P31, P32, and P33 are connected to the terminal T24, the terminal T12, and the terminal T0 (ground), respectively. As a result, an electric field having a constant potential gradient is also formed between them (section G3A).

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 pulse power source 113. In the above description, the electrode plate P33 is described as constituting the middle portion. However, for convenience, the electrode plate P33 is also described as constituting the latter portion (there are not two electrode plates P33).

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 pulse power supply 113 is also configured in the same manner as the first pulse power supply 111 and includes 36 terminals T1 to T36, and the output voltage of each terminal is proportional to the terminal number. The electrode plates P33 to P35 are connected to a terminal T0 (ground), a terminal T18, a terminal T36, and a terminal whose number is an integral multiple of 18. Thereby, an electric field with a constant potential gradient is formed in the section G3B. The electrode plates P36 to P50 are alternately connected to the terminal T33 and the terminal T36. The even-numbered electrode plate P is connected to the terminal T33, and the odd-numbered electrode plate P is connected to the terminal T36. Thereby, between the electrode plates P35 to P50 (section S3), an electric field in which the direction of the potential gradient is alternately reversed is generated. The electrode plates P51, P52, and P53 are connected to the terminal T24, the terminal T12, and the terminal T0 (ground), respectively. As a result, an electric field having a constant potential gradient is also formed between them (section G4).

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 pulse power supply 111 includes 36 pulse power supply modules 200, a timing control circuit 210, and an optical fiber 213. The timing control circuit 210 includes a pulse generator 211 and EO converters 212 that are twice (72) the number (36) of the pulse power supply modules 200. The output NOUT or POUT of the pulse generator 211 is input to each EO converter 212. The EO converter 212 converts an input electric signal into an optical signal and outputs the optical signal. In each pulse power supply module 200, the output of one EO converter 212 to which NOUT is input and the output of one EO converter 212 to which POUT is input are input to the N $ ON terminal and the P $ ON terminal, respectively. Is done. Each pulse power supply module 200 has two output terminals MA and MB, and 36 pulse power supply modules 200 are connected in series by connecting adjacent terminals MA and MB. The terminal MB of the pulse power supply module 200 (the lowermost pulse power supply module 200 in FIG. 6) located at one end of the 36 pulse power supply modules 200 is connected to the terminal T0, and the terminal T0 is grounded. The terminal MA of the pulse power supply module 200 (the uppermost pulse power supply module 200 in FIG. 6) located at the other end of the 36 pulse power supply modules 200 is connected to the terminal T36. Connection nodes of the terminals MA and MB are connected to the terminals T1 to T35.

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 pulse power source 112 and the third pulse power source 113 are also configured similarly to the first pulse power source 111 shown in FIG.

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 power supply module 200 includes four pulse power supply cells 230, OE converters 240 and 241, a DC / DC converter 250, and a lithium battery 251. The N $ ON terminal is connected to the OE converter 240 via the optical cable 242, and the output end of the OE converter 240 is connected to N $ OUT of each pulse power supply cell 230. The P $ ON terminal is connected to the OE converter 241 via the optical cable 243, and the output terminal of the OE converter 241 is connected to P $ OUT of each pulse power supply cell 230. The OE converters 240 and 241 convert input optical signals into electrical signals and output the electrical signals.

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 lithium battery 251 has, for example, a capacity of 60 Wh and outputs DC 3.7V. The DC / DC converter 250 converts the DC voltage supplied from the lithium battery 251 into a predetermined voltage and supplies it to the OE converter 240, the optical cable 242, and the PW $ GATE terminal of each pulse power supply cell 230. The dotted rectangle surrounding the OE converters 240 and 241 indicates the power supply to them. The four pulse power cells 230 are connected in series by connecting adjacent CA terminals and CB terminals. The CB terminal of the pulse power cell 230 (the lowermost pulse power cell 230 in FIG. 7) located at one end of the four pulse power cells 230 is connected to the MB terminal. The CA terminal of the pulse power cell 230 (the uppermost pulse power cell 230 in FIG. 7) located at the other end of the four pulse power cells 230 is connected to the MA terminal.

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 power source cell 230 includes FETs 271 to 274, gate drivers 281 to 284, DC / DC converters 290 and 291, and lithium batteries 292 and 293. The FETs 271 to 274 are, for example, N-channel MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistors). The FETs 271 to 274 may be SiC-MISFETs (Silicon Carbide Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect-Transistor). The gate drivers 281 to 284 are, for example, insulated gate drivers having a withstand voltage of DC 7 kV.

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 gate driver 282 and the gate driver 283. Output terminals of the gate driver 282 and the gate driver 283 are connected to the gates G of the FET 272 and the FET 273. The P $ OUT terminal is connected to the input terminals of the gate driver 281 and the gate driver 284. Output terminals of the gate driver 281 and the gate driver 284 are connected to the gates G of the FET 271 and the FET 274.

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 lithium batteries 292 and 293 have, for example, a battery capacity of 60 Wh and output DC 3.7V. The DC / DC converter 290 generates a positive high voltage (for example, DC + 550V) from the DC voltage (for example, DC + 3.7V) supplied from the lithium battery 292, and supplies the positive voltage to the drains D of the FET 271 and the FET 273. The DC / DC converter 291 generates a negative high voltage (for example, DC−550V) from the DC voltage (for example, DC + 3.7V) supplied from the lithium battery 293 and supplies the negative high voltage (for example, DC−550V) to the sources S of the FET 272 and the FET 274. Both the source S of the FET 271 and the drain D of the FET 272 are connected to the terminal CA. The source S of the FET 273 and the drain D of the FET 274 are both connected to the terminal CB.

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 gate drivers 281 to 284. Dotted rectangles surrounding the gate drivers 281 to 284 indicate their connection to the power supply lines.

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 power supply module 200 are determined by the output values of the CA terminal and CB terminal of the pulse power supply cell 230, and the pulse power supply module 200 The output values of the terminals T1 to T36 are determined.

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 control unit 120, when the pulse generator 211 sets NOUT to a high level (hereinafter referred to as H) and POUT to a low level (hereinafter referred to as L), the N of each pulse power supply module 200 is set. $ ON becomes H and P $ ON becomes L. As a result, in each pulse power supply module 200, N $ OUT of each pulse power supply cell 230 becomes H and P $ OUT becomes L (see FIG. 7). Thereby, the FET 272 and the FET 273 of each pulse power source cell 230 are turned on, the FET 271 and the FET 274 are turned off, the output voltage (−550 V) of the DC / DC converter 291 is output from the terminal CA, and the terminal CB The output voltage (+ 550V) of the DC / DC converter 290 is output (see FIG. 8). Here, among the 36 pulse power supply modules 200, the terminal MB of one end of the pulse power supply module 200 (the lowermost pulse power supply module 200 in FIG. 6) is grounded, so that the pulse power supply module 200 is configured. Of the four pulse power cells 230, the terminal CB of the pulse power cell 230 at one end (the lowermost pulse power cell 230 in FIG. 7) is grounded. Therefore, in this pulse power cell 230, the terminal CB is 0V and the terminal CA is -1100V. Therefore, the terminal CA of the next-stage pulse power cell 230 (second from the bottom in FIG. 7) connected to the pulse power cell 230 becomes −2200 V, which is 1100 V lower than the terminal CB (−1100 V). Similarly, the terminal CA of the third pulse power cell 230 from the bottom in FIG. 7 is −3300V, and the terminal CA of the uppermost pulse power cell 230 in FIG. 7 is −4400V. That is, the terminal MA (terminal T1) of the lowermost pulse power supply module 200 in FIG. Similarly, the terminal MA of each pulse power supply module 200 is 4400 V lower than the terminal MB. Therefore, when NOUT is set to H and POUT is set to L, the voltage at the terminal Tn (n = 1 to 36) is −4400 × n (V).

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 control unit 120, when the pulse generator 211 sets NOUT to H and POUT to L, the FET 271 and FET 274 of each pulse power supply cell 230 are turned on, and the FET 272 and FET 273 are turned off (see FIG. 8). As a result, the output voltage (+ 550V) of the DC / DC converter 290 is output from the terminal CA of each pulse power supply cell 230, and the output voltage (−550V) of the DC / DC converter 291 is output from the terminal CB. Is done. Therefore, the MA terminal (terminal T1) of the lowermost pulse power supply module 200 in FIG. 6 is + 4400V. Due to the pulse power supply modules 200 connected in series, the voltage at the terminal Tn (n = 1 to 36) becomes + 4400 × n (V).

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 pulse power supply 111, −4400 × n (V) or + 4400 × n (V ) Is output. The same applies to the second pulse power supply 112 and the third pulse power supply 113.

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 pulse power supply 111, the second pulse power supply 112, and the third pulse power supply 113 for accelerating ions to generate the ion beam IB in the charged particle accelerator 100 configured as described above. Show.

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 control unit 120 starts emitting ions from the ion source 110. Here, it is assumed that positive ions are released. At the same time, the control unit 120 controls the pulse generators 211 of the first pulse power supply 111, the second pulse power supply 112, and the third pulse power supply 113 to set NOUT to H and POUT to L. Thereby, the voltage of the terminal Tn (n = 1 to 36) becomes −4400 × n (V), and the ion group is drawn into the section G1 and accelerated. Thereafter, the ion group is focused by repeating acceleration and deceleration in the section S1. This focusing is due to the known Einzel lens effect.

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 control unit 120 controls the pulse generator 211 of the first pulse power supply 111 to set NOUT to L and POUT to H. As a result, the voltage at the terminal Tn (n = 1 to 36) of the first pulse power supply 111 becomes + 4400 × n (V), and the ion group is accelerated in the sections G2A and G2B. Note that ions generated in the ion source 110 are not drawn into the section G1. Thus, the ion group forms a cluster or bunch of ion beams having a rear end.

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 control unit 120 controls the pulse generator 211 of the second pulse power source 112 to set NOUT to L and POUT to H. As a result, the voltage at the terminal Tn (n = 1 to 36) of the second pulse power source 112 becomes + 4400 × n (V), and the bunch is repeatedly focused and accelerated in the section S2. Further, the bunch is accelerated in the sections G3A and G3B.

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 control unit 120 controls the pulse generator 211 of the third pulse power supply 113 to set NOUT to L and POUT to H. As a result, the voltage at the terminal Tn (n = 1 to 36) of the third pulse power supply 113 becomes + 4400 × n (V), and the bunch is repeatedly focused and accelerated in the section S3. Further, the bunch is accelerated in the section G4 and then emitted to the outside as an ion beam IB.

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 particle accelerator 100 can accelerate the ion beam to about 950 keV by using three pulse power supplies with the maximum output voltage ± 158.4 kV (= 4 × 36 × 1.1 kV).

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 pulse generator 211 of the first pulse power supply 111, the second pulse power supply 112, and the third pulse power supply 113 are returned to the same state as the time t0, and thereafter If controlled in the same manner as described above, the next ion beam IB can be output.

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 particle accelerator 100 can generate the ion beam IB in the same manner as the conventional charged particle accelerator (see FIG. 15). In the charged particle accelerator 100, since the intervals between the electrode plates P are equal, the design is easier than in the prior art. Further, it is not necessary to use a cockcroft type DC high voltage power supply as in the prior art nor to adjust the voltage applied to the electrode plate by a voltage dividing resistor.

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 pulse power supply 111, the second pulse power supply 112, and the third pulse power supply 113 includes a plurality (36 in the above) series of pulse power supply modules 200 in which a plurality (four in the above) of pulse power supply cells 230 are connected in series. Since it is connected and the voltage of the connection node between the pulse power supply modules 200 can be output from the terminal Tn, the voltage according to the design of the acceleration tube (number of electrode plates P, D1, D2, t, W) Can be supplied to each electrode plate P from an appropriate terminal Tn. Further, by changing the number of pulse power supply cells 230 constituting the pulse power supply module 200 and changing the number of pulse power supply modules 200 constituting the first pulse power supply 111 to the third pulse power supply 113, the acceleration tube The design can be more flexibly handled. For example, the pulse power supply module may be composed of one pulse power supply cell.

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 lithium batteries 251, 292, and 293 (see FIGS. 7 and 8) are used has been described above, the present invention is not limited to this, and any type of primary battery can be used. A secondary battery such as a nickel metal hydride battery may be used.

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 pulse generator 211 is inverted only for the third pulse power supply 113 at time t3. However, it is not limited to this. At time t3, the control unit 120 may control the first pulse power supply 111 and the second pulse power supply 112 to invert the output of the pulse generator 211 (set NOUT to L and POUT to H). By doing so, the next ion group is drawn into the section G1, and the ion beam IB can be continuously output. In this case, the output (NOUT and POUT) of the pulse generator 211 of the third pulse power supply 113 may be returned to the same state as that at time t0, for example, at a timing corresponding to time t1.

(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 particle accelerator 300 according to the second embodiment of the present invention includes a pulse power supply 310, a control unit 320, an ion source 330, a container 340, and a plurality of electrode plates P. The container 340 and the plurality of electrode plates P constitute an acceleration tube. Under the control of the control unit 320, the ion source 330 opens the beam shutter at a predetermined timing and outputs ions. Under the control of the control unit 320, the pulse power source 310 applies an appropriate voltage to each of the plurality of electrode plates P at a predetermined timing. As a result, the ions emitted in the vicinity of the ion source 330 are accelerated by the electric field generated between the electrode plates P and output as an ion beam IB.

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 pulse power supply 310. That is, the electrode plates P1 to P5 are respectively connected to the terminal Tn (n = 33, 66, 99, 132 and 165) and a terminal having an integer multiple of 33. As a result, a linear voltage is applied to the electrode plates P1 to P5. The electrode plates P6 to P9 are connected to a terminal Tn (n = 197, 230, 263, and 300) and a terminal having a number close to an integral multiple of 33, respectively. Thereby, a substantially linear voltage is also applied to the electrode plates P5 to P9. Thereby, an electric field having a substantially constant potential gradient is formed in the section G1. The reason why the electrode plates P6 to P9 are not exactly an integral multiple of 33 is that the velocity of the ion beam is slow near the ion source (electrode plates P1 to P5), which is easily affected by the focusing electric field and is strictly electric. Although it is necessary to create (potential gradient), the velocity of the ion beam is considerably high near the electrode plate P8, and the envelope is not easily affected even if the value of the electric field (potential gradient) is slightly changed.

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, pulse power supply 310 is configured in the same manner as first pulse power supply 111 in FIG. The pulse power supply 310 in FIG. 11 is different from the first pulse power supply 111 in FIG. 6 in that 300 pulse power supply modules 200 are connected in series, and 200 sets of EO converters 212 and terminals T0 to T300 are connected. It is only a point to prepare. Each pulse power supply module 200 of FIG. 11 is configured as shown in FIG. 7, and the pulse power supply cell 230 is configured as shown in FIG. Therefore, by setting NOUT and POUT to a mutually inverted level, a voltage of −4400 × n (V) or + 4400 × n (V) is generated from the terminal Tn (n = 1 to 300) of the pulse power supply 310. Is output.

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 pulse power source 310 for accelerating ions and generating the ion beam IB in the charged particle accelerator 300 configured as described above. In FIG. 12, the positions of POUT and NOUT are opposite to those in FIG.

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 control unit 320 controls the pulse generator 211 of the pulse power supply 310 so that POUT is set to H and NOUT is set to L (the voltage at the terminal Tn (n = 1 to 300) is + 4400 × n (V)). Release of ions from the ion source 330 is started. Here, it is assumed that positive ions are released. The control unit 320 sets POUT to L at time t1, and sets NOUT to H at time t2 immediately thereafter. As a result, the voltage at the terminal Tn (n = 1 to 300) becomes −4400 × n (V), and the ion group generated by the ion source 330 is drawn into the section G1 and accelerated. Thereafter, the ion group is repeatedly accelerated and decelerated in the section S1 to be focused.

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 control unit 320 controls the pulse generator 211 of the pulse power supply 310 to set NOUT to L, and at time t4 immediately thereafter, POUT To H. Time t3 is the timing when the head of the ion group reaches the vicinity of the electrode plate P18. As a result, the voltage at the terminal Tn (n = 1 to 300) of the pulse power source 310 becomes + 4400 × n (V), and the ion group is accelerated in the section G2 and output from the accelerator tube as the ion beam IB. Note that ions generated in the ion source 330 are not drawn into the section G1. Thus, the ion group forms a cluster or bunch of ion beams having a rear end.

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, control unit 320 controls the levels of POUT and NOUT in the same manner as times t1 to t4. Thereby, the ion discharge | released by the ion source 330 is drawn in to the area G1, is accelerated, and is output as the ion beam IB.

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 particle accelerator 300 is emitted from the ion source 330 by repeating NOUT to be H and POUT to be L at a predetermined period (for example, 1 μs) for a predetermined period (for example, 100 ns). Ions can be continuously output as an ion beam IB.

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 particle accelerator 300, as in the first embodiment, since the intervals between the electrode plates P are equal, the design is easier than in the prior art. Further, it is not necessary to use a cockcroft type DC high voltage power supply as in the prior art nor to adjust the voltage applied to the electrode plate by a voltage dividing resistor.

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 pulse power supply 310 changes the number of the pulse power supply cells 230 constituting the pulse power supply module 200 and the pulses constituting the pulse power supply 310 in the same manner as the first pulse power supply 111 of the first embodiment. By changing the number of power supply modules 200, the design of the acceleration tube can be dealt with more flexibly. For example, the pulse power supply module may be composed of one pulse power supply cell.

(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 particle accelerator 400 includes a pulse power source 310, a controller 322, ion sources 330 to 332, containers 340 to 342, and an ion source controller 410. The control unit 322 controls the pulse power supply 310 and the ion source control device 410. The ion source control device 410 individually controls the beam shutters of the ion sources 330 to 332 to output ions.

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 ion source 330, the container 340, and the plurality of electrode plates P is configured in the same manner as in the second embodiment, and each electrode plate P is configured in the second embodiment (see FIG. 10). Similarly to the above, the pulse power supply 310 is connected to a predetermined terminal of the terminal Tn (n = 1 to 300). The acceleration tube composed of the ion source 331, the container 341, and the plurality of electrode plates P, and the acceleration tube composed of the ion source 332, the container 342, and the plurality of electrode plates P are also the same as those in the second embodiment. It is constituted similarly. In the three acceleration tubes, corresponding electrode plates P are connected to each other.

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 control unit 322 controls the pulse power supply 310 in the same manner as in the second embodiment (see FIG. 12), so that the charged particle accelerator 400 can generate ion beams IB1 to IB1 from three accelerator tubes. IB3 can be output.

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 particle accelerator 400, the ion source control device 410 can individually control the beam shutters of the ion sources 330 to 332, so that the acceleration current value (intensity of the ion beam IB) of each accelerator tube is set. It can be adjusted independently.

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 pulse power supply 310 May be.

(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 pulse power cell 500 is different from the pulse power cell 230 in FIG. 8 only in that wireless power supply devices 510 and 511 are provided instead of the lithium batteries 292 and 293. The wireless power supply devices 510 and 511 supply power wirelessly by known non-contact power transmission such as an electromagnetic induction method or a radio wave method (including light). The wireless power supply apparatuses 510 and 511 supply, for example, input DC 12 V to the DC / DC converters 290 and 291. Thereby, the charged particle accelerator 400 functions similarly to the pulse power cell 230 of FIG.

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 pulse power cell 230 in FIG. 8 cannot operate when the lithium batteries 292 and 293 are discharged, and thus the time that can be continuously used is limited. On the other hand, since the pulse power supply cell 500 includes the wireless power supply devices 510 and 511, power can be continuously supplied from the outside, and there is no time limit.

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 particle accelerator 110 ion source 111 first pulse power source 112 second pulse power source 113 third pulse power source 120 control unit 130 container 200 pulse power source module 210 timing control circuit 211 pulse generator 212 EO converter 213 optical fiber 230 pulse power source cell 240 241 OE converter 242, 243 Optical cable 250 DC / DC converter 251 Lithium batteries 271, 272, 273, 274 FET
281, 282, 283, 284 Gate drivers 290, 291 DC / DC converters 292, 293 Lithium battery 300 Charged particle accelerator 310 Pulse power source 320 Control unit 330 Ion source 340 Container 400 Charged particle accelerator 322 Control units 331, 332 Ion source 341 342 Container 410 Ion source control device 500 Pulse power cell 510, 511 Wireless power supply device

Claims (7)

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、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.
複数の前記電極板は、前記所定の軸に沿って、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、
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.
前記制御部は、前記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、前記第2の加速区間と前記第3の加速区間との境界に到達するタイミングで、複数の前記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、前記パルス電源を制御する、請求項2に記載の荷電粒子加速装置。   The control unit is configured so that each of the plurality of electrode plates has a timing at which a leading portion of an ion beam bunch formed by the charged particles reaches a boundary between the second acceleration section and the third acceleration section. The charged particle acceleration device according to claim 2, wherein the pulse power supply is controlled so that the positive / negative of the voltage applied to is reversed. 前記パルス電源は、前記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1端子は、同時に同じ電圧を出力し、
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.
前記荷電粒子発生源と複数の前記電極板から構成される加速管とを複数備え、
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.
複数の前記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、請求項6に記載の荷電粒子加速器。   The charged particle accelerator according to claim 6, further comprising a timing control unit that independently controls timing of generating charged particles by each of the plurality of charged particle generation sources.
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