JP4260036B2 - High voltage generator - Google Patents
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Description
本発明は,イオン若しくは電子等の荷電粒子を加速する加速装置等に供給する高電圧を発生する高電圧発生装置に関し,特に,該高電圧発生装置に用いられる電気回路部品を放電から保護すると共に,装置の小型化を実現し得る高電圧発生装置に関するものである。 The present invention relates to a high-voltage generator that generates a high voltage to be supplied to an accelerator for accelerating charged particles such as ions or electrons, and in particular to protect electrical circuit components used in the high-voltage generator from discharge. The present invention relates to a high voltage generator capable of realizing downsizing of the device.
従来,イオン若しくは電子等の荷電粒子を加速する加速装置に用いられる高電圧発生装置においては,該高電圧回路がもたらす電界(電場)の不均一性を防止して,放電の発生を軽減するために,特許文献1等において周知の金属フープ(導電性の環状部材に相当)が,コンデンサやダイオード(整流素子)等で構成された高電圧回路の外側に設けられている。
図5に示すように,一般に,高電圧発生装置50においては,高電圧回路としてコッククロフト・ウォルトン回路(以下,「CW回路」と略す。)51が用いられることが多い。かかるCW回路51は,ダイオード52とコンデンサ53等で構成された昇圧回路54が段階的に複数結合されて,倍電圧回路を構成するが(図5は6段の昇圧回路で構成されたCW回路を示す。),低電位(外部電圧入力側)から順次高電位側(図5の上方向)に行くに従い,入力電圧が徐々に昇圧される構成となっている。そのため,上記CW回路51の低電圧部56と高電圧部57との間に大きな電位差が生じ,これらの異なる電位がもたらす電界の不均一により,周辺部材等に電荷がチャージしやすくなり,上記周辺部材間,或いは上記周辺部材及び上記ダイオード52やコンデンサ53等の電気回路部品間で放電が発生しやすくなる。かかる放電を防止することを目的として,上記CW回路51の外側に,上記昇圧回路54それぞれに対応する位置に略環状の金属フープ58が上記CW回路51と所定間隔を隔てて複数設けられている。これにより,上記CW回路51の周囲の電界が略均等となり,電界不均一に起因して発生する放電が抑制される。なお,上記金属フープ58を有する従来の高電圧発生装置の模式図を図6に,図6のB−B断面図を図7に示す。
Conventionally, in a high voltage generator used in an accelerator for accelerating charged particles such as ions or electrons, the non-uniformity of the electric field (electric field) caused by the high voltage circuit is prevented and the generation of discharge is reduced. In addition, a metal hoop (corresponding to a conductive annular member) known in
As shown in FIG. 5, generally, in the
一方,特許文献2に開示された高電圧電源装置は,CW回路の各段を構成する昇圧回路が結線された基盤を可撓性の絶縁樹脂でモールドすることにより,上記CW回路における放電の発生を防止すると共に,上記基盤間の距離を短縮して装置の小型化を実現している。
しかしながら,上記特許文献1の金属フープでは,上記CW回路等の高電圧回路における放電を減少させることはできても,完全に放電を防止することはできず,上記高電圧回路に用いられる電気回路部品が放電によって破損,焼損するという問題を回避することはできない。一方,上記電気回路部品間や,周辺部材と電気回路部品間の距離を大きくすると,絶縁効果が高まり,放電が減少し,上記電気回路部品の破損,焼損を防止することができるが,その反面,装置が大型化するという問題が伴う。また,近年,イオン等の荷電粒子を高エネルギー化するために,加速装置等に供給する電圧がますます高電圧化される傾向にあることからすると,上記電気回路部品が放電により破損,焼損するという問題はより深刻化すると考えられる。
また,上記特許文献2の高電圧電源装置のように,昇圧回路を形成する各段の基盤を可撓性の絶縁樹脂でモールドすると,放電による基盤の破損,焼損を防止することができるが,モールドするために費やされる費用と時間の負担が大きく,経済的ではない。
従って,本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり,その目的とするところは,高電圧回路における放電による回路素子の破損,焼損を簡易な手法で防止すると共に,装置規模の小型化を実現することができる高電圧発生装置を提供することにある。
However, the metal hoop disclosed in
In addition, as in the high voltage power supply device of Patent Document 2 described above, if the base of each stage forming the booster circuit is molded with a flexible insulating resin, the base can be prevented from being damaged or burned out by discharge. The cost and time spent for molding are large and not economical.
Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and the object of the present invention is to prevent damage and burnout of circuit elements due to discharge in a high voltage circuit by a simple method and to reduce the size of the apparatus. An object of the present invention is to provide a high voltage generator that can be realized.
上記目的を達成するために本発明は,入力電圧を昇圧する昇圧回路を多段に結合することによって高電圧を生成する高電圧回路を備えた高電圧発生装置において,上記昇圧回路の外側及び/若しくは内側に該昇圧回路の電界の均一性を高めるために設けられた1又は2以上の導電性の環状部材と,上記昇圧回路の外側及び内側に上記環状部材と同心円筒状に配置され,上記高電圧発生装置の外部及び内部における放電から上記昇圧回路をシールドする導電性のシールド部材とを備えてなることを特徴とする高電圧発生装置として構成されている。
さらに,上記シールド部材の電位を略均一にする電位均一手段を更に備えてなることが考えられる。
また,上記高電圧発生装置の好ましい具体例としては,上記高電圧回路が,コッククロフト・ウォルトン回路或いはこれに準じる多段型の倍電圧整流回路であることが考えられる。
In order to achieve the above object, the present invention relates to a high voltage generator having a high voltage circuit for generating a high voltage by coupling a booster circuit for boosting an input voltage in multiple stages, outside the booster circuit and / or One or more conductive annular members provided on the inside to increase the uniformity of the electric field of the booster circuit, and arranged on the outside and inside of the booster circuit concentrically with the annular member, is configured as a high voltage generator, characterized in that the discharge in the external and internal voltage generator comprising a shield member of conductive shielding the above boosting circuit.
Further, it is conceivable to further include a potential uniforming means for making the potential of the shield member substantially uniform.
As a preferred specific example of the high voltage generator, the high voltage circuit may be a Cockcroft-Walton circuit or a multistage type voltage doubler rectifier circuit equivalent thereto.
以上説明したように,本発明は,入力電圧を昇圧する昇圧回路を多段に結合することによって高電圧を生成する高電圧回路を備えた高電圧発生装置において,上記昇圧回路の外側及び/若しくは内側に該昇圧回路の電界の均一性を高めるために設けられた1又は2以上の導電性の環状部材と,上記昇圧回路の外側及び内側に上記環状部材と同心円筒状に配置され,上記高電圧発生装置の外部及び内部における放電から上記昇圧回路をシールドする導電性のシールド部材とを備えてなることを特徴とする高電圧発生装置として構成されているため,上記高電圧回路に用いられる昇圧回路間に放電が発生した場合であっても,上記昇圧回路への直接放電を回避することができる。そのため,放電による電気回路部品の破損,焼損を防止することが可能となる。また,放電防止のために設けていた上記電気回路部品間の絶縁空間を小さくすることができるため,装置の小型化が可能となり,これにより,例えば,加速器に充填するSF6等の絶縁ガスの消費量が減少し,環境を悪化させない高電圧発生装置が実現され得る。また,上記加速器に充填された絶縁ガスの回収も容易となる。
また,上記シールド部材が上記環状部材と同心円筒状に配置されることにより,上記環状部材において生じるあらゆる方向からの放電を効果的に遮断して,上記昇圧回路を保護することができる。また,装置の小型化という面においても,円筒状の構成が最も優れた構造と考えられる。
As described above, the present invention provides a high voltage generator having a high voltage circuit for generating a high voltage by coupling booster circuits for boosting an input voltage in multiple stages, outside and / or inside the booster circuit. One or two or more conductive annular members provided to increase the electric field uniformity of the booster circuit, and are arranged concentrically with the annular member outside and inside the booster circuit, and the high voltage since the discharge in the external and internal generating device is configured as a high voltage generator, characterized by comprising a shield member of conductive shielding the above booster circuit, a booster circuit used in the high voltage circuit Even if a discharge occurs in the meantime , direct discharge to the booster circuit can be avoided. For this reason, it is possible to prevent the damage and burnout of the electric circuit components due to the discharge. In addition, since the insulation space between the electric circuit components provided for preventing discharge can be reduced, the apparatus can be miniaturized. For example, the insulating gas such as SF 6 filled in the accelerator can be reduced. A high voltage generator that reduces the consumption and does not deteriorate the environment can be realized. In addition, the insulating gas filled in the accelerator can be easily recovered .
In addition, since the shield member is arranged concentrically with the annular member, it is possible to effectively block discharge from any direction generated in the annular member and protect the booster circuit. In terms of miniaturization of the device, the cylindrical configuration is considered the most excellent structure.
以下添付図面を参照しながら,本発明の一実施形態及び実施例について説明し,本発明の理解に供する。尚,以下の実施の形態及び実施例は,本発明を具体化した一例であって,本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに,図1は本発明の実施形態に係る高電圧発生装置を備えたラザフォード後方散乱分析装置Xの概略構成を示す全体図,図2は本発明の実施形態に係る高電圧発生装置を示す模式図,図3は図2のA−A断面図,図4は本発明の他の実施例に係る高電圧発生装置Xの断面図,図5は従来の高電圧発生装置の高電圧回路を示す等価回路,図6は従来の高電圧発生装置を示す模式図,図7は図6のB−B断面図である。
In the following, an embodiment and an example of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention. It should be noted that the following embodiments and examples are examples embodying the present invention, and do not limit the technical scope of the present invention.
FIG. 1 is a general view showing a schematic configuration of a Rutherford backscattering analyzer X equipped with a high voltage generator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a high voltage generator according to an embodiment of the present invention. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 2, FIG. 4 is a cross-sectional view of a high voltage generator X according to another embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a high voltage circuit of a conventional high voltage generator. FIG. 6 is a schematic diagram showing a conventional high voltage generator, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG.
まず,図1の全体図に基づいて,本発明の一実施形態にかかるコッククロフト・ウォルトン型の高電圧発生装置114を備えたラザフォード後方散乱分析装置(以下,「RBS分析装置」と略す。)Xの概略構成について説明する。尚,言うまでもないが,このRBS分析装置Xは,入力電圧を昇圧して所定の高電圧を発生する高電圧発生装置114の用途の単なる一例に過ぎない。
図示のRBS分析装置Xでは,測定チャンバ103(真空容器)の鉛直上方に配設された加速器(加速装置)110において,不図示のガスボンベから送り出されたヘリウムなどがイオン源112でイオン化され,その後,イオン化された一価のヘリウムイオン(荷電粒子の一例)が加速管113に送り出される。上記加速管113内では,上記ヘリウムイオンは,上記高圧電源発生装置114から高電圧が供給されることにより,この高電圧に対応したエネルギーが蓄えられて加速される。上記加速器110内は,高電圧による放電等を抑制するため,消弧性及び絶縁性の高いSF6等の絶縁ガスで充填されている。
この実施形態における上記高圧電源発生装置114は,PN型ダイオード(整流素子の一例,以下,「ダイオード」と称す。),コンデンサなどで構成された昇圧回路54(図5参照)を段階的に複数結合して構成されたCW回路51(図5参照)によって入力電圧を所定の高電圧に昇圧するコッククロフト・ウォルトン型の高電圧発生装置である。なお,上記CW回路51は高電圧回路の単なる一例であって,上記CW回路51をこれに準じる多段型の倍電圧整流回路に置き換えた高電圧発生装置であっても,本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。
上記加速管113内で加速されたイオンは鉛直下方へ出射され,ビームダクト116を通り,途中,四重極マグネット111により収束されて,加速器110の鉛直下方に位置する測定チャンバ103内の試料102に照射される。
上記試料102に照射され,試料102の表面又は内部で弾性散乱されたイオンのうち,検出器105で検出されたイオンが,分析に供される。
First, based on the overall view of FIG. 1, Rutherford backscattering analyzer (hereinafter abbreviated as “RBS analyzer”) X provided with a Cockcroft-Walton type
In the illustrated RBS analyzer X, helium or the like sent from a gas cylinder (not shown) is ionized by an
The high-voltage
Ions accelerated in the
Among the ions irradiated onto the
測定チャンバ103は,円筒形の測定チャンバであり,内部を真空状にするため,測定チャンバ103近傍には内部の空気を排出して真空化するターボ分子ポンプ109が設けられている。また,この測定チャンバ103には,試料102に照射されたイオンによって上記試料102から複数の方向に散乱した散乱イオンを検出する検出器105が設けられている。
また,上記円筒形の測定チャンバ103の中心軸(円筒軸)にあたる位置には試料102を保持する試料台が配置されている。この上記試料台は上記測定チャンバ103の中心軸を中心にして上記測定チャンバ103の中心軸方向に上下動自在に支持される。上記測定チャンバ103の外部には,上記試料台に試料102を搬出入するトランファーロッド106が設けられており,該トランスファーロッド106の気密は,ロードロックチャンバ107で保持されている。また,この測定チャン103の外周には,マグネット冷却器108によって冷却される超電導マグネット104が配置されており,この超電導マグネット104によって,散乱イオンの散乱方向が変えられる。
The
A sample stage for holding the
上記高電圧発生装置114は,図5に示す従来の高電圧発生装置50と略同様に構成されており,絶縁支持部材61により互いに絶縁された状態で支持された低電圧部56及び高電圧部57と,上記低電圧部56及び高電圧部57の間に設けられたCW回路51(高電圧回路)と,上記低電圧部56の下部に配置された上記CW回路51に入力電圧を供給するトランス55と,上記CW回路51で生成された高電圧を加速器111に供給するための高電圧ターミナル(高電圧端子)と,により構成され,上記加速器110内に加速管113やイオン源112等(図1)と共に配設されている。
上記CW回路51は,上記トランス55により変圧されて入力された入力電圧を昇圧する昇圧回路54を多段に結合して構成され,所定の高電圧を生成する高電圧回路である。このCW回路51の外側には,所定の間隔を隔てて設けられた1又は2以上の導電性の金属フープ58(導電性の環状部材の一例)が不図示の絶縁支持部材により支持されて配設されている。なお,上記金属フープ58が上記CW回路51の内側に設けられたものであってもかまわない。
上記金属フープ58は,その上下に配設された他の金属フープと所定間隔を持って離間されており,更に,隣接する金属フープ間は,抵抗60を介して接続されている。また,複数の金属フープにチャージされた電荷を放出すると共に,該金属フープを略接地電位に均一化するため,最下部に配置された金属フープは接地されている。
The
The
The
上述の如く,本発明に係る高電圧発生装置114は,従来の高電圧発生装置50と略同様に構成されているが,本高電圧発生装置114は,上記高電圧発生装置50とは,図2の模式図及び図3の断面図に示すように,上記CW回路51に用いられるダイオード52やコンデンサ53等の電気回路部品と上記金属フープ58との間,即ち,上記CW回路51と上記金属フープ58との間(CW回路51の外側)に導電性のシールド部材21a,21bが設けられ,上記CW回路51と上記絶縁支持部材61との間(CW回路51の内側)に導電性のシールド部材22a,22bが設けられている点において大きく異なる。
このように,本高電圧発生装置114が構成されることにより,放電が発生したとしても,上記シールド部材21a等に放電され,上記ダイオード52や上記コンデンサ54,或いは上記金属フープ58間に設けられた抵抗60等の電気回路部品への直接的な放電が回避されるため,放電による上記電気回路部品の破損,焼損を防止することが可能となる。また,放電防止のために離間させていた上記電気回路部品間の絶縁空間(絶縁距離),及び上記電気回路部品と上記金属フープとの間の絶縁空間(絶縁距離)を小さくすることができるため,装置の小型化を図ることが可能となる。この結果,上記加速器110内に充填されるSF6等の絶縁ガスの消費量が減少するため,絶縁ガスの回収が容易となると共に,環境を悪化させない高電圧発生装置が実現され得る。
なお,上記シールド部材に放電されることにより,該シールド部材に電荷がチャージされるため,上記シールド部材をそれぞれ接地することが望ましい。また,このように,上記シールド部材を接地電位に保持することにより,上記接地された金属フープ58と上記シールド部材とが等電位となるため,上記金属フープ58及び上記シールド部材間における放電の発生が抑制される。
As described above, the
Thus, even if a discharge occurs due to the configuration of the
In addition, since the electric charge is charged to this shield member by discharging to the said shield member, it is desirable to ground the said shield member, respectively. In addition, since the grounded
また,図示されるように,上記シールド部材21a等は,上記金属フープ58と同心円筒状に配置されているため,上記金属フープ58において生じるあらゆる方向からの放電が効果的に遮断される。これにより,上記電気回路部品を放電から保護することが可能となる。また,装置の小型化という面においても,図2に示されるシールド部材21a等のように円筒状の構成が最も優れた構造であると考えられる。
なお,本実施形態例では,図3に示すように,略半円筒状のシールド部材21aと21bとが,そして,略半円筒状のシールド部材22aと22bとが対向して配設されているが,特にこれに限定されることはない。
即ち,上記シールド部材が,放電元となる加速器113等の周辺部材と電気回路部品との間に設けられていれば,本発明の課題である,上記電気回路部品の保護を十分に図ることが可能である。従って,例えば,上記シールド部材が,上記多段に結合された複数の昇圧回路54(図5)それぞれに対応して設けられたものであってもよい。このように構成されることで,上記昇圧回路54を放電から防止することができると共に,上記昇圧回路54間の絶縁空間,或いは,上記昇圧回路54と上記金属フープ58との間の絶縁空間をを小さくすることができ,装置の小型化を図ることが可能となる。また,この場合,上記昇圧回路54それぞれに対応して設けられた複数のシールド部材をそれぞれ内部抵抗等を介して接続することにより,上記それぞれのシールド部材の電位を均一にすることで,本高電圧発生装置X内の電位或いは電界の不均一性が軽減されるため,放電を効果的に抑制することができる。
Further, as shown in the figure, the
In this embodiment, as shown in FIG. 3, the substantially
That is, if the shield member is provided between a peripheral member such as the
上記高電圧発生装置Xに設けられたシールド部材21a,21b,22a,22bは,図4の断面図に示すように,上記電気回路部品と電気的に接続された実施例であってもよい。具体的には,上記シールド部材21aと22aとがコンデンサ53bの正或いは負の電極に配線41b等により接続されて構成されている。このように構成されることにより,例え放電が発生したとしても,放電電流が電気回路部品の電極に流れ,上記電気回路部品の本体(BODY)が直接的に放電を受けることがないため,放電から上記電気回路部品を効果的に保護することができる。
また,上記シールド部材21a,21b,22a,22bが,上述の如く上記コンデンサ53a,53bに電気的に接続されることにより,上記コンデンサ53によって放電サージや放電後の続流が吸収されるため,ダイオード52や抵抗60等の他の電気回路部品を放電から保護し,部品の破損等を防止することが可能となる。
The
Further, since the
本発明は,半導体を初めとする各種材料の定量,組成分析する分析装置分野,若しくは,イオンを材料に注入するイオン注入分野,イオンや電子を照射することで殺菌,その他の効果があるイオン照射,イオン若しくは電子ビームによる加工などの分野に利用可能である。 The present invention relates to the field of analyzers for the quantification and composition analysis of various materials including semiconductors, the field of ion implantation for injecting ions into materials, the sterilization by irradiating ions and electrons, and the ion irradiation with other effects. , It can be used in fields such as ion or electron beam processing.
21a,21b,22a,22b…シールド部材
51…コッククロフト・ウォルトン回路(高電圧回路の一例)
52…ダイオード(電気回路部品の一例)
53…コンデンサ(電気回路部品の一例)
54…昇圧回路
58…金属フープ(環状部材の一例)
60…抵抗(電気回路部品の一例)
102…試料
103…測定チャンバ
104…超電導マグネット
105…検出器
106…トランスファーロッド
107…ロードロックチャンバ
108…マグネット冷却器
109…ターボ分子ポンプ
110…加速器(加速装置)
111…四重極マグネット
112…イオン源
113…加速管
114…高電圧発生装置
116…ビームダクト
21a, 21b, 22a, 22b ...
52 ... Diode (an example of an electric circuit component)
53. Capacitor (an example of electrical circuit components)
54 ...
60: Resistance (an example of an electric circuit component)
DESCRIPTION OF
111 ...
Claims (3)
上記昇圧回路の外側及び/若しくは内側に該昇圧回路の電界の均一性を高めるために設けられた1又は2以上の導電性の環状部材と,
上記昇圧回路の外側及び内側に上記環状部材と同心円筒状に配置され,上記高電圧発生装置の外部及び内部における放電から上記昇圧回路をシールドする導電性のシールド部材と,
を備えてなることを特徴とする高電圧発生装置。 In a high voltage generator having a high voltage circuit for generating a high voltage by coupling a booster circuit for boosting an input voltage in multiple stages,
One or more conductive annular members provided on the outside and / or inside of the booster circuit to increase the uniformity of the electric field of the booster circuit;
A conductive shield member disposed concentrically with the annular member outside and inside the booster circuit, and shields the booster circuit from discharges outside and inside the high voltage generator ;
High voltage generator, characterized in that it comprises an.
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