JP4790823B2

JP4790823B2 - デフレクタ

Info

Publication number: JP4790823B2
Application number: JP2009029805A
Authority: JP
Inventors: 正美佐野
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2029-02-12
Also published as: JP2010186631A

Description

本発明は、サイクロトロン等において荷電粒子を系外へ引き出すためのデフレクタに関するものである。

陽子等の荷電粒子を周回加速するサイクロトロンにおいて、荷電粒子を周回軌道から取り出すためのデフレクタが知られている。特許文献１には、この種のデフレクタが記載されている。

特許文献１に記載のデフレクタ（静電偏向器）は、周回軌道に沿ってその外側に配置されて陽極として作用するセプタム電極（静電隔壁）と、セプタム電極に対して周回軌道と反対側に、セプタム電極と対向して配置されて陰極として作用する高圧電極とを備える。このデフレクタでは、高圧電極に負の高電圧を印加すると、高圧電極とセプタム電極と電位差によりこれらの間に電場が発生する。これにより、周回軌道内を周回する荷電粒子は、電場の力を受けて、軌道がセプタム電極と高圧電極との間へと偏向され、サイクロトロンから引き出される。

このデフレクタでは、荷電粒子の進行を妨げないように、セプタム電極において高圧電極に対向する部分（隔壁部）の厚さが０．１ｍｍ程度と薄くなっている。また、セプタム電極のその部分（隔壁部）がセプタム電極と高圧電極との間の電場により生じる電磁気力で変形しないように、セプタム電極の両端部が厚くなっている。

特開２００１−５７３００号公報

この種のデフレクタでは、荷電粒子の衝突によりセプタム電極が加熱されるので、セプタム電極の材料には、熱伝導がよく除熱性が高い銅が用いられることが多い。

しかしながら、銅製のセプタム電極では、荷電粒子の衝突により高圧電極側の表面が溶融して、この表面が荒れると共にアウトガスが発生してしまう。その結果、セプタム電極と高圧電極との間で放電が生じやすくなってしまう。その結果、セプタム電極と高圧電極との間の放電を抑制するために、高圧電極に印加する電圧値に制限が生じ、ビーム電流値が制限されてしまう。

そこで、本発明は、除熱性を低下させることなく、荷電粒子の衝突に起因する高圧電極との放電を低減することが可能なセプタム電極を備えるデフレクタを提供することを目的としている。

本発明のデフレクタは、セプタム電極と高電圧を印加する高圧電極とを備え、荷電粒子を引き出すためのデフレクタにおいて、セプタム電極は、ベース部と、当該ベース部の高圧電極側の面を覆うコーティング部とを有し、コーティング部は、ベース部より融点が高い材料からなる。

このデフレクタによれば、セプタム電極の高圧電極側の表面を、融点が高い材料でコーティングしているので、この表面の荷電粒子の衝突による溶融を抑制することができ、表面荒れを低減することができると共にアウトガスの発生を抑制することができる。その結果、セプタム電極と高圧電極との間で放電が生じ難くなる。このように、セプタム電極の表面をコーティングすることによって、セプタム電極のベース部に、熱伝導がよく除熱性が高い材料（例えば、銅）を用いることができる。したがって、このデフレクタによれば、セプタム電極の除熱性を低下することなく、荷電粒子の衝突に起因するセプタム電極と高圧電極との放電を低減することが可能となる。

また、融点が高い材料は放電耐圧が高いので、このデフレクタによれば、セプタム電極と高圧電極との放電をより低減することができる。

これより、高圧電極に印加する電圧値を大きくしても、セプタム電極と高圧電極との間に放電を生じさせることなく、安定した高電場を発生することができ、高いビーム電流値を得ることが可能となる。

上記したコーティング部の材料は、更に、ベース部よりスパッタ率が低いことが好ましい。

例えば、銅製のセプタム電極では、荷電粒子の衝突によりスパッタが発生しやすく、その結果、表面が荒れ、セプタム電極と高圧電極との間で放電が生じやすい。

しかしながら、このデフレクタによれば、セプタム電極の表面をスパッタ率が低い材料でコーティングしているので、荷電粒子の衝突によるスパッタの発生を抑制することができ、その結果、セプタム電極の表面荒れを抑制することができ、セプタム電極と高圧電極との間で放電が生じ難くなる。したがって、このデフレクタによれば、セプタム電極と高圧電極との放電をより低減することができる。

本発明によれば、デフレクタにおけるセプタム電極の除熱性を低下することなく、荷電粒子の衝突に起因するセプタム電極と高圧電極との放電を低減することができる。これより、高圧電極に印加する電圧値を大きくしても、セプタム電極と高圧電極との間に放電を生じさせることなく、安定した高電場を発生することができ、高いビーム電流値を得ることが可能となる。

本発明の実施形態に係るデフレクタの構成を示す断面図である。図１に示すデフレクタにおけるセプタム電極と高圧電極とを示す斜視図である。図２におけるIII−III線に沿う断面図である。本発明の変形例に係るデフレクタにおけるセプタム電極と高圧電極とを示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本発明の実施形態に係るデフレクタの構成を示す断面図であり、図２は、図１に示すデフレクタにおけるセプタム電極と高圧電極とを示す斜視図である。また、図３は、図２におけるIII−III線に沿う断面図である。図１に示すデフレクタ１は、陽子等の荷電粒子を周回加速するサイクロトロンにおいて、この正の荷電粒子を周回軌道から引き出すためのものであり、陽極としてのセプタム電極１１と、陰極としての高圧電極１２とを備える。

セプタム電極１１は、荷電粒子の周回軌道２１に沿ってその外側に配置され、ベース部１１ａと、コーティング部１１ｂとを有している。ベース部１１ａは、荷電粒子の周回軌道２１に直交する断面が略コの字状であって、周回軌道２１側に開口する形状をなす。すなわち、ベース部１１ａの中心部１１ｓの厚さは薄く、この中心部１１ｓを挟む両端部１１ｔ，１１ｕの厚さは厚い。

ベース部１１ａの中心部１１ｓは、高圧電極１２と対向し、その一端部１１ｘは、周回軌道２１と荷電粒子引き出し軌道２２との境界となるので、荷電粒子の進行を妨げないように、０．１ｍｍ程度と薄くする。一方、他端部１１ｙの厚さは３ｍｍ程度であり、ベース部１１ａの中心部１１ｓの厚さは、一端部１１ｘから他端部１１ｙへ向けて次第に厚くなっている。これによって、セプタム電極１１の除熱性を高めることができる。

このベース部１１ａの中心部１１ｓは、その薄さに起因し、セプタム電極１１と高圧電極１２との間の電場により生じる電界力によりベース部１１ａの中心部１１ｓが変形する虞がある。この変形を防止するために、ベース部１１ａの両端部１１ｔ，１１ｕが厚くなっている。また、ベース部１１ａの両端部１１ｔ，１１ｕは、セプタム電極１１の除熱性を高めるように作用する。また、ベース部１１ａの両端部１１ｔ，１１ｕには、冷却管１５，１６が埋め込まれており、半田等によって接着されている。これにより、更に除熱性を高めることができる。

ベース部１１ａの材料には、熱伝導がよく除熱性が高い材料が用いられる。例えば、ベース部１１ａの材料としては、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ステンレスなどが適用可能である。

ベース部１１ａの高圧電極１２側の表面には、コーティング部１１ｂによるコーティングが施されている。コーティング部１１ｂの材料には、ベース部１１ａの材料と比べて融点が高く、スパッタ率が低い材料が用いられる。例えば、コーティング部１１ｂの材料としては、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル、タングステン、ニオブなどが適用可能である。

コーティング部１１ｂの厚さは、イオンプレーティング法により、３μｍ〜５μｍ程度に形成することが好ましい。イオンプレーティング法を用いることにより、コーティング部１１ｂの厚みを薄くしながらも、ベース部１１ａの表面加工の粗さに起因するセプタム電極１１の表面の粗さを低減することができる。

このセプタム電極１１は、その両端部がサイクロトロンの筐体に固定された支持部１３，１４に固定される。

一方、高圧電極１２は、セプタム電極１１に対して周回軌道２１と反対側に、セプタム電極１１の中心部１１ｓに対向して配置される。高圧電極１２の材料には、銅（Ｃｕ）などが適用可能である。高圧電極１２には、外部より高圧電圧が印加可能となっている。

この高圧電極１２に負の高電圧（例えば−６０ｋＶ）を印加すると、高圧電極１２とセプタム電極１１との電位差によりこれらの間に電場が発生する。これにより、周回軌道２１内を周回する荷電粒子は、電場の力を受けて、軌道がセプタム電極１１と高圧電極１２との間の軌道２２へと偏向され、サイクロトロンから出力される。このとき、すなわち、セプタム電極１１と高圧電極１２との間の軌道２２を通過するとき、荷電粒子はセプタム電極１１の表面に衝突することとなる。

しかしながら、本実施形態のデフレクタ１によれば、セプタム電極１１の高圧電極１２側の表面を、融点が高い材料でコーティングしているので、この表面の荷電粒子の衝突による溶融を抑制することができ、表面荒れを低減することができると共にアウトガスの発生を抑制することができる。その結果、セプタム電極１１と高圧電極１２との間で放電が生じ難くなる。このように、セプタム電極１１の表面をコーティングすることによって、セプタム電極１１のベース部１１ａに、熱伝導がよく除熱性が高い材料を用いることができる。したがって、本実施形態のデフレクタ１によれば、セプタム電極１１の除熱性を低下することなく、荷電粒子の衝突に起因するセプタム電極１１と高圧電極１２との放電を低減することが可能となる。

また、融点が高い材料は放電耐圧が高いので、本実施形態のデフレクタ１によれば、セプタム電極１１と高圧電極１２との放電をより低減することができる。

また、本実施形態のデフレクタ１によれば、セプタム電極１１の表面をスパッタ率が低い材料でコーティングしているので、荷電粒子の衝突によるスパッタの発生を抑制することができる。その結果、セプタム電極１１の表面荒れを抑制することができ、セプタム電極１１と高圧電極１２との間で放電が生じ難くなる。したがって、本実施形態のデフレクタ１によれば、セプタム電極１１と高圧電極１２との放電をより低減することができる。

これより、高圧電極１２に印加する電圧値を大きくしても、セプタム電極１１と高圧電極１２との間に放電を生じさせることなく、安定した高電場を発生することができ、より高いビームエネルギー、大きいビーム電流値を得ることが可能となる。例えば、セプタム電極１１と高圧電極１２との間隔を約３ｍｍとし、高圧電極１２への印加電圧を約−６０ｋＶとすると、２３５ＭｅＶで、３００ｍＡの陽子ビーム引き出しを行うことができた。

また、セプタム電極１１のベース部１１ａに、銅のブロックを用いることによって、上記したセプタム電極１１の形状加工が容易となる。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態のデフレクタ１は、負の荷電粒子を取り出すデフレクタとしても用いることが可能である。この場合、高圧電極１２に正の高電圧を印加すればよい。

また、本実施形態におけるセプタム電極１１のベース部１１ａ、高圧電極１２の形状は、本実施形態に限られることなく様々な態様であってよい。

また、本実施形態では、セプタム電極１１のベース部１１ａの高圧電極１２側の表面一面に、コーティング部１１ｂをコーティングしたが、図４に示すように、コーティング部１１ｂは、荷電粒子の衝突確立が高い一端部１１ｘ側に５０ｍｍ程度であってもよい。更に、コーティング部１１ｂは、ベース部１１ａの中心部１１ｓのみであってもよい。

１…デフレクタ、１１…セプタム電極、１１ａ…ベース部、１１ｂ…コーティング部、１１ｓ…中心部、１１ｔ，１１ｕ…両端部、１１ｘ…一端部、１１ｙ…他端部、１２…高圧電極、１３，１４…支持部、１５，１６…冷却管、２１…周回軌道、２２…荷電粒子取り出し軌道。

Claims

セプタム電極と高電圧を印加する高圧電極とを備え、荷電粒子を引き出すためのデフレクタにおいて、
前記セプタム電極は、ベース部と、当該ベース部の前記高圧電極側の面を覆うコーティング部とを有し、
前記コーティング部は、前記ベース部より融点が高く、前記ベース部よりスパッタ率が低い材料からなり、
前記コーティング部の厚さは、３μｍ〜５μｍである、
ことを特徴とする、デフレクタ。