JP5694522B2 - 衝突を生じさせるための二つの粒子ビーム用の加速器 - Google Patents
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Description
‐ 荷電粒子の二つのビームが静電場によって加速又は減速可能であるように構成された静電ポテンシャル場を発生させるためのポテンシャル場デバイスと、
‐ 二つの荷電粒子ビームの衝突が生じる反応領域と、
‐ 反応領域に向けられたポテンシャル場内の第一のビーム用の第一の加速チャネル(経路)と、
‐ 反応領域に向けられたポテンシャル場内の第二のビーム用の第二の加速チャネルとを有する。
その構成は、高電圧電極を加速器の内部に配置し、同心状接地電極を加速器の外側に配置する図1に示される原理に従う。
最近のアバランシェ半導体ダイオード(ソフトアバランシェ半導体ダイオード)は非常に低い寄生キャパシタンスを有し、また、短い回復時間を有する。直列回路は、電位を平衡にするための抵抗を必要としない。動作周波数は、二つのグライナッヘルキャパシタスタックの相対的に小さな電極間キャパシタンスを用いるために、比較的高く選択可能である。
基本的なアイディアは、連続して同心状に配置された電極を赤道面上において切断することである。結果としての二つの電極スタックがカスケードキャパシタを構成する。必要なのは、切断面にわたって、ダイオードの鎖を反対側の電極に接続することだけである。整流器は、連続的に配置された電極の電位差を略2Uinに自動的に安定化させることに留意されたい(一定の電極間隔として)。駆動電圧は、二つの外側半球の間に印加される。
回路が図3のキャパシタンスのみを含む場合、定常動作は、動作周波数f、キャパシタC0を介する負荷において全波毎に電荷
二つのコラム間の電荷交換は、例えば、ダイオードDjによる浮遊キャパシタンスcj及び逆回復電荷損失qjの結果として、乗算回路の効率を低下させる(図1を参照)。
区切られたダイオードの有限逆回復時間trrは
〈容量性伝送線〉
グライナッヘルカスケードでは、整流ダイオードが、実質的にAC電圧を吸収して、DC電圧に変換し、高DC出力電力まで蓄積する。AC電圧は、二つのキャパシタコラムによって高電圧電極に通されて、整流電流と、二つのコラムの間の浮遊キャパシタンスとによって減衰される。
一定の電極間隔tに対して、特定負荷電流は
最適な電極間隔は、計画的DC負荷電流の場合に一定の直流電場強度2Eを保証する。伝送線に沿った特定AC負荷電流は、位置に依存して、
幅w、高さh、コラム間の間隔sの平坦な電極を有する線形カスケードの場合、伝送線インピーダンスは
非一様な電信方程式は
この場合、基本方程式は
図4に示されるように半径に依存しない高さhと、コラム間の軸方向ギャップsとを有する同心状のシリンダー電極のスタックを仮定すると、半径指定インピーダンスは
等間隔の半径方向電極間隔t=(R−r)/Nに対して、基本方程式
最適な局所的電極間隔はt(ρ)=U(ρ)/Eであり、基本方程式は
〈等電位面〉
小型機器は、電気絶縁破壊電場強度を最大にすることを要する。一般的に、小さな曲率の平滑な面がキャパシタ電極用に選択されることが望ましい。粗い近似として、絶縁破壊強度Eは、電極間隔の逆平方根とスケーリングして、小さな電圧差を有する多数の密集した等電位面が、大きな電圧差を有する少数の大きな距離よりも好ましい。
等間隔及び線形な電圧分布を有する実質的に平坦な電極設計に対して、最適な縁の形状は、キルヒホッフ型(以下を参照)として知られていて、
駆動電圧発生器は高周波において高AC電圧を提供しなければならない。通常の手順は、高度に絶縁された出力変換器によって中程度のAC電圧を増幅することである。
〈d−0.5則〉
d≒10−3m以上の電極間隔に対して、絶縁破壊電圧が間隔の平方根に略比例することについては多数の指摘(最終的な説明ではない)が存在する。従って、絶縁破壊電場は、電極の物質の関数として(下記を参照)、Aが一定で
真空中の電極間のフラッシュオーバーは、物質表面に大きく依存する。CLICの研究結果(非特許文献1)は以下の破壊係数を示している。
電極の面積が破壊電場強度に対して実質的な影響を有することが指摘されている。従って、
〈誘電利用率〉
一様電場が最大の電圧を許容することが一般的に受け入れられている。シュバイガー(Schwaiger)の誘電利用率係数ηは、電場の非一様性の結果としての局所的な電場のオーバーシュートの逆数として定義され、つまり、同じ参照電圧及び距離を考慮した場合の、理想的に平坦な電極の構成における電場と、その幾何学的形状のピーク表面電場の比である。
電場の非一様性の最大は、電極表面において生じ、電極形状に関係する基準は、平均曲率H=(k1+k2)/2である。
図8は、垂直電場に対するA=0.6の場合のキルヒホッフ電極の縁を示す。電極スタック内の電場のオーバーシュートは、
11 入力
13 ダイオード
15 キャパシタ
17 キャパシタ
19 ダイオード
21 出力
23 第一の組のキャパシタ
25 第二の組のキャパシタ
29 加速器
31 高電圧源
33 中間電極
35 高電圧カスケード
37 中心電極
39 外側電極
39’、39” 電極殻の半分
41 第一のキャパシタ鎖
43 第二のキャパシタ鎖
45 AC電圧源
47 赤道カット
49 ダイオード
51 第一の加速チャネル
52 第二の加速チャネル
63 電子管
65 カソード
67 アノード
71 第一の粒子ビーム
73 第二の粒子ビーム
75 相互作用領域
77 第一の源
79 第二の源
81 高電圧源
83 第一の捕獲電極
85 第二の捕獲電極
Claims (5)
- 荷電粒子の二つのビーム(71、73)を加速させて、前記二つのビーム(71、73)の間に衝突を生じさせるための加速器(29)であって、
前記荷電粒子の二つのビーム(71、73)を加速又は減速させるように構成された静電ポテンシャル場を発生させるためのポテンシャル場デバイス(33、35、37、39、45)と、
前記二つのビーム(71、73)の衝突が生じる反応領域(75)と、
前記反応領域(75)に向けられた前記ポテンシャル場内の第一のビーム(71)用の第一の加速チャネル(51)と、
前記反応領域(75)に向けられた前記ポテンシャル場内の第二のビーム(73)用の第二の加速チャネル(52)と、
前記反応領域(75)から離れるように向けられた前記ポテンシャル場内の第一のビーム(71)用の第一の減速チャネルと、
前記反応領域(75)から離れるように向けられた前記ポテンシャル場内の第二のビーム(73)用の第二の減速チャネルと、
前記第一の減速チャネルの端に配置されている、第一のビーム(71)の減速粒子用の第一の捕獲器(83)と、
前記第二の減速チャネルの端に配置されている、第二のビーム(73)の減速粒子用の第二の捕獲器(85)とを有し、
前記反応領域(75)が、前記二つのビーム(71、73)の粒子を前記第一の加速チャネル(51)及び前記第二の加速チャネル(52)に沿って前記反応領域(75)に向けて加速させて、前記反応領域(75)内で相互作用して前記反応領域(75)を通過した後に前記ポテンシャル場において再び減速させて、前記二つのビーム(71、73)を前記反応領域(75)に向けて加速させるために前記ポテンシャル場デバイスによって印加されたエネルギーを減速によって少なくとも部分的に回収するように、前記ポテンシャル場と前記第一の加速チャネル(51)と前記第二の加速チャネル(52)とに対して配置されている、加速器(29)。 - 第一のビーム(71)用の荷電粒子を提供して前記第一の加速チャネル(51)に供給するための第一の源(77)、及び、
第二のビーム(73)用の荷電粒子を提供して前記第二の加速チャネル(52)に供給するための第二の源(79)を有する請求項1に記載の加速器(29)。 - 第一の粒子がプロトンであり及び/又は第二の粒子がホウ素イオンである、請求項1又は2に記載の加速器。
- 前記ポテンシャル場デバイスが、互いに同心状に配置された複数の電極で形成されたキャパシタスタックを備え、前記キャパシタスタックが、
第一の電位に設定される第一の電極(37)と、
前記第一の電極(37)に対して同心状に配置されている第二の電極(39)であって、前記第一の電極と前記第二の電極との間に加速ポテンシャルを形成するように前記第一の電位とは異なる第二の電位に設定される第二の電極(39)とを有し、
前記反応領域(75)が前記第一の電極(37)の内部に配置されている、請求項1から3のいずれか一項に記載の加速器。 - 前記キャパシタスタックが、前記第一の電極(37)と前記第二の電極(39)との間に同心状に配置された一つ以上の中間電極(33)を備え、スイッチングデバイス(35)が設けられていて、前記スイッチングデバイス(35)に前記キャパシタスタックの電極(33、37、39)が接続されていて、前記スイッチングデバイス(35)が、前記スイッチングデバイス(35)の動作時に、互いに同心状に配置されている前記キャパシタスタックの電極(33、37、39)が配置順に増大していく電位レベルに設定されるように設計されている、請求項4に記載の加速器。
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