JP6114696B2 - 直流荷電粒子加速器 - Google Patents

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関連出願
本特許出願は、２０１０年１２月８日出願の米国特許出願第１２／９６２，７２３号の優先権を主張し、同出願を参照として本明細書に引用する。

本発明は直流荷電粒子加速器および直流電圧を使用し荷電粒子を加速する方法に関する。本発明はまた、加速器および方法において使用することができる、高電圧電力供給装置にも関する。本発明は、イオン注入装置の陽イオンを加速するための加速器および方法に関する。

イオン注入は高エネルギーおよび高ビーム電流でのイオンビームの生成を必要とすることがある。直流加速器はイオン注入において、必要なビームエネルギーを提供するために使用されることが知られている。

公知の荷電粒子加速器では、多数の加速器電極が連続的な加速ギャップを画定する。加速器電極は、定電圧の間隔でバイアスされ、加速器の長さに沿い、電圧勾配を制御する。加速器電極のためのバイアス電圧は、加速器の最大能力を提供する高電圧発生器に接続される電圧分圧器から派生し、例えば、数１００キロボルトまたは１メガボルトを超過する。

１つの態様では、本発明は、端部電極および少なくともＮ−１個の中間電極を含む加速電極を備える直流荷電粒子加速器を提供する。加速電極は、前記電極の隣接対の間に、少なくともＮ個の加速ギャップを画定し、Ｎは少なくとも３である。調整直流高電圧電力供給装置は、前記Ｎ個の加速ギャップを画定する、前記加速器電極の各隣接対に接続される、Ｎ対の出力線を有する。電力供給装置は、Ｎ個の調整高電圧直流出力電圧を提供するよう動作し、前記Ｎ個の加速ギャップにわたりギャップ電圧を提供する前記Ｎ対の出力線上で、互いに電気的に絶縁している。前記Ｎ個の調整出力電圧は、共通値Ｖ_ｇａｐを有することができる。

一実施形態においては、前記調整直流高電圧電力供給装置は、互いに直流絶縁しているＮ個の直流電圧発生器を備え、前記電圧発生器のそれぞれが、前記Ｎ対の出力線のうちの少なくとも１つを有し、また前記電圧発生器に送達される入力電力から、前記Ｎ個の調整高電圧直流出力電圧の各１つを発生させるように配列されている。直流絶縁電力送達装置は、前記電圧発生器の間に、直流絶縁を維持している間、前記Ｎ個の電圧発生器に前記入力電力を送達するように配列されている。Ｎ個の直流電圧発生器は、未調整入力電力から、前記調整高電圧直流出力を提供するＮ個の直流高電圧電力供給ユニットを備える。

一実施形態では、前記直流絶縁電力送達装置は、交流電力を、未調整入力電力として、各前記直流高電圧電力供給ユニットに送達する、Ｎ個の交流発電機を備える。それぞれの前記交流発電機は、少なくとも１つの固定子巻線を有し、前記交流電力を提供するように、前記固定子巻線内に交流電流を誘導するための前記固定子に、回転子磁界を生成する、少なくとも１つの回転子磁石を支持する、固定子を備えることが可能である。次に、前記交流発電機のうちの少なくとも２つの前記固定子は、軸方向に整列し、前記直流絶縁電力送達装置は、前記軸に沿い軸方向に離間して、前記少なくとも２つの交流発電機の前記回転子を支持する少なくとも１つの共通の回転軸、および前記共通の回転子シャフトを回転させるように接続されるモータを備える。

実施形態では、前記共通の回転子シャフトは、前記回転子シャフトにより支持されるそれぞれの前記回転子の電気的絶縁を提供する。具体的には、前記共通の軸は、電気的絶縁物質により形成されてもよい。

直流絶縁電力送達装置は、固定子管を備え、前記固定子管に沿い軸方向に離間して、軸方向に配列する前記固定子を支持する。前記共通の回転子シャフトは、次に前記固定子管内に回転のために取り付けられる。

実施形態では、前記固定子管は前記固定子管により支持される前記固定子のそれぞれの電気的絶縁を提供する。具体的には、前記固定子管は電気的絶縁物質により形成されてもよい。

直流加速器は、前記加速器を通る荷電粒子のために、線形加速経路を画定する、前記加速器電極を含む、細長い加速器管を有する線形加速器であってもよい。次に、前記少なくとも１つの共通の回転子シャフトは、前記加速器管と並んで取り付けられ、また前記加速経路に平行に整列されてもよい。

一実施形態では、前記交流発電機は３つの群で配列され、各群の前記交流発電機の前記固定子は、軸方向に整列される。前記直流絶縁電力送達装置は、その場合、交流発電機の各群のための１つの前記共通の回転子シャフト、および、前記加速経路に平行に整列し、前記加速器管に対称的に位置する、前記３つの共通の回転子シャフトを備える。

さらなる態様では、本発明は、前記出力部で交流電力を生成する各出力部を有する、少なくとも２つの交流発電機を備える、高電圧電力供給装置を提供する。それぞれの前記交流発電機は、少なくとも１つの固定子巻線を有し、前記交流電力を提供するように前記固定子巻線内に交流電流を誘導するための前記固定子に、回転子磁界を生成する、少なくとも１つの回転子磁石を支持する、各回転子を備える。前記交流発電機の固定子は、軸方向に整列する。装置は、軸方向に前記軸に沿い離間して、前記交流発電機の前記回転子を支持する、共通の回転子軸を備える。モータが前記共通の軸を回転させるように接続されており、各出力部で、前記交流発電機のそれぞれが交流電力を発生させる。装置は、それぞれの前記交流発電機の出力部から、前記交流電力を受け取るように接続される、各直流高電圧電力供給装置をさらに含み、それぞれの前記電力供給は、出力端子の各対を有し、出力端子の前記各対にて、調整高電圧出力電圧を生成するように、前記交流電力を変換するように動作する。共通の回転子シャフトは、回転子シャフトにより支持される、前記回転子の電気的絶縁を提供する。電力供給の出力端子は、直列に接続されてもよい。

本発明は直流電圧を使用し、荷電粒子を加速する方法をさらに含む。この方法では、加速電極が提供され、端部電極および少なくともＮ−１個の中間電極を含む。加速電極は、前記電極の隣接対の間に少なくともＮ個の加速ギャップを画定し、Ｎは少なくとも３である。Ｎ個の調整高電圧直流出力電圧は、互いに電気的に絶縁して、生成される。Ｎ個の調整出力電圧は、加速電極に印加され、ギャップ電圧を提供するように、前記Ｎ個の加速ギャップを画定する。

添付図を参照しながら、本発明による例を以下に記載する。

従来技術の直流荷電粒子加速器の概略図である。 本発明を実施する直流荷電粒子加速器の概略図である。 本発明による直流荷電粒子加速器の第１の実施形態の概略図である。 代替形態での電力供給回路を示す、図３の直流荷電粒子加速器の概略図である。 本発明による、直流荷電粒子加速器の第２の実施形態の概略図である。 本発明による、直流荷電粒子加速器のさらなる実施形態の断面図である。 図６の直流荷電粒子加速器の左側および右側の拡大図である。 図６の直流荷電粒子加速器の左側および右側の拡大図である。 格納容器のシェルを取り外した状態の、図６の直流荷電粒子加速器の等角斜視図である。 図８の直流荷電粒子加速器の断面等角図である。 明瞭化のために部分的に拡大された、図６〜９の直流荷電粒子加速器の加速器管の断面等角図である。 イオン源を組み合わせた、図１０の加速器管の断面図である。 図１１のイオン源の拡大詳細断面図である。 加速器管およびイオン源への電力供給の配列を示す、図１１の加速器管およびイオン源のさらなる断面図である。 図１３のイオン源内の部分への電力供給分配の概略図である。 明瞭化のために、拡大部分図とともに、共通の回転子シャフト上に組み立てられた交流発電機の断面図である。 明瞭化のため２つの拡大部分図が付随した、駆動モータと組み合わされた交流発電機の回転子シャフトおよび固定子管の断面等角図である。 相互接続した電力供給ケーシングの付随した、３つの交流発電機軸および管の組み立て部を備える組み立て部の端面図である。 図１７の交流発電機組み立て部および電力供給ケーシング組み立て部の線Ａ−Ａに沿う、断面図である。 電極カラムの電極に関連する、単一の電力供給ケーシングの等角図である。 図１９の電力供給ケーシングおよび電極組み立て部の平面図である。 直流荷電粒子加速器の電力供給ユニットおよび電極の、相互接続の概略図である。 電極抑制リングを一体化した、直流荷電粒子加速器のための電極のさらなる実施形態の断面概略図である。 図２２の構造の電極および抑制リングに、バイアス電圧を印加するための配列の概略図である。

本発明は、比較的に高エネルギーで動作し、また高ビーム電流で良い安定性を維持することが可能な、直流粒子加速器を提供する。

図１は端部電極１０および１１、ならびに２つの中間電極１２と１３により画定される３つの加速ギャップだけを有する、典型的な従来技術の直流荷電粒子加速器の概略図である。電極１０、１１、１２および１３は、典型的には中心軸に沿い整列される板に開口部が付随する開口板を備え、線１４により図面に画定される。

図面の右側の電極である端部電極１０は、接地電位に保持されてもよく、電極１２、１３および１１に個々に印加される正電圧を増大する。典型的な配列では、これらの増大する正電圧は、電極の隣接対の間の加速ギャップにわたり、共通の電圧降下（Ｖ_ｇａｐ）を画定するであろう。例示では、共通のギャップ電圧はＶ_ｇａｐが４０ｋＶであるため、左側の端部電極１１から接地電極１０までの総電圧降下は１２０ｋＶである。次に、図１で左から右へ軸１４に沿い向けられるビームの正荷電粒子またはイオンは、ビームが接地電極１０の開口部を通り出現するときに、１２０ｋｅＶで加速する。加速した陽イオンのビームは、次にターゲット１５に向けられる。加速したイオンビームが、半導体製造過程でのイオン注入のために使用されるとき、ターゲット１５は半導体物質のターゲットであってもよい。加速したイオンビームは、シリコンの薄層を、加工されるウエハの表面から剥離できるように、半導体ウエハの加工にも使用される。太陽電池製造への使用のために、剥離されたシリコン薄層を提供するように、高エネルギーＨ^＋イオン（プロトン）をシリコンに注入する装置が、Ｒｙｄｉｎｇらによる米国特許出願第１２／４９４，２６９号（代理人整理番号ＴｗｉｎＰ０３０／ＴＣＡ−０２３ｙ）に開示されており、本発明の譲受人に譲渡されている。本米国特許出願の開示は、その全内容が参照によりあらゆる目的のために、本開示に組み込まれている。

図１に示す従来技術の配列によると、必要な電極電圧、ここでは４０ｋＶ、８０ｋＶおよび１２０ｋＶが１６で概ね指示される通り、高電圧（ｈ．ｖ．）電力供給ユニットにより印加される。電力供給ユニット１６は、高周波インバータ１９からの変圧器１８により電力を供給される、コックロフト・ウォルトン（ＣＷ）逓倍回路１７で形成される。ＣＷ逓倍器は、コンデンサーの反復段階および全波整流ブリッジで形成され、ＣＷ回路の動作は、当業者にはよく理解される。

図に示す通り、変圧器１８は接地（ここでは接地された端部電極１０）に接続する中央タップの付いた２次の巻線を有する。変圧器巻線１８の２次の巻線の各半分にわたる交流電圧が、頂点振幅Ａを有する場合、３つの全波整流器および関連するコンデンサーを備えるＣＷ逓倍器１７は、３×２Ａの点２０で、直流出力電圧を生成する。本例においては、インバータ１９および変圧器１８は、頂点振幅Ａ＝２０ｋＶを有する２次の巻線の各半分から、出力部を生成するため、点２０において発生する直流電圧は１２０ｋＶである。ＣＷ逓倍器１７の反応性成分を維持するため、また変圧器１８を可能な限り小さくするために、インバータ１９は、数ＫＨｚの周波数、典型的には３０ＫＨｚで、変圧器を最初に駆動するように配列される。

この従来技術による直流荷電粒子加速器の標準的技法に従って、ＣＷ逓倍器１７の出力部は、接地に対して最大電位で加速器の端部電極に接続され、ここでは左側の端部電極１１である。点２０から電極１１への接続は、逓倍器１７への過電流保護を提供するために、数キロオームの抵抗を介し作られる。

中間電極１２および１３で適切な電圧を提供するために、高抵抗Ｒは、２１で一般に記載される電圧分圧器を提供するように、連続した電極間で、直列に接続される。直列に接続される抵抗Ｒにより形成される電圧分圧器を通る電流流出を最小限にするため、これらの抵抗は、典型的に数１０メガオームの高抵抗値を有する。これは中間電極１２および１３への、また中間電極１２および１３からの無視できるほどの電流の流れがあるため、理論的には十分納得のいくものである。

図２は本発明を具体化する直流荷電粒子加速器を示す。図２に示す構造の要素は、図１の従来技術による配列の要素に相当し、同じ参照番号が付与されている。したがって、加速器は中間電極１２および１３とともに、端部電極１０および１１を備え、電極の隣接対の間に、それらの間の３つの加速ギャップを画定する。電極は、図２では絶縁スペーサにより分離され、参照番号２５により識別される。荷電粒子のビームは、軸１４に沿い加速し、ターゲット１５に衝突する。

図２の実施形態では、ギャップ電圧が電極１０、１１、１２および１３の連続的な隣接対にわたって、３つの電圧発生器２６、２７および２８により印加される。これらの直流電圧発生器２６、２７および２８は互いに電気的に絶縁しており、それぞれが出力線２９と３０、３１と３２、３３と３４の対を有する。出力線は、加速器電極の各隣接対に接続し、３つの加速ギャップを画定するため、発生器２６からの出力線２９および３０は接地電極１０および第１の中間電極１２に接続され、発生器２７からの出力線３１および３２は、中間電極１２および１３に接続され、発生器２８からの出力線３３および３４は、中間電極１３および高電圧端部電極１１に接続される。

直流電圧発生器２６、２７および２８は、各入力線３５と３６、３７と３８および３９と４０も有する。入力電力は、直流絶縁電力送達装置４４から、これら入力線に沿い電圧発生器に送達される。直流絶縁電源装置４４は、これら電圧発生器間の直流絶縁を維持しながら、必要な入力電力を、直流電圧発生器２６、２７および２８に送達するよう配列される。

直流絶縁電力送達装置４４は、様々な方法で具体化することができる。一例としては、外部の、接地を基準とした交流電源は、第１の絶縁変圧器に接続され、線３５および３６上の入力電力を直流電圧発生器２６へ送達する、絶縁交流電源を提供する。この第１の絶縁変圧器の２次の巻線からの絶縁交流電力は、第２の絶縁変圧器の１次の巻線に接続され、第２の絶縁変圧器の２次の巻線からの交流電力は、次に入力線３７および３８上の入力電力を発生器２７に提供するために使用される。同様に、第２の絶縁変圧器の２次の巻線からの交流電力は、第３の絶縁変圧器の１次の巻線に供給される。第３の絶縁変圧器の２次の巻線からの交流電力は、次に発生器２８の入力線３９、４０上に入力電力を供給するために使用される。

この方法では、これら電圧発生器の直流絶縁を低下させることなく、電圧発生器２６、２７および２８のそれぞれに、必要な入力電力が供給される。次に、直流電圧発生器の出力線は、図示の通り、加速器電極に接続し、発生器の出力線は直列に効果的に接続される。この方法では、必要なギャップ電圧が、加速器の連続的な加速ギャップにわたり、印加される。

直流電圧発生器２６、２７および２８は、直流電力送達装置４４とともに動作するため、直流電圧発生器の出力線上の電圧は、すべて調整電流であり、加速器の連続的ギャップ間の各規定のギャップ電圧を提供する。したがって、直流絶縁電力送達装置４４と組み合わせ、発生器２６、２７および２８は、３つの加速ギャップを画定する、加速器電極の各隣接対に接続する、出力線の３対を有する、調整直流型高電圧供給装置を提供すると見受けられる。調整電力供給装置は、発生器からの出力線の３対上の相互から電気的に絶縁した、３つの調整高電圧直流出力電圧を提供し、３つの加速ギャップにわたり、必要なギャップ電圧を供給するように動作する。

図１および２の加速器が３つの加速ギャップだけとともに示され、また端部電極および２つの中間電極により画定されるが、図２を参照した本発明による実施形態の粒子加速器は、より高エネルギーの加速荷電粒子ビームを提供する必要がある場合、３つを超える加速ギャップにより形成されてもよい。

加速器の連続的加速ギャップの直流荷電粒子加速器の設計においては、均一のギャップサイズを有すること、また印加されるギャップ電圧が、それぞれのギャップにわたり同じとなるのは通常のことである。しかしながら、これは厳密には必須ではなく、異なるギャップサイズが場合によっては使用されることもあり、また／あるいは異なる調整ギャップ電圧を、様々な加速ギャップにわたって印加することが可能である。

図２に示す３つの加速ギャップのそれぞれにわたって発生器２６、２７および２８から調整出力電圧を供給することにより、荷電粒子加速器の性能を実質的に向上することができる。

図１の従来技術の配列を再度参照すると、ギャップ電圧を中間電極１２および１３に提供する分圧器２１は、中間電極のいかなる電流負荷を欠くときでも、十分に納得いくものである。しかしながら、実際には、軸１４に沿いイオンビームを加速するように加速器が使用される場合、ビーム内のいくつかのイオン（荷電粒子）は、中間電極のうちの１つに衝突することがある。中間電極１２上のビーム衝突５０は、図１に記載される。

従来技術による例示では、加速器は陽イオンのビームを加速するように使用されるため、電極１２へのビーム衝突により、正電流が電極１２から電圧分圧器２１へ流れることが可能となる。電圧分圧器２１の抵抗Ｒが比較的に高い値のため、ビーム衝突５０により生じる比較的に少ない電流は、抵抗Ｒにわたり電圧に実質的な効果をもたらすことができ、したがって、加速器のギャップ電圧の実質的な障害を引き起こす。

一例では、加速器ギャップのそれぞれにわたる所望のギャップ電圧は４０ｋＶでもよく、電圧分圧器２１の抵抗値Ｒは４０メガオームでもよい。中間電極１２および１３で流れるいずれかのビーム衝突電流が欠ける場合は、電圧分圧器２１の直列に接続した抵抗Ｒを通過して流れる電流は１ｍＡである。軸１４に沿うイオンビームが例えば５０ｍＡの高出力ビームの場合、このビーム電流の２％だけのビーム衝突５０が、電極１２から電圧分圧器２１へ流れる１ｍＡの電流を生成することができる。明らかに、このビーム衝突は電圧分圧器の２１の抵抗のそれぞれにわたる電圧に、非常に実質的な効果をもたらす。実際に、電極１０および１２により画定される加速ギャップにわたる電圧は、６５％を超えて増大するであろう。電極間での間隔および絶縁の限界内で、ギャップ電圧が可能な限り高く設定される実際の加速器では、この大きさのギャップ電圧の増大は、隣接する電極間で故障またはアーク放電を引き起こす可能性があるため、加速器の安定性が低下する。

直流加速器の不安定化の傾向は、比較的に高出力ビームおよび多数の加速ギャップのある加速器には悪化するもので、周波数は、加速器を介し通過するビーム電流には、制限要因である。

図２に示す本発明の実施形態の配列は、図示される加速ギャップのそれぞれにわたるギャップ電圧が、調整電圧として提供されるため、従来技術による問題を実質的に緩和する。次に、中間電極１２、１３のうちの１つへのビーム衝突電流は、電圧発生器２６、２７および２８からの直流出力電圧に、より低減された効果で、調整電力供給装置により吸収することができる。結果として、図２の実施形態による加速装置は、実質的により安定することができ、また結果的により高いビーム出力で動作することが可能である。

図２の実施形態による出力電圧の電圧調整は、直流絶縁電力送達装置４４、または電圧発生器２６、２７および２８のそれぞれで行ってもよい。例えば、直流絶縁電力送達装置４４は、電圧が調整されている出力線３５、３６、３７、３８および３９、４０の対のそれぞれに、入力電力を提供してもよく、その場合、直流電圧発生器２６、２７および２８は調整入力電圧に正比例する必要ギャップ電圧に相当する、必要直接出力電圧を発生させるためだけに必要である。

直流絶縁電力送達装置４４における電圧調整が効果的に行われている配列の例を、図３および４に示す。図３の実施形態では、直流絶縁電力送達装置４４は接地基準の主電源から供給されるインバータ５１を備える。インバータ５１は昇圧変圧器５２の一次巻線を駆動する、高周波交流電源を生成する。インバータ５１からの高周波電源の頂点振幅電圧は、インバータにより一定値に調整されるため、昇圧変圧器５２の２次の巻線にわたる頂点間電圧もまた、一定値に維持される。所望のギャップ電圧が４０ｋＶの場合の本実施形態では、インバータ５１は調整高周波出力を提供するように配列され、変圧器５２により昇圧した後に、昇圧変圧器５２の中央でタップされた２次の巻線のそれぞれの半分で、４０ｋＶの頂点間電圧を生成する。

図３に示す調整直流高電圧電力供給装置は、図４で直流絶縁電力送達装置４４の要素、および直流電圧発生器２６、２７および２８が、より馴染みのあるＣＷ電圧逓倍器回路を表すように再描画されている以外は、図４の記載と同じである。実際に、図４に記載の回路が、図１の従来技術の配列と唯一異なるのは、ＣＷ逓倍器のそれぞれの段階から直接的に（抵抗５３および５４を経由し）、加速器の中間電極１２および１３に接続が得られるということである。図４に記載のＣＷ逓倍器は、第１の段階点５５で直流電圧を生成し、これは昇圧変圧器５２の中央タップの２次の巻線のそれぞれの半分にある頂点間電圧と同等である。昇圧変圧器５２の２次の巻線上の電圧はインバータ５１により効果的に調整されるため、ＣＷ逓倍器の第１の段階点５５における直流電圧は、効果的な調整直流電圧である。同様に、ＣＷ逓倍器の第２の段階点５６における電圧は、昇圧変圧器５２の中央タップの２次の巻線の、それぞれの半分の頂点間電圧の２倍と等しい、調整直流電圧で維持される。ＣＷ逓倍器の第３の段階点５７における直流電圧は、昇圧変圧器５２の２次の巻線のそれぞれの半分から、頂点間電圧の３倍と等しい調整直流電圧で維持される。この方法では、直流調整電圧は、段階点５５、５６および５７のそれぞれから適切な電圧で、電極１２、１３および１４への接続のために提供されるため、必要なギャップ電圧が提供される。

過電流保護を提供するため、中間ＣＷ段階点５５および５６が、電流制限抵抗器５３およびを５４を経由し、各中間電極１２および１３に接続される。しかしながら、電極上のビーム衝突がない場合に、これらの抵抗器はいかなる電源をも消散しないため、電流制限抵抗器５３および５４の値は、従来技術の配列による電圧分圧器２１の抵抗よりもかなり低くてよい。したがって、１００キロオームほどの抵抗器５３および５４の抵抗値を使用することができる。次に、抵抗器５３を通り流れるビーム衝突５０から生じる中間電極１２からの電流１ｍＡは、１００Ｖだけの電極１２上の電圧変更を生成する。電極１２に衝突し、抵抗器５３を通り流れる全ビーム電流（５０ｍＡ）でさえも、加速器の４０ｋＶの公称ギャップ電圧と比較し、５ｋＶの電圧変更を生成する。したがって、図３および４に記載の実施形態は、ビーム衝突により抵抗力があり、したがって過度の不安定性なく、高ビーム出力で動作することが可能である。

図５は、本発明のさらなる実施形態を概略的に示し、図２の実施形態による直流電圧発生器は、図５で６０、６１および６２に記載される直流高電圧電力供給ユニットとして形成される。高電圧電力供給ユニット６０、６１および６２は、各出力線６３、６４、６５、６６および６７、６８を有し、これらは加速器電極１０、１２、１３および１１の各隣接対に接続される。この実施形態では、高電圧電力供給ユニット６０、６１および６２は、出力線６９、７０、７１上の未調整交流入力から個々に派生する、各出力線上の調整高電圧直流出力を提供する。入力線６９、７０および７１は、図面では単純化のため、単一線として示される。線６９、７０および７１上の交流入力電力は、それぞれの場合未調整であり、出力線６３、６４、６５、６６および６７、６８上の出力電圧の調整は、各高電圧電力供給ユニット６０、６１および６２により行われる。

線６９、７０および７１の交流入力電力は、７２、７３および７４で概略的に示す各交流発電機により発生する。交流発電機７２、７３および７４のそれぞれは、少なくとも１つの固定子巻線を含む、各固定子７５、７６および７７を有する。交流発電機のそれぞれは、少なくとも１つの回転子磁石７８、７９、８０を支持する回転子も有するため、交流発電機の固定子内の回転子の回転は、入力線６９、７０および７１上に必要な交流入力電力を提供するために、固定子巻線に交流電流を誘導するよう、固定子内に回転磁界を生成する。

本実施形態では、固定子７５、７６および７７は、共通の軸８１上にすべて軸方向に配列される。また、交流発電機の回転子７８、７９、８０は共通の回転子シャフト８２上に装着される。回転子７８、７９、８０は、軸８２に沿い軸方向に離れて隔置される。固定子７５、７６および７７は互いに電気的に絶縁しており、共通の回転子シャフト８２は、相互に回転子が電気的に絶縁するように、繊維ガラスなどの、電気的絶縁物質により形成される。交流発電機７２、７３および７４に給電するためには、共通の回転子シャフト８２は、交流誘導モータ８３で駆動されなければならず、それ自身が接地を基準とした主電源を受け取ってもよい。

この方法では、単一のモータ８３は３つの交流発電機７２、７３および７４を駆動するために使用され、交流発電機自身は相互に電気的に絶縁しているため、線６９、７０および７１上の交流出力電圧は、各高電圧電力供給ユニット６０、６１および６２に送達することができる。高電圧電力供給ユニット６０、６１および６２の出力線は加速器の電極の連続した隣接対にわたって接続されるため、電力供給ユニットは、直列に効果的に接続される。

モータ８３により駆動する、電力供給ユニット６０、６１および６２、共通の駆動軸８２上の交流発電機７２、７３と７４の組み合わせは、調整直流高電圧電力供給装置を提供する。装置の出力線の３つの対６３と６４、６５と６６、および６７と６８は、加速器電極の各隣接対に接続され、ここでは、それぞれ１０と１２、１２と１３、および１３と１１である。この装置は、電極にわたり、ギャップ電圧を発生するように、３つの調整高電圧直流出力電圧を提供する。この配列では、直流高電圧電力供給ユニット６０、６１および６２のそれぞれは、加速器ギャップ電圧にてのみ、調整直流出力電圧を提供しなければならず、図５の例で４０ｋＶとして示されている。例えば７０ｋＶまたはそれ以上の、より高いギャップ電圧も考慮することが可能である。各高電圧電力供給ユニット６０、６１および６２もまた、必要なビーム電流を駆動する、十分な出力電流を提供しなければならず、高電力ビームの実施形態では５０ｍＡ以上である。しかしながら、高電圧電力供給ユニットのそれぞれは、ギャップ電圧にのみ相当する出力電圧を生成するため、必要な３つの高電圧電力供給ユニット６０、６１および６２を提供する原価は、必要な５０ｍＡ以上の電流、および、例えば図５に示す３つのギャップにおける１２０ｋＶの通り、加速器の最大能力に相当する出力電圧を生成する、単一の高電圧電力供給ユニットを提供する原価より、大幅に低くてもよい。

実際のところ、直流加速器は、数１００キロボルト、または１メガボルトを超える全体の加速エネルギーを提供する、複数のギャップを有することが可能である。次に、それぞれの加速ギャップのための、供給６０、６１および６２に相当する１つの比較的低い電圧の提供は、最大加速能力のための単一電力供給ユニットよりも、はるかに安い。また重大なことは、それぞれの加速ギャップのために各電力供給ユニットを使用することで得られる電力は、最大加速能力で単一電力供給ユニットを使用することと比較し、より優れている（同等の原価で）。当業者は、得られる電力が大幅に削減される前に、ＣＷ逓倍器に加えられる段階数に限界があることを、よく理解されたい。

同時に、図５の実施形態は、加速器ギャップのそれぞれにわたる、調整ギャップ電圧を提供する利点を有するため、図１に記載の通り、加速器は電圧分配器を使用する従来技術の配列よりも、非常に安定することができる。

図６、７Ａ、７Ｂ、８および９は、図５を参照し、上記に記載の実施形態による同様の理論で動作する、本発明の詳細な実施形態を記載する。図面では、図６は防ガス性格納容器９０内に密閉される、荷電粒子加速器の横断面図である。図７Ａは、図６の粒子加速器の左側の拡大図であり、図７Ｂは図６の粒子加速器の右側の拡大図である。図８は格納容器９０の主シェルを取り外した状態の、粒子加速器の等角斜視図であり、図９は図８に相当する等角断面図である。

格納容器９０内では、９１で概ね指示される加速器管は、イオン源の間に延在し、図６の右側の、容器の上流端部および図６の左側の容器の下流端部で、９２で概ね指示される。格納容器９１は、絶縁スペーサで増減する一連の加速器電極を有し、電極間の加速ギャップを画定する加速器カラムを有する。加速カラムの右端部では、延長管がイオン源９２のプラズマ室へのガス気密接続を提供する。加速器カラムの左に向け、さらなる延長管が、格納容器９０の下流の端部で、開口部９３を通り接続する。加速器管の構造は、図１０を参照し、より詳細に説明される。

加速器管は、イオン源９２のプラズマチャンバーと開口部９３との間で、ガス気密とされており、格納容器９０の下流の端部の強化された壁部９５を使用し、９４で真空シール接続を作る。使用する場合、さらなるイオンビーム導管が、格納容器の強化された壁部９５の外側に接続され、開口部９３を通り出現する加速ビームが、必要に応じて基材の注入用の加工室に、真空で運搬することが可能となる。格納容器９０と注入器の加工室との間のビーム線のさらなる詳細は、説明されないが、当業者にはよく理解できる。

真空気密加速器管９１の外側の、格納容器９０の内部は、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）などの誘電ガスを含むことがある。ＳＦ_６は公知の絶縁ガスで、空気より高い電気的破壊の閾値を有するため、ＳＦ_６の雰囲気内の高電圧構成部品は、破壊することなく、ともに近くに位置することが可能である。

加速器管９１は、交流発電機および電力供給ユニットにより囲まれており、電極カラムの加速器電極の間で画定され、加速器ギャップのそれぞれにわたり、独立調整電圧を提供する。交流発電機は３つの共通の軸、および管の組み立て部に沿い配列する。そのような組み立て部の１つが、図６、７、および９の９６に記載される。３つの組み立て部は、加速器管９１の周囲に対称的に分配され、管に平行に配列し、結果的に加速器管の中心軸に沿うイオン加速経路と平行に配列される。３つの交流発電機管および軸の組み立て部は、図８の９６、９７、および９８で見ることができる。交流発電機管および軸の組みて部９６、９７および９８のそれぞれは、格納容器９０に位置するモータ９９、１００、１０１により駆動する、共通の軸上に装着される、５つの交流発電機の回転子とともに、５つの電気的に絶縁した交流発電機を備える。モータ９９、１００、および１０１は、支持構造１０２の上に取り付けられ、格納容器９０の下流の端壁内の強化された壁部９５に固定される。交流発電機管および軸の組み立て部の構造のさらなる詳細は、後に説明する。

電力供給ユニットのケーシング１０３もまた、交流発電機管と軸の組み立て部９６、９７および９８との間の、円周方向の空間に、加速カラムを囲うように位置する。ケーシング１０３は各交流発電機から交流電力を受け取り、必要ギャップ電圧を提供するように、加速器カラムの電極の隣接対に接続するための、必要高電圧直流を提供する各電力供給ユニットを含む。

ケーシング１０３内に含まれる電力供給ユニットのそれぞれは、他の電力供給ユニットから、全体的に電気的に絶縁しているため、電力供給ユニットの直流出力電圧は、加速器カラムの長さにかけて必要な総加速電圧を達成するために、直列に効果的に接続される。また、電力供給ユニットおよび接続の配列のさらなる詳細は、別途記載される。

図１０および１１に、加速器管およびイオン源の組み立て部が、より詳細に記載され、イオン源９２とともに、加速器管自体を示す。加速器管は、絶縁スペーサ１１２で増減する連続した電極板１１１で形成される電極カラム１１０を備える。電極板１１１およびスペーサ１１２の積層は、板と絶縁体との間に、真空気密シールを提供するように、絶縁体ロッド１１３にともに締着されており、イオンビームの運搬に必要な通り、電極カラムの内部の排気を可能にする。

それぞれの電極板１１１は加速ビームの経路のための中央開口部を有する。それぞれの板の片方、図に記載の通り右側に、板は中央開口部１１４の直径で、軸方向の筒状延在部１１５とともに形成される。当業者によりこの分野においては公知の通り、電極開口部を画定された長さの円筒状要素として形成し、加速器管に沿うビーム経路の中央部で、所望の電場勾配が、加速器電極により確実に生成されることが望ましい。電極カラム１１０の電極板は、それぞれ下流のおよび上流の端部で、電極１１６および１１７を供給する。これら端部電極１１６と１１７の間で、電極板１１１は１３個の中間電極１１８を供給し、電極カラムの長さに沿って隣接電極間の１４個の加速ギャップを画定する。中間電極１１８の電極板１１１のそれぞれは、板の中央開口部から電極板上に外側に位置し、隣接板間のおおよそ半分の場所に延在する、円筒形状フランジ要素１１９を有する。電極の開口部の円筒形状要素１１５との組み合わせで、円筒形状フランジ１１９は、例えばビーム粒子の高エネルギー衝突により、電極カラム内で発生されることがある２次の粒子および光子が、絶縁スペーサ１１２の内部表面に到達することを防止するように、スクリーンを供給する。これにより、電極カラムに沿い、電極間で必要な電圧勾配を維持する能力が向上する。

加速器管の下流の端部では、電極カラム１１０は延在管１２０として形成され、延在管は、圧力容器内で開口部９３（図６および７）まで延在し、圧力容器壁とともに真空シールを形成する。加速器管１１０の上流の端部では、さらなる延長管１２１がイオン源の組み立て部９２のフランジ１２２ともに端部電極板１１７を接続する。

イオン源の組み立て部９２が、図１２により詳細に記載される。イオン源の組み立て部の主構成部品が、平行フランジ１２２および１２３で支持される。フランジ１２２および１２３は、絶縁ブッシング１２４により分離される。イオン源は右側フランジ１２３（図１２に記載）で支持される、プラズマチャンバー１２５を備える。例えばＨ^＋イオンなどの、所望のイオンを含むプラズマチャンバー１２５で、様々なイオン源がプラズマを生成することで知られる。一般にイオン源は、所望のイオン種の分子を含むソースガスが、プラズマチャンバー１２５に提供され、エネルギーが次にソースガスに提供され、イオン化し、プラズマを形成する。現行の例においては、エネルギーはマイクロ波の形状で供給される。マグネトロンの形状のマイクロ波の発生器１２６は、例えば、マイクロ波を生成し、マイクロ波透過窓を通り、プラズマチャンバー１２５の内部に送達される導波システムに沿い、提供される。図１２に記載の通り、マイクロ波源１２６および導波組み立て部１２７は、支持ブラケット１２８上に装着され、次にフランジ１２３上に装着される。

プラズマチャンバー１２５は前部板１２９を有し、プラズマチャンバーを通り、中央線１３１上に開口部１３０を画定する。イオン源組み立て部９２自体は、図６および７でよく記載がある通り、格納容器９０内の加速器組み立て部の右側端部に装着されるため、イオン源の中央線１３１は、加速器管を通る中央線１３２と整列する。イオンは、プラズマチャンバー１２５から、開口部１３０を通り、プラズマチャンバーの前部板１２９のすぐ前側に位置する、プラズマチャンバー１２５の本体と、抽出電極組み立て部１３３との間で印加される適切なバイアス電圧により、抽出される。抽出電極組み立て部１３３は、イオン源組み立て部の左側フランジ１２２上で支持され、それ自体が加速器管の延長管１２１の上流端部に、直接接続される。したがって、イオン源組み立て部のフランジ１２２は、電極カラムの端部電極１１７と同様の電位である。

Ｈ^＋イオンなどの陽イオンの、プラズマチャンバー１２５からの抽出のためには、右側フランジ１２３上に装着されるプラズマチャンバー本体は、左側フランジ１２２上に装着される抽出電極組み立て部１３３に対し、正にバイアスされる。フランジ１２２および１２３にわたり印加される抽出電位は、実際には、電極カラム１１０により画定される加速ギャップのそれぞれにわたり印加されるギャップ電位と同等である。

当業者に知られる典型定な配置では、抽出電極組み立て１３３は、近くにともに位置する２つの電極を備える。プラズマチャンバーの前部板１２９から一番遠くの本対の電極は、抽出電極と呼ぶことができ、プラズマチャンバー１２５に対して抽出電位でバイアスすることが可能であるため、抽出イオンは、抽出電極を通過し、図１２の左側に移動し、本抽出電位に相当する抽出エネルギーを有する。抽出組み立て部の他の電極は、抽出電極の中間、およびプラズマの前部板１２９に位置し、抑制電極と呼ばれ、抽出電極に対し、典型的には負にバイアスされる。抑制電極の目的は、電極が抽出場により、図１２の右側のプラズマチャンバーに再度加速することを防止することである。プラズマチャンバー１２５の前部板１２９と組み合わせた２つの電極の組み立て部は、典型的には三極管抽出システムと呼ばれる。抽出組み立て部の追加電極を有する、いわゆる四極管システムを含む、抽出電極組み立て部の代替の形態を使用することもできる。

図１３は、図１０および１１の加速器管およびイオン源の別の図であり、必要なギャップ電圧を加速器の様々な電極に印加する電力供給の配置、およびイオン源への抽出バイアス電圧も記載するようさらに注釈する。図１４は、他のイオン源電気消費機器に電力を供給する、概略図である。

図６、７および８を参照して前で説明された通り、加速器管の周辺の３つの対称的位置に、５つのバンクで配置された、総計１５の電力供給ユニットのハウジング１０３がある。また、それぞれの交流発電機管およびシャフトの組み立て部が、５つの相互に絶縁した交流発電機を支持するため、格納容器９０内には、総計１５のそのような交流発電機がある。図１３にとりわけ記載される例では、７０ｋＶのギャップ電圧が、電極カラムに沿い、電極の隣接対間で、各加速ギャップにわたり、印加される。電極カラムの左側端部は、加速器管の延長管１２０とともに、接地電位であり、格納容器の端部壁に直接接続される。電極カラムの１４個の加速ギャップの結果により、電極カラムの右側端部の電極（図１０の１１７）は９８０ｋＶである。ソース組み立て部９２のフランジ１２２と１２３との間に印加される抽出電位もまた、例では７０ｋＶであるため、イオン源のプラズマチャンバー１２５は、それ自体が１０５０ｋＶの電位で維持される。したがって、全体のイオン源および電極の組み立て部が、１ＭｅＶを少し超える通常のエネルギーを有するイオンビームを発生させる。

前に記載の通り、それぞれの加速ギャップは分離した電気的絶縁電力供給ユニットに接続されているため、（図１３の四角い番号１〜１４で表示される）１４個の電力供給ユニットが、電極カラム１１０の１４個のギャップにわたり、ギャップ電圧を供給するように用いられている。しかしながら、接地電位で左側端部電極１１６と、すぐ隣の＋７０ｋＶの中間電極との間で接続される、電力供給ユニットは、真空フィードスルー（図示せず）を経由し、格納容器の壁を通る外部主電源から、入力電力を供給される。この第１の電力供給装置が接地電極１１６を介し、それ自体が接地を参照とする、出力電圧を供給するため、この電力供給ユニットは、本来は外部主電力から提供することが可能である。電極カラム１１０の残りの加速ギャップにわたり接続される２〜１４の番号の定められている電力供給ユニットは、交流発電機管およびシャフト組み立て部９６、９７および９８（図８）の、利用可能な交流発電機ユニットの１３個のうちの各１つによりそれぞれ供給される。１５個の利用可能な高電圧電力供給ユニットは、イオン源のフランジ１２３と１２４との間の必要抽出電圧を印加するように、適切なバイアスを抽出電極組み立て部１３３（図１２）の抽出電極に印加するように使用される。この特別な電力供給ユニット番号１５も、また、電極抑制バイアスを抽出電極組み立て部１３３の電子抑制電極に印加するよう使用される、追加の小さな高電圧供給を含む。図１３に記載の通り、電力供給ユニット１５番は、交流発電機１４番からの交流入力電力を供給される。

図１４は、交流発電機１５番から電力を受け取る、イオン源の他の要素への電力供給分配を、概略式で示す。したがって、交流発電機１５番からの電力は、イオン源のプラズマチャンバーの起動、イオン源内のプラズマ制御に使用される磁化用コイルに電力を供給、およびイオン源にイオン化ガスのソースを供給するためのＨ_２発生器の制御をするように、マグネトロン発生マイクロ波エネルギーに電力を供給するために使用される。

図１３から１４までに開示される配置では、外部接地電位を基準としないすべての電力供給は、加速器の格納容器内の、別の相互に絶縁した交流発電機から派生する。

図１５は交流発電機シャフト組み立て部の横断面図であり、上記に記載の通り、交流発電機管およびシャフト組み立て部９６、９７および９８の部分を形成する。記載のシャフト組み立て部は、共通のシャフト１５１に装着される５つの交流発電機の固定子および回転子の両方を示す。実際は、交流発電機は、回転子磁石により付与される、強い磁力により、回転子および固定子が効果的に「係合される」シャフト１５１上に装着される。シャフト１５１は繊維ガラス原料でつくられており、電気的に絶縁であるため、シャフトに沿い軸方向に離間する交流発電機１５０の間に、完全な電気的絶縁がある、図１５の拡大部分に記載されている通り、それぞれの交流発電機１５０は、１５３で概略的に記載の通り、１つ以上の固定子巻線を含む固定子ユニット１５２を含む。回転子ユニット１５４が回転子１５２内に回転用に装着されており、かつ永久回転磁石１５５を支持する。固定子内の回転子の回転により、当業者によりよく理解されているように、固定子巻線１５３内に交流電流を生成する。

シャフト１５１の長さに沿う、交流発電機１５０の回転子１５４のそれぞれは、例えばグラブねじにより、シャフトの外部表面に固定される。シャフト１５１は中空シリンダでもよく、この場合、補強シリンダ部１５６は、シャフト１５１の穴の内側に位置しており、シャフト１５１の円筒状の壁の破壊を妨げるように、回転子１５４の軸方向位置と位置合わせする。

加速器を組み立てるとき、図１５に記載される通り、回転子の組み立て部は回転子シャフト１５１上に位置する交流発電機１５０の回転子および固定子の両要素を備え、図１６の１６０で示す通り筒状要素に挿入される。筒状要素１６０のそれぞれは、駆動モータ９９、１００および１０１のうちの各１つのケーシングまでの、１端部で締結される。回転子シャフト１５１の相当する端部は、１６１で表示される通り、各モータ９９の回転子に接続される。ベアリングキャップ１６２が管要素１６０の他の端部に締結されるため、回転子シャフト１５１の反対の相当する端部を支持するように、回転子ベアリング１６３を供給する。交流発電機の組み立てを完了するには、固定子の角度的整列が所望の通りになるまで、回転子および固定子の両方とともに回転子シャフトの組み立て部１５１が全体的に、管要素１６０の内部で回転する。次に固定子が管要素１６０内で締結され、回転子シャフト１５１上の回転子に対して中央に位置決めされ、回転子シャフト上の回転子が、必要に応じて固定子内で回転し、交流電力を発生させる。

回転子シャフト１５１と同様に、交流発電機の固定子を支持する管要素１６０は、典型的には繊維ガラスなどの、電気的に絶縁な材料を使用するため、交流発電機の固定子も、完全に相互に電気的に絶縁する。

図１７および１８は、固定子管１６０とともに電力供給ユニットケーシング１０３の組み立て部を示す。図１７は、１つの端部から見た、実質的に加速器の中心軸１３２に沿った、組み立て部を示す。図１８は、図１７の線Ａ−Ａに沿った組み立て部の、軸方向断面である。それぞれの個別のＰＳＵケーシング１０３は、中央ハウジング領域１７０を備え、これは電力供給電子機器、および側方リング要素１７１と１７２を含み、近接の固定子管１６０を包囲および固定する。上述の通り、総計１５の電力供給ケーシング１０３が、中心軸１３２のまわりに対称的に分配された５つずつ３つの群に配置され、図１７に示す通り、３つの交流発電機組み立て部の３つの固定子管１６０を、効果的に相互接続する。それぞれのバンクにあるケーシング１０３は、軸方向（中心軸１３２に対して）に沿い、均一に離間される。しかしながら、３つのバンクのケーシングは、軸方向に相互に対し、均等にずれている。これは図１８で一番よく見られ、ケーシング１０３（断面）の１つのバンクを示し、交流発電機の組み立て部９８の固定子管に、バンクのケーシング１０３を接続する、関連リング要素１７２を示す。また図１８では、第２のバンクの電力供給ケーシング（１７４）は、交流変電機の組み立て部９８の固定子管を包囲するリング要素１７１と、交流変電機の組み立て部９６の固定子管１６０を包囲するリング要素１７２を、それぞれ有する。図１８では、電力供給ユニットのケーシングの第３のバンクのリング要素１７１の一部分のみが記載され、交流発電機の組み立て部９６の固定子管１６０を包囲する。したがって、交流発電機の組み立て部のそれぞれの固定子管が、電力供給ハウジングの２つの近接するバンクのリング要素を支持する。第３のダミーリング要素１７５の群が、固定子管１６０のそれぞれに供給されており、良好な静電均一性を提供するために、リング要素が固定子管上に、軸方向に均等な間隔で提供される。

交流発電機の組み立て部９６、９７および９８上の交流発電機の固定子および回転子要素は、電力供給ユニットのケーシング１０３の各１つと関連するリング要素１７２と整列して軸方向に位置する。このように、図１９および２０でより簡潔に記載の通り、電力供給ユニットのケーシングのリング要素１７２は、効果的に交流発電機１７６を囲う。図１９は、関連する電極カラムの電極の付いた単一電力供給ケーシングの等角表示である。図１９では、固定子管１６０は明確化のために省略されている。開口部１８０がリング要素１７２の内部から、ＰＳＵケーシング１０３のハウジング領域１７０の内部に延在する。相当する開口部が固定子管（図示せず）の円筒状の壁を通り供給され、交流発電機１７６がリング要素１７２内で、軸周りに方向付けされるため、電力接続場所１８１（図１５で一番よく示す）で開口部１８０とともに整列する。アンビリカルコネクタ１８２（図２０）が、交流発電機の出力を、ケーシング１０３のハウジング領域１７０内に収容される電力供給ユニットへの入力電力として、交流発電機の出力を供給するために、開口部１８０を通り、交流発電機のコネクタの場所１８１に接続するように接続されてもよい。

図１９および２０は、加速器の電極カラム１１０の電極の隣接対１８３および１８４をまた示す。電極カラム１１０と、ケーシング１０３および交流発電機の組み立て部９６、９７および９８の周辺組み立て部との間に、構造的接続はない。電極カラムは、構造的にそれぞれの端部で支持されており、接地電極１１６は一方の端部で、延長管１２０を経由し収納容器の下流の端部に接続され、高電圧端部電極１１７はイオン源（図１０）の抽出組み立て部のフランジ１２２上の延長管１２１を経由し支持される。同様に、各交流発電機の組み立て部９６、９７および９８の一方の端部は、個別の交流発電機のモータを経由し、格納容器（図９）の下流の端部で補強板９５に締結される構造１０２により、支持される。固定子組み立て部９６、９７および９８のそれぞれの他の端部は、イオン源の抽出組み立て部のフランジ１２２に接続される。交流発電機の組み立て部は実質的に非圧縮性なため、本構造は非常に頑丈であり、格納容器の下流の端部から、カンチレバー仕様で、全体のユニットを吊るすことが可能である。重力の影響で、構造上の「垂下」を支持するため、絶縁材料製の傾斜したタイロッドを組み込むこともできる。

図１９に記載の通り、１８５および１８６に示す、２つの高電圧接続が、隣接対の電極１８３および１８４への電力供給ハウジング１０３から作られる。接続１８５は、局所的な電極１８３への接地接続を提供し、接続１８６は隣接電極１８４への局所的高電圧接続を提供する。ケーシング１０３のハウジング１７０内の電力供給ユニットは、図１３の記載によると、例えば７０ｋＶのギャップ電圧で、加速器の必要なギャップ電圧に相当する接続１８５、１８６の間に、適切な電圧を発生させる。

図１３を考慮すると、図１９に記載のケーシング１３０のハウジング１７０に含まれる電力供給は、例えば、電力供給ユニット４番を表すことができる。次に高い電力供給ユニット５番は、ケーシング１０３に相当するケーシング内で電力供給により形成され、これは固定子管９６、９７および９８に沿って軸方向に次に近いものである。例えば、図１３の第４の電力供給は、図１８に記載のケーシング１９０内の電力供給で、固定子管９８上の左から第４番目のリングである、リング要素を有する。次に高い電力供給ユニット（第５）は、図１８に記載の通り、ケーシング１９１に収容されており、固定子管９８に沿う第５のリング要素を有する。この次に高い電力供給ユニットからの局所的接地接続は、電極８４（図１９）に接続されるため、この次に高い電力供給ユニットは、前のものと直列に効果的に接続される。

図２１は、加速器の様々な高電圧電力供給ユニットの、相互接続体系の概略図である。この概略的表示においては、隣接電極２００、２０１、２０２および２０３は絶縁スペーサ２０４、２０５および２０６により分離されている。直列に接続された連続電力供給ユニットが、２０７、２０８、２０９および２１０で記載される。前述より、実際には、連続電力供給は、図２１に概略的に説明されるように、相互に隣接して位置されないことを理解されよう。電力供給２０７が、前述の電力供給のバンクの１つにある場合、電気的に続く電力供給、図２１の２０８は第２のバンクに位置し、加速器カラムの軸周辺に角度的に離間し、次の電力供給、図２１の２０９は、第３のバンクに位置する。図２１の電力供給ユニット２１０は、電力供給の同じバンク内にある、電力供給２０７に実際に物理的に隣に位置する電力供給ユニットを表す。しかしながら、様々な電力供給の相互接続は、図２１に記載の通りである。

したがって、電力供給２０７、２０８、２０９および２１０のそれぞれが、個別の電極の隣接対の間で接続されているため、連続電力供給が効果的に直列接続し、加速器カラムの長さに沿い、連続的にギャップ電圧を供給する。電力供給ユニットのそれぞれが、２重のケーシングを有する。例えば、電力供給ユニット２０７は外部ケーシング２１１を有し、これはケーシング１０３に相当する（図１９および２０に前部板を取り除いた状態で示す）。外部ケーシング２１１内では、それぞれの出力供給ユニットが内部ケーシング２１２内にあり、これは図１９および２０に記載の内部ケーシング１９０により構成される。内部ケーシング２１２（１９０）は、２１３の図２１で記載の通り、単一の相互接続点を除き、外部ケーシング２１１（１０３）から完全に絶縁している。内部および外部ケーシング間の本相互接続点２１３は、内部ケーシング２１２内の電力供給ユニットの局所的接地にも接続しており、接続１８５を経由して、電極２００（図１９の１８３）にさらに接続される。内部ケーシング２１２内の電力供給ユニットからの高電圧出力は、図２１（図１９の１８４）の次の隣接電極２０１への接続のため、ケーシング２１２および２１１の両方を通り、供給される。前述の通り、次の電力供給ユニット２０８への接地接続も、電極２０１に接続されており、次の電力供給ユニット２０８の高電圧出力は、さらに記載の通り、続く電極２０２に接続される。

この２重のケーシング配置および各電力供給ユニット用の単一のアース点で、内部ケーシング２１２内の電力供給ユニットの電子機器は、例えば、電力供給ユニットの隣接ケーシング２１１間、および電力供給ユニットのケーシングと外部格納容器の壁部との間の静電容量などの、浮遊容量の電位放電に起因する、高電流効果から保護される。

図２２は直流荷電粒子加速器の、電極カラムのさらなる実施形態を記載する。既知の粒子加速器カラムは、絶縁要素により離間される、２つ以上の加速器電極を備える。電力供給装置は、所望のギャップ電圧を、電極の隣接対にわたり印加し、必要な加速電圧を、カラムに沿い供給する。直流加速器カラムの既知の問題は、例えば、加速電極との衝突、および加速器を通り加速されたビーム経路に沿った残留ガス分子により、加速したイオンが２次の電子を発生する可能性があることである。そのような２次の電子は、加速器電圧により、逆方向に上流に戻るように加速され、不要でさらには危険な放射を発生させ、また高電圧電力供給に追加の電流流出を生じることがある。

直流粒子加速器内では、何らかの形状の電子抑制を供給することが通常である。加速器カラムの長さに沿った電子抑制は、電子を偏向させるように適切な磁場を提供することで供給されるため、表面に衝突し、高エネルギーに加速されるまで、中和される。

粒子加速器内での電子抑制の問題は、特に正電荷粒子または陽イオンの加速にとりわけ関連する。現行の実施形態は、直流陽イオン加速器の電極カラムの電極の少なくとも１つの前部に、追加の抑制リングを提供する。電極の抑制リングは、加速器電極に対し、いくらか負の電圧にバイアスされる。加速器カラムの各個別の電極には、記載の通り、抑制リングを取り付けてもよい。

次に図２２に記載の構造を、より具体的に参照すると、加速器電極３００、３０１および３０２を有し、絶縁スペーサ３０３、３０４、３０５および３０６で分離された直流荷電粒子加速器の加速器カラムの断面が記載される。記載例では、電極カラムの電極の各隣接対にわたって印加されるギャップ電圧は５０ｋｅＶであるが、いかなる適切なギャップ電圧でも印加することが可能である。電極３００と３０１との間に位置する加速器電極は、図の大きさを縮小するために省略されていることもまた理解されたい。図２２は、したがって、５０ｋｅＶのギャップ電圧を２００ｋｅＶの電極３０２の電圧にまで印加する電極を示す。記載のカラムは、電極および絶縁体をさらに有し、必要に応じて、加速器の総電圧をさらに増加させる。例えば、加速器は、上記の図１３に記載の加速器カラム１１０のように、１４の加速ギャップを有することができる。

例においては、陽イオンを加速するため、イオン源は記載の電極積層の左に位置し、よって陽イオンは高電圧から接地に向け、図の左から右に向け加速する。

個別の抑制リング３０７、３０８、３０９が、加速器電極３００、３０１および３０２のそれぞれの直前に装着される。本例においては、抑制リング３０７は、絶縁体３１０により、電極３００から直接装着される。同様に、抑制リング３０８および３０９は、各絶縁体３１１および３１２の電極３０１および３０２から直接装着される。

加速器電極３００、３０１、３０２のそれぞれは、加速ビームの経路用に中央開口部３１３のついた環状板を備える。それぞれの電極３００の下流側では、円筒形状の延長フランジ３１４があり、絶縁体３０３、３０４、３０５および３０６の内部表面のスクリーニングを提供する。各抑制リング３０７は、加速器電極３００の開口部３１３の直径よりいくらか大きい、内部直径を有する、円筒状要素３１５を備える。抑制リング３０７の円筒状要素３１５は、絶縁体３１０に装着しているため、近接の上流電極の円筒状フランジ３１４に、いくらか延在する。さらなる円筒状フランジ要素３１６が各加速器電極３００上に、上流に延在するよう形成される。円筒状フランジ要素３１６の直径は、抑制リング３０７の円筒状要素３１５の外部直径よりも大きく、フランジ３１６は、絶縁体３１０の内部表面のスクリーニングを提供するように、円筒状要素３１５と重なる。抑制リング３０７の円筒状要素３１５もまた、次の上流の加速器電極の円筒状フランジ３１４と重なり、主離間用絶縁体３０３、３０４、３０５および３０６の内部表面のスクリーニングを向上させる。

本実施形態にしたがい、抑制リング３０７、３０８、３０９のそれぞれは、加速器電極３００、３０１および３０２に対し、負にバイアスされる。次に、各抑制リングのすぐ下流の領域で発生した電子は、上流に再度加速して戻らないよう防止される。この方法では、加速器電極３００、３０１、３０２に衝突するビームイオンにより発生した２次の電子は、例えば、各抑制電極３０７、３０８および３０９の下流でトラップされ、上流には再度加速されて戻らない。

図２３はバイアス電圧を、抑制リング３０７、３０８および３０９に印加する配置を記載する。図２３では、電極の隣接対にわたるギャップ電圧が、一般に３５０で指示される電圧分圧器により供給される。加速器電極の隣接対の間の電圧分圧器の各要素は、直列に接続した抵抗Ｒ１およびＲ２を備える。各抑制電極に印可される負のバイアス電圧が、加速器電極の隣接対の間に印加されるギャップ電圧の１０分の１の場合、Ｒ２＝９^＊Ｒ１である。図２３に記載の通り、電圧分圧器３５０は、連続した加速器電極間の、２００ｋＶの供給からの印加電圧を均等に割るため、それぞれにわたる電圧ギャップは５０ｋＶである。各段階の抵抗Ｒ１とＲ２との間の直列接続点３５１は、加速器電極の上流に位置する抑制リング３５２に、再接続される。

図２３に記載の配置の代わりに、図２２の実施形態の抑制リングは、図５に関連して上記に記載の、個別の電気的に絶縁な高電圧電力供給ユニット６０、６１および６２を使用し、バイアスされる。次に、各高電圧電力供給ユニット６０、６１および６２は、抑制リングに印加される負のバイアスの量により、必要なギャップ電圧未満の、さらなる出力電圧を発生する、追加の回路を含む。この種の配置は図２２に記載される。高電圧電力供給ユニット３６０が、電極３００にギャップ電圧（５０ｋＶ）を設定するよう、出力電圧の３６１への供給とともに記載される。高電圧電力供給ユニット３６０は、電極３０３に装着される抑制リング３０７への４５ｋＶの電圧を供給するように、線３６２上にさらなる出力を提供する。抑制リング３０７への接続３６２は、絶縁スペーサ３０４を通り、真空フィードスルー３６３を経由し、供給される。

図２２に記載の通り、次の高電圧電力供給ユニット３６４は電力供給ユニット３６０と直列に接続し、線３６５および３６６上に同様の出力電圧を供給し、次に高い加速器電極を１００ｋＶに、また関連する抑制リングを９５ｋＶに設定する。図２２もまた、電極３０１と３０２との間にギャップ電圧を提供し、また、抑制リング３０９にバイアス電圧を提供する、第３の高電圧電力供給ユニット３６７を示す。

本発明における実施形態は、例示により説明された。記載の実施形態のうちの１つは、１４の加速ギャップを提供する電極カラムを有するが、適切な数の調整電力供給で、より多くの、またはより少ないギャップを有する、他の実施形態も考慮される。

加速器カラム周辺に、対称的に分配された５つの交流発電機の３つのバンクの付随した構造が開示されている。各交流発電機の組み立て部は、より少ない、またはより多い各交流発電機を備えることも可能で、かつより少ない、またはより多い交流発電機の組み立て部の付随した構造も、考慮することができる。

加速器カラムの電極間の１４のギャップのそれぞれにわたり、ギャップ電圧、加えて、イオン源の抽出電圧を発生させる、総計１５の調整電力供給ユニットが開示されている。これら調整電力供給ユニットのそれぞれは、既知の技術を使用し、加速器の格納容器の外側から、遠隔的に制御することが可能である。例えば、制御信号が、光ファイバーを通じて伝達される光信号を使用し、調整電力供給ユニットに供給される。この方法では、電力供給ユニットの電気的絶縁を低下させることなく、制御信号を各個別の調整電力供給ユニットに供給することが可能である。

図６から２１までを参照とした、上記に記載の本発明の実施形態は、高エネルギー、安定性良好な高電流ビームを生成する、荷電粒子加速器を供給することができる。各加速ギャップ用に分離した調整供給を使用すると、総電圧効果への抵抗を向上させることも予想することが可能である。総電圧効果とは、加速器内で観察された、高めの総エネルギーで発生する熱暴走の増加傾向に付与された名前である。

一般に、様々な例および実施形態が、明瞭性および完全性のため提供されている。本発明の他の実施形態が、本明細書により十分な情報を得たとき、当業者には明らかになるであろう。荷電粒子の加速に関する具体的な方法およびシステムが本明細書において説明されているが、他の方法およびシステムが、本発明の範囲内で使用されてもよい。前述の詳細な説明は、本発明が取り得る多くの形状のうちのいくつかのみを説明したものである。このため、この詳細説明は、例示のために意図されたものであり、限定するものではない。本発明の範囲は、全ての均等物を含む以下の請求項によってのみ、規定されるべきである。

Claims (10)

1. 直流荷電粒子加速器であって、
   端部電極および少なくともＮ−１個の中間電極を含む加速器電極であって、少なくともＮ個の加速ギャップを前記端部電極および前記中間電極の隣接対の間に画定し、Ｎが少なくとも３である、加速器電極と、
   前記Ｎ個の加速ギャップを画定する前記端部電極および前記中間電極のうちの一部の電極に接続されるＭ本の出力線を有する調整直流高電圧電力供給装置であって、前記Ｍは１より大きくＮ以下であり、前記Ｎ個の加速ギャップのうちの選択された部分群にわたって独立したギャップ電圧を供給するために、Ｍ個の独立した調整高電圧直流出力電圧を前記Ｍ本の出力線上に供給するように動作可能な、調整直流高電圧電力供給装置と、
   を備え、
   前記調整直流高電圧電力供給装置が、
   Ｍ個の直流電圧発生器であって、前記Ｍ個の直流電圧発生器のそれぞれが、前記Ｍ本の出力線のうちの各１つを有し、前記Ｍ個の調整高電圧直流出力電圧のうちの各１つを前記Ｍ個の直流電圧発生器に送達される入力電力から独立に生成するように配置される、Ｍ個の直流電圧発生器と、
   前記入力電力を前記Ｍ個の電圧発生器に送達するように配置されるとともに前記電圧発生器の間で直流絶縁を維持するように構成された直流絶縁電力送達装置と、を備え、
   前記Ｍ個の直流電圧発生器が、前記調整高電圧直流出力電圧を未調整入力電力から供給するＭ個の直流高電圧電力供給ユニットを備え、
   前記直流絶縁電力送達装置が、交流電力を前記未調整入力電力として各前記直流高電圧電力供給ユニットに送達するＭ個の交流発電機を備え、
   それぞれの前記交流発電機が、少なくとも１つの固定子巻線を有する固定子と、前記交流電力を供給するために、前記固定子内に回転磁界を生成する少なくとも１つの回転子磁石を支持して、前記固定子巻線内に交流電流を誘導する回転子と、を備え、
   前記交流発電機のうちの少なくとも２つの前記固定子が軸方向に整列し、
   前記直流絶縁電力送達装置が、シャフトに沿って軸方向に離間して、前記少なくとも２つの交流発電機の回転子と、共通の回転子シャフトを回転させるように接続されるモータと、を支持する少なくとも１つの共通の回転子シャフト、を備える、直流荷電粒子加速器。
2. 前記直流絶縁電力送達装置が、固定子管に沿って軸方向に離間して、軸方向に整列した前記固定子を支持する固定子管をさらに備え、前記共通の回転子シャフトが、回転用に前記固定子管内に装着される、請求項１に記載の直流荷電粒子加速器。
3. 前記交流発電機が少なくとも２つの群に配置され、それぞれの群における前記交流発電機の前記固定子が軸方向に整列し、
   前記直流絶縁電力送達装置が、交流発電機のそれぞれの群につき１つの前記共通の回転子シャフトを備える、請求項１に記載の直流荷電粒子加速器。
4. 前記直流荷電粒子加速器が、前記加速器電極を含有する細長い加速器管を有し、かつ前記直流荷電粒子加速器を通る荷電粒子用の線形加速経路を画定する直線加速器であり、
   前記少なくとも１つの共通の回転子シャフトが、前記加速器管に平行に装着され、前記線形加速経路に平行に整列する、請求項１に記載の直流荷電粒子加速器。
5. 前記交流発電機が３つの群に配置され、それぞれの群における前記交流発電機の前記固定子が軸方向に整列し、
   前記直流絶縁電力送達装置が、交流発電機のそれぞれの群につき１つの前記共通の回転子シャフトを備え、
   前記線形加速経路に平行に整列する３つの前記共通の回転子シャフトが、略前記加速器管に対称的に位置する、請求項４に記載の直流荷電粒子加速器。
6. 上流端部および下流端部を有する防ガス性格納容器をさらに備え、
   前記加速器管が真空密封で、前記上流端部と前記下流端部との間の前記防ガス性格納容器に延在するため、荷電粒子が前記下流端部に向け加速され、また前記防ガス性格納容器から加速された粒子を、前記下流端部を介し通過させる、真空シール接続を有し、
   前記調整直流高電圧電力供給装置が、前記防ガス性格納容器内に収容される、請求項４に記載の直流荷電粒子加速器。
7. 前記独立したギャップ電圧は、他のＮ個の加速器ギャップとは異なるギャップ電圧を有するＮ個の加速器ギャップのうちの少なくとも１つを有する、請求項１に記載の直流荷電粒子加速器。
8. 独立した前記Ｍ個の直流電圧発生器を独立に制御するために光信号を伝達するように構成された光ファイバーをさらに備える、請求項１に記載の直流荷電粒子加速器。
9. 前記防ガス性格納容器は、電気的絶縁ガスを収容する、請求項６に記載の直流荷電粒子加速器。
10. 前記電気的絶縁ガスは、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）ガスである、請求項９に記載の直流荷電粒子加速器。