JP6793941B2 - 加速器 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを得る加速器に関するものである。

例えば中性子ビームを得るために特許文献１に示されているような加速器により大電流のイオンビームを引き出し、ベリリウムのターゲットに対して照射することが行われている。

このような加速器１００Ａは図５に示すようにイオン源１Ａと、イオンを加速するための電界が内部に形成される筒状の加速管２Ａとを備えている。前記加速管２Ａは、リング状の導電体で形成された電極２１Ａと絶縁体２ＩＡとが軸方向に対して複数交互に並べて設けられたものであり、各電極２１Ａに対して電圧供給機構３Ｅによりそれぞれ所定の電圧が印加される。

イオンビームが加速管２Ａ内で内壁面にぶつからないように加速するためには前記加速管２Ａのイオン源１Ａと接する基端側からイオンビームが射出される先端側に至るまでの電圧勾配が一定となるように電界を形成する必要がある。このため、図５に示すように前記電圧供給機構３Ｅは、前記加速管２Ａの先端の電極２１Ａに対して高電圧を発生させるためにコッククロフト電源３Ａと、前記コッククロフト電源３Ａにより印加される電圧を分圧するための分圧回路３Ｂとを備えている。

前記分圧回路３Ｂは例えば図５及び図６に示されるように各電極間にそれぞれ接続される複数の分圧抵抗から構成されている。

特開２０１５−５３１８７号公報

しかしながら、上述したような分圧回路３Ｂにより各電極２１Ａへ電圧を印加すると、電極２１Ａ部分のインピーダンスを小さくしにくいため、ビーム電流が数ミリＡを超えるような大きな電流値を持った場合、電圧勾配の均一性が崩れてしまうことがある。そうすると、所定のイオンビーム径を維持することが難しくなってしまう。

かといってインピーダンスを小さくするために分圧回路３Ｂを用いずに図７に示されるようにコッククロフト電源３Ａから定格出力取出端子ＲＴ以外に中間電圧を出力するための中間出力端子ＩＴを設けて各電極にそれぞれ異なる電圧を印加しようとすると、今度はコッククロフト電源３Ａ自体の昇圧整流動作が不安定になってしまい、加速器１００Ａ自体の動作に悪影響を与えてしまう。

このようなことから従来は加速管の各電極２１Ａにそれぞれ異なる電圧を印加し、均一な電圧勾配を実現するために余分なハードウェアである分圧回路３Ｂを使わざるを得なかった。

本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、大電流イオンビームを加速する場合でも加速管内の電圧勾配の均一性を確保でき、イオンビーム径を維持できる加速器、及び、この加速器を用いた中性子発生装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る加速器は、荷電粒子源と、複数の電極を具備し、前記荷電粒子源から射出された荷電粒子が加速される加速管と前記複数の電極にそれぞれ直流電圧を供給する電圧供給機構と、を備え、前記電圧供給機構が、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを具備する直列共振回路が複数段直列に接続されて構成されており、複数段の直列共振回路の出力電圧が前記複数の電極にそれぞれ別々に供給されていることを特徴とする。

このようなものであれば、素子耐圧の大きなＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを適用することにより１つの直列共振回路で昇圧できる電圧を、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴを適用した従来品よりも大きくでき、少ない直列数でコッククロフト回路に比較してはるかに小さな製造コストで加速器に必要な直流高電圧を得ることができる。また、直列共振回路の段数ごとに印加できる電圧を比例させて変化させることができ、従来のように分圧抵抗を用いた分圧回路を設ける必要が無い。このため、小さなインピーダンスで前記加速管の各電極に対して適正な電圧を供給でき、前記加速管内に均一な電圧勾配を実現して高電流の荷電粒子ビームを引き出しても前記加速管内面に荷電粒子が衝突しないようにでき、所望のビーム径を確保できる。

形成したい電界や加速管の特性に合わせて適切な電圧を各電極に対して印加できるようにするには、任意の段の直列共振回路の出力電圧が前記電極のいずれかに供給可能に構成されていればよい。

簡単な回路構成で例えば各段の昇圧を実現するには、前記直列共振回路が、２つのＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴからなるハーフブリッジ回路、及び、共振回路を具備する直列駆動回路と、前記直列駆動回路に接続された送電コイルと、前記送電コイルから受電する受電コイルと、前記受電コイルに接続された整流回路と、を備えたものであればよい。

一段当たりの昇圧量を大きくし、前記直列共振回路が直列接続されている段数を低減できるようにするには、前記整流回路が、コッククロフト回路のような昇圧型の整流回路であればよい。

このように本発明に係る加速器によれば、複数段直列に接続された直列共振回路により、段数に比例した電圧を出力することができ、分圧抵抗を用いる必要がないので低インピーダンスで各電極に所望の電圧を印加できる。したがって、大電流の荷電粒子ビームが引き出される場合でも加速管内に均一な電圧勾配を実現でき、加速管内面への荷電粒子の衝突をなくし、所望のビーム径を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る加速器を示す模式図。 第１実施形態の複数段直列に接続された直列共振回路を示す回路構成図。 第１実施形態の直列共振回路の詳細について示す模式図。 本発明の第２実施形態に係る加速器の複数段直列に接続された直列共振回路を示す回路構成図。 従来の加速器を示す模式図。 従来の加速器に用いられる分圧回路の一例を示す回路図。 途中電圧を出力する端子を設けたコッククロフト回路を示す回路図。

本発明の第１実施形態に係る加速器１００について各図を参照しながら説明する。

この加速器１００は、図１に示すように荷電粒子源であるイオン源１と、イオン源１に基端が接続された加速管２と、前記加速管２の各部に対してそれぞれ異なる電圧を印加する電圧供給機構３と、を備えたものである。

前記イオン源１は、正の荷電粒子からなるイオンビームを発射するものである。このイオン源１は接地してある。

前記加速管２は、図１に示すように円筒状のものであり、電極２Ｆ、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２Ｒを構成する導体部分と絶縁体部分２Ｉが交互に軸方向に並んで設けられたものである。導体部分及び絶縁体部分２Ｉはそれぞれリング状をなすものである。導体部分には負の電圧が印加されており、前記イオン源１から引き出されたイオンビームはこの加速管２内で加速されて、先端から射出される。

前記電極２Ｆ、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２Ｒは、軸方向にそって等間隔で配置してあり、基端の電極２Ｒ、及び、先端の電極２Ｆは中央部の電極２１、２２、２３、２４、２５、２６と比較してその外形が大きく形成してある。以下の説明では基端の電極２Ｆについては基端フランジ、先端の電極２Ｒについては先端フランジとも呼称する。各電極２Ｆ、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２Ｒについては基端側から先端側へ進むにつれて低い電圧が一定の勾配で印加される。

前記電圧供給機構３は図１及び図２に示すように、商用交流電源から前記加速管２の各電極２Ｆ、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２Ｒに印加される負の直流電圧をそれぞれ生成し、印加するものである。この電圧供給機構３は複数の直列共振回路４を具備し、各直列共振回路４が複数段直列に接続されてなるものである。各直列共振回路４は商用交流電源から供給される交流電圧を直流に変換する三相全波整流回路４５に接続してある。

前記直列共振回路４は、いわゆる絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータであって図３に示すように２つのＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ４６からなるハーフブリッジ回路４Ａ、及び、コンデンサ及びコイルからなる共振回路４Ｂを具備する直列駆動回路４１と、前記直列駆動回路４１に接続された送電コイル４２と、前記送電コイル４２から受電する受電コイル４４と、前記受電コイル４４に接続された整流回路４５と、を備えたものである。図２に示されるように各受電コイル４４と各送電コイル４２との間には共通の絶縁体４３が配置してあり、その厚み寸法は３０ｍｍにしてある。前記ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ４６はＳｉ−ＭＯＳＦＥＴと比較して素子耐圧を大きくすることができ、前記送電コイル４２を８００Ｖｐ−ｐ程度の高電圧で駆動している。また、前記加速管２の基端フランジに接続される１段目の直列共振回路４の出力はアース電位（±０Ｖ）に接地してあり、１段ごとに２ｋＶ電圧低下するようにしてある。第１実施形態では１４０段の直列共振回路４が直列に接続してあるので、前記加速管２の先端フランジに接続される最終段の直列共振回路４からは−２８０ｋＶが印加される。さらに前記加速管２の中央部の各電極２１、２２、２３、２４、２５、２６については基端側から先端側に掛けて−４０ｋＶ、−８０ｋＶ、−１２０ｋＶ、−１６０ｋＶ、−２００ｋＶ、−２４０ｋＶが印加される。

このように構成された第１実施形態の加速器１００によれば、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ４６を具備する直列共振回路４を複数段直列に接続して設けることで、直列共振回路４の段数に比例させてそれぞれ異なる直流電圧を出力できる。また、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ４６の素子耐圧が大きく、送電コイル４２を８００Ｖｐ−ｐ程度の高電圧駆動が可能なので、送電コイル４２と受電コイル４４の巻き数比をそれほど大きくしなくても整流回路４５から高電圧を取りだすことができる。

したがって、受電コイル４４と送電コイル４２との間の絶縁耐力を大きくできるので、コッククロフト回路を用いなくても最終段の直列共振回路４の出力として数百ｋＶから数ＭＶの直流高電圧を発生させることができる。

さらに１段目と最終段との間にある任意の段の直列共振回路４における整流回路４５から電圧出力を行っても、規定電流以下であれば最終段の直列共振回路４から出力される電圧が不安定にあることがない。また、従来のように高電圧をまず供給して各電極２Ｆ、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２Ｒに分圧するための分圧回路を設ける必要がない。

これらのことから、大電流のイオンビームを加速管２において加速する場合でも当該加速管２内における電圧勾配の均一性を保ち、内壁面に衝突するイオンを無くし、所望のビーム径を確保することができる。

次に本発明の第２実施形態に係る加速器１００について図４を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した部材と対応する部材には同じ符号を付すこととする。

図４に示すように第２実施形態の加速器１００は、第１実施形態の加速器１００と比較して整流回路４５の構成と直列共振回路４の段数が異なっている。より具体的には整流回路４５としてコックロフト回路を用いており、１段当たりの昇圧量を大きく第１実施形態よりも大きくしてあり、１段ごとに１０ｋＶだけ電圧が低下するようにしてある。このため、最終段の直列共振回路４の出力として−２８０ｋＶが得られるように２８段分直列共振回路４を直列に接続してある。また、各直列共振回路４の出力はコッククロフト回路の定格電圧取出端子を経由して外部へ電圧を供給するように構成してある。

このような第２実施形態の加速器１００であれば、直列共振回路４の段数を減らしながら第１実施形態と同様の高電圧を得られる。

また、コッククロフト回路の定格電圧取出端子から電圧を出力するようにしているので最終段の出力電圧が不安定になることはない。

さらに第２実施形態の加速器１００は、第１実施形態と同様に分圧回路を用いる必要がないので均一な加速電界勾配を維持していわゆる大きなビームローディングを提供できる。

その他の実施形態について説明する。

荷電粒子源は正のイオンが射出されるイオン源に限られず、負のイオンが射出されるイオン源であっても構わない。

各直流共振回路の外部出力は各実施形態に示したように一部の直流共振回路からのみ行ってもよいし、全ての直流共振回路から外部へ電圧を供給するようにしてもよい。また、加速管の電極は等間隔に設けたものに限られない。加速管内に形成した電界に応じて電極の配置を決定し、各電極に応じた電圧を電圧供給機構から供給するようにすればよい。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。

１００・・・加速器
１ ・・・イオン源（荷電粒子源）
２ ・・・加速管
３ ・・・電圧供給機構
４ ・・・直列共振回路

Claims (4)

1. 荷電粒子源と、
   複数の電極を具備し、前記荷電粒子源から射出された荷電粒子が加速される加速管と、
   前記複数の電極にそれぞれ直流電圧を供給する電圧供給機構と、を備え、
   前記電圧供給機構が、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを具備する直列共振回路が複数段直列に接続されて構成されており、
   複数段の直列共振回路の出力電圧が前記複数の電極にそれぞれ別々に供給されていることを特徴とする加速器。
2. 任意の段の直列共振回路の出力電圧が前記電極のいずかに供給可能に構成されている請求項１記載の加速器。
3. 前記直列共振回路が、
   ２つのＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴからなるハーフブリッジ回路、及び、共振回路を具備する直列駆動回路と、
   前記直列駆動回路に接続された送電コイルと、
   前記送電コイルから受電する受電コイルと、
   前記受電コイルに接続された整流回路と、を備えた請求項１又は２記載の加速器。
4. 前記整流回路が、コッククロフト回路である請求項３記載の加速器。