JPH02106900A - インダクタンス可変式四重極粒子加速器及びこれに使用する高周波共振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＲＦＱ　（ラジオ　フレエクエンシークアトラ
ポール：　Ｒａｄ］ｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｑｕａｄ
ｒｕｐｏｌｅ　）イオン加速器に係り、特に高周波共振
回路が加速管の外にあり、かつその周波数を可変にする
周波数可変型四重極粒子加速器に関する。

〔従来の技術〕

加速管の外に高周波共振回路を設け、この共振回路の共
振周波数を可変とした周波数可変型四重極粒子加速器の
従来例は、特開昭６０−１１５１９９号に示されるよう
なものである。従来の周波数可変型四重極粒子加速器の
構造例を第２図に示す。図において２ａ、２ｂ、２ｃ、
２ｄは軸方向に波打った形状を持つ四重極電極である。

イオンビームは四重極電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄで囲
まれた中心部分に導入され、四重極電極で形成される高
電圧の電界による加速を受ける。イオンは軸方向に進む
につれ順次加速され、低エネルギー入射イオン（通常は
数１０ｋｅＶのエネルギー）は高エネルギーイオン（通
常はＭ　ｅ　Ｖの桁）となって出射される。四重極電極
の長さは数１０ｃｍ〜数ｍの桁である。第２図で高周波
高電圧を発生する共振回路はコ−回巻きのコイル４と容
量可変コンテンサー５で構成される１図中３は高周波電
源からの電力を共振回路に伝えるための誘導結合用コイ
ルである。共振回路のコンデンサー容量を変えることに
より、共振周波数が変化する。周波数を可変にすること
により任意のイオン種に対し最終加速エネルギーを自在
に調整することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

第２図に示した一回巻きコイルと容量可変コンデンサー
からなる電気回路の特性を説明するため、その基本回路
構成を第３図に示す。第３図において、高周波電源６の
出力電圧は数ｋＶの桁で小さいが、共振回路を介在させ
ることにより共振回路内では数］Ｏ〜数１００ｋＶの高
周波高電圧が発生できる。この高電圧は共振周波数で決
まる特定の周波数についてのみ発生可能である。従って
、あらゆる周波数について高電圧を発生させるには、回
路の共振周波数を何らかの方法によって連続的に変える
ことが必要である。第３図に示した直列共振回路の共振
周波数ｆ。は次式により与えられる。

従ってｆ。を変えるには、Ｌ、Ｃのいず九か或いは両方
を変えれば良い。第２図に示した従来例ではＣを変える
方式を採用している。これはコイルのＬを変化させるに
はコイル直径、巻数等を変える必要があり、具体的な構
造に関する設計が一般に困難なためである。

一方、第３図に示した回路構成図において、コンデンサ
ー５の両端に発生する高周波電圧Ｖ、は次式で与えられ
る。

ここでＰｗは高周波電源６の電力、ｒは共振回路が持つ
電気抵抗（例えばコイル４の抵抗）値である。

式（１）、（２）から同じ共振周波数ｆ。を与えるり、
Ｃの値の組合せ方として、Ｌ値の大きな組合せを選べば
、発生電圧Ｖｔがより高くなることがわかる。従って少
ない高周波電力Ｐｗを使い効率良く高周波電圧Ｖ、が発
生可能となり、電源５の電力負担が減り、小型にできる
利点が生まれる。

以上のことから、Ｌ値の大きい範囲で巻数等を可変にで
きる具体的な構造例が実現されれば、共振周波数を変化
に際し、常に効率良く高周波高電圧が発生可能となる。

そこで本発明の課題はＬ値可変型の具体的な構成例を新
たに提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕 半径ａ２巻数Ｎ、長さＱのコイルのインダクタンスの値
りは次式で与えられる。

Ｌ　＝　Ｋ　・　πａ２μ。

ここでＫはａとＱの比で決まる定数（長岡係数）、μ。

は真空中の透磁率である。コイルのＬ値を連続的に変え
るにはコイル半径ａ、巻数Ｎ、長さαを変えれば良い。

さて、コイルのＬ値を変化させる共振回路でなる共振器
を新たに提供するにあたり、基本となった従来の共振器
構造を第４図に示す。図でＳＦ６等で充填された金属性
共振器容器７の中に複数巻きコイル４′が固定で取りつ
けられている。図中の容器の口金部分１０で示した領域
において、コイル直線部と容器間で形成される静電容量
、及び上記複数巻きコイルの持つインダクタンスの値（
Ｌ値）により共振周波数ｆ。が決まる。高周波電源６か
らの電力は容量結合型カップラー８を通じて共振器内に
供給される。第４図の共振器構造では、一般に数Ｍ　Ｈ
ｚ〜数１０　Ｍ　Ｈｚの領域に共振周波数を持つから、
これにコイル内の巻数を変えられる改良が加えられ＼ば
、本発明の目的である周波数可変型四重極粒子加速器と
して利用することが可能となる。

ところで第４図の共振器構造のま＼では、コイル自身を
回転させながら軸方向に移動し容器外にコイルの一部分
を取出すことによって容器内のコイル巻数や長さを変え
ることはできない。これを実現するには、プタ７′の部
分に改良を加えることが必要である。プタ７′の部分に
改良を加え、これにより容器内り値を可変ならしめる本
発明の原理図を第１図に示す。（Ａ）図は断面図、（Ｂ
）図は概観図である。第１図に示す様に、コイルが容器
外に出る端面のプタは三角形状のプタ７′半円形のプタ
７”が結合した形状になっている。

もともと円形状のプタを半円形のプタ７“、７″″に分
割し、この二枚を前後に倒し、開いた部分を三角形状の
プタ７′で塞いだ構造である。更に三角形状のプタ７′
にはコイル４′が容器外に出る小孔が開いている。

〔作用〕

第１図の原理図において、（Ａ）図に示す様にプタ７“
と７＃′の傾きは複数巻コイル４′の傾きと同しにして
取り付けられている。このため複数巻コイル４′を回転
させていくとコイルはプタにあたることなく滑らかに容
器外に出ていくことが可能となる。コイル４′の回転（
中心軸まわりの回転）は手動によって行っても良く、あ
るいは特別な回転装置をコイル４′に取付けて行っても
良い。この様な考案により、複数巻コイルの巻数や長さ
を変えて周波数可変を実現する共振器を用いれば、初め
て実用的なＬ可変式四重極粒子加速器が実現可能となる
。なお実際の四重種粒子加速器への利用にあたっては、
第１図による共振器を２ヶ備え、第３図に示す四重極電
極への給電法に従って、それぞれの共振器発生電圧を四
重極電極に供給することになる。

〔実施例〕 以下、本発明の詳細な説明する。まず第１図に示す原理
図と同じ構造のものを作り、効果を確認した。コイルは
銅製で巻数は４〜５ターン、線材の直径は抵抗値を小さ
くするため、１０ｍｍ以上の太い線材を用いた。コイル
の半径は１０ｃｍ〜２０ｃｍであり、コイル長は３０〜
５０ａｍである。共振器容器の直径は６０ｃｍ〜８０ｃ
ｍで内面は１５μｍ以上の銅メツキをほどこし、共振器
の抵抗値を減少させている。この様な構造の場合、コイ
ル４′を回転させて容器内巻数を変えたところ、共振周
波数は５　Ｍ　Ｈｚ〜３０　Ｍ　Ｈｚの範囲で連続的に
変化した。これに高周波電源からの電力を容量結合型カ
ップラー８を通して供給したところ、数ｋＷ〜３５ｋＷ
の投入電力に対し、±６０ｋＶ以上の高周波高電圧を容
易に発生できた。

ちなみに、第２図に示す従来例（Ｃ可変型）では１００
ｋＷ以」二の投入電力を供給しないと、±６０ｋＶ以上
の高周波電圧の発生は困難であった。

本実施例による高周波電圧を長さ１〜２ｍの波打ち四重
極電極に給電し、イオンビームを加速させたところ、Ｂ
’、Ｐ″、Ａｓ’等のイオンは数１０ｋｅＶの入射エネ
ルギーから０．５〜４ＭｅＶ以上に加速された。また、
特定のイオン種の加速に対し、共振器内コイル巻数や長
さを変えて高周波電圧の周波数を変えたところ、加速エ
ネルギーは周波数の自乗に比例して自在に変化できた。

次に本発明に基づく別の実施例を第５図に示す。

第５図では共振器容器７にメネジ７ａを切り、プタはオ
ネジ付プタ７ｂとし、複数巻コイル４′は固定した。こ
こでは、プタ７ｂを回転させることしこより容器７内の
コイル巻数や長さを変えた。この場合７ａ、７ｂのネジ
のピッチは複数巻コイル４′のコイルピッチと同じにな
る様に選んである。

第５図に示した実施例の場合も、第１図を用いた実施例
と同様な特性が得られ、周波数が可変できた。なお第１
図、第５図の実施例では、容器内に２〜５気圧以−１ユ
のＳＦ６等のガスを封入し電気絶縁防止を図っている。

次に、本発明に基づく別の実施例を第６図に示す。第６
図の実施例では、容器の口金部分に多重の円筒を互いに
かみ合わせたコンデンサーを設けている。これは以下に
述べる別の効果の付与を狙ったものである。

第１図に示した原理図に従い、Ｌ値を変化させた場合、
電源６側から見た共振器のインピーダンスＺ８は次式に
従って変化する。

電源からの電力を反射させることなく共振器に効率良く
供給するには、Ｚ８を電源の出力インピーダンス（通常
は５０Ω或いは７５Ω一定）に合わせる必要がある。周
波数可変を実現するため共振器コイル４′のＬ値を変え
ると（３）式からＺ８も変化する。この様なインピーダ
ンス不整合を防ぐにはＬ値変化と共にＣ値も同じ様に変
化させてやれば良い。第６図に示した多重円筒コンデン
サー９は、容器内巻数が減る時、両円筒の距離が離れ、
Ｃ値が小さくなる。第６図に示した構成の共振器による
実施例では、Ｚ８が７５Ωになるようにコンデンサー９
の寸法を選んだ。コンデンサー容量はコイルのＬ値変化
に伴い３００〜１２００ｐＦ程度の範囲で変化した。こ
の様な共振器に高周波電力を投入したところ、５〜３０
ＭＨｚの可変周波数範囲に対し、電源にもどる反射電力
は１０％以下で安定に維持され、Ｌ値可変に伴いＺ３が
一定に保たれていることがわかった。このため、高周波
電源６の出力が安定となり、電源操作が著しく簡略化さ
れた。

〔発明の効果〕

本発明によるＬ可変式四重極粒子加速器を用いると、周
波数可変に伴い高周波高電圧を効率良く発生できるため
高周波電源の電力負荷が少なくて済み、従って電源寸法
等が小型になり装置全体も小型となる。更に、コンデン
サー容量を可変にできる構造を付加したため、負荷イン
ピーダンスを一定にでき電源の安定動作、従って加速器
の安定動作に著しい効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いるコイルの断面図及び概観図、第
２図は従来の容量可変による周波数可変型四重種粒子加
速器を説明する構成図、第３図は第２図の等価回路とし
ての構成を説明する回路図、第４図は従来の複数巻コイ
ルを含む共振器構造を説明する断面図、第５図は本発明
に基づく別の実施例を説明する断面図、第６図は本発明
に基づく別の実施例を説明する断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、荷電粒子の通過する軸の周囲に対面して配置される
   １対の電極を２組有し、上記電極の面を軸方向に波打た
   せ、かつ上記電極のうち向き合った電極の面の形成する
   波は等しく、隣接する電極の面の形成する波は１８０°
   位相がずれているように構成される四重極電極と、上記
   ２組の電極に高周波電圧を供給する高周波共振器とを有
   し、上記四重極電極で形成される高電圧電界で荷電粒子
   を加速する四重極粒子加速器において、上記高周波共振
   器は容器内にコイルを設けて構成され、該コイルが持つ
   インダクタンス及び上記容器とコイルの間に形成される
   静電容量とにより電気的なＬＣ直列共振回路を構成し、
   かつ上記容器内のコイル巻数を機械的に調節してインダ
   クタンス値を可変にしたことを特徴とするインダクタン
   ス可変式四重極粒子加速器。 ２、前記高周波共振器は前記コイル自身を回転、直進運
   動させ前記容器内コイルの巻数を可変としたことを特徴
   とする請求項１記載のインダクタンス可変式四重極粒子
   加速器。 ３、前記高周波共振器は、前記コイルの一端が接触する
   前記容器のプタを回転、直進運動させ容器内のコイルの
   巻数を可変にすることを特徴とする請求項１記載のイン
   ダクタンス可変式四重極粒子加速器。 ４、前記高周波共振器は、前記容器内に別の円筒多重型
   のコンデンサを取付け、コイル自身の回転、直進運動に
   伴い同時に上記コンデンサの容量値を変えることを特徴
   とする請求項１記載のインダクタンス可変式四重極粒子
   加速器。 ５、前記容器内に電気的な絶縁防止用のガスを封入する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載
   のインダクタンス可変式四重極粒子加速器。 ６、前記高周波共振器の容器は概円筒形をなし、該円筒
   の一端は円筒底面の円板を二つの半円板に分割し、該半
   円板を上記円筒の軸方向に開き、開いた部分を三角形の
   板状部材で塞いた構造とし、上記三角形の板状部材には
   コイルの貫通する穴を設けたことを特徴とする請求項１
   乃至５のうちいずれかに記載のインダクタンス可変式四
   重粒子加速器に使用する高周波共振器。