KR101870790B1 - 직류 하전 입자 가속기, 직류 전압을 사용하여 하전 입자를 가속하는 방법 및 그와 함께 사용하기 위한 고 전압 전력 공급 장치 - Google Patents

직류 하전 입자 가속기, 직류 전압을 사용하여 하전 입자를 가속하는 방법 및 그와 함께 사용하기 위한 고 전압 전력 공급 장치 Download PDF

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Abstract

직류 하전 입자 가속기는 전극들의 인접 쌍들 간의 가속 갭들을 정해주는 절연 간격 부재들에 의해 격리된 가속기 전극들을 포함한다. 개별적으로 조정된 갭 전압들은 가속기 전극들의 각 인접 쌍 양단에 인가된다. 실시예들에서, 개별적으로 조정된 갭 전압들은 전기 모터에 의해 구동되는 공통 회전자 샤프트 상에 장착되는 전기적으로 분리된 교류 발전기들에 의해 생성된다. 교류 발전기들로부터의 교류 전력 출력들은 갭 전압들을 생성하도록 개별적으로 조정된 직류 고 전압 전력 공급 장치들에 입력들을 제공한다. 전력 공급 장치들은 전기적으로 분리되며 또한 가속기 전극들의 연속 쌍들 양단에 직렬로 연결된 출력들을 갖는다. 기술된 실시예는 이온 빔이 양호한 가속기 안정성을 갖는 고 에너지와 고 빔 전류로 가속되는 것을 가능하게 한다.

Description

직류 하전 입자 가속기, 직류 전압을 사용하여 하전 입자를 가속하는 방법 및 그와 함께 사용하기 위한 고 전압 전력 공급 장치{A.D.C. CHARGED PARTICLE ACCELERATOR, A METHOD OF ACCELERATING CHARGED PARTICLES USING D.C. VOLTAGES AND A HIGH VOLTAGE POWER SUPPLY APPARATUS FOR USE THEREWITH}
본 출원은 2010년 12월 8일 출원된 미국특허출원 제12/962,723호의 우선권을 주장하며 여기에 그 내용을 참고 목적으로 통합한다.
본 발명은 직류 하전 입자 가속기 및 직류 전압을 사용하여 하전 입자를 가속하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 가속기와 방법에서 사용될 수도 있는 고 전압 전력 공급 장치에 관한 것이다. 본 발명은 가속기와 이온 주입 장치에서 양 이온을 가속하기 위한 방법에 관한 것이다.
이온 주입은 고 에너지와 고 빔 전류에서 이온 빔들의 생성을 요구할 수도 있다. 직류 가속기는 요구되는 빔 에너지를 제공하기 위해 이온 주입기에서 사용되는 것으로 알려져 있다.
공지된 하전 입자 가속기에서는 다수의 가속기 전극들이 연속하는 가속 갭을 한정해준다. 가속기 전극들은 가속기의 길이를 따라 전압 구배를 제어하도록 규칙적인 전압 간격으로 바이어스된다. 가속기 전극용 바이어스 전압은 전체 가속기 전위를 제공하는 고 전압 발전기에 연결된 전위 분배기로부터 유출되며, 그 전압은 예를 들어, 수백 킬로 볼트 또는 일 메가 볼트 이상일 수 있다.
일 양상에서, 본 발명은 단부 전극들과 적어도 N-1개의 중간 전극들을 포함하는 가속 전극들을 포함하는 직류 하전 입자 가속기를 제공한다. 가속 전극들은 상기 전극들의 인접 쌍들 간에 적어도 N개의 가속 갭을 한정한다. 여기서, N은 적어도 3이다. 조정된 직류 고 전압 전력 공급 장치는 상기 N개의 가속 갭을 한정하는 상기 가속기 전극들의 인접 쌍들 각각에 연결된 N 쌍의 출력 라인들을 갖는다. 전력 공급 장치는 상기 N 쌍의 출력 라인 상에 서로 간에 전기적으로 분리된 N개의 조정된 고 전압 직류 출력 전압들을 제공하도록 동작하며, 그에 의해, 상기 N개의 가속 갭 양단에 갭 전압들이 제공될 수 있다. 상기 N개의 조정된 출력 전압들은 공통 값(Vgap)을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 조정된 직류 고 전압 전력 배송 장치는 서로 간에 분리된 직류인 N개의 직류 전압 발전기를 포함하며, 상기 전압 발전기들 각각은 적어도 하나의 상기 N 쌍의 출력 라인들을 가지며 또한 상기 N개의 조정된 고 전압 직류 출력 전압들을 제각기 생성하도록 배치된다. 직류 분리 전력 배송 장치는 상기 전압 발전기들 간에 직류 분리를 유지하면서 상기 N개의 전압 발전기들에 상기 입력 전력을 공급하도록 배치된다. N개의 직류 전압 발전기들은 비조정된 입력 전력으로부터 상기 조정된 고 전압 직류 출력들을 제공하는 N개의 직류 고 전압 전력 공급 장치들을 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 직류 분리 전력 배송 장치는 상기 직류 고 전압 전력 공급 장치들 각각에 상기 비조정된 입력 전력으로서 교류 전력을 공급하도록 N개의 교류 발전기들을 포함한다. 각각의 상기 교류 발전기는 적어도 하나의 고정자 권선을 갖는 고정자와 상기 고정자 권선에 교류 전류를 유기하기 위해 상기 고정자 내에 회전 자계를 생성하도록 적어도 하나의 회전자 자석을 탑재하는 회전자를 포함하고 있어 상기 교류 전력을 제공할 수 있다. 그 다음, 적어도 두 개의 상기 교류 발전기들의 상기 고정자들은 축 방향으로 정렬될 수도 있으며, 상기 직류 분리 전력 배송 장치는 상기 샤프트를 따라 축 방향으로 격리되어 상기 적어도 두 개의 교류 발전기들의 상기 회전자들을 탑재하는 적어도 하나의 공통 회전자 샤프트와 상기 공통 회전자 샤프트를 회전시키도록 연결된 모터를 포함한다.
실시예들에서, 상기 공통 회전자 샤프트는 상기 회전자 샤프트에 의해 탑재되는 상기 회전자들 각각의 전기 분리를 제공한다. 특히, 상기 공통 샤프트는 전기적으로 절연재로 형성될 수도 있다.
직류 분리 전력 배송 장치는 상기 고정자 관을 따라 축 방향으로 격리되어 축 방향으로 정렬된 상기 고정자들을 탑재하는 고정자 관을 포함할 수도 있다.
실시예들에서, 상기 고정자 관은 상기 고정자 관에 의해 탑재되는 상기 고정자들 각각을 전기적으로 분리한다. 특히, 상기 고정자 관은 전기적으로 절연재로 형성될 수도 있다.
직류 가속기는 상기 가속기를 통하여 하전 입자들을 위한 선형 가속 경로를 한정하는 상기 가속기 전극들을 내장하는 긴 가속기 관을 갖는 선형 가속기일 수도 있다. 그 다음, 상기 적어도 하나의 공통 회전자 샤프트는 상기 가속기 관 옆에 장착 될 수도 있다.
실시예에서, 상기 교류 발전기들은 3개의 그룹으로 배치되며, 각 그룹에서 상기 교류 발전기들의 상기 고정자들은 축 방향으로 정렬된다. 그 다음, 상기 직류 분리 전력 배송 장치는 각 그룹의 교류 발전기들마다 상기 하나의 공통 회전자 샤프트를 포함하며, 또한 상기 가속 경로들에 평행하게 정렬되는 상기 3개의 공통 회전자 샤프트들은 상기 가속기 관 주위에 대칭으로 위치된다.
또 다른 양상에서, 본 발명은 상기 출력들에 교류 전력을 생성하도록 각각의 출력들을 갖는 적어도 2개의 교류 발전기들을 포함하는 고 전압 전력 공급 장치를 제공한다. 각각의 상기 교류 발전기는 적어도 하나의 고정자 권선을 갖는 고정자와 상기 고정자 권선에 교류 전류를 유기하도록 상기 고정자 내에 회전 자계를 생성하도록 적어도 하나의 회전자 자석을 탑재하는 회전자를 포함하고 있어 상기 교류 전력을 제공할 수 있다. 그 다음, 상기 교류 발전기들의 고정자들은 축 방향으로 정렬되어 있으며, 본 장치는 상기 교류 발전기들의 상기 회전자들을 상기 샤프트를 따라 축 방향으로 격리시켜 탑재하는 공통 회전자 샤프트를 포함한다. 상기 공통 샤프트를 회전시키도록 모터가 연결되어 있어, 상기 각각의 교류 발전기들은 그의 각각의 출력에 교류 전력을 생성할 수 있다. 본 장치는 상기 각각의 교류 발전기의 출력으로부터 상기 교류 전력을 수신하도록 연결된 직류 고 전압 전력 공급 장치를 제각기 더 포함하며, 각각의 전력 장치는 각 쌍의 출력 단자들을 가지며 또한 상기 각 쌍의 출력 단자들에 조정된 고 전압 출력 전압을 생성하기 위해 상기 교류 전력을 변환하도록 동작한다. 공통 회전자 샤프트는 회전자 샤프트에 의해 탑재되는 상기 회전자들을 전기적으로 분리한다. 전력의 출력 단자들은 직렬로 연결될 수도 있다.
본 발명은 직류 전압을 사용하여 하전 입자들을 가속하는 방법을 더 제공한다. 본 방법에서, 가속 전극들은 단부 전극들과 적어도 N-1개의 중간 전극들을 포함시켜 제공된다. 가속 전극들은 상기 전극들의 인접 쌍들 간에 적어도 N-1개의 가속 갭들을 정해준다. 여기서 N은 적어도 3이다. N개의 조정된 고 전압 직류 출력 전압은 서로 간에 전기적으로 분리되어 생성된다. N개의 조정된 출력 전압은 갭 전압들을 제공하도록 상기 N개의 가속 갭들을 정해주는 가속 전극들에 인가된다.
이제 본 발명의 예들을 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 직류 하전 입자 가속기의 개략도;
도 2는 본 발명을 실시하는 직류 하전 입자 가속기의 개략도;
도 3은 본 발명에 따른 제1 실시예의 직류 하전 입자 가속기의 개략도;
도 4는 다른 형태의 전력 회로를 나타내는 도 3의 직류 하전 입자 가속기의 개략도;
도 5는 본 발명에 따른 제2 실시예의 직류 하전 입자 가속기의 개략도;
도 6은 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 직류 하전 입자 가속기의 단면도;
도 7A 및 7B는 도 6의 직류 하전 입자 가속기의 좌측 및 우측 부분들의 확대도;
도 8은 격납 용기의 외피를 제거한 도 6의 직류 하전 입자 가속기의 등각 사시도;
도 9는 도 8의 직류 하전 입자 가속기의 등각 단면도;
도 10은 명료하기 하기 위하여 일부 부분들을 확대한 도 6 내지 도 9의 직류 하전 입자 가속기의 가속기 관의 등각 단면도;
도 11은 이온 소스와 조합된 도 10의 가속기 관의 단면도;
도 12는 도 11의 이온 소스의 확대된 상세 단면도;
도 13은 가속기 관 및 이온 소스에 대한 전력 공급의 배치를 나타내는 도 11의 가속기 관 및 이온 소스의 단면도;
도 14는 도 13의 이온 소스 내의 부품들로의 전력 공급 분배의 개략도;
도 15는 명료하게 하기 위한 일 부분의 확대도와 공통 회전자 샤프트 상에 조립된 가속기들의 단면도;
도 16은 명료하게 하기 위한 두 부분의 확대도와 구동 모터와 조합되는 교류 발전기 회전자 샤프트와 고정자 관의 등각 단면도;
도 17은 3 개의 교류 발전기 샤프트와 상호 연결된 전력 공급 케이싱들을 갖는 관 조립체를 포함하는 조립체의 단부도;
도 18은 도 17의 교류 발전기 조립체 및 전력 장치 케이싱 조립체의 A-A 라인 단면도;
도 19는 전극 칼럼의 연관된 전극들을 갖는 단일 전력 장치 케이싱의 등각도;
도 20은 도 19의 전력 장치의 케이싱 및 전극 조립체의 평면도;
도 21은 직류 하전입자 가속기의 전극들과 전력 공급 유닛들의 상호 연결의 개략도;
도 22는 전자 억제 링들을 결합시키는 직류 하전 입자 가속기용 전극들의 또 다른 실시예의 등각 단면도;
도 23은 도 22의 전극들 및 억제 링들에 바이어스 전압을 인가하기 위한 배치의 개략도.
본 발명은 비교적 고 에너지에서 동작할 수 있으며 또한 고 빔 전류에서 양호한 안정성을 유지할 수 있는 직류 하전 입자 가속기를 제공한다.
도 1은 단부 전극들(10, 11)과 두 개의 중간 전극들(12, 13)에 의해 정해지는 단 3개의 가속 갭들을 갖는 종래의 전형적인 직류 하전 입자 가속기의 개략도이다. 전극들(10, 11, 12, 13)은 통상적으로 라인(14)에 의해 도면에서 정해진 중앙 축을 따라 정렬된 판들 내에 개구들을 갖는 천공된 판들을 포함한다.
단부 전극(10)은 도면에서 우측 전극으로서, 접지 전위에 유지될 수도 있으며, 또한 전극들(12, 13, 11)에 제각기 인가되는 양의 전압들을 증가시킨다. 통상적인 배치에서, 이렇게 증가하는 양의 전압들은 인접한 전극 쌍들 간의 가속 갭들 양단 간의 공통 전압 강하(Vgap)를 정의한다. 나타낸 예에서, 공통 전압 강하(Vgap)는 40㎸이므로, 좌측 단부 전극(11)으로부터 접지 전극(10)까지의 총 전압 강하는 120㎸가 된다. 그 다음, 빔이 접지 전극(10) 내의 개구를 통해 출현하면, 도 1에서 좌에서 우로 축(14)을 따라 지향하는 빔 내의 양의 하전 입자들 또는 이온들은 120keV까지 가속된다. 그 다음, 가속된 양 이온 빔은 타겟(15)으로 지향될 수도 있다. 가속된 이온 빔은 반도체 제조 공정들에서 이온 주입을 위해 사용된다. 타겟(15)은 반도체 재료로 된 타겟일 수도 있다. 가속된 이온 빔은 또한 실리콘의 박막이 수면으로부터 박리시키기 위해 반도체 웨이퍼 처리를 위해 사용된다. 태양 전지들의 제조에 사용하기 위한 실리콘 박리막을 제공하기 위해, 고 에너지 H+ 이온들(양자들)을 실리콘 웨이퍼 기판들 속으로 주입하기 위한 장치는 라이딩(Ryding) 등의 미국 특허 출원 제12/494,269호(대리인 서류번호 TwinP030/TCA-023y)에 개시되어 있으며, 이 출원은 본 발명의 양수인에게 양도되었다. 미국 특허 출원의 내용은 참고를 위해 그 내용 전체를 여기에 통합한다.
도 1에 도시된 종래의 배치에 의하면, 요구되는 전극 전압들(40㎸, 80㎸, 120㎸)은 일반적으로, (16)으로 나타내는 고 전압(h. v.) 전력 장치에 의해 인가된다. 전력 공급 장치(16)는 고주파 인버터(19)로부터 변압기(18)에 의해 구동되는 콕로프트 월튼(Cockroft Walton: CW) 전압 증배 회로(17)로 형성된다. CW 증배기는 커패시터들과 전파 정류기 브리지들의 반복 단으로 형성되고, 또한 이 CW 회로의 동작은 숙련자에 의해 잘 이해된다.
도면에 나타낸 바와 같이, 변압기(18)는 접지(여기서 접지된 단부 전극(10)을 통함)에 연결되는 중앙 탭과 2차 권선을 갖는다. 만일 변압기 권선(18)의 2차 권선의 각 절반 양단 간의 교류 전압이 피크 진폭(A)를 갖는 경우, 3개의 전파 정류기 및 관련 커패시터들을 포함하는 CW 증배기(17)는 3×2A의 지점(20)에서 직류 출력 전압을 생성한다. 본 예에서, 인버터(19) 및 변압기(18)는 피크 진폭 A = 20㎸를 갖는 2차 권선의 각 절반으로부터 출력을 생성하며, 그에 의해, 지점(20)에서 발생하는 직류 전압이 120㎸가 될 수 있다. CW 증배기(17)의 반응 구성 요소들과 변압기(18)를 가능한 한 작게 유지하기 위해, 인버터(19)는 수 ㎑의 주파수에서, 일반적으로, 30㎑의 주파수에서 변압기를 우선적으로 구동하도록 배치된다.
이 종래의 직류 하전 입자 가속기에 대한 표준 규칙에 따르면, CW 증배기(17)의 출력은 접지에 상대하여, 여기서는 좌측 단부 전극(11)에 상대하여 최고 전위에 있는 가속기의 단부 전극에 연결된다. 지점(20)에서 전극(11)까지의 연결은 수 킬로 옴의 저항을 통해 이루어지므로, 증배기(17)에 대해 어느 정도의 과전류 보호 기능을 제공한다.
중간 전극들(12, 13)에 적절한 전압들을 제공하기 위해, 높은 값의 저항들(R)이 연속 전극들 간에 직렬로 연결되어, 일반적으로, (21)로 나타낸 전위 분배기를 제공한다. 직렬로 연결된 저항들(R)에 의해 형성되는 전위 분배기를 통해 전류 흐름을 최소화하기 위해, 이러한 저항들은 높은 저항 값, 일반적으로, 수십 메가 옴을 갖는다. 이는 중간 전극들(12, 13)로 또는 그로부터 무시할만한 전류 흐름이 있기 때문에 이론적으로 매우 만족스럽다.
도 2는 본 발명을 구현하는 직류 하전 입자 가속기를 나타낸다. 도 1의 종래 배치에서의 요소들에 대응하는 도 2에 나타낸 구조의 요소들은 동일한 참조 번호를 부여한다. 따라서, 가속기는 인접한 전극 쌍들 간의 3개의 가속 갭들 간에 정해지는 중간 전극들(12, 13)과 함께 단부 전극들(10, 11)을 포함한다. 전극들은 도 2에 참조 부호 25로 식별된 절연 간격 분리기들에 의해 분리된다. 하전 입자 빔은 타겟(15)을 충돌하도록 축(14)을 따라 가속된다.
도 2의 실시예에서, 갭 전압은 3개의 직류 전압 발전기(26, 27, 28)에 의해 전극들(10, 11, 12, 13)의 연속하는 인접 쌍들 양단에 인가된다. 이 직류 전압 발전기(26, 27, 28)는 서로 전기적으로 분리되고 또한 각각은 한 쌍의 출력 라인들(29, 30; 31, 32; 33, 34)을 갖는다. 출력 라인들은 3개의 가속 갭들을 정해주는 가속 전극들의 각각의 인접 쌍들에 연결되므로, 발전기(26)로부터의 출력 라인들(29, 30)은 접지 전극(10)과 제1 중간 전극(12)에 연결되고 또한 발전기(27)로부터의 출력 라인들(31, 32)은 중간 전극들(12, 13)에 연결되고 또한 발전기(28)의 출력 라인들(33, 34)은 중간 전극(13) 및 고 전압 단부 전극(11)에 연결된다.
직류 전압 발전기들(26, 27, 28)의 각각은 또한 각각의 입력 라인들(35, 36; 37, 38; 39, 40)을 갖는다. 입력 전력은 직류 분리 전력 배송 장치(44)로부터 이들 입력 라인을 따라 전압 발전기로 배송된다. 직류 분리 전력 배송 장치(44)는 이 전압 발전기들 간에 직류 분리를 유지하면서 요구되는 입력 전력을 직류 전압 발전기들(26, 27, 28)에 배송하기 위해 배치된다.
직류 분리 전력 배송 장치(44)는 다양한 방법으로 구현 될 수 있다. 일 예에서, 외부, 접지 기준, 교류 전력은 라인들(35, 36) 상의 입력 전력의 배송을 위한 분리된 교류 전력을 직류 전압 발전기(26)에 제공하는 제1 분리 변압기에 연결된다. 제1 분리 변압기의 2차 권선으로부터 분리된 교류 전력은 제2 분리 변압기의 1차 권선에 연결되며 또한 제2 분리 변압기의 2차 권선으로부터의 교류 전력은 입력 라인(37, 38) 상의 입력 전력을 발전기(27)에 제공하기 위해 사용된다. 마찬가지로, 제2 분리 변압기의 2차 권선으로부터의 교류 전력은 제3 분리 변압기의 1차 권선에 공급된다. 제3 분리 변압기의 2차 권선에서의 교류 전력은 발전기(28)의 입력 라인들(39, 40) 상의 입력 전력을 공급하기 위해 사용된다.
이 방법으로, 요구되는 입력 전력은 이러한 전압 발전기의 직류 분리를 손상시키지 않고, 전압 발전기들(26, 27, 28)에 각각 공급된다. 그 다음, 직류 전압 발전기의 출력 라인들은 도시된 바와 같이 가속 전극들에 연결될 수 있으며, 그에 의해, 발전기들의 출력 라인들은 직렬로 효과적으로 연결된다. 이러한 방식으로 요구되는 갭 전압들은 가속기의 연속적인 가속 갭들의 양단에 인가된다.
직류 전압 발전기들(26, 27, 28)은 직류 분리 전력 배송 장치(44)와 함께 동작하므로, 직류 전압 발전기들의 출력 라인 상의 출력 전압들은 각각의 조정된 갭 전압들을 가속기의 연속 갭들 간에 제공하는 모두 조정된 전압이 될 수 있다. 그러므로, 여기서 알 수 있는 것은 발전기들(26, 27, 28)이 직류 분리 전력 배송 장치(44)와 조합하여 3개의 가속 갭들을 정해주는 가속 전극들의 각각의 인접 전극 쌍에 연결된 3쌍의 출력 라인을 갖는 조정된 직류 고 전력 전압 공급 장치를 제공한다는 것이다. 조정된 전력 공급 장치는 발전기들로부터의 3쌍의 출력 라인들 상의 서로 간에 전기적으로 분리된 3개의 조정된 고 전압 직류 출력 전압들을 제공하도록 동작하며, 그에 의해, 요구되는 갭 전압이 3개의 가속 갭 양단에 제공될 수 있다.
도 1 및 도 2 내의 가속기들은 단지 3개의 갭을 갖는 것으로 도시되어 있고, 단부 전극과 2개의 중간 전극에 의해 한정되어 있는 반면, 도 2를 참조하여 설명되는 본 발명의 실시예들의 입자 가속기는 보다 높은 에너지의 가속되는 하전 입자 빔이 제공될 필요가 있을 때, 3개 이상의 가속 갭들로 형성될 수도 있다.
직류 하전 입자 가속기들의 설계시, 가속기의 연속적인 가속 갭들이 균일한 갭 사이즈를 갖도록 하는 것과 인가되는 갭 전압이 각 갭 양단에서 동일하게 하는 것이 통상적이다. 그러나, 이는 엄격하게 필수적인 것은 아니며, 상이한 갭 사이즈들이 일부 환경들에서 사용될 수도 있으며 및/또는 상이한 조정된 갭 전압들이 여러 가지 가속 갭들 양단에 인가될 수도 있다.
도 2에 나타낸 3개의 가속 갭들의 각각의 양단에 발전기들(26, 27, 28)로부터 조정된 출력 전압들을 제공함으로써, 하전 입자 가속기의 성능이 실질적으로 향상 될 수 있다.
도 1의 종래 배치를 다시 참조하면, 갭 전압들을 중간 전극들(12, 13)에 제공하는 전압 분배기(21)는 중간 전극들의 일부 전류 부하 부재 시 매우 만족스럽다. 그러나, 실제에 있어서, 가속기가 축(14)을 따라 이온 빔을 가속하기 위해 사용될 때, 빔의 일부 이온(하전 입자)들은 중간 전극들 중 하나에 충돌할 수도 있다. 중간 전극(12) 상의 빔 충돌(50)은 도 1에 도시되어 있다.
종래 기술의 도시된 예에서, 가속기는 양 이온 빔을 가속하기 위해 사용되므로, 전극(12) 상으로의 빔 충돌은 양의 전류가 전극(12)으로부터 전위 분배기(21)로 흐르게 할 수 있다. 전위 분배기(21)에서의 저항들(R)의 값이 상대적으로 높기 때문에, 빔 충돌(50)로부터 기인되는 상대적으로 작은 전류는 저항들(R) 양단의 전압에 매우 중요한 영향을 미칠 수 있으며, 그에 따라서, 가속기 내의 갭 전압에 상당한 장애를 야기한다.
한 예에서, 가속기들 각각의 갭 양단 간의 의도된 갭 전압은 40㎸이어도 좋고, 전위 분배기(21)의 저항들(R)의 값은 40메가 옴이어도 좋다. 중간 전극들(12, 13)에 흐르는 빔 충돌 전류 결여 시, 전위 분배기(21)의 직렬 연결된 저항들(R)을 통해 흐르는 전류는 1㎃이다. 만일 축(14)에 따른 이온 빔이 소위 50㎃의 고 전력 빔일 경우, 이 빔 전류의 단 2%의 빔 충돌(50)이 전극(12)으로부터 전위 분배기(21)로 흐르는 1㎃의 전류를 생성 할 수 있다. 분명히, 이 빔 충돌 전류는 전위 분배기(21)의 각각의 저항들 양단의 전압에 매우 중요한 영향을 미친다. 사실상, 전극들(10, 12)에 의해 정해지는 가속 갭 양단의 전압은 65% 이상까지 증가 할 것이다. 갭 전압이 전극들 간의 간격들과 절연의 한계 내에서 가능한 한 높게 설정되어 있는 실제의 가속기에서, 이 정도 크기의 갭 전압의 증가는 인접한 전극들 간에 파괴(breakdown) 또는 아크(arcing)를 일으킬 가능성이 아주 크므로 가속기의 안정성이 약속될 수 있다.
직류 가속기에서의 불안정성에 대한 이러한 경향은 상대적으로 높은 전력 빔에 대하여 그리고 다수의 가속 갭들을 갖는 가속기들에 대하여 악화되므로, 가속기를 통해 통과될 수 있는 빔 전류에 대하여 빈번한 제한 요인이 된다.
도 2에 도시된 본 발명의 실시예들의 배치는 종래 기술의 문제점을 실질적으로 완화시킨다. 왜냐하면, 도시된 각각의 가속도 갭 양단의 갭 전압이 조정된 전압으로서 제공되기 때문이다. 그 다음, 중간 전극들(12, 13) 중 하나에 흐르는 빔 충돌 전류는 전압 발전기(26, 27, 28)로부터 직류 출력 전압에 훨씬 감소된 효과로 조정된 전력 공급 장치에 의해 흡수 될 수 있다. 그 결과, 도 2의 실시예의 가속기는 실질적으로 보다 큰 안정성을 가질 수 있으며, 결과적으로, 보다 높은 빔 전력에서 작동 할 수 있다.
도 2의 실시예에 따른 출력 전압의 전압 조정은 직류 분리 전력 배송 장치(44) 또는 직류 전압 발전기들(26, 27, 28)의 각각에서 실시될 수 있다. 예를 들어, 직류 분리 전력 배송 장치(44)는 전압 조정된 입력 라인 쌍들(35, 36; 37, 38; 39, 40)의 각 쌍 상에 입력 전력을 제공 할 수 있으며, 그 경우에, 직류 전압 발전기들(26, 27, 28)은 단지 요구되는 입력 전압에 직접 비례하여 요구되는 갭 전압에 대응하여 요구되는 직류 출력 전압을 생성하기 위해 요구된다.
전압 조정이 직류 분리 전력 배송 장치(44)에서 효과적으로 수행되는 배치의 한 예가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 도 3의 실시예에서, 직류 분리 전력 배송 장치(44)는 인버터(51)를 포함하며, 이는 접지 기준 주 공급으로부터 공급 될 수도 있다. 인버터(51)는 승압 변압기(52)의 1차 권선을 구동하는 고주파 교류 전력을 생성한다. 인버터(51)로부터의 고주파 전력의 피크 진폭 전압은 인버터에 의해 일정 값으로 조정되므로, 승압 변압기(52)의 2차 권선 양단의 피크 투 피크 전압도 일정한 값으로 유지될 수 있다. 소망하는 갭 전압이 40㎸인 본 실시예에서, 인버터(51)는 변압기(52)에 의해 승압 후, 승압 변압기(52)의 중앙 탭을 갖는 2차 권선의 각각의 절반에서 40㎸의 피크 투 피크 전압을 생성한다.
도 3에 나타낸 조정된 직류 고 전압 전력 공급 장치들은 도 4에 나타낸 것들과 동일하다. 다만, 도 4 내의 직류 분리 전력 배송 장치(44)의 요소들과, 직류 전압 발전기들(26, 27, 28)이 보다 친숙한 CW 전압 증배 회로를 표현하도록 재작성된 것을 제외한다. 사실상, 도 4에 도시된 회로가 도 1의 종래 기술의 배치와 다른 점은 CW 증배기의 각 단으로부터(저항들(53, 54)을 통해) 가속기의 중간 전극들(12, 13)까지의 연결에서뿐이다. 도 4에 도시된 CW 증배기는 제1 단의 지점(55)에서 직류 전압을 생성한다. 이 지점은 승압 변압기(52)의 중앙 탭 2차 권선의 각각 절반 상의 피크 투 피크 전압과 동일하다. 승압 변압기(52)의 2차 권선 상의 전압이 인버터(51)에 의해 효과적으로 조정되기 때문에, CW 증배기 내의 제1 단 지점(55)의 직류 전압은 효과적으로 조정된 직류 전압이다. 마찬가지로, CW 증배기 내의 제2 단 지점(56)의 전압은 승압 변압기(52)의 중앙 탭 2차 권선의 각각의 절반의 피크 투 피크 전압의 2 배와 동일한 조정된 직류 전압에 유지된다. CW 증배기의 제3 단 지점(57)의 직류 전압은 승압 변압기(52)의 2차 권선의 각각의 절반으로부터의 피크 투 피크 전압의 3배와 동일한 조정된 직류 전압에 유지된다. 이런 방식으로, 직류 조정 전압들은 전극들(12, 13, 14)에 연결하기 위한 각각의 단 지점들(55, 56, 57)로부터 적절한 전압으로 제공되므로, 요구되는 갭 전압들이 제공될 수 있다.
과전류 보호를 제공하기 위해, 중간 CW 단 지점들(55, 56)은 전류 제한 저항들(53, 54)을 통해 각각의 중간 전극들(12, 13)에 연결된다. 그러나, 전류 제한 저항들(53, 54)의 값은 종래 기술의 배치에서 전위 분배기(21)의 저항들보다 훨씬 낮을 수 있다. 왜냐하면 이러한 저항들은 전극 빔 충돌의 부재 시 아무런 전력도 소비하지 말아야 하기 때문이다. 따라서, 저항들(53, 54)에 대한 저항 값으로 100k 옴 정도가 사용될 수 있다. 그 다음, 저항(53)을 통해 흐르는 빔 충돌(50)의 결과로 나오는 중간 전극(12)으로부터 흐르는 1㎃ 전류는 전극(12) 상에 꼭 100V의 전압 변동을 생성한다. 심지어 전극(12)을 충돌하고 저항(53)을 통해 흐르는 전체 빔 전류(50㎃)가 가속기에 대해 40㎸의 공칭 갭 전압에 비해 5㎸의 전압 변동을 생성한다. 따라서, 도 3 및 도 4에 설명된 실시예는 빔 충돌의 효과에 대해 훨씬 더 견딜 수 있으므로, 과도한 불안정성 없이 보다 높은 빔 전력에서 작동될 수 있다.
도 5는 개략적으로 도 2의 실시예의 직류 전압 발전기들이 도 5에서 (60, 61, 62)로 표시된 직류 고 전압 전력 공급 유닛들로서 형성되는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 고 전압 전력 공급 유닛들(60, 61, 62)은 가속 전극(10, 12, 13, 11)의 각각의 인접 쌍들에 연결된 각각의 출력 라인들(63, 64; 65, 66; 67, 68)을 갖는다. 이 실시예에서, 고 전압 전력 공급 유닛들(60, 61, 62) 각각은 입력 라인들(69, 70, 71) 상에 제각기 비 조정된 교류 입력들에서 유도된 각각의 출력 라인들 상에 조정된 고 전압 직류 출력을 제공한다. 입력 라인들(69, 70, 71)은 간략히 하기 위해 도면에 단일 라인으로서 도시된다. 라인들(69, 70, 71) 상의 교류 입력 전력으로서, 각각의 경우에 조정되지 않기 때문에, 출력 라인들(63, 64; 65, 66; 67, 68) 상의 출력 전압에 대한 조정이 각각의 고 전압 전력 공급 유닛들(60,61, 62)에 의해 수행된다.
라인들(69, 70, 71) 상의 교류 입력 전력은 72, 73 및 74로 개략적으로 도시된 각각의 교류 발전기에 의해 생성된다. 각각의 교류 발전기들(72, 73, 74)은 각각 적어도 하나의 고정자 권선을 포함하는 각각의 고정자(75, 76, 77)를 갖는다. 각각의 교류 발전기는 또한 적어도 하나의 회전자 자석들(78, 79, 80)을 탑재하는 회전자를 가지고 있으므로, 교류 발전기의 고정자 내의 회전자의 회전은 고정자 권선 내에 교류 전류를 유도하도록 고정자 내에 회전 자계를 생성할 수 있어 입력 라인들(69, 70 및 71)에 요구되는 교류 입력 전력을 제공할 수 있다.
이 실시예에서, 고정자들(75, 76, 77)은 모두 공통 샤프트(81) 상에 축 방향으로 정렬된다. 또한, 가속기들의 회전자들(78, 79, 80)은 공통 회전자 샤프트(82)를 따라 축 방향으로 격리된다. 회전자(78, 79, 80)는 축(82)을 따라 축 방향으로 이격되어 있다. 고정자들(75, 76, 77)은 전기적으로 서로 간에 분리되어 있고, 또한 공통 회전자 샤프트(82)는 회전자들 서로 간에 전기적 분리를 제공하도록 유리 섬유와 같은 전기 절연 재료로 형성된다. 교류 발전기들(72, 73, 74)을 구동하기 위해, 공통 회전자 샤프트(82)는 접지 기준 메인 전력 자체를 수신할 수도 있는 교류 유도 모터(83)에 의해 구동된다.
이러한 방법으로, 하나의 모터(83)는 3개의 교류 발전기들(72, 73, 74 )을 구동시키기 위해 사용되며, 또한 교류 발전기들 자체는 서로 간에 전기적으로 분리되므로, 라인들(69, 70, 71) 상의 교류 출력 전압들이 각각의 고 전압 전력 공급 유닛들(60, 61, 62)에 배송 될 수 있다. 고전압 전력 공급 유닛들(60, 61, 62)의 출력 라인들은 가속기의 전극들의 연속 인접 쌍들을 통해 연결되기 때문에, 전력 공급 유닛들은 효과적으로 직렬로 연결된다.
전력 공급 유닛들(60, 61, 62)과 모터 83에 의해 구동되는 공통 구동 샤프트(82)상의 교류 발전기들(72, 73, 74)의 조합은 조정된 직류 고 전압 전력 공급 장치들을 제공한다. 3쌍의 출력 라인들(63, 64; 65, 66; 67, 68)은 가속기 전극들 각각의 인접 쌍들, 여기서 (10, 12; 12, 13; 13, 11)에 제각기 연결된다. 그에 의해 장치는 전극들의 양단에 갭 전압을 생성하도록 3개의 조정된 고 전압 직류 출력 전압을 제공한다. 이러한 배치에 의하면, 직류 고 전압 전력 공급 유닛들(60, 61, 62) 각각은 도 5의 예에서 40㎸로 보인 가속기 갭 전압에만 조정된 직류 출력 전압을 제공해야 한다. 보다 높은 갭 전압들은 또한, 예를 들어 70㎸의 이상으로 고려 될 수 있다. 고 전압 전력 공급 유닛들(60, 61, 62) 각각은 요구되는 빔 전류를 구동하도록 충분한 출력 전류를 제공해야 하며, 고전력 빔 실시예에서는 50㎃ 이상일 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 고 전압 전력 공급 유닛들 각각은 갭 전압에만 대응하는 출력 전압을 생성하기 때문에, 요구되는 3개의 고 전압 전력 공급 유닛들(60, 61, 62)을 제공하는 비용은 요구되는 50㎃ 이상의 전류와 전체 가속기 전위에 대응하는 출력 전압, 예를 들어, 도 5에 도시된 3개의 갭 예에서 예를 들어, 120㎸를 생성하는 단일 고 전압 전력 공급 유닛을 제공하는 비용보다 훨씬 작을 수 있다.
실제로, 직류 가속기는 수백 킬로 볼트 또는 일 메가 볼트를 초과하는 전체 가속 에너지를 제공하는 다수의 갭들을 가질 수 있다. 그 다음, 각 가속 갭마다 고 전압 전력 공급 유닛들(61, 62, 60)에 대응하는 하나의 상대적으로 낮은 전력 공급 장치의 설비는 전체 가속 전위에 대한 단일 전력 공급 유닛보다 훨씬 저렴할 수 있다. 중요하게는 또한, 각각의 가속도 갭마다 개별 전력 공급 유닛들을 사용함으로써, 이용할 수 있는 전력은 전체 가속 전위에 대한 단일 전력 공급 유닛들을 사용하는 것에 비해(등가 비용에서) 훨씬 클 수 있다. 가용 전력이 극심하게 단축되기 전에, CW 증배기에 추가될 수 있는 단들의 수에 제한이 있다는 것을 본 기술 분야에 숙련자는 잘 이해할 것이다.
동시에, 도 5의 실시예는 각각의 가속기 갭들 양단에 조정된 갭 전압을 제공하는 장점을 가지므로, 도 1에 도시된 바와 같은 전위 분배기를 사용하는 종래의 배치들보다 훨씬 더 안정될 수 있다.
도 6, 도 7A, 도 7B, 도 8 및 도 9는 도 5를 참조하여 위에서 설명한 실시예와 유사한 원리로 동작하는 본 발명의 상세한 실시예를 나타낸다. 도면에서, 도 6은 가스 방지 격납 용기(90) 내에 봉함되는 하전 입자 가속기의 횡단면도이다. 도 7A는 도 6의 입자 가속기 좌측의 확대도이고, 도 7B는 도 6의 가속기 우측의 확대도이다. 도 8은 제거된 격납 용기(90)의 주요 외피를 갖는 입자 가속기의 등각 사시도이고, 도 9는 도 8에 대응하는 등각 횡단면도이다.
격납 용기(90) 내에서, 일반적으로, (91)로 표시되는 가속 관은 일반적으로, 도 6에서 우측의 용기 상류 단부에서 (92)로 표시되는 이온 소스와 도 6에서 좌측의 용기 하류 단부 간에 연장된다. 가속기 관(91)은 전극들 간의 가속 갭들을 정해주는 절연 간격 부재들과 교호하는 일련의 가속 전극들을 갖는 가속 칼럼을 포함한다. 가속 칼럼의 우측 단부에서, 연장 관은 가스 차단 연결부를 이온 소스(92)의 플라즈마 실에 제공한다. 가속 칼럼의 좌측에는 연장 관이 격납 용기(90)의 하류 단부 내의 개구(93)를 통해 더 연결된다. 가속 관의 구조는 도 10을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.
가속 관은 이온 소스(92)의 플라즈마 실과 개구(93) 간의 가스를 차단하고 또한 (94)에 진공 밀봉 연결부를 형성하고 있고, 그에 더하여 하류 단부에 강화된 벽 유닛(95)을 갖는다. 사용 시, 격납 용기(90)의 강화된 벽 유닛(95)의 외부에는 이온 빔 도관이 더 연결됨으로써, 개구(93)를 통하여 방출하는 가속 빔이 요구되는 바와 같이 기판 내에 주입을 위해 공정실로 진공 상태로 운반될 수 있다. 또한 격납 용기(90)와 주입기의 공정실 간의 빔 라인에 대하여 상세히 설명되지는 않지만, 본 기술 분야에 숙련자는 잘 이해할 것이다.
진공 차단 가속기 관(91)의 외부, 격납 용기(90)의 내부는 6불화황(SF6) 등의 유전 가스가 포함된다. SF6는 공기 보다 더 높은 전기 고장 임계값을 갖는 공지된 절연 가스이므로, SF6의 분위기 내에서 고 전압 성분이 고장 발생 없이 함께 보다 근접하여 위치될 수 있다.
가속기 관(91)은 교류 발전기들과 전력 장치들에 의해 둘러싸여서 전극 칼럼의 가속 전극들 간에 정해지는 각 가속 갭들 양단에 독립하여 조정된 전압을 제공한다. 교류 발전기들은 3개의 공통 샤프트와 관 조립체들을 따라 배열된다. 하나의 그러한 조립체는 도 6, 도 7 및 도 9에 (96)으로 나타낸다. 3개의 조립체는 가속기 관(91) 주위에 대칭적으로 분산되어 있고 또한 관과 평행하게, 결과적으로 가속기 관의 중앙 축을 따라 이온 가속 경로와 평행하게 정렬된다. 3개의 가속 관과 샤프트 조립체는 도 8에서 (96, 97, 98)로 볼 수 있다. 각각의 교류 발전기 관 및 샤프트 조립체들(96, 97, 98)은 격납 용기(90) 내에 위치된 모터들(99, 100, 101)에 의해 구동되는 공통 샤프트 상에 장착된 5개의 교류 발전기의 회전자들을 갖는 5개의 전기적으로 절연된 교류 발전기를 포함한다. 모터들(99, 100, 101)은 격납 용기(90)의 하류 단부 벽 내의 강화된 벽 유닛(95)에 고정되는 지지 구조(102) 상에 장착된다. 또한 교류 발전기 관과 샤프트 조립체들의 구조에 대해서는 추후 더 상세히 설명한다.
전력 공급 유닛 케이싱들(103)은 또한 교류 발전기 관과 샤프트 조립체들(96, 97, 98) 간의 원주 공간 내에 가속기 칼럼을 포위하여 위치된다. 케이싱들(103)은 개별 교류 발전기들로부터 교류 전력을 수신하고 또한 가속 칼럼의 인접한 전극 쌍들에 연결을 위해 요구되는 직류 고 전압을 공급하는 개별 전력 공급 유닛들을 내장하고 있어 요구되는 갭 전압들을 제공할 수 있다.
케이싱들(103) 내에 내장된 각각의 전력 공급 유닛들은 전체적으로 다른 전력 공급 유닛들로부터 전기적으로 분리되므로 전력 공급 유닛들의 직류 출력 전압들이 효과적으로 직렬로 연결될 수 있어 가속 칼럼의 길이에 걸쳐 요구되는 총 가속 전압을 달성할 수 있다. 다시 전력 공급 유닛들과 연결 배치들에 대해서는 추후 더 상세히 설명한다.
가속 관과 이온 소스 조립체는 도 10 및 도 11에서 더 상세히 도시되어 있으며, 여기서 그 자체 상의 가속 관은 이온 소스(92)와 함께 도시되어 있다. 가속 관은 절연 간격 부재들(112)과 교호하여 연속하는 전극 판들(111)로 형성되는 전극 칼럼(110)을 포함한다. 전극 판들(111)과 간격 부재들(112)의 더미(stack)는 절연 봉들(113)과 함께 고정되어 판들과 절연체들 간에 진공 차단 밀봉을 제공하므로 이온 빔의 이송을 위해 필요한 만큼 전극 칼럼의 내부를 진공시키는 것이 가능하다.
각각의 전극 판(111)은 가속 빔의 통과를 위한 중앙 개구를 갖는다. 각 판의 일 측, 즉, 도면들에 나타낸 바와 같이 우측에는 판이 중앙 개구(114)의 직경으로 축상 관형 연장 유닛(115)으로 형성된다. 본 기술 분야의 숙련자들에 의해 공지된 바와 같이, 정해진 길이의 원통형 요소들로서 전극 개구들을 형성하는 것은 소망하는 전계 구배가 가속 관을 따른 빔 경로의 중앙에 가속 전극들에 의해 생성되는 것을 보장하는 것이 바람직하다. 전극 칼럼(110)의 전극 판들은 칼럼의 하류와 상류 단부들에 단부 전극들(116, 117)을 제각기 제공한다. 이 단부 전극들(116, 117) 간에는 전극 판들(111)이 전극 칼럼의 길이를 따른 인접 전극들 간에 14개의 가속 갭들을 정해주는 13개의 중간 전극들(118)을 제공한다. 중간 전극들(118)의 전극 판들(111) 각각은 판의 중앙 개구로부터 전극 판 상에 외향으로 위치되며 또한 인접한 판들 간의 거의 절반까지 연장된 원통형 플랜지 요소(119)를 갖는다. 전극들의 개구들에서 원통형 요소들(115)과 조합하여, 원통형 플랜지들(119)은 스크린들을 제공하여, 전극 칼럼 내에서 발생될 수도 있는 2차 입자와 양자들이 절연 간격 부재(112)의 내면까지 도달하는 것을 방지한다. 이는 전극 칼럼을 따른 전극들 간에 요구되는 전압 구배들을 유지시킬 수 능력을 향상시킨다
가속 관의 하류 단부에서, 전극 칼럼(110)은 압력 용기 벽으로 진공 밀봉을 형성하는 압력 용기 내의 개구(93)(도 6 및 도 7) 내로 연장되는 연장 관(120)으로서 형성된다. 가속 관(110)의 상류 단부에서, 연장 관(121)은 이온 소스 조립체(92)의 플랜지(122)를 갖는 단부 전극 판(117)을 더 연결한다.
이온 소스 조립체(92)는 도 12에서 더 상세히 도시된다. 이온 소스 조립체의 주요 구성 부분들은 평행 플랜지들(122, 123) 상에 지지된다. 이 플랜지들(122, 123)은 절연 부싱(124)에 의해 격리된다. 이온 소스는 우측 플라즈마(123)(도 12에서 관측) 내에 지지된 플라즈마 실(125)을 포함한다. 소망하는 이온들 예를 들어, H+ 이온들을 내장하는 플라즈마 실(125) 내에서 플라즈마를 생성하기 위한 여러 이온 소스들이 공지되어 있다. 일반적으로, 이온 소스들에 대하여 소망하는 이온성 종들의 분자들을 함유하는 소스 가스가 플라즈마 실(125)에 공급되며, 그 다음, 에너지가 소스 가스에 공급됨으로써, 가스가 이온화 되어 플라즈마가 형성된다. 본 예에서, 에너지는 초음파의 형태로 공급된다. 마그네트론(magnetron)의 형태의 초음파 생성기(126)는 예를 들어, 초음파를 생성하며, 이 초음파는 도파관 시스템을 따라 공급되어 초음파 투명창을 통하여 플라즈마 실(125)의 내부로 이송된다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 초음파 소스(126)와 도파관 조립체(127)는 지지 브래킷(128) 상에 장착되며, 이는 다시 플랜지(123) 상에 장착된다.
플라즈마 실(125)은 전면판(129)을 갖고 있어 플라즈마 실을 통해 중앙라인(131) 상에 개구(130)를 정해준다. 이온 소스 조립체(92) 자체는 격납 용기(90) 내의 가속기 조립체의 우측 단부에 도 6 및 도 7에 가장 잘 보이는 바와 같이 장착되므로 이온 소스의 중앙라인(131)이 가속 관을 통해 중앙 라인(132)과 정렬될 수 있다. 이온들은 플라즈마 실(125)의 몸체와 플라즈마 실의 전면판(129)의 바로 앞에 위치된 추출 전극 조립체(133) 간에 인가되는 적당한 바이어스 전압에 의해 개구(130)를 통하여 플라즈마 실(125)로부터 추출된다. 추출 전극 조립체(133)는 이온 소스 조립체의 좌측 플랜지(122) 상에 지지되며, 이 자체는 가속 관의 연장 관(121)의 상류 단부에 직접 연결된다. 따라서, 이온 소스 조립체의 플랜지(122)는 전극 칼럼의 단부 전극(117)과 동일한 전위에 있다.
플라즈마 실(125)로부터 H+ 이온들과 같은 양 이온의 추출을 위해, 우측 플랜지(123) 상에 장착된 플라즈마 실 몸체는 좌측 플랜지(122) 상에 장착된 추출 조립체(133)에 상대하여 양으로 바이어스된다. 플랜지들(122, 123) 양단에 인가되는 추출 전위는 실제에 있어 전극 칼럼(110)에 의해 정해지는 각각의 가속 갭들 양단에 인가되는 갭 전위에 비교될 수도 있다.
본 기술에 숙련자에게 공지된 전형적인 배치에서, 추출 전극 조립체(133)는 함께 근접하여 위치된 두 전극들을 포함한다. 플라즈마 실의 전면판(129)으로부터 가장 먼 2 쌍의 전극은 추출 전극이라 칭할 수도 있으며, 또한 플라즈마 실(125)에 상대하는 추출 전위에 바이어스되므로, 도 12에서 좌측으로 이동하는 추출 전극을 통하여 통과하는 추출된 이온들이 추출 전위에 대응하는 추출 에너지를 가질 수 있다. 플라즈마 실의 추출 전극과 전면판(129) 중간에 위치된 추출 조립체의 다른 전극은 통상적으로 억제 전극으로 호칭되며 또한 추출 전극에 상대하여 음으로 바이어스된다. 억제 전극의 목적은 전자들이 플라즈마 실로, 즉, 도 12에서 우측으로 되돌아오는 추출 장(field)에 의해 가속되는 것을 방지하기 위한 것이다. 플라즈마 실(125)의 전면판(129)과 조합하는 두 전극 조립체는 통상적으로 3극(triode) 추출 시스템으로서 호칭된다. 추출 조립체 내의 부가적인 전극을 갖는 소위 10극(tetrode) 시스템을 포함하여, 추출 전극 조립체의 또 다른 형태가 사용될 수도 있다.
도 13은 도 10 및 도 11의 가속 관과 이온 소스의 또 다른 도면으로서, 요구되는 갭 전압을 가속기의 여러 전극에 인가하는 전력 공급 장치들의 배치를 나타내기 위해 주석을 더한 도면이다. 도 14는 전력을 다른 이온 소스 전기 소모기에 공급하는 개략도이다.
도 6, 도 7 및 도 8을 참조하여 더 쉽게 설명된 바와 같이, 가속 관 주위의 3개의 대칭 위치에 5개의 열로 배치된 총 15개의 전력 공급 유닛 하우징들(103)이 있다. 또한 각각의 가속기 관과 샤프트 조립체는 5개의 상호 간에 절연된 교류 발전기들을 탑재하고 있으므로, 결국 격납 용기(90) 내에 총 15개의 교류 발전기가 있다. 도 13에 특히 잘 도시된 예에서, 70㎸의 갭 전압이 전극 칼럼을 따른 전극들의 인접 쌍들 간의 각각의 가속 갭들 양단에 인가된다. 전극 칼럼의 좌측 단부는 가속기 관의 연장 관(120)과 함께 접지 전위에서 격납 용기의 단부 벽에 직접 연결되어 있다. 전극 칼럼의 14개의 가속 갭들의 결과로서, 전극 칼럼의 우측 단부 전극(도 10에서 117)은 980㎸이다. 또한 이온 소스 조립체(92)의 플랜지들(122, 123) 간에 인가되는 추출 전위는 본 예에서 70㎸이므로 결국, 이온 소스의 플라즈마 실(125) 자체는 1050㎸의 전위에 유지될 수 있다. 따라서, 전체 이온 소스와 전극 조립체는 바로 1MeV 이상의 정상 에너지를 갖는 이온 빔을 생성한다.
전술한 바와 같이, 각 가속 갭은 개별의 전기적으로 절연된 전력 공급 유닛에 연결되어 있으므로, 14개의 전력 공급 유닛들(도 13에서 1 내지 14번까지 사각으로 표현됨)이 전극 칼럼(110)의 14개의 갭들 양단에 갭 전압을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 그러나 접지 전위의 좌측 단부 전극(116)과 바로 인접한 +70㎸의 중간 전극 간에 연결된 전력 공급 유닛은 입력 전력을 외부 주 공급 장치로부터 격납 실의 벽을 통해 진공 공급 경로(도시 안 됨)를 거쳐 공급된다. 이 제1 전력 공급은 접지 전극(116)을 통해 접지에 기준되어 있는 출력 전압을 제공하기 때문에, 이 전력 공급 유닛은 실로 외부 주 공급 장치로부터 공급될 수 있다. 전극 칼럼(110)의 나머지 가속 갭들 양단에 연결된 2번부터 14번까지의 전력 공급 유닛들은 각각 가속기 관과 샤프트 조립체들(96, 97, 98)(도 8) 상의 이용가능 13개의 교류 발전기부들의 각각의 것에 의해 공급된다. 15번째 이용가능 고 전압 전력 공급 유닛은 요구되는 추출 전압을 이온 소스의 플랜지들(123,124) 간에 인가하기 위해, 즉, 적절한 바이어스를 추출 전극 조립체(133)(도 12)의 추출 전극에 인가 하기 위해 사용된다. 또한 이 15번의 특정 전력 공급 유닛은 전자 억제 바이어스를 추출 전극 조립체(133)의 전자 억제 전극에 인가하기 위해 사용되는 추가의 보다 적은 고 전압 전력 공급 유닛을 포함한다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 15번의 전력 공급 유닛은 14번의 교류 발전기로부터 교류 입력 전력을 공급받는다.
도 14는 15번의 교류 발전기로부터 전력을 수신하는 이온 소스의 다른 요소들에 전력장치를 개략적으로 나타낸다. 따라서, 15번의 교류 발전기로부터의 전력은 이온 소스의 플랜지 실을 구동하기 위해 마그네트론을 생성하는 초음파 에너지에 전력 공급을 위해, 이온 소스 내의 플랜지를 제어하기 위해 사용되는 자화 코일의 구동을 위해 그리고 이온화 가스의 소스를 이온 소스에 제공하기 위한 H2 발전기의 제어를 위해 사용된다.
도 13 및 도 14에 개시된 배치에 의하면, 외부 접지 전위에 기준할 수 없는 모든 전력 공급은 가속기의 격납 용기 내의 개별 상호 분리된 교류 발전기들로부터 유도된다.
도 15는 교류 발전기 샤프트 조립체의 횡단면도로서, 상술한 바와 같은 가속기 관 및 샤프트 조립체들(96, 97, 98)의 부분을 형성하는 도면이다. 도시된 샤프트 조립체는 회전자 샤프트(151) 상에 장착된 5개의 교류 발전기의 각각의 회전자와 고정자를 나타낸다. 실제로, 교류 발전기들은 회전자 자석들에 의해 가해지는 강력한 자력으로 인하여 함께 효과적으로 "고정"되는 회전자 및 고정자를 갖는 회전자 샤프트(151) 상에 장착된다. 회전자 샤프트(151)는 강화 섬유재로 제조되고 또한 전기적으로 분리되어 있으므로, 샤프트를 따라 축 방향으로 격리된 교류 발전기들(150) 간이 전기적으로 완전히 분리될 수 있다. 도 15의 확대된 부분에 도시된 바와 같이, 각각의 교류 발전기들(150)은 개략적으로 (153)으로 나타낸 하나 이상의 고정자를 내장하는 고정자 유닛(152)을 포함한다. 회전자 유닛(154)은 고정자 유닛(152) 내의 회전을 위해 장착되며, 회전자 영구 자석들(155)을 탑재한다. 고정자 내의 회전자의 회전은 본 분야의 숙련자에 의해 잘 이해되는 바와 같이, 고정자 권선들(153) 내에 교류 전류를 생성한다.
회전자 샤프트(151)의 길이를 따른 가속기들(150)의 회전자들(154) 각각은 예를 들어, 그루브 나사들(grub screw)에 의해 외면에 고정된다. 회전자 샤프트(151)는 공동 실린더로서 제조될 수도 있으며, 이 경우에 강화하는 실린더 부분들(156)은 회전자 샤프트(151)의 원통형 벽의 왜곡을 방지하도록 회전자들(154)의 축 방향 위치로 기록된 회전자 샤프트(151)의 구멍 내부에 위치될 수도 있다.
가속기를 조립할 때, 도 15에 도시된 바와 같이, 회전자 조립체들은 회전자 샤프트(151) 상에 위치된 교류 발전기들(150)의 회전자와 고정자 요소들 둘 다를 포함하여, 도 16에 (160)으로 표시된 바와 같이, 관형 요소들 내로 삽입된다. 관형 요소들(160) 각각은 구동 모터들(99, 100, 101) 각각의 케이싱의 일 단부에서 고정된다. 회전자 샤프트(151)의 대응 단부는 (161)로 나타낸 바와 같이, 각 모터(99)의 회전자에 연결된다. 베어링 캡(bearing cap)(162)은 관형 요소(160)의 타단부에 고정되어 회전 베어링(163)을 제공함으로써 회전자 샤프트(151)의 반대 대응 단부를 지지한다. 교류 발전기들의 조립체를 완성하기 위해, 회전자들과 고정자들 양자를 갖는 전체 회전자 샤프트(151)의 조립체는 고정자들의 각도 정렬(angular alignment)이 원하는 데로 될 때까지 관형 요소(160) 내부에서 회전된다. 그 다음, 고정자들은 관 요소(160) 내에 고정되고, 회전자 샤프트(151) 상에 회전자들에 상대하여 중심을 잡으므로, 회전자 샤프트 상의 회전자들이 고정자들 내에서 회전가능하게 되므로, 결국 요구되는 교류 전력을 생성할 수 있다.
회전자 샤프트(151)와 마찬가지로, 교류 발전기들의 고정자들을 탑재하는 관 요소인 고정자 관들(160)은 전기적으로 절연재, 통상적으로 유리섬유로 제조되므로 교류 발전기들의 고정자들도 또한 서로 간에 전기적으로 완전히 분리될 수 있다.
도 17 및 도 18은 고정자 관들(160)과 함께 전력 공급 유닛 케이싱들(103)의 조립체를 나타낸다. 도 17은 본질적으로 가속기의 중앙 축(132)의 라인을 따라 일 단부에서 본 조립체를 나타낸다. 도 18은 도 17의 라인 A-A를 따라 취한 조립체의 축 방향 단면도이다. 각각의 개별 PSU 케이싱(103)은 전력 공급 전자 장치들을 내장하는 중앙 하우징 영역(170)과 이웃하는 고정자 관들(160)을 둘러싸 그에 고정되는 측방향 링 요소들(171, 172)을 포함한다. 전술한 바와 같이, 전체 15개의 전력 공급 유닛 케이싱들(103)은 3개의 교류 발전기 조립체들의 3개의 고정자 관들(160)을 효과적으로 상호 연결하는 도 17에 도시된 바와 같이, 중앙 축(132) 주위에 대칭적으로 3개씩 5그룹으로 분산 배치된다. 각 뱅크 내의 케이싱들(103)은 축 방향(중앙 축(132)에 상대하는 방향)으로 균등하게 격리되어 있다. 그러나, 3개의 뱅크들의 케이싱들은 축 방향으로 서로 상대적으로 균등하게 엇갈려 배열된다. 이는 케이싱들(103)의 한 뱅크와 그 뱅크의 케이싱들(103)을 교류 발전기(98)의 고정자 관에 연결하는 연관된 링 요소들(172)을 (단면으로) 나타내는 도 18에서 가장 잘 볼 수 있다. 또한 도 18에서 제2 뱅크의 전력장치 케이싱들(174) 각각은 교류 발전기(98)의 고정자 관을 둘러싸는 링 요소(171)와 교류 발전기 조립체(96)의 고정자 관(160)을 둘러싸는 링 요소(172)를 갖는다. 도 18에서, 전력 공급 유닛의 제3 뱅크의 링 요소(171)의 한 구역만을 교류 발전기 조립체(96)의 고정자 관(160)을 둘러싸는 것으로 도시되어 있다. 그러므로, 교류 발전기 조립체 각각의 고정자 관은 전력 공급 유닛 하우징들의 두 이웃하는 뱅크들의 일 요소들을 탑재함을 볼 수 있다. 제3그룹의 더미(dummy) 링 요소들(175)은 각각의 고정자 관(160) 상에 제공되어 있으므로, 링 요소들이 고정자 관들 상에 축의 방향으로 균등한 간격으로 제공될 수 있어 양호한 정전 균일성을 제공할 수 있다.
교류 발전기 조립체들(96, 97, 98) 상의 교류 발전기들의 고정자와 회전자 요소들은 전력 공급 유닛 케이싱(103)의 각각과 연관된 링 요소들(172)과 정렬하도록 축 방향으로 위치된다. 따라서, 도 19 및 도 20에서 더 쉽게 볼 수 있는 바와 같이, 전력 공급 유닛 케이싱의 링 요소(172)는 효과적으로 교류 발전기(176)를 둘러싼다. 도 19는 전극 칼럼의 연관된 전극들을 갖는 단일 전력 공급 유닛 케이싱의 등각도이다. 도 19에서, 고정자 관(160)은 간략히 하기 위해 생략된다. 개구(180)는 링 요소(172)의 내부로부터 PSU 케이싱(103)의 하우징 영역(170)의 내부로 연장되어 있다. 대응하는 개구는 고정자 관(도시 안 됨)의 원통형 벽을 통해 제공되며, 교류 발전기(176)는 링 요소(172) 내에서 그의 축 주위에 배향되어 있으므로, 결국 전력 커넥터 부위(181)(도 15에서 가장 잘 보임)는 개구(180)와 정렬될 수 있다. 도관 커넥터(182)(도 20)는 개구(180)를 통해 끼워질 수 있어, 교류 발전기의 커넥터 부위(181)와 연결될 수 있으므로, 입력 전력으로서 교류 발전기 출력이 케이싱(103)의 하우징 영역(170) 내에 내장된 전력 공급 유닛에 공급될 수 있다.
도 19 및 도 20은 또한 가속기의 전극 칼럼(110)의 전극들의 인접 쌍들(183, 184)을 나타낸다. 전극 칼럼(110)과 케이싱(103)의 주변 조립체 및 교류 발전기 조립체들(96, 97, 98) 간의 구조적 연결은 없다. 전극 칼럼은 각 단부에서 구조적으로 지지되는데, 연장 관(120)을 통해 격납 용기의 하류 단부에 연결된 일 단부에서는 접지 전극(116)으로 그리고 타 단부에서는 이온 소스의 추출 조립체의 플랜지(122) 상의 연장 관(121)을 통해 지지되는 고 전압 단부 전극(117)으로 지지된다(도 10). 마찬가지로, 각각의 교류 발전기 조립체들(96, 97, 98)의 일 단부는 격납 용기의 하류 단부에 있는 강화 판(95)에 고정된 구조(102)로부터 각각의 교류 발전기 모터들을 통하여 지지된다(도 9). 각각의 고정자 조립체들(96, 97, 98)의 타단은 이온 소스의 추출 조립체의 플랜지(122)에 연결된다. 교류 발전기 조립체들이 실질적으로 압축될 수 없다는 사실로 인하여, 이 구조는 상당한 강성을 가지고 있으며, 그에 의해, 전체 유닛이 격납 용기의 하류 단부로부터 외팔보 양식으로 현수될 수 있게 한다. 중력의 영향으로 구조상 일부 "처짐"을 지지하기 위해, 절연재로 제조된 비스듬한 조임 봉들이 결합될 수도 있다.
도 19에 도시된 바와 같이, (185) 및 (186)으로 나타낸 두 고 전압 연결부는 전력 공급 하우징들(103)로부터 전극들(183, 184)의 인접한 쌍들까지 만들어진다. 연결부(185)는 국부 접지 연결부를 전극들(183)에 제공하고, 연결부(186)는 국부 고 전압 연결부를 인접한 전극(184)에 제공한다. 케이싱(103)의 하우징(170) 내의 전력 공급 유닛은 도 13의 도시에 의하면, 가속기의 요구되는 갭 전압, 예를 들어, 70㎸의 갭 전압에 대응하는 연결부들(185, 186) 간에 적당한 전압을 생성한다.
도 13을 고려하면, 도 19에 도시된 케이싱(130)의 하우징(170) 내에 내장된 전력 공급 유닛은 예를 들어, 4번 전력 공급 유닛을 대표한다. 그 다음, 5번 고 전압 전력 공급 유닛은 고정자 관들(96, 97, 98)을 따라 축 방향으로 가장 근접한 케이싱(103)에 대응하는 케이싱 내의 전력 공급 유닛에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 13으로부터의 제4 전력 공급 유닛은 고정자 관(98) 상의 좌측으로부터 그에 따른 제4 링인 링 요소를 갖는 도 18에서 볼 수 있는 바와 같은, 케이싱(190) 내의 전력 공급 유닛일 수 있다. 다음의 보다 높은 전력 공급 유닛(제5)은 고정자 관(98) 상에서 그를 따라 제5 링 요소를 갖는 도 18에 도시된 바와 같이 케이싱(191) 내에 내장된다. 이 다음의 보다 높은 전력 공급 유닛으로부터의 대응하는 국부 접지 연결부는 전극(84)에 연결되므로(도 19), 이 다음의 보다 높은 전력 공급 유닛은 이전의 것과 직렬로 효과적으로 연결될 수 있다.
도 21은 가속기의 여러가지 고 전압 전력 공급 유닛에 대해 상호 연결 방식의 개략도이다. 이 개략적인 표현에서, 인접한 전극들(200, 201, 202, 203)은 절연 간격 부재들(204, 205, 206)에 의해 분리된다. 직렬로 연결된 연속 전력 공급 유닛들은 (207), (208), (209), (210)으로 나타낸다. 사실상, 연속하는 전력 공급 유닛들은 도 21에 개략적으로 도시된 바와 같이, 서로 인접하여 위치되지 않는다는 것을 앞의 기재로부터 이해해야한다. 만일 전력 공급 유닛(207)이 전술한 전력 공급 유닛들의 뱅크들 중 하나에 있을 경우, 도 21에 전기적으로 추종하는 전력 공급 유닛(208)은 가속기 칼럼의 축 주위에 각도를 갖고 격리된 제2 뱅크 내에 위치되며, 도 21에서 그 다음 전력 공급 유닛(209)은 제3 뱅크 내에 위치된다. 도 21 내의 전력 공급 유닛(210)은 사실상 물리적으로 전력 공급 유닛들의 동일 뱅크 내의 전력 공급 유닛(207) 다음에 위치되는 전력 공급 유닛을 대표한다. 그럼에도 불구하고, 여러 가지 전력 공급 유닛의 상호 결선은 도 21에 도시된 바와 같다.
따라서, 각각의 전력 공급 유닛들(207, 208, 209, 210)은 전극들의 각각의 인접한 쌍들 간에 연결되므로 연속하는 전력 공급 유닛들은 가속기 칼럼의 길이를 따라 연속하는 갭 전압들을 제공하도록 직렬로 효과적으로 연결될 수 있다. 각각의 전력 공급 유닛들은 이중 케이싱을 갖는다. 예를 들어, 전력 공급 유닛(207)은 케이싱(103)(도 19 및 도 20에서 전면판이 제거된 채로 보임)에 대응하는 외부 케이싱(211)을 갖는다. 외부 케이싱(211) 내에서, 각각의 전력 공급 유닛은 도 19 및 도 20에 도시된 내부 케이싱(190)에 의해 구성되는 내부 케이싱(212) 내에 있다. 내부 케이싱(212(190))은 도 21에서 (213)으로 나타낸 단일 상호 연결 지점을 제외하고 외부 케이싱(211(103))으로부터 완전히 절연된다. 내부와 외부 케이싱들 간의 이 상호 연결 지점(213)은 또한 내부 케이싱(212) 내의 전력 공급 유닛의 국부 접지에도 연결되며, 또한 연결부(185)를 통해 전극(200)(도 19에서 183)에 더 연결된다. 내부 케이싱(212) 내의 전력 공급 유닛으로부터의 고 전압 출력은 도 21에서 다음의 인접 전극(201)(도 19에서 184)에 연결을 위한 두 케이싱들(212, 211)을 통하여 공급된다. 전술한 바와 같이, 다음의 전력 공급 유닛(208)에 대한 접지 연결부는 또한 전극(201)에 연결되며 또한 다음의 전력 공급 유닛(208)의 고 전압 출역은 더 도시되는 바와 같이 후속하는 전극(202)에 연결된다.
각 전력 공급 유닛 마다 이 이중 케이싱 배치와 단일의 접지 지점으로, 내부 케이싱들(212) 내의 전력 공급 유닛들의 전극들은 부유 용량 예를 들어, 전력 공급 유닛들의 인접한 케이싱들(211) 간과 전력 공급 유닛들의 케이싱들과 외부 격납 용기 벽 간의 용량들로부터 기인되는 고 전류의 영향으로부터 보호된다.
도 22는 직류 하전 입자 가속기에 대한 전극 칼럼의 또 다른 실시예를 나타낸다. 공지된 입자 가속기 칼럼들은 절연 요소들에 의해 격리된 2개 이상의 가속기 전극들을 포함한다. 전력 공급 장치는 칼럼을 따라 요구되는 가속 전압을 제공하도록 전극들의 인접 쌍들 양단에 소망하는 갭 전극을 인가한다. 직류 가속기 칼럼들과의 공지된 문제점은 예를 들어, 가속하는 전극들 및 가속기를 통하여 가속되는 빔 경로를 따른 잔여 가스 분자와의 충돌 결과로서 2차 전자를 생성할 수 있다는 것이다. 그러한 2차 전차는 상류 반대 방향으로 가속기 전극들에 의해 가속되어, 원하지 않는 심지어 해로운 방사를 생성하여, 고 전압 전력 공급 유닛 상에도 부가적인 전류 방출을 생성한다.
전자 억제의 어떤 형태를 제공하는 것은 직류 입자 가속기들에서 통상의 실시이다. 가속기 칼럼의 길이를 따른 전자 억제는 전자들을 편향시키도록 적절한 자계를 준비함으로써 제공되었으며, 그 결과 그들은 표면을 충돌하여 고 에너지로 가속되기 전에 중화될 수 있다.
입자 가속기 내의 전자 억제의 문제점은 특히, 양의 하전 입자들 또는 양 이온들의 가속에 대해 관련된다. 본 실시예는 직류 양 이온 가속기의 전극 칼럼의 적어도 하나의 전극들의 전방에 부가 억제 링을 제공한다. 전극 억제 링은 가속기 전극에 상대하여 어느 정도 음인 전압으로 바이어스된다. 가속기 칼럼의 각각의 개별 전극은 기술되는 바와 같은 억제 링으로 장착된다.
이제 도 22에 도시된 구조를 더 특히 참조하면, 직류 하전 입자 가속기의 가속기 칼럼의 구획은 절연 간격 부재들(303, 304, 305, 306)에 의해 격리된 가속기 전극들(300, 301, 302)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 도시된 예에서, 전극 칼럼 내의 전극들의 각 인접 쌍 양단에 인가되는 갭 전압은 50keV이지만 어떤 적절한 갭 전압이 인가되어도 좋다. 또한 전극들(300, 301) 간에 위치된 가속기 전극은 도면의 사이즈를 줄이기 위해 생략되었음을 이해할 것이다. 그러므로, 도 22는 50keV의 갭 전압을 200keV의 전극(302) 상의 전압까지 인가하는 전극들을 도시한다. 도시된 칼럼은 소망하는 바와 같은 가속기의 총 전압을 더 증가시키는 전극들과 절연체들을 더 가질 수도 있다. 예를 들어, 가속기는 상기 기재에서 도 13에 도시된 가속기 칼럼(110)과 같은 14개의 가속 갭들을 가져도 좋다.
본 예에서, 양 이온들을 가속시키기 위해, 이온 소스는 도시된 전극 더미의 좌측에 위치되어 있으므로, 양 이온들이 고 전압으로부터 접지로, 즉, 도면에서 좌측에서 우측으로 가속될 수 있다.
각 억제 링(307, 308, 309)은 가속기 전극들(300, 301, 302) 각각의 바로 전방에 장착된다. 본 예에서, 억제 링(307)은 전극(300)으로부터 직접적으로 절연체(310)에 의해 장착된다. 마찬가지로 억제 링들(308, 309)은 각 절연체들(311, 312) 상의 전극들(301, 302)로부터 직접적으로 장착된다.
각각의 가속기 전극들(300, 301, 302)은 가속된 빔의 통과를 위한 중앙 개구(313)를 갖는 환상판을 포함한다. 각 전극(300)의 하류측 상에는 원통형 연장 플랜지(314)가 있는데, 이는 절연체들(303, 304, 305, 306)의 내부 표면들을 스크리닝(screening)하는 역할을 한다. 각 억제 링(307)은 가속기 전극(300) 내의 개구(313)의 직경보다 약간 큰 내부 직경을 갖는 원통형 요소(315)를 포함한다. 억제 링(307)의 원통형 요소(315)는 이웃하는 상류 전극의 원통형 플랜지(314)로 약간 연장하도록 절연체(310) 상에 장착된다. 또 다른 원통형 플랜지 요소(316)는 상류로 연장하는 각 가속기 전극(300) 상에 형성된다. 원통형 플랜지 요소(316)의 직경은 억제 링(307)의 원통형 요소(315)의 외경보다 크며 또한 플랜지 요소(316)는 절연체(310)의 내부 표면들의 스크리닝을 제공하기 위해 원통형 요소(315)와 중첩한다. 또한 억제 링들(307)의 원통형 요소들(315)도 다음의 상류 가속기 전극의 원통형 플랜지들(314)과 중첩되므로, 주 간격 분리 절연체들(303, 304, 305, 306)의 내부 표면들의 스크리닝을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 의하면, 각각의 억제 링들(307, 308, 309)은 가속기 전극들(300, 301, 302)에 상대하여 음으로 바이어스된다. 그 다음, 각 억제 링들의 직하류 영역에서 생성된 전자들은 상류로 후퇴 가속되는 것이 방지된다. 이러한 식으로 예를 들어, 가속기 전극들(300, 301, 302)을 빔 이온들에 의해 생성된 2차 전자들이 각 억제 전극들(307, 308, 309)의 하류에 트랩(trap)되어 상류로 후퇴 가속되지 않는다.
도 23은 억제 링들(307, 308, 309)에 바이어스 전압을 인가하기 위한 배치를 나타낸다. 도 23에서, 전극들의 인접 쌍들 양단의 갭 전압들은 일반적으로, (350)으로 나타낸 전위 분배기에 의해 제공된다. 가속 전극들의 인접 쌍 사이의 전위 분배기의 각 요소는 직렬로 연결된 저항 R1과 R2로 구성되어 있다. 만일 각 억제 전극에 인가되는 음의 바이어스 전압이 가속기 전극들의 인접 쌍들 간에 인가된 갭 전압의 십분의 일인 경우, R2 = 9*R1이다. 도 23에서 볼 수 있는 바와 같이, 전위 분배기(350)는 연속하는 가속기 전극들 간에 200㎸의 전력으로부터 인가된 전압을 균등하게 분할하므로, 각각의 양단의 전압 갭은 50㎸이다. 각 단의 저항들(R1, R2) 간의 직렬 연결점(351)은 가속기 전극의 상류에 위치된 억제 링(352)으로 귀환 연결된다.
도 23에 도시된 배치 대신에, 도 22의 실시예의 억제 링들은 도 5와 연관하여 상술한 전기적으로 절연된 개별 고전압 전력 공급 유닛들(60, 61, 62)을 사용하여 바이어스될 수 있다. 그 다음, 각 고전압 전력 공급 유닛들(60, 61, 62)은 요구되는 갭 전압보다 억제 링에 인가될 음 바이어스의 양만큼 적은 출력 전압을 더 생성하기 위한 부가 회로를 포함한다. 이러한 종류의 배치는 도 22에 도시되어 있다. 고전압 전력 공급 유닛(360)은 전극(300) 상에 갭 전압(50㎸)을 설정하도록 361에 출력 전압을 제공하는 것으로 도시되어 있다. 고전압 전력 공급 유닛(360)은 전극(303) 상에 장착되는 억제 링(307)에 45㎸의 전압을 공급하도록 연결된 라인(362) 상에 또 다른 출력을 제공한다. 억제 링(307)으로의 연결 라인(362)은 절연 간격 부재(304)를 통하여 진공 공급 경로(363)를 경유하여 제공된다.
도 22에 도시된 바와 같이, 다음의 고전압 전력 공급 유닛(364)은 전력 공급 유닛(360)과 직렬로 연결되며 또한 다음으로 더 높은 가속기 전극을 100㎸에 그리고 그의 연관된 억제 링을 95㎸에 설정하도록 라인들(365, 366) 상에 유사한 출력 전압들을 제공한다. 도 22는 또한 전극들(301, 302) 간에 갭 전압을 제공하며 또한 억제 링(309)에 바이어스를 제공하는 제3 고전압 전력 공급 유닛들(367)을 나타낸다.
본 발명의 실시예들은 예를 들어 위에 기술되었다. 비록 기술된 실시예들 중 하나가 14개의 가속 갭들을 제공하는 전극 칼럼을 가지며, 다른 실시예들은 적절한 수의 조정된 전력 공급 유닛들을 갖는 수 개 이상의 갭들을 갖는 것으로 계획될 수도 있다.
가속기 칼럼 주위에 대칭으로 분포된 5개의 가속기들의 3개의 뱅크들로 구조를 설명하였다. 각 교류 발전기 조립체는 수 개 이상의 개별 교류 발전기들을 포함할 수도 있으며 또한 그 구조는 수 개 이상의 교류 발전기 조립체들로 계획될 수도 있다.
총 15개의 조정된 전력 공급 유닛들은 가속기 칼럼의 전극들 간에 14개의 갭들 각각의 양단에 갭 전압들을 생성하고, 그에 더하여 이온 소스에 추출 전압을 생성하는 것으로 개시되었다. 각각의 이들 조정된 전력 공급 유닛들은 공지된 기술을 사용하여 가속기의 격납 용기 외측으로부터 원격으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 제어 신호들은 광섬유를 통해 전송되는 광학 신호들을 사용하여 조정된 전력 공급 유닛들에 공급될 수 있다. 이러한 식으로, 제어 신호들은 전력 공급 유닛들의 전기 절연을 손상시키지 않고 각각의 조정된 개별 전력 공급 유닛에 공급될 수 있다.
위에서 도 6 내지 도 21을 참조하여 기술된 본 발명의 실시예는 양호한 안정성을 갖는 고 에너지 즉, 고 전류 빔을 생성하는 하전 입자 가속기를 제공할 수 있다. 각 가속 갭마다의 개별적으로 조정된 전력 공급 유닛의 사용은 총 전압 효과에 대해 저항성을 향상시키는 것으로도 기대될 수 있다. 총 전압 효과는 가속기들에서 폭주 파괴(runaway breakdown)가 보다 더 높은 총 에너지에서 발생할 경향을 증가시키는 것을 관측하고 주어진 명칭이다.
일반적으로, 지금까지 명료성과 완전성을 위해 다양한 예들과 실시예들이 제공되었다. 본 명세서를 이해하면 본 기술에 숙련자는 본 발명의 다른 실시예들도 알 수 있을 것이다. 하전 입자들을 가속하기 위한 상세한 방법 및 시스템을 여기 기술하였지만, 기타 다른 방법들과 시스템들도 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있다. 전술한 기재는 본 발명을 취할 수 있는 수 많은 형태 중 단 몇 개만 기술하였다. 이러한 이유로 이 상세한 기재는 도시에 의해 제한되지 않으며, 다만 본 발명의 범위를 한정하기 위한 모든 등가물들은 다음의 청구범위에 포함된다.

Claims (27)

  1. 직류 하전 입자 가속기로서,
    단부 전극들과 적어도 N-1개의 중간 전극들을 포함하는 가속기 전극들로서, 상기 가속기 전극들은 상기 전극들의 인접 쌍들 간에 적어도 N개의 가속 갭들을 한정하고, N은 적어도 3인 것인, 상기 가속기 전극들; 및
    상기 N개의 가속 갭들을 한정하는 상기 가속기 전극들의 각 인접 쌍들에 연결된 출력 라인들의 N쌍을 갖는 조정된 직류 고 전압 전력 공급 장치(regulated d.c. high voltage power supply apparatus)를 포함하되,
    상기 조정된 직류 고 전압 전력 공급 장치는 상기 출력 라인들의 N쌍에 N개의 조정된 직류 고 전압 출력 전압들을 제공하여 상기 N개의 가속 갭들의 양단에 갭 전압들을 제공하도록 동작 가능하고, 상기 N개의 조정된 직류 고 전압 출력 전압들은 서로 전기적으로 분리되어 있는 것인, 상기 조정된 직류 고 전압 전력 공급 장치를 포함하고,
    상기 조정된 직류 고 전압 전력 공급 장치는,
    서로 직류 분리되어 있는 N개의 직류 전압 발전기들로서, 상기 전압 발전기들의 각각은 상기 출력 라인들의 N쌍 중 하나를 각각 갖고, 상기 전압 발전기에 배송된 입력 전력으로부터 상기 N개의 조정된 직류 고 전압 출력 전압들 중 하나를 각각 생성하도록 구성된 것인, 상기 N개의 직류 전압 발전기들; 및
    상기 전압 발전기들 간의 직류 분리를 유지하면서, 상기 N개의 직류 전압 발전기들에 상기 입력 전력을 배송하도록 구성된 직류 분리 전력 배송 장치를 포함하고,
    상기 N개의 직류 전압 발전기들은, 비조정된 입력 전력으로부터 상기 조정된 직류 고 전압 출력들을 제공하는 N개의 직류 고 전압 전력 공급 유닛들을 포함하고,
    상기 직류 분리 전력 배송 장치는 상기 직류 고 전압 전력 공급 유닛 각각에 상기 비조정된 입력 전력인 교류 전력을 배송하는 N개의 교류 발전기들을 포함하고,
    상기 교류 발전기들의 각각은, 상기 교류 전력을 제공하도록, 적어도 하나의 고정자 권선을 갖는 고정자, 및 상기 고정자에 회전 자계를 생성하여 상기 고정자 권선에 교류 전류를 유도하는 적어도 하나의 회전자 자석을 탑재하는 회전자를 포함하고,
    상기 교류 발전기들 중 적어도 두 개의 상기 고정자들은 축 방향으로 정렬되며,
    상기 직류 분리 전력 배송 장치는, 상기 적어도 두 개의 교류 발전기들의 상기 회전자들을 적어도 하나의 공통 회전자 샤프트를 따라 축 방향으로 이격하여 탑재하는 상기 공통 회전자 샤프트와, 상기 공통 회전자 샤프트에 연결된 모터를 포함하고,
    상기 교류 발전기들은 적어도 두 개의 그룹으로 배치되고, 각 그룹 내의 상기 교류 발전기들의 상기 고정자들은 축 방향으로 정렬되며,
    상기 직류 분리 전력 배송 장치는 교류 발전기들의 각 그룹마다 하나의 상기 공통 회전자 샤프트를 포함하는,
    직류 하전 입자 가속기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조정된 직류 고 전압 전력 공급 장치는 공통 값(Vgap)을 갖는 상기 N개의 조정된 직류 고 전압 출력 전압들을 제공하도록 동작 가능한 것인 직류 하전 입자 가속기.
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  10. 제1항에 있어서, 상기 직류 분리 전력 배송 장치는 고정자 관을 더 포함하며, 상기 고정자 관은 상기 고정자 관을 따라 축 방향으로 이격하여 축 방향으로 정렬된 상기 고정자들을 탑재하며, 상기 공통 회전자 샤프트는 상기 고정자 관 내에서 회전하도록 장착된 것인 직류 하전 입자 가속기.
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  15. 제1항에 있어서, 상기 직류 하전 입자 가속기는, 상기 가속기 전극들을 내장하고 상기 가속기를 통해 하전된 입자들에 대해 선형 가속 경로를 정해주는 긴 가속기 관을 갖는 선형 가속기이며;
    상기 적어도 하나의 공통 회전자 샤프트는 상기 가속기 관을 따라 장착되며 또한 상기 가속 경로에 평행하게 정렬된 것인 직류 하전 입자 가속기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 교류 발전기들은 3개 그룹으로 배치되며, 각 그룹 내의 상기 교류 발전기들의 상기 고정자들은 축 방향으로 정렬되고,
    상기 직류 분리 전력 배송 장치는 교류 발전기들의 각 그룹마다 하나의 상기 공통 회전자 샤프트를 포함하며,
    상기 가속 경로에 평행하게 정렬된 3개의 상기 공통 회전자 샤프트는 상기 가속기 관을 중심으로 대칭적으로 위치된 것인 직류 하전 입자 가속기.
  17. 제15항에 있어서, 상류 단부와 하류 단부를 갖는 가스 방지 격납용기를 더 포함하되;
    상기 가속기 관은, 진공을 밀폐하며, 상기 상류 단부와 하류 단부 간의 상기 격납 용기 내에 연장되어 하전 입자들이 상기 하류 단부를 향해 가속되고, 상기 격납 용기로부터 가속된 입자들을 통과시키도록 상기 하류 단부를 통해 진공 밀봉 연결부를 가지며;
    상기 조정된 직류 고 전압 전력 공급 장치는 상기 격납 용기 내에 내장된 것인 직류 하전 입자 가속기.
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