(57)【要約】  負イオンから正イオンへの変換効率が高く、長寿命で構造も簡単な電荷交換器と、それを用いたタンデム加速装置を提供する。  タンデム加速装置は、イオン源２から引き出される負イオン（Ｄ-）を静電加速する低エネルギー側加速管、入射する前記負イオン（Ｄ-）を正イオン（Ｄ+）に変換する電荷交換器、および変換された正イオン（Ｄ+）を再び静電加速する高エネルギー側加速管が、圧力タンク内にこの順序で収容されている。電荷交換器は、高融点金属で作製された複数の板６１が、所定の間隔を隔てて並列に並べられて構成されたものであり、複数の板６１の一方の面６１Ｓは滑らかな表面を持ち、各板６１は負イオン（Ｄ-）の入射方向に対して一方の面６１Ｓのなす角度が１０度以下となるように設置され、負イオン（Ｄ-）は板６１の一方の面６１Ｓで反射して正イオン（Ｄ+）に変換される。
2012066940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負イオンを生成するイオン源、このイオン源から引き出される負イオンを静電加速する低エネルギー側加速管、入射する前記負イオンを正イオンに変換する電荷交換器、および変換された正イオンを再び静電加速する高エネルギー側加速管が、圧力タンク内にこの順序で収容されたタンデム加速装置であって、
前記電荷交換器は、高融点金属で作製された複数の板が所定の間隔を隔てて並列に並べられて構成され、
前記複数の板の一方の面は滑らかな表面を持ち、
前記各板は、前記負イオンの入射方向に対して前記一方の面のなす角度が１０度以下となるように設置され、
前記負イオンは前記一方の面で反射して正イオンに変換されることを特徴とするタンデム加速装置。
【請求項２】
前記板の一方の面の平坦度は、表面粗さのパラメータである二乗平均平方根粗さが０．０７１以下であることを特徴とする、請求項１に記載のタンデム加速装置。
【請求項３】
前記負イオンは重水素の負イオンであり、かつ前記板はモリブデンで作製されていることを特徴とする、請求項１に記載のタンデム加速装置。
【請求項４】
前記イオン源は、セシウムを蒸発させたものから前記重水素の負イオンを取り出すことを特徴とする、請求項３に記載のタンデム加速装置。
【請求項５】
タンデム加速装置に用いられ、低エネルギー側加速管で静電加速された負イオンを正イオンに変換し、得られた正イオンを高エネルギー側加速管に供給する電荷交換器であって、
高融点金属で作製された複数の板が所定の間隔を隔てて並列に並べられて構成され、
前記複数の板の一方の面は滑らかな表面を持ち、
前記各板は、前記負イオンの入射方向に対して前記一方の面のなす角度が１０度以下となるように設置され、
前記負イオンは前記一方の面で反射して正イオンに変換されることを特徴とする電荷交換器。
【請求項６】
前記板の一方の面の平坦度は、表面粗さのパラメータである二乗平均平方根粗さが０．０７１以下であることを特徴とする、請求項５に記載の電荷交換器。
【請求項７】
前記負イオンは重水素の負イオンであり、かつ前記板はモリブデンで作製されていることを特徴とする、請求項５に記載の電荷交換器。
【請求項８】
前記複数の板は、角筒状のフレームの中空部に所定の間隔を隔てて保持され、
かつ前記フレームは、角度調整部材により、前記負イオンの入射方向に対して前記中空部の中心軸が回転できるように構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の電荷交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負イオンを加速した後正イオンに変換して再度加速することにより、高エネルギーのイオンビームを得るタンデム加速装置、およびこのタンデム加速装置に用いる電荷交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
高エネルギーのイオンビームを重金属製のターゲットに照射して、核融合により高密度の中性子を発生させる中性子発生管が、空港での手荷物中のプラスチック爆弾の検査用として、また治療用中性子源として広く利用されようとしている。【０００３】
上述の中性子発生管を実現するためには、長寿命かつ小型で高信頼性の中性子源が必要となり、これを簡便に得るためには、重水素が吸着されたターゲットに加速された重水素のイオンビームを衝突させて、ヘリウムと中性子を得る核反応を利用することが効果的である。【０００４】
上述の核反応を起こすためには、重水素に１５０ｋｅＶ程度のエネルギーを与える必要があり、このような高エネルギーのイオンビームを発生させる手段として、タンデム加速装置が利用されている（例えば、特許文献１）。【０００５】
タンデム加速装置は、内部が真空に保持された金属製の圧力タンク内に、低エネルギー側加速管、電荷交換器および高エネルギー側加速管を、この順序に配置したものである。以下、タンデム加速装置の動作について簡単に説明する。【０００６】
まず高圧電源を用いて、数万ボルト程度の高い正の電圧を電荷交換器に印加し、イオン源から負イオンのイオンビームを取り出す。次に、低エネルギー側加速管内に生成された電界によって負イオンを加速し、高圧電源の電圧に対応する運動エネルギーを与える。【０００７】
運動エネルギーを与えられた負イオンが電荷交換器を通過すると、負イオンはそれまで保持していた電子を２個以上放出し正イオンとなって、イオン源に対し電荷交換器の逆側領域にある高エネルギー側加速管に向かう。高エネルギー側加速管内には、低エネルギー側加速管内に形成される電界と強さが同じで向きが１８０度逆の電界が存在する。正イオンは進んできた方向に向かってさらに加速力を受け、電荷交換器で失った電子の数に応じて、高圧電源の整数倍のエネルギーを得る。【０００８】
タンデム加速と呼ばれる以上の原理に基づいて運転される加速装置を用いることにより、使用する高圧電源による単純加速の２以上の整数倍の高エネルギーの正イオンビームを簡便に得ることができる。【０００９】
上述の従来のタンデム加速装置では、電荷交換器において負イオンを正イオンに変換する方法として、特許文献１に記載されたようなストリッパガスを用いる方法と、非特許文献１に記載されたような炭素フォイルを用いる方法が採用されてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−１６４３９８号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】「１２ＵＤペレトロンタンデム加速器」筑波大学研究基礎総合センター応用加速器部門ホームページ[平成２２年１０月２９日検索]、インターネット、 <URL;http://web2.tac.tsukuba.ac.jp/ uttac>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述の方法のうちストリッパガスを用いる変換方法は、加速装置内部にガスを循環させる必要があるため、装置が複雑化するばかりでなく、十分な量のガスを供給しなければ電荷交換反応が不十分となる。さらに、供給されたガスが加速装置内の運転圧力を増加させ、高圧電源の絶縁に悪影響を及ぼす。特に、装置内のガス圧を適正に維持するために装置が大型化し、数万から数十万ボルト程度の電源で運転される小型のタンデム加速装置を実現することは困難であった。【００１３】
一方、炭素フォイルを用いる変換方法では、負イオンを多くの粒子と衝突させると、折角加速してきた粒子が薄膜内で衝突を繰り返し、固体中で止まってしまう。このため、炭素フォイルを極めて薄く形成することによって衝突回数を減らし、入射した負イオンを通過させる必要がある。しかし、あまりに薄いフォイルは機械的強度が十分でなく、簡単に破壊されると言う問題があった。その結果、フォイルを頻繁に取り換える必要が生じ、装置の運用コストが高くなる。【００１４】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、負イオンから正イオンへの変換効率が高く、長寿命で構造も簡単な電荷交換器と、それを用いたタンデム加速装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため本発明にかかるタンデム加速装置は、負イオンを生成するイオン源、このイオン源から引き出される負イオンを静電加速する低エネルギー側加速管、入射する前記負イオンを正イオンに変換する電荷交換器、および変換された正イオンを再び静電加速する高エネルギー側加速管が、圧力タンク内にこの順序で収容されたタンデム加速装置であって、
前記電荷交換器は、高融点金属で作製された複数の板が所定の間隔を隔てて並列に並べられて構成され、
前記複数の板の一方の面は滑らかな表面を持ち、
前記各板は、前記負イオンの入射方向に対して前記一方の面のなす角度が１０度以下となるように設置され、
前記負イオンは前記各板の一方の面で反射して正イオンに変換されることを特徴とする。【００１６】
ここで、前記板の一方の面の平坦度は、表面粗さのパラメータである二乗平均平方根粗さが０．０７１以下であることが好ましい。【００１７】
また前記負イオンは重水素の負イオンであり、かつ前記板はモリブデンで作製されていることが好ましい。なお前記イオン源は、セシウムを蒸発させたものから前記重水素の負イオンを取り出すものであってもよい。【００１８】
また前記複数の板は、角筒状のフレームの中空部に所定の間隔を隔てて保持され、かつ前記フレームは、角度調整部材により、前記負イオンの入射方向に対して前記中空部の中心軸が回転できるように構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の電荷交換器を用いれば、高い効率で重水素の負イオンを正イオンに変換できる。また、装置内にガスを循環させる必要がないため構造が簡単になり、しかも真空度を高く維持できるため、高エネルギーのイオンビームを実現できる。更に、一旦設置すれば繰り返して使用できるため、炭素フォイルを用いる場合に比較して、タンデム加速装置の運用コストを大幅に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態にかかるタンデム加速装置を中性子発生管として使用した場合の概略的な構成を示す断面図である。
【図２】図２は、図１の電荷交換器を負イオンの入射方向から見た図である。
【図３】図３は、図２のフレームに保持されたモリブデン板のうち１枚を、負イオンの進入方向Ａと直交する方向から見た図である。
【図４】図４は、モリブデン板の原子レベルにおいて平坦である面に、７５ｋｅＶのエネルギーの負イオン（Ｄ-）を角度θが１０度で入射させた時の反射ビームの強さを、理論計算に基づいて算出した結果を示す図である。
【図５】図５は、モリブデン板の原子レベルにおいて平坦である面に、７５ｋｅＶのエネルギーの負イオン（Ｄ-）を角度θが５度で入射させた時の反射ビームの強さを、理論計算に基づいて算出した結果を示す図である。
【図６】図６は、モリブデン板の原子レベルにおいて平坦である面に、７５ｋｅＶのエネルギーの負イオン（Ｄ-）を角度θが１度で入射させた時の反射ビームの強さを、理論計算に基づいて算出した結果を示す図である。
【図７】図７は、モリブデン板の原子レベルにおいて平坦である面に、７５ｋｅＶのエネルギーの負イオン（Ｄ-）を角度θが２０度で入射させた時の反射ビームの強さを、理論計算に基づいて算出した結果を示す図である。
【図８】図８は、電荷交換器の性能を評価する評価装置の概略構成を示す図である。
【図９】図９は、図８の評価装置を用いて測定した電荷交換器の性能評価結果の一例を示すグラフである。
【図１０】図１０は、低エネルギー加速管および高エネルギー加速管におけるイオンビームの強さの比を、それぞれの出口に設置した検出器で検出した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態にかかるタンデム加速装置および電荷交換器について、図面を参照して説明する。最初に、本発明にかかる電荷交換器の主たる特徴について説明する。
【００２２】
本発明は、高融点金属の表面で生じる反跳現象を利用して電荷交換器を構成したものである。モリブデンやタングステン等の高融点金属で作製された板の表面に重水素の負イオン（Ｄ-）を高速で衝突させると、電子が放出されて正イオン（Ｄ+）に変換されることが分かっている。発明者らは実験を通じ、表面が滑らかに研磨された高融点金属の板に重水素の負イオンを浅い角度で入射させると、反射ビームの指向性が鋭くなることを見出した。
【００２３】
本発明は上述の実験結果に基づいてなされたもので、電荷交換器を、高融点金属で作製され、一方の面が滑らかに研磨された複数の板を、所定の間隔を隔てて並列に並べたもので構成し、かつこれらの板を、負イオンのイオンビームの入射方向に対して前記一方の面のなす角度が１０度以下となるように傾けて設置したものである。
【００２４】
＜タンデム加速装置の構成と動作＞
次に、図１を参照して、本発明のタンデム加速装置を中性子発生管として使用した場合の実施の形態について説明する。図１に、本実施の形態にかかるタンデム加速装置の概略的な構成を示す。
【００２５】
タンデム加速装置１は、基本的に、イオン源２、低エネルギー側加速管３、高エネルギー側加速管４、高電圧ターミナル５、電荷交換器６、高電圧電源７およびターゲット８で構成され、高電圧電源７を除く各部材は、金属製の圧力タンク９に真空状態で収容されている。
【００２６】
本発明では、タンデム加速装置１を中性子発生管として機能させるため、重水素の負イオン（Ｄ-）を生成するイオン源２を用いている。例えば、セシウムなどのアルカリ金属と重水素を結合させた化学薬品をイオンの発生源として用い、これを加熱・蒸発させると、アルカリ金属の正イオンと重水素の負イオンが発生する。このうちアルカリ金属の正イオンは圧力タンク９の壁に吸着して取り除かれ、重水素の負イオン（Ｄ-）だけが残る。なお、アルカリ金属としてはセシウムが最適であるが、他のアルカリ金属を用いても同様の効果が得られる。
【００２７】
図示しないが、イオン源２の内部には高周波発生装置が設けられ、またイオン源２の周辺には永久磁石が設けられている。高周波の印加と永久磁石の作用により重水素の負イオン（Ｄ-）はプラズマ状態となり、図示しないレンズ系によりビーム形状に成形された後、イオン放出孔より低エネルギー側加速管３内に放出される。
【００２８】
低エネルギー側加速管３は、中心部にイオンビームを通過させる孔を有し、かつ等間隔に配置された複数の電極３１を、アルミナセラミックなどの絶縁物からなる短管３２を介して積層したものである。隣り合う電極３１間には分圧抵抗が接続され（図示せず）、一連の分圧抵抗と電極３１によって分圧回路が構成されている。
【００２９】
電極３１のうち低エネルギー側加速管３の入口側の端部の電極の電位は接地電位に固定され、出口側の端部の電極は高電圧ターミナル５に電気的に接続されている。
【００３０】
高エネルギー側加速管４は、低エネルギー側加速管３と同様に構成されている。ずなわち、中心部にイオンビームを通過させる孔を有し、かつ等間隔に配置された複数の電極４１が、ガラスなどの絶縁物からなる短管４２を介して積層されている。また隣り合う電極４１間には分圧抵抗が接続され（図示せず）、一連の分圧抵抗と電極４１によって分圧回路が構成されている。
【００３１】
電極４１のうち高エネルギー側加速管４の入口側の端部の電極は高電圧ターミナル５に電気的に接続され、出口側の端部の電極の電位は接地電位に固定されている。
【００３２】
筒状の金属で作製された高電圧ターミナル５は、高電圧電源７から接地電位に対して正の加速電圧が印加されており、低エネルギー側加速管３および高エネルギー側加速管４のそれぞれの隣り合う電極間には、加速電圧を分圧回路により分圧して得た等しい電圧が印加される。また高電圧ターミナル５には、電荷交換器６が収容されている。電荷交換器６の構成については、後に図２および図３を参照して詳述する。
【００３３】
本実施の形態では、ターゲット８に、パラジウムに重水素を含浸させたものを用いている。高エネルギー側加速管４から放出された重水素の正イオン（Ｄ+）のイオンビームがターゲット８に高速で衝突すると、衝撃によりターゲット８に含浸された重水素との間で核融合反応が生じ、ヘリウムと中性子が発生する。
【００３４】
次に、タンデム加速装置１の動作について説明する。低エネルギー側加速管３、高電圧ターミナル５および高エネルギー側加速管４が真空に保持された状態において、図１に矢印で示すように、イオン源２から放射された重水素の負イオン（Ｄ-）のイオンビームが、低エネルギー側加速管３に入射する。
【００３５】
低エネルギー側加速管３に入射したイオンビームは、電極３１間の電界により加速されて７５ｋｅＶ程度のエネルギーを得た後、高電圧ターミナル５内の電荷交換器６に供給される。低エネルギー側加速管３により加速された重水素の負イオン（Ｄ-）は、後述するようにモリブデン板６１の原子に衝突することにより、核外電子が剥ぎ取られて正イオン（Ｄ+）に変換される。
【００３６】
電荷交換器６から出力される重水素の正イオン（Ｄ+）のイオンビームは高エネルギー側加速管４に入射され、電極４１間の電界により接地電位に向かって再度加速され、１５０ｋｅＶ程度のエネルギーを得た後、ターゲット８に衝突する。重水素の正イオン（Ｄ+）の衝突により、ターゲット８から中性子が放出される。
【００３７】
＜電荷交換器の構成と動作＞
次に、図２および図３を参照して、本実施の形態にかかる電荷交換器６の構成と動作を説明する。図２は、電荷交換器６を負イオンの入射方向から見た図である。電荷交換器６は、モリブデンで作製された複数枚の板６１、フレーム６２、アーム６３および角度調整部材６４で構成されている。
【００３８】
フレーム６２は、中空部の軸が上下方向（紙面と垂直方向）に配置された角筒状の金属で作製されている。フレーム６２の中空部の対向する内壁に、複数の溝が等間隔に形成されており、その溝にモリブデン板６１の両端部が挿入されている。これらの溝により複数のモリブデン板６１は、所定の間隔を隔てて並列に並べられた状態で保持される。
【００３９】
フレーム６２は、一対のアーム６３を介して角度調整部材６４に取り付けられている。角度調整部材６４は高電圧ターミナル５に固定されており、図示しない角度調整機構により、上下方向（紙面の垂直方向）に回転し、かつ回転した位置で保持できるように構成されている。
【００４０】
各モリブデン板６１のうち負イオンのイオンビームが照射される面は、磨き粉などの研磨剤を用いて研磨した後、絹布等を用いて表面の凹凸が取り除かれ、平坦度が原子レベルにおいて平坦である、具体的には表面粗さのパラメータの一種である粗さ曲線要素の最大山高さおよび最大谷深さが１μｍ以下である滑らかな面に仕上げられている。
【００４１】
図３は、フレーム６２に保持されたモリブデン板６１のうち一枚を、負イオンの進入方向と直交する方向から見た状態を示す。モリブデン板６１は、イオンビームが研磨された滑らかな面６１Ｓに照射されるように配置されている。図３（ａ）は、重水素の負イオン（Ｄ-）の進入方向Ａとモリブデン板６１の研磨された滑らかな面６１Ｓとのなす角度θが小さい場合を示し、図３（ｂ）は角度θが比較的大きい場合を示す。
【００４２】
重水素での実験を模擬するため，水素を用いた実験を重ねた結果、図３（ａ）に示すように、負イオンの進入方向Ａと金属板６１の研磨された面６１Ｓとのなす角度θが１０度以下の場合には、入射した水素の負イオンは、モリブデン板６１のモリブデン原子に衝突して、ほぼ１００％の確率で正イオンに変換され、また大半の正イオンが入射角と等しい角度で反射することが分かった。更に、角度θが１度前後のときに、反射した正イオンの指向性が最も急峻になることが分かった。
【００４３】
参考として図４に、モリブデン板の原子レベルにおいて平坦である面に、７５ｋｅＶのエネルギーの負イオン（Ｄ-）を−８０度（すなわち図３に示す負イオンの進入方向Ａとモリブデン板６１の研磨された滑らかな面６１Ｓとのなす角度θが１０度）で入射させた時の反射ビームの強さを、ＡＣＡＴ（Atomic Collision in Amorphous Target）を用いて算出した結果を示す。
【００４４】
ＡＣＡＴはスパッタリング解析コードとしてよく知られており、例えば、以下の資料に詳述されている。
「核融合炉実現を目指したトリチウム研究の新展開」の“プロジェクト資料”の「（２）スパッタリング解析コードＡＣＡＴ、ＡＣＡＴ−ＤＩＦＦＵＳＥについて」剣持他２名〔平成２３年１０月１４日検索〕、インターネット〈URL://http://tritium.nifs.ac.jp/project/02/index.html〉
【００４５】
図４において、円周方向には負イオン（Ｄ-）の入射角度（−９０度〜９０度）が示されている。また径方向に示したＹｉｅｌｄは、１００個の粒子が入射したときに反射する粒子の数を、角度毎に●印で示したものである。図より、入射角度が１０度の場合、反射ビームは優れた指向性を示すことが分かる。
【００４６】
同様に、図５には、７５ｋｅＶのエネルギーの負イオン（Ｄ-）を−８５度、すなわち角度θが５度で入射させた時の反射ビームの強さを示す。また図６には、７５ｋｅＶのエネルギーの負イオン（Ｄ-）を−８９度、すなわち角度θが１度で入射させた時の反射ビームの強さを示す。図５および図６から明らかなように、角度θが小さくなるにつれて反射ビームの指向性が急峻になることが分かる。特に１度ではほぼ直線に収束している。
【００４７】
これに対し、モリブデン板６１の表面を十分に研磨せず、面が原子レベルにおいて平坦でない、すなわち粗さ曲線要素の最大山高さまたは最大谷深さが１μｍを超える場合には、角度θが１０度以下であっても、イオンビームが反射面で散乱して、高エネルギー側加速管４に入射するイオンの数が減り、変換効率が低下することがわかった。
【００４８】
更に、図３（ｂ）に示すように、角度θが１０度を超える場合には、面６１Ｓの平坦度が原子レベルにおいて平坦である、すなわち粗さ曲線の最大山高さおよび最大谷深さが１μｍ以下あっても、イオンビームが反射面で散乱して、変換効率が大幅に低下することが分かった。
【００４９】
参考として図７に、モリブデン板の原子レベルにおいて平坦である面に、７５ｋｅＶのエネルギーの負イオン（Ｄ-）を−７０度（すなわち図３に示す負イオンの進入方向Ａとモリブデン板６１の研磨された滑らかな面６１Ｓとのなす角度θが２０度）で入射させた時の反射ビームの強さを、図４と同様にＡＣＡＴを用いて算出した結果を示す。図に示すように角度θが２０度の場合には、反射ビームが広がって指向性が悪くなっている。
【００５０】
＜性能評価試験＞
次に、電荷交換器６の性能評価試験について説明する。最初に、図８を参照して、電荷交換器６の性能を評価する評価装置１０の構成を説明する。
【００５１】
評価装置１０は、図１に示すタンデム加速装置１の高エネルギー側加速管４のイオンビームの出口側に、ターゲット８の代わりに設置する。評価装置１０は、イオンビームの検出器１１と、検出器１１の入口に取り付けられ、０．３ｍｍ程度の幅のスリット１２Ｓが形成された遮蔽板１２と、電界によりイオンビームを偏向させる並行平板型の一対のビーム偏向板１３ａおよび１３ｂとで構成されている。
【００５２】
検出器１１は、遮蔽板１２のスリット１２Ｓから入射したイオンビームの強さを電流値として検出するものである。遮蔽板１２は、矢印で示すように図示しない駆動手段により、イオンビームの進行方向Ａと直交する方向に移動できるように構成されている。また、遮蔽板１２と検出器１１は一体的に移動する。
【００５３】
ビーム偏向板１３ａおよび１３ｂの間に偏向電圧を印加しない場合、重水素の正イオン（Ｄ+）のイオンビームは、実線の矢印で示すように負イオンのイオンビームの進行方向Ａとほぼ並行に進行する。一方、偏向電圧を印加した場合は、破線の矢印で示すようにイオンビームの進行方向は偏向する。
【００５４】
図９に、図８の評価装置１０を用いて測定した電荷交換器６の性能評価試験の結果を示す。本試験では、重水素の代わりに水素を用いて性能評価を行った。図中、横軸は、遮蔽板１２を図８の矢印方向に移動させたときのイオンビームの進行方向に対するスリット１２Ｓの変位を示し、縦軸は、検出器１１で検出したイオンビームの電流値を示す。電荷交換器６として、大きさ２５ｍｍ×３１ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの１２枚のモリブデン板６１を、フレーム６２に所定の間隔を隔てて保持したもの（図２参照）を用いた。測定の際、負イオンの進入方向Ａとモリブデン板６１の研磨された面６１Ｓとのなす角度θを１度に設定した。得られた水素の正イオン（Ｈ-）のエネルギーは１４５ｋｅＶであった。
【００５５】
図中、実線は、ビーム偏向板１３ａ、１３ｂ間に偏向電圧Ｖを印加しなかった場合（Ｖ＝０ｋＶ）の測定値、一点差線は、ビーム偏向板１３ａ、１３ｂ間に２ｋＶの偏向電圧Ｖを印加した場合の測定値、破線は理論計算により求めた値を示す。
【００５６】
最初に、（実線で示した）偏向電圧Ｖを印加しなかった場合の測定結果について説明する。マイナスの電流値は、電荷交換器６に入射した負イオン（Ｈ-）のイオンビームがモリブデン板６１の表面で反射することなく、板の間を漏れて通過したものを検出したものであり、イオンビームがほぼ中央に到達していることがわかる。
【００５７】
これに対し、正イオン（Ｈ+）のイオンビームが到達する位置には、中心軸から遠いところへと尾を引いた形のプラスの電流値が観測された。図中、破線はモリブデン板６１の表面での正イオンが反射した場合のイオンビームの広がりを理論計算したものであるが、計算値と実線で示した測定値がほぼ一致していることがわかる。
【００５８】
なお、負イオン（Ｈ-）のイオンビームの漏れについては、モリブデン板６１の長さと間隔を調整することにより、ほぼ解消できる。
【００５９】
次に、（一点差線で示した）偏向電圧Ｖを印加した場合の測定結果について説明する。ビーム偏向板１３ａ、１３ｂに印加された２ｋＶの偏向電圧Ｖによって、負イオン（Ｈ-）によるマイナスの電流値は左側（マイナス方向）にシフトし、正イオン（Ｈ+）によるプラスの電流値は右側（プラス方向）にシフトしている。ただし、正イオン（Ｈ+）によるイオンビームの形状は右にシフトしているだけで、ビームの形状に大きな変化はないことが分かる。
【００６０】
上述の性能評価の結果、電荷交換器６における負イオンから正イオンへの変換効率はほぼ１００％であり、ビーム径の広がりも許容サイズ以内で、十分実用に耐える品質の水素の正イオン（Ｈ+）のイオンビームが得られることが分かった。
【００６１】
次に、図１０のグラフについて説明する。図１０は、低エネルギー側加速管３および高エネルギー側加速管４におけるイオンビームの強さの比を、それぞれの出口に設置した検出器１１で検出したものである。負イオン（Ｈ-）のイオンビームの強さについては、電荷交換器６の変わりに、その位置に設置された検出器１１を用いて検出した。なお、負イオンの進入方向Ａとモリブデン板６１の研磨された面６１Ｓとのなす角度θは１度に設定している。
【００６２】
図中、横軸はタンデム加速装置で得られる水素の正イオン（Ｈ+）のイオンビームのエネルギーを示し、縦軸は、高エネルギー側加速管４の出口のイオンビームの強さを示す電流値Ｉｐと、低エネルギー側加速管３の出口の負イオン（Ｈ-）のイオンビームの強さを示す電流値Ｉｎとの比を示す。図中、▲印は表面を研磨したモリブデン板（研磨レベル１）を用いたときの値、●印は表面を研磨した後、更に精細に研磨したモリブデン板（研磨レベル２）を用いたときの値であり、いずれも面の平坦度は原子レベルにおいて平坦である。また□印は計算により求めた理想的な値である。
【００６３】
また表１に、本測定に使用したモリブデン板の表面粗さの測定結果を示す。表１の各行には表面粗さの各種パラメータを示し、各列には研磨レベル１と研磨レベル２のモリブデン板の測定値を示す。
【００６４】
【表１】
2012066940.tif 000003
【００６５】
図１０のグラフから明らかなように、モリブデン板６１の表面を精細に研磨し、表面粗さのパラメータである二乗平均平方根粗さが０．０１４の場合（研磨レベル２）には、正イオン（Ｈ+）のイオンビームの強さが高い値を示している。すなわち、モリブデン板６１の表面を精細に研磨することによりイオンビームの指向性が急峻になることを示している。
【００６６】
一方、モリブデン板６１の表面を普通に研磨して二乗平均平方根粗さが０．０７１の場合（研磨レベル１）には、研磨レベル２のモリブデン板６１に比べてイオンビームの強さは若干低いが、実用には十分絶えうる値を示している。
【００６７】
また、図１０のグラフにおいて、ビームエネルギーが大きくなるほど、モリブデン板６１の表面を研磨したときのイオンビームの比が計算値に近づくことから、ビームエネルギーが大きくなるほど、より高い効率で負イオンを正イオンに変換できることが分かる。
【００６８】
以上説明したように、本発明の電荷交換器を用いれば、高い効率で重水素の負イオンを正イオンに変換できる。また、ストリッパガスを用いる場合に比べて構造が簡単になり、しかも真空度を高く維持できるため、高エネルギーのイオンビームを実現できる。更に、設置された金属板を繰り返し使用できるため、炭素フォイルを用いる場合に比較して、タンデム加速装置の運用コストを大幅に低減できる。
【００６９】
なお、上述した実施の形態では、電荷交換器を、重水素の負イオンを正イオンに変換するために用いたが、本発明はこれに限定されない。タンデム加速装置を用いて、各種材料の高エネルギーイオンビームを生成するのに使用してもよい。
【００７０】
また、電荷交換器の構成は図２に示すものに限定されない。負イオンを正イオンに変換する金属板を複数枚並列に並べて設置でき、更に角度を調整できるものであれば、どのような構成を採用してもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１  タンデム加速装置
２  イオン源
３  低エネルギー側加速管
４  高エネルギー側加速管
５  高電圧ターミナル
６  電荷交換器
７  高電圧電源
８  ターゲット
９  圧力タンク
１０  評価装置
１１  検出器
１２  遮蔽板
１３ａ，１３ｂ  ビーム偏向板
６１  モリブデン板
６２  フレーム
６３  アーム
６４  角度調整部材
【図１】
2012066940.tif 000004
【図２】
2012066940.tif 000005
【図３】
2012066940.tif 000006
【図４】
2012066940.tif 000007
【図５】
2012066940.tif 000008
【図６】
2012066940.tif 000009
【図７】
2012066940.tif 000010
【図８】
2012066940.tif 000011
【図９】
2012066940.tif 000012
【図１０】
2012066940.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成24年7月23日(2012.7.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負イオンを生成するイオン源、このイオン源から引き出される負イオンを静電加速する低エネルギー側加速管、入射する前記負イオンを正イオンに変換する電荷交換器、および変換された正イオンを再び静電加速する高エネルギー側加速管が、圧力タンク内にこの順序で収容されたタンデム加速装置であって、
前記電荷交換器は、モリブデンまたはタングステンで作製された複数の板が所定の間隔を隔てて並列に並べられて構成され、
前記複数の板の一方の面は滑らかな表面を持ち、かつ前記各板は、前記負イオンの入射方向に対して前記一方の面のなす角度が１０度以下となるように設置され、
前記負イオンは前記各板の一方の面で反射して正イオンに変換され、かつ前記各板の長さと間隔は前記負イオンが板の間を漏れて通過しない値に設定されていることを特徴とするタンデム加速装置。
【請求項２】
前記板の一方の面の平坦度は、表面粗さのパラメータである二乗平均平方根粗さが０．０７１以下であることを特徴とする、請求項１に記載のタンデム加速装置。
【請求項３】
前記負イオンは重水素の負イオンであることを特徴とする、請求項１または２に記載のタンデム加速装置。
【請求項４】
前記複数の板は、角筒状のフレームの中空部に所定の間隔を隔てて保持され、
かつ前記フレームは、角度調整部材により、前記負イオンの入射方向に対して前記中空部の中心軸が回転できるように構成されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載のタンデム加速装置。
【請求項５】
タンデム加速装置に用いられ、低エネルギー側加速管で静電加速された負イオンを正イオンに変換し、得られた正イオンを高エネルギー側加速管に供給する電荷交換器であって、
モリブデンまたはタングステンで作製された複数の板が所定の間隔を隔てて並列に並べられて構成され、
前記複数の板の一方の面は滑らかな表面を持ち、かつ前記各板は、前記負イオンの入射方向に対して前記一方の面のなす角度が１０度以下となるように設置され、
前記負イオンは前記各板の一方の面で反射して正イオンに変換され、かつ前記各板の長さと間隔は前記負イオンが板の間を漏れて通過しない値に設定されていることを特徴とする電荷交換器。
【請求項６】
前記板の一方の面の平坦度は、表面粗さのパラメータである二乗平均平方根粗さが０．０７１以下であることを特徴とする、請求項５に記載の電荷交換器。
【請求項７】
前記負イオンは重水素の負イオンであることを特徴とする、請求項５または６に記載の電荷交換器。
【請求項８】
前記複数の板は、角筒状のフレームの中空部に所定の間隔を隔てて保持され、
かつ前記フレームは、角度調整部材により、前記負イオンの入射方向に対して前記中空部の中心軸が回転できるように構成されていることを特徴とする、請求項５ないし７のいずれかに記載の電荷交換器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
数十万ボルト程度の電源で運転される小型のタンデム加速装置を実現することは困難であった。
［００１３］
一方、炭素フォイルを用いる変換方法では、負イオンを多くの粒子と衝突させると、折角加速してきた粒子が薄膜内で衝突を繰り返し、固体中で止まってしまう。このため、炭素フォイルを極めて薄く形成することによって衝突回数を減らし、入射した負イオンを通過させる必要がある。しかし、あまりに薄いフォイルは機械的強度が十分でなく、簡単に破壊されると言う問題があった。その結果、フォイルを頻繁に取り換える必要が生じ、装置の運用コストが高くなる。
［００１４］
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、負イオンから正イオンへの変換効率が高く、長寿命で構造も簡単な電荷交換器と、それを用いたタンデム加速装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［００１５］
上記目的を達成するため本発明にかかるタンデム加速装置は、負イオンを生成するイオン源、このイオン源から引き出される負イオンを静電加速する低エネルギー側加速管、入射する前記負イオンを正イオンに変換する電荷交換器、および変換された正イオンを再び静電加速する高エネルギー側加速管が、圧力タンク内にこの順序で収容されたタンデム加速装置であって、
前記電荷交換器は、モリブデンまたはタングステンで作製された複数の板が所定の間隔を隔てて並列に並べられて構成され、
前記複数の板の一方の面は滑らかな表面を持ち、かつ前記各板は、前記負イオンの入射方向に対して前記一方の面のなす角度が１０度以下となるように設置され、
前記負イオンは前記各板の一方の面で反射して正イオンに変換され、かつ前記各板の長さと間隔は前記負イオンが板の間を漏れて通過しない値に設定されていることを特徴とする。
［００１６］
ここで、前記板の一方の面の平坦度は、表面粗さのパラメータである二乗平均平方根粗さが０．０７１以下であることが好ましい。
［００１７］
また前記負イオンは重水素の負イオンであることが好ましい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
［００１８］
また前記複数の板は、角筒状のフレームの中空部に所定の間隔を隔てて保持され、かつ前記フレームは、角度調整部材により、前記負イオンの入射方向に対して前記中空部の中心軸が回転できるように構成されていることが好ましい。
発明の効果
［００１９］
本発明の電荷交換器を用いれば、高い効率で重水素の負イオンを正イオンに変換できる。また、装置内にガスを循環させる必要がないため構造が簡単になり、しかも真空度を高く維持できるため、高エネルギーのイオンビームを実現できる。更に、一旦設置すれば繰り返して使用できるため、炭素フォイルを用いる場合に比較して、タンデム加速装置の運用コストを大幅に低減できる。
図面の簡単な説明
［００２０］
［図１］図１は、本発明の実施の形態にかかるタンデム加速装置を中性子発生管として使用した場合の概略的な構成を示す断面図である。
［図２］図２は、図１の電荷交換器を負イオンの入射方向から見た図である。
［図３］図３は、図２のフレームに保持されたモリブデン板のうち１枚を、負イオンの進入方向Ａと直交する方向から見た図である。
［図４］図４は、モリブデン板の原子レベルにおいて平坦である面に、７５ｋｅＶのエネルギーの負イオン（Ｄ−）を角度θが１０度で入射させた時の反射ビームの強さを、理論計算に基づいて算出した結果を示す図である。
［図５］図５は、モリブデン板の原子レベルにおいて平坦である面に、７５ｋｅＶのエネルギーの負イオン（Ｄ−）を角度θが５度で入射させた時の反射ビームの強さを、理論計算に基づいて算出した結果を示す図である。
［図６］図６は、モリブデン板の原子レベルにおいて平坦である面に、７５ｋｅＶのエネルギーの負イオン（Ｄ−）を角度θが１度で入射させた時の反射ビームの強さを、理論計算に基づいて算出した結果を示す図である。
【国際調査報告】
2012066940.tif 000014
2012066940.tif 000015
2012066940.tif 000016
2012066940.tif 000017