(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正のイオンビームを射出する接地電位を持つイオン源と、前記イオンビームの進行軌道上に交互に接続された複数本の加速管及び高電圧管と、前記イオン源側から数えて奇数番目の高電圧管に第１正側スイッチを介して正電位を印加するとともに前記イオン源側から数えて偶数番目の高電圧管に第２正側スイッチを介して正電位を印加するための正側直流電源と、前記イオン源側から数えて奇数番目の高電圧管に第１負側スイッチを介して負電位を印加するとともに前記イオン源から数えて偶数番目の高電圧管に第２負側スイッチを介して負電位を印加するための負側直流電源と、前記イオンビームを負電位の前記高電圧管で加速した後に該高電圧管の電位を負から正に変換させて再加速するように、前記第１正側スイッチ、前記第１負側スイッチ、前記第２正側スイッチ、及び前記第２負側スイッチをパルス状にオンオフ制御するパルス発生回路と、を備え、前記高電圧管及び前記加速管の各々は、前記イオンビームが前記加速管の各々を通過するタイミングで加速電界を発生させるよう調節された長さに設定されている、荷電粒子加速器。
【請求項２】
前記イオン源からのビームラインを構成するための前記加速管及び高電圧管の列が、複数配置されるとともに、各列の前記イオン源側から数えて同じ順番の高電圧管間で導電接続されている、請求項１に記載の荷電粒子加速器。
【請求項３】
前記偶数番目の高電圧管が共通の電源バスに接続され、前記奇数番目の高電圧管が他の共通の電源バスに接続されている、請求項１又は２に記載の荷電粒子加速器。
【請求項４】
前記正側直流電源及び負側直流電源は、三相全波整流回路を具備する、請求項１〜３の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【請求項５】
前記パルス発生回路は、出力パルス時間幅を前記正側直流電源及び負側直流電源の出力電圧の大きさに応じて増減させる機能を備える、請求項４に記載の荷電粒子加速器。
【請求項６】
前記加速管は、管長さ方向に間隔をおいて配設された複数の電極板と、隣り合う前記電極板間に直列接続された複数の分圧抵抗と、を具備する請求項１〜５の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【請求項７】
前記分圧抵抗に定電圧ダイオードが直列接続されている、請求項６に記載の荷電粒子加速器。
【請求項８】
前記高電圧管には、複数の永久磁石による四重極磁石を具備する、請求項１〜７の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかに記載の荷電粒子加速器の最後部に、正イオンを照射することで中性子を発生する物質を配設したことを特徴とする中性子発生装置。
【請求項１０】
前記荷電粒子加速器の最後部に接続された閉止フランジが、正イオンを照射することで中性子を発生する物質により形成されている、請求項９に記載の中性子発生装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正イオンを加速して高エネルギーのイオンビームを得る荷電粒子加速器、及び該荷電粒子加速器を備える中性子発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タンデム加速器は、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（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
かかる従来のタンデム加速器では、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。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（例えば特許文献１の図１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０６６９４０号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したような従来のタンデム加速器にあっては、負イオンを正イオンに変換する電荷交換器の寿命が短く、長期間に渡る連続運転ができないという欠点があった。また負のイオン源では、大電流のイオンビームを引出することが技術的に困難であり、加速電流を大きくすることもできなかった。
【０００６】
本発明は、斯かる事情を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、荷電交換器を使うことなく、またイオン源として正のイオン源が使用可能な荷電粒子加速器を提供することにあり、併せて該荷電粒子加速器を備える中性子発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に係る荷電粒子加速器は、第１の手段として、正のイオンビームを射出する接地電位を持つイオン源と、前記イオンビームの進行軌道上に交互に接続された複数本の加速管及び高電圧管と、前記イオン源側から数えて奇数番目の高電圧管に第１正側スイッチを介して正電位を印加するとともに前記イオン源側から数えて偶数番目の高電圧管に第２正側スイッチを介して正電位を印加するための正側直流電源と、前記イオン源側から数えて奇数番目の高電圧管に第１負側スイッチを介して負電位を印加するとともに前記イオン源から数えて偶数番目の高電圧管に第２負側スイッチを介して負電位を印加するための負側直流電源と、前記イオンビームを負電位の前記高電圧管で加速した後に該高電圧管の電位を負から正に変換させて再加速するように、前記第１正側スイッチ、前記第１負側スイッチ、前記第２正側スイッチ、及び前記第２負側スイッチをパルス状にオンオフ制御するパルス発生回路と、を備え、前記高電圧管及び前記加速管の各々は、前記イオンビームが前記加速管の各々を通過するタイミングで加速電界を発生させるよう調節された長さに設定されている。
【００１０】
前記第１の手段において、第２の手段として、前記イオン源からのイオンビーム軌道上に配列された前記加速管及び高電圧管の列が、複数配置されるとともに、各列の前記イオン源側から数えて同じ順番の高電圧管間が導電接続される。
【００１１】
前記第１又は第２の手段において、第３の手段として、前記偶数番目の高電圧管が共通の電源バスに接続され、前記奇数番目の高電圧管が他の共通の電源バスに接続される。
【００１２】
前記第１〜第３の何れかの手段において、第４の手段として、前記正側直流電源及び負側直流電源は、三相全波整流回路を具備する。
【００１３】
前記第４の手段において、第５の手段として、前記パルス発生回路は、出力パルス時間幅を前記正側直流電源及び負側直流電源の出力電圧の大きさに応じて増減させる機能を備える。
【００１４】
前記第１〜第５の何れかの手段において、第６の手段として、前記加速管は、管長さ方向に間隔をおいて配設された複数の電極板と、隣り合う前記電極板間に直列接続された複数の分圧抵抗と、を具備する。前記各電極板に高電圧管への印加電圧を分割して印加する分圧抵抗を接続してやることにより、前記加速管の管長が長くなっても、前記加速管内の加速電界が一様な傾斜を持たせることができる。
【００１５】
前記第６の手段において、第７の手段として、前記分圧抵抗にアバランシェダイオード等の定電圧ダイオードが直列接続されている。
【００１６】
前記第１〜第７の何れかの手段において、第８の手段として、前記高電圧管には、複数の永久磁石による四重極磁石を具備することにより、前記高電圧管内でイオンビームの収束を行う構成であってもよい。
【００１７】
また、本発明に係る中性子発生装置は、前記第１〜第８の何れかの手段に記載の荷電粒子加速器の最後部に、正イオンを照射することで中性子を発生する物質を配設したことを特徴とする。
【００１８】
前記中性子発生装置において、前記荷電粒子加速器の最後部に接続された閉止フランジが、正イオンを照射することで中性子を発生する物質により形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る荷電粒子加速器によれば、負イオン源及び電荷交換器を使うことなくイオンビームを高エネルギー加速することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る荷電粒子加速器の第一実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図２】加速管の外形図である。
【図３】加速管の構造を示し、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。
【図４】高電圧管、及びダミー管の外形図。
【図５】高電圧管、及びダミー管の構造を示し、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図。
【図６】本発明に係る荷電粒子加速器の第一実施形態のイオン源、加速管、高電圧管、及びダミー管の接続状態を示す斜視図である。
【図７】第一実施形態の荷電粒子加速器の動作を示すタイミングチャート図である。
【図８】第一実施形態の荷電粒子加速器の重陽子イオンビームの状態を示す説明図である。
【図９】加速管に配置された電極板への分圧回路構成を示す模式図である。
【図１０】抵抗素子のみから構成される分圧回路の回路図である。
【図１１】定電圧半導体素子と抵抗素子から構成される分圧回路の回路図である。
【図１２】永久磁石型四重極磁石を装備した高電圧管のであり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。
【図１３】正側直流電源及び負側直流電源に三相全波整流電源を適用した、第一実施形態の荷電粒子加速器の概略構成を示す模式図である。
【図１４】第一実施形態の荷電粒子加速器の（ａ）パルス発生回路出力パルス波形と（ｂ）出力電圧とパルス幅との関係を示すグラフである。
【図１５】複数のイオンビーム軌道を有する、第一実施形態の荷電粒子加速器の概略構成を示す模式図である。
【図１６】本発明に係る荷電粒子加速器の第二実施形態の概略構成を示す模式図。
【図１７】第二実施形態に係る荷電粒子加速器の動作を示すタイミングチャート図である。
【図１８】第二実施形態に係る荷電粒子加速器の各高電圧管の電位変化を示すタイミングチャート図である。
【図１９】第二実施形態の荷電粒子加速器の重陽子イオンビーム状態図である。
【図２０】第二実施形態の荷電粒子加速器の（ａ）パルス発生回路出力パルス波形、及び、（ｂ）出力電圧とパルス幅との関係を示すグラフである。
【図２１】複数のイオンビーム軌道を有する、第二実施形態の荷電粒子加速器の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図及び表を用いて本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
まず、本発明に係る荷電粒子加速器の第一実施形態について説明する。図１は、本発明に係る荷電粒子加速器の第一実施形態の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、第１実施形態の荷電粒子加速器１００は、イオン源１０と、２本の加速管、すなわち加速管１１と加速管１２と、１本の高電圧管２１、１本のダミー管４１を備えている。高電圧管２１は、加速管１１と加速管１２の間に配置され、ダミー管４１は加速管１２の後段に設置される。イオン源１０は、正の荷電粒子からなるイオンビームを発射可能なように構成された装置であり、図示例では円柱状でありフランジを介して加速管１１に接続される。
【００２３】
加速管の外形図と構造図を図２、図３に示す。加速管１１及び加速管１２はともに図２に示す外形と、図３に示す構造を有するが、異なる管長Ｌを有する。
【００２４】
加速管１１，１２は、２個のフランジ部分６０Ｆ及び６０Ｒの間に、７個の絶縁管部分６１１、６１２、６１３、６１４、６１５、６１６、６１７と、６個の電極板部分６２１、６２２、６２３、６２４、６２５、６２６が交互に積層されている。フランジ部分６０Ｆ、６０Ｒは、例えばステンレスなどの導体、絶縁管部分６１１〜６１７は例えばポリエチレンなどの絶縁体、電極板部分６２１〜６２６は例えばステンレスなどの導体からなる。何れも内径Ｄのパイプ状空洞部分を有しており、この空洞部分をイオンビームが通過する。図２及び図３では図示省略しているが、後述するように、隣り合う電極板部分６２１〜６２６には分圧抵抗が接続され、一連の分圧抵抗と電極６２１〜６２６によって分圧回路が構成される。なお、加速管は、一般には、高電界に耐えるための絶縁物と、電界を効率良くビーム輸送空間に発生させるための電極板部分とを備えるが、加速管の長さが短くてもよい場合は、電極板部分を備えないで絶縁体のみで形成される場合もある。
【００２５】
高電圧管２１及びダミー管４１の外形図と構造図を図４、図５に示す。高電圧管２１及びダミー管４１はともに図４に示す外形と、図５に示す構造を有するが、後述するように各々が異なる管長Ｌを有する。
【００２６】
高電圧管２１及びダミー管４１は、２個のフランジ部分７０Ｆ及び７０Ｒと、１個の導体管部分７０とからなる。フランジ部分、導体管部分は例えばステンレスなどの導体からなる。加速管と同様に、何れも内径Ｄのパイプ状空洞部分を有しており、この空洞部分をイオンビームが通過する。
【００２７】
イオン源１０、加速管１１、高電圧管２１、加速管１２、及びダミー管４１の接続図を図６に示す。いずれもフランジを利用して直接接続する。フランジには、例えばＩＣＦ規格などの高真空用フランジを適用し、真空ポンプにより加速管１１，１２、高電圧管２１内の空洞部分を高真空に維持できるようにする。
【００２８】
図６では、ダミー管４１の後段に金属ベリリウム製の閉止フランジ４２を接続した構成例を示している。イオン源１０に重陽子イオン源を適用した場合、加速された重陽子ビームを金属ベリリウム製閉止フランジ４２にぶつけることで中性子を発生でき、荷電粒子加速器１００は中性子発生装置の加速器中性子源として機能する。
【００２９】
荷電粒子加速器１００は、正側直流電源５０と負側直流電源５１を備えている。正側直流電源５０は正の直流高電圧（例えば１００ｋＶ〜３０００ｋＶ）を発生する電源であり、負側直流電源５１は負の直流高電圧（例えば−１００ｋＶ〜−３０００ｋＶ）を発生する電源である。
【００３０】
正側直流電源５０の出力は正側スイッチ５２介して、また負側直流電源５１の出力は負側スイッチ５３を介して高電圧管２１に接続されている。また、イオン源１０及びダミー管４１は接地されている。
【００３１】
荷電粒子加速器１００は、パルス発生回路５４を有している。このパルス発生回路５４の出力は、正側スイッチ５２及び負側スイッチ５３に接続されており、正側スイッチ５２及び負側スイッチ５３はパルス発生回路５４の出力に従ってオン／オフ動作を繰り返す。
【００３２】
次に、第一実施形態の荷電粒子加速器１００の動作について説明する。説明を具体的に行うため、イオン源１０として正の重陽子イオンビームを120mAの引出電流にて射出できるものを、正側直流電源５０には＋500kV出力のコッククロフト電源を、また負側直流電源５１には−500kV出力のコッククロフト電源を適用した場合について説明する。また、イオン源１０からの重陽子イオンビーム射出エネルギーは1keVである。
【００３３】
このとき、加速管１１，１２、高電圧管２１、ダミー管４１の内径Ｄ及び管長Ｌの各寸法を表１に示す値とすることで、荷電粒子加速器１００では重陽子イオンビームを1MeVの加速エネルギーまで加速でき、また加速電流として33.6mAを実現できる。すなわち荷電粒子加速器１００のビーム出力は1MV×33.6mA＝33.6kWになる。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
図７は、第一実施形態の荷電粒子加速器１００が有するパルス発生回路５４の出力５４ａ及び５４ｂ、正側スイッチ５２の出力５２ａ、負側スイッチ５３の出力５３ａ、及び高電圧管２１の電位VHの動作タイミングチャートである。ここで正側直流電源５０、及び負側直流電源５１にはコッククロフト電源を適用しており、その出力電圧５０ａは＋500kV±1%の範囲に、同様に出力電圧５１ａは−500kV±1%の範囲内に入っている。
【００３６】
正側スイッチ５２、及び負側スイッチ５３は、例えば耐圧定格電圧VDSS=1500V、パルスドレイン電流IDM=50A、下降時間tr=30ns、上昇時間tf=33nsのFETを700直列×20並列に配置した高電圧スイッチであり、1000kVの直流電圧を30ns程度の時間遅れでオンオフする機能を有する。またピーク電流は最大1kAであり、オン時の線路インピーダンスは1kΩとなる。正側スイッチ５２は、パルス発生回路５４からの出力５４aが“H”レベルのときにオン状態となり、出力電圧５０ａと出力５２ａとの接続インピーダンスが1kΩとなる。逆に出力５４ａが“L”レベルのとき、出力電圧５０ａと出力５２ａとの接続インピーダンスはほぼ無限大となる。同様に負側スイッチ５３は、パルス発生回路５４からの出力５４ｂが“H”レベルのときにオン状態となり、出力電圧５１ａと出力５３ａとの接続インピーダンスが1kΩとなる。逆に出力５４ｂが“L”レベルのとき、出力電圧５１ａと出力５０ｂとの接続インピーダンスはほぼ無限大となる。
【００３７】
図７において、パルス発生回路５４が図に示すような矩形パルスを５４ａ、５４ｂに出力した場合、300ns間は負側スイッチ５３により高圧管２１が負側直流電源５１の出力電圧５１ａ（-500kVの電位を有する）と短絡され、続く200ns間は正側スイッチ５２により高圧管２１が正側直流電源５０の出力電圧５０ａ（+500kVの電位を有する）と短絡されることになる。高電圧管２１の浮遊容量は約20pFであり、正側スイッチ５２のオン時インピーダンス、或いは負側スイッチ５３のオン時インピーダンスが1kΩであることより、その電位VHは約20nsの時定数の一次遅れを伴って、-500kV、+500kVの電位変化を繰り返す。
【００３８】
高電圧管２１の電位が-500kVのとき、イオン源１０から射出された正の重陽子イオンビームは加速管１１内に発生する加速電界により500keVまで加速され、高電圧管２１に流入する。図７のTA時点における重陽子イオンビームの状態を図８（ａ）に示す。TA時点で高電圧管２１の電位は+500kVに切り替わる。高電圧管２１は導体で構成されているので、TA時点で高電圧管２１に収納されていた重陽子イオンビームは、加速管１２内に発生する加速電界により更に500keVの加速を受け、ダミー管４１を通過する際には1MeVの加速エネルギーを持つようになる。TA時点からさらに50nsを経過したTB時点での重陽子イオンビームの状態を図８（ｂ）に示す。
【００３９】
以上のような加速を行いながら、なおかつ重陽子イオンビームを維持するためには加速管１１、及び加速管１２内の加速電界が一様な傾斜を有しておかねばならない。とくに加速管の長さが長くなった場合、加速電界の傾斜にバラツキができ、このバラツキがビーム収束を行うための静電レンズ効果に悪影響を与えることがある。このバラツキをなくすために、図９に示すように加速管１１，１２内に複数の電極板６２１〜６２６を等間隔に配置して、両端のフランジ６０Ｆ、６０Ｒとそれぞれの電極管６２１〜６２６間に分圧抵抗を接続し、高電圧管２１の電位とアース電位との分圧を与える分圧回路を構成するようにする。
【００４０】
加速管の分圧回路構成を図９に示す。図示例では分圧回路６３１〜６３７を７段設けることで、高電圧管２１の電位とアース電位との電圧差を７分割する構成としている。各分圧回路６３１〜６３７の内部構成例を図１０に示す。図１０の回路では100kΩの抵抗Ｒ１〜Ｒ７２０を７２０個直列に接続することで72MΩの抵抗値を実現している。72MΩの抵抗1本で分圧回路を構成した場合、抵抗の浮遊容量により一次遅れ時間が大きくなり過ぎるため、100kΩレベルの抵抗を多数使用する構成を取っている。
【００４１】
なお各分圧回路の内部構成は図１１に示すように、例えばアバランシェダイオードなどの半導体定電圧素子による分圧回路でもよい。図１１の例では、20kΩの抵抗Ｒ１〜Ｒ１２０を１２０個、降伏電圧500VのアバランシェダイオードＺＤ１Ａ，ＺＤ１Ｂ〜ＺＤ１２０Ａ，ＺＤ１２０Ｂを２４０個直列接続することで分圧回路を構成している。図１１の回路では、図９の回路に比較して、部品点数が少なくできるため故障率の低減が可能となる。また、浮遊容量を更に小さくできるため、加速管１１，１２内の加速電界立ちあがり時間を小さくできる利点がある。
【００４２】
図１の例では、イオン源１０からの重陽子イオンビーム引出電流を120mAとしたが、引出電流を大きくすることで荷電粒子加速器１００のビーム出力を更に大きくすることができる。但し、引出電流を大きくした場合イオンビームの発散力が強くなるため、高電圧管内でイオンビームが管壁にぶつからないようにするため、高電圧管内にもビーム集束機能を設けることができる。ビーム集束機能として、永久磁石による四重極磁石を高電圧管に取り付けた例を図１２に示す。図１２において、前段の四重極磁石Ｎ１，Ｎ２，Ｓ１，Ｓ２で水平方向へのビーム集束を行い、後段の四重極磁石Ｎ３，Ｎ４，Ｓ３，Ｓ４で垂直方向へのビーム集束を行うことで、高電圧管２１内でもイオンビームの収束場を生成することが可能となり、イオン源１０からのイオンビーム引出電流が120mAよりも大きな値にな
ったとしても、イオンビームを維持したままで加速を行うことができる。
【００４３】
図１の例では、正側直流電源５０、及び負側直流電源５１にコッククロフト電源を適用した場合について説明したが、三相全波整流電源を用いてもよい。図１３において、正側直流電源５０、及び負側直流電源５１は三相全波整流電源を示している。図１３では三相全波整流回路にダイオードを用いた例を示しているが、サイリスタによる整流回路を用いてもよい。
【００４４】
三相全波整流回路を用いた正側直流電源５０、負側直流電源５１に入力する三相交流電圧がAC220kVのとき、三相全波整流回路による正側直流電源５０の電源出力５０ａはDC＋467kV〜DC＋539kVの変動範囲を持つ正の直流電圧となる。また三相全波整流回路を用いた負側直流電源５１の電源出力５１ａはDC-467kV〜DC-539kVの変動範囲を持つ負の直流電圧となる。電源出力５０ａ、５１ａはそれぞれ計器用変圧器５５、５６を介してパルス発生回路５４０に読み込まれる。パルス発生回路５４０は、電源出力５０ａ及び５１ａの電圧値に対応して、図１４に示す時間幅のパルスを出力する。
【００４５】
すなわち、電源出力５０a、及び５１ａの絶対値が500kVよりも高い場合は、パルス幅TW1、TW2を短めにし、逆に絶対値が500kVより低い場合はパルス幅TW1、TW2を長めの値にすることにより、パルス幅を増減させる。図２において、電源出力５０ａ、及び５１ａの絶対値が500kVの場合、重陽子イオンビームはイオン源１０より射出されてから、ダミー管４１を通過するまで約360nsの時間を要する。また、三相全波整流回路による正側直流電源５０及び負側直流電源５１に入力する三相交流電圧は商用周波数であるため、その電源出力５０ａ、５１ａは360nsのような短時間で電圧が変わることはない。従って電源出力５０ａ、５１ａの絶対値が467kV〜539kVの範囲で変動したとしても、ビーム状態は常に図８と同じ位置で維持できるようになり、加速電流33.6mAが変動することはない。
【００４６】
但し、ビームの加速電圧は934kV〜1078kVの間で変動を受ける。加速電流は33.6mAで一定であるため、ビーム出力も31.4kW〜36.2kWで変動することになる。この変動範囲は、ダミー管４１の後段に、例えばベリリウムやリチウムにように重陽子を照射することで中性子を発生する物質を置き、中性子発生装置の加速器中性子源として使用する応用に関しては悪影響を与えることはない。
【００４７】
三相全波整流回路を用いた直流電源は、コッククロフト回路など昇圧型の直流電源装置に比べてはるかに大きな電流をドライブできる。従って、図１５に示すように、複数の高電圧管に対して同時に直流高電圧を印加する構成が可能となる。図１５の加速器では、イオン源を１０Ａ〜１０Ｚまで複数に設置する。それぞれのイオンビーム軌道に沿って、加速管１１Ａ〜１１Ｚ、高電圧管２１Ａ〜２１Ｚ、加速管１２Ａ〜１２Ｚ、ダミー管４１Ａ〜４１Ｚを配置する。隣り合う高電圧管２１Ａ〜２１Ｚは互いに導電接続されている。三相全波整流回路を用いた正側直流電源５０及び負側直流電源５１は非常に大きな電流ドライブ能力を有するため、高電圧管２１Ａ〜２１Ｚの電位を正側スイッチ５２の出力５２ａ、及び負側スイッチ５３の出力５３ａで一括して切り替えることが可能となる。従って、図１５の加速器は、図１に示した荷電粒子加速器１００を複数台並列動作させた場合と同等の機能を有することになる。並列数をｎとした場合、図１５に示した加速器では加速電流の総計がｎ×33.6mAとなる。例えば並列数を12とした場合、加速電流が約400mA、ビーム出力が約400kWの加速器を実現できる。並列数ｎを更に大きくすることで、更に大きなビーム出力を得ることもできる。なお、図示例ではビームラインを並列にする配置を示しているが、並列配置に限らず、例えば、複数のビームラインを一点に集中させる放射状のレイアウトも可能である。
【００４８】
次に、本発明に係る荷電粒子加速器の第二実施形態について説明する。図１６は、本発明に係る荷電粒子加速器の第二実施形態構成を示す模式図である。第二実施形態の荷電粒子加速器２００は、イオン源１０の射出するイオンビーム軌道に沿って、複数の加速管１１，１３，１４，１５，１２と、複数の高電圧管２１、２２、２３、２４とを備え、図示配列で互いに接続されている。最後段の加速管１２のさらに後段にはダミー管４１が接続されている。
【００４９】
加速管１１，１３，１４，１５，１２は、図２、図３に示した第一実施形態の加速管と同じ外形と構造を有する。同様に高電圧管２１，２２，２３，２４及びダミー管４１についても、図４、図５に示した第一実施形態の高電圧管２１及びダミー管４１と同じ外形と構造を有する。其々の管の接続は、上記第一実施形態と同様、フランジ接続され得る。
【００５０】
荷電粒子加速器２００は、三相全波整流回路による正側直流電源５０と負側直流電源５１を備えている。入力する三相交流電圧がAC220kVの場合、正側直流電源５０の電源出力５０ａはDC＋467kV〜DC＋539kVの変動範囲を持つ正の直流電圧となり。また負側直流電源５１の電源出力５１ａはDC-467kV〜DC-539kVの変動範囲を持つ負の直流電圧となる。電源出力５０ａ、５１ａはそれぞれ計器用変圧器５５、５６を介してパルス発生回路５４１に読み込まれる構成をとっている。
【００５１】
正側直流電源５０の電源出力５０ａは第１正側スイッチ９１、第２正側スイッチ９３介して、また負側直流電源５１の電源出力５１ａは第１負側スイッチ９２、第２負側スイッチ９４を介して電源バス９６、９７に接続されている。電源バス９６には高電圧管２２、２４、すなわち偶数番号の高電圧管が、逆に電源バス９７には高電圧管２１、２３、すなわち奇数番号の高電圧管が接続されている。イオン源１０及びダミー管４１は接地されている。
【００５２】
パルス発生回路５４１の出力は、第１正側スイッチ９１，第２正側スイッチ９３、第１負側スイッチ９２、及び第２負側スイッチ９４に接続されており、第１正側スイッチ９１、第２正側スイッチ９３、第１負側スイッチ９２，第２負側スイッチ９４はパルス発生回路５４１の出力に従ってオン／オフ動作を繰り返す。
【００５３】
次に、本発明の第二実施形態の荷電粒子加速器２００の動作について実施例を用いて説明する。イオン源１０は正の重陽子イオンビームを168mAの引出電流にて射出し、そのビーム射出エネルギーは1.5keVである。
【００５４】
このとき、加速管１１，１３，１４，１５，１２、高電圧管２１、２２、２３、２４、ダミー管４１の内径Ｄ及び管長Ｌの各寸法を表２に示す値とすることで、荷電粒子加速器２００では重陽子イオンビームを４MeVの加速エネルギーまで加速でき、また加速電流として27mAを実現できる。すなわち荷電粒子加速器２００のビーム出力は4MV×27mA＝108kWになる。なお、表２において高電圧管２３、２４には図１２に示した永久磁石型四重極磁石を装着したものを適用する。
【００５５】
【表２】
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【００５６】
図１７は、第二実施形態の荷電粒子加速器２００が有するパルス発生回路５４１の出力５４１ａ、５４１ｂ、５４１ｃ、５４１ｄ、第１正側スイッチ９１の出力９１ａ、第１負側スイッチ９２の出力９２ａ、第２正側スイッチ９３の出力９３ａ、第２負側スイッチ９４の出力９４ａ、電源バス９６の電位、及び電源バス９７の電位の時間変化を示す動作タイミングチャートである。なお、このタイミングチャートは、正側直流電源５０の電源出力５０ａが+500kV、負側直流電源５１の電源出力５１ａが-500kVである場合の動作を示している。
【００５７】
第１正側スイッチ９１、第２正側スイッチ９３、第１負側スイッチ９２、及び第２負側スイッチ９４は、例えばVDSS=1500V、IDM=50A、tr=30ns、tf=33nsのFETを700直列×20並列に配置した高電圧スイッチであり、1000kVの直流電圧を30ns程度の時間遅れでオンオフする機能を有する。またピーク電流は最大1kAであり、オン時の線路インピーダンスは1kΩとなる。第１正側スイッチ９１、第２正側スイッチ９３、第１負側スイッチ９２、及び第２負側スイッチ９４はそれぞれパルス発生回路５４１からの出力５４１a、５４１ｂ、５４２ｃ、５４２ｄが“H”レベルのときにオン状態となり、逆に“L”レベルのときオフ状態となる。
【００５８】
従って、図１７において、パルス発生回路５４１が図に示すような矩形パルスを出力した場合、電源バス９７、９８には周波数4MHzでデューティ50%の高電圧パルスが生成され、その高電圧パルスの底辺電圧は-500kV、上辺電圧は+500kV、振幅は1000kVとなる。電源バス９７と高電圧管２１、２３が短絡され同電位になっており、また、電源バス９６と高電圧管２２，２４が短絡され同電位になっている。図１８に各高電圧管の電位変化を示す。加速管１１，１３〜１５，１２を挟んで隣り合う高電圧管２１〜２４において、後段の高電圧管の電位が、前段の高電圧管の電位に比べて高くなっている場合に、その高電圧管に挟まれた加速管で加速電界が発生する。すなわち図１８で網掛けしているタイミングで加速管内に加速電界が発生していることになる。
【００５９】
各加速管１１，１３〜１５，１２、各高電圧管２１〜２４の長さを表２に示す値とした場合、重陽子イオンビームが加速管１１，１３〜１５，１２を通過するときは必ず加速電界が発生するようになる。すなわち、荷電粒子加速器２００では、加速管１１，１３〜１５，１２、高電圧管２１〜２４を適当な長さにしてやることで、重陽子イオンビームが加速管を通過するときに常に加速電界が発生している状態を作り出すことができ、重陽子イオンビームを繰り返して加速できるようになる。例えば、図１８のタイミングＴＣでの重陽子イオンビームの位置を、図１９に示す。タイミングＴＣでは、各重陽子イオンビームのリーディングエッジ部分が各高電圧管２１〜２４の出口付近に存在する。荷電粒子加速器２００では、このような各重陽子イオンビーム位置のシンクロナイズが可能となるように、各加速管１１，１３〜１５，１２、各高電圧管２１〜２４の長さを選択する。こうすることで、モード０の高周波加速と同じ原理で、理論的には重陽子イオンビームを無限の高エネルギーまで加速できるようになる。
【００６０】
なお、図１７、図１８では、正側直流電源５０の電源出力５０ａが+500kV、負側直流電源５１の電源出力５１ａが-500kVである場合の動作について示した。実際には電源出力５０ａ、５０ｂの電圧は、絶対値で467kV〜539kVの範囲で変動する。パルス発生回路５４１は、電源出力５０ａ及び５１ａの電圧値に対応して、図２０に示す時間幅のパルスを出力する。すなわち、電源出力５０a、及び５１ａの絶対値が500kVよりも高い場合は、パルス幅TW11、TW12を短めにし、逆に絶対値が500kVより低い場合はパルス幅TW11、TW12を長めの値にすることにより、パルス幅を増減させる。従って電源出力５０ａ、５１ａの絶対値が467kV〜539kVの範囲で変動したとしても、タイミングＴＣ位置でのビーム位置は常に図１９と同じ位置で維持できるようになり、加速動作が悪影響を受けることはない。
【００６１】
第二実施形態の荷電粒子加速器２００においても、図２１に示すように、複数のイオン源１０Ａ〜１０Ｚを設置し、それぞれのイオンビーム軌道に沿って、加速管１１Ａ〜１１Ｚ、高電圧管２１Ａ〜２１Ｚ、加速管１３Ａ〜１３Ｚ、高電圧管２２Ａ〜２２Ｚ、加速管１４Ａ〜１４Ｚ、高電圧管２３Ａ〜２３Ｚ、加速管１５Ａ〜１５Ｚ、高電圧管２４Ａ〜２４Ｚ、加速管１２Ａ〜１２Ｚ、ダミー管４１Ａ〜４１Ｚを、図示例の配列で接続してもよい。図２１の加速器は、図１６に示した荷電粒子加速器１００を複数台並列動作させた場合と同等の機能を有する。並列数をｎとした場合、図２１に示した加速器では加速電流の総計がｎ×27mAとなる。例えば並列数を１２とした場合、加速電流が約320mA、ビーム出力が約1280kWの大出力加速器を実現できる。並列数を更に大きくすることで、更に大きなビーム出力を得ることもできる。
【符号の説明】
【００６２】
１００，２００  荷電粒子加速器
１０  イオン源
５０  正側直流電源
５１  負側直流電源
５２  正側スイッチ
５３  負側スイッチ
９１  第１正側スイッチ
９２  第１負側スイッチ
９３  第２正側スイッチ
９４  第２負側スイッチ
５４，５４０，５４１  パルス発生回路
１１，１２，１３，１４，１５  加速管
１１Ａ〜１１Ｚ  加速管
１２Ａ〜１２Ｚ  加速管
２１，２２，２３，２４，２５  高電圧管
２１Ａ〜２１Ｚ  高電圧管
４１  ダミー管
【要約】
【課題】  
正のイオン源が適用でき、かつ荷電変換器を使うことなくイオンビームのタンデム静電加速が可能な荷電粒子加速器を提供する。
【解決手段】
正のイオンビームを射出する接地電位を持つイオン源１０と、イオンビームの進行軌道上に配置された一対の加速管１１，１２と、一対の加速管１１，１２間に接続された高電圧管２１と、高電圧管２１に正側スイッチ５２を介して正電位を印加するための正側直流電源５０と、高電圧管２１に負側スイッチ５３を介して負電位を印加するための負側直流電源５１と、イオンビームを負電位の高電圧管２１で加速した後に高電圧管２１の電位を負から正に変換させて再加速するように、正側スイッチ５２及び負側スイッチ５３をパルス状にオンオフ制御するパルス発生回路５４と、を備える。
【選択図】    図１【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２０】
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【図１】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１９】
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【図２１】
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