(57)【要約】【課題】  静電４重極レンズ等の特別なイオンビーム収束機構を設けることなく、１０００ｍＡを超えるような大電流イオンビームを、数十ＭｅＶの加速エネルギーまで加速可能な荷電粒子加速器を提供する。【解決手段】  正電荷の荷電粒子を発生する荷電粒子発生源２と、荷電粒子を加速する加速電圧を印加するための加速電源３Ａ，３Ｂと、加速電源３Ａ、３Ｂにスイッチ４Ａ、４Ｂを介して接続され、荷電粒子を順次通過させて加速させるための一対の加速電圧印加用電極板５Ａ、５Ｂと、一対の加速電圧印加用電極板５Ａ，５Ｂ間に分圧回路を形成するように配列され接続された分圧用電極板６Ａ，６Ｂと、荷電粒子を加速電圧印加用電極板及び分圧用電極板５Ａ、６Ａ、６Ｂ、５Ｂを順次通過させて加速させるように所定のタイミングでスイッチ４Ａ，４Ｂをオンオフ制御する制御部７と、を備える。【選択図】  図１
2015207517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正電荷の荷電粒子を発生する荷電粒子発生源と、
荷電粒子を加速する加速電圧を印加するための加速電源と、
前記加速電源にスイッチを介して接続され、荷電粒子を順次通過させて加速させるための一対の加速電圧印加用電極板と、
前記一対の加速電圧印加用電極板間に分圧回路を形成するように配列され接続された少なくとも一枚の分圧用電極板と、
前記荷電粒子を前記加速電圧印加用電極板及び前記分圧用電極板を順次通過させて加速させるように所定のタイミングで前記スイッチをオンオフ制御する制御部と、を備えることを特徴とする荷電粒子加速器。
【請求項２】
前記加速電源が正電位の直流高圧電源と負電位の直流高圧電源とを含み、前記一対の加速電圧印加用電極板のうちの荷電粒子発生源側に正電位の前記直流高圧電源が前記スイッチを介して接続され、前記一対の加速電圧印加用電極板の他方側に負電位の前記直流高圧電源が前記スイッチを介して接続されていることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子加速器。
【請求項３】
前記一対の加速電圧印加用電極板がギャップを介して荷電粒子進行経路上に２対以上配列され、各対の加速電圧印加用電極板間に前記分圧用電極板が配列され接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電粒子加速器。
【請求項４】
前記分圧回路が、互いに直列接続された分圧抵抗と定電圧ダイオードとを含むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【請求項５】
隣り合う前記分圧用電極板の間に、アース電位の接地電極板が配設されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【請求項６】
前記加速電源が、三相全波整流回路を含むことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【請求項７】
前記制御部は、前記加速電源の出力電圧の変動に応じて、該出力電圧の変動による荷電粒子ビームの到達位置の変動を考慮したタイミングで前記スイッチをオンオフする調節を行う機能を有することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【請求項８】
前記加速電圧印加用電極板及び前記分圧用電極板の列を並列に複数列配置するとともに、隣り合う列の前記加速電圧印加用電極板を互いに導電接続することにより、共通の前記スイッチのスイッチ操作により、各列の前記加速電圧印加用電極板に加速電圧を印加するように構成したことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子を加速して高エネルギーの荷電粒子ビーム（イオンビーム）を得る荷電粒子加速器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の荷電粒子加速器として、図７に示すように、荷電粒子を発射する荷電粒子発生源（イオン源）と、荷電粒子発生源から発射された荷電粒子を通過させ、通過する荷電粒子を加速する加速電極管ＬＡ♯１〜ＬＡ♯２８と、荷電粒子を加速するための電圧を加速電極管ＬＡ♯１〜ＬＡ♯２８に印加する駆動回路と、荷電粒子が加速電極管ＬＡ♯１〜ＬＡ♯２８内を移動している間に、加速電極管ＬＡ♯１〜ＬＡ♯２８への電圧の印加を開始するように、駆動回路を制御する制御装置と、を備える荷電粒子加速器１が知られている（例えば特許文献１）。
【０００３】
この荷電粒子加速器１は、導電性材料で形成された複数の加速電極管ＬＡ♯１〜ＬＡ♯２８を、ギャップを介して配列し、荷電粒子が加速電極管ＬＡ♯１〜ＬＡ♯２８の内部に存在しているタイミングで加速電極管ＬＡ♯１〜ＬＡ♯２８の電位を切り換えることで、荷電粒子がギャップを通過する際に常に加速電界を発生させて荷電粒子を加速する。図７において、Ｓ♯１〜Ｓ♯２８は半導体スイッチを含むスイッチング回路である。この荷電粒子加速器は、安価な装置でイオンビームを数ＭｅＶ程度の高エネルギーまで加速することができるという特徴を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４８６５９３４号明細書
【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、上記従来の荷電粒子加速器は、イオンビーム集束効果のある加速電界がギャップにしか存在しない。すなわち、加速電極管は導電性材料で形成されており、その内部では電場が存在しないため、イオンビームには空間電荷効果による発散力のみが作用する。従って、数百ｍＡを超えるような大電流のイオンビームをイオン源から引き出して加速する場合、イオンビームを加速電極管の壁に衝突させないようにするため、例えば静電４重極レンズ等のイオンビーム集束機構を加速電極管内に挿入する必要があった。
【０００６】
また、加速電極管の電位を数十ナノ秒の時間幅の間に切り換えることが技術的に困難である。すなわち、例えば長さが１ｍの加速電極管では２０ｐＦ程度の浮遊容量が存在し、切り換え時の突入電流を抑えるために抵抗を挿入しなければならない。一方、電位の切り換え時間を数十ナノ秒で完了させるためには、時定数を１０ナノ秒以下にしなければならない。従って、突入電流を抑えるための抵抗は５００Ω以下とする必要がある。印加する加速電圧が例えば１６０ｋＶであると、突入ピーク電流は、１６０ｋＶ／５００Ω＝３２０Ａであるから、定格スイッチング電圧１６０ｋＶ、ピーク電流３２０Ａの大電流・高電圧スイッチが必要となる。
【０００７】
そこで、本発明は、静電４重極レンズ等の特別なイオンビーム収束機構を設けることなく、１０００ｍＡを超えるような大電流イオンビームを、数十ＭｅＶの加速エネルギーまで加速可能な荷電粒子加速器を提供することを第１の目的とする。
【０００８】
また、本発明は、ピーク電流のより小さい安価な高電圧スイッチを用いることができる荷電粒子加速器を提供することを第２の目的とする。
【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、荷電粒子を発生する荷電粒子発生源と、荷電粒子を加速する加速電圧を印加するための加速電源と、前記加速電源にスイッチを介して接続され、荷電粒子を順次通過させて加速させるための一対の加速電圧印加用電極板と、前記一対の加速電圧印加用電極板間に分圧回路を形成するように配列され接続された少なくとも一枚の分圧用電極板と、前記荷電粒子を前記加速電圧印加用電極板及び前記分圧用電極板を順次通過させて加速させるように所定のタイミングで前記スイッチをオンオフ制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
前記加速電源が正電位の直流高圧電源と負電位の直流高圧電源とを含み、前記一対の加速電圧印加用電極板のうちの荷電粒子発生源側に正電位の前記直流高圧電源が前記スイッチを介して接続され、前記一対の加速電圧印加用電極板の他方側に負電位の前記直流高圧電源が前記スイッチを介して接続されていることが好ましい。
【００１１】
前記一対の加速電圧印加用電極板がギャップを介して荷電粒子進行経路上に２対以上配列され、各対の加速電圧印加用電極板間に前記分圧用電極板が配列され接続されていることが好ましい。
【００１２】
前記分圧回路が、互いに直列接続された分圧抵抗と定電圧ダイオードとを含むことが好ましい。
【００１３】
隣り合う前記分圧用電極板の間に、アース電位の接地電極板が配設されていることが好ましい。
【００１４】
前記加速電源が、三相全波整流回路を含むことが好ましい。
【００１５】
前記制御部は、前記加速電源の出力電圧の変動に応じて、該出力電圧の変動による荷電粒子ビームの到達位置の変動を考慮したタイミングで前記スイッチをオンオフする調節を行う機能を有することが好ましい。
【００１６】
前記加速電圧印加用電極板及び前記分圧用電極板の列を並列に複数列配置するとともに、隣り合う列の前記加速電圧印加用電極板を互いに導電接続することにより、共通の前記スイッチのスイッチ操作により、各列の前記加速電圧印加用電極板に加速電圧を印加するように構成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る荷電粒子加速器によれば、分圧回路を形成する分圧用電極板を設けたことにより、一対の加速電圧印加用電極板及びそれらの間の分圧用電極板を順次通過している間にもイオンビームが加速勾配により常に加速されるとともにイオンビームを維持するための集束電場が形成され、イオンビームの発散を抑えることができるため、１０００ｍＡを超えるような大電流のイオンビームをイオン源から引き出した場合でも、従来のような電極管の内壁にイオンビームを衝突させることなく、加速させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る荷電粒子加速器の第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の構成要素である電極板の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。
【図３】図１の荷電粒子加速器の制御シーケンスを説明するための説明図である。
【図４】本発明の構成要素である各電極板と各ギャップの距離の例を配置図とともに示す図表である。
【図５】本発明に係る荷電粒子加速器の第２実施形態を示す概略構成図である。
【図６】本発明に係る荷電粒子加速器の第３実施形態を示す概略構成図である。
【図７】従来の荷電粒子加速器を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係る荷電粒子加速器の一実施形態について、以下に図１〜図６を参照して説明する。なお、全図を通して同一又は類似の構成要素には同符号を付している。
【００２０】
図１は、本発明に係る荷電粒子加速器の第一実施形態を示す概略構成図である。図１に示すように、荷電粒子加速器１は、荷電粒子を発生する荷電粒子発生源２と、荷電粒子を加速する加速電圧を印加するための加速電源３Ａ、３Ｂと、加速電源３Ａ、３Ｂにスイッチ４Ａ、４Ｂを介して接続され、荷電粒子を順次通過させて加速させるための一対の加速電圧印加用電極板５Ａ、５Ｂと、一対の加速電圧印加用電極板５Ａ、５Ｂの間に分圧回路による加速勾配を形成するように配列され接続された分圧用電極板６Ａ、６Ｂと、荷電粒子を加速電圧印加用電極板５Ａ、５Ｂ及び分圧用電極板６Ａ、６Ｂを順次通過させて加速させるように所定のタイミングでスイッチ４Ａ、４Ｂをオンオフ制御する制御部７と、を備えている。
【００２１】
図１に示された実施形態では、更に２対の加速電圧印加用電極板５Ｃ、５Ｄ、および５Ｅ，５Ｆが、ギャップＧ２，Ｇ３を介して荷電粒子進行経路上に３対配列され、其々が、共通の電源バスＢ１，Ｂ２を通じて、加速電源３Ａ、３Ｂとスイッチ４ｃ、４ｄ、及び４Ｅ、４Ｆを介して接続されている。
【００２２】
荷電粒子発生源２は、図示例では重陽子イオンのイオン源が用いられている。重陽子イオン源としては、例えば、引き出し電流１０００〜２０００ｍＡ、ビーム射出エネルギー１〜３ｋｅＶのものを用いることができる。
【００２３】
一方の加速電源３は正電位を発生する直流高圧電源（例えば１００ｋＶ〜１０００ｋＶ）であり、他方の加速電源３は負電位を発生させる直流高圧電源（例えば−１００ｋＶ〜−１０００ｋＶ）である。図示例では、加速電源３が＋１６０ｋＶＤＣの直流高圧電源であり、加速電源３が−１６０ｋＶＤＣの直流高圧電源である。正電位の直流高圧電源は、一対の加速電圧印加用電極板のうちの前方側（荷電粒子発生源に近い側）の加速電圧印加用電極板５Ａ、５Ｃ、５Ｅに接続され、負電位の直流高圧電源は、一対の加速電圧印加用電極板のうちの後方側の加速電圧印加用電極板５Ｂ，５Ｄ，５Ｆに接続されている。直流高圧電源は、コッククロフト・ワトソン回路を備えることができる。
【００２４】
スイッチ４Ａ〜４Ｆは、高電圧半導体スイッチを用いることができる。該高電圧半導体スイッチとしては、定格スイッチング電圧２００〜２０００ｋＶ、ピーク電流１００〜１０００Ａのものを用いることができる。図示例では、３２０ｋＶの直流電圧を数十ｎｓ程度の時間遅れでオンオフする機能を有し、ピーク電流は最大１６０Ａ、オン時の線路インピーダンスが１Ω以下の半導体スイッチを用いている。スイッチ４Ａ〜４Ｆには突入電流防止用抵抗器８が接続されており、その抵抗値は２ｋΩである。
【００２５】
加速電圧印加用電極板５Ａ〜５Ｆは、図２に示すように、イオンビームが通る穴が形成された環状の導電性薄板とすることができ、荷電粒子発生源２からのイオンビーム引出電流の値にもよるが、例えば、厚さ０．５〜３ｍｍ、外径１８０〜３００ｍｍ、穴径１４０〜２６０ｍｍとすることができ、図示例では、イオンビーム引出電流は１７００ｍＡであり、外径Ｌが２２０ｍｍ、穴径Ｍが１８０ｍｍ、厚さ１ｍｍのステンレス板で形成されている。
【００２６】
各対の加速電圧印加用電極板５Ａと５Ｂ、５Ｃと５Ｄ、５Ｅと５Ｆの其々の間に分圧回路を形成するように接続された分圧用電極板６Ａ〜６Ｆは、加速電圧印加用電極板５Ａ〜５Ｆと同じ寸法、および同材料によって形成することができる。図１に示す例では、一対の加速電圧印加用電極板５Ａと５Ｂ、５Ｃと５Ｄ、５Ｅと５Ｆの其々の間に、２枚の分圧用電極板６Ａと６Ｂ、６Ｃと６Ｄ、６Ｅと６Ｆが其々、分圧抵抗９Ａ〜９Ｉを介して接続されている。
【００２７】
分圧抵抗９Ａ〜９Ｉは、５００〜１０ｋΩの抵抗器を多数直列接続することにより構成することができる。図示例の分圧抵抗９Ａ〜９Ｉは、１ｋΩの抵抗器を６７個直列接続することにより、６７ｋΩの抵抗値を形成している。これは、例えば６７ｋΩの抵抗器一つで分圧回路を構成した場合は抵抗器の浮遊容量により一時遅れ時間が大きくなり過ぎるため、１ｋΩレベルの抵抗器を多数直列接続して浮遊容量を小さく抑えるためである。
【００２８】
分圧抵抗９Ａ〜９Ｉは、抵抗器に代えてアバランシェダイオード等の定電圧半導体素子を複数直列接続して構成することもできるし、あるいは、アバランシェダイオード等の定電圧半導体素子と抵抗器の組み合わせ回路により構成することもできる。アバランシェダイオード等の定電圧半導体素子を用いることで、部品点数を少なくするとともに、故障率を低減させることが可能となる。
【００２９】
３対の加速電圧印加用電極板５Ａと５Ｂ、５Ｃと５Ｄ、５Ｅと５Ｆの各対間のギャップＧ２、Ｇ３には、接地された接地電極板１０Ａ、１０Ｂが其々配置されている。接地電極板１０Ａ、１０Ｂは、加速電圧印加用電極板５Ａ〜５Ｆと同寸法及び同材料によって形成され得る。接地電極板１０Ａ、１０Ｂと隣り合う加速電圧印加用電極板５Ｂ，５Ｃ及び５Ｄ、５Ｅとの間は、絶縁又は絶縁抵抗としておくことができ、例えばイオンビームＨが５Ａ〜５Ｂ間を通過中に集束電界を印加したい場合、抵抗９Ａと９Ｂと９Ｃと１１Ａの分圧回路により電極板６Ａ、６Ｂ、５Ｂが集束電界を形成するために適切な電位を有するように、抵抗９Ａ、９Ｂ、９Ｃ及び１１Ａの各抵抗値を選択すればよい。
【００３０】
荷電粒子発生源２は接地されており、荷電粒子発生源２とその直近にある先頭の加速電圧印加用電極板５Ａとの間も絶縁又は絶縁抵抗とされ、図示例では１．４ＭΩの抵抗１１Ｅが接続されている。最後尾の加速電圧印加用電極板５Ｆの後方に、接地されたダミー電極板１３が配置されており、ダミー電極板１３も加速電圧印加用電極板５Ａ〜５Ｆと同寸法及び同材料で形成され得る。最後尾の加速電圧印加用電極板５Ｆとダミー電極板１３との間も絶縁又は絶縁抵抗とされ、図示例では、１．４ＭΩの抵抗１１Ｆを介して加速電圧印加用電極板５Ｆと接続されている。
【００３１】
絶縁抵抗を形成するための抵抗１１Ａ〜１１Ｆは５００〜１０ｋΩの抵抗器を多数直列接続することにより１ＭΩ以上の抵抗値を得るようにすることができる。図示例では、１ｋΩの抵抗器を１４００個直列接続することにより、１．４ＭΩの抵抗値を得ている。抵抗器に代えてアバランシェダイオードを複数直列接続することもできる。
【００３２】
図３は、荷電粒子加速器１の制御シーケンス例を示している。図１及び図３を参照しつつ、制御シーケンスについて説明する。
【００３３】
先ず、スイッチ４Ａ、４Ｃ、４Ｅをオフにしておいてスイッチ４Ｂ、４Ｄ、４Ｆをオンにすると、加速電圧印加用電極板５Ｂ、５Ｄ、５Ｆに−１６０ｋＶＤＣの直流電圧が印加され、図３（１）に示すように、正電荷を帯びた荷電粒子である重陽子イオンが荷電粒子発生源２から引き出され、イオンビームＨとなってギャップＧ１で加速される。
【００３４】
このとき加速電圧印加用電極板５Ａは、分圧回路によって−１４０ｋＶＤＣの電位を有している。更に分圧用電極板６Ａは−１４６．７ｋＶ、分圧用電極板６Ｂは−１５３．４ｋＶの電位を有しており、電極板５Ａ〜６Ａ間、６Ａ〜６Ｂ間、６Ｂ〜５Ｂ間には、各電極板の電位差により加速電界が形成されることで各電極板間において常にイオンビームＨは加速され、これら電極板間に集束電界が発生する。従って、イオンビームＨは、集束力を受けながら電極板５Ａ〜５Ｂ間を通過する。
【００３５】
イオンビームＨがギャップＧ１を通過し、図３（２）に示すようにイオンビームＨの先端部が加速電圧印加用電極板５Ｂに到達したら、スイッチ４Ｂ（図１）をオフにするとともにスイッチ４Ａ（図１）をオンにして、加速電圧印加用電極板５Ａに＋１６０ｋＶＤＣの電圧を印加する。このとき、分圧用電極板６Ａは＋１５３．４ｋＶ、分圧用電極板６Ｂは＋１４６．７ｋＶ、加速電圧印加用電極板５Ｂは＋１４０ｋＶとなっており、スイッチ４Ａ及び４Ｂの切替後も電極板５Ａ〜６Ａ間、６Ａ〜６Ｂ間、６Ｂ〜５Ｂ間の集束電界は維持される。また電極板５Ｂが＋１４０ｋＶの電位となるため、図３（３）に示すように、イオンビームＨがギャップＧ２で加速される。
【００３６】
図３（４）に示すようにイオンビームＨの終端部が次段の一対の加速電圧印加用電極板５Ｃ、５Ｄの前方側（荷電粒発生源側）の加速電圧印加用電極板５Ｃに到達したら、スイッチ４Ｄ（図１）をオフにするとともにスイッチ４Ｃ（図１）をオンにして、加速電圧印加用電極板５Ｃに＋１６０ｋＶＤＣの直流電圧を印加する。この場合も、分圧抵抗回路により電極板５Ｃ〜６Ｃ間、６Ｃ〜６Ｄ間、６Ｄ〜５Ｄ間には集束電界が形成される。
【００３７】
スイッチ４Ｄをオフにしてスイッチ４Ｃをオンにする切り換えは、図３（５）に示すように、イオンビームＨが一対の加速電圧印加用電極板５Ｃと加速電圧印加用電極板５Ｄの間にある間に完了する必要がある。そうすることで、図３（６）に示すように、ギャップＧ３でイオンビームＨが更に加速される。この場合も、分圧抵抗回路により電極板５Ｃ〜６Ｃ間、６Ｃ〜６Ｄ間、６Ｄ〜５Ｄ間には集束電界が形成される。
【００３８】
イオンビームＨがギャップＧ３を通過し、図３（７）に示すように、イオンビームＨの終端部が次々段の一対の加速電圧印加用電極板５Ｅ、５Ｆの前方側の加速電圧印加用電極板５Ｅに到達したら、スイッチ４Ｅ（図１）をオフにするとともにスイッチ４Ｆ（図１）をオンにして、加速電圧印加用電極板４Ｆに＋１６０ｋＶＤＣの直流電圧を印加するとともに、図３（８）に示すように、スイッチ４Ａ（図１）をオフにするとともにスイッチ４Ｂ（図１）をオンに戻して、加速電圧印加用電極板５Ａに−１６０ｋＶＤＣの直流電圧を印加し、次に加速するイオンビームを引き出す。上記図３（１）〜（８）のスイッチ操作を繰返して、順次イオンビームを作り出す。分圧回路により、各電極板の間には常に集束電界が形成されている。
【００３９】
上記のようなスイッチ切換タイミングは制御プログラムにより適切なタイミングにプログラムすることができ、制御部７は制御プログラムに従って各スイッチ４Ａ〜４Ｆをオンオフ制御することができる。
【００４０】
この場合、各電極板に印加される電圧は既知であるので、荷電粒子発生源２からのビーム引出電源が分かればイオンビームの包絡線を、シミュレーションソフトを使って演算できる。シミュレーションソフトでは、イオンビームの包絡線が各電極板に衝突しないように各電極板の間隔をカット＆トライで決定する。各電極板の間隔が決まれば、各電極板の電位と荷電粒子発生源２からの射出エネルギーから、イオンビームＨの先端部に存在する重陽子イオンの加速エネルギーと速度とを求め、イオンビームＨの先端部が電極板５Ｂに到達する時間を計算する。イオンビームＨの先端部が電極板５Ｂに至った瞬間に図３（２）に示すように切り替えた場合の各電極板の電位から、イオンビームＨの先端部が各電極板を通過する際の加速エネルギーと速度を求め、イオンビームＨの先端部が電極板５Ｄに到達する時間を計算する。こうして電極板５Ｂ、５Ｄ、５ＦにイオンビームＨの先端部分が到達する時間を計算することにより、各スイッチの切換タイミングを制御すれば、イオンビームを加速することができる。こうして得られるスイッチ切換タイミングは、あくまでも計算による予想値であるため、実際には実機加速器を動作させながら微妙なタイミングを調整し、最適値を得ることになる。
【００４１】
上記制御の説明から分かるように、イオンビームＨは進行につれて加速されて速度が増すが、例えば図３（５）で説明したように、イオンビームＨが一対の加速電圧印加用電極板５Ｃと加速電圧印加用電極板５Ｄの間にある間に、スイッチ４Ｃ、４Ｄの切り換えを完了する必要があるため、一対の加速電圧印加用電極板の間隔は、荷電粒子発生源２から遠ざかるにつれて長くなる。図４は、各電極板と各ギャップの距離の例を示している。なお、分圧用電極板６Ａ〜６Ｆは、其々の対の加速電圧印加用電極板５Ａと５Ｂ、５Ｃと５Ｄ、５Ｅと５Ｆの間で、等間隔で配置されている。
【００４２】
上記構成を有する荷電粒子加速器は、分圧回路を形成する分圧用電極板６Ａ〜６Ｆを設けたことにより、一対の加速電圧印加用電極板５Ａと５Ｂ、５Ｃと５Ｄ、５Ｅと５Ｆの其々の間を通過している間にもイオンビームＨを維持するための集束電場が形成され、イオンビームＨの発散を抑えることができるため、従来のような電極管の内壁にイオンビームを衝突させることなく、加速させることができる。例えば、荷電粒子発生源２からの引出電流が１０００ｍＡを超えてもイオンビームが周囲構造物に衝突しない荷電粒子加速器を製作することができる。
【００４３】
また、薄板で構成された加速電圧印加用電極板と分圧用電極板で構成されるため、一対の加速電圧印加用電極板の離間距離を容易に長くすることできるため、加速電圧印加用電極板の対の数を増やして加速段数を多くして、数十ＭｅＶの加速エネルギーを達成することができる。
【００４４】
また、上記実施形態では、ステンレス薄板製電極板の浮遊容量は５ｐＦ程度であり、１０ｎｓの時定数を実現するために必要な抵抗値は２ｋΩであるから、突入電流は３２０ｋＶ／２ｋΩ＝１６０Ａであるので、ピーク電流の小さい安価な高電圧スイッチを使用することができる。
【００４５】
上記第１実施形態では、３対の加速電圧印加用電極板を備える例について説明したが、加速電圧印加用電極板５Ａ、５Ｂを一対のみ備えることもできるし、２対又は、４対以上備えることもできる。
【００４６】
図５は、本発明に係る荷電粒子加速器の第２実施形態を示す概略構成図である。第２実施形態では、第１実施形態の分圧用電極板６Ｅと分圧用電極板６Ｆとの間に、接地された接地電極板１５を追加している。
【００４７】
このような接地電極板１５を分圧用電極板間に設けることにより、前後の分圧用電極板との電位差によってアインツェルレンズが形成され、更なるビーム集束効果が得られる。
【００４８】
図６は、本発明の第３実施形態を示す概略構成図である。図３に示す実施形態は、上記第１実施形態の荷電粒子加速器を３列並列に配置するとともに、隣り合う列の加速電圧印加用電極板５Ａ〜５Ｆを互いに導電接続することにより、共通のスイッチ４Ａ〜４Ｆのスイッチ制御により、各列の加速電圧印加用電極板５Ａ〜５Ｆに加速電圧を印加するように構成し、更に、加速電源として、高圧受電設備３０から三相交流電圧を三相全波整流回路３１、３２で整流する高圧直流電源を採用した例を示している。
【００４９】
三相全波整流回路３１，３２による加速電源３Ａ、３Ｂからの出力は、絶対値で最大出力に対して１３％程度の変動が生じ得る。加速電源３Ａ，３Ｂの出力変動が生じると、加速電界が変動し、イオンビームの速度が変動する。イオンビーム速度が変動すると、イオンビームの位置が変動する。そのため、加速電源３Ａ，３Ｂの電圧値を検出するとともに検出した電圧値に対応して、イオンビーム到達位置の変動を考慮したタイミングでスイッチ４Ａ〜４Ｆをオンオフする調節を行う。すなわち、加速電源３Ａ、３Ｂの出力変動に応じて、スイッチ４Ａ〜４Ｆのオン時間又はオフ時間を調節するようにプログラムすることで、イオンビームが同じタイミングで常に同じ位置を維持できるようになり、加速動作が悪影響を受けることがなくなる。
【００５０】
図６のように複数例の荷電粒子加速器１を並列動作させることにより、更に高出力のイオンビームを得ることができる。並列数を増やす場合には、更に大きな定格電流を有する半導体スイッチが用いられる。
【符号の説明】
【００５１】
１  荷電粒子加速器
２  荷電粒子発生源
３Ａ、３Ｂ  加速電源
４Ａ〜４Ｆ  スイッチ
５Ａ〜５Ｆ  加速電圧印加用電極板
６Ａ〜６Ｆ  分圧用電極板
７  制御部
１５  接地電極板
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３  ギャップ
【図１】
2015207517.tif 000003
【図２】
2015207517.tif 000004
【図３】
2015207517.tif 000005
【図４】
2015207517.tif 000006
【図５】
2015207517.tif 000007
【図６】
2015207517.tif 000008
【図７】
2015207517.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月21日(2014.11.21)
【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】
正電荷の荷電粒子を発生する荷電粒子発生源と、
荷電粒子を加速する加速電圧を印加するための加速電源と、
前記加速電源に第１及び第２のスイッチを介して接続された一対の環状の加速電圧印加用電極板と、
前記一対の加速電圧印加用電極板間に分圧回路を形成するように配列され分圧抵抗を介して接続された少なくとも一枚の環状の分圧用電極板と、
前記荷電粒子を、前記一対の加速電圧印加用電極板及び前記分圧用電極板を配列順に通過させて加速させるように所定のタイミングで前記第１及び第２のスイッチをオンオフ制御する制御部と、を備え、
前記加速電源が正電位の直流高圧電源と負電位の直流高圧電源とを含み、前記一対の加速電圧印加用電極板のうちの荷電粒子発生源側に正電位の前記直流高圧電源が前記第１のスイッチを介して接続され、前記一対の加速電圧印加用電極板の他方側に負電位の前記直流高圧電源が前記第２のスイッチを介して接続され、
前記制御部は、前記第２のスイッチをオンにするとともに前記第１のスイッチをオフにして前記荷電粒子のイオンビームを前記一対の加速電圧印加用電極板のうちの荷電粒子発生源側へ引き込んだ後、引き込んだイオンビームの先端部が前記一対の加速電圧印加用電極板の他方側に到達したときに前記第２のスイッチをオフにするとともに前記第１のスイッチをオンにするように前記第１及び第２のスイッチを制御し、
前記分圧用電極板の分圧回路により、前記一対の加速電圧印加用電極板間を前記イオンビームが通過する間に加速勾配により常にイオンビームを加速するとともに、該イオンビームが前記一対の加速電圧印加用電極板及び該分圧用電極板に衝突しないような集束電界を形成するように構成されていることを特徴とする荷電粒子加速器。
【請求項２】
一対の加速電圧印加用電極板がギャップを介して荷電粒子進行経路上に２対以上配列され、各対の加速電圧印加用電極板間に前記分圧用電極板が配列され接続されていることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子加速器。
【請求項３】
前記分圧回路が、互いに直列接続された分圧抵抗と定電圧ダイオードとを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電粒子加速器。
【請求項４】
隣り合う前記分圧用電極板の間に、アース電位の接地電極板が配設されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【請求項５】
前記加速電源が、三相全波整流回路を含むことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【請求項６】
前記制御部は、前記加速電源の出力電圧の変動に応じて、該出力電圧の変動による荷電粒子ビームの到達位置の変動を考慮したタイミングで前記スイッチをオンオフする調節を行う機能を有することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【請求項７】
前記加速電圧印加用電極板及び前記分圧用電極板の列を並列に複数列配置するとともに、隣り合う列の前記加速電圧印加用電極板を互いに導電接続することにより、共通の前記スイッチのスイッチ操作により、各列の前記加速電圧印加用電極板に加速電圧を印加するように構成したことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の荷電粒子加速器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、正電荷の荷電粒子を発生する荷電粒子発生源と、荷電粒子を加速する加速電圧を印加するための加速電源と、前記加速電源に第１及び第２のスイッチを介して接続された一対の環状の加速電圧印加用電極板と、前記一対の加速電圧印加用電極板間に分圧回路を形成するように配列され分圧抵抗を介して接続された少なくとも一枚の環状の分圧用電極板と、前記荷電粒子を、前記一対の加速電圧印加用電極板及び前記分圧用電極板を配列順に通過させて加速させるように所定のタイミングで前記第１及び第２のスイッチをオンオフ制御する制御部と、を備え、前記加速電源が正電位の直流高圧電源と負電位の直流高圧電源とを含み、前記一対の加速電圧印加用電極板のうちの荷電粒子発生源側に正電位の前記直流高圧電源が前記第１のスイッチを介して接続され、前記一対の加速電圧印加用電極板の他方側に負電位の前記直流高圧電源が前記第２のスイッチを介して接続され、前記制御部は、前記第２のスイッチをオンにするとともに前記第１のスイッチをオフにして前記荷電粒子のイオンビームを前記一対の加速電圧印加用電極板のうちの荷電粒子発生源側へ引き込んだ後、引き込んだイオンビームの先端部が前記一対の加速電圧印加用電極板の他方側に到達したときに前記第２のスイッチをオフにするとともに前記第１のスイッチをオンにするように前記第１及び第２のスイッチを制御し、前記分圧用電極板の分圧回路により、前記一対の加速電圧印加用電極板間を前記イオンビームが通過する間に加速勾配により常にイオンビームを加速するとともに、該イオンビームが前記一対の加速電圧印加用電極板及び該分圧用電極板に衝突しないような集束電界を形成するように構成されていることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】削除
【補正の内容】