(57)【要約】【課題】大口径のセラミック管の製作が困難なために大型の加速器を製作できないこと、万一の絶縁管損傷時にも容易には分解できないという問題点があった。【解決手段】イオンや電子などの荷電粒子のビームをＭｅＶ級の高エネルギーまで加速する静電加速器において、加速器内部に電位を供給する金属部品、ＦＲＰ製絶縁管及び加速器内部の真空側の接点である三重点近傍に、ＦＲＰの肉厚と同等以上の半径を有する、電界集中を低減するための円弧断面形状の金属製電界緩和リングを装着して電界強度を１．５ｋＶ／ｍｍ以下まで低減することにより、上記近傍への電界集中を防止し、絶縁管の放電破壊を防止する静電加速器。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンや電子などの荷電粒子のビームをＭｅＶ級の高エネルギーまで加速する静電加速器において、加速器内部に電位を供給する金属部品、ＦＲＰ製絶縁管及び加速器内部の真空側の接点である三重点近傍に、ＦＲＰの肉厚と同等以上の半径を有する、電界集中を低減するための円弧断面形状の金属製電界緩和リングを装着して電界強度を１．５ｋＶ／ｍｍ以下まで低減することにより、上記近傍への電界集中を防止し、絶縁管の放電破壊を防止する静電加速器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンや電子などの荷電粒子のビームをＭｅＶ級の高エネルギーまで加速する静電加速器である。従来、高エネルギー物理学や原子核物理学で広く用いられている従来の静電加速器では、荷電粒子を加速するために加速器に印加される高電圧を高価なセラミック管で絶縁しているが、本発明は、大型の電界緩和リングを装着することによって絶縁管の電界集中を防止し、セラミック管の代わりに安価なＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）製の絶縁管でも放電破壊を起こさない、大口径の静電加速器を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
静電加速器では、外部から印加される高電圧によって加速器内部に電界を形成し、その電界により荷電粒子を加速する。従来の静電加速器では、この高電圧の絶縁にセラミック等の高融点無機材料製の絶縁管を用いており、図１の「従来加速器」の部分に示されるように、セラミック絶縁管と加速器内部へ電位を供給するフランジ（金属）とはロウ付け等によって接合される。
【０００３】
この構造は、フランジ（金属）、絶縁管及び加速器内部の真空側の接点である三重点において、真空と絶縁材の誘電率の違いから電界が集中して放電を誘起することを防止するだけでなく、そこに少々の電界集中やそれに伴う放電破壊を生じても絶縁材の融点が高いために絶縁管の損傷が防止されるものである。
【０００４】
例えば、絶縁管にアルミナセラミックを用い、三重点の電界緩和のために内面形状を工夫した静電加速器（例えば、非特許文献１）についての報告があり、又絶縁管にＦＲＰを用いた加速器で、大型電界緩和リング装着以前の報告で、１ＭＶの安定保持が困難であったときの性能報告がある（例えば、非特許文献２）。
【０００５】
【非特許文献１】
１９７９  ＬＩＮＥＡＲ  ＡＣＣＥＬＥＲＡＴＯＲ  ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ，ＤＥＳＩＧＮ  ＣＲＩＴＥＲＩＡ  ＦＯＲ    ＨＩＧＨ  ＶＯＬＴＡＧＥ，  ＨＩＧＨ  ＣＵＲＲＥＮＴ  ＡＣＣＥＬＥＲＡＴＩＮＧ  ＣＯＬＵＭＮＳ，ＡＥＣＬ−６７４５（ｐ．１−４）
【非特許文献２】
ＲＥＶＩＥＷ  ＯＦ  ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ  ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ，ＶＯＬＵＭＥ  ６９，ＮＵＭＢＥＲ  ２，ＦＥＢＲＵＡＲＹ１９９８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１の左下の「従来加速器」に示されるように、上記３重点近傍に「電界緩和効果不十分」な部分が依然として残存すること、大口径のセラミック管の製作が困難なために大型の加速器を製作できないこと、及び万一の絶縁管損傷時には、絶縁管とフランジ（金属）とがロウ付け等によって接合されるために、これらを容易に分解できないこと等の問題点があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、これらの問題を解決する静電加速器である。即ち、本発明は、イオンや電子などの荷電粒子のビームをＭｅＶ級の高エネルギーまで加速する静電加速器において、加速器内部に電位を供給する金属部品、ＦＲＰ製絶縁管及び加速器内部の真空側の接点である三重点近傍に、ＦＲＰの肉厚と同等以上の半径を有する、電界集中を低減するための円弧断面形状の金属製電界緩和リングを装着して上記近傍への電界集中を防止し、電界強度を１．５ｋＶ／ｍｍ以下まで低減することにより、絶縁管の放電破壊を防止する静電加速器を提供するものである。
【０００８】
図１の右下の「本発明の加速器」に示されるように、電界緩和リングの断面形状の半径は１２０ｍｍ（Ｒ１２０）であり、そのリング断面の外部形状は１／４円弧を形成するのに対し、ＦＲＰ絶縁管の肉厚は５４ｍｍである点で、電界緩和リングの断面形状の半径は絶縁管の肉厚以上のものが使用されている。又、リングの断面形状先端の丸みの半径は、１０ｍｍ（Ｒ１０）のものが示されている。
【０００９】
本発明は、図１の右下に示されているように、個々の大口径単純円筒形状のＦＲＰ製絶縁管の間に金属フランジを挿入し、この両者をクランプにより結合して円筒形状の加速器構造体を形成する。この円筒形状の加速器構造体の内側で、個々の絶縁管の間に挿入された金属フランジの内側延長部で、絶縁管の内面に接する位置に、円弧断面形状の金属製電界緩和リングが装着されている。本発明の加速器においては、イオン又は電子等の荷電粒子をイオン源から発生させ、外部から高電圧を、金属フランジを経て絶縁管中心部に設置された多孔電極に印加し、絶縁管内に荷電粒子を加速する加速電界を形成し、その加速電界によってイオン源からの荷電粒子が所望の速度に加速される。この際に、電界緩和リングの存在により絶縁管への電界集中が抑制されるので、絶縁管の放電破壊が防がれる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
従来の加速器と本発明による静電加速器の断面を比較して第１図に示す。本発明の加速器の特長とその効果は以下のとおりである。
【００１１】
１）本発明では、加速器内部に電位を供給する金属部品（フランジ）、ＦＲＰ製絶縁管及び加速器内部の真空の接点である三重点における電界集中を低減するために、陰極側三重点近傍にＦＲＰの肉厚と同等以上の半径を有する、円弧断面形状の金属製電界緩和リングを装着し、電界強度を１．５ｋＶ／ｍｍ以下まで低減する。図１中には加速器内側三重点にのみ電界緩和リングが装着されているが、同様な金属構造物を加速器外側に装着しても、内側三重点の電界緩和効果が得られる。
【００１２】
２）この効果として、従来の加速器で用いられるセラミックなどの高融点無機材料に代え、絶縁管材料にＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）を用いることが可能となる。ＦＲＰは１００℃程度で軟化する低融点有機材料であるが、上記の電界強度では微小放電による性能劣化は起こりえない。従来用いられてきたセラミックでは圧縮整形や焼成などの工程が必要なため、絶縁管は高価でありかつ直径１．６ｍを越える大口径のものは現状では製作不可能である。ＦＲＰを用いることによって、１．６ｍ越えの大口径でも安価に製作可能となる。
【００１３】
３）従来にも、ＦＲＰを絶縁管に用いた静電加速器は少数ながらあるが、中細りや中太りの断面形状として、電界集中の低減や沿面距離の延長による放電破壊の防止を図っていた。しかしながら、これら複雑な断面形状を有する大口径ＦＲＰの製作は容易ではなく、コストの上昇を招いていた。本発明では単純円筒断面形状のＦＲＰ絶縁管を用いることで、安価な静電加速器を提供する。
【００１４】
４）ＦＲＰ絶縁管は、加速器内部に電位を供給する金属部品あるいは金属製支持構造物に対してクランプ締めによって固定される。加速器内外の気密は、両者の間（絶縁管とフランジ（金属）あるいは金属製支持構造物との間）にＯ−リングを挿入することによって保持する。この構造はＯ−リングのつぶししろによって三重点に隙間ができ、電界集中を生じるため従来用いられなかったが、上記１）の電界緩和リングによって電界集中を低減して放電破壊を防止できる。また、万一絶縁管表面を放電破壊によって損傷しても、加速器を分解して損傷部分のＦＲＰ絶縁管のみを交換することが容易に可能である。
【００１５】
５）図２に本発明による加速器の耐電圧性能の向上効果を示す。図２は多段で構成される静電加速器の１段のみについて行った耐電圧試験の結果である。従来の加速器構造でＦＲＰ絶縁管を用いた際には、コンディショニング（枯化運転）に６時間を費やしても設計定格電圧２００ｋＶには到達せず、１８０ｋＶを保持するのがやっとであった。
【００１６】
一方同じ加速器構造の陰極側三重点近傍に半径１２０ｍｍ（ＦＲＰ管肉厚５４ｍｍ）、１／４円弧断面形状を有する電界緩和リングを装着して耐電圧試験を行ったところ、わずか数分で設計定格２００ｋＶに到達し、その後６時問のコンディショニングの後、定格の１．５倍に相当する３００ｋＶをも安定に保持できた。
【００１７】
【発明の効果】
本発明においては、加速器内部に電位を供給する金属部品、ＦＲＰ製絶縁管及び加速器内部の真空の接点である三重点近傍に電界集中を低減するための円弧断面形状の金属製電界緩和リングを装着することにより、単純円筒形状のＦＲＰ製の絶縁管でも、上記三重点近傍への電界集中を防止できるために絶縁管の放電破壊を起こさないという、本発明に特有な顕著な効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来加速器と本発明による加速器の内部構造の比較を示す図である。
【図２】従来の加速器と本発明による電界緩和リングを装着した加速器の耐電圧性能を示す図である。
【図３】本発明の大型電界緩和リングを装着した加速器内部の鳥瞰図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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