JP2018120774A - 静電加速器 - Google Patents

Abstract

【課題】
高電圧部の重量を増加させず、かつ設置面積も省スペースで、大電力を高電圧部のイオン源へ供給して、大電流のイオンを引き出し可能にする静電加速器を提供する。
【解決手段】
荷電粒子ビームを静電場で加速する装置において、大電流のイオンビームを引き出すために必要な大電力のマイクロ波を高電圧側のイオン源へ供給するために、高電圧側のイオン源へマイクロ波電力を供給するための絶縁チョークフランジを具備した導波管により、接地電位側からマイクロ波電力を供給することによって、本発明は上記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静電加速器に関する。

従来からＢＮＣＴ（ホウ素中性子捕獲療法）や国際核融合材料照射施設（ＩＦＭＩＦ）、大量トリチウム製造用加速器に必要となる大電流の低エネルギー加速器においては、高周波四重極線形加速器（ＲＦＱ）とドリフトチューブライナック（ＤＴＬ）の組み合わせが検討されてきた。しかし、大電流の連続ビーム加速器においては、発熱やビーム周辺材料の消耗が激しく、その実用化は困難を極めている。一方で、静電的にイオンを加速する静電加速器には負イオン入射タンデム加速器などが検討されているが、大電流には様々な課題があり、１０ｍＡ程度が限界となっている。例えば、特許文献１と特許文献２に大電流の加速器システムについて記載されている。

特表２０１２−５００４５４号公報 特開２０１２−１６４６６０号公報

特許文献１に記載の静電加速器システムは、直流高電圧・大電力供給装置と、出射イオン加速管と、陽子イオン源との間に、質量分離磁石及び高電圧側に設置された真空ポンプとを有する。静電加速器システムは、ビーム管と呼ばれることもある絶縁リングにより相互に離間した複数の導電性電極を備えた加速管を有する。加速管は陽子ビームに対して一様で収束した加速電界を供給するよう構成されている。約０．４ＭｅＶ以上の高電圧及び約１０ｍＡ以上の大電流を供給する電力供給装置は、加速管に加速電圧を印加する。イオン源は、外部のマイクロ波発生器により供給されたマイクロ波電力を有するイオン化水素ガスにより陽子を生成する。プラズマはイオン源を包囲する永久磁石により形成された軸方向のソレノイド磁界に制限される。イオン源は、小さなビーム引き出し孔を有し、ビーム引き出し孔を通過する少量（好ましくは、標準状態で毎分３ｃｍ^３未満（standard cubic centimeters per minute;以下ｓｃｃｍ）の中性子水素ガスを放出する一方で、５ｍＡ以上の電流の陽子ビームを発する。その加速器システムでは、加速管内でイオンのガス衝突による中性化を減少させる構成を有することが望ましい。また、質量分離磁石はイオン源と加速管の間に位置する。質量分離磁石の磁界は、イオン源で生成された陽子以外のイオンが加速管に到達するのを防止することができる。加速管に進入する中性子水素ガスの量を減少させる為に、イオン源と加速管の間には真空吸着ポンプを有している。ビームの発散が加速するのを制限し、加速管に進入する中性子ガスの量をさらに抑制するために、加速管の入り口には真空ポンプが設置されている。

特許文献２に記載された静電加速器では、イオンビーム電流を大きくするために、高電圧ターミナル内への真空ポンプ及び真空絞りの組込み、加速に先立つ、重要なイオンのみを加速するための質量分離、及び一次イオンビーム電流と中性ガスの放出との比率を最適化するためにイオン化効率が高いイオン源の適用が含まれている。真空ポンプ及び質量分析を高電圧ターミナル内に備えた直流線形加速器となっている。

電流をより大きくするための鍵は、加速管内の真空圧力を低くすることであるとされている。この加速管内の低真空圧力によって、大電流ビーム加速が可能となる。また、一次イオンビームから中性化ガスを除去するための質量分析器が収納されている。質量分析器は、該質量分析器が、イオン源から放出される発散ビームを集束させて収斂ビームにするレンズのように同じく作用するように構成することができる。この方法によれば、質量分析後、ビーム焦点即ち「ウエスト」が形成される。この構造によれば、小さいサイズの孔を備えた電極プレート又は壁の形態の真空絞りをビーム焦点の位置に置くことができる。それにより質量分析されたイオンビームは、加速管に向かって小さい孔でも通過させることができ、また、それと同時に中性ガスが加速管に流入するのを阻止することができる。

特許文献１及び２に記載された構成の場合、イオン源で出射したイオンの中性化を防止することによって静電加速器の大電流化の効果を多少得ることができる。しかしながら、加速管内の真空圧力を低くすることだけで大電流化を実現することは非常に困難である。

従来の静電加速器において、上記に示した様な従来のダイナミトロンは、イオン源から出る中性化ガスによるイオンの中性化を減らす対策はできても、イオン源のプラズマを生成するマイクロ波電力が小さいため、プラズマを充分に電離することができずに、中性化ガスに比べてイオンの比率を高くすることができないため、大電流イオンビームを引き出す事はできなかった。また、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ために薄膜を用いた電荷交換器の場合は熱負荷が大きいため溶融に至ることもあり、寿命が短くなる問題がある。また、ガスストリッパを用いた電荷交換器の場合は、ガスが高電圧電極部に流れて放電し易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、大電流にすることは困難であった。

上記課題を解決するために、例えば以下のような構成を採用する。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例をあげるならば、荷電粒子ビームを静電場で加速する静電加速器であって、加速器の高電圧側に設けられたイオン源と、前記イオン源へマイクロ波を供給する導波管と、前記導波管にマイクロ波を供給するマイクロ波生成装置とを有し、前記導波管は絶縁チョークフランジが設置され、前記マイクロ波生成装置は加速器の接地側に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、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大電流ビームが引き出せる静電加速器を提供することができる。また、大電流の静電加速器を用いた中性子発生装置を提供することができる。

本発明の第1の実施例による絶縁チョークフランジ構造を用いた静電加速器の概略構成を示す図である。 従来の回転モータと回転絶縁棒と回転発電機を用いた静電加速器の概略構成を示す図である。 従来の絶縁トランスによって電力を供給する方法を用いた静電加速器の概略構成を示す図である。

本実施例ではマイクロ波電力の供給方法を用いた静電加速器とその構造を例に説明するが、本発明は静電加速装置の全般に適用可能である。

本発明の代表的な一実施例である静電加速器について、図１を用いて説明する。図１は、本実施例の静電加速器１００の概略構成を示す図である。以下、本実施例の静電加速器１００について説明する。

本実施例の大電流のビームを加速できる静電加速器１００は、ビームを加速するためのシェンケル回路を構成して高電圧を発生するための高電圧の高周波トランス１と、低電圧側ＲＦ電極２と、高電圧側ＲＦ電極３を具備する。なお、シェンケル回路は低電圧側ＲＦ電極２と高電圧側ＲＦ電極３の間の浮遊容量がコンデンサの役割をなし、整流器４によって段階的に高電圧側ＲＦ電極３は昇圧される。昇圧により、加速器からビームを出射するビーム高エネルギー側（低電位な接地側）からイオン源があるビーム低エネルギー側（高電圧側）に向かって電位が上昇し、低エネルギー側は極めて高電圧な高電圧部となる。加速管１３のビーム低エネルギー（高電圧側）端に設置された永久磁石マイクロ波イオン源５によって最初のイオンビームが発生する。イオン源５から大電流のビームを引き出すには、そのマイクロ波電力として数ｋＷ以上が必要である。大電力のマイクロ波電力は、マイクロ波導波管７によりマイクロ波発振器８からイオン源５に伝送する必要があるが、イオン源が設けられた低エネルギー側は極めて高電圧であるため、マイクロ波導波管７に複数の絶縁チョークフランジ６を具備し、高電圧から発振器８等を絶縁した構造を採用する。本実施例において、絶縁チョークフランジ６が複数設けられたマイクロ波導波管７は加速器管１３と並ぶように、ＲＦ電極の内側に並列に配置されている。このように配置することで、加速器管１３はその長手方向に、高電圧側(低エネルギー側)と低電圧の接地側(高エネルギー側)があり、マイクロ波導波管７も接地側に行くに従い低電圧となり、また、絶縁の為の距離を取ることが出来る。

マイクロ波導波管７を通してマイクロ波イオン源５に供給されるマイクロ波電力は、マイクロ波を生成する装置であるマイクロ波発振器８によって発振され、その電力はマイクロ波電源９によって供給され、その電力は元をたどると建屋電源又は建屋の分電盤１０から供給される。また、マイクロ波イオン源５のガス供給制御系に必要な小電力は高電圧部に設置された蓄電池バッテリ１１から供給される。

なお、マイクロ波イオン源５への水素ガス供給は水素ガスボンベ１２からガス配管により供給される。また、ガス供給量やビーム光学をコントロールするための小電力を供給するバッテリ１１の充電においては、静電加速器１００の直流高電圧はシェンケル回路の段毎に電位が上昇して異なることを利用して、最上段とその１つ下の段の間の直流電位差によって充電電力は供給される。

本実施例の静電加速器１００では、大電流のイオンを引き出すために必要な大電力のマイクロ波電力は、絶縁チョークフランジ６を具備したマイクロ波導波管によって接地側から電力を供給するので、図２の様に回転モータや重量の大きい回転発電機を高電位部に取り付ける必要もなく、高電圧部が軽量化できる。

また、図３の様に数ＭＶもの高電圧を絶縁して電力を供給するための大型の絶縁トランスも不要となり、設置面積を小さくできる。

本実施例によれば、高電圧部にマイクロ波電力を供給する絶縁チョークフランジ６を具備したマイクロ波導波管は、放電しやすい高電界の領域を避けて接地側から給電するために、加速管１３と隣接して並列に設置される。

本実施例によれば、静電加速器１００により大電力のマイクロ波でマイクロ波イオン源５のプラズマを生成できるため、大電流のビームを引き出することができる。また、従来の様に高電圧部に回転発電機を必要としないため、軽量化でき、あるいは大型の絶縁トランスも不要であるため、接地面積を小さくでき、加速器システムの大電流化、高性能化、省スペース化が期待できる。

本実施例によれば、イオン源のプラズマを生成するマイクロ波電力を大きくして送電できるため、プラズマを充分に電離することができ、中性化ガスに比べてイオンの比率を高くすることができるため、大電流イオンビームを引き出すことができる。これにより、大電流ビームの引き出しが可能な静電加速器を提供することができる。

イオン源のプラズマを点火するためのマイクロ波電力を増加することによって、より大電流化を実現することが可能であると考えられる。本実施例によれば、静電加速器により大電力のマイクロ波でイオン源のプラズマを生成できるため、大電流のビームを引き出せ、かつ高電圧部に回転発電機を必要としないため、軽量化でき、あるいは大型の絶縁トランスも不要であるため、接地面積を小さくでき、加速器システムの大電流化、高性能化、省スペース化が期待できる。

荷電粒子を静電的に加速する静電加速器において、大電流のビームを引き出すためには、大電力のマイクロ波をイオン源へ供給する必要があるが、数ＭＶの高電圧部に大電力を供給するには、大型の回転発電機を高電圧側に具備する必要があるが、沿面放電を防ぐために絶縁材で支持する事が不可能な高電圧部に重量物を設置するのは剛性的に問題が生じる。もしくは大型の絶縁トランスを用いて送電する方法もあるが、設置面積が大きくなるという問題が生じる。本実施例によれば、高電圧部の重量を増加させず、かつ設置面積も省スペースで、大電力を高電圧部のイオン源へ供給して、大電流のイオンを引き出し可能にする静電加速器を提供できる。

なお、実施例１では、荷電粒子ビームについて述べたが、電子や陽電子等であっても、ビームであればよく、本実施例の静電加速器における大電力マイクロ波伝送方法は当然ながら成立する。

１ 高周波トランス
２ 低電圧側ＲＦ電極
３ 高電圧側ＲＦ電極
４ 整流器
５ 永久磁石マイクロ波イオン源
６ 絶縁チョークフランジ
７ 導波管
８ マイクロ波発信器
９ マイクロ波電源
１０ 分電盤（建屋電源）
１１ バッテリ（蓄電池）
１２ 水素ボンベ
１３ 加速管
１４ ビームダクト
１５ ビーム
１６ 圧力容器
１７ 接地
２０ 回転絶縁棒
２１ モータ
２２ 回転発電機
２３ 絶縁トランス
２４ 絶縁ブッシング
１００、１０１、１０２ 静電加速器

Claims (4)

1. 荷電粒子ビームを静電場で加速する静電加速器であって、
   加速器の高電圧側に設けられたイオン源と、
   前記イオン源へマイクロ波を供給する導波管と、
   前記導波管にマイクロ波を供給するマイクロ波生成装置とを有し、
   前記導波管は絶縁チョークフランジが設置され、
   前記マイクロ波生成装置は加速器の接地側に設けられていることを特徴とする静電加速器。
2. 請求項１に記載の静電加速器であって、
   加速器管を有し、
   前記導波管が加速器管と並列に設けられていることを特徴とする静電加速器。
3. 請求項１に記載の静電加速器であって、
   加速器の高電圧側に、前記イオン源へのガス供給を制御するためのバッテリを備えることを特徴とする静電加速器。
4. 請求項３に記載の静電加速器であって、
   静電加速器の高電圧を形成するための電源を有し、前記電源から前記バッテリへ電力を供給することを特徴とする静電加速器。

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