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3仙eVカ
スケード形電子加速器
Cascade
Generator
Type3MeV
Electron
Accelerator
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ShinjiSuga110mata要
旨 l]本原子力研ノ先所出崎研一先仰の[い間睨幌ふモ験上場に低唱される大容量のカスケーード形電子加速器が完成し た｡高電圧発生回路としては対称インバース形を使用し.段数ほ20段で高圧ガス絶縁である｡最大加速電圧 ほ3MeV,最大加速電流ほ5mAであるニ ノi宣ヒE効率を向上させるため役数コイル補償方式を使用している｡41 勺二9ノ1に二r･ぷの巌ノこ放射線f-【りJ151こW･こ過したので1.緒
日 放射線を利用しての高分子物誓ての年別生改善も近年に至りようやく 研究の域を脱し,工業化が試みらJLるようiこなってきた.たとえば 電子線照射による耐熱性ポリエチレン＼ポリプロビレンの着色件の 改善などはそのよい例である_,これらの工業化にともない大容量の 加速器の開発が急がれてきた二. R立製作所としては,セレソ整流方式のカスケード形加速器(以 下CDG加速器と略称する)に着目し,こゴーLを人容量化する方向に 進んだ｡39年9月にR木原子力研究所より照射用加速器を受拝し, 41年9月に現地試験において最大打力15kⅥrに達し,引渡しを完 了したので,ここに各部の構造および性能iこついてjおべる._.2.カスケード電源回路
カスケード形良流高電旺発生装置(以下CDGと略称する)でよ く知られているのほ,コッククロフ トウォルト/形(以下C-W と略す)のものである｡､しかしながら,CDGほ負荷電流が大きく 段数も多いと電圧降下やリップル電圧が大きくなる｡これを改善す るために,対称形が考案されているがり1､これほ図1に示すように C-W形を2個看ね合わせたものである.二;このほかに,インバース 形,対称インバース形と呼ばれる回路(2)があり,図=こc)(d)Fこ示 すように,押上げコラムのコンデンサと最初の整流器を省略した形 をとっている=. 衷1 カ ス ケ 本旨琵の各部の隅追および試験結果について報ヂ子するゝL｢ヨブリ
壬り= C-1l■l 畑‥ 叫＼q一望J ヰ n帖′2卵
卜こ干二ニラム 卜rT 中耳.九.そ;き.2n ｢′･滑コラムコ c: ノ､ 叩卜十｢-う′ トーー l 17∩ †乍;Jてこ諾;ト2∩ トーーーー 子】l=二二十､コラムコ 十:■n･-1.･仁を二艶
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十･:n-1･′2肘 H.T ･■l- i￣1順二l‡ (〔1･り机イニ 囲1 カスケード形電源回路 インバース形,またほ対称インバース形においてほ押上げコラム が1伯少ないために負荷時の電圧降下が小さい｡段数乃が同じでも 有効段数が1′/2段少なく,したがって出力電圧が若干低くなること を考擬しても,電圧変動率+tγⅤはインノミース形にしたほうが有利 であるニリップル率∂tγⅤはインバース形にすると悪くなるが,段 数が10･∼20段にもなるとほとんど差がなくなる｡.これらCDGの比 較を表示したのが表1である｡ 一般にCDGでは,コソデソサコラム問に存在する浮遊容量を通 って交流循環電流が流れ,このため電圧降下を生ずる｡この電圧降 下は,段数が大きいほどまた容量比C/C5が小さいほど大きい｡こ れを補償するために複数個の補償コイルを接続したときの電圧効率 ド 回 路 の 比 較 C-W形 出 力 `;E 肛 Ⅴ 2ァ乙む0 インパース形 し2れ-1′､-即0 電 圧 降 下 JV右(号〃3＋号＋号)
吉(号”3一書＋言)
リ ッ プ ル ∂Ⅴ ∫ 犯〔〃十1￣) .斤 2 ′ 邦r乃十l) ノセ 2 +1〝Ⅴ ∫ 4〝2＋3招＋2 九〃｡ 12 ′ 4,13-3タZ2＋2れ 一た〃0 (2乃-1)6 ∂l〃Ⅴ ∫ 柁＋1 ノt〃0 4 ∫ 柁(〃＋1) ノセかD 2(2〝-1) 電 圧 効 率 ダ些tanb昔
,含 コ イ ル イ ン ダク タ ン ス (高日三端M番 目) エガ画一COth豊
1器tanb+諾
1 ￣面COtb (2タ之-1) 2胸 対 称 形 2乃訂0･苦＋号)
対称インパース形 (2柑-1)ェ′0吉(告一で-＋号)
J 乃 ノ{ 2 ′ 乃 カ 2孟2托2＋3乃＋4
24 1 1 々〃0 4 ノすル拘 エtanh｢7亨石高 ナ才孟coth-7蒜
′ 2,‡3-3乃2＋4〝 允〃0 12(2乃-1) ∫ 氾 .た〝0 2(2J才一1)志(1･2√訂淵tanh篤志)
孟coth篤志
が0:入力電圧波高値,柁:段数,C:コンデンサ容量,′:周波数,′:負荷電流,〟:補依コイルの数,エ1=･=…エ必一1=エ∬/2,み2=C/Cぶ, Cs:コラム閏浮遊容量(整流器1本あたりに換算1 * 日本原子力研究所高崎研究所;理学博士 ** 日立製作所国分工場 ***日立製作所日立研究所726 昭和42年7月
攣垂
評
論
囲2 カスケード形加速器 と必要なコイル,インダクタソスも表1むこ示されている(a)｡表1の 式からわかるように,電圧効率はコイル数とともに増加する｡また インバース形またほ対称インバース形は押上げコラムのコンデンサ が1個少ないために電圧効率がよいこ′ カスケード回路ほ入力端より見て容量性であるが,描院コイルの 数とともに入力インピーダンスは増加する.｡しかしC5=10∼15pF を仮定すると,人力電圧数十kVでほ相当な入力電流となるので, 入力端にも高圧端と同じインダクタンスを接続し共振回路とした｡ ここで対称形の場合の入力インピーダンスほ(JW等分の場合)るニザ与牡=_
1 ノ ノ…C｡Co=些tanh議
､′ノ′′2 (1) ここに,Co:入力端から見た等価静電容量 である｡対称インノミース形でほ(1)式のC｡にC5/2が加わる｡しか し段数乃が大きいとこの違いはわずかであり,共振系とするために は入力端にも表1の高圧端と同じエ几∫なるインダクタソスを接続す ればよい､｡3.装置の構成
3.1直流高圧発生装置 直流高圧発生装置ほ20段の対称インバース形のカスケード回路 を使用しており,電源周波数ほ10kc/sである｡10kc/sの電力は 高周波発電機(HFG)で発生され,変圧器で最大75kVrmsまで昇圧 される｡平滑コンデンサコラムは最下段の0.02/ノダ以外は全部0.01 /`ダである｡図2はタソクを取り去ったCDGである｡平滑コンデン サコラムに結ばれているフープコラムによって,コンデンサコラム, 加速管,プーリ発電機駆動用ベルトは全部おおわれているっ フープ コラムは4分割になって積み重ねられており,その上部にほ,高圧 電極によってシールドされた電装品がのっている｡ 電装品の電源は1kVA,200c/s,100Vのプーリ発電磯である｡駆 動は,フープコラム内にある絶縁ベルトを介してタンクベースにあ る電動機によって行なわれる｡セレン整流器としてほ迎耐電圧190 kVp平均電流5mAのものを使用した｡ この高圧発生装置は,前述のように組立解体を容易にするた捌こ, フープコラム,加速管を4分割している｡このため4本の補償コイ 第49巻 第7号 ル(表lの凡才=4に相当する)を接続して電圧効率を補脱する方式 とした｡ CDG組立後浮遊容量を測定した結果,1段当たり12.5pFであり, 表1の式よりコイルのインダクタンスは最上段が8.61i,中段では 4.3Hとなる｡補償コイルは空心で製作し,長さ約700mm外径95 mmで,ハネカム巻きのコイル素子を直列につないだものである｡ 表1の電圧効率の式から補償なし(ルr=1/2に相当する)の場合の 値はダ=0.78であるが,4分割補掛こよって0.98に改善される｡さ らにこの補償によってカスケード回路の人力インピーダンスが増加 し,変圧器よりの進相電流を減らすことができる｡ 圧力タンクは高さ約7mであり,真窄乾燥を行なったのちN2と CO2の混合ガスを封入する｡絶縁ガスの圧力は定格10kg/cm2で ある｡ガスはタンク下部のクーラによって冷やされ,これがさらiエ アクリルパイプを通ってセレン整流器,補倍コイルあるいは電装品 などに吹き付けられるようになっている.｡ 3.2 電子銃および加速管 電子銃はピアス形のもので,直流ピーーム,パルスビームいずれの 運転も可能なように二つの陽極をもっている､ニ:ビーム電流は第1陽 極の電圧およびフィラメソト電流によって変えられる｡/くルス運転 の際には第1陽極にパルス電圧を印加する｡第2陽極から加速管へ はいるときのビームの集束半角を5度とすると,第1陽極電圧2 kV,第2陽極電圧6∼8kVでバービアンスは3.7×10￣8となる. 加速管は皿形電極とガラス管を接着したもので,フープコラムの 4分割に対応して加速管も4分割になっている｡加速電極は,外部 の電磁界のビームに対する影響を防ぐためミューメタルで製作さ れ,さらに電極は互いにオーバラップする構造を有ししゃへい効果 を上げている｡加速段数はCDGの段数と6対1の対応をなしてい るので,加速電極の電位は分圧抵抗によってきめられる｡分圧抵抗 を流れる電流は加速電圧3MeVのとき約1mAである｡ 加速管全長は約4mであり,加速電圧3MeVにおいても1段当た りの分担電圧は25kVを越えないようにしてある｡加速管のビーム 通路は,電子ビームの軌道に関する計算およびローディソグなどの 現象や排気速度を考慮してきめられ,上部より1/4の付近が最小径 50mm申で,その上と￣Fに行くに従って口径が大きくなっている｡ 加速管からスキャンナまでを含めた全体の真空系は,水冷バップ ル付6B油拡散ポンプ,4Bブースタポンプおよぴ300J/min油回 転ポンプの組合せによって排気される｡加速管内の真空は,ビーム ダクトの途中で測って,1∼2×10▲6Torrであり,3MeV5mAで 運転するときでも3∼4×10▼6Torr程度にしか落ちない.っ 3.3 ビームスキャンナ 各種試料や材料の電子照射を行なうため,加速された電子ビーム は200c/sの三角波磁界で走査され,空気中に取り出される｡三角 波磁界を発生する走査コイルは変形くら形のものである｡中心の磁 束密度は最大90Gで,長さ300mm,幅150mmの範囲にわたって ほぼ一様磁界となっている｡この三角波磁界によって3MeV電子 ビームを最大幅600mmまで走査する｡ビーム取出し窓には厚さ 200/上のアルミニウムハクを使用し,電子の透過の際に生ずる熱は水 冷空冷の併用によって取り除かれる｡この冷却法により5mAのビ ームの長時間運転が可能になった｡図3はスキヤソナの写真である｡ 3.4 制御保護装置 加速器を円滑に運転するために各種の制御回路を備えているが, 二れらは大別して,(1)CDG制御,(2)高圧電極内電子銃用諸電 源およびパルス発生回路,(3)走査電源,(4)保護装置によって 構成される｡図4は制御系のブロック図を,図5は制御盤の写真を 示している｡図からわかるように,加速器の運転に必要な操作およ び測定はすべて制御盤において遠隔操作で行なわれる｡3MeV GV し■ ′ク 7･′7 図3 スキャンナ ド
形
電
や_1隠棲 【】 滋 MG 耶l結締 くJし1 祁2陪棟 .イ 屯 rn +せ 相川 Tr. HF(; 江′′P汁 lr モーー 7二′Lロ ー ￣￣1 耕1く装7; MG Tr. 肘J榔 測;立 カスノトー=馴東 ノ右イ統 領:ナビーー ′与ヤニ⊥ 七在屯柑 排1(ギこ 囲4 制御系ブロック図 API)S 図5 制 SCR 御 盤 HF(こ (;1' CDG 仰1 1に陣主 APf,S:自動パルス移相器 CDG:カスケーード形直流高圧発生装置 SCR:制御極付シリコン整流詰旨 GV:回 転 電 圧 計 HFG:詩忘周波発電機 図6 加速電圧の定電圧制御系ブロック線図 加速電圧は,10kc/sHFGの励磁を変えて調整され,回転電圧計 によって測定される｡また加速管分圧抵抗を流れる電流からも電圧 を知ることができる｡回転電圧計の出力の一部ほ自動パルス位相器 (APPS)に送られ,基準電日三と比較してその差電圧に比例した位相 のゲートパルスでサイリスタを点弓瓜し,HFGの励磁電流を制御す るニ｡この加速電圧安定系をブロック図で示すと図るのようになる｡ 加速器運転中に電r･ビームを走査しないとスキヤソナ窓が局部的 に加熱され,窓材の破壊から大事故古こなる｡これを防ぐため,走査 コイルの励磁電源が動作しなければ加速電圧が発生しないようなイ ンターロック回路を備えている｡ 前i･こも述べたように,電子ビームは直流,パルスいずれでも発生 加速
器 1.n ().パ テ ー､コ 毎 0.6 L二 ニ‥コこ､一三■川こ /那はり 5 10 15 jて 才)(n 図7 各 段 の 電圧 分 布 0 0 亡U O 3 3 60 2rl 0 〇 10 15 20 1三‡ 放 れ 図8 段数と直流出力電圧の関係 できる｡このため電子銃第1陽極の直流電源とパルスとは制御盤か ら遠隔操作で切換えができるようになっている｡パルス運転におい てビームのパルス幅は10J′S,100/′S,1ms,10ms,100msの5段切 換であり,それぞれのパルス幅に対応してパルス間隔はパルス幅の 2,10,50倍の3段切換ができ,制御盤上に表示される｡ビーム電流 はフィラメソト電流または第1陽極の電圧で変えられ,パルス運転 の際には第1陽極に印加されるパルス電圧の波高値が変えられる｡ 3MeVの電圧では,通常放電は起こらないが,加速管のフォーメ ーションの場合など万一放電が起こったときに備え,ピックアップ 電極を用いた保護回路がある｡ピックアップ電極は高圧電極と対向 して圧力タンク内壁に取り付けられた電極で,一種の容量分圧器を 形成する｡絶縁ガス中のコロナ放電や加速管内のマイクロ放電が起 こると高圧電極の電圧が変動し,この電圧変動をピックアップ電極 で検出する｡このようなサージ信号が検出されるとHFGの界磁回 路が開放され,加速電圧が下がる(4)｡このほかタンク内ガス圧の低 下,スキヤソニソグ窓過熱,断水などによる事故を防止するための 保護回路がある√二+ 4.特 性 4.1電 圧 効 率 本装置は,電圧効率改善のために複数補供コイル法が採用されて いるので,まずこの神佑効果を調べた｡各段の押上コラム間の交流 電圧は補佑なしでは図7のように最上段(高電圧端)では入力電圧 〃0の約70%に低下し,このときの電圧効率は80%である｡しかし 4分割の補償を行なうと各段の電圧分布は図のようにはぼ一様とな って入力電圧と等しくなり,電圧効率はほほ100%となる｡さらに これを確認するために,大気圧中で電圧を発生し,各段の直流電圧 がどのようになっているかを調べた｡その結果は図8のように,出 力電圧は段数とともに直線的に上昇し,補償が有効に行なわれてい728 昭和42年7月 立 評
論
第49巻 第7号 0.8 1.0 1.2 1.4 一r郎反故変化 山/′′(′ノ｡ 図9 周波数変動による 電圧効率の変化 4 2 ハU 史U lll 八U ｡｢→.㌧】 +一対∴キ｢告ご諾 1,11 り ご｢)り 州〕 榊0 ‖｢(; ∴に｢!二 1' ･･自称ま分り二抵抗′右流の-も) 図10 加速電瞑とHFG出力電圧の関係 ることを示しているっ これまで述べた補鰐は装置の運転周波数で最適条件をみたすよう にきめられている｡したがって周波数の変動があれこご電圧効率も変 化することになる｡いま運転周波数を(〃山 このときの電圧効率を 吊,周波数…での電圧効率をダとし,補鰐コイル数を叫 一(′=川/叫 とすると, ダ tanルr∫∃￣霊`"≡三1†
爪 2ルrtan_∫∋_' tanh凡才α 2ルrtanh一旦-2 と)とり,一′`とα,βとの関係は, COS∫〕=C()Sh〝Zフーー COSh(Y=COSh7〃r-〃′ヱr=J′う￣7Z/〃占 ハリ つJ ∧‖U (ソ】 ン写.ニコ幸吉 COSh椚r-1 〃￣ COSh椚r-1 〃2＼
---､､付1
′∠≧11
1 ワ 3 i ユ川r【にil二･m二l 図11 免 荷 特 性 曲 線 ●● .1 3 三チ T 二∋ 2 50 40 3り 2() 川 -110 2り 30 40 50 ￣1クー′ 十r】1 ≡‡:と1旨〔･m･ 図12 スキヤソナ窓より25cm下での 電子ビームの分布 (2〕 し3) となるし5).｡本装置では凡才=4であるので,他 の数値も入れて上式から電圧効率の変化を計 算すると図9のようになる｡同図で0印は実 測値であるが計算値とよく合っている｡これ からわかるように,周波数変動2%を考える と,低周波側へ動くと電圧変化十2%,高周 波側へ動くと電圧変化一1%となり著しい変 化は起こらない｡とくに本装置のようにHFG を電源としているときiこは,この変動は HFGの特性からある程度自動的に補償され ていると考えてよい｡ 4.2 加 速 電 圧 カスケード形の直流電源はバン･デ･グラ ーフ形などに比べて静電容量が著しく大き く,ラジアルスパークをとばして発生電圧の 限度を見ることは部品の破損などを招くので 危険である｡この点を考え本装置の試験では できるだけラジアルスパークをとばさないよ うにした一 電圧を上げるときには油常加速管の微小放電あるいはロ ーディソグなどが問題になるが,本装置ではこの∴■ぇについて環大な 欠陥はみられなかった= ローディング現象は1矧告]程度のフォーメ ーションで問題にならない程度に減少した.ノ 加速昔L上二はHFGの出力を変えて調整さjLるカ＼ この関係の--･例 を図10に示した.｡これはf主荷電流が加l速管の分圧抵抗を流れる電 流だけの場合である-′ ビームを加速して負荷電流を増したときの電 圧変化は図】1のようiこなF),電圧変動率は75lくⅤ/mAである｡こ の電旺変動の大部分ほセレン整流器と変圧器のインピーダンスによ る電解降下に基づくものである｡ 4.3 電子 ビ ー ム 電子ビームの走査ほ照射加速器の重要なポイントであり,照射む らをf卜じないために一一様な走査が望まれる｡さらに不均一な走査で こまスキャンナのアルミ窓の過熱破壊が起こる｡走査された電子ビー ムの分イjiをアルミ窓より25cmの位置で測定した結果は図12のよ うセあり,60cmの幅にわたって走査が均一に行なわれていること ノ1･■;わかるこ 加速電瓜よ,電子ビームの7クりル板小の透過深さの観測やマイ ラのDepth-Dose棚泉から,その値が確認されている二.J朋寸加速器 としての総合性綻ば2.5MeV,5mA,3MeV,5mAの連続照射試 験で調べられたが,加速電圧,電子ビーム電流いずれもその変動は宝達駈を二迂遠妻転生捷…ご′裏芸
担
貞 ㈱ふ-〝}二･=･･､､＼十叫一卜三￣
妻婆巨素滞巨雫
亨
弓 ､:⊆､-亨責苛葦
ー一山孝一喜ネギ〉 (2.5MeV4mAの長時間記録の一部) 図13 ビームエネルギーとど-ム安定度 阜.j ヒl3MeV カ ケ ±1%以内であり,安定な照射を行なうことができる｡図13ほ長時 間運転における加速電圧とビーム電流の記録の一部である｡ 5.結 日 照射用加速器はその出力の大きいものが望まれるが,それに加え て,運転が安定で操作が容易であることが必要である｡このような 観点から考えると,カスケード形の直流加速器はすぐれた照射用加 速器ということができる｡本稿にて報･告した3MeV加速器は装置 を圧力形としてコンパクト化したカスケード形の加速器としてはわ が国初めてのものであり,その性能ほ照射装置として満足すべきも のと考えられる｡今後この種の加速器が高分子材料関係の各分野で ド 形
電
子 加速
器 広く利用されることが期待される｡ 終わりに,本装置の完成までに終始ご指導ご激励賜わった口本原 子力研究所高崎研究所宗像所長はじめ関係者のかたがたに深く感謝 の意を表する｡また,ご協力いただいた日記製作所日立研究所赤搾 氏ほか関係者のかたがたに深く感謝する｡ 参 莞 文 献(1)E.Baldinger: Kaskadengeneratoren,"Handbuch der
2 3 4 5
Physik”ⅩLIV,Springer一Verlag,1959
G.Ⅰ.Kitaev:Soviet Atomic Energy,14(1963)205
菅ノ又伸治:応用物理34(1965)733 菅ノ又,赤津,末松,杉本:応物学会講演会1965年10月 菅ノ又伸治:応用物理3るNo.2(1967) Vol.28 ･形鋼材における 曲線ケ ガキの デ ･外 板 自 動 暁 装 ･T ビ ー ム 自 動 組 立 溶 ･新工法に よ る因島工場 3 号ド ッ 日 立
