静電粒子加速器

静電粒子加速器は、静電気による高電圧電位によって荷電粒子が高エネルギーに加速される粒子加速器です。これは、粒子が振動電場によって加速される 、粒子加速器のもう 1 つの主要なカテゴリである振動場粒子加速器とは対照的です。

静電型は設計が単純なため、最初の粒子加速器でした。最も一般的な 2 つのタイプは、1929 年にロバート ヴァン デ グラーフが発明したヴァン デ グラーフ発電機と、1932 年にジョン コッククロフトとアーネスト ウォルトンが発明したコッククロフト ウォルトン加速器です。静電加速器によって生成される最大粒子エネルギーは、機械が達成できる最大電圧によって制限されます。これは、絶縁破壊によって数メガボルトに制限されます。振動加速器にはこの制限がないため、静電機械よりも高い粒子エネルギーを達成できます。

振動場加速器に対する静電加速器の利点は、コストが低いこと、連続ビームを生成できること、および産業に役立つ高いビーム電流があることです。そのため、静電加速器は、プラスチックシュリンクラップの製造、高出力X線装置、医療における放射線療法、放射性同位元素の製造、半導体製造におけるイオン注入装置、および滅菌などの産業用途で、圧倒的に広く使用されている粒子加速器です。世界中の多くの大学が研究目的で静電加速器を所有しています。高エネルギー振動場加速器には通常、第一段階として静電装置が組み込まれており、粒子をメイン加速器に注入するのに十分な速度まで加速します。

静電加速器は科学や産業において幅広い用途があります。基礎研究の分野では、静電加速器は数百MeVまでのエネルギーで原子核のビームを研究用に供給するために使用されます。

産業および材料科学では、イオン注入やイオンビーム混合などの材料改質用のイオンビームを生成するために使用されます。また、ラザフォード後方散乱分光法(RBS)、粒子誘起 X 線放出(PIXE)、加速器質量分析法(AMS)、弾性反跳検出 (ERD) など、重イオンの静電加速に基づく材料分析技術も多数あります。

これらの装置は主に原子核を加速するが、医療機器の滅菌、X線生成、シリコンウェーハ製造などの産業目的で電子を加速するために使用される小型装置も多数ある。 ^[1]

静電粒子加速器の特殊な用途としてダスト加速器があり、ナノメートルからマイクロメートルサイズの帯電ダスト粒子を最大100 km/sの速度まで加速します。^{[2]ダスト加速器は衝突クレーターの研究、 [3]}衝突イオン化ダスト検出器の較正、 ^[4]流星の研究に使用されます。 ^[5]

数百万ボルト程度の静電電位に保たれた高電圧ターミナルを使用することで、荷電粒子を加速することができます。簡単に言えば、静電発生器は基本的に巨大なコンデンサです（プレートはありませんが）。高電圧はコッククロフト＆ウォルトン法またはヴァン・デ・グラフ法のいずれかを使用して達成され、加速器はこれらの発明者にちなんで名付けられることがよくあります。ヴァン・デ・グラフの元の設計では、金属の櫛で電子を絶縁シートまたはベルト上に配置し、シートが固定された電子をターミナルまで物理的に輸送します。高電圧ではありますが、ターミナルは導体であり、導体内にはシートから電子を拾い上げることができる対応する櫛があります。ガウスの法則により、導体内には電界がないため、電子が内部に入った後はプラットフォームによって反発されることはありません。ベルトは従来のコンベアベルトとスタイルが似ていますが、1つの大きな違いがあります。それは、シームレスであることです。したがって、ベルトが破損した場合、ベルトを交換するために加速器をある程度分解する必要がありますが、ベルトは常に回転しており、通常はゴムでできているため、これは特に珍しいことではありません。ベルトの実際的な難しさにより、電荷を物理的に輸送するための別の媒体、つまりペレットのチェーンが生まれました。通常のチェーンとは異なり、このチェーンは絶縁体と導体の両方が構造に使用されているため、端から端まで非導電性です。このタイプの加速器は通常、ペレトロンと呼ばれます。

上記のいずれかの方法でプラットフォームを帯電させることができれば、ビームラインの端にあるプラットフォーム上に何らかの正イオン源が配置されます。これがターミナルと呼ばれる理由です。ただし、イオン源は高電位に保たれているため、制御やメンテナンスのためにイオン源に直接アクセスすることはできません。そのため、ターミナル内のさまざまなレバーに接続されたプラスチックロッドなどの方法を分岐させて、リモートで切り替えることができます。実際的な問題を除けば、プラットフォームが正に帯電すると、同じ電気極性のイオンを反発して加速します。E = qV（Eは発生するエネルギー、qはイオン電荷、Vはターミナル電圧）であるため、この方法で加速された粒子の最大エネルギーは、高電圧プラットフォームの放電限界によって実質的に制限され、周囲大気条件下では約12 MVです。この制限は、例えば、空気よりも誘電率の高い絶縁ガス（ SF ₆など）のタンク内に HV プラットフォームを保管することで増加できます。SF 6 の誘電率は空気の約 2.5 倍です。ただし、SF ₆のタンクであっても、達成可能な最大電圧は約 30 MV です。絶縁力のさらに優れたガスがある可能性もありますが、SF ₆は化学的に不活性で無毒です。最大加速エネルギーをさらに増加させるために、同じ高電圧を 2 回使用する タンデムコンセプトが考案されました。

従来、正に帯電したイオンは、それが原子核の極性であるため加速されます。しかし、同じ静電ポテンシャルを 2 回使用してイオンを加速する場合、イオンが電気力を感じない導体内にある間に、イオンの電荷の極性を陰イオンから陽イオンへ、またはその逆に変更する必要があります。エネルギーの高いイオンから電子を取り除く、つまり剥ぎ取ることは簡単であることがわかりました。イオンと物質の相互作用の特性の 1 つは電子の交換であり、これはイオンが物質内にエネルギーを蓄積することによってエネルギーを失う方法であり、固体に発射された弾丸について直感的に予想されるものです。ただし、ターゲットが薄くなるか、発射体がよりエネルギー的になるにつれて、箔に蓄積されるエネルギーの量はますます少なくなります。

タンデムではイオン源がターミナルの外側に配置されているため、ターミナルが高電圧のときにイオン源にアクセスすることは、ターミナルがガスタンク内にある場合は特に、はるかに容易です。したがって、スパッタリングイオン源からの陰イオンビームは、比較的低電圧のプラットフォームから高電圧ターミナルに向けて注入されます。ターミナル内では、ビームは薄い箔（平方センチメートルあたり数マイクログラムのオーダー）（多くの場合、炭素またはベリリウム）に衝突し、イオンビームから電子を剥ぎ取って陽イオンにします。-1 を超える電荷状態の陰イオンを作ることは難しいため、タンデムから発生する粒子のエネルギーは E = (q + 1) V です。ここで、その陰イオンからの 2 番目の加速ポテンシャルを、ストリッパー箔から発生する正の電荷状態 q に追加します。各フェーズで核のエネルギーを増加させているため、これらの異なる電荷符号を一緒に追加しています。この意味で、タンデムは、最大電荷状態が +1 に過ぎない陽子ビームの最大エネルギーを 2 倍にできることがはっきりとわかりますが、タンデムによって得られる利点は、質量が大きくなるにつれて収穫逓減となり、たとえばシリコンビームの電荷状態が 6+ に簡単に達する可能性があります。

あらゆる元素を簡単に陰イオンにすることはできないため、タンデムでヘリウムより重い希ガスを加速することは非常に稀であるが、 KrF ⁻と XeF ^{− は}タンデムで生成および加速に成功している。^[6] ただし、陰イオンを得るために化合物を作ることは珍しくなく、TiH _{2 は}TiH ⁻として抽出され、陽子ビームの生成に使用される可能性がある。これは、これらの単純で結合が弱い化学物質がターミナルストリッパーフォイルで分解されるためである。 陰イオンイオンビームの生成は、タンデム加速器の応用に関する主要な研究対象であり、ほとんどの元素のレシピと収量は「負イオンクックブック」で見つけることができる。^[7] タンデムはターミナルモードで動作させることもでき、このモードではシングルエンド静電加速器のように機能し、これは希ガスビームを生成するより一般的で実用的な方法である。

「タンデム」という名前は、同じ高電圧を二重に使用することに由来していますが、端末の充電方法に基づいて、従来の静電加速器と同じスタイルでタンデムが命名されることもあります。

MPタンデム・ファン・デ・グラフはタンデム加速器の一種である。20世紀には10台が設置され、北米に6台^[8]、ヨーロッパに4台設置された。^[9]

静電加速器で考慮しなければならない 1 つのトリックは、真空ビーム ラインは通常鋼鉄で作られていることです。しかし、高電圧ターミナルから地面まで鋼鉄の導電パイプをうまく接続することはできません。そのため、パイレックスのような強力なガラスのリングを多数組み立てて、銅のガスケットのように、それらのインターフェイスが真空シールになるようにします。1 本の長いガラス管は、真空下では内破するか、自重を支えて破損する可能性があります。物理的に重要なのは、これらの間隔を空けた導電リングが、加速柱に沿ってより均一な電界を形成するのに役立つことです。このガラス リングのビーム ラインは、ターミナルの両端で圧縮することによって簡単に支えられます。ガラスは非導電性であるため、地面から支えることができますが、ターミナル近くのこのようなサポートは、設計によってはターミナルの放電を引き起こす可能性があります。圧縮が十分でない場合があり、ビーム ライン全体が崩壊して粉砕されることがあります。この考え方は、タンデムの設計では特に重要です。なぜなら、タンデムは当然ビーム ラインが長くなり、ビーム ラインはターミナルを通らなければならないからです。

静電加速器は、ほとんどの場合、水平に並べられます。ただし、一部のタンデムは「U」字型で、原理的には、端子の磁気双極子を使用してビームを任意の方向に向けることができます。一部の静電加速器は垂直に配置され、イオン源または U 字型の垂直タンデムの場合は端子がタワーの頂上にあります。タワー配置はスペースを節約する方法であり、また、ガラスリングで作られた端子に接続するビームラインは、重力を自然な圧縮源として利用することができます。

片端静電加速器では、荷電粒子は2つの電極間の単一の電位差によって加速されるため、出力される粒子エネルギーは粒子の電荷と加速電圧の積に等しい。${\displaystyle E}$${\displaystyle q}$${\displaystyle V}$

${\displaystyle E=qV}$

タンデム加速器では、粒子は同じ電圧で 2 度加速されるため、陰イオン形態は 1 価であるため、出力エネルギーは となります。電荷が従来の単位であるクーロンで、電位がボルトの場合、粒子エネルギーはジュールで表されます。ただし、素粒子の電荷は非常に小さいため (電子の電荷は 1.6x10 ⁻¹⁹クーロン)、ジュール単位のエネルギーは非常に小さな数値となります。 ${\displaystyle (1+q)V}$${\displaystyle q}$${\displaystyle V}$

すべての素粒子は電子の基本電荷であるクーロンの倍数の電荷を持っているため、粒子物理学者は粒子のエネルギーを表すために計算しやすい別の単位である電子ボルト(eV) を使用します。電子ボルトは、1 eの電荷を持つ粒子が1 ボルトの電位差を通過するときに得るエネルギーに等しいです。上記の式で、が基本電荷eで測定され、がボルト単位である場合、粒子のエネルギーはeV で表されます。たとえば、 2 eの電荷を持つアルファ粒子が100 万ボルト (1 MV) の電圧差で加速されると、200 万電子ボルト (2 MeV) のエネルギーを持つことになります。静電機械の加速電圧は 0.1 ～ 25 MV の範囲で、粒子の電荷は基本電荷の数個分であるため、粒子のエネルギーは低い MeV の範囲になります。より強力な加速器は、ギガ電子ボルト (GeV) の範囲のエネルギーを生成できます。 ${\displaystyle e=1.6(10^{-19})}$${\displaystyle q}$${\displaystyle V}$${\displaystyle E}$

• IAEA静電加速器データベース