バンデ・グラーフ型加速器

昇圧の原理

対地容量がCである浮遊した 導体に電気量Qをあたえるとき、この導体の電位Vは

絶縁ベルトを充分巾の広い、近似的に無限平面とし、 その表面の電気密度が一様でσ_bとする。 この電気によってベルトの表面に垂直な電界が生じるが、 その強度E_bはガウスの定理によって

σ_b がふえると E_b も増して行き、ついに空間の絶縁が破れて放電が起きる。 空気の標準状態(0 ^° C, 1atm) ではこの限界は

Eb(max) ≅ 3 ×106 V/m

と測られているから、(3.2)式より、 これに対応する σ_b(max)は

σb(max) @ 5.3 ×10-5 Coul/m2

となり、これがベルトにのせうる最大の電気量である。

一方、ベルト巾をb、その速度をv(各々m、m/s単位)とするとき、 ベルトによって送られる電流は

i ≅ 5.3 ×10-5vb (A)

となる。例えばv=10m/s、b=5mのとき、 i=265 mAとなって、加速に必要な ビーム電流値と同程度になっている。 すなわち絶縁ベルトで電気を運ぶ方式で、 所要の電流を得る見通しがついた。

つぎに電圧Vがどこまで上がるかを調べてみよう。 簡単のため加速器上部の導体を半径Rの球とすると、 球表面における電界強度E_sは

Es= 1 4πε Q R2

(3.3)

である。球の無限遠接地に対する容量は C=4πεRであるから、 (3.1)式を用いて

Es= V R

(3.4)

となる。ここで、E_s(max)はさきのE_b(max)と 同じ値であるから

V(max) ≅ 3 ×106 R (V)

をえる。従って、R=0.5mに選ぶならば、 V(max) ≅ 1.5MVとなり、 充分な高電圧を発生できることがわかる。

絶縁ガスと絶縁ベルト

絶縁ガス

2つの球の間で起こる放電電圧 はE_b(max)に比例する量で 、 気体の種類や圧力とともにどのように変わるかを 調べると、 明らかに気圧が増すほど電界強度が増すことから、 適当なガスを選んで高気圧に填めることが行なわれる。 従って金属製タンクはガス圧力に耐えるよう、高張力鋼で 作られる。

絶縁ガスとして六フッ化イオウ(SF₆) が最もすぐれている。 これを5 ~ 6atmにつめるが、高価( ~ 500円/kg)であるため ガス回収装置を取り付ける。 フレオン(CCl₂F₂)は安価( ~ 300円/kg)であるが、 放電によってガス分子がこわれ、 ベルトを化学的に損なうガス(F化合物)を発生する欠点があるので、 今はあまり用いられない。空気は酸素を含むので火災の危険があり、 現在では窒素と炭酸ガスの混合(体積比約5:1)を 15 ~ 20atmにつめることが多く行なわれている。

絶縁ベルト

強い木綿糸、絹糸で帯芯を作り、これにナイロン糸をかませた織布に 良質のゴムを塗布して厚さ1mmぐらいのベルトを作り、4枚ぐらい重ねて 接着し輪状にする。この重ねた枚数のことをプライ(ply)という 単位で表わす。長時間運転とともに表面が磨耗して、そのゴミが 器械内部に付着するので、表面状態をいつも良好に保っておく 必要がある。

ベルトに電気をのせるには、 尖った櫛状の針を ベルトに2 ~ 3mmの距離に近づけ、この電極針に 20kV程度の電圧を加えると、尖端放電によって 電気がベルト上に吹きつけられる。 電極を＋にすると＋電気が、−にするとー電気が のる。最近は細いニッケル線の櫛を直接ベルトに 接触させ、 ≤ 10kV の電圧をかける方法もとられている。

一方ベルト上の電気を集めるには、ニッケルの細かい金網の 尖端をベルトに触れるようにする。 なお、帰りベルトの表面に、高圧側で逆電気を吹きつけ、 接地側に集めることにより、2倍の電気量を運んで有効に利用する。

加速器の構造

1. 昇圧コラム: 絶縁ベルトとこれを支える数10 ~ 数100段の積上げ碍子コラム
2. 加速管: 数10 ~ 数100段の電極付碍子コラムと排気装置 ＜br＞ 昇圧コラムとは独立して基板に立っていますが、 これはベルトによる振動を逃れるためです。 ただし加速管の1段当たり高さはコラム1段とそろえてあり、 これは一様な電界が加速管全体にかかるようにするためです。
3. イオン源: 高圧側発電機を電源とするイオン源とその制御系
4. タンクガス系: 高圧ガスタンク、ガス充排気系および冷却系

上部プーリー:

AC 200 ~ 400Hz, 100 or 200V, 1 ~ 2kW 発電機をかねる。イオン源電力をこれから供給。

下部プーリー:

電動機によって駆動。

一方加速管は昇圧コラムとは独立して基板に立っているが、 これはベルトによる振動を逃れるためである。 ただし加速管の1段当たり高さはコラム1段とそろえてあり、 これは一様な電界が加速管全体にかかるようにするためである。

コラムや加速管の突起物による電界を消すため、各段ごとにフープと よばれる金属輪を取り付ける。このフープ直径とタンク内径の比は 1:2.5 ~ 3に選ぶ。各段間に1000 M W の抵抗を入れ、一様な電位傾度を保つ。このようにしても 電極間や段間で放電することがあるので、主要箇所に 放電ギャップを入れる。 加速管は高性能排気ポンプで高真空に排気する。ただし上部のイオン源を 動かすために少しイオン源ガスを流入させるが、このばあいでも 充分よい真空に保つことが必要である。とくにイオン・ビームが細く 集束して電極に当たらぬように調整する。

バンデ・グラーフ加速器は数kWの電力を消費するので、 タンク内の除熱が必要となる。そのためタンク下部に フレオン冷却機を備え、市水と熱交換する。

ベルトが廻るとともに上部構造が振動することは 避けられない。 そこで加速管は下部の基盤に直立させ、 支柱などの構造物とは独立にしている。 大体の寸法を次に記す。

高電圧の安定化

ところでバンデ・グラーフ加速器ではベルトが運ぶ電気の何割かが イオン・ビームになるのであるから、ビーム負荷がかかれば その分だけ高電圧が落ちることになり、極めて不安定な加速器となる。 ビーム電流の変動に拘らず加速電圧が安定している工夫が必要となる。 そこで高圧電極の近くに コロナ・ポイント(corona point) をおくと、この尖端に放電がおこる。そしてこのときの放電電圧は コロナ・ポイントの位置で決まり、放電電流に殆どよらない。 従ってビーム電流が増減すると、コロナ電流が減増して補償し、 電圧は変わらない。そこでコロナ・ポイントの位置を変えるだけで、 高電圧を大きく変え、かつほぼ一定値に保つことができる。

この方式では電圧安定度が数% であって、不充分である。その改良法として発電電圧計を 利用し、その示す電圧の上下に応じてベルトにのせる電気を 減増することが行なわれる。これによって1% 程度に高電圧を安定化できる。

最も精密な方法は、 イオン・ビーム を利用するものである。 10^-4以下の安定度をもつ電磁石でビームを曲げ、 2つのスリット間を通す。加速電圧が上がればイオンのエネルギーが 増してビームが下スリットに当たり、作動増幅器が働いて コロナ・ポイントにつながれた三極真空管のグリッド電圧を上昇させる。 従ってコロナ電流が多く流れて加速電圧が下がる。 この方法は応答が速く、0.1% 程度に電圧を安定化できる。 これを スリット・スタビライザー(slit stabilizer) という。ただし、三極管の極性のため、負の高電圧の安定化はできない。

ここで述べた スリットを第1スリットとし、これより離れて 第2スリットを置いて充分狭くし、同様なスリット・スタビライザーを 作って微細に高電圧を制御することもできる。このように2段の 安定化を行なうと、加速電圧を極めて安定化できる。

高圧側電源

イオン源としては、フィラメントを用いないRF型やPIG型が 長寿命であるので、よく使われる。RF型とはパイレックス放電管内の ガスに100 ~ 200MHzの高周波電磁界を加えて放電させたもの、 PIG型とは磁界内での電子の往復らせん運動によって放電させた ものであり、いずれも細いカナルからイオンを取出す。

このカナルの直下に-5 ~ -40kV可変の電圧を加えると、 イオンが引出される。このビームを電気レンズの作用で集束させるための 電源が集束電源であり、0 ~ -40kV 連続可変にする。電圧の可変は、接地側からの回転制御棒で スライダックを廻すのがふつうである。

帰りベルト用のスプレー電源は、ベルト回転と同時に -30kV程度が発生するようにしてあり、これを 先に述べたような 方法でベルトに負電荷をのせる。

イオン源ガスの微調整には、ダブル・ニードル・バルブまたは サーモ・メカニカル・リークを用い、 いずれも接地側からの制御棒で操作を行なう。

以上は正イオンを発生して加速するばあいであるが、もし 電子を加速するときは、電子源を取付け、また引出し、集束、 スプレー電圧をすべて逆極性にする必要がある。 いずれにしても高圧側電気回路が故障すればタンクを開けて 修理する事態となるため、できる限り頑丈で長時間動作する回路でなくては ならない。

タンデム・バンデ・グラーフ型加速器

中性原子を放電させると、ふつう正イオンが 大量に発生し、負イオンはごく僅かである。この中から負イオンを 取出すこともできるが、一般に行なわれるのは、 正イオンに余分の電子を付着させて負イオンに変換する。 正イオンを10keV程度に加速し、気体層を通過させるとき、 大半は中性原子に戻るが、気体の種類をうまく選ぶと負イオンも 発生する。このように衝突によって核外電子が増減する現象を 電荷変換 (charge echange)という。 タンデム・バンデ・グラーフはこの電荷変換を巧みに利用した器械 である。イオンのエネルギーが増して数MeVともなると、 正負イオンのどれも電子をいくつか失って正イオンに変わる。 従って上のOイオンの例を取り上げると次のようになる。

負イオンを大量に作ることは容易ではなく、また H、O、F、Clなどは負イオンを作りやすいが、 He、N、Neなどはできにくい。従って タンデム・バンデ・グラーフで加速できるのは限られており、 またビーム電流も1mA程度である。 ただ重イオンには多数の負イオンがあるので、その加速には 便利である。

ストレート方式を 横型あるいは縦型にしたばあい、全長あるいは全高が 大きくなりすぎる。とくに高電圧にするほど、この欠点 が支障となってくる。V ≤10MV の器械のときは、 フォールディング方式 が優れている。これは高電圧部に180 ^° 電磁石をのせ、 ストリッパー直後の正イオンを反対方向に 曲げるもので、帰り加速管の途中にさらにストリッパーを 入れてイオン電荷をふやし、エネルギーの高いビームを 得る工夫も行なわれている。日本原子力研究所東海村には V=20MVのものがあり、高圧ガス・タンクの直径は8m、 高さ約30mのものである。なおこの器械では絶縁ベルトではなく、 後述する絶縁ペレットの方式で昇圧を行なっている。

静電加速器の改良

ペレトロン

ラダートロン

誘電体利用の加速器

いま回転円板の左側に高誘電率ε の誘電体を挟んでコンデンサに電圧Vをあたえておき、 次に円板を廻して誘電体をとり除いてしまう。 このとき電気量Qは保存されるから、 右側空間の媒質の誘電率がε₀のとき、 電圧はV ×([(ε)/(ε₀)]) となる。ε >> ε₀のときは 電圧が始めより大きく上昇して発生し、 これらを直列につなぐときは相当高電圧がえられる。

特徴と用途

この加速器では5MVぐらいの高電圧が簡単に得られ、 またタンクを大きくしてSF₆ガスを用いると10MV以上の 電圧が発生できる。 かつスリット・スタビライザーによって加速電圧が極めて安定できるので 精密実験に適しており、原子核の反応実験に広く使われてきた。 最近は原子物理、放射線物理、物性の実験に専ら利用されるように なった。一方数MeVで数100 mA の電子ビームを金、タングステンなど重い元素の水冷ターゲットに 当てると、 10000 Ci(~PBq)の⁶⁰Co相当以上の 強い制動X線(bremsstrahlung) が発生するので、RIガンマ線に代わる線源として、 放射線損傷、放射線高分子、生物学などにも用途が広い。

タンデム・バンデ・グラーフは最終的にえられるイオン電流が 少ない欠点があるが、多種類の数10MeV重イオン・ビームが 使えるので、核反応、原子衝突、物性の実験に広く使われる ようになった。

バンデグラーフ加速器の応用例の一つとして、核融合プラズマの 空間電位測定用の重イオンビームプローブ(HIBP)がある。 プラズマ閉じ込め磁場の中のプラズマに送り込むために、高エネルギーの重イオン一次ビームを作って入射します。 プラズマ中で一次ビーム粒子が電離し、二次ビームを検出すると一次ビームとのビーム粒子のエネルギー差は 電離を起こした点での電位に比例します。磁場閉じ込めプラズマは、 内部の電場(つまり電位分布)に特徴的な粒子及びエネルギーの輸送状態の急激な遷移を示すことが知られており、 HIBPは有用な計測機器として重宝されています。