CN105810538B - 负离子源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够增加负离子的生成量的负离子源装置。本发明的负离子源装置(100)具备：过滤磁场生成部(110B)，生成屏蔽规定能量以上的电子的磁场；及促进物质附着面积增加部(117)，设置于生成磁场的磁场区域即负离子生成区域(E2)内，且增加附着促进物质的部分的面积。在通过过滤磁场生成部(110B)生成的磁场区域内由于屏蔽规定能量以上的电子的侵入，因此在该磁场区域不会遭高能量的电子的破坏，而生成负离子。在该磁场区域内附着有促进物质的部分的表面，功函数因促进物质而下降，由此进行负离子的表面生成。因此，通过在磁场区域设置有促进物质附着面积增加部(117)，进行负离子的表面生成的部分的面积得到增加。
Description
技术领域
本申请主张基于2015年1月19日申请的日本专利申请第2015-007993号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。
本发明涉及一种负离子源装置。
背景技术
作为在加速器等中使用的离子源装置例如已知有将固体作为原料的等离子体溅射型负离子源装置(参考专利文献1)和将气体(例如氢气)作为原料来生成负离子束的负离子源装置。后一负离子源装置例如具备：腔室；灯丝，用于在腔室内生成等离子体；氢气供给部，向腔室内供给氢气；及铯供给源，用于向腔室内供给铯蒸汽。由于电流通过灯丝，因此从加热的灯丝释放热电子，且与腔室内的氢气碰撞而生成等离子体。而且，通过等离子体中的低速电子或等离子体电极表面的电子与氢分子、氢原子或氢离子进行反应而生成负离子。
由于功函数在附着有铯的物质的表面下降，因此铯具有促进负离子的生成的功能。因此，若铯通过铯供给源被供给到腔室内，则可增大从负离子源引出的负离子量。
专利文献1：日本特开2004-030966号公报
发明内容
但是，要求进一步增加上述负离子源装置的负离子的生成量。本发明的目的在于提供一种能够增加负离子的生成量的负离子源装置。
本发明所涉及的负离子源装置具备：腔室，在内部生成负离子；原料气体供给部，向腔室内供给原料气体；等离子体生成部，利用由原料气体供给部供给的原料气体来生成等离子体；等离子体电极，设置于腔室的一端侧，且具有引出所生成的负离子的引出孔；促进物质供给部，将促进负离子的生成的促进物质供给到腔室内；过滤磁场生成部，设置于腔室的一端侧，且生成屏蔽规定能量以上的电子的磁场；及促进物质附着面积增加部，设置于生成磁场的磁场区域内，且增加附着促进物质的部分的面积。
本发明所涉及的负离子源装置具备：过滤磁场生成部，生成屏蔽规定能量以上的电子的磁场；及促进物质附着面积增加部，设置于生成磁场的磁场区域内，且增加附着促进物质的部分的面积。通过过滤磁场生成部生成的磁场区域内，屏蔽规定能量以上的电子的侵入，并且允许小于规定能量的电子的进入，因此在该磁场区域不会遭高能量的电子的破坏，而通过低能量的电子生成负离子。在该磁场区域中附着促进物质的部分的表面，功函数因促进物质而下降，由此进行负离子的表面生成。因此，通过在磁场区域设置促进物质附着面积增加部，进行负离子的表面生成的部分的面积得到增加。由此，能够增加负离子的生成量。
在本发明所涉及的负离子源装置中，促进物质附着面积增加部可以由形成于等离子体电极的表面的凹凸部构成。由此，无需使用其他部件，即可增加与负离子的表面生成有关的面积。
在本发明所涉及的负离子源装置中，促进物质附着面积增加部可以由从等离子体电极的表面隔开距离设置的部件构成。由此，即便不在等离子体电极上进行加工等，也可通过设置其他部件来轻松地增加与负离子的表面生成有关的面积。
在本发明所涉及的负离子源装置中，部件可以具有贯穿孔。由此，能够使得用于生成负离子的原子、分子、电子通过部件的贯穿孔而移动到等离子体电极侧。
发明效果
根据本发明，能够增加负离子的生成量。
附图说明
图1为概略地表示中子捕捉疗法装置的图。
图2为表示第1实施方式所涉及的负离子源装置的图。
图3(a)为从腔室内部的轴向观察等离子体电极的图，图3(b)为用图3(a)的A表示的部分的放大图。
图4(a)～(c)为表示凹凸部的剖面形状的一例的图。
图5为表示第2实施方式所涉及的负离子源装置的图。
图6(a)、(b)为表示促进物质附着面积增加部件及支承部的结构的一例的图。
图7为表示变形例所涉及的负离子源装置的图。
图8为表示变形例所涉及的负离子源装置的图。
图中：1-中子捕捉疗法装置，100、200、300、400-负离子源装置，108、308、408-腔室，110B、310B-过滤磁场生成部，112-等离子体生成部，115-促进物质供给部，116、316、416-等离子体电极，116a-引出孔，116c-表面，117、217、317、417-促进物质附着面积增加部，120-凹凸部、218-促进物质附着面积增加部件(部件)。
具体实施方式
参考附图对本发明的实施方式进行说明，以下本实施方式为用于说明本发明的示例，宗旨不在于将本发明限定在以下内容。在说明中，具有相同要件或相同功能的要件使用相同符号，并省略重复说明。
[第1实施方式]
首先，以具备本发明的第1实施方式所涉及的负离子源装置100的中子捕捉疗法装置1为例，参考图1对中子捕捉疗法装置1的概要进行说明。中子捕捉疗法装置1为用于利用硼中子捕捉疗法(BNCT：Boron Neutron Capture Therapy)进行癌症治療等而使用的装置，其向注射硼(10B)的患者50的肿瘤照射中子束N。
中子捕捉疗法装置1具备回旋加速器2。回旋加速器2为使通过负离子源装置100生成的负离子(也称为阴离子)加速以制造带电粒子束R的加速器。该回旋加速器2例如具有生成射束半径为40mm、60kW(＝30MeV×2mA)的带电粒子束R的能力。中子捕捉疗法装置1中，作为加速器并不限于回旋加速器2，也可以使用同步加速器、同步回旋加速器、直线加速器等。
从回旋加速器2射出的带电粒子束R通过射束导管3，并朝向靶6行进。沿着该射束导管3设置有多个四极电磁铁4及扫描电磁铁5。扫描电磁铁5扫描带电粒子束R，并控制带电粒子束R相对于靶6的照射位置。
中子捕捉疗法装置1具备控制部(计算构件)S。控制部S为具有CPU、ROM、RAM等的电子控制单元，综合控制中子捕捉疗法装置1。
控制部S连接于实时测定照射到靶6的带电粒子束R的电流值(即电荷、照射剂量率)的电流监视器M，并根据该测定结果进行中子捕捉疗法装置1各部的控制。作为电流监视器M，例如能够使用不影响带电粒子束R即可测定的非破坏型的DCCT(Direct CurrentCurrent Transformer)。
靶6受带电粒子束R的照射而生成中子束N。靶6例如呈直径为160mm的圆板状。靶6例如可以由铍(Be)、锂(Li)、钽(Ta)或钨(W)形成。靶6并不限于板状(固体)，也可以是液态。
屏蔽体7以防止所产生的中子束N或随着该中子束N的产生而生成的γ射线等释放到中子捕捉疗法装置1的外部的方式进行屏蔽。减速材料8具有使中子束N减速(衰减中子束N的能量)的功能。减速材料8通过层叠第1及第2减速材料8A、8B而构成。第1减速材料8A主要使中子束N中所包含的高速中子减速。第2减速材料8B主要使中子束N中所包含的超热中子减速。
准直器9成形中子束N的照射场(与中子束N的行进方向正交的平面内的照射范围)，且具有使中子束N通过的开口9a。在靶6产生的中子束N穿过减速材料8之后，其一部分通过准直器9的开口9a，而剩余部分通过确定准直器9的开口9a的周边部被屏蔽。其结果，通过准直器9的中子束N被成形为与开口9a的形状相对应的形状。
中子剂量测定装置10为测定照射到治療台51上的患者50的中子束N的剂量及剂量分布的装置。
接着，参考图2对负离子源装置100的结构进行说明。负离子源装置100具备负离子源102和真空箱104。负离子源102与真空箱104通过绝缘凸缘106连接。
负离子源102具有腔室108、原料气体供给部109、磁铁110、等离子体生成部112、促进物质供给部115、等离子体电极116及促进物质附着面积增加部117。
腔室108与未图示的真空泵连接，且能够使内部保持真空状态。腔室108具有呈圆筒状的主体部108a及设置于主体部108a的另一端侧的盖部108b。主体部108a成为腔室108的侧壁。在腔室108的一端侧设置有后述等离子体生成部112及真空箱104。在主体部108a的两端分别设置有向外突出的凸缘部108c、108d。
盖部108b以装卸自如的方式安装在位于主体部108a的另一端侧的凸缘部108c上，且打开或封闭主体部108a的另一端(开放端)。在盖部108b的大致中央部形成有呈圆形的贯穿孔108e。当盖部108b封闭主体部108a的另一端时，贯穿孔108e连通腔室108的内外。
原料气体供给部109具备设置于后述等离子体电极116的附近的配管116b及与配管116b连接的气体供给源122。配管116b位于腔室108的另一端侧。气体供给源122包括原料气体源(氢气源)及惰性气体源(氩气源)。即，气体供给源122的原料气体或惰性气体通过配管116b从主体部108a的另一端侧供给到腔室108内。
磁铁110具备等离子体封入部110A及过滤磁场生成部110B。等离子体封入部110A设置于腔室108的另一端侧的区域。等离子体封入部110A以将在腔室108内生成的等离子体封入在腔室108的方式生成磁场。过滤磁场生成部110B设置于腔室108的一端侧，且生成屏蔽规定能量以上的电子的磁场。在腔室108的轴向上，与过滤磁场生成部110B相比等离子体封入部110A所占的范围更广。高能量的电子(高温电子)无法侵入到通过过滤磁场生成部110B生成的磁场区域内，而封入在被等离子体封入部110A包围的区域内。将该区域称为等离子体生成区域E1(比图2所示的单点划线更靠左侧区域)。另一方面，与规定能量相比低能量的电子(低温电子)能够通过被过滤磁场生成部110B包围的磁场区域。负离子容易遭受高温电子的破坏，但是在过滤磁场生成部110B的磁场区域内防止高温电子的侵入且允许低温电子的进入，因此在该磁场区域生成负离子。因此，将通过过滤磁场生成部110B生成的磁场区域称为负离子生成区域E2(比图2所示的单点划线更靠右侧区域)。
磁铁110在主体部108a的外周面侧配置有多个。更详细而言，磁铁110在从主体部108a的外周面隔开距离的状态下位于腔室108的外周侧。等离子体封入部110A通过在周向上交替配置S极与N极而构成。过滤磁场生成部110B在周向的局部区域集中配置S极，且在周向的另一区域集中配置N极。磁铁110与主体部108a的外周面之间设置有未图示的冷却通道。为了冷却磁铁110或主体部108a的壁部，水等制冷剂在该冷却通道内进行循环。另外，冷却通道的设置位置并不限于磁铁110与主体部108a的外周面之间，也可以设置在其他位置。例如也可以在磁铁110的外周面设置冷却通道。
等离子体生成部112具有呈圆柱形状的主体部112a及从主体部112a的端面向外(腔室108的另一端侧、等离子体电极116侧)延伸的一对灯丝112b。主体部112a具有与盖部108b的贯穿孔108e相对应的外形，且能够相对于盖部108b(贯穿孔108e)装卸。当主体部112a安装于盖部108b(贯穿孔108e)时，在主体部112a与贯穿孔108e之间隔着O型圈等，使腔室108内保持气密状态。主体部112a上连接有未图示的直流电源。该直流电源向灯丝112b施加电压及电流而使灯丝112b发热，并且在灯丝112b与腔室108(主体部108a)之间产生电位差。
促进物质供给部115具备导入促进负离子的生成的促进物质的促进物质导入部114及与促进物质导入部114连接的促进物质供给源118。促进物质导入部114以贯穿盖部108b的方式设置于盖部108b。促进物质导入部114的前端位于腔室108内。作为促进物质可以采用铯，除此之外还可以采用碱性物质等对促进负离子生成具有效果的物质。并且，促进物质可以以气体、液体、固体中的任意状态供给到腔室108内。
等离子体电极116配置于绝缘凸缘125与真空箱104侧的绝缘凸缘106之间，所述绝缘凸缘125设置于位于主体部108a的一端侧的凸缘部108d。等离子体电极116与可变电压的电源(未图示)连接。通过控制该电源来控制施加于等离子体电极116的电压的大小，由此控制腔室108内的等离子体分布，并控制从腔室108引出的负离子的量。等离子体电极116具有能够将在腔室108内生成的负离子引出到腔室108外(在本实施方式中为真空箱104侧)的引出孔116a。另外，本实施方式所涉及的等离子体电极116为平板形状，但形状并无特别限定，也可以由锥状等构成。
真空箱104位于腔室108中引出负离子束的下游侧(腔室108的一端侧)。真空箱104与腔室108同样能够将内部保持为真空状态。真空箱104内配置有引出电极等电极124、测量负离子束的射束量的法拉第杯(未图示)、改变负离子束的轨道的转向线圈(未图示)等。
促进物质附着面积增加部117设置于生成磁场的磁场区域(负离子生成区域E2)内，且为增加附着促进物质的部分的面积的结构。如图3(a)所示，在本实施方式中，从腔室108的轴向观察等离子体电极116的表面116c(腔室108的内部空间侧的面)时，促进物质附着面积增加部117形成于相对于表面116c设定的规定区域F(阴影区域)。在此，现有的负离子源装置在负离子生成区域E2内作为附着促进物质的部分具有等离子体电极116的表面116c及主体部108a的内周面。并且，等离子体电极116的表面116c大致整个区域形成为平面，主体部108a的内周面至少在负离子生成区域E2内，大致整个区域形成为平滑(未形成沟槽或台阶)的面。将这种现有的负离子源装置的负离子生成区域E2内附着促进物质的部分的面积作为“附着面积SP1”。另一方面，本实施方式所涉及的负离子源装置100中形成有促进物质附着面积增加部117，由此负离子生成区域E2内附着促进物质的部分的附着面积SP2大于附着面积SP1。
在图3(a)所示的例子中，形成有促进物质附着面积增加部117的区域F在等离子体电极116的中央位置的一部分被设定为圆形。区域F的直径D根据腔室108的尺寸、气压等来设定。例如，区域F的大小可以根据负离子的平均自由行程来设定。平均自由行程是指生成的负离子在腔室108内能够飞行的距离。例如，在距离引出孔116a过远的位置即比平均自由行程更远的位置生成的负离子不会从引出孔116a被引出。因此，形成有促进物质附着面积增加部117的区域F可以设定在距引出孔116a平均自由行程以内的范围内。另外，区域F的形状并没有特别限定，可以是矩形等其他形状。当腔室108的半径小于平均自由行程时，也可以形成于腔室108的主体部108a的内周面。
在本实施方式中，如图3(b)所示，促进物质附着面积增加部117由形成于等离子体电极116的表面116c的多个凹凸部120构成。凹凸部120通过围绕引出孔116a以同心圆状排列多个沟槽而形成。形成有凹凸部120的区域F内的表面116c的表面积与该区域F内的表面116c为平面情况下的表面积相比更大。因此，在本实施方式所涉及的负离子源装置100中，在区域F内形成有表面积与为平面时相比更大的凹凸部120，因此负离子生成区域E2内附着促进物质的部分的附着面积SP2大于现有的负离子源装置的附着面积SP1。另外，凹凸部120也可以不由同心圆状的沟槽形成，也可以通过排列多个直线状的沟槽来形成。或者，凹凸部120也可以通过将多个沟槽排列成网眼状来形成。或者，凹凸部120也可以通过排列多个突起部来形成。
如图4(a)～(c)所示，凹凸部120的剖面形状并没有特别限定。例如，如图4(a)所示，凹凸部120可以是矩形。并且，如图4(b)所示，凹凸部120可以是波形。并且，如图4(c)所示，凹凸部120可以是三角形形状。另外，凹凸部120通过对等离子体电极116的平面状的表面116c施加切削或激光加工等槽加工来构成。取而代之，也可以在等离子体电极116的平面状的表面116c突出设置多个突出部，而使该突出部彼此之间的空间形成为凹凸部120。
在上述负离子源装置100中，生成负离子时，首先通过真空泵对腔室108及真空箱104内进行真空抽取。接着，通过气体供给源122将原料气体(氢气)供给到腔室108内，并且通过促进物质供给源118将促进物质供给到腔室108内。通过促进物质供给源118供给的促进物质的供给量可以根据所要引出的负离子束的射束量进行调整。由于功函数在附着有促进物质的物质的表面下降，因此促进物质具有促进负离子的生成的功能。图2中示出附着于腔室108的内壁面和等离子体电极116的表面116c的促进物质的堆积层C。
接着，对等离子体生成部112导通电流，并在等离子体生成部112与腔室108之间施加电压。通过电流的流动而被加热的灯丝112b与腔室108之间被施加电压，由此从灯丝112b向腔室108释放热电子，从而引起电弧放电。该热电子与充满于腔室108内部的氢气碰撞而弹出电子，并将该氢气等离子体化。
存在于等离子体中的电子中，高温电子与低温电子通过磁铁110来辨别。即，高温电子通过等离子体封入部110A被封入在等离子体生成区域E1，且被过滤磁场生成部110B的磁场屏蔽而向负离子生成区域E2的移动被屏蔽。另一方面，低温电子向负离子生成区域E2移动。低温电子或等离子体电极116的表面116c的电子与等离子体中的氢分子、氢原子或氢离子进行反应，由此生成负离子。如此生成的负离子通过等离子体电极116的引出孔116a被引出到腔室108的外部，并经由真空箱104被导入到回旋加速器2。
接着，对本实施方式所涉及的负离子源装置100的作用、效果进行说明。
本实施方式所涉及的负离子源装置100具备：过滤磁场生成部110B，生成屏蔽规定能量以上的电子的磁场；及促进物质附着面积增加部117，设置于生成有磁场的磁场区域(负离子生成区域E2)内，且增加附着促进物质的部分的面积。在通过过滤磁场生成部110B生成的磁场区域内由于屏蔽规定能量以上的电子的侵入，因此在该磁场区域内不会遭受高能量的电子的破坏，从而生成负离子。在该磁场区域中附着促进物质的部分的表面，功函数因促进物质而下降，因此进行负离子的表面生成。因此，通过在磁场区域设置促进物质附着面积增加部117，进行负离子的表面生成的部分的面积得到增加。由此，能够增加负离子的生成量。
在本实施方式所涉及的负离子源装置100中，促进物质附着面积增加部117由形成于等离子体电极116的表面116c的凹凸部120构成。由此，无需使用其他部件即可增加与负离子的表面生成有关的面积。
[第2实施方式]
参考图5及图6对第2实施方式所涉及的负离子源装置200进行说明。第2实施方式所涉及的负离子源装置200中，促进物质附着面积增加部217的结构与第1实施方式所涉及的负离子源装置100的促进物质附着面积增加部117不同。
如图5及图6所示，促进物质附着面积增加部217由从等离子体电极116的表面116c隔开距离设置的促进物质附着面积增加部件218构成。促进物质附着面积增加部件218配置于负离子生成区域E2内的空间内。促进物质附着面积增加部件218以覆盖区域F(参考图3(a))的表面116c的方式配置于与该表面116c隔开距离的位置。另外，促进物质附着面积增加部件218与表面116c之间所隔开的距离并没有特别限定，但优选配置于距引出孔116a的距离小于平均自由行程的位置。
促进物质附着面积增加部件218通过支承部件219被支承。支承部件219由绝缘材料构成。因此，促进物质附着面积增加部件218能够与等离子体电极116及腔室108独立地施加电压，以便能够调整等离子体鞘。支承部件219的结构并没有特别限定，可以是如图6(a)所示的多个脚部件，也可以是如图6(b)所示的筒状部件。并且，支承部件219可以与等离子体电极116连结，也可以与腔室108连结。
如图6所示，促进物质附着面积增加部件218至少具有可供电子通过的大小的贯穿孔220。具体而言，促进物质附着面积增加部件218由网眼状的金属部件构成。每一个贯穿孔220的大小并没有特别限定，只要设定为可供电子通过的大小即可。并且，贯穿孔220相对于整个促进物质附着面积增加部件218的面积所占的比例只要是不妨碍电子及负离子向表面116c及引出孔116a侧移动的范围即可。另外，促进物质附着面积增加部件218可以通过圈上多个金属线来构成，也可以通过在金属板上形成多个贯穿孔220来构成。
如上所述，在本实施方式所涉及的负离子源装置200中，促进物质附着面积增加部217由从等离子体电极116的表面116c隔开距离设置的促进物质附着面积增加部件218构成。由此，即便不在等离子体电极116上进行加工等也能够通过设置其他部件即促进物质附着面积增加部件218而轻松地增加与负离子的表面生成有关的面积。
在本实施方式所涉及的负离子源装置200中，促进物质附着面积增加部件218具有贯穿孔220。由此，能够使得用于生成负离子的原子、分子、电子通过促进物质附着面积增加部件218的贯穿孔220而向等离子体电极116侧移动。
以上，对本发明的实施方式进行了详细说明，但本发明并不限定于上述实施方式。例如，离子源装置作为促进物质附着面积增加部也可以采用形成于等离子体电极116的凹凸部120，及从等离子体电极116的表面116c隔开距离的促进物质附着面积增加部件218两者。
例如，等离子体生成部112可以不是灯丝112b，而是内部天线型。此时，通过对天线施加高频来在腔室108内生成等离子体。
与气体供给源122连接的配管116b可以不位于腔室108的另一端侧，而设置于其他部位。例如，配管116b可以设置于腔室108的另一端侧，也可以设置于腔室108的一端与另一端之间。
并且，负离子源装置的整体结构并不限定于图2、5所示的结构，也可以采用图7所示的结构。图7所示的负离子源装置300例如在配置于腔室308内的灯丝312及等离子体电极316的形状及过滤磁场生成部310B的配置等方面与图1的负离子源装置100不同。在该负离子源装置300中，在等离子体电极316附近形成有负离子生成区域E2，且在该区域内形成有促进物质附着面积增加部317。图8所示的负离子源装置400例如在等离子体生成部412的结构、腔室408的形状、等离子体电极416的形状等方面与图1的负离子源装置100不同。在该负离子源装置400中，在等离子体电极416附近形成有负离子生成区域E2，且在该区域内形成有促进物质附着面积增加部417。
Claims (3)
1.一种负离子源装置，具备：
腔室，在内部生成负离子；
原料气体供给部，向所述腔室内供给原料气体；
等离子体生成部，利用由所述原料气体供给部供给的所述原料气体来生成等离子体；
等离子体电极，设置于所述腔室的一端侧，且具有引出所生成的所述负离子的引出孔；
促进物质供给部，将促进所述负离子的生成的促进物质供给到所述腔室内；
过滤磁场生成部，设置于所述腔室的所述一端侧，且生成屏蔽规定能量以上的电子的磁场；及
促进物质附着面积增加部，设置于生成所述磁场的磁场区域内，且增加附着所述促进物质的部分的面积，
所述促进物质附着面积增加部由形成于所述等离子体电极的表面的凹凸部构成，
所述凹凸部设置在所述等离子体电极的表面的一部分上，为以所述引出孔为中心的圆形。
2.一种负离子源装置，具备：
腔室，在内部生成负离子；
原料气体供给部，向所述腔室内供给原料气体；
等离子体生成部，利用由所述原料气体供给部供给的所述原料气体来生成等离子体；
等离子体电极，设置于所述腔室的一端侧，且具有引出所生成的所述负离子的引出孔；
促进物质供给部，将促进所述负离子的生成的促进物质供给到所述腔室内；
过滤磁场生成部，设置于所述腔室的所述一端侧，且生成屏蔽规定能量以上的电子的磁场；及
促进物质附着面积增加部，设置于生成所述磁场的磁场区域内，且增加附着所述促进物质的部分的面积，
所述促进物质附着面积增加部由从所述等离子体电极的表面隔开距离而设置的部件构成，
所述促进物质附着面积增加部被配置在距所述引出孔的距离比所述负离子的平均自由行程小的位置。
3.根据权利要求2所述的负离子源装置，其中，
所述部件具有贯穿孔。
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