CN111133551B - 离子源装置 - Google Patents

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Abstract

离子源装置(10A)具备：阴极电极(13b、13b)，释放电子；阳极电极(13a)，具有引出离子的狭缝(13aa)；引出电极(15)，沿着从阳极电极(13a)引出的离子的引出方向与阳极电极(13a)分开配置，以便在与阳极电极(13a)之间形成电位差；及中间电极(16)，设置于阳极电极(13a)与引出电极(15)之间。阳极电极(13a)与中间电极(16)之间的第1电位差(ΔV1)大于阳极电极(13a)与引出电极(15)之间的第2电位差(ΔV2)。

Description

离子源装置
技术领域
本发明涉及一种离子源装置。
背景技术
以往，作为粒子加速系统，已知有如下粒子加速系统，其具备：离子源装置，生成离子；加速器，使离子加速；及传输部，从离子源装置向加速器传输离子(例如，参考专利文献1)。在这样的粒子加速系统中，在离子源装置的容器内形成磁场，并且向该容器内导入电子及气体分子。此时，若磁场的强度得到了适当的调整，则通过磁场的作用，电子被封入容器内。被封入容器内的电子和气体分子碰撞，其结果，在容器内生成等离子体状态的离子。并且，若对设置于与容器分开的位置的引出电极施加引出电压，则通过与引出电压相对应的能量，从容器内引出离子。被引出的离子通过传输部传输至加速器。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-25797号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
离子源装置中，期望增加引出电流值。离子源装置的引出电流值根据生成离子的容器与引出电极之间的距离和电位差之类的参数来决定。但是，这些参数由引出能量和离子束的发射率之类的对离子源装置要求的其他性能决定。因此，由于无法为了增大引出电流值而自由地设定参数，所以难以增大引出电流值。
因此，本发明的目的在于提供一种能够满足对离子源装置的要求性能且增大引出电流值的离子源装置。
用于解决技术课题的手段
本发明的一方式所涉及的离子源装置具备：一对第1电极，释放电子；第2电极，在一对第1电极之间划分出封入电子并且被供给原料气体的区域，并具有引出电子和原料气体碰撞而产生的离子的孔部；引出电极，沿着从第2电极引出的离子的引出方向与第2电极分开配置，以便在与第2电极之间形成电位差；及中间电极，设置于第2电极与引出电极之间，第2电极与中间电极之间的第1电位差大于第2电极与引出电极之间的第2电位差。
根据该装置，在第2电极所划分的区域生成的离子具有和第2电极与中间电极的电位差相对应的引出电流值和引出能量并从孔部引出。并且，在中间电极与引出电极之间，引出能量以和中间电极与引出电极的电位差相对应的方式发生变化，但引出电流值得到维持。因此，引出能量根据第2电极与引出电极之间的第2电位差决定。该2电位差能够以满足所要求的引出能量的方式决定。另一方面，引出电流值根据第2电极与中间电极之间的第1电位差决定。因此，能够不受决定引出能量的电位差的影响而设定决定引出电流值的电位差。并且，由于第1电位差大于第2电位差，因此能够使其大于根据基于引出能量的电位差决定的引出电流值。由此，能够满足所要求的引出能量且增大引出电流量。
也可以如下，即，第2电极的电位为正电位，中间电极的电位为负电位，引出电极的电位为接地电位。根据该结构，能够引出具有所期望的引出能量和所期望的引出电流值的正离子。
可以还具备调整中间电极的电位的电位调整部。根据该结构，能够调整第2电极与中间电极之间的第1电位差。第1电位差决定引出电流值。因此，能够控制引出电流值的大小。
可以还具备为了控制第2电极与中间电极之间的距离而调整中间电极的位置的位置调整部。根据该结构，能够调整第2电极与中间电极之间的距离。该距离决定引出电流值。因此，能够控制引出电流值的大小。
发明效果
根据本发明，可提供一种能够满足要求性能且增大引出电流值的离子源装置。
附图说明
图1是表示具备本发明的实施方式所涉及的离子源装置的粒子加速系统的图。
图2是从Z轴正方向观察第1实施方式所涉及的离子源装置的内部结构的剖视图。
图3是示意地表示实施方式所涉及的离子源装置所具备的阳极电极、引出电极及中间电极的配置与电位的关系的图。
图4是从Z轴正方向观察第2实施方式所涉及的离子源装置的内部结构的剖视图。
具体实施方式
以下，参考附图对用于实施本发明的方式进行详细说明。附图说明中，对相同的要件标注相同的符号并省略重复说明。
＜第1实施方式＞
图1是表示具有第1实施方式所涉及的离子源装置的粒子加速系统的主视图。如图1所示，粒子加速系统1A具备离子源装置10A、加速器30、传输部40及支承部50。在以下说明中，将在将粒子加速系统1A载置于水平面的状态下的装置的上下方向设为Z轴方向，将包含后述的离子的传输路径P的平面内且与Z轴方向垂直的方向设为X轴方向，将与Z轴方向及X轴方向垂直的方向设为Y轴方向。粒子加速系统1A例如生成α粒子、质子、氘等离子并且使其加速。粒子加速系统1A将所加速的离子供给至例如进行正电子释放断层摄影(PET：Positron Emission Tomography)、中子捕捉疗法(BNCT：Boron Neutron CaptureTherapy)等的装置。
在粒子加速系统1A中，离子源装置10A和加速器30通过传输部40彼此连接。离子源装置10A、加速器30及传输部40配置于ZX平面上。相对于离子源装置10A，在X轴正方向侧配置传输部40，在传输部40的Z轴正方向侧配置加速器30。并且，在离子源装置10A的下方(Z轴负方向)侧设置支承部50。粒子加速系统1A载置于基座S上。
离子源装置10A为由气体分子生成等离子体状态的离子的装置。离子源装置10A能够生成多种离子。离子源装置10A例如能够由氦生成α粒子，并且能够由氢生成质子。另外，离子源装置10A并非必须能够生成α粒子及质子。对于离子源装置10A的具体结构，将在后面叙述。
加速器30使通过离子源装置10A生成的离子加速而产生带电粒子束。在本实施方式中，作为加速器30，例示了回旋加速器。另外，加速器30并不限定于回旋加速器，也可以是同步加速器、同步回旋加速器、直线加速器等。
加速器30呈大致圆筒形状，其中心轴线L2配置于沿Z轴方向延伸的方向。加速器30配置于在Z轴方向上比离子源装置10A更高的位置。若应加速的离子入射于加速器30的规定位置，则加速器30对该离子进行加速。在该加速器30中，应加速的离子入射于在加速器30的下表面(Z轴负方向的表面)侧的中心部开口的入射部30a。另外，加速器30的中心轴线L2可以不沿Z轴方向延伸，例如，可以设为图中示出的粒子加速系统1A整体以Y轴为中心旋转90°的状态，中心轴线L2沿X轴方向延伸。并且，也可以设为图中示出的粒子加速系统1A整体以X轴为中心旋转90°的状态，中心轴线L2沿Y轴方向延伸。此时，离子源装置10A的中心轴线L1位于XY平面内。
传输部40将通过离子源装置10A生成的离子从离子源装置10A传输至加速器30。传输部40具有单透镜41、偏转电磁铁42及波纹管43。单透镜41使被传输的离子收敛。偏转电磁铁42生成磁场，通过该磁场，使穿过单透镜41的离子的传输方向在ZX平面内弯曲。偏转电磁铁42将离子引导至加速器30的入射部30a。
支承部50为支承离子源装置10A的机构。支承部50为能够相对离子源装置10A装卸的多个台架。另外，构成支承部50的多个台架可以分别支承离子源装置10A，以便离子源装置10A相对于传输部40成为互不相同的安装角度及安装位置。即，支承部50通过更换这些能够装卸的多个台架，能够调整离子源装置10A相对于传输部40的安装角度及安装位置。支承部50在与和离子源装置10A连接的一侧相反的一侧被基座S支承。
以下，对离子源装置10A的结构进行详细说明。
离子源装置10A为设置于加速器30外部的外部离子源。离子源装置10A呈大致圆筒形状，其中心轴线L1位于ZX平面内。离子源装置10A在延伸方向上的一端具有相对于中心轴线L1倾斜的端面10a。离子源装置10A以端面10a大致垂直的方式配置。端面10a与传输部40的单透镜41中的框体41a的X轴负方向侧的外表面相对置。离子源装置10A的中心轴线L1倾斜配置，以便在ZX平面内，作为端面10a侧的一端侧在Z轴方向上成为比另一端侧高的位置。
图2是从Z轴正方向观察图1的离子源装置10A的内部结构的剖视图。如图2所示，离子源装置10A具有真空箱11、气体分子流路12、电极13、电磁铁14、引出电极15及中间电极16。
真空箱11配置于离子源装置10A的内部。真空箱11与未图示的真空泵连接，将其内部保持为真空状态。真空箱11经由气体分子流路12，向内部导入作为原料气体的气体分子。例如，作为离子生成α粒子时，将氦用作气体分子。另外，生成α粒子以外的离子时，使用与该离子相对应的气体分子。
电磁铁14在真空箱11内形成磁场。电磁铁14以在Y轴方向上隔着真空箱11的方式成对设置。由此，电磁铁14在真空箱11内形成大致沿着Y轴方向的方向的磁场。电磁铁14通过适当地调整形成于真空箱11内的磁场的强度，通过磁场的作用在真空箱11内封入电子。
电极13具有阳极电极13a(第2电极)及一对阴极电极13b、13b(第1电极)。从Y轴方向观察时，阳极电极13a设置于真空箱11的中央附近。一对阴极电极13b、13b以沿与中心轴线L1交叉的方向(即，Y轴方向)隔着阳极电极13a的方式设置。
阳极电极13a呈具有沿着Y轴方向的中心轴线L3的圆筒状，并通过支承件17支承于真空箱11而设置于真空箱11内。另外，阳极电极13a的中心轴线L3的方向可以设为沿着离子源装置10A的中心轴线L1的方向。在阳极电极13a的圆筒面连接有设置于支承件17的气体分子流路12的前端，经由气体分子流路12向阳极电极13a导入气体分子。并且，经由设置于支承件17的电气线路17a对阳极电极13a施加规定的电位。例如，对阳极电极13a施加作为正电位的+16kV。阳极电极13a的沿着Y轴方向的两个端面与阴极电极13b、13b相面对。在两个端面的大致中央，分别设置用于接收从阴极电极13b释放的电子的接收孔部13ab。在阳极电极13a的圆筒面设置用于引出离子的狭缝13aa(孔部)。狭缝13aa设置于中心轴线L1上。
阴极电极13b例如通过热电子释放向真空箱11内供给电子。具体而言，经由阳极电极13a的接收孔部13ab向阳极电极13a的内部供给电子。阴极电极13b与冷却配管18连接，并通过冷却配管18支承于真空箱11。阴极电极13b通过在冷却配管18中流通的制冷剂被冷却。在冷却配管18与真空箱11的接点配置有真空密封件19。并且，经由设置于冷却配管18的电气线路18a对阴极电极13b、13b施加规定的电位。
在电极13中，从其中一个阴极电极13b释放电子(e-)，电子往复于一对阴极电极13b、13b之间。此时，若通过电磁铁14在阳极电极13a的圆筒轴方向(Y轴方向)上生成磁场，则电子一边进行螺旋移动，一边不会与阳极电极13a碰撞而被封入阳极电极13a内。在阳极电极13a内往复于一对阴极电极13b、13b之间的电子和通过气体分子流路12导入的氦等气体分子碰撞，由此生成α粒子等离子。
引出电极15通过被施加引出电压而从真空箱11内引出离子。引出电极15通过与被施加的引出电压相对应的引出能量从真空箱11内引出离子。即，从真空箱11引出的离子具有和阳极电极13a的电位(Va)与引出电极15的电位(Vp)的电位差(ΔV2＝Va-Vp)相对应的引出能量。
作为一例，引出电极15为钨制的厚度为4mm左右的平板，具有使从阳极电极13a引出的离子穿过的孔15a。作为一例，孔15a为高度10mm、宽度20mm的矩形状。该孔15a的中心轴线与中心轴线L1一致。引出电极15以沿着中心轴线L1与阳极电极13a分开第2距离(D2：参考图3)的方式经由支承件21配置于真空箱11内。在支承件21的一端安装引出电极15，另一端经由真空密封件19引导至真空箱11的外部。在支承件21设置用于对引出电极15施加规定的电位的电气线路21a。对引出电极15例如施加接地电位(即，零电位)。因此，在阳极电极13a的电位(Va＝+16kV)与引出电极15的电位(Vp＝0kV)之间，从阳极电极13a观察的第2电位差(ΔV2)为-16kV，从真空箱11引出的离子具有与该第2电位差(ΔV2)相对应的引出能量。
作为一例，中间电极16为钨制的厚度为3mm左右的平板，具有使从阳极电极13a引出的离子穿过的孔16a。作为一例，孔16a为高度10mm、宽度20mm的矩形状。该孔16a的中心轴线与中心轴线L1一致。中间电极16以沿着中心轴线L1与阳极电极13a分开第1距离(D1：参考图3)的方式经由支承件21、22配置于真空箱11内。作为一例，从引出电极15至中间电极16为止的第3距离(D3：参考图3)为3.5mm左右。作为一例，第1距离(D1)为7mm。安装有中间电极16的支承件22经由绝缘子23安装于安装有引出电极15的支承件21。并且，支承件22的另一端经由真空密封件19引导至真空箱11的外部。在支承件22设置用于对中间电极16施加规定的电位的电气线路22a。对中间电极16例如施加负电位。若以阳极电极13a的电位(Va)为基准，则中间电极16的电位(Vm)可取-16kV以上且46kV以下的值。并且，若以接地电位为基准，则中间电极16的电位(Vm)可取0kV以上且30kV以下的值。作为一例，假设中间电极16的电位(Vm)为-30kV。此时，阳极电极13a的电位(Va＝+16kV)与中间电极16的电位(Vm＝-30kV)的第1电位差(ΔV1)为46kV，从真空箱11引出的离子具有与该第1电位差(ΔV1)相对应的引出电流值。
以下，对离子源装置10A的作用效果进行详细说明。图3是示意地表示实施方式所涉及的离子源装置10A所具备的阳极电极13a、引出电极15及中间电极16的配置与电位的关系的图。
如图3所示，引出电极15与阳极电极13a沿着中心轴线L1分开第2距离(D2)。中间电极16与阳极电极13a沿着中心轴线L1分开第1距离(D1)。并且，作为一例，阳极电极13a的电位(Va)为+16kV，作为一例，引出电极15的电位(Vp)为零，作为一例，中间电极16的电位(Vm)为-30kV。因此，阳极电极13a与中间电极16的第1电位差(ΔV1)为46kV，阳极电极13a与引出电极15的第2电位差(ΔV2)为16kV，中间电极16与引出电极15的第3电位差(ΔV3)为30kV。在此，第1电位差(ΔV1)设定为满足对离子源装置10A要求的引出电流值。并且，第2电位差(ΔV2)设定为满足对离子源装置10A要求的引出能量。
首先，在阳极电极13a的内部生成的离子根据第1电位差(ΔV1)，从阳极电极13a的狭缝13aa引出。该引出的离子具有基于第1电位差(ΔV1)的引出能量和引出电流值。在此，引出能量还可称为与各个离子所具有的速度相对应的速度能量。并且，引出电流值还可以说是从狭缝13aa引出的离子的数量。换言之，从阳极电极13a引出基于第1电位差(ΔV1)的数量的通过根据第1电位差(ΔV1)进行加速而被施加规定的速度能量的离子。在此，第1电位差(ΔV1)大于第2电位差(ΔV2)。因此，引出能量及引出电流值变得比不设置中间电极16的情况大。
离子穿过中间电极16的孔16a而到达中间电极16与引出电极15之间的区域。在该区域，离子的特性根据第2电位差(ΔV2)发生变化。
首先，穿过孔16a之后穿过引出电极15的孔15a而从真空箱11引出的离子的数量不会因第3电位差(ΔV3)增加或减少。因此，引出电流值受第1电位差(ΔV1)的影响但不受第3电位差(ΔV3)的影响，因此引出电极15的存在不会给最终的引出电流值的大小带来影响。因此，维持比不设置中间电极16的情况设得大的引出电流值。
另一方面，各个离子根据第3电位差(ΔV3)被减速，最终收敛为基于第2电位差(ΔV2)的速度。即，引出能量最终收敛为基于第2电位差(ΔV2)的大小。因此，通过中间电极16而比要求值设得大的引出能量收敛为要求值。因此，从引出能量的观点来看，中间电极16的存在最终不会给引出能量的大小带来影响。
因此，通过设置中间电极16，能够在满足引出能量的要求值的同时增加引出电流值。
在此，离子源装置1的引出电流值依赖于空间电荷限制电流密度。根据查尔德朗缪尔法则(Child-Langmuir法则)，空间电荷限制电流密度由下述式(1)表示。根据式(1)，空间电荷限制电流密度为电压值的3/2倍。
[数式1]
Figure GDA0003663546240000081
JCL：空间电荷限制电流密度
V：引出电压
d：电极间距离
根据式(1)，为了加大引出电流值，可考虑缩小电极间距离(d)或者加大引出电压(V)。但是，从绝缘破坏和离子束的发射率的观点考虑，电极间距离(d)可取的值受限。并且，引出电压(V)与本实施方式中的第2电位差(ΔV2)相对应。第2电位差(ΔV2)根据引出能量决定。
因此，根据该离子源装置10A，在阳极电极13a所划分出的区域生成的离子具有和阳极电极13a与中间电极16的电位差(ΔV1)相对应的引出电流值和引出能量并从狭缝13aa引出。并且，在中间电极16与引出电极15之间，引出能量以和中间电极16与引出电极15的电位差(ΔV3)相对应的方式发生变化，但引出电流值不受中间电极16与引出电极15的电位差(ΔV3)的影响而得到维持。因此，引出能量根据阳极电极13a与引出电极15之间的第2电位差(ΔV2)决定。该第2电位差(ΔV2)能够以满足所要求的引出能量的方式决定。另一方面，引出电流值根据阳极电极13a与中间电极16之间的第1电位差(ΔV1)决定。因此，能够不受决定引出能量的电位差(ΔV2)的影响而设定决定引出电流值的电位差(ΔV1)。并且，由于第1电位差(ΔV1)大于第2电位差(ΔV2)，因此能够使其大于根据基于引出能量的电位差(ΔV2)决定的引出电流值。由此，能够满足所要求的引出能量且增大引出电流量。
＜第2实施方式＞
接着，对第2实施方式所涉及的离子源装置进行说明。如图4所示，离子源装置10B与第1实施方式的离子源装置10A的不同点在于能够调整引出电流值。离子源装置10B具有电位调整部24及位置调整部26。
电位调整部24设置于连接电源60和中间电极16的电气线路22a的中途。电位调整部24调整对中间电极16施加的电位。若中间电极16的电位(Vm)发生变化，则第1电位差(ΔV1)发生变化。如上所述，第1电位差(ΔV1)对引出电流值产生影响。因此，根据电位调整部24，能够控制引出电流值。例如，根据电位调整部24，相对于不设置中间电极16的情况，能够在1倍以上且3倍以下左右的范围内控制引出电流值。
如上所述，引出电流值依赖于空间电荷限制电流密度。根据示出空间电荷限制电流密度的查尔德朗缪尔法则，引出电流值不仅依赖于阳极电极13a与中间电极16的第1电位差(ΔV1)，还依赖于阳极电极13a与中间电极16之间的距离(D1)。具体而言，为了增加引出电流值，缩小距离(D1)即可，为了减少引出电流值，加大距离(D1)即可。因此，利用位置调整部26调整中间电极16相对于阳极电极13a的位置。作为一例，位置调整部26在沿着中心轴线L1的方向上具有10mm左右的冲程。根据位置调整部26，相对于不设置中间电极16的情况，能够在一定程度的倍率范围内控制引出电流值。
以上，根据本发明的实施方式对本发明进行了详细说明。但是，本发明并不限定于上述实施方式。本发明在不脱离其宗旨的范围内能够进行各种变形。
例如，在上述实施方式中，以引出正离子的情况为例进行了说明。实施方式的离子源装置也可以是引出负离子的结构。此时，对阳极电极13a施加负电位，对中间电极16施加正电位，对引出电极15施加零电位。即使是这种结构，也与上述实施方式同样地能够在满足引出能量的要求值的同时增加引出电流值。
并且，在上述实施方式中，将阳极电极13a的电位设为+16kV，将中间电极16的电位设为-30kV，将引出电极15的电位设为零，但并不限定于这些大小。阳极电极13a的电位(Va)、中间电极16的电位(Vm)及引出电极15的电位(Vp)可以设为满足第1电位差(ΔV1)与第2电位差(ΔV2)的关系(ΔV1＞ΔV2)的所期望的值。
符号说明
1A-粒子加速系统，10A、10B-离子源装置，11-真空箱，12-气体分子流路，13-电极，13a-阳极电极，13aa-狭缝，13ab-接收孔部，13b-阴极电极，14-电磁铁，15-引出电极，15a-孔、16-中间电极，16a-孔、17、21、22-支承件，17a、18a、21a、22a-电气线路，18-冷却配管，19-真空密封件，23-绝缘子，24-电位调整部，26-位置调整部，30-加速器，40-传输部，50-支承部，60-电源。

Claims (3)

1.一种离子源装置，其具备：
真空箱；
一对第1电极，释放电子，由第1支承件支承在所述真空箱；
第2电极，在所述一对第1电极之间划分封入所述电子并且被供给原料气体的区域，并具有引出所述电子和所述原料气体碰撞而产生的离子的孔部；
引出电极，沿着从所述第2电极引出的所述离子的引出方向与所述第2电极分开配置，以便在与所述第2电极之间形成电位差，由第2支承件支承在所述真空箱；
中间电极，设置于所述第2电极与所述引出电极之间，由第3支承件支承在所述真空箱；及
电位调整部，调整所述中间电极的电位，以使从所述第2电极引出的离子的引出电流值增大，
所述第2电极与所述中间电极之间的第1电位差大于所述第2电极与所述引出电极之间的第2电位差。
2.根据权利要求1所述的离子源装置，其中，
所述第2电极的电位为正电位，
所述中间电极的电位为负电位，
所述引出电极的电位为接地电位。
3.根据权利要求1或2所述的离子源装置，其还具备：
位置调整部，为了控制所述第2电极与所述中间电极之间的距离，调整所述中间电极的位置。
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