CN113454748B - 离子生成装置、方法及程序 - Google Patents
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Abstract
提供一种离子生成技术，使用一台离子源，使核子平均能量一致的不同种类离子在不同的定时输出。在离子生成装置(10)中，具备：离子生成能量设定部(32)，使在真空腔(25)内电离生成的第一离子(21)及第二离子(22)保持混合状态不变地从开口(26)放出；电场电压调节部(33)，将在该开口(26)与引出电极(28)之间形成的电位势(27)切换为第一电场电压(V1)及第二电场电压(V2)而进行施加，对第一离子(21)及第二离子(22)分别赋予预先确定的相同的核子平均能量；以及励磁电流调节部(35)，切换第一励磁电流(I1)及第二励磁电流(I2)并向分离电磁铁(41)的线圈(省略图示)供给，使第一离子(21)及第二离子(22)在不同的定时输出。
Description
技术领域
本发明的实施方式涉及生成向加速器供给的离子的技术。
背景技术
近年来，将离子供给至加速器并以高速进行照射，在工程、医学等广泛的领域中进行了应用。目前，被广泛运用的加速器系统大致由离子源(离子生成装置)、线性加速器和圆形加速器构成，按照该顺序将离子阶段性地加速，照射高能量的离子束。
线性加速器为，将具有在相邻彼此间为相反方向的电位势成分的多个加速电场排列成直线状，使电场方向以高频频率反复反转，而使通过加速电场的离子始终仅在行进方向上加速。基于这样的原理的线性加速器能够通过输入电力的不同而将质量、带电量不同的不同种类离子加速并射出。
但是，作为条件，入射的离子的核子的平均动能需要与线性加速器的入射能量的规格(spec)一致。如果满足该条件，则能够将质荷比不同的不同种类离子加速，并以与线性加速器的射出能量的规格一致的能量射出离子。
因此，相对于多个离子源及多个圆形加速器，能够利用一个线性加速器来构建系统。在该系统中，使由各个离子源生成的不同种类离子错开定时地入射到线性加速器。并且，从线性加速器射出的不同种类离子分别被分配到不同的圆形加速器，进而被加速。由此，能够以高能量分别得到不同种类的离子束，能够高效地供给实验用及治疗用的离子束。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Y.Kageyama，et al.，“Present Status of HIMAC injector atNIRS”，Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society ofJapan(2010)1135-1138.
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，上述的公知的离子束供给设施需要按照所需要的每个射束种类准备多个离子源，若包括从各个离子源到线性加速器的多个射束输送路径、输送路径切换装置在内，则作为系统整体变得大规模。另外，使由多个离子源的每一个离子源所生成的不同种类离子错开定时地入射到线性加速器，也要求高度的控制技术。
本发明的实施方式是考虑到这样的情况而做出的，其目的在于提供一种离子生成技术，使用1台离子源在不同的定时输出核子平均能量一致的不同种类离子。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的离子生成装置的结构图。
图2是说明在各实施方式的离子生成装置中离子分离的原理的数学式。
图3中(A)是表示请求信号接收部的动作定时的曲线图，(B)是表示电场电压调节部的动作定时的曲线图，(C)是表示励磁电流调节部的动作定时的曲线图，(D)是表示离子生成能量供给部的动作定时的曲线图，(E)是表示向线性加速器输入的高频电力的定时的曲线图。
图4中(A)是表示作为实施例的零磁场反馈电路对铁芯的残留磁场的消除过程的曲线图，(B)是表示作为比较例的不设置零磁场反馈电路的情况下对分离电磁铁进行了励磁时产生的铁芯的残留磁场的曲线图。
图5是表示铁芯中产生的残留磁场的消磁的消磁电流的控制的流程图。
图6是表示本发明的第二实施方式的离子生成装置的结构图。
图7是应用了实施方式的离子生成装置的加速器系统的结构图。
具体实施方式
(第一实施方式)
以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。图1是表示本发明的第一实施方式的离子生成装置10A的结构图。这样，离子生成装置10具备：离子生成能量设定部32，在混合状态下从开口26放出在真空腔25内电离生成的第一离子21及第二离子22；电场电压调节部33，将在该开口26与引出电极28之间形成的电位势27切换为第一电场电压V1及第二电场电压V2并施加，而对第一离子21及第二离子22分别赋予预先确定的相同的核子平均能量；以及励磁电流调节部35，切换第一励磁电流I1及第二励磁电流并向分离电磁铁41的线圈(省略图示)I2供给，使第一离子21及第二离子22在不同的定时输出。
将在真空腔25内由离子生成能量供给部23电离生成的第一离子21及第二离子22，从通过可变电源47而作用于真空腔25与引出电极28之间的电位势27从开口26保持混合状态不变地放出。
另外，离子生成能量设定部32能够根据第一离子21及第二离子22被输出的定时来切换离子生成能量供给部23的输出强度。
第一离子21及第二离子22的生成量及比例，根据来自离子生成能量供给部23的输出的大小而不同，因此向大量生成选择的离子的输出设定值切换是有效的。能够按每个定时将输出从离子生成能量设定部32向离子生成能量供给部23变更。
并且，离子生成装置10具备电力设定部39，该电力设定部39根据第一离子21及第二离子22被输出的定时来切换向线性加速器42供给的高频电力的强度。
由于第一离子21及第二离子22的各自的质荷比(mass-to-charge ratio)A/Z的差异，存在被设为最优的向线性加速器42的高频电力Prf1、Prf2不同的情况。在这样的情况下，由电力设定部39根据被输出的第一离子21及第二离子22分别设定高频电力Prf1、Prf2。
在真空腔25中设置有对从外部导入的原料37进行等离子体化的离子生成能量供给部23。在该真空腔25中，中性粒子、电子、正离子(第一离子21及第二离子22)以混合的状态生成。作为这种使原料等离子体化的公知的离子生成能量供给部23，除了ECR(ElectronCyclotron Resonance)离子源、PIG(Penning Ionization Gauge)离子源等高频(包含微波)照射型以外，还举出激光照射型的离子源等，但并不限定于这些。
另外，该真空腔25通过可变电源47被施加正电位，在与外部及最接近的引出电极28之间形成电位势27。并且，被导入到真空腔25的原料37可以将气体、液体及固体中的任一种设为对象，而且不限于由单一元素构成，也可以适应分子化合物及这些多种的混合物。
并且，该第一离子21及第二离子22的集团，在由可变电源47作用于真空腔25与引出电极28之间的电位势27的作用下，离子从等离子体被引出加速而向引出电极28方向前进，并被导入分离电磁铁41。
图2是说明实施方式的离子生成装置10中的离子分离的原理的数学式。如图2的(1)式所示，电荷量qx的离子若被导入到由电场电压Vx形成的电场27，则被赋予能量Wx。另外，对该离子赋予的能量Wx由离子的质量数Ax和核子平均能量w之积来表示。另外，离子的电荷量qx由元电荷(elementary charge)e与离子的价数Zx之积来表示。
在此，如图2的(2)式所示，若以第一离子21的质荷比A1/Z1、第二离子22的质荷比A2/Z2、元电荷e来表示，则为了赋予预先确定的核子平均能量w，需要在第一离子21的情况下通过可变电源47施加电场电压V1、并在第二离子22的情况下通过可变电源47施加电场电压V2而形成电位势27。另外，用电位势27赋予的核子平均能量w，与作为后级的线性加速器42的规格而规定的入射能量对应地被预先确定。
返回图1继续进行说明。通过由可变电源47将电场电压Vx切换为V1及V2而进行施加，从而被赋予了预先确定的核子平均能量w的第一离子21及第二离子22在不同的定时被导入到分离电磁铁41。另外，伴随着电场电压Vx(V1、V2)的切换，对于被施加了电场电压V1的定时的第二离子22及被施加了电场电压V2的定时的第一离子21，也被赋予与预先确定的核子平均能量w不同的能量而将其导入到分离电磁铁41。
分离电磁铁41通过使励磁电流Ix向线圈流动而产生的磁场Bx，发挥赋予洛伦兹力并使通过的离子的轨道弯曲的作用。若对该分离电磁铁41供给第一励磁电流I1，则第一励磁磁场B1被励磁，若供给第二励磁电流I2，则第二励磁磁场B2被励磁。
如图2的(3)、(4)式所示，被赋予了能量Wx的质量Mx的离子，以速度vx入射到分离电磁铁41。在此，离子的质量Mx由核子质量m与离子的质量数Ax之积来表示。
并且，如图2的(5)所示，离子将从磁场Bx受到的洛伦兹力F作为向心力，描绘半径R的圆轨道。因此，将图2的(6)所示的x设为1或2，被赋予了预先确定的核子平均能量w的、质荷比Ax/Zx的第一离子21及第二离子22，能够通过将分离电磁铁41调整为磁场Bx，而选择性地通过曲率半径R的分离电磁铁41。
返回图1继续进行说明。通过由分离电磁铁41将磁场Bx切换为B1及B2而进行赋予，从而被赋予了预先确定的核子平均能量w的第一离子21及第二离子22在不同的定时被导入到线性加速器42。并且，被赋予了与该预先确定的核子平均能量w不同的能量的第二离子22及第一离子21，由于描绘与分离电磁铁41的曲率半径R不同的轨道，因此无法到达线性加速器42。
在此，作为一例，对原料37采用甲烷气体(CH4)的情况进行研究。考虑在真空腔25中甲烷气体(CH4)被等离子体化而生成了碳离子12C4+和氢分子离子H2 +的情况。碳离子12C4+由于质量数A为12且价数Z为4，因此质荷比A/Z为3。另一方面，氢分子离子H2 +由于质量数A为2且价数Z为1，因此质荷比A/Z为2。
碳离子12C4+通过电位势27而得到核子平均能量w所需的基于可变电源47的电场电压，由VC4+＝3w/e来表示(图2的(2)式)。并且同样地，氢分子离子H2 +得到核子平均能量w所需要的电场电压由VH2+＝2w/e来表示。因此，通过可变电源47，在真空室25中，按每个定时且通过来自电场电压调节部33的请求信号，而被选择性地施加该电场电压VC4+和电场电压VH2+。
另外，核子平均能量w的碳离子12C4+在半径R的分离电磁铁41通过所需的励磁磁场表示为BC4+＝3×√(2mw)/eR(图2的(6)式)。另一方面，核子平均能量w的氢分子离子H2 +在半径R的分离电磁铁41通过所需的励磁磁场表示为BC4+＝2×√(2mw)/eR(图2的(6)式)。
线性加速器42将相邻彼此间且具有相反方向的电位势成分的多个加速电场排列成直线状，使电场方向以高频频率反复反转，使在加速电场中通过的离子始终仅在行进方向上加速。并且，该线性加速器42被入射具有与入射能量的规格(spec)一致的核子平均能量w的第一离子21及第二离子22，分别在相对于质荷比A/Z的离子而言所需的高频电力Prf1、Prf2被接通时，进行加速。
由于第一离子21及第二离子22各自的质荷比A/Z的不同，因此存在被设为最优的高频电力Prf1、Prf2不同的情况。在这样的情况下，从线性加速器42的电力设定部39向高频电力供给部43按每个定时发送设定变更信号。高频电力供给部43将按每个定时设定的高频电力Prf1、Prf2向线性加速器42输出。并且，由线性加速器42加速后的第一离子21及第二离子22在被提高到以规格(spec)确定的能量之后被射出。
控制部30构成为至少包括请求信号接收部31、离子生成能量设定部32、电场电压调节部33、励磁电流调节部35、零磁场反馈电路36及线性加速器电力设定部39。该控制部30能够通过一般的计算机的处理器来实现各要素的功能，能够通过计算机程序使之动作。
图3的(A)是表示请求信号接收部31的动作定时的曲线图。这样，请求信号接收部31从外部的定时系统(省略图示)输入成为离子生成装置10中的离子生成的触发的请求信号38。
图3的(B)是表示电场电压调节部33的动作定时的曲线图。这样，电场电压调节部33将第一电场电压V1作为初始设定值，以请求信号38的接收为契机，仅在规定期间T1向真空腔25进行施加。然后，在经过了该规定期间T1之后，将第一电场电压V1变更为第二电场电压V2。然后，以下一个的请求信号38的接收为契机，将第二电场电压V2仅在规定期间T1向真空腔25进行施加。关于使第一电场电压V1向第二电场电压V2的转变以及相反的转变，以倾斜地变化的方式进行了图示，但不取决于变化方法。
然后，在经过了该规定期间T1之后，使第二电场电压V2增加而变更为第一电场电压V1。这样，通过切换第一电场电压V1及第二电场电压V2而对真空腔25进行施加来形成电场27，由此对第一离子21及第二离子22的每一个在不同的定时赋予预先确定的相同的核子平均能量w。关于使第一电场电压V1向第二电场电压V2的转变以及相反的转变，以倾斜地变化的方式进行了图示，但不取决于变化方法。
图3的(C)是表示励磁电流调节部35的动作定时的曲线图。这样，励磁电流调节部35以请求信号38的接收为契机，在经过了预先设定的延迟时间D2后，仅在规定期间T2将第一励磁电流I1向分离电磁铁41供给。然后，在经过了规定期间T2后，将第一励磁电流I1设为0。在此，延迟时间D2及期间T2被设定为足够所设定的电流值稳定为平坦状的时间。
并且，励磁电流调节部35以下一个的请求信号38的接收为契机，在经过了延迟时间D2后，仅在规定期间T2将第二励磁电流I2向分离电磁铁41供给。然后，在经过了规定期间T2后，将第二励磁电流I2设为0。这样，励磁电流调节部35基于断续地接收到的请求信号38，切换第一励磁电流I1及第二励磁电流I2并向分离电磁铁41的线圈(省略图示)供给。
图3的(D)是表示离子生成能量供给部23的动作定时及输出的曲线图。这样，从离子生成能量设定部32向离子生成能量供给部23发送生成离子的定时信号。离子生成能量设定部32进行控制，使得在经过预先设定的延迟时间D3后，离子生成能量供给部23以设定的输出时间T3和输出强度进行动作。
从离子生成能量供给部23向真空腔25的原料37提供能量，第一离子21及第二离子22保持混合状态不变地以输出时间T3进行生成。并且，在选择第一离子21的情况下按照每个定时而变更PMW1、且在选择第二离子22的情况下按照每个定时而变更PMW2，从而提高各自的离子生成量效率。
这样，基于断续地接收到的请求信号38，切换第一电场电压V1及第二电场电压V2及第一励磁电流I1及第二励磁电流I2，由此具有预先确定的核子平均能量w的第一离子21及第二离子22在不同的定时被输出。
这样由分离电磁铁41输出的第一离子21或第二离子22以具有预先确定的核子平均能量w的方式被入射到线性加速器42。向线性加速器42输入的电力，由于第一离子21及第二离子22的各自的质荷比A/Z的不同而被设为最优的高频电力Prf1、Prf2不同。因此，从线性加速器42的电力设定部39向高频电力供给部43按每个定时发送设定信号。
并且，从高频电力供给部43，按第一离子21及第二离子22的每个定时，向线性加速器输入所设定的高频电力Prf1、Prf2(图3的(E))。由此，在线性加速器42中，质荷比A/Z不同的第一离子21及第二离子22按每个定时被加速，并在被提高到以规格(spec)确定的能量之后被射出。
图4的(A)是表示作为分离电磁铁41的运用实施例而基于零磁场反馈电路36、励磁电源44和磁场检测器48进行的铁芯的残留磁场Br的消除过程的图表。零磁场反馈电路36在励磁电流调节部35中的第一励磁电流I1及第二励磁电流I2的切换时，从磁场检测器48检测残留磁场Br，控制励磁电源44以使该残留磁场Br为零，对分离电磁铁41的线圈赋予消磁电流ID，使分离电磁铁41的铁芯(省略图示)的残留磁场Br为零。
图4的(B)是表示作为比较例而未设置零磁场反馈电路36的情况、对分离电磁铁41进行了励磁时所产生的铁芯的残留磁场Br的曲线图。在使分离电磁铁41以第一励磁电流I1生成磁场B1之后，即使将励磁电流恢复到0安培，由于磁滞而产生的残留磁场Br也残留于铁芯，因此磁场B不返回到0特斯拉。在将该残留磁场Br直接原样切换为第二励磁电流I2而对分离电磁铁41进行了励磁的情况下，产生的第二磁场包含误差。
这样，若将残留磁场Br保持原样，则在分离电磁铁41中产生大的磁场之后产生的小的磁场具有误差变大的倾向。因此，在进行励磁电流的切换时，期望残留磁场Br可靠地消失。
图5是表示通过在使铁芯中产生的残留磁场为零的零磁场反馈电路36进行的消磁电流的控制的流程图。在励磁电流的供给结束而电流值I成为0安培时(S11)，利用磁场检测器48测定分离电磁铁41的铁芯的残留磁场Br(S12)。然后，取得残留磁场Br的容许阈值P，进行与残留磁场Br的测定值的对比(S13、S14)。若该测定到的残留磁场Br的绝对值超过容许阈值P(S14的是)，则判定为异常。磁场检测器48是高斯分布等。
然后，若残留磁场Br正方向上超过容许阈值P(S15的是)，则供给在负方向上产生磁场的消磁电流ID(S16)，再次测定残留磁场Br并进行与容许阈值P的对比(S14)。另外，若残留磁场Br在负方向上超过容许阈值P(S15的否，S17)，则供给在正方向上产生磁场的消磁电流ID(S18)，再次测定残留磁场Br并进行与容许阈值P的对比(S14)。然后，若测定出的残留磁场Br的绝对值在容许阈值P的范围内(S14的否)，则判定为正常。
(第二实施方式)
接着，参照图6对本发明的第二实施方式进行说明。图6是表示本发明的第二实施方式的离子生成装置10B的结构图。另外，图6中的具有与图1共通的结构或功能的部分，用相同的附图标记表示，并省略重复的说明。
在第二实施方式的离子生成装置10B中，引出电极2包括第一电极28a及第二电极28b。并且，第一电极28a及第二电极28b经由第一固定电源46a而连接。并且，第二电极28b与真空腔25经由第二固定电源46b及开关45而连接。
电位势27通过开关45对从第一电极28a到第二电极28b被施加的第一电场电压V1和从第一电极28a到真空腔25被施加的第二电场电压V2进行切换操作。
并且，电场电压调节部33能够通过在从第二电极28b真空腔25连接的电路上设置的开关45，来切换为经由第二固定电源46b的电路和不经由第二固定电源46b的路径。由此，电场电压调节部33能够通过切换开关45，而将电位势27切换为第一电场电压V1及第二电场电压V2中的任意一方。
图7是应用了实施方式的离子生成装置10的加速器系统40的结构图。另外，图7中的具有与图1共通的结构或功能的部分，用相同的附图标记表示，并省略重复的说明。该加速器系统40具备将由线性加速器42加速后的第一离子21及第二离子22分别分配至不同的输送路径53(53a、53b)的分配器52。并且，在分配器52之前设置有入射装置54(54a、54b)、以及使离子加速的圆形加速器51(51a、51b)，经由射出装置55(55a、55b)在利用装置56(56a、56b)中被利用。
从线性加速器42在不同的定时输出第一离子21及第二离子22。分配器52在第一离子21通过的定时引导至第一输送路径53a，在第二离子22通过的定时引导至第二输送路径53b。并且，第一离子21在第一圆形加速器51a中能量进一步提高，第二离子22在第二圆形加速器51b中能量进一步提高。由此，能够通过1台离子生成装置10分别在利用装置56(56a、56b)中照射多个高能量的离子束。
根据以上所述的至少一个实施方式的离子生成装置，生成不同种类离子，切换施加对加速电场赋予的电场电压，切换供给向分离电磁铁供给的励磁电流，由此，能够使用1台离子源在不同的定时输出核子平均能量一致的不同种类离子。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更、组合。这些实施方式及其变形包含在发明的范围或主旨中，同样包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。
Claims (8)
1.一种离子生成装置，具备：
离子生成能量设定部，使在真空腔内一边切换离子生成能量供给部的输出强度一边电离生成的第一离子及第二离子保持混合状态不变地从开口放出；
电场电压调节部，根据所述输出强度的切换，将在所述开口与引出电极之间形成的电位势切换为第一电场电压及第二电场电压而进行施加，对所述第一离子及所述第二离子的每一个赋予预先确定的相同的核子平均能量；以及
励磁电流调节部，根据所述输出强度的切换，切换第一励磁电流及第二励磁电流并向分离电磁铁的线圈供给，使所述第一离子及所述第二离子在不同的定时输出。
2.根据权利要求1所述的离子生成装置，其中，
具备线性加速器，该线性加速器使在不同的定时入射的所述第一离子及所述第二离子加速；
所述离子生成装置具备电力设定部，该电力设定部根据所述定时来切换向所述线性加速器供给的高频电力的强度。
3.根据权利要求1或2所述的离子生成装置，其中，
具备零磁场反馈电路，该零磁场反馈电路在所述第一励磁电流及所述第二励磁电流的切换时，对所述线圈施加消磁电流而消除所述分离电磁铁的铁芯的残留磁场。
4.根据权利要求1或2所述的离子生成装置，其中，
具备线性加速器，该线性加速器使在不同的定时入射的所述第一离子及所述第二离子加速，
所述相同的核子平均能量与作为所述线性加速器的规格而规定的入射能量对应。
5.根据权利要求1或2所述的离子生成装置，其中，
具备线性加速器，该线性加速器使在不同的定时入射的所述第一离子及所述第二离子加速，
所述离子生成装置具备分配器，该分配器将由所述线性加速器加速后的所述第一离子及所述第二离子分别分配到不同的输送路径。
6.根据权利要求1或2所述的离子生成装置，其中，
所述引出电极由第一电极及第二电极构成，
所述离子生成装置具备开关，该开关将所述电位势切换为从所述第一电极到第二电极被施加的第一电场电压、及从该第一电极到真空腔被施加的所述第二电场电压。
7.一种离子生成方法，包括如下步骤：
使在真空室内一边切换离子生成能量供给部的输出强度一边电离生成的第一离子及第二离子保持混合状态不变地从开口放出的步骤；
根据所述输出强度的切换，将在所述开口与引出电极之间形成的电位势切换为第一电场电压及第二电场电压而进行施加，对所述第一离子及所述第二离子的每一个赋予预先确定的相同的核子平均能量的步骤；以及
根据所述输出强度的切换，切换第一励磁电流及第二励磁电流并向分离电磁铁的线圈供给，使所述第一离子及所述第二离子在不同的定时输出的步骤。
8.一种存储介质，是非暂时性地存储有离子生成程序的计算机可读取的存储介质，该离子生成程序使计算机执行如下步骤：
使在真空室内一边切换离子生成能量供给部的输出强度一边电离生成的第一离子及第二离子保持混合状态不变地从开口放出的步骤；
根据所述输出强度的切换，将在所述开口与引出电极之间形成的电位势切换为第一电场电压及第二电场电压而进行施加，对所述第一离子及所述第二离子的每一个赋予预先确定的相同的核子平均能量的步骤；以及
根据所述输出强度的切换，切换第一励磁电流及第二励磁电流并向分离电磁铁的线圈供给，使所述第一离子及所述第二离子在不同的定时输出。
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