JP2000243309A

JP2000243309A - サイクロトロン用内部負イオン源

Info

Publication number: JP2000243309A
Application number: JP11040060A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Mori; 森　　義治; Tsuneo Sato; 庸夫佐藤; Kazuhide Sawayama; 一英沢山
Original assignee: Japan Steel Works Ltd; High Energy Accelerator Research Organization
Current assignee: Japan Steel Works Ltd; High Energy Accelerator Research Organization
Priority date: 1999-02-18
Filing date: 1999-02-18
Publication date: 2000-09-08
Anticipated expiration: 2019-02-18
Also published as: JP3464406B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明はサイクロトロンの内部装着型負
イオン源において、負イオン（Ｈ⁻、Ｄ⁻）を十分な量
で安定して発生させる。【解決手段】放電室３からイオン取り出し口１０に至
る間の陽極２壁部に、低電子温度領域用凹部７を形成
し、ＬａＢ_６焼結体からなる陰極５を放電室３とともに
気密空間におく。【効果】上記負イオン源によれば、イオン、特に
負イオンが十分な量で安定して得られ、また、優れた耐
久性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、核医学などに使用
されるサイクロトロンにおいて内部で負イオンを発生さ
せる内部負イオン源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】サイクロトロンは、種々の核種を生成す
る装置として核医学などの多くの分野で利用されてお
り、その一例を図６に基づいて以下に説明する。加速箱
２１は下部電磁石２２上に設けられており、該加速箱２
１の外壁に、互いに対向する第１ターゲット２３と第２
ターゲット２４が設けられている。また加速箱２１内に
は、一対の共振器２５ａ、２５ｂに接続され、所要周波
数の高周波電場を発生するために加速箱２１の中央部に
おいて結合された一対の加速電極２６ａ、２６ｂ（通称
ディーと云う）が設けられており、共振器２５ａまた
は、２５ｂのいずれかに図示しない高周波電源が接続さ
れている。さらに、加速箱２１内には、加速電極２６
ａ、２６ｂの結合点を中心としてストリッピングフォイ
ル２７ａ、２７ｂが互いに対向配置されているととも
に、加速箱２１の中心部付近に内部型負イオン源３０が
配置されている。また、上記下部電磁石２２上には、上
部電磁石２８が昇降可能に配置されており、電磁石２
２、２８によって加速箱２１内に鉛直方向の磁場が形成
されるように構成されている。

【０００３】上記装置では、各電磁石２２、２８を閉状
態とし、真空装置（図示せず）によって加速箱２１およ
び各ターゲット２３、２４直前までを真空下とした状態
で、高周波電源より高周波電力を供給して加速電極２６
ａ、２６ｂに高周波電場を発生させる。一方、内部型負
イオン源３０にて水素または重水素ガスより負イオン粒
子を発生させてイオンビームとして供給する。負イオン
は、磁場で封じ込められた状態で、加速電極２６ａ、２
６ｂの各エツジ部において高周波電場により加速を受け
つつ加速箱２１内で回転し、加速箱２１の最大半径に達
すると、ストリッピングフォイル２７ａ、２７ｂに当た
って電子がはぎとられ、陽子または重陽子となる。この
陽子または重陽子は各ターゲット２３、２４に打ち込ま
れ、内部の標的物質と衝突して核反応を引き起こし、短
寿命ＲＩを生成する。

【０００４】上記装置で短寿命ＲＩを良好に生成するた
めには、その源となる負イオンを十分な量で安定して発
生させることが必要であり、この観点から内部負イオン
源には優れたビーム性能を有することが求められる。な
お、イオンが安定しているという目安としては、ビーム
出力の時間当たりの変動幅が数％以内で、しかも２００
時間程度持続あるいは断続して使えることが挙げられ
る。また、イオン源はサイクロトロンの中央部に設置さ
れることから、大きさに対する制限があり、できるだけ
小型化することが求められる。水平面の制限は、イオン
源から引き出されたビームがはじめの一回転目にイオン
源自身に衝突して失われないための大きさであり、また
イオン源が対向（例えば間隙約５ｍｍ）する加速電極と
の間で放電を起こさないことも必要とされる。

【０００５】従来、上記イオン源としては、コーン型や
ボックス型、ＰＩＧ型等のいくつかの方式が提案、実施
されているが、この内で、ＰＩＧ型は、大電力イオン源
に適しており、十分な量のイオンを取り出すことが可能
である。このＰＩＧ型のイオン源を図７〜図９に基づい
て説明すると、銅等によって構成された筒材が陽極３１
とされ、該陽極３１の両端部に、タンタル、タングステ
ン等によって構成された陰極３２、３２が配置されてお
り、これら陰極３２、３２は陰極支持材３２ａによって
支持されている。上記陽極３１の内部空間は放電室３３
を構成しており、この放電室３３内のイオンを外部に取
り出すための取り出しスリット３４が陽極３１の壁部に
形成されている。なお、上記陽極３１には、陽極を冷却
する水冷管３５と、放電室３３にガスを供給するガス管
３６とが埋設されており、ガス管３６の一端はガス供給
口３６ａとして陽極壁に開口している。また、陰極３２
付近にも、水冷管３７が配置されており、これら水冷管
３５、水冷管３７、ガス管３６は、それぞれ外部の冷却
水供給源（図示しない）およびガス供給源に接続されて
いる。上記ＰＩＧ型のイオン源では、放電室３３内にガ
スを供給するとともに高電圧（アーク電圧と称する）を
陽極３１と陰極３２、３２との間に印加することによっ
て放電室３３内で放電を開始し、その後は、放電により
発生したイオンが放電室３３内において鉛直方向磁場に
沿って上下に運動し、陰極３２、３２に衝突する衝撃に
よって熱電子を放出させる。そして、プラズマの発生に
よって得られたイオンは、イオンビームとして放電室３
３から取り出しスリット３４を通して外部に引き出され
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のＰＩＧ
型のイオン源は、前述した利点を有しているものの、以
下に示す問題点を有している。すなわち、（１）電極の形状、配置、ガス圧力による放電状態の不
安定さがあり、イオン、特に負イオンを安定して得るこ
とが難しい。（２）放電を持続させるためのアーク電圧が比較的高い
ため（５００Ｖ程度又はそれ以上）、イオン衝撃による
電極形状の変化（陰極の損耗）に起因して陰極（カソー
ド）の寿命が低下する（数１０時間）。（３）イオン源で消費される電力および誘導される高周
波電流による熱を取り除く冷却機構が必要であり、大電
力消費に対して複雑な冷却が必要となり装置の大型化を
招く。（４）ガス使用量が多い。ガス使用量が多いと、イオン
源に供給されたガスが最終的には前記加速箱内に流れ出
し真空度の悪化を招く。この真空度の悪化により、最大
半径まで加速されるはずのイオンビームが加速中に途中
の残留ガスと衝突して失われ、ビーム出力が不安定かつ
減少する。本発明は、上記事情を背景としてなされたも
のであり、小型の構造によってイオン（特に負イオン）
を十分な量で安定して供給することができ、また、耐久
性にも優れた内部負イオン源を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のサイクロトロン用内部負イオン源のうち第
１の発明は、筒状の陽極と、該陽極内空間で構成される
放電室と、前記放電室の両端側に配置された２つの陰極
と、放電室から外部にイオンを取り出すべく前記陽極に
形成されたイオン取り出し口とを有するサイクロトロン
用内部負イオン源において、放電室からイオン取り出し
口に至る間の陽極壁部に、低電子温度領域用凹部が形成
されていることを特徴とする。第２の発明は、筒状の陽
極と、該陽極内空間で構成される放電室と、前記放電室
の両端側に配置された２つの陰極と、放電室から外部に
イオンを取り出すべく前記陽極に形成されたイオン取り
出し口とを有するサイクロトロン用内部負イオン源にお
いて、陰極径が陽極内径よりも小さく、かつ陰極先端部
が先端側ほど小径となるテーパー形状を有しているとと
もに、陰極先端部に近接する陽極端部が中側ほど内径が
減少するテーパー形状を有していることを特徴とする。
第３の発明は、筒状の陽極と、該陽極内空間で構成され
る放電室と、前記放電室の両端側に配置された２つの陰
極と、放電室から外部にイオンを取り出すべく前記陽極
に形成されたイオン取り出し口とを有するサイクロトロ
ン用内部負イオン源において、２つの陰極は放電室を含
む密閉空間内に配置されていることを特徴とする。第４
の発明は、第１〜第３の発明において、陰極がＬａＢ_６
焼結体からなることを特徴とする。

【０００８】前述したように、ＰＩＧ型のイオン源で
は、陰極（カソード）のＰＩＧアーク放電により高温、
高密度のプラズマが得られるが、高密度プラズマ中の負
イオン生成の割合は、正イオンに比較して相当に低い
（５〜１５％）と云われている。そこで、第１の発明に
示すように、放電室からイオン取り出し口に至る間の陽
極壁部に、低電子温度領域用凹部を形成することによ
り、負イオンを安定して発生させることが可能になる。
すなわち、放電室内では電子温度の高い放電領域が形成
されるが、上記凹部では、電子温度が低い放電領域が形
成され、放電領域が電子温度の高い領域と低い領域とに
分けられることになる。この低電子温度領域では、以下
の解離性付着反応が促進される。Ｈ_２ ^＊（励起分子）＋ｅ（≦１ｅＶ）→Ｈ⁻＋Ｈ上記反応により、イオン、特に負イオンが効率的に生成
される。また、上記凹部では、その形状によって負イオ
ンの生成量が大きく左右される。図５に、凹部の深さを
変えた場合のＤ⁻イオンの生成量変化が示されているよ
うに、本発明者らの実験によれば、凹部の深さを２ｍｍ
程度とすることによりイオンの生成量が大幅に増大する
ことが確認されている。また、陰極間距離が４０ｍｍで
あるものでは、凹部が低電子温度領域として機能するた
めには、凹部高さを２０ｍｍ以下にするのが望ましいこ
とが確認されている。

【０００９】なお、本発明のＰＩＧ型イオン源は、筒状
の陽極とその両端部に配置される陰極とを有しており、
陽極内部の空間が放電室に割り当てられている。したが
って陽極は、少なくとも筒孔を有し、その孔壁が放電時
の陽極として作用するものであればよく、必ずしも陽極
自体が筒体で構成されていることが必須となるものでは
ない。但し、放電室に生成されるプラズマは、鉛直方向
磁場と同じく上下方向に長い円筒形状と考えられてい
る。従って陽極壁を筒孔とすることは、プラズマ密度を
高める点において有利であると考えられる。また、陽極
の材質は本発明としては特に限定されるものではなく、
従来と同様に銅等を用いることができる。但し、陽極の
冷却が十分でなければ、材質として高融点金属材料（モ
リブデン等）を選択する必要もある。

【００１０】また、ＰＩＧ型のイオン源では、放電状態
が不安定になるという欠点があるが、これは、陰極と陰
極近傍の陽極との間で放電が不安定になることが原因に
なっている。そこで、第２の発明に示すように陰極と陰
極近傍の陽極形状を工夫することにより放電の安定性が
得られる。この場合、少なくとも陰極径を陽極内径（端
部内径）よりも小さくすることが必要であり、望ましく
は、陰極径を陽極端内径の８０〜８５％程度とする。こ
れにより、放電室に生成されるプラズマの水平方向の境
界が陽極壁の内径より小さくなり、プラズマが陽極壁に
おいて消失する確率を少なくする。すなわち、高密度プ
ラズマ生成が促進される。また、陰極の径と陰極間距離
との間にも、イオン生成量において相関関係があり、実
験に供したサイクロトロンの磁場強度（約１．４Ｗｂ）
においては両者の比を約1：７とすることにより、イオ
ン生成量を増大させることができる。これは放電室に生
成されるプラズマの最適な空間形状は、磁場強度に依存
し、最適な形状において高密度プラズマが得られ、イオ
ン生成量が増すためと考えられる。

【００１１】さらに、陰極の先端部形状は、先端側ほど
小径となるテーパー形状を有しているとともに、陰極先
端部に近接する陽極端部が内側ほど内径が減少するテー
パー形状とするのが望ましい。上記テーパー形状には、
径の減少率が一定で側面が傾斜した平面になるものは勿
論のこと、曲面をなすものも含まれる。特に陰極先端部
は、上記に従って球面形状とするのが望ましい。これら
形状の選定により、陰極と陽極端部とがほぼ同間隔で対
面することになり、陰極と陰極近傍の陽極との間の電場
が一様となるので局所的な放電の発生がなくなる。一方
において、アーク放電は、筒状陽極壁の中心軸方向に発
生し、その軸および軸の回りでの高密度プラズマ生成を
促進する。すなわちプラズマが陽極壁において消失する
確率が少なくなり放電開始の容易性、放電の安定性（経
時変化が少なくなる）が得られる。

【００１２】また、使用ガス量を低減して、サイクロト
ロンの真空度をできるだけ悪化させないために、第３の
発明に示すように、取り出し口以外からのガスのリーク
を減らす気密構造とするのが有効である。これにより、
漏れたガスによってイオンビームが不安定になったり、
イオン量が減少するのを防止できる。また、放電室を含
む空間のガス圧力およびガス量が一定に保たれるので、
放電が安定する。また、気密構造とすることにより、第
１の発明に示す低電子温度領域にも安定してガスが供給
され、前述した低電子温度領域における解離性付着反応
を発生せしむるために必要な励起水素分子（Ｈ_２ ^＊）の
生成に寄与し、従って、負イオンの生成を促進する。

【００１３】また、ＰＩＧ型イオン源では、前述したよ
うに初期作動時を除いて、陰極へのイオンの衝撃による
熱電子放出を利用するため、陰極には、イオン衝撃によ
ってスパッタリングされにくい材質とする必要があり、
従来は、タングステン、タンタル、モリブデン等が使わ
れている。しかし、これら材料は使用温度が高いため、
冷却手段への負担が大きく、また寿命の点でも問題があ
る。そこで、陰極としては第４の発明に示すように、仕
事関数が小さく、熱電子放出特性に優れたＬａＢ_６セラ
ミック焼結体を採用するのが望ましい。この素材は仕事
関数が小さいことから、使用温度が低く、蒸発による消
耗を低く抑えることができる（表１）。そのため陰極の
長寿命化が可能となる。またタングステン、タンタル、
モリブデン等の高融点金属の熱陰極と比較して、アーク
放電電圧が低くなるため、消費電力を小さくでき、冷却
も容易になることからイオン源の小型化も可能となる。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の一実施形態の負
イオン源を説明する。上下方向に所定の間隔を有するよ
うにイオン源支持材１、１が配置されており、該イオン
源支持材１、１の先端部間に挟持されるように陽極部材
２が取り付けられている。該陽極部材２には放電室３と
して、上下方向に貫通する筒孔が形成されており、該放
電室３を囲む周囲壁部が陽極４に割り当てられている。
また、放電室３の両端側には、放電室３と同軸にＬａＢ
_６焼結体からなる陰極５、５が互いに対向するように配
置されており、該陰極５、５は、陽極４との絶縁性を確
保するために絶縁材６を介在させて陽極部材２に固定さ
れており、この絶縁材６によって、陰極５が露出してい
る空間と放電室３とからなる空間が気密にされている。
なお、陰極５、５はその基部が陽極４の内径よりも小径
（径：６ｍｍ）の円柱形状に形成されており、先端部５
ａは、先端側が小径となるように半球形状とされてい
る。一方、陽極４の内面は、陰極５の基部の周囲では、
陰極５外周壁と一定の間隔を有するように同一の径で形
成されており、陰極５の先端部の周囲の陽極端部４ａで
は、内側に向かうに従って径が一定の比率で減少するテ
ーパー面形状を有しており、さらにその内側は一定の内
径（径：７ｍｍ）を有している。なお、陰極５、５は、
電力導入端子１１、１１等を介して図示しない直流電源
の負極性出力に接続され、陽極４は、その電源の正極性
（アース）に接続される。

【００１６】また、放電室３の先端側中央部の陽極４に
は、陽極壁が先端側に窪んだ凹部７が２ｍｍの深さで形
成されており、該凹部７の先端側には陽極部材２の外部
に開口するスリット状のイオン取り出し口１０が形成さ
れている。さらに、陽極部材２には、水冷管１３が埋設
されており、該水冷管１３は、外部の冷却水供給源（図
示しない）に接続されている。また、陽極部材２には、
外部のガス供給源（図示しない）に接続されたガス管１
４が埋設されており、該ガス管１４は、陽極４の内壁面
に開口して放電室３に連通している。

【００１７】以下に上記イオン源の動作について説明す
る。陽極部材２を水冷管１３により冷却しつつ、ガス管
１４から放電室３内にガスを供給し、陽極４と陰極５、
５間に高電圧の放電開始電圧を加えて放電を開始する。
この放電により放電室３内でガスがイオン化し、このイ
オンが陰極５、５に衝突することにより熱電子が放出さ
れて、放電室３内でガスがプラズマ化される。なお、陰
極５の先端部と、陽極４の端部とは、その対向面がほぼ
沿った形状を有しており、安定した放電がなされる。ま
た、アーク放電は、筒状陽極壁の中心軸方向に発生し、
その軸および軸の回りでの高密度プラズマ生成を促進す
る。すなわち、放電が一様になされ、一層放電の安定性
が得られる。上記放電室３では、高い電子温度での放電
が生じており、高密度のプラズマが生じている。一方、
陽極２に設けられた凹部７では、陰極５との直接の対面
がなく、低い電子温度での放電領域を形成している。こ
の領域では解離性付着反応が促進され、特に負イオンが
多く生成される。上記イオン源で生成された負イオンを
取り出し口１０を通して放電室３外部に引き出す場合に
は、引き出された負イオンは図示しない加速電極により
加速箱内で加速され、ストリッピングフォイルとの衝突
等を経てターゲットに照射される。

【００１８】上記内部負イオン源によれば、イオンを十
分にかつ安定して供給することができ、例えば、Ｈ⁻、
Ｄ⁻の負イオン粒子を安定して製造することができる。
例えば、図３、図４に示すように、適切なアーク電流を
設定することにより、Ｈ⁻で１９０μＡ、Ｄ⁻で７０μ
Ａの十分な量のイオンビームを得ることができ、医療用
サイクロトロンとして必要十分な性能が得られる。ま
た、放電室が気密な空間に置かれるので、ガスの使用量
が少なくてすみ、例えば、Ｈ⁻、Ｄ⁻の生成に際して
は、５ＣＣ／分程度の原料ガスを供給することにより所
望のイオンを発生させることができる。このため、加速
箱へのガスの漏れも極めて小さく、加速中のビームを著
しく減少させたり、内部の放射化を招くなどして真空度
を悪化させることがない。また、アーク放電特性が安定
しており、ビーム立ち上げ時および長時間運転において
も優れた放電安定性が得られる。また、放電の安定性、
材質の選定から陰極の耐久性も大幅に向上しており、そ
の寿命は２００時間を優に超えている。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のサイクロ
トロン用イオン源によれば、放電室からイオン取り出し
口に至る間の陽極壁部に、低電子温度領域用凹部を形成
したので、解離性付着反応が促進され、イオンの生成量
が増大する。また、陰極径を陽極内径よりも小さくし、
かつ陰極先端部を先端側ほど小径となるテーパー形状に
するとともに、陰極先端部に近接する陽極端部を中側ほ
ど内径が減少するテーパー形状にすれば、陰極と陰極近
傍の陽極との間の電場が一様となるので、局所的な放電
の発生がなくなる、またアーク放電は、筒状陽極壁の中
心軸方向に発生し、その軸および軸の回りでの高密度プ
ラズマ生成が促進される。すなわちプラズマが陽極壁に
おいて消失する確率が少なくなり、放電が安定し、十分
な量で安定したイオンを発生させることができる。さら
に、２つの陰極を放電室を含む密閉空間内に配置すれ
ば、放電室が気密になり、イオン源外部に漏れるガス量
を極力少なくでき、すなはち、イオンビーム加速中にお
いて、残留ガスとの衝突により損失するビームは低減さ
れ、安定したイオンビームが得られるとともに、第１の
発明との組み合わせでは、凹部に確実かつ安定してガス
を供給することができるので、凹部における解離性付着
反応を発生せしむるために必要な励起水素分子
（Ｈ_２ ^＊）の生成に寄与し、従って十分な量の負イオン
が安定して得られる。また、陰極をＬａＢ_６焼結体で構
成すれば、アーク放電電圧が低くなるため、より低い電
力での放電が可能でかつ使用温度が低いため、冷却手段
への負担が軽減できるとともに耐久性が大幅に向上する
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態におけるイオン源の断面
図である。

【図２】同じく拡大断面図である。

【図３】同じくＨ⁻イオン生成量を示すグラフであ
る。

【図４】同じくＤ⁻イオン生成量を示すグラフであ
る。

【図５】陽極に設けた凹部の深さ変化におけるガス量
とイオン生成量との関係を示すグラフである。

【図６】従来のサイクロトロンを示す概略斜視図であ
る。

【図７】同じくＰＩＧ型イオン源の拡大断面図であ
る。

【図８】図７のＶIII−ＶIII線断面図である。

【図９】図７のIＸ−IＸ線断面図である。

【符号の説明】

２陽極部材３放電室４陽極４ａ陽極端部５陰極５ａ陰極先端部７凹部１０イオン取り出し口１３水冷管１４ガス管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤庸夫東京都府中市日鋼町１番１株式会社日本製鋼所内 (72)発明者沢山一英北海道室蘭市茶津町４番地株式会社日本製鋼所内Ｆターム(参考） 2G085 AA11 BA02 BB20 BE10 CA01 CA11 EA01 5C030 DD03 DE01 DG01 DG09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒状の陽極と、該陽極内空間で構成され
る放電室と、前記放電室の両端側に配置された２つの陰
極と、放電室から外部にイオンを取り出すべく前記陽極
に形成されたイオン取り出し口とを有するサイクロトロ
ン用内部負イオン源において、放電室からイオン取り出
し口に至る間の陽極壁部に、低電子温度領域用凹部が形
成されていることを特徴とするサイクロトロン用内部負
イオン源
【請求項２】筒状の陽極と、該陽極内空間で構成され
る放電室と、前記放電室の両端側に配置された２つの陰
極と、放電室から外部にイオンを取り出すべく前記陽極
に形成されたイオン取り出し口とを有するサイクロトロ
ン用内部負イオン源において、陰極径が陽極内径よりも
小さく、かつ陰極先端部が先端側ほど小径となるテーパ
ー形状を有しているとともに、陰極先端部に近接する陽
極端部が中側ほど内径が減少するテーパー形状を有して
いることを特徴とするサイクロトロン用内部負イオン源
【請求項３】筒状の陽極と、該陽極内空間で構成され
る放電室と、前記放電室の両端側に配置された２つの陰
極と、放電室から外部にイオンを取り出すべく前記陽極
に形成されたイオン取り出し口とを有するサイクロトロ
ン用内部負イオン源において、２つの陰極は放電室を含
む密閉空間内に配置されていることを特徴とするサイク
ロトロン用内部負イオン源
【請求項４】陰極がＬａＢ_６焼結体からなることを特
徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のサイクロトロ
ン用内部負イオン源