JP2000331794A - イオン源用プラズマチェンバ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却水路を薄くすることにより、プラズマチ
ェンバを薄く作り、イオン源をコンパクト化すると共
に、冷却効率を高めて、六極永久磁石等の半径方向磁場
を有効利用可能とする。 【解決手段】 プラズマ生成用空間を形成する内筒５２
の外周面、又は、該内筒５２の外側に嵌合される外筒５
４の内周面の少なくともいずれか一方に、先端側でつな
がれた二条ねじ状の浅く広い溝５２Ｇを形成し、フラン
ジ５６から、該溝５２Ｇに冷却水を送入し、排出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温のプラズマを
封じ込めて、イオンを発生させるためのイオン源用プラ
ズマチェンバに係り、特に、イオン源をコンパクトに構
成すると共に、冷却効率を高めて、六極（永久）磁石等
の半径方向磁場を有効利用可能なイオン源用プラズマチ
ェンバに関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平９−１６１６８８に記載されてい
る、重粒子線癌治療装置等に用いられている電子サイク
ロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源の一例の構成を図１に
示す。図において、１０は、円筒形状のヨーク、１２
は、該ヨーク１０内の左右に設けられた、ミラー磁界を
発生させるミラー磁石、１４は、該ミラー磁石１２の間
に設けられ、隣接したＮ極とＳ極とが交互に配設され、
カスプ磁界を発生させるカスプ磁石としての六極（永
久）磁石、１６は、該六極磁石１４の内部に形成された
プラズマチェンバであり、このプラズマチェンバ１６内
では、ミラー磁界とカスプ磁界で形成された合成磁場に
よりプラズマが閉じ込められる。

【０００３】３０は、ＥＣＲイオン源の中心軸線ＣＬ上
に配設され、プラズマチェンバ１６内に材料ガスを供給
するガス導入管、３２は、該ガス導入管２０内のガスに
照射するマイクロ波を供給する導波管、３４は、プラズ
マチェンバ１６の壁面を形成するスクリーン電極、３６
は、該スクリーン電極３４と同一軸線上に配設され、グ
ランドレベルの電位が保持されている引出し電極であ
る。

【０００４】このような構成のＥＣＲイオン源では、ミ
ラー磁石１２のミラー磁界により位置決めされるＥＣＲ
磁場である、破線で示した第１段ＥＣＲゾーン４０を通
るガス導入管３０中のガスに、導波管３２からのマイク
ロ波が作用すると、電子を加速させるマイクロ波の周波
数とミラー磁石１２のミラー磁界による電子の回転周期
が一致したとき、電子はサイクロトロン共鳴し、ミラー
磁界の磁束の周りを回転しながら加速される。こうし
て、ＥＣＲ加速された電子は、ガス導入管３０中のガス
分子や原子に衝突すると、ガスの電離が生じ、プラズマ
化して、電子とプラスイオンが生成される。このうち、
プラスイオンは質量が大きく、多くはガス導入管３０内
に停滞するが、電子はミラー磁界の磁束に沿ってプラズ
マチェンバ１６内に拡散する。

【０００５】一方、ガス導入管３０から供給された電子
は、プラズマチェンバ１６内で、導波管３２からのマイ
クロ波と、六極磁石１４及びミラー磁石１２の合成磁界
とでＥＣＲ加速され、その電子は、プラズマチェンバ１
６内に導入された、電離されていないガスと衝突して、
プラズマ化した電子とプラスイオンとが生成され、又、
プラスイオンに衝突して逐次電離により多価イオンが生
成される。電子のＥＣＲ加速は、六極磁石１４とミラー
磁石１２との合成磁界により形成された、密閉した中空
円筒状の第２段ＥＣＲゾーン４２で行われ、この第２段
ＥＣＲゾーン４２では、電子が高エネルギとなる。従っ
て、この第２段ＥＣＲゾーン４２で電子とガスとが衝突
したときには、電離衝突する頻度が最も高く、プラズマ
イオンは多く生成される。このため、プラズマチェンバ
１６では、第２段ＥＣＲゾーン４２の中心軸線をイオン
ピークとする電子ポテンシャル分布が生じ、第２段ＥＣ
Ｒゾーン４２で生じたプラスイオンは、第２段ＥＣＲゾ
ーン４２の中心軸線上に最も多く閉じ込められる。

【０００６】この第２段ＥＣＲゾーン４２の中心軸線上
に閉じ込められたプラスイオンに、第２段ＥＣＲゾーン
４２でＥＣＲ加速された高エネルギの電子が衝突を繰り
返すことで、逐次電離による多価イオンの生成が行われ
る。この多価イオンは、プラズマチェンバ１６及び六極
磁石１４がプラス極性の高電圧に保持され、引出し電極
３６がグランドレベルの電位に保持されているので、六
極磁石１４及びプラズマチェンバ１６と、引出し電極３
６との間の電界の作用で、プラズマチェンバ１６から引
出し電極３６を通って外部に引き出される。

【０００７】このようにＥＣＲイオン源では、プラズマ
チェンバ１６内に高温のプラズマを封じ込め、そこから
イオンを発生させる。しかしながら、プラズマチェンバ
１６外の六極永久磁石１４は、高温に晒されると減磁し
てしまうため、チェンバ１６を冷却する必要があり、一
般的には冷却水による水冷が行われている。

【０００８】従来の冷却水通路は、例えば、図２（プラ
ズマチェンバの縦断面図）、図３（図２のIII−III線に
沿う横断面図）、図４（同じくIV−IV線に沿う横断面
図）及び図５（同じくV−V線に沿う横断面図）に示す如
く、先端側円筒１８の厚肉部１８Ａの壁厚み内に軸方向
に形成した、断面が円形の冷却水路１８Ｈと、フランジ
側円筒２０の外側の軸方向に、例えば銀ろう付けにより
固定した冷却水管２２を設け、例えば先端リング２４に
周方向に形成した冷却水路２４Ｈと、中継リング２６に
周方向に形成した冷却水路２６Ｈにより連結していた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
プラズマチェンバでは、冷却水路が、図６に展開図を示
すように、粗い網の目状に配置されるため、水路と水路
の間は十分に冷却することができず、高温になってしま
うことがある。又、水路の断面形状が円形でしか加工で
きないため、特に先端側円筒１８の厚さが厚くなってし
まい、プラズマチェンバを薄く作ることができないとい
う問題点を有していた。

【００１０】本発明は、前記従来の問題点を解決するべ
くなされたもので、冷却水路を薄くすることによって、
プラズマチェンバを薄く作り、イオン源をコンパクト化
すると共に、冷却効率を高めて、六極（永久）磁石等の
半径方向磁場を有効利用することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、高温のプラズ
マを封じ込めて、イオンを発生させるためのイオン源用
プラズマチェンバにおいて、プラズマ生成用空間を形成
する内筒と、該内筒の外側に嵌合される外筒と、前記内
筒の外周面、又は、外筒の内周面の少なくともいずれか
一方に形成された、先端側でつながれた二条ねじ状の浅
く広い溝と、該溝に冷却水を送入し、排出するための開
口が形成されたフランジとを備えることにより、前記課
題を解決したものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。

【００１３】本実施形態は、図７（縦断面図）、図８
（図７のVIII部拡大断面図）、図９（同じくIX部拡大断
面図）、図１０（右側面図）及び図１１（図１０のXI部
拡大断面図）に示す如く、プラズマチェンバ５０を、プ
ラズマ生成用空間を形成する薄い円筒状の内筒５２と、
該内筒の外側に嵌合される、薄い円筒状の外筒５４と、
前記内筒５２の外周面に切られた、先端側でつながれた
二条ねじ状の広く浅い溝５２Ｇと、該溝５２Ｇに冷却水
を送入し、排出するための冷却水路５６Ｈが放射状に形
成されたフランジ５６とを用いて構成したものである。

【００１４】前記外筒５４は、前記内筒５２の溝５２Ｇ
に蓋をするように被せられ、溝５２Ｇ間の凸部分に沿っ
て電子ビーム溶接等で固定されている。

【００１５】前記フランジ５６は、内筒５２に、フラン
ジの冷却水路５６Ｈが溝５２Ｇと合うように固定されて
いる。

【００１６】本実施形態における冷却水路の配置を図１
２の展開図に示す。

【００１７】冷却水は、図１３に示す如く、フランジ５
６の片側の孔から入り、内筒５２の二条ねじ状の溝５２
Ｇの片側に入り、先端方向へ流れていく。先端部分では
溝がつながれているため、ここでもう片方の溝へ流れ込
み、こうして、入側の溝とは逆方向へ流れた冷却水は、
フランジ５６の出側の孔から出てくる。

【００１８】本実施形態においては、溝を内筒５２の外
周面に形成していたので、加工が容易である。なお、溝
を形成する面はこれに限定されず、例えば外筒５４の内
周面に形成したり、あるいは、内筒５２の外周面と外筒
５４の内周面の両者に形成することも可能である。

【００１９】前記実施形態においては、本発明が、ＥＣ
Ｒイオン源のプラズマチェンバに用いられていたが、本
発明の適用範囲はこれに限定されない。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、冷却水路を薄く構成す
ることができ、プラズマチェンバを薄く作って、イオン
源をコンパクトにできる。更に、冷却水路を広くし、プ
ラズマチェンバ内にほぼ一様に配置することにより、チ
ェンバ内を均一に冷却し、六極磁石等の熱による減磁を
防止することができる。

【００２１】又、プラズマチェンバを薄くすることによ
り、六極磁石の表面近くを使用することができる。この
ため、六極磁石の表面近くの強い磁場を活用して、プラ
ズマを有効に封じ込め、プラズマによるチェンバ内壁の
損傷を減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＥＣＲイオン源の全体構成の例を示す断
面図

【図２】ＥＣＲイオン源で用いられているプラズマチェ
ンバの構成例を示す縦断面図

【図３】図２のIII−III線に沿う横断面図

【図４】同じくIV−IV線に沿う横断面図

【図５】同じくV−V線に沿う横断面図

【図６】同じく冷却水路を示す展開図

【図７】本発明の実施形態の構成を示す縦断面図

【図８】図７のVIII部拡大断面図

【図９】同じくIX部拡大断面図

【図１０】前記実施形態の右側面図

【図１１】図１０のXI部拡大断面図

【図１２】前記実施形態の冷却水路を示す展開図

【図１３】同じく冷却水が流れている状態を示す断面図

【符号の説明】

１４…六極（永久）磁石 １６、５０…プラズマチェンバ ５２…内筒 ５２Ｇ…溝 ５４…外筒 ５６…フランジ ５６Ｈ…冷却水路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温のプラズマを封じ込めて、イオンを発
   生させるためのイオン源用プラズマチェンバにおいて、 プラズマ生成用空間を形成する内筒と、 該内筒の外側に嵌合される外筒と、 前記内筒の外周面、又は、外筒の内周面の少なくともい
   ずれか一方に形成された、先端側でつながれた二条ねじ
   状の浅く広い溝と、 該溝に冷却水を送入し、排出するための開口が形成され
   たフランジと、 を備えたことを特徴とするイオン源用プラズマチェン
   バ。