JP2004281200A

JP2004281200A - 永久磁石型ｅｃｒイオン源

Info

Publication number: JP2004281200A
Application number: JP2003070051A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Hattori; 俊幸服部; Noriyori Hayashizaki; 規託林崎; Daisuke Nagae; 大輔長江; Toshihiro Nishida; 敏洋西田; Hidekazu Yokoo; 秀和横尾; Tsutomu Nishibashi; 勉西橋
Original assignee: Rikogaku Shinkokai
Current assignee: Rikogaku Shinkokai
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】小型省電力、簡易型が可能な実用的ＥＣＲイオン源を提供する。
【解決手段】プラズマチェンバー１２と、このプラズマチェンバー１２周囲に設けられる永久磁石１６と、高周波電力を供給する高周波電源１８とを備え、永久磁石１６がプラズマチェンバー１２内に発生するミラー磁場内の電子を高周波電源１８から供給される高周波電力により加速して、中性原子或いはイオンから順次電子を剥ぎ取り、多価のイオンを生成するようにした永久磁石型ＥＣＲイオン源１０において、永久磁石１６の側面に所定形状の切り欠き部１６ａを設けることにより、ＥＣＲ磁場に対して発生する逆転磁場の強度を低減するように構成した。
この場合、切り欠き部１６ａに高透磁率材料１５を挿着した構成とすると、逆転磁場の抑制に更に効果的である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン加速器の多価イオンソースとなるＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｒｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）イオン源に係り、特に、永久磁石リングを用いてミラー磁場を発生する永久磁石型ＥＣＲイオン源の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＥＣＲイオン源は、１９６０年代に、フランスのグルノーブル研究所のジェラー氏により発明された、電子サイクロトロン共鳴により高温電子を発生させて、中性元素を多価イオン化するイオン源である。
【０００３】
ＥＣＲイオン源は、軸方向に２つのミラー磁場と半径方向に多極磁場を生成して、高温電子閉じ込めを行い、高周波電力を供給して、高強度の多価イオンを発生できる特徴がある。
現在、数多くの大型サイクロトロンのイオン源として利用され始めている。
【０００４】
このＥＣＲイオン源の特徴は、供給する高周波電力の周波数に対応して、ＥＣＲ磁場中において、供給される高周波電場とのサイクロトロン共鳴により加速される高温（高エネルギー）の電子が生成することである。
この高エネルギーの電子が、イオンや原子と衝突して、これらのイオンや原子中の電子を徐々に剥がして行き、多価イオンを生成する。
【０００５】
次に、特許文献１に示すような、常伝導コイルによるＥＣＲイオン源の構成と基本動作について、図６を用いて説明する。
図６は、一般的常伝導コイルによるＥＣＲイオン源の構成を示す断面図である。
【０００６】
図６に示すように、この型のＥＣＲイオン源１００は、主要構成として、プラズマチェンバー１０２、イオン引き出し電極１０４、伝導型ソレノイドコイル１０６、導波管１０７、高周波電源１０８を備えている。
【０００７】
伝導型ソレノイドコイル１０６は、プラズマチェンバー１０２内にミラー磁場を生成する。
電子が、軸方向のミラー磁場と、半径方向の６極磁場によって生成されたＥＣＲ磁場面に囲まれたラクビーボール状のＥＣＲゾーン１０１の中に閉じ込められ、高周波電源１０８から、導波管１０７を経て供給されたマイクロ波で、サイクロトロン共鳴により加速される高温の電子が、そのラクビーボール状のＥＣＲゾーン１０１の中にある中性元素をイオン化し、或いは、イオンを更に多価のイオンにする。
【０００８】
プラズマチェンバー１０２内のイオンは、イオン引き出し電極１０４により引き出され、イオン加速器等の他のデバイス（図示せず）のイオンソースに供される。
【０００９】
常伝導コイルによるＥＣＲイオン源１００の特徴は、電子及びイオンの閉じ込めが良いこと、及び、電子温度が高いことから、Ｘｅ^＋３０やＡｒ^＋７等の多価イオンを、高強度で生成することである。
【００１０】
しかし、常伝導型ソレノイドコイルは１００ｋＷ前後の電力と冷却システムとを高電圧ターミナルへ搭載する必要があるため、実用機としては、大型化と、運転コストが増大するという問題があった。
そこで、ミラー磁場を発生する伝導型ソレノイドコイルの代わりに、特許文献２に示すように、永久磁石を用いる装置が実用化された。
【００１１】
この永久磁石型ＥＣＲイオン源について、図７を用いて説明する。
図７は、永久磁石型ＥＣＲイオン源の構成を示す断面図である。
【００１２】
図７に示すように、この型のＥＣＲイオン源１１０は、主要構成として、プラズマチェンバー１１２、イオン引き出し電極１１４、リング状の永久磁石１１６、導波管１１７、高周波電源１１８を備えている。
ＥＣＲ磁場を発生する伝導型ソレノイドコイルの代わりに、リング状の永久磁石１１６を用いるのが特徴である。
【００１３】
【特許文献１】
特開平５−３０４１１１号公報
【特許文献２】
特開平６−３３３５２３号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の永久磁石型ＥＣＲイオン源では、多価イオンを生成するＥＣＲゾーンをつくるためのＥＣＲ磁場に対して、ほぼ同じ磁場強度の逆転磁場も発生するという問題があった。
【００１５】
この逆転磁場について、図８を用いて説明する。
図８は、従来の永久磁石型ＥＣＲイオン源において、リング状の永久磁石が作り出す磁束の流れを示す上半分縦断側面図、及び、それに対応する磁場の強度を示す特性図である。
なお、磁場計算は「ポアソン」と呼ばれる磁場計算プログラムを用いている。
【００１６】
図８の磁束の流れ図において、縦軸及び横軸は原点からの距離、同じく磁場強度の特性図において、縦軸は磁場強度を示し単位はガウス、横軸は原点からの距離で、単位はｃｍである。
また、同図では、永久磁石が左右非対称の場合で磁場計算を行っている。
【００１７】
図８に示すように、プラズマチェンバー内にはＥＣＲ磁場が形成されているが、原点からの距離１２ｃｍに最大となる、６０００ガウス強の逆転磁場が発生している。
この逆転磁場により、導入マイクロ波が供給される途中の導波管中でプラズマが発生するために、この導入マイクロ波が減衰することや、ＥＣＲゾーンのプラズマが不安定となる。
【００１８】
具体的には、ＥＣＲゾーンの外側に、１３．６ＧＨｚのＥＣＲ磁場である４８５０ガウスが存在する。
そのため入射した高周波電力が、その箇所で消費される。
このため永久磁石型ＥＣＲイオン源に使用する高周波電源を大きくし、かつこのロスの部分も含めて冷却する必要がある。
【００１９】
この問題のために、従来の永久磁石型ＥＣＲイオン源では、大きな高周波電源と大規模な冷却システムが必要となり、そのため小型化、簡易化、低コスト化に悪影響をもたらしていた。
【００２０】
本発明は、上記課題（問題点）を解決し、リング状の永久磁石によって生成される逆転磁場をＥＣＲ磁場以下にし、ＥＣＲプラズマが発生するのを抑え、小型省電力、簡易型が可能な実用的ＥＣＲイオン源を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源は、請求項１に記載のものでは、プラズマチェンバーと、このプラズマチェンバー周囲に設けられる永久磁石と、高周波電力を供給する高周波電源とを備え、前記永久磁石がプラズマチェンバー内に発生するＥＣＲ磁場内の電子を前記高周波電源から供給される高周波電力により加速して、中性原子或いはイオンから順次電子を剥ぎ取り、多価のイオンを生成するようにした永久磁石型ＥＣＲイオン源において、前記永久磁石の側面に所定形状の切り欠き部を設けることにより、前記ＥＣＲ磁場に対して発生する逆転磁場の強度を低減するように構成した。
【００２２】
このように構成すると、ＥＣＲプラズマが発生するのを抑え、小型省電力、簡易型が可能な実用的永久磁石型ＥＣＲイオン源とすることができる。
【００２３】
請求項２に記載の永久磁石型ＥＣＲイオン源は、前記永久磁石の側面に設ける切り欠き部の断面形状が四角形状或いは三角形状である構成とした。
【００２４】
このように構成すると、好適な形状の永久磁石を備えた永久磁石型ＥＣＲイオン源とすることができる。
【００２５】
請求項３に記載の永久磁石型ＥＣＲイオン源は、前記永久磁石の側面に設ける切り欠き部に高透磁率材料を挿着した構成とした。
【００２６】
このように構成すると、逆転磁場の抑制に更に効果的である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源の一実施の形態について、図１乃至図４を用いて説明する。
図１は、本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源の基本構成を示す側面図である。
図２は、本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源に用いる永久磁石の形状を示す側面図である。
図３は、本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源に用いる永久磁石の形状を示す正面図である。
図４は、本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源において、リング状の永久磁石が作り出す磁束の流れを示す上半分縦断側面図、及び、それに対応する磁場の強度を示す特性図である。
なお、磁場計算は、従来のもの同様、「ポアソン」と呼ばれる磁場計算プログラムを用いている。
【００２８】
先ず、本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源の基本構成について、図１を用いて説明する。
本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源１０は、主要構成として、従来のもの同様に、プラズマチェンバー１２、イオン引き出し電極１４、プラズマチェンバー１２の周囲に配される永久磁石１６、導波管１７、高周波電源１８を備えている。
【００２９】
永久磁石１６は、プラズマチェンバー１２内にＥＣＲ磁場を生成し、ＥＣＲ磁場面に囲まれたラクビーボール状のＥＣＲゾーン１１の中に閉じ込められた電子が、高周波電源１８から、導波管１７を経て供給されたマイクロ波で、サイクロトロン共鳴により加速され、多価イオンを生成し、イオン引き出し電極１４により引き出され、イオン加速器等の他のデバイスのイオンソースに供されるのは従来のものと同様である。
【００３０】
一方、本願発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源１０は、プラズマチェンバー１２の周囲に配される永久磁石１６の側面に、図２及び図３に示すような断面が四角形状で、所定長さの切り欠き部１６ａを形成し、この切り欠き部１６ａに高透磁率材料１５を挿入した点に特徴を有している。
【００３１】
このような切り欠き部１６ａを設け、この切り欠き部１６ａに高透磁率材料１５を挿入することにより、ＥＣＲ磁場に対する逆転磁場の強度が低減していることを図４を用いて説明する。
図４に示すように、従来と同様に、プラズマチェンバー内にはＥＣＲ磁場が形成されているが、原点からの距離１２ｃｍに最大となる逆転磁場の強度が、上記した従来例では６５００ガウスであったものが、本発明では４２００ガウス強に低減していることが理解される。
本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源１０では、図４から明らかなように、ＥＣＲ磁場の強度以下に、逆転磁場の磁場強度を低減することに成功している。
同図では、永久磁石が左右非対称の場合で、高透磁率材料１５に鉄を用いた場合について磁場計算を行っている。
【００３２】
また、同図に示すように、ＥＣＲ磁場の正磁場を高めることが可能となった。
更に、正、逆転磁場領域をある程度分離することができ、そのため逆転磁場発生領域をプラズマチェンバー中に作らないようにすることができるため、正磁場をそれほど減じることがないことが示されている。
【００３３】
なお、切り欠き部１６ａの形状、高透磁率材料１５の挿入に関しては、２次や３次磁場シミュレーションプログラムを駆使して、プラズマチェンバー１２内に逆転磁場が発生しないように、そして正磁場が減衰しないように、注意しながら決定する必要がある。
【００３４】
以上のように、永久磁石１６の側面に、切り欠き部１６ａを形成し、高透磁率材料１５を挿入することにより、逆転磁場強度を低減することができたために、これまで、高周波電源は２００から３００ｋＷを必要としているが、それが途中でロスすることがなく、１００ｋＷ以下の高周波電源を用いればよくなり、低電力化が可能となった。
【００３５】
また削減分の電力１００から２００ｋＷ分の冷却が必要がなくなるため、従来は、１００ｋＶから５００ｋＶの高圧ステーションに１００から２００ｋＷの電力輸送とその冷却システムが必要であったが、数ｋＷの電力で十分となった。その結果、本発明により、産業、医療への真の実用機が完成したことになる。
【００３６】
本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。
永久磁石に形成する切り欠き部の断面形状は、四角形状に限定されず、他の形状、例えば、図５に示すように、その切り欠き部２６ａの断面形状が三角形状のものでも本発明に含まれるのは勿論のことである。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源は、上述のように構成したために、以下のような優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように、永久磁石型ＥＣＲイオン源において、永久磁石の側面に所定形状の切り欠き部を設けるように構成すると、ＥＣＲプラズマが発生するのを抑え、小型省電力、簡易型が可能な実用的永久磁石型ＥＣＲイオン源とすることができる。
【００３８】
（２）請求項２に記載したように、永久磁石の側面に設ける切り欠き部の断面形状が四角形状或いは三角形状である構成とすると、好適な形状の永久磁石を備えた永久磁石型ＥＣＲイオン源とすることができる。
【００３９】
（３）請求項３に記載したように、永久磁石の側面に設ける切り欠き部に高透磁率材料を挿着した構成とすると、逆転磁場の抑制に更に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源の基本構成を示す側面図である。
【図２】本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源に用いる永久磁石の形状を示す側面図である。
【図３】本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源に用いる永久磁石の形状を示す正面図である。
【図４】本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源において、リング状の永久磁石が作り出す磁束の流れを示す上半分縦断側面図、及び、それに対応する磁場の強度を示す特性図である。
【図５】本発明の永久磁石型ＥＣＲイオン源に用いる永久磁石の他の形状を示す側面図である。
【図６】一般的常伝導コイルによるＥＣＲイオン源の構成を示す断面図である。
【図７】永久磁石型ＥＣＲイオン源の構成を示す断面図である。
【図８】従来の永久磁石型ＥＣＲイオン源において、リング状の永久磁石が作り出す磁束の流れを示す上半分縦断側面図、及び、それに対応する磁場の強度を示す特性図である。
【符号の説明】
１０：永久磁石型ＥＣＲイオン
１２：プラズマチェンバー
１５：高透磁率材料
１６：永久磁石
１６ａ：切り欠き部
１８：高周波電源

Claims

プラズマチェンバーと、このプラズマチェンバー周囲に設けられる永久磁石と、高周波電力を供給する高周波電源とを備え、前記永久磁石がプラズマチェンバー内に発生するＥＣＲ磁場内の電子を前記高周波電源から供給される高周波電力により加速して、中性原子或いはイオンから順次電子を剥ぎ取り、多価のイオンを生成するようにした永久磁石型ＥＣＲイオン源において、
前記永久磁石の側面に所定形状の切り欠き部を設けることにより、前記ＥＣＲ磁場に対して発生する逆転磁場の強度を低減するようにしたことを特徴とする永久磁石型ＥＣＲイオン源。
前記永久磁石の側面に設ける切り欠き部の断面形状が四角形状或いは三角形状であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型ＥＣＲイオン源。
前記永久磁石の側面に設ける切り欠き部に高透磁率材料を挿着したことを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石型ＥＣＲイオン源。