JP2013182685A - レーザイオン源 - Google Patents

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Abstract

【課題】真空条件を損なうことなくターゲットの補給を行うことを可能とする。
【解決手段】イオン生成真空容器110は、真空排気され、レーザ光の照射によりイオンを発生するターゲット112が輸送されて配置される。バルブ130は、イオン生成真空容器110の側面に設けられ、イオン生成真空容器110内へのターゲット112の輸送時に開き、当該輸送時以外は閉じる。ターゲット補給容器120は、バルブ130を介してイオン生成真空容器110に取り付けられ、ターゲット112を移動可能に保持し、イオン生成真空容器110とは独立して真空排気可能である。ターゲット補給容器120に保持されたターゲット112は、バルブ130を閉じた状態でターゲット補給容器が真空排気された後に、バルブ130を開いた状態でイオン生成真空容器110に輸送される。
【選択図】図1

Description

本発明は、レーザ光の照射によりイオンを発生させるレーザイオン源に関する。
近年、高エネルギーの炭素イオン照射によるがんの治療法が開発され、イオンビームを生成するイオン源を用いた治療が開始されている。
このイオン源の更なる性能向上のためには、高密度の6価の炭素イオンを生成することが不可欠である。しかしながら、例えばμ波放電プラズマを用いたイオン源では、この点で非力であるので、新たなイオン源の開発が望まれている。
そこで、高密度のイオンビームを生成する能力を有するレーザイオン源が知られている。このレーザイオン源は、所定の真空条件を満たす空間内に配置された固体ターゲットにレーザ光を集光照射し、当該レーザ光のエネルギーによってイオン化し、当該イオンを静電的に引き出してイオンビームを生成する装置である。なお、特許文献1及び2には、レーザイオン源に関する技術が開示されている。
レーザイオン源の特徴は、イオンの発生源として固体ターゲットを用いる点にある。このように固体ターゲットを用いることによって、レーザイオン源では、高密度のイオン電流を引き出すことが可能となる。
ところで、レーザイオン源を継続的に動作させる場合には、当該レーザイオン源においてイオンの発生源(つまり、固体ターゲット)を補給する必要がある。
例えば放電プラズマを用いたイオン源では、イオンの発生源としてガスを供給するだけでよい。これに対して、レーザイオン源では、イオンの発生源(つまり、固体ターゲット)の補給の都度、当該レーザイオン源を大気解放して当該固定ターゲットを補給(交換)するのが一般的である。なお、引用文献3及び4には、UV光源向けの技術であるが、ターゲットの供給に関する技術が開示されている。
特開2009−037764号公報 特許第3713524号公報 特開2008−098081号公報 特開2011−003887号公報
レーザイオン源の医療への適用を考えると、当該レーザイオン源には長時間の安定動作が要求されるため、イオンの発生源である固体ターゲット(以下、単にターゲットと表記)が配置される空間内の真空条件を損なわずに当該ターゲットの補給(交換)を行うことが求められている。
換言すれば、レーザイオン源では、真空条件を大きく損ねることのない連続的なターゲットの補給方法を確立することが重要である。
しかしながら、上記したようにターゲットの補給の度に当該レーザイオン源を大気解放すると、当該ターゲットが配置される空間内の真空条件が損なわれてしまう。
したがって、レーザイオン源においては、ターゲットを補給するための特別な工夫が必要である。
そこで、本発明の目的は、真空条件を損なうことなくターゲットの補給を行うことが可能なレーザイオン源を提供することにある。
本発明の1つの態様によれば、真空排気され、レーザ光の照射によりイオンを発生するターゲットが輸送されて配置される真空容器と、前記真空容器の側面に設けられ、前記真空容器内へのターゲットの輸送時に開き、前記輸送時以外は閉じるバルブと、前記バルブを介して真空容器に取り付けられ、前記ターゲットを移動可能に保持し、前記真空容器とは独立して真空排気可能なターゲット補給容器と、前記バルブを閉じた状態で前記ターゲット補給容器が真空排気された後に、前記バルブを開いた状態で前記ターゲット補給容器に保持されたターゲットを前記真空容器に輸送する輸送手段とを具備することを特徴とするレーザイオン源が提供される。
本発明は、真空条件を損なうことなくターゲットの補給を行うことを可能とする。
本発明の第1の実施形態に係るレーザイオン源の概略構成を示す見取り図。 本実施形態に係るレーザイオン源においてターゲットを補給する際の動作について説明するための側面図。 本発明の第2の実施形態に係るレーザイオン源においてターゲットを補給する際の動作について説明するための側面図。 補給用ターゲット及びガイドレールの組み合わせの一例を示す断面図。 補給用ターゲット及びガイドレールの組み合わせの一例を示す断面図。 補給用ターゲット及びガイドレールの組み合わせの一例を示す断面図。 補給用ターゲット及びガイドレールの組み合わせの一例を示す断面図。 補給用ターゲット及びガイドレールの組み合わせの一例を示す断面図。 本発明の第3の実施形態に係るレーザイオン源に用いられるターゲットホルダ及び輸送棒の一例を示す見取り図。 本発明の第4の実施形態に係るレーザイオン源に用いられるターゲットを固定する固定機構の一例を示す概略図。
以下、図面を参照して、本発明の各実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るレーザイオン源の概略構成を示す見取り図である。
図1に示すレーザイオン源100は、イオン生成真空容器110、ターゲット補給容器120及びバルブ(ゲートバルブ)130を備える。
イオン生成真空容器110内には、ターゲット移動装置111が備えられている。ターゲット移動装置111上には、イオンとなる元素を含有するターゲット112が輸送されて配置される。ターゲット移動装置111は、ターゲット112に対するレーザ光の照射位置を変更するように当該ターゲット112を移動させる機能を有する。なお、ターゲット112は、例えばカーボン系の板状部材である。
なお、図1においては省略されているが、イオン生成真空容器110には、レーザ光200をターゲット112の表面に集光する光学系、生成されたイオンを加速させる加速電極及びイオン生成真空容器110内を真空排気するための排気系が備えられている。
ターゲット補給容器120は、バルブ130を介して、イオン生成真空容器110に取り付けられる。ターゲット補給容器120は、排気系(図示せず)によって、イオン生成真空容器110と独立して真空排気可能である。
バルブ130は、イオン生成真空容器110の一部(側面)に設けられ、当該イオン生成真空容器110とターゲット補給容器120との間で流路を開閉する機能を有する。バルブ130は、例えばイオン生成真空容器110内へのターゲットの輸送時に開き、当該輸送時以外は閉じられる。なお、バルブ130では、例えば真空遮断弁によって開閉が行われる。
上記したレーザイオン源100によれば、レーザ光200をターゲット112に集光照射して当該レーザ光のエネルギーによってイオン300を発生し、当該イオン300を静電的に引き出してイオンビームが生成される。
具体的には、レーザイオン源100においては、イオン生成真空容器110内に配置されたターゲット112に対してレーザ光200が集光照射されることにより、当該レーザ光が集光照射された点(以下、照射点と表記)では、ターゲット112の微小部分が高温に熱せられ、プラズマ化し、空間に向かって放出される。このプラズマ中のイオンがレーザ光200からもエネルギーを受け取ることによって、多価イオンが生成される。レーザイオン源100においては、このように生成されたイオン300が上記した加速電極で加速されて、高エネルギーイオンビームとして引き出される。
なお、ターゲット112には高エネルギーのレーザ光200が集光照射されるため、1回のレーザ照射でターゲット112の表面にはクレータができる。レーザイオン源100におけるイオン生成の安定化のためには、レーザ光200の集光照射の都度、ターゲット112の新しい面にレーザ光200を照射することが好ましい。このため、レーザイオン源100では、上記したターゲット移動装置111により、使用済みの照射点(レーザ光200が集光照射された点)を避けるようにターゲット112を少しずつ移動させることができる。
また、ターゲット112に対してレーザ光200を集光照射した際に噴出するアブレーションプルームの中心は、照射点(照射面)の法線方向である。つまり、レーザ光200の照射点におけるターゲット112の面は、照射点から立てた法線がレーザイオン源100において機械的に決定された軸方向(イオン300を発生させる方向)に一致するように配置(設定)される。以下、レーザイオン源100において機械的に決定された軸をイオン軸と称する。
上記したようにターゲット移動装置111によって少しずつ移動させることによって例えばターゲット112の全ての表面に対してレーザ光200が照射された場合、イオン生成真空容器110内(のターゲット移動装置111上)に配置されたターゲット112を交換する(つまり、新しいターゲット112を補給する)必要がある。
以下、図2を参照して、本実施形態に係るレーザイオン源100においてターゲット112を補給する際の動作について説明する。なお、図2は、図1に示すレーザイオン源100をイオン300の発生(放出)方向から示した側面図である。なお、図2においては、レーザ光200の輸送系及びイオンの加速電極等については省略されている。
ここでは、イオン生成真空容器110内に配置されたターゲット112aの全ての面がレーザ光200によって集光照射された場合(つまり、ターゲット112aの交換が必要な場合)を想定する。この場合、イオン生成真空容器110内は、当該イオン生成真空容器110に備えられている真空排気装置140によって真空排気されているものとする。また、バルブ130は閉じられた状態(以下、閉状態と表記)であるものとする。
以下、交換される使用済みのターゲット112aを使用済みターゲット112aと称する。
この場合、ターゲット補給容器120は、当該ターゲット補給容器120に備えられた真空排気装置150によって真空排気される。
次に、イオン生成真空容器110とターゲット補給容器120とを接続するバルブ130を開いた状態(以下、開状態と表記)とした後、イオン生成真空容器110内に配置されている使用済みターゲット112aは、例えばターゲット補給容器120からイオン生成真空容器110に挿入された輸送棒によって、当該ターゲット補給容器120まで引き出される。
その後、バルブ130を閉状態とし、ターゲット補給容器120が大気解放される。ターゲット補給容器120まで引き出された使用済みターゲット112aは、イオン生成真空容器110内に新たに補給されるターゲット(以下、補給用ターゲットと表記)112bと交換される。これにより、ターゲット補給容器120内には、補給用ターゲット112bが移動可能に保持(配置)される。この補給用ターゲット112bには、輸送棒(棒状部材)121の先端が取り付けられている。また、輸送棒121の他端には、補給用ターゲット112bをイオン生成真空容器110に輸送するためのターゲット輸送装置160が接続されている。
なお、上記したようにバルブ130は閉状態であるので、このように補給用ターゲット112bがターゲット補給容器120に配置される作業の間であっても、イオン生成真空容器110の内部では真空排気された状態が維持される。
上記したように補給用ターゲット112bがターゲット補給容器120に配置された場合、ターゲット補給容器120は、上記した真空排気装置150によって真空排気される。
次に、真空排気装置150の真空排気によってターゲット補給容器120の内部の圧力がイオン生成真空容器110の内部の圧力以下になった時点でバルブ130を開状態として、補給用ターゲット112bがターゲット輸送装置160及び輸送棒121によりイオン生成真空容器110内に輸送される。
ここで、イオン生成真空容器110には上述したようにターゲット移動装置111が備えられており、当該ターゲット移動装置111には、ターゲット移動台113が設置されている。
イオン生成真空容器110に輸送された補給用ターゲット112bは、ターゲット移動台113に固定され、照射点(照射面)の法線方向が上記したイオン軸方向に一致するようにターゲット移動装置111によって精度よく移動される。
つまり、本実施形態に係るレーザイオン源100において補給用ターゲット112bを補給する際には、イオン生成真空容器110及びターゲット補給容器120が真空排気された状態でバルブ130が閉状態とされ、ターゲット補給容器120のみを大気解放する。補給用ターゲット112bがターゲット補給容器120に配置されると、再び、ターゲット補給容器120が真空排気された後、バルブ130を開状態とし、補給用ターゲット112bがイオン生成真空容器110内に輸送される。これにより、イオン生成真空容器110を大気解放することなく、補給用ターゲット112bをイオン生成真空容器110に補給することができる。
なお、イオン生成真空容器110に備えられるターゲット移動装置111は、例えば電動アクチュエータを含む。イオン生成真空容器110内に電動アクチュエータのモータを設置する場合は、当該イオン生成真空容器110の外部から電力が供給され、当該モータの回転が制御(コントロール)される。また、イオン生成真空容器110に設置されたターゲット112(の面)は、上記したレーザイオン源100において機械的に決定されているイオン軸に垂直な面内にあればよく、ターゲット移動装置111による当該ターゲットの112の移動方向は1方向であってもよいし2方向であってもよい。
更に、ターゲット112の移動は、イオン生成真空容器110の外部から操作可能な直線導入機によって行われてもよいし、当該イオン生成真空容器110の外部から操作可能な回転導入機と当該イオン生成真空容器110内に設置された歯車等によって行われても構わない。
上記したように本実施形態においては、真空排気され、レーザ光200の照射によりイオンを発生するターゲットが輸送されて配置されるイオン生成真空容器110と、イオン生成真空容器110の側面に設けられ、当該イオン生成真空容器110内へのターゲット112の輸送時に開き、当該輸送時以外は閉じるバルブ130と、バルブ130を介してイオン生成真空容器110に取り付けられ、ターゲット112を移動可能に保持し、当該イオン生成真空容器110とは独立して真空排気可能なターゲット補給容器120と、バルブ130を閉じた状態でターゲット補給容器120が真空排気された後に、当該バルブ130を開いた状態でターゲット補給容器120に保持されたターゲット112をイオン生成真空容器110に輸送するターゲット輸送装置160とを備える構成により、真空条件を損なうことなくターゲット112の補給を行うことが可能となる。
なお、本実施形態においては、図1及び図2に示すように四角柱(板状部材)のターゲット112(112a及び112b)が用いられるものとして説明したが、ターゲット112は、四角柱以外の多角柱であってもよいし、例えば円柱のような形状であっても構わない。
(第2の実施形態)
次に、図3を参照して、本発明の第2の実施形態について説明する。図3においては、前述した図2(及び図1)と同様の部分には同一参照符号を付してその詳しい説明を省略する。ここでは、図2と異なる部分について主に説明する。
なお、図3は、本実施形態に係るレーザイオン源400をイオンの発生(放出)方向から示した側面図である。
図3に示すように、本実施形態に係るレーザイオン源400においては、ターゲット補給容器120からイオン生成真空容器110までの間にガイドレール410が設置される。このガイドレール410は、補給用ターゲット112bの輸送方向を規定するために設けられる。なお、ガイドレール410は、バルブ130の開閉を妨げないように当該バルブ130の位置で分割されている。
本実施形態においては、このようなガイドレール410が設けられていることによって、補給用ターゲット112bがガイドレール410に沿ってイオン生成真空容器110に輸送される。これにより、補給用ターゲット112bは、ターゲット移動装置111に設置されているターゲット移動台113に正確に装着される。
なお、本実施形態における補給用ターゲット112b及びガイドレール410は、当該補給用ターゲット112bを安定した状態で確実に輸送可能な構造の組み合わせで用いられることが好ましい。
ここで、図4〜図8は、補給用ターゲット112b及びガイドレール410の組み合わせ(つまり、取り付け方法)の一例を示す。なお、図4〜図8は、補給用ターゲット112bの進行方向に対する垂直な面での補給用ターゲット112b及びガイドレール410の断面図である。
図4〜図8に示すように、補給用ターゲット112b及びガイドレール410は、当該補給用ターゲット112bが当該補給用ターゲット112bの構造に応じたガイドレール410に嵌め込まれることによって例えば水平方向の位置ずれを生じないように構成されていればよい。
なお、本実施形態においては、補給用ターゲット112bがガイドレール410に沿って輸送される点以外については前述した第1の実施形態と同様であるため、その詳しい説明を省略する。
上記したように本実施形態においては、ターゲット補給容器120からイオン生成真空容器110までの間に設置されたガイドレール410に沿って補給用ターゲット112bを輸送する構成により、補給用ターゲット112bを安定した状態で正確にターゲット移動台113に装着(輸送)することができる。
また、本実施形態においては、ガイドレール410がバルブ130の位置で分割されている構成により、ガイドレール410を設けた場合であっても当該ガイドレール410がバルブ130の開閉の妨げとなることを回避できる。
(第3の実施形態)
次に、図9を参照して、本発明の第3の実施形態について説明する。なお、本実施形態に係るレーザイオン源の構成の概略は、前述した第1の実施形態と同様であるため、適宜、図1及び図2を用いて説明する。
本実施形態においては、図9に示すように補給用ターゲット112bがターゲットホルダ510に保持され、当該ターゲットホルダ510がイオン生成真空容器110に輸送される点が、前述した第1の実施形態とは異なる。
図9に示すターゲットホルダ510の輸送棒520との接合部分511は、例えば磁性材からなる。一方、輸送棒520のターゲットホルダ510(の輸送棒520との接合部分511)との接合部分521(つまり、先端)には、磁界発生装置が組み込まれる。
このような輸送棒520を用いることによって、補給用ターゲット112bを保持するターゲットホルダ510を磁気的に捕獲(吸引)して輸送することができる。
また、上記したようにターゲットホルダ510がイオン生成真空容器110に輸送されることによって、イオン生成真空容器110に設けられているターゲット移動台113には、補給用ターゲット112bが装着されればよい。
なお、本実施形態においては、図9に示すように補給用ターゲット112bを保持するターゲットホルダ510が輸送棒520を用いて輸送される点以外については、前述した第1の実施形態と同様であるため、その詳しい説明を省略する。
上記したように本実施形態においては、補給用ターゲット112bを保持するターゲットホルダ510を備え、当該ターゲットホルダ510をイオン生成真空容器110に輸送する構成により、補給用ターゲット112bの補給作業の安定性を向上させることができる。
なお、本実施形態においては、ターゲットホルダ510の接合部分511が磁性材からなるものとして説明したが、ターゲットホルダ510全体を磁性材としてもよい。
また、本実施形態においては、ターゲットホルダ510の接合部分511が磁性材からなり、輸送棒520の接合部分521に磁界発生装置が組み込まれるものとして説明したが、ターゲットホルダ510の接合部分511において磁性材の代わりに誘電体を用い、輸送棒520の接合部分521において静電界を発生させる構成としても構わない。この場合、補給用ターゲット112bを保持するターゲットホルダ510を静電的に捕獲(吸引)して輸送することができる。
更に、本実施形態においては、ターゲットホルダ510の接合部分511が磁性材からなり、輸送棒520の接合部分521に磁界発生装置が組み込まれることにより、ターゲットホルダ510を磁気的に捕獲するものとして説明したが、例えばイオン生成真空容器110内にターゲットホルダ510を輸送する際には輸送棒520を用い、一方、イオン生成真空容器110からターゲットホルダ510を引き出す際には例えばフック等を用いて機械的に捕獲するような構成であっても構わない。
また、本実施形態におけるターゲットホルダ510の輸送の際に、前述した第2の実施形態におけるガイドレールを用いても構わない。
(第4の実施形態)
次に、図10を参照して、本発明の第4の実施形態について説明する。なお、本実施形態に係るレーザイオン源の構成の概略は、前述した第1の実施形態と同様であるため、適宜、図1及び図2を用いて説明する。
本実施形態においては、ターゲット移動装置111(に設けられているターゲット移動台113)が補給用ターゲット112bを固定する固定機構を有する点が、前述した第1の実施形態とは異なる。
前述したようにターゲット補給容器120からイオン生成真空容器110に対して輸送された補給ターゲット112bは、ターゲット移動台113に装着される。この場合、補給ターゲット112bは、レーザ光200が集光照射される当該補給ターゲット112bの照射点(照射面)の法線方向がイオン軸方向(レーザイオン源100において機械的に決定された軸方向)と一致するようにターゲット移動台113上で固定されなければならない。
このため、本実施形態においては、図10に示すようにターゲット移動台113にはイオン軸に対して直角となる面(以下、基準面と表記)610が設けられ、例えばばねのような弾性体620によって当該基準面610と補給用ターゲット112bが密着される。換言すれば、補給用ターゲット112bは、弾性体620によって基準面610の方向に対して押さえ込まれる。これにより、補給用ターゲット112bの面は、ターゲット移動台113上でイオン軸に対して直角となるように固定されることができる。
上記したように本実施形態においては、輸送された補給用ターゲット112bの面(照射点)がイオン軸方向(イオンを発生させる方向)に対して直角となるようにターゲット移動台113上で固定される構成により、イオンビームの生成の安定性を向上させることができる。
なお、本実施形態においては、補給用ターゲット112bがターゲット移動台113に固定されるものとして説明したが、前述した第3の実施形態において説明したような補給用ターゲット112bを保持するターゲットホルダを基準面610に密着させることによって補給用ターゲット112bを固定する構成であっても構わない。
なお、本願発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組合せてもよい。
100,400…レーザイオン源、110…イオン生成真空容器、111…ターゲット移動装置、112,112a,112b…ターゲット、113…ターゲット移動台、120…ターゲット補給容器、121…輸送棒、130…バルブ、140,150…真空排気装置、160…ターゲット輸送装置、410…ガイドレール、510…ターゲットホルダ、520…輸送棒、610…基準面、620…弾性体。

Claims (9)

  1. 真空排気され、レーザ光の照射によりイオンを発生するターゲットが輸送されて配置される真空容器と、
    前記真空容器の側面に設けられ、前記真空容器内へのターゲットの輸送時に開き、前記輸送時以外は閉じるバルブと、
    前記バルブを介して前記真空容器に取り付けられ、前記ターゲットを移動可能に保持し、前記真空容器とは独立して真空排気されるターゲット補給容器と、
    前記バルブを閉じた状態で前記ターゲット補給容器が真空排気された後に、前記バルブを開いた状態で前記ターゲット補給容器に保持されたターゲットを前記真空容器に輸送する輸送手段と
    を具備することを特徴とするレーザイオン源。
  2. 前記輸送手段は、前記ターゲット補給容器から前記真空容器までの間に設置された前記ターゲットの輸送方向を規定するガイドレールに沿って前記ターゲットを輸送することを特徴とする請求項1記載のレーザイオン源。
  3. 前記ガイドレールは、前記バルブの開閉を妨げないように当該バルブの位置で分割されていることを特徴とする請求項2記載のレーザイオン源。
  4. 前記ターゲット補給容器は、前記ターゲットを保持するターゲットホルダを備え、
    前記輸送手段は、前記ターゲットホルダを輸送する
    ことを特徴とする請求項1記載のレーザイオン源。
  5. 前記ターゲットホルダは、磁性材を含み、
    前記輸送手段は、前記ターゲットホルダを磁気的に吸引することによって一端が前記ターゲットホルダに接続された棒状部材の他端を押すことによって前記ターゲットを輸送する
    ことを特徴とする請求項4記載のレーザイオン源。
  6. 前記ターゲットホルダは、誘電体を含み、
    前記輸送手段は、前記ターゲットホルダを静電的に吸引することによって一端が前記ターゲットホルダに接続された棒状部材の他端を押すことによって前記ターゲットを輸送する
    ことを特徴とする請求項4記載のレーザイオン源。
  7. 前記真空容器は、前記輸送されたターゲットに対する前記レーザ光の照射位置を変更するように当該ターゲットを移動させるターゲット移動手段を備える、請求項1記載のレーザイオン源。
  8. 前記ターゲット移動手段は、前記輸送されたターゲットの面が前記イオンを発生させる方向に対して直角となるように当該ターゲットを固定する固定手段を含むことを特徴とする請求項7記載のレーザイオン源。
  9. 前記輸送手段は、前記ターゲット補給容器の圧力が前記真空容器の圧力以下になった場合に、前記バルブを開いた状態で前記ターゲット補給容器に保持されたターゲットを前記真空容器に輸送することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のレーザイオン源。
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