JP2022169060A - 荷電粒子ビーム輸送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】荷電粒子ビームの周方向におけるビーム発散量のばらつきを低減する。【解決手段】荷電粒子ビーム輸送装置３は、密閉チャンバ３ａ内における荷電粒子ビーム１の側方に設けられた、荷電粒子ビーム１の発散量を測定する複数の測定器１３が設けられる。複数の測定器１３は、荷電粒子ビーム１の側方であって、荷電粒子ビーム１の互いに異なる径方向に設けられる。また、密閉チャンバ３ａ内に空間電荷中和剤としてのガスを導入する複数のガス導入口１２が、複数の測定器１３に対応して、荷電粒子ビーム１の側方であって、荷電粒子ビーム１の互いに異なる径方向に設けられる。制御装置１４は、複数の測定器１３の測定結果に基づいて、ガス導入口１２から互いに異なる量のガスを密閉チャンバ３ａ内に導入させる。【選択図】図１

Description

本発明は、荷電粒子ビーム輸送装置に関する。

荷電粒子ビームの空間電荷効果によるビーム発散を低減させる技術が特許文献１に記載されている。この特許文献１には、「イオンビームを電子ビームの軌道領域に照射することで、電子ビームにより形成される空間電荷を中和し、空間電荷効果を低減することを特徴とする電子ビーム装置。」及び「イオン発生手段は、電子ビームの軌道に沿った該電子ビームの電流密度の大小に応じてイオンビーム密度を変えることを特徴とする」と記載されている。

特開２００７－１９１９５号公報

特許文献１には、電子ビームの電流密度に応じてイオンビームの照射位置を調整することで、空間電荷効果を効率良く低減する装置が記載されている。しかし、特許文献１に記載されている装置では、荷電粒子ビームの周方向における空間電荷量のばらつきに対応した空間電荷中和ができない。荷電粒子ビームの周方向において空間電荷量がばらついていると、荷電粒子ビームの周方向においてビーム発散量のばらつきが生じてしまう。

本発明の目的は、荷電粒子ビームの周方向におけるビーム発散量のばらつきを低減することにある。

本発明は、線形加速器における荷電粒子ビーム輸送装置であって、密閉チャンバ内における荷電粒子ビームの経路の側方であって、前記荷電粒子ビームの互いに異なる径方向に設けられた、前記荷電粒子ビームの発散量を測定する複数の測定器と、前記荷電粒子ビームの経路の側方であって、前記複数の測定器に対応して前記荷電粒子ビームの互いに異なる径方向に設けられ、空間電荷を中和する空間電荷中和剤を前記荷電粒子ビームに対して放出する複数の中和剤放出口と、前記複数の中和剤放出口からそれぞれ前記荷電粒子ビームに向かって放出される前記空間電荷中和剤の量を調整するための中和剤流量調整器と、前記複数の測定器の測定結果に基づいて、前記中和剤流量調整器を制御し、前記複数の中和剤放出口から互いに異なる量の前記空間電荷中和剤を前記荷電粒子ビームに向かって放射させる制御装置と、を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置である。

本発明によれば、荷電粒子ビームの周方向におけるビーム発散量のばらつきを低減することができる。

第１実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置を含む線形加速器の構成概略図である。 荷電粒子ビーム輸送装置をビーム軸方向から見た時の概略図である。 第１実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置の処理の流れを示すフローチャートである。 第２実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置を含む線形加速器の構成概略図である。

以下、図面を用いて実施例を説明する。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態を図１～図３に沿って説明する。図１は、第１実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置３を含む線形加速器の構成概略図である。図１に示される線形加速器は、荷電粒子ビーム１を生成する荷電粒子ビーム生成装置２、及び、荷電粒子ビーム１を輸送する荷電粒子ビーム輸送装置３を含んで構成される。

荷電粒子ビーム生成装置２は、例えば、マイクロ波イオン源、ＥＣＲ(Electron Cyclotron Resonance)イオン源、デュオプラズマトロン、あるいは電子銃などであってよい。本実施形態では、荷電粒子ビーム生成装置２としてマイクロ波イオン源を採用している。

荷電粒子ビーム生成装置２内でマイクロ波により生成されたプラズマ４は、引き出し電極５との電位差によって引き出される。これにより、荷電粒子ビーム１が生成される。本実施形態では、荷電粒子ビーム１は荷電粒子としての水素イオンにより構成される。

荷電粒子ビーム輸送装置３は、生成された荷電粒子ビーム１を輸送する装置である。荷電粒子ビーム輸送装置３は、密閉チャンバ３ａを含んで構成される。荷電粒子ビーム生成装置２で生成された荷電粒子ビーム１は、密閉チャンバ３ａ内に入射され、密閉チャンバ３ａ内を通って輸送される。

密閉チャンバ３ａの外壁に沿って収束コイル６が設けられている。荷電粒子ビーム１は、密閉チャンバ３ａ内で収束コイル６により収束されて、後段加速器７に入射される。収束コイル６としては、例えば磁性体を用いた磁極を用いることができる。ただし、荷電粒子ビーム１を構成する荷電粒子間における斥力により（換言すれば空間電荷効果により）、収束コイル６を設けたとしても、荷電粒子ビーム１の発散量を決めるエミッタンスが増大してしまう。

荷電粒子ビーム輸送装置３で輸送された荷電粒子ビーム１は、後段加速器７に入射される。後段加速器７は、例えば、高周波加速器などで、ＲＦＱ（Radio Frequency Quadrupole）やＤＴＬ（Drift Tube Linac）などであってよく、あるいはこれらの組み合わせであってもよい。また、後段加速器７として、コッククロフトウォルトン型やバンでグラーフ型など静電加速器とすることもできる。

密閉チャンバ３ａ内（具体的には後段加速器７へのビーム出射口の近傍）には、吸収体９が設けられている。密閉チャンバ３ａ内において発散した、不要なイオンなどを含んだ発散ビーム８は、吸収体９により受け止められる。これにより、発散ビーム８は後段加速器７には入射されない。

例えば、発散ビーム８には、荷電粒子ビーム１により形成される空間電荷効果により発散したビーム部と、水素イオン以外の重水素などの不要なイオンが含まれる。重水素イオンなどは、水素イオンより質量が大きいため、収束コイル６で収束されずに発散する。図１に示された線形加速器では、吸収体９の形状を荷電粒子ビーム１のビーム進行方向に厚みのある形状とした上で、荷電粒子ビーム１を通す貫通孔を設け、当該貫通孔をコーン形状（荷電粒子ビーム１のビーム経路の下流側程、孔径が小さくなる形状）とすることで、収束されなかった不要イオンを効率良く止めることができる。

上記のような線形加速器において、空間電荷効果によるビーム発散を低減させるために、荷電粒子ビーム輸送装置３は、空間電荷中和剤としてのガスを貯留するガスボンベ１０、ガスボンベ１０からのガスを密閉チャンバ３ａ内に（つまり荷電粒子ビーム１に対して）導入するための中和剤放出口としての複数のガス導入口１２、及び、複数のガス導入口１２それぞれから密閉チャンバ３ａ内に導入される導入ガスの量を調整するための中和剤流量調整器としての流量調整器１１を含んで構成される。

流量調整器１１は、例えば各ガス導入口１２に連通するガス流路に設けられたガス電磁弁であってよい。ガス電磁弁は、ソレノイド、可動鉄片であるプランジャ、及びバルブを含んで構成され、ソレノイドに電流を流すことでプランジャを動作させ、それによりバルブの開閉を制御するものである。このようなガス電磁弁においては、バルブの開閉具合を制御することで、当該ガス電磁弁を流通するガスの量を調整することができる。

ガスボンベ１０からのガスを、流量調整器１１により流量調整してガス導入口１２から密閉チャンバ３ａ内に導入することで、荷電粒子ビーム１とガスとの反応で生成された電離電子が、荷電粒子ビーム１の電荷による引力によって軌道上に蓄積するため、空間電荷が中和される。

具体例としては、荷電粒子ビーム１として正電荷を有する水素イオンビームを用いる場合、密閉チャンバ３ａ内に導入されるガスとして、水素ガスを用いることができる。この場合、荷電粒子ビーム１としての水素イオンビームが、密閉チャンバ３ａ内に導入された水素ガスの電子にぶつかることにより、水素ガスから電子が剥がされる。これにより、水素ガスは、正電荷を有する水素イオンと負電荷を有する電子とに分裂する。水素イオンは、荷電粒子ビーム１と同じく正電荷を有しているため、荷電粒子ビーム１との間の斥力によりはじかれる。一方、電子は、荷電粒子ビーム１との間の引力により、荷電粒子ビーム１の経路近傍に集まる。そうすると、荷電粒子ビーム１としての水素イオンビームと、その近傍に集まってきた電子との間に引力が生じることで、荷電粒子ビーム１を構成する荷電粒子（水素イオン）同士の間の斥力が低減される（これは「空間電荷が中和される」とも表現される）。これにより、荷電粒子ビーム１の空間電荷効果による発散が抑制される。

荷電粒子ビーム１として、負電荷を有する電子ビームや陰イオンビームを用いた場合には、荷電粒子ビーム１とガスとの反応で生じた、正電荷を持つ陽イオンが荷電粒子ビーム１の経路近傍に蓄積することで空間電荷を中和する。つまり、ガスを導入する空間電荷低減法は、正電荷、負電荷どちらの荷電粒子ビーム１にも適用可能である。

空間電荷の中和量は、密閉チャンバ３ａ内に導入されたガスの電離電子若しくは電離イオンの量で決まるため、ガスの導入量（複数のガス導入口１２から導入されるガスの総量）を調整することで、空間電荷の中和量を調整することが可能である。

空間電荷中和用ガスの総導入量は、電流モニタ１５ａ，１５ｂで測定した荷電粒子ビーム１の電流量に応じて調整する。ここで、電流モニタ１５ａ，１５ｂは、例えば、非接触型のＣＴ（Current Transformer）などが用いられ、荷電粒子ビーム１の総電流量を測定するものである。例えば、電流モニタ１５ａ，１５ｂは、荷電粒子ビーム１がその内部空間を通る円形あるいは円筒状の磁器コアと、当該磁器コアに巻き付けられた巻線を含んで構成される。荷電粒子ビーム１が磁器コアの内部空間を通過することにより磁器コアに磁束が生じ、当該磁束により巻線に２次電流が生じる。当該２次電流を測定することで、荷電粒子ビーム１の電流が測定される。電流モニタ１５ａ，１５ｂで測定された総電流量は、制御装置１４によって読み取られる。詳細は後述するが、制御装置１４は、荷電粒子ビーム輸送装置３に設けられ、上述の流量調整器１１を制御して、各ガス導入口１２から密閉チャンバ３ａ内に導入される導入ガスの量を制御する装置である。

第１電流検出器としての電流モニタ１５ａは、引き出し電極５の近傍に設けられる。つまり、電流モニタ１５ａは、密閉チャンバ３ａに入る荷電粒子ビーム１の総電流量を測定する。第２電流検出器としての電流モニタ１５ｂは、荷電粒子ビーム１の経路において、電流モニタ１５ａよりも下流側に設けられる。本実施形態では、電流モニタ１５ｂは、密閉チャンバ３ａのビーム出口近傍に設けられる。つまり、本実施形態では、電流モニタ１５ｂは、密閉チャンバ３ａから出てくる荷電粒子ビーム１の総電流量を測定する。

荷電粒子ビーム１が発散することにより、電流モニタ１５ｂが測定した総電流量は、電流モニタ１５ａが測定した総電流量よりも小さくなる。したがって、電流モニタ１５ａが測定した総電流量と、電流モニタ１５ｂが測定した総電流量との差分が、荷電粒子ビーム１の発散量を示す指標となる。換言すれば、電流モニタ１５ａが測定した総電流量と、電流モニタ１５ｂが測定した総電流量との差分から、密閉チャンバ３ａ内におけるビーム損失率が計算できる。ここで、ビーム損失率とは、荷電粒子ビーム輸送装置３に入る荷電粒子ビームの量（荷電粒子の量、密度、ビームの電流値とも言い換えることができる）に対する、密閉チャンバ３ａから出てくる荷電粒子ビームの量の割合である。

密閉チャンバ３ａ内に導入された導入ガスの総量が不足している場合、空間電荷効果が大きくなり、不要な荷電粒子だけでなく必要な荷電粒子も発散して吸収体９で止められてしまうため、ビーム損失率が高くなる。一方で、導入ガスの総量が多すぎる場合にも、荷電粒子ビーム１とガスとの反応が増えるために、ビーム損失率が高くなる。

そのため、制御装置１４は、電流モニタ１５ａ，１５ｂが測定した電流値からビーム損失率を演算し、演算したビーム損失率に応じて流量調整器１１を制御する。これにより、導入ガスの総量を適切に調整し（換言すればビーム損失率に応じた量のガスが密閉チャンバ３ａ内に導入され）、ビーム損失率、すなわち空間電荷効果による荷電粒子ビーム１の発散を抑制する。

また、荷電粒子ビーム輸送装置３には、密閉チャンバ３ａ内の不純物を取り除いて真空化するための真空ポンプ（不図示）、及び、密閉チャンバ３ａ内の真空度を測定する真空計１６が設けられる。ここで、当該真空ポンプの調子などに起因して、密閉チャンバ３ａ内の真空度が変化することがあり、空間電荷中和用のガスの密度に過不足が生じ得る。そのため、制御装置１４は、上述のビーム損失率に加えてあるいは代えて、真空計１６が測定した真空度に応じて、密閉チャンバ３ａ内に導入する導入ガスの総量を決定するようにしてもよい。具体的には、真空度が大きい程、密閉チャンバ３ａ内に導入されたガスの量が少ないので、制御装置１４は、導入ガスの総量を多くするように制御し、真空度が小さい程、密閉チャンバ３ａ内に導入されたガスの量が多いので、制御装置１４は、導入ガスの総量を少なくするように制御する。

ここで、荷電粒子ビーム１の周方向において、電流密度差に起因した空間電荷量のばらつきが生じる場合がある。例えば、荷電粒子ビーム１の進行方向から見た場合、荷電粒子ビーム１の上側よりも下側の方が空間電荷量が多い、の如くである。空間電荷量にばらつきが生じると、荷電粒子ビーム１の周方向においてビーム発散量にばらつきが生じる。例えば、荷電粒子ビーム１の進行方向から見た場合、荷電粒子ビーム１の上側よりも下側の方がビーム発散量が大きい、の如くである。

図２は、密閉チャンバ３ａ内を通過する荷電粒子ビーム１を、その進行方向から見た図である。本実施形態では、荷電粒子ビーム１の周方向におけるビーム発散量のばらつきを低減すべく、図２に示すように、密閉チャンバ３ａ内において、荷電粒子ビーム１の側方に複数の測定器１３及び複数のガス導入口１２が配置される。

測定器１３は、荷電粒子ビーム１の発散量を測定するものである。測定器１３は、例えば電極を含む電流計であってよく、荷電粒子ビーム１の経路の側方に配置される。発散して荷電粒子ビーム１の経路から外れた発散ビーム８（発散荷電粒子）は、測定器１３の電極に入射する。これにより、電極において電流が生じ、測定器１３は当該電流を測定する。測定器１３が測定した電流値が大きい程、ビーム発散量が大きいと言える。

具体的には、複数の測定器１３は、荷電粒子ビーム１の側方であって、荷電粒子ビーム１の互いに異なる径方向に設けられる。図２の例では、荷電粒子ビーム１の中心から上側へ向かう径方向に測定器１３ａが設けられ、荷電粒子ビーム１の中心から右側へ向かう径方向に測定器１３ｂが設けられ、荷電粒子ビーム１の中心から下側へ向かう径方向に測定器１３ｃが設けられ、荷電粒子ビーム１の中心から左側へ向かう径方向に測定器１３ｄが設けられる。なお、本実施形態では、４つの測定器１３が設けられているが、測定器１３は、２つ、３つ、あるいは５つ以上設けられてもよい。

また、複数のガス導入口１２は、複数の測定器１３に対応して、荷電粒子ビーム１の側方であって、荷電粒子ビーム１の互いに異なる径方向に設けられる。測定器１３に対応して、とは、測定器１３と同じ径方向にガス導入口１２が設けられることを意味する。図２の例では、測定器１３ａに対応して、荷電粒子ビーム１の中心から上側へ向かう径方向にガス導入口１２ａが設けられ、測定器１３ｂに対応して、荷電粒子ビーム１の中心から右側へ向かう径方向にガス導入口１２ｂが設けられ、測定器１３ｃに対応して、荷電粒子ビーム１の中心から下側へ向かう径方向にガス導入口１２ｃが設けられ、測定器１３ｄに対応して、荷電粒子ビーム１の中心から左側へ向かう径方向にガス導入口１２ｄが設けられる。なお、本実施形態では、４つのガス導入口１２が設けられているが、ガス導入口１２は、測定器１３に対応して、２つ、３つ、あるいは５つ以上設けられてもよい。

なお、本実施形態においては、複数の測定器１３は、荷電粒子ビーム１の進行方向に垂直な同一垂直面に配置されている。つまり、複数の測定器１３は、荷電粒子ビーム１の周方向に沿って並んで配置されている。換言すれば、密閉チャンバ３ａの荷電粒子ビーム１の入り口から各測定器１３までの距離は同じになっている。複数のガス導入口１２も同様に、荷電粒子ビーム１の進行方向に垂直な同一垂直面に配置されている。しかしながら、複数の測定器１３は、荷電粒子ビーム１の側方であって、荷電粒子ビーム１の互いに異なる径方向に設けられる限りにおいて、荷電粒子ビーム１の進行方向に垂直な同一垂直面に配置されなくてもよい。すなわち、密閉チャンバ３ａの荷電粒子ビーム１の入り口から各測定器１３までの距離は互いに異なっていてもよい。複数のガス導入口１２も、各測定器１３に応じて、荷電粒子ビーム１の進行方向に垂直な同一垂直面に配置されなくてもよい。

荷電粒子ビーム１の周方向における空間電荷量のばらつき、すなわち、荷電粒子ビーム１の周方向におけるビーム発散量のばらつきが生じると、複数の測定器１３が測定するビーム発散量が互いに異なることになる。例えば、荷電粒子ビーム１の上側よりも下側の方がビーム発散量が多いならば、測定器１３ａが測定するビーム発散量よりも測定器１３ｃが測定するビーム発散量の方が大きくなる。これに応じ、制御装置１４は、複数の測定器１３の測定結果に基づいて、流量調整器１１を制御して、複数のガス導入口１２から密閉チャンバ３ａ内に導入されるガスの量を調整する。具体的には、測定器１３が測定したビーム発散量が大きい程、当該測定器１３に対応するガス導入口１２から導入されるガスの量を多くし、測定器１３が測定したビーム発散量が少ない程、当該測定器１３に対応するガス導入口１２から導入されるガスの量を少なくする。荷電粒子ビーム１の周方向における空間電荷量がばらついており、荷電粒子ビーム１の周方向におけるビーム発散量が異なるならば、複数のガス導入口１２からは、互いに異なる量のガスが密閉チャンバ３ａ内に導入されることになる。

具体的には、荷電粒子ビーム輸送装置３が有するメモリ（不図示）には、予め、測定器１３で測定した荷電粒子ビーム１の発散量と、ガス導入口１２から密閉チャンバ３ａ内に導入されるガスの量との関係を示す変換テーブルが記憶される。当該変換テーブルは、荷電粒子ビーム輸送装置３の管理者などによって作成されてよい。制御装置１４は、当該変換テーブルを参照しつつ、各測定器１３の測定値に基づいて、各ガス導入口１２から導入するガスの量を決定する。

なお、本実施形態では、上述のように、制御装置１４は、電流モニタ１５ａ，１５ｂの測定値から得られるビーム損失率、及び、真空計１６の測定値から得られる密閉チャンバ３ａ内の真空度の少なくとも一方に基づいて、密閉チャンバ３ａ内に導入する導入ガスの総量を決定している。したがって、本実施形態では、制御装置１４は、各測定器１３の測定値に基づいて、決定した導入ガスの総量を一定に保ちつつ、それぞれのガス導入口１２から導入するガスの流量比を調整する。

このように、本実施形態では、荷電粒子ビーム１の周方向において空間電荷量（すなわちビーム発散量）のばらつきが生じたとしても、制御装置１４の制御により、空間電荷量が多い位置に対応するガス導入口１２から、より多くのガスが導入されることになる。ガス導入口１２から密閉チャンバ３ａ内に導入されたガスは、当該ガス導入口１２の近辺においてより濃度が高くなる。つまり、空間電荷量が多い位置に対応するガス導入口１２から、より多くのガスを導入することで、空間電荷量が多い位置においてガスの濃度を高くし、空間電荷量が少ない位置においてガスの濃度を低くするという状態を形成することができる。すなわち、空間電荷量が多くビーム発散量が多い位置には、より多くの電子を導入してより強く荷電粒子ビーム１の発散を抑制することができる。これにより、荷電粒子ビーム１の周方向における空間電荷量のばらつきが低減され、荷電粒子ビームの周方向におけるビーム発散量のばらつきが低減される。

次に、本実施形態による空間電荷中和のための導入ガス流量調整処理のフローを図３を参照しつつ説明する。

最初に、制御装置１４は、電流モニタ１５ａ，１５ｂの測定値に基づいてビーム損失率を演算する。また、制御装置１４は、真空計１６の測定値を読み取りって密閉チャンバ３ａの真空度を取得する（ステップＳ１０１）。

次いで、制御装置１４は、ステップＳ１０１で取得したビーム損失率及び真空度が、予め設定された許容範囲内に収まっているか否かを判定する（ステップＳ１０２）。

ステップＳ１０２において許容範囲内ではないと判定された場合は、ステップＳ１０３に進み、制御装置１４は、測定したビーム損失率及び真空度に対して、予め設定された導入ガスの総量になるように流量調整器１１を制御して、導入ガスの流量を調整する。

ステップＳ１０２において許容範囲内であると判定された場合は、制御装置１４は、複数の測定器１３の測定値に基づいて、荷電粒子ビーム１の径方向毎の発散ビーム８の量を測定する（ステップＳ１０４）。

次に、ステップＳ１０４で測定した発散ビーム８の量の径方向依存性（すなわち、各径方向間におけるビーム発散量の差）が許容範囲内に収まっているか否かを判定する（ステップＳ１０５）。

ステップＳ１０５において、許容範囲内ではないと判定された場合は、ステップＳ１０６に進み、制御装置１４は、発散ビーム８の量の径方向依存性を基に、予め設定した導入ガスの流量比になるように流量調整器１１を制御して、各ガス導入口１２から導入されるガスの流量を調整する。

ステップＳ１０５において、許容範囲内であると判定された場合は導入ガスの流量調整を終了する。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では空間電荷中和剤としてガスを用いていたが、第２実施形態では、空間電荷中和剤として電子ビーム（電子）又はイオンビームを用いる。第１実施形態では、ガスを荷電粒子ビーム１に衝突させることで、ガスから電子又はイオンを得ていたが、第２実施形態では、空間電荷を中和するための電子又はイオンを直接密閉チャンバ３ａ内に導入するものである。図４に沿って、第２実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置３’を説明する。なお、第２実施形態の説明においては、図１及び２と同じ構成には同一の符号を示し、その説明は省略する。

図４は、第２実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置３’を含む線形加速器の構成概略図である。荷電粒子ビーム輸送装置３’は、第１実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置３に比して、ガスボンベ１０、流量調整器１１、複数のガス導入口１２に代えて、複数のビーム照射装置１７が設けられる。なお、図４には、真空計１６が示されていないが、第２実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置３’も真空計を有していてもよい。

以下、荷電粒子ビーム１が正電荷を有しており、ビーム照射装置１７から電子ビームが照射される例について説明する。ビーム照射装置１７は、電子ビーム１９を生成する電子銃１８、電子銃１８からの電子ビーム１９を加速する複数の電極２０、及び、電子ビーム１９の出口である、中和剤放出口としてのビーム照射口１７ａを含んで構成される。電極２０を静電レンズとして、電子ビームを収束させる構成であってもよい。ビーム照射装置１７は、制御装置２１からの指示に応じて、ビーム照射口１７ａから照射する電子の量を調整することが可能となっている。すなわち、第２実施形態では、ビーム照射装置１７が中和剤流量調整器としての機能を発揮する。

複数のビーム照射装置１７（より具体的にはビーム照射口１７ａ）は、密閉チャンバ３ａ内における荷電粒子ビーム１の経路の側方であって、荷電粒子ビーム１の互いに異なる径方向に設けられる。すなわち、第２実施形態においては、図２に示す第１実施形態のガス導入口１２がビーム照射口１７ａに置き換わった構造であると言える。

第２実施形態でも、制御装置２１は、複数の測定器１３の測定結果に基づいて、複数のビーム照射装置１７を制御して、複数のビーム照射口１７ａから密閉チャンバ３ａ内に照射される電子の量を調整する。具体的には、測定器１３が測定したビーム発散量が大きい程、当該測定器１３に対応するビーム照射口１７ａから照射される電子の量を多くし、測定器１３が測定したビーム発散量が少ない程、当該測定器１３に対応するビーム照射口１７ａから照射される電子の量を少なくする。荷電粒子ビーム１の周方向における空間電荷量がばらついており、荷電粒子ビーム１の周方向におけるビーム発散量が異なるならば、複数のビーム照射口１７ａからは、互いに異なる量の電子が密閉チャンバ３ａ内に照射されることになる。

具体的には、荷電粒子ビーム輸送装置３’が有するメモリ（不図示）には、予め、測定器１３で測定した荷電粒子ビーム１の発散量と、ビーム照射口１７ａから密閉チャンバ３ａ内に照射される電子の量との関係を示す変換テーブルが記憶される。制御装置１４は、当該変換テーブルを参照しつつ、各測定器１３の測定値に基づいて、各ビーム照射口１７ａから照射する電子の量を決定する。なお、第２実施形態でも、電流モニタ１５ａ，１５ｂの測定値から得られるビーム損失率、及び、真空計１６の測定値から得られる密閉チャンバ３ａ内の真空度の少なくとも一方に基づいて決定した照射電子の総量を一定に保ちつつ、各測定器１３の測定値に基づいて、それぞれのビーム照射口１７ａから導入する電子の量の比を調整する。

ビーム照射装置１７は、比較的緩やかな勢いでビーム照射口１７ａから密閉チャンバ３ａ内に電子ビームを照射する。したがって、密閉チャンバ３ａ内に導入された電子は、当該ビーム照射口１７ａの近辺においてより濃度が高くなる。つまり、空間電荷量が多い位置に対応するビーム照射口１７ａから、より多くの電子を導入することで、空間電荷量が多い位置において電子の濃度を高くし、空間電荷量が少ない位置において電子の濃度を低くするという状態を形成することができる。すなわち、空間電荷量が多くビーム発散量が多い位置には、より多くの電子を導入してより強く荷電粒子ビーム１の発散を抑制することができる。これにより、荷電粒子ビーム１の周方向における空間電荷量（すなわち荷電粒子ビーム１のビーム発散量）のばらつきが低減される。

なお、荷電粒子ビーム１が負電荷を有する荷電粒子から成る場合、ビーム照射装置１７から正電荷を持つ陽イオンビームを照射することで、空間電荷効果を低減することができる。

また、ビーム照射装置１７に代えて、中和剤放出口としてのプラズマ照射口を有するプラズマ導入装置を設け、電子又はイオンに代えて、陽イオンと電子を含む、空間電荷中和剤としてのプラズマを密閉チャンバ３ａ内に導入するようにしてもよい。この場合でも、プラズマ導入装置は、制御装置２１からの指示に応じて、プラズマ照射口から照射するプラズマの量を調整することが可能となっており、プラズマ導入装置が中和剤流量調整器としての機能を発揮する。

これによれば、荷電粒子ビーム１が正電荷を有する場合、プラズマに含まれる電子によって空間電荷が中和され、荷電粒子ビーム１が負電荷を有する場合、プラズマに含まれる陽イオンによって空間電荷が中和される。つまり、プラズマを導入する空間電荷低減法は、正電荷、負電荷どちらの荷電粒子ビーム１にも適用可能である。

なお、第１実施形態あるいは第２実施形態で説明した線形加速器で生成され加速された荷電粒子ビーム１は、種々の目的で利用することができる。例えば、本発明によって発散が抑制された荷電粒子ビーム１を、核融合発電を行う核融合システム（あるいは核融合炉）に適用することができる。この場合、本発明に係る荷電粒子ビーム輸送装置３は、当該核融合システムの一部を構成する装置となる。また、本発明によって発散が抑制された荷電粒子ビーム１を、粒子線治療を行う粒子線治療システムに適用することができる。この場合、本発明に係る荷電粒子ビーム輸送装置３は、当該粒子線治療システムの一部を構成する装置となる。そのような粒子線治療システムにおいては、例えば、本発明に係る荷電粒子ビーム輸送装置３からの荷電粒子ビーム１がシンクロトロンなどに入力されて、さらに加速された荷電粒子ビーム１が治療対象物（例えば癌細胞）に照射される。

１ 荷電粒子ビーム、２ 荷電粒子ビーム発生装置、３ 荷電粒子ビーム輸送装置、３ａ 密閉チャンバ、４ プラズマ、５ 引き出し電極、６ 収束コイル、７ 後段加速器、８ 発散ビーム、９ 吸収体、１０ ガスボンベ、１１ 流量調整器、１２ ガス導入口、１３ 測定器、１４，２１ 制御装置、１５ａ，１５ｂ 電流モニタ、１６ 真空計、１７ ビーム照射装置、１７ａ ビーム照射口、１８ 電子銃、１９ 電子ビーム、２０ 電極。

Claims (7)

1. 線形加速器における荷電粒子ビーム輸送装置であって、
   密閉チャンバ内における荷電粒子ビームの経路の側方であって、前記荷電粒子ビームの互いに異なる径方向に設けられた、前記荷電粒子ビームの発散量を測定する複数の測定器と、
   前記荷電粒子ビームの経路の側方であって、前記複数の測定器に対応して前記荷電粒子ビームの互いに異なる径方向に設けられ、空間電荷を中和する空間電荷中和剤を前記荷電粒子ビームに対して放出する複数の中和剤放出口と、
   前記複数の中和剤放出口からそれぞれ前記荷電粒子ビームに向かって放出される前記空間電荷中和剤の量を調整するための中和剤流量調整器と、
   前記複数の測定器の測定結果に基づいて、前記中和剤流量調整器を制御し、前記複数の中和剤放出口から互いに異なる量の前記空間電荷中和剤を前記荷電粒子ビームに向かって放射させる制御装置と、
   を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム輸送装置であって、
   前記制御装置は、前記測定器で測定した前記荷電粒子ビームの発散量と、前記荷電粒子ビームに向かって放出される前記空間電荷中和剤の量との関係を示す変換テーブルを参照して、各前記中和剤放出口から放出される前記空間電荷中和剤の量を決定する、
   ことを特徴とした荷電粒子ビーム輸送装置。
3. 請求項１又は２に記載の荷電粒子ビーム輸送装置であって、
   前記荷電粒子ビームの総電流量を測定する第１電流検出器と、
   前記第１電流検出器よりも前記荷電粒子ビームの経路の下流側において前記荷電粒子ビームの総電流量を測定する第２電流検出器と、
   をさらに備え、
   前記制御装置は、前記第１電流検出器が測定した総電流量と、前記第２電流検出器が測定した総電流量との差分に応じて、前記複数の中和剤放出口から放出される前記空間電荷中和剤の総放出量を決定する、
   ことを特徴とした荷電粒子ビーム輸送装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム輸送装置であって、
   前記密閉チャンバ内の真空度を測定する真空計と、
   をさらに備え、
   前記制御装置は、前記真空計が測定した前記真空度に応じて、前記複数の中和剤放出口から放出される前記空間電荷中和剤の総放出量を決定する、
   ことを特徴とした荷電粒子ビーム輸送装置。
5. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、
   前記中和剤放出口は、前記空間電荷中和剤としてのガスを前記荷電粒子ビームに対して導入するガス導入口である、
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置。
6. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、
   前記中和剤放出口は、前記空間電荷中和剤としての電子ビーム又はイオンビームを前記荷電粒子ビームに照射するビーム照射口である、
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置。
7. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、
   前記中和剤放出口は、前記空間電荷中和剤としてのプラズマを前記荷電粒子ビームに照射するプラズマ照射口である、
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム輸送装置。
   

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