JP3464406B2 - Internal negative ion source for cyclotron - Google Patents
Internal negative ion source for cyclotronInfo
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Description
【０００１】[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。TECHNICAL FIELD The present invention relates to an internal negative ion source for internally generating negative ions in a cyclotron used for nuclear medicine or the like.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art Cyclotrons are used in many fields such as nuclear medicine as a device for producing various nuclides, and one example thereof will be described below with reference to FIG. The acceleration box 21 is provided on the lower electromagnet 22.
On the outer wall of No. 1, the first target 23 and the second target 23 facing each other
A target 24 is provided. Further, in the acceleration box 21, a pair of acceleration electrodes 26a, 26b (commonly referred to as dee) connected to a pair of resonators 25a, 25b and coupled in the central portion of the acceleration box 21 to generate a high frequency electric field of a required frequency. Is provided, and a high frequency power source (not shown) is connected to either the resonator 25a or 25b. Further, in the acceleration box 21, the acceleration electrode 26
The stripping foils 27a and 27b are arranged so as to face each other around the connection point of a and 26b, and the internal negative ion source 30 is arranged near the center of the acceleration box 21. Further, an upper electromagnet 28 is arranged on the lower electromagnet 22 so as to be able to move up and down.
A vertical magnetic field is formed in the acceleration box 21 by the reference numerals 2 and 28.
【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。In the above apparatus, the electromagnets 22 and 28 are closed, and the vacuum box (not shown) is used to evacuate the acceleration box 21 and the targets 23 and 24 immediately before the high frequency power from the high frequency power source. Supply and accelerate electrode 26
A high frequency electric field is generated in a and 26b. On the other hand, the internal negative ion source 30 generates negative ion particles from hydrogen or deuterium gas and supplies the negative ion particles as an ion beam. The negative ions are accelerating electrodes 26a, 2a while being confined by the magnetic field.
In each edge portion of 6b, while rotating in the acceleration box 21 while being accelerated by the high frequency electric field and reaching the maximum radius of the acceleration box 21, the electrons are stripped off by striking the stripping foils 27a and 27b to become protons or deuterons. The protons or deuterons are driven into the targets 23 and 24 and collide with the target material inside to cause a nuclear reaction to generate a short-lived RI.
【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。In order to satisfactorily generate the short-lived RI with the above apparatus, it is necessary to stably generate a sufficient amount of negative ions as the source, and from this viewpoint, it is excellent as an internal negative ion source. It is required to have excellent beam performance. As a guideline that the ions are stable, the fluctuation range of the beam output per time is within several%,
It can be mentioned that it can be used for a long time or intermittently. Further, since the ion source is installed in the central part of the cyclotron, there is a limit to the size and it is required to be as small as possible. The horizontal plane is restricted so that the beam extracted from the ion source does not collide with the ion source itself in the first rotation and is not lost, and the accelerating electrode with which the ion source faces (for example, a gap of about 5 mm). It is also required that no discharge occurs between and.
【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。Conventionally, as the above-mentioned ion source, several methods such as a cone type, a box type and a PIG type have been proposed and implemented. Among them, the PIG type is suitable for a high power ion source. It is possible to extract a sufficient amount of ions. This PIG type ion source will be described with reference to FIGS. 7 to 9. A tubular member made of copper or the like is used as the anode 31.
Cathodes 32, 32 made of tantalum, tungsten, etc. are arranged at both ends of the anode 31, and the cathodes 32, 32 are supported by a cathode support member 32a. The internal space of the anode 31 is a discharge chamber 33.
An extraction slit 34 for extracting the ions in the discharge chamber 33 to the outside is formed in the wall of the anode 31. A water cooling pipe 35 for cooling the anode and a gas pipe 36 for supplying gas to the discharge chamber 33 are embedded in the anode 31, and one end of the gas pipe 36 is opened in the anode wall as a gas supply port 36a. is doing. Also, the cathode 32
A water cooling pipe 37 is also arranged in the vicinity, and the water cooling pipe 35, the water cooling pipe 37, and the gas pipe 36 are connected to an external cooling water supply source (not shown) and a gas supply source, respectively. In the above PIG type ion source, a gas is supplied into the discharge chamber 33 and a high voltage (referred to as an arc voltage) is applied between the anode 31 and the cathodes 32, 32 to start discharge in the discharge chamber 33. Then, after that, the ions generated by the discharge move up and down in the discharge chamber 33 along the vertical magnetic field, and the thermoelectrons are emitted by the impact that strikes the cathodes 32 and 32. Then, the ions obtained by the generation of plasma are used as an ion beam in the discharge chamber 3
3 is taken out through the take-out slit 34.
【０００６】[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。[Problems to be Solved by the Invention] However, the conventional PIG
Although the ion type ion source has the above-mentioned advantages, it has the following problems. That is, (1) there is an instability in the discharge state due to the shape, arrangement, and gas pressure of the electrodes, and it is difficult to stably obtain ions, particularly negative ions. (2) Since the arc voltage for sustaining the discharge is relatively high (about 500 V or more), the life of the cathode (cathode) is shortened due to the change in the electrode shape due to ion bombardment (cathode wear) ( (Several 10 hours). (3) A cooling mechanism that removes the power consumed by the ion source and the heat generated by the induced high-frequency current is required, and complicated cooling is required for high power consumption, resulting in an increase in the size of the device. (4) A large amount of gas is used. When the amount of gas used is large, the gas supplied to the ion source finally flows into the acceleration box, and the degree of vacuum is deteriorated. Due to the deterioration of the degree of vacuum, the ion beam, which should be accelerated to the maximum radius, collides with the residual gas in the middle during the acceleration and is lost, and the beam output becomes unstable and decreases. The present invention has been made in view of the above circumstances, and has an ion (especially negative ion) due to its small structure.
It is an object of the present invention to provide an internal negative ion source capable of stably supplying a sufficient amount of hydrogen and having excellent durability.
【０００７】[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、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おり、さらに、
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、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
ており、さらに、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ＬａＢ６焼結体からな
ることを特徴とする。In order to solve the above problems, the first invention of the internal negative ion source for a cyclotron of the present invention is a cylindrical anode, and a discharge chamber constituted by the space inside the anode. In an internal negative ion source for a cyclotron having two cathodes arranged at both ends of the discharge chamber and an ion extraction port formed in the anode to extract ions from the discharge chamber to the outside, ion extraction from the discharge chamber It is characterized in that a recess for the low electron temperature region is formed in the anode wall portion extending to the mouth. A second aspect of the present invention is a tubular anode, a discharge chamber formed by the space inside the anode, two cathodes arranged at both ends of the discharge chamber, and the anode for extracting ions from the discharge chamber to the outside. An internal negative ion source for a cyclotron having an ion extraction port formed on the anode wall part between the discharge chamber and the ion extraction port
In the low electron temperature region is formed a recess,
The cathode diameter is smaller than the anode inner diameter, and the cathode tip has a taper shape in which the diameter becomes smaller toward the tip side,
It is characterized in that the anode end portion close to the cathode tip end portion has a tapered shape in which the inner diameter decreases toward the inner side. A third invention is a tubular anode, a discharge chamber formed by the space inside the anode, and two cathodes arranged at both ends of the discharge chamber,
In an internal negative ion source for a cyclotron having an ion extraction port formed in the anode to extract ions from the discharge chamber to the outside, from the discharge chamber to the ion extraction port
A recess for low electron temperature region is formed on the anode wall between
Further, the two cathodes are arranged in a closed space including the discharge chamber. A fourth invention is characterized in that, in the first to third inventions, the cathode is made of a LaB 6 sintered body.
【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。
Ｈ２ ＊（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。As described above, in the PIG type ion source, high temperature is generated due to the PIG arc discharge of the cathode.
Although a high density plasma can be obtained, it is said that the rate of negative ion generation in the high density plasma is considerably lower than that of positive ions (5 to 15%). Therefore, as shown in the first aspect of the present invention, by forming a recess for the low electron temperature region in the anode wall portion between the discharge chamber and the ion extraction port, it is possible to stably generate negative ions. Become.
That is, although a discharge region having a high electron temperature is formed in the discharge chamber, a discharge region having a low electron temperature is formed in the recess, and the discharge region is divided into a region having a high electron temperature and a region having a low electron temperature. In the low electron temperature region, the following dissociative adhesion reaction is promoted. H 2 * (excited molecule) + e (≦ 1 eV) → H − + H By the above reaction, ions, particularly negative ions, are efficiently generated. In addition, the amount of negative ions produced in the recess largely depends on the shape thereof. As shown in FIG. 5, which shows the change in the amount of D − ions generated when the depth of the recess is changed, according to the experiments by the present inventors, the depth of the recess is 2 mm.
It has been confirmed that the amount of generated ions greatly increases depending on the degree. It has been confirmed that when the distance between the cathodes is 40 mm, it is desirable that the height of the recess be 20 mm or less in order for the recess to function as a low electron temperature region.
【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。The PIG type ion source of the present invention has a cylindrical anode and cathodes arranged at both ends thereof.
The space inside the anode is assigned to the discharge chamber. Therefore, it is sufficient that the anode has at least a cylindrical hole, and the wall of the hole acts as an anode at the time of discharge, and it is not always essential that the anode itself is composed of a cylindrical body. However, the plasma generated in the discharge chamber is considered to have a cylindrical shape that is long in the vertical direction, like the vertical magnetic field. Therefore, it is considered that making the anode wall a cylindrical hole is advantageous in terms of increasing the plasma density. The material of the anode is not particularly limited as the present invention,
Copper or the like can be used as in the conventional case. However, if the cooling of the anode is not sufficient, it is necessary to select a refractory metal material (molybdenum or the like) as the material.
【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。Further, the PIG type ion source has a drawback that the discharge state becomes unstable, but this is because the discharge becomes unstable between the cathode and the anode in the vicinity of the cathode. There is. Therefore, as shown in the second aspect of the invention, the discharge stability can be obtained by devising the shape of the cathode and the anode in the vicinity of the cathode. In this case, at least the cathode diameter needs to be smaller than the anode inner diameter (end inner diameter), and preferably the cathode diameter is about 80 to 85% of the anode end inner diameter. As a result, the horizontal boundary of the plasma generated in the discharge chamber becomes smaller than the inner diameter of the anode wall, and the probability of the plasma disappearing at the anode wall is reduced. That is, high-density plasma generation is promoted. Also, there is a correlation in the amount of ions produced between the diameter of the cathode and the distance between the cathodes, and the magnetic field strength of the cyclotron used in the experiment (about 1.4 Wb)
In the above, by setting the ratio of the two to about 1: 7, the amount of ions produced can be increased. This is considered to be because the optimum spatial shape of the plasma generated in the discharge chamber depends on the magnetic field strength, high-density plasma is obtained in the optimum shape, and the amount of generated ions increases.
【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。Further, it is desirable that the shape of the tip of the cathode has a taper shape such that the diameter becomes smaller toward the tip side, and the inside diameter of the anode end near the cathode tip decreases toward the inside. . The above tapered shape has
Not only those having a constant diameter reduction rate and flat side surfaces, but also those having a curved surface are included. In particular, it is desirable that the cathode tip portion has a spherical shape according to the above. By selecting these shapes, the cathode and the anode end face each other at substantially the same interval, and the electric field between the cathode and the anode in the vicinity of the cathode becomes uniform, so that local discharge does not occur. On the other hand, arc discharge occurs in the direction of the central axis of the cylindrical anode wall and promotes high-density plasma generation around and about the axis. That is, the probability that the plasma will disappear on the anode wall is reduced, the ease of starting the discharge and the stability of the discharge (the change over time is reduced) can be obtained.
【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（Ｈ２ ＊）の
生成に寄与し、従って、負イオンの生成を促進する。Further, in order to reduce the amount of used gas and prevent the degree of vacuum of the cyclotron from deteriorating as much as possible, it is effective to adopt an airtight structure for reducing gas leakage from other than the outlet as shown in the third invention. Is. This allows
The leaked gas makes the ion beam unstable,
It is possible to prevent the amount of ions from decreasing. Further, since the gas pressure and the gas amount in the space including the discharge chamber are kept constant,
The discharge is stable. Further, the airtight structure allows the gas to be stably supplied to the low electron temperature region shown in the first aspect of the invention, and the excitation necessary for causing the dissociative adhesion reaction in the low electron temperature region described above. It contributes to the production of hydrogen molecules (H 2 * ) and thus promotes the production of negative ions.
【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ＬａＢ６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。Further, in the PIG type ion source, since the thermoelectron emission due to the bombardment of ions to the cathode is utilized except during the initial operation as described above, the cathode is made of a material which is not easily sputtered by the ion bombardment. Must be,
Conventionally, tungsten, tantalum, molybdenum, etc. have been used. However, since these materials are used at high temperatures,
The burden on the cooling means is large, and there is a problem in terms of life. Therefore, as shown in the fourth aspect of the invention, it is desirable to employ a LaB 6 ceramic sintered body having a small work function and excellent thermionic emission characteristics. Since this material has a low work function, it can be used at a low temperature, and the consumption due to evaporation can be kept low (Table 1). Therefore, the life of the cathode can be extended. Also tungsten, tantalum,
The arc discharge voltage is lower than that of a hot cathode made of a high melting point metal such as molybdenum, so that power consumption can be reduced and cooling can be facilitated, so that the ion source can be downsized.
【００１４】[0014]
【表１】 [Table 1]
【００１５】[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。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A negative ion source according to an embodiment of the present invention will be described below. Ion source support materials 1 and 1 are arranged so as to have a predetermined space in the vertical direction, and an anode member 2 is attached so as to be sandwiched between the tip ends of the ion source support materials 1 and 1. A cylindrical hole penetrating in the vertical direction is formed in the anode member 2 as the discharge chamber 3, and a peripheral wall portion surrounding the discharge chamber 3 is assigned to the anode 4.
Also, on both ends of the discharge chamber 3, LaB is coaxial with the discharge chamber 3.
Cathodes 5 and 5 made of 6- sintered body are arranged so as to face each other. The cathodes 5 and 5 are attached to the anode member 2 with an insulating material 6 interposed therebetween in order to ensure insulation with the anode 4. It is fixed, and the insulating material 6 hermetically seals the space where the cathode 5 is exposed and the discharge chamber 3.
The bases of the cathodes 5 and 5 are formed in a cylindrical shape having a smaller diameter (diameter: 6 mm) than the inner diameter of the anode 4, and the tip 5
The shape of a is hemispherical so that the tip side has a small diameter. On the other hand, the inner surface of the anode 4 is around the base of the cathode 5,
The anode 5 is formed with the same diameter as the outer peripheral wall of the cathode 5 so as to have a constant distance, and the anode end 4a around the tip of the cathode 5 has a tapered surface shape in which the diameter decreases at a constant rate toward the inside. And has a constant inner diameter (diameter: 7 mm) inside. The cathodes 5 and 5 are
It is connected to the negative output of a DC power supply (not shown) via the power introduction terminals 11, 11, etc., and the anode 4 is connected to the positive polarity (ground) of the power supply.
【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。Further, in the anode 4 at the center of the discharge chamber 3 on the tip side, a recess 7 having a recessed anode wall on the tip side is formed with a depth of 2 mm, and the anode member is provided on the tip side of the recess 7. A slit-shaped ion extraction port 10 that opens to the outside of 2 is formed. Further, a water cooling pipe 13 is embedded in the anode member 2, and the water cooling pipe 13 is connected to an external cooling water supply source (not shown). Further, the anode member 2 includes
Gas pipe 1 connected to an external gas supply source (not shown)
4 is buried, and the gas pipe 14 is opened to the inner wall surface of the anode 4 and communicates with the discharge chamber 3.
【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。The operation of the ion source will be described below. While cooling the anode member 2 with the water cooling pipe 13, a gas is supplied from the gas pipe 14 into the discharge chamber 3, and the anode 4 and the cathode 5,
A high voltage discharge starting voltage is applied between 5 to start discharging.
The gas is ionized in the discharge chamber 3 by this discharge, and the ions collide with the cathodes 5 and 5, so that thermoelectrons are emitted and the gas is turned into plasma in the discharge chamber 3. It should be noted that the front end portion of the cathode 5 and the end portion of the anode 4 have a shape in which the facing surfaces are substantially along each other, and stable discharge is performed. In addition, arc discharge occurs in the direction of the central axis of the cylindrical anode wall,
Promotes high-density plasma production on and around the axis. That is, the discharge is made uniform, and the stability of the discharge is further obtained. In the discharge chamber 3, a high electron temperature discharge is generated and a high density plasma is generated. on the other hand,
In the recess 7 provided in the anode 2, there is no direct contact with the cathode 5, and a discharge region at a low electron temperature is formed. In this region, the dissociative attachment reaction is promoted, and particularly many negative ions are produced. When the negative ions generated by the ion source are extracted to the outside of the discharge chamber 3 through the extraction port 10, the extracted negative ions are accelerated in the acceleration box by an accelerating electrode (not shown) to prevent collision with the stripping foil. After that, the target is irradiated.
【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。According to the above-mentioned internal negative ion source, ions can be sufficiently and stably supplied, and for example, H − ,
D − negative ion particles can be stably produced.
For example, as shown in FIGS. 3 and 4, by setting an appropriate arc current, H − is 190 μA and D − is 70 μA.
A sufficient amount of ion beam of A can be obtained, and necessary and sufficient performance as a medical cyclotron can be obtained. In addition, since the discharge chamber is placed in an airtight space, the amount of gas used can be small. For example, when H − and D − are produced, desired ions are supplied by supplying a source gas at about 5 CC / min. Can be generated. For this reason, gas leakage into the acceleration box is extremely small, and the degree of vacuum is not deteriorated by significantly reducing the beam during acceleration or causing internal activation. Further, the arc discharge characteristics are stable, and excellent discharge stability can be obtained even when the beam is started up and during long-term operation. Also, the stability of the discharge,
The durability of the cathode has been greatly improved due to the selection of the material, and its life is well over 200 hours.
【００１９】[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
（Ｈ２ ＊）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ＬａＢ６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。As described above, according to the cyclotron ion source of the present invention, since the recess for the low electron temperature region is formed in the anode wall between the discharge chamber and the ion outlet, the dissociation property is improved. The adhesion reaction is promoted and the amount of ions produced is increased. Also, make the cathode diameter smaller than the anode inner diameter,
And the cathode tip is tapered so that the diameter becomes smaller toward the tip, and the anode end near the cathode tip is tapered such that the inside diameter becomes smaller toward the middle, and between the cathode and the anode near the cathode. Since the electric field is uniform, no local discharge is generated, and the arc discharge is generated in the direction of the central axis of the cylindrical anode wall, which promotes high-density plasma generation around the axis. . That is, the probability that plasma will disappear at the anode wall is reduced, the discharge is stabilized, and stable ions can be generated in a sufficient amount. Furthermore, by disposing the two cathodes in a closed space including the discharge chamber, the discharge chamber becomes airtight, and the amount of gas leaking to the outside of the ion source can be reduced as much as possible. The beam lost due to the collision of is reduced, a stable ion beam is obtained, and in combination with the first invention, the gas can be reliably and stably supplied to the recess, so that the dissociative adhesion reaction in the recess is prevented. Contributes to the generation of excited hydrogen molecules (H 2 * ) necessary to generate the hydrogen, and thus a sufficient amount of negative ions can be stably obtained. Further, if the cathode is made of LaB 6 sintered body, the arc discharge voltage becomes low, so that discharge with lower power is possible and the operating temperature is low, so that the burden on the cooling means can be reduced and the durability can be improved. It has the effect of significantly improving.
【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。FIG. 1 is a cross-sectional view of an ion source according to an embodiment of the present invention.
【図２】 同じく拡大断面図である。FIG. 2 is an enlarged sectional view of the same.
【図３】 同じくＨ−イオン生成量を示すグラフであ
る。FIG. 3 is a graph similarly showing the amount of H − ions produced.
【図４】 同じくＤ−イオン生成量を示すグラフであ
る。FIG. 4 is a graph showing the amount of D − ions produced.
【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。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the amount of gas and the amount of generated ions when the depth of the recess provided in the anode changes.
【図６】 従来のサイクロトロンを示す概略斜視図であ
る。FIG. 6 is a schematic perspective view showing a conventional cyclotron.
【図７】 同じくＰＩＧ型イオン源の拡大断面図であ
る。FIG. 7 is an enlarged sectional view of the PIG type ion source.
【図８】 図７のＶIII−ＶIII線断面図である。8 is a sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
【図９】 図７のIＸ−IＸ線断面図である。9 is a sectional view taken along line IX-IX in FIG.
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 2 Anode member 3 discharge chamber 4 anode 4a Anode end 5 cathode 5a cathode tip 7 recess 10 Ion outlet 13 Water cooling tube 14 gas pipe
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (56)参考文献 特開 平４−169041（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−142020（ＪＰ，Ａ) 実開 平７−5246（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−112840（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−112839（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 37/08 H05H 13/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor, Kazuhide, many, No. 4, Chazu-cho, Muroran-shi, Hokkaido Inside the Nippon Steel Works (56) References (JP, A) Actually open 7-5246 (JP, U) Actually open 62-112840 (JP, U) Actually open 62-112839 (JP, U) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7) , DB name) H01J 37/08 H05H 13/00
Claims (4)
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。1. A cylindrical anode, a discharge chamber constituted by the space inside the anode, two cathodes arranged at both ends of the discharge chamber, and the anode for extracting ions from the discharge chamber to the outside. An internal negative ion source for a cyclotron having an ion extraction port formed, characterized in that a recess for a low electron temperature region is formed in the anode wall between the discharge chamber and the ion extraction port. Internal negative ion source.
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
成されており、さらに、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。2. A cylindrical anode, a discharge chamber formed by the space inside the anode, two cathodes arranged at both ends of the discharge chamber, and the anode for extracting ions from the discharge chamber to the outside. In the internal negative ion source for the cyclotron with the formed ion extraction port, the ion extraction from the discharge chamber
A recess for the low electron temperature region is formed on the anode wall between the opening and
In addition, the cathode diameter is smaller than the anode inner diameter, and the cathode tip has a tapered shape that becomes smaller toward the tip, and the anode end near the cathode tip has an inner diameter toward the inside. An internal negative ion source for a cyclotron characterized by having a taper shape that reduces
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
成されており、さらに、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。3. A cylindrical anode, a discharge chamber formed by the space inside the anode, two cathodes arranged at both ends of the discharge chamber, and the anode for extracting ions from the discharge chamber to the outside. In the internal negative ion source for the cyclotron with the formed ion extraction port, the ion extraction from the discharge chamber
A recess for the low electron temperature region is formed on the anode wall between the opening and
Made is and, further, two cathode internal negative ion sources for cyclotron, characterized in that it is disposed in a sealed space containing a discharge chamber.
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。4. The internal negative ion source for a cyclotron according to claim 1, wherein the cathode is made of LaB 6 sintered body.
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