JP6121186B2 - バンチャー及び加速器 - Google Patents

Description

本発明は、イオンビームの進行方向の密度を調整するバンチャー及び加速器に関する。

従来、バンチャーに関する技術文献として、例えば特開平５−７４５９３号公報が知られている。この公報には、イオンビームの進路上に時間的に変化する電界を発生させることで、イオンビームの進行方向の密度を調整するバンチャーが示されている。

このような従来のバンチャーとしては、外筒部及び内筒部を有し、イオンビームの進行方向に沿って延在する二重筒体と、二重筒体の一方の端部に位置するバンチャー電極と、を備え、外筒部及び内筒部の間の空間が真空にされたものが用いられていた。

特開平５−７４５９３号公報

しかしながら、前述した従来のバンチャーでは、イオンビームに対するバンチング効果を最適化するためにバンチャー電極の電圧を低くすると、外筒部及び内筒部の間の真空空間内においてマルチパクタリング放電が生じやすくなり、電圧が安定しなくなるという問題があった。

そこで、本発明は、バンチャー電極において安定して電圧を発生させることができるバンチャー及び加速器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、外筒部及び内筒部を有し、イオンビームの進行方向に沿って延在する二重筒体と、二重筒体の一方の端部に位置し、電圧が印加されるバンチャー電極と、を備え、二重筒体は、導電材料から構成されており、二重筒体の他方の端部側とバンチャー電極との間を仕切る絶縁性の仕切り部を有し、二重筒体の他方の端部側では、外筒部と内筒部とが連結して閉じられており、バンチャー電極は、二重筒体の一方の端部側において、外筒部と内筒部とに連結されており、外筒部及び内筒部の一方の端部側はバンチャー電極によって閉じられており、二重筒体の外筒部及び内筒部の間で密閉された形成された空間であって、仕切り部と二重筒体の前記他方の端部側との間の空間は気体で満たされていることを特徴とする。

本発明に係るバンチャーによれば、マルチパクタリング放電が生じやすい二重筒体の他方の端部側において、外筒部及び内筒部の間に形成された空間が気体で満たされているので、気体の粒子が電子の移動を妨げることにより空間内のマルチパクタリング放電を抑制することができ、バンチャー電極において安定して電圧を発生させることができる。従って、このバンチャーは、マルチパクタリング放電が発生しやすい低電圧における使用に有利である。

また、本発明に係るバンチャーにおいては、気体は空気であってもよい。
この場合、マルチパクタリング放電を抑制する専用の気体を用意する必要もなく、気体の管理も不要となるため、コスト低減を図ることができる。

また、本発明に係るバンチャーにおいて、内筒部の内側にはイオンビームを収束する収束手段が設けられていてもよい。
このバンチャーによれば、イオンビームを収束する収束手段をバンチャー内に設けることにより、バンチャー外に収束手段を設ける場合と比べて、装置構成の小型化を図ることができる。

また、本発明に係るバンチャーにおいて、二重筒体の一方の端部側には、イオンビームの進行方向に沿った方向に突出する突出部が形成されており、当該突出部の先端にバンチャー電極が位置してもよい。
このバンチャーによれば、バンチャー電極をよりメディアンプレーンに近い位置に配置することができるので、一層効率良くバンチング効果を得ることができる。

本発明に係る加速器は、上述した何れかのバンチャーを備えることを特徴とする。
本発明に係る加速器によれば、バンチャーにおいて安定して電圧を発生させることができるので、継続的にイオンビームの進行方向の密度を調整して効率的な加速を行うことができ、安定性の高いイオンビームの供給効率を高めることができる。

本発明に係るバンチャー及び加速器によれば、バンチャー電極において安定して電圧を発生させることができる。

本発明に係るサイクロトロンの一実施形態を示す断面図である。 イオンビームの進行方向に沿ったバンチャーの断面図である。 他の実施形態に係るバンチャーを示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示されるように、本実施形態に係るサイクロトロン１は、イオン源２から送り出されたイオンビームＲを加速して出射する横置き型の加速器である。イオンビームＲを構成するイオンとしては、例えば陽子や重イオンなどが挙げられる。

このようなサイクロトロン１は、例えば、ＰＥＴ［Positron Emission Tomography］用サイクロトロン、中性子捕捉療法用サイクロトロン、ＲＩ［Radio Isotope］製剤用サイクロトロン、中性子源用サイクロトロン、陽子用サイクロトロン、重陽子用サイクロトロンとして用いられる。

サイクロトロン１は、イオン源２、内部に所定の空間が形成された中空のヨーク３、ポール４、コイル５、バンチャー８、インフレクター９、及びソレノイド（収束手段）１０を備えている。

イオン源２は、ヨーク３の外部に設けられ、イオンを生成する外部イオン源である。図１では、円盤型のサイクロトロン１の中心軸Ｃ上にイオン源２が設けられているが、必ずしも中心軸Ｃ上にイオン源２を設ける必要はない。イオン源２は、サイクロトロン１の上側ではなく下側に設けられていてもよい。また、イオン源２の一部又は全体がヨーク３内に入り込んでいてもよい。

ポール４は、上ポール６及び下ポール７からなる磁極である。上ポール６はヨーク３の内部の上面３ａに配置されており、下ポール７はヨーク３の内部の下面３ｂに配置されている。上ポール６及び下ポール７の周囲には円環状のコイル５が配置されており、コイル５に対する電流供給により上ポール６及び下ポール７の間に鉛直方向の磁場が発生する。これらの上ポール６及び下ポール７の間に、イオンビームＲが周回するメディアンプレーンＭが形成される。

また、サイクロトロン１は、ディー電極（図示せず）を備えている。ディー電極は、中心軸Ｃの延在方向から見て扇型（中心軸Ｃを中心として螺線状に拡がる扇形も含む）に形成されて0いる。ディー電極の内部には、中心軸Ｃの周方向に貫通された空洞が形成されており、その空洞内にメディアンプレーンＭが位置している。サイクロトロン１では、ディー電極に交流電流を供給することで空洞内に高周波電場を発生させ、高周波電場における電位差の周期的変化によりイオンビームＲを繰り返し加速させる。

バンチャー８は、イオンビームＲの進行方向（位相方向）の密度を調整するものである。バンチャー８は、高周波電場における電位差の周期的変化に対応するように、イオンビームＲを進行方向の所定間隔で集束させることにより、サイクロトロン１のビーム効率を高める。

このバンチャー８の大部分は、ヨーク３内に入り込んでいる。具体的には、バンチャー８は、ヨーク３に形成されたバンチャー用の第１の孔３ｃの内部に入り込んでいる。第１の孔３ｃは、ヨーク３内部の空間とヨーク４の外部とを連通させるように、中心軸Ｃに沿って形成された貫通孔である。

更に、バンチャー８の一部は、上ポール６に形成された凹部６ａ内に入り込んでいる。すなわち、バンチャー８は、その大部分がヨーク３の第１の孔３ｃに収容されると共に、その一部（上ポール６側）が上ポール６の凹部６ａ内に入り込んでいる。上ポール６の凹部６ａは、ヨーク３の第１の孔３ｃに対応して形成され、中心軸Ｃに沿って下向きに凹んで形成されている。

なお、ヨーク３は、インフレクター９に対して第１の孔３ｃの反対側に形成された第２の孔３ｄを有している。第２の孔３ｄは、インフレクター９に対して第１の孔３ｃと略対称に形成された貫通孔である。すなわち、第２の孔３ｄは、ヨーク３の対称性を保つため、大きさや形状がなるべく第１の孔３ｃと等しくなるように形成されている。

同様に、下ポール７は、インフレクター９に対して上ポール６の凹部６ａと略対称に形成された凹部７ａを有している。凹部７ａは、ヨーク３の第２の孔３ｄに対応して形成され、中心軸Ｃに沿って上向きに凹んでいる。

なお、必ずしもバンチャー８の少なくとも一部がヨーク３内に入り込む必要はなく、ヨーク３外にバンチャー８を配置してもよい。この場合、図１に示すほど大きくヨーク３の孔３ｃ，３ｄを形成する必要はなく、上ポール６及び下ポール７に凹部６ａ，７ａを設ける必要もない。

インフレクター９は、イオンビームＲをメディアンプレーンＭに入射（導入）させるものである。インフレクター９は、電源（図示せず）から電流を供給されており、サイクロトロン１の中心軸Ｃに沿って進行するイオンビームＲを偏向してメディアンプレーンＭに入射させる。インフレクター９は、上ポール６及び下ポール７の間でサイクロトロン１のほぼ中心に配置されている。

インフレクター９を通じてメディアンプレーンＭに入射したイオンビームＲは、ポール４の磁場及びディー電極の電場の作用によって螺旋状の軌道を描きながら加速する。イオンビームＲは十分に加速された後、軌道から引き出されて外部へ出力される。

以下、バンチャー８の構成について図２を参照して説明を行う。図２は、イオンビームＲの進行方向に沿ったバンチャー８の断面図である。図２に示されるように、バンチャー８は、イオンビームＲの進行方向に沿って延在する二重筒体２０と、二重筒体２０の一方の端部（インフレクター９側の端部）２０ａに位置するバンチャー電極２１と、を有している。

二重筒体２０は、例えば銅などの導電材料から構成されており、円筒状の外筒部２２及び内筒部２３を有している。外筒部２２及び内筒部２３の間は、一方の端部２０ａ側及び他方の端部２０ｂ側の両方が閉じられており、空間２４が形成されている。

この空間２４は空気（大気）で満たされている。空間２４は、孔や配管などを通じて大気開放されていてもよく、密閉されていてもよい。なお、空間２４の内部には、空気に代えて、十分な絶縁性のあるガス（例えば、窒素ガスやアルゴンガス、ヘリウムガスなど）を封入してもよい。この場合には空間２４を密閉する必要がある。

二重筒体２０には外部の電源（図示せず）から低電圧（例えば２ｋＶ〜３ｋＶの電圧）が印加され、外筒部２２と内筒部２３の間には低い電位差が存在する。なお、二重筒体２０の他方の端部２０ｂでは、外筒部２２及び内筒部２３が連結されており、電位差は０Ｖとなる。

また、二重筒体２０は、イオンビームＲの進行方向において本体部２０ｃと突出部２０ｄに分けることができる。本体部２０ｃは、一定の直径を有する円筒状の部位であり、イオンビームＲの入射側が開放されている。この本体部２０ｃの内側（内筒部２３の内周側）には、イオンビームＲが通過する真空の内部空間２５が形成されている。この内部空間２５には、イオンビームＲを収束させるソレノイド１０が配置されている。

ソレノイド１０は、イオンビームＲを収束させるための収束手段である。ソレノイド１０の作り出す磁場は、進行方向に垂直な平面内（Ｘ方向及びＹ方向の両方）でイオンビームＲを収束させる。なお、ソレノイド以外の収束手段を用いてもよい。

二重筒体２０は、内部空間２５を十分に確保するため、壁厚（外筒部２２、内筒部２３、及び空間２４の合わせた厚さ）が薄くなるように構成されている。例えば、二重筒体２０の直径が約４４０ｍｍである場合、壁厚を約４０ｍｍまで薄くすることにより、直径が約３６０ｍｍの内部空間２５を確保することができる。これにより、内部空間２５の大きさを十分に確保してソレノイド１０を配置することが容易になる。

二重筒体２０の突出部２０ｄは、本体部２０ｃからインフレクター９側に突出して形成された円筒状の部位である。突出部２０ｄは、本体部２０ｃより小さい直径を有している。この突出部２０ｄの先端の端部２０ａには、バンチャー電極２１及び仕切り部２６が位置する。仕切り部２６は二重筒体２０の一部である。

仕切り部２６は、バンチャー電極２１と二重筒体２０の端部２０ｂ側との間を仕切る円環状の部材である。仕切り部２６は、真空側のバンチャー電極２１と大気側の空間２４とを離間させている。この仕切り部２６は、バンチャー８の中で最も電圧が高くなるバンチャー電極２１と最も電圧が低くなる二重筒体２０の端部２０ｂ側との間を仕切るように設けられている。

この仕切り部２６は、絶縁性の材料から形成されている。具体的には、仕切り部２６の材料としてセラミックスなどの絶縁性材料を用いることができる。仕切り部２６は、空間２４の端部２０ａ側を閉鎖しており、仕切り部２６を通じた外筒部２２及び内筒部２３の間の短絡を防止するため十分な絶縁性が求められる。

バンチャー電極２１は、イオンビームＲの進行方向の密度を調整する電極部分である。バンチャー電極２１は、円環状の仕切り部２６の中央を塞ぐように配置されている。バンチャー電極２１は、イオンビームＲの進行方向に沿って所定間隔で配置された複数のメッシュ状の電極から構成されている。

バンチャー電極２１には、図示しない外部電源により低電圧（例えば２ｋＶ〜３ｋＶの電圧）が印加されており、イオンビームＲはメッシュ状の電極の網目を通り抜ける際に電界の影響を受けて進行方向の密度が調整される。

このような低電圧は、イオンビームＲの進行方向の密度を調整するバンチング効果を高めるために有効であり、特にバンチャー８とインフレクター９の距離が近い場合に効果的である。

次に、本実施形態に係るサイクロトロン１の作用・効果について説明する。

以上説明したサイクロトロン１のバンチャー８によれば、外筒部２２及び内筒部２３の間の空間２４が空気で満たされているので、空気中の分子が電子の移動を妨げることにより空間２４内のマルチパクタリング放電を抑制することができ、バンチャー電極２１において安定して電圧を発生させることができる。このバンチャー８は、マルチパクタリング放電が発生しやすい低電圧における使用に特に有効である。

また、このバンチャー８では、二重筒体２０の薄壁化により、バンチャー８を大型化することなく、十分な大きさの内部空間２６を確保することができる。従って、このバンチャー８では、内部空間２６にソレノイド１０を容易に配置することができ、バンチャー８の外にソレノイド１０を設ける場合と比べて、サイクロトロン１の小型化を図ることができる。

しかも、この構成によれば、バンチャー８がヨーク３の内部に入り込むことで、インフレクター９（メディアンプレーンＭ）に近い位置にソレノイド１０を配置することができるので、効果的にイオンビームＲの収束を行うことができる。なお、内部空間２５にソレノイド以外の機器を配置しても良い。また、この構成では、薄壁化により外筒部２２及び内筒部２３の間隔が狭くなることでマルチパクタリング放電が生じやすくなるが、空間２４が空気で満たされることにより放電は適切に抑制される。

また、このバンチャー８によれば、外筒部２２及び内筒部２３の間の空間２４を満たす気体として空気を用いているので、専用の気体を用意する必要もなく、気体の管理も不要となり、コスト低減を図ることができる。

また、このバンチャー８によれば、二重筒体２０の一方の端部２０ａ側に突出部２０ｄを形成し、その先端にバンチャー電極２１を配置する構成とすることで、バンチャー電極２１をインフレクター９（メディアンプレーンＭ）に近い位置に配置することができ、より効率良くバンチング効果を得ることができる。また、この構成によれば、突出部２０ｄを設けた分だけ、上ポール６の孔６ａを小さくすることができ、孔６ａの形成による磁場への影響を少なくすることができる。

更に、本実施形態に係るサイクロトロン１によれば、バンチャー８において安定して電圧を発生させることができるので、継続的にイオンビームＲの進行方向の密度を調整して効率的な加速を行うことができ、イオンビームＲの供給効率を高めることができる。

また、このサイクロトロン１によれば、バンチャー８がヨーク３内に配置されているので、バンチャー８をヨーク３の外に設ける従来の構成と比べて、バンチャー８とインフレクター９との距離を短くすることができる。このため、バンチャー８によってイオンビームＲの進行方向（位相方向）の密度を調整した後、空間電荷効果によってイオンビームＲが広がる前にインフレクター９へ到達させることができるので、高いバンチング効果を有する状態でイオンビームＲを加速することができ、ビーム効率の向上を図ることができる。

また、このサイクロトロン１では、バンチャー８の一部が上ポール６の凹部６ａ内に入り込んでいるので、バンチャー８とインフレクター９との距離を一層短くすることができる。従って、このサイクロトロン１によれば、大型のサイクロトロンであっても、バンチャー８及びインフレクター９を適切な間隔で配置することができ、ビーム効率の向上が図られる。

更に、このサイクロトロン１によれば、バンチャー８のバンチャー電極２１がインフレクター９側の端部２０ａに位置しているので、バンチャー電極２１が端部２０ａ以外に位置する場合と比べて、空間電荷効果によってイオンビームＲが広がる前にインフレクター９へ到達させることができ、ビーム効率の向上に有利である。

また、このサイクロトロン１では、インフレクター９に対して第１の孔３ｃの反対側に形成された第２の孔３ｄを有するので、第２の孔３ｄを有さない場合と比べて、ヨーク３の対称性を保つことができ、メディアンプレーンＭにおける磁場の制御が容易になる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここで、図３は他の実施形態に係るバンチャーを示す断面図である。

図３に示されるように、他の実施形態に係るバンチャー３０は、上述したバンチャー８と比べて、二重筒体３１における仕切り部３７の位置が異なっている。具体的には、バンチャー３０において二重筒体３１の外筒部３３及び内筒部３４の間は、仕切り部３７によって二つの空間３５，３８に仕切られている。他方の端部３１ｂ側の空間３５は空気で満たされており、一方の端部３１ａ側の空間３８は真空となっている。

この仕切り部３７は、二重筒体３１の本体部３１ｃと突出部３１ｄの間に配置されており、バンチャー３０の中で最も電圧が高くなるバンチャー電極３２と最も電圧が低くなる二重筒体３１の端部３１ｂ側との間を仕切っている。

このような他の実施形態に係るバンチャー３０においても、上述したバンチャー８と同様の効果を得ることができる。なお、上述したバンチャー８の方が構成を簡素化できる。

その他、バンチャーの構造は、上述したものに限られず、二重筒形状であれば円筒ではなく、多角形の筒体であってもよい。また、バンチャーは必ずしもヨーク内に入り込んでいる必要はなく、ヨーク外に配置されていてもよい。この場合には、ヨークに孔を設ける必要はない。また、イオンビームＲは、ヨークの下側から入射してもよい。この場合、バンチャーはヨーク下側に配置される。

また、バンチャーには、必ずしも突出部を設ける必要はない。更に、必ずしも薄壁化を行う必要もなく、内部空間にソレノイドを収容するものに限られない。

なお、サイクロトロンは、横置き型のものではなく縦置き型のものを採用してもよい。この場合には、上述した実施形態の説明における上下方向が左右方向となり、上ポール及び下ポールは、右ポール及び左ポールとなる。

１…サイクロトロン（加速器） ２…イオン源 ３…ヨーク ３ａ…上面 ３ｂ…下面 ３ｃ…第１の孔 ３ｄ…第２の孔 ４…ポール ５…コイル ６…上ポール ６ａ…凹部 ７…下ポール ８，３０…バンチャー ９…インフレクター １０…ソレノイド（収束手段） ２０，３１…二重筒体 ２０ａ，３１ａ…一方の端部 ２０ｂ，３１ｂ…他方の端部 ２０ｃ，３１ｃ…本体部 ２０ｄ，３１ｄ…突出部 ２１，３２…バンチャー電極 ２２，３３…外筒部 ２３，３４…内筒部 ２４，３５，３８…空間 ２５，３６…内部空間 ２６，３７…仕切り部 Ｍ…メディアンプレーン Ｒ…イオンビーム

Claims (5)

1. 外筒部及び内筒部を有し、イオンビームの進行方向に沿って延在する二重筒体と、
   前記二重筒体の一方の端部に位置し、電圧が印加されるバンチャー電極と、
   を備え、
   前記二重筒体は、
   導電材料から構成されており、
   前記二重筒体の他方の端部側と前記バンチャー電極との間を仕切る絶縁性の仕切り部を有し、
   前記二重筒体の前記他方の端部側では、前記外筒部と前記内筒部とが連結されて閉じられており、
   前記バンチャー電極は、前記二重筒体の前記一方の端部側において、前記外筒部と前記内筒部とに連結されており、
   前記外筒部及び前記内筒部の前記一方の端部側は前記バンチャー電極によって閉じられており、
   前記二重筒体の前記外筒部及び前記内筒部の間で密閉された空間であって、前記仕切り部と前記二重筒体の前記他方の端部側との間の空間は気体で満たされているバンチャー。
2. 前記気体は空気である、請求項１に記載のバンチャー。
3. 前記内筒部の内側には、イオンビームを収束する収束手段が設けられている、請求項１又は２に記載のバンチャー。
4. 前記二重筒体の前記一方の端部側には、イオンビームの進行方向に沿って突出する突出部が形成されており、当該突出部の先端に前記バンチャー電極が位置する、請求項１〜３のうち何れか一項に記載のバンチャー。
5. 請求項１〜４のうち何れか一項に記載のバンチャーを備える加速器。

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