JP6144214B2 - 負イオン源装置 - Google Patents

Description

本発明は、負イオン源装置に関する。

加速器等に用いられるイオン源装置として、例えば、固体を原料とするプラズマスパッタ型の負イオン源装置（特許文献１参照）や、気体（例えば、水素ガス）を原料として負イオンビームを生成する負イオン源装置が知られている。後者の負イオン源装置は、例えば、チャンバと、チャンバ内にプラズマを生成するためのフィラメントと、チャンバ内に水素ガスを供給する水素ガス供給部と、チャンバ内にセシウム蒸気を供給するためのセシウム供給源と、チャンバ内で生成された負イオンをチャンバ外に引き出すプラズマ電極とを備える。フィラメントには電流が流されているので、加熱されたフィラメントからは熱電子が放出され、チャンバ内の水素ガスと衝突してプラズマが生成される。そして、プラズマ中の低速電子又はプラズマ電極表面の電子と、水素分子、水素原子、又は水素イオンと、が反応することにより、負イオンが生成される。

セシウムが付着した物質の表面においては仕事関数が低下するので、セシウムは、負イオンの生成を促進する機能を有する。そのため、セシウムがセシウム供給源によってチャンバ内に供給されると、負イオン源から引き出される負イオン量の増大が図られる。こうしてチャンバ内に蒸気の状態で供給されたセシウムは、負イオン源装置の稼働に伴い、徐々にチャンバの壁面に固体又は液体の状態で堆積していく。

特開２００４−０３０９６６号公報

しかしながら、セシウムのような負イオンの生成を促進する促進物質がチャンバの壁面に多く堆積すると、促進物質の供給量に対して負イオンの生成に寄与する割合が少なくなってしまう。

そこで、本発明の目的は、促進物質の利用効率を高めることが可能な負イオン源装置を提供することにある。

本発明の一つの観点に係る負イオン源装置は、チャンバと、チャンバ内に原料ガスを供給する原料ガス供給部と、チャンバの一端側に位置すると共に、原料ガス供給部により供給された原料ガスを用いてプラズマを生成するプラズマ生成部と、負イオンの生成を促進すると共に大気との反応性を有する促進物質をチャンバ内に供給する促進物質供給部と、チャンバの他端側に位置していると共に、チャンバ内で生成された負イオンをチャンバ外に引き出すことが可能な貫通孔を有する電極と、チャンバの一端側における壁部の温度よりも低い温度を、チャンバの他端側において生じさせる温度調整部とを備える。

本発明の一つの観点に係る負イオン源装置では、温度調整部が、チャンバの一端側における壁部の温度よりも低い温度を、チャンバの他端側において生じさせている。そのため、促進物質供給部によりチャンバ内に供給された促進物質は、蒸気の状態をとる場合、温度調整部により低温となった領域（低温領域）において液化又は固化しやすくなり、その結果当該低温領域に集まりやすくなる。当該低温領域は、電極が位置するチャンバの他端側にあるため、低温領域における促進物質が熱を周囲から受けて蒸発すると、促進物質が電極に供給されることとなる。これにより、電極において負イオンの生成が促進される。以上により、チャンバの壁面に付着しがちであった促進物質が電極の近傍に集められ、負イオンの生成促進に供せられる。その結果、促進物質の利用効率を高めることが可能となる。

温度調整部は、冷媒が内部を流通する冷却管であってもよい。

冷却管は、プラズマ生成部と貫通孔とを結ぶ仮想直線を囲むように配置されていてもよい。この場合、チャンバの内周面に促進物質がバランスよく集まりやすくなる。

本発明の一つの観点に係る負イオン源装置は、チャンバの外周面とは離間した状態でチャンバの外周側に位置すると共に、チャンバ内に所定の磁場を形成する磁石と、磁石を冷却する冷却部とをさらに備えてもよい。この場合、磁石を冷却する冷却部により、負イオン源装置の稼働時に磁石が過剰に発熱することを抑制できる。加えて、磁石とチャンバの外周面とは離間しているので、磁石の熱がチャンバに伝達してチャンバが過剰に発熱することを抑制できる。

本発明の一つの観点に係る負イオン源装置は、チャンバの壁部を加熱する加熱部をさらに備えてもよい。この場合、加熱部がチャンバの温度を調整することで、チャンバの温度が所定の目標値よりも低くなることを抑制できる。そのため、チャンバ内のプラズマの温度を所定の値に保持することが可能となる。

本発明によれば、促進物質の利用効率を高めることが可能な負イオン源装置を提供することができる。

図１は、中性子捕捉療法装置を概略的に示す図である。 図２は、本実施形態に係る負イオン源装置を示す図である。 図３は、第１変形例に係る負イオン源装置を示す図である。 図４は、第２変形例に係る負イオン源装置を示す図である。 図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図である。 図６は、第３変形例に係る負イオン源装置を示す図である。

本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、本発明の一つの形態に係る負イオン源装置１００を備える中性子捕捉療法装置１を例にとり、中性子捕捉療法装置１の概要について図１を参照しつつ説明する。中性子捕捉療法装置１は、ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Boron Neutron Capture Therapy）を用いたがん治療などを行うために用いられる装置であり、ホウ素（^１０Ｂ）が投与された患者５０の腫瘍へ中性子線Ｎを照射する。

中性子捕捉療法装置１は、サイクロトロン２を備える。サイクロトロン２は、負イオン源装置１００で生成された負イオン（陰イオンともいう）を加速して、荷電粒子線Ｒを作り出す加速器である。このサイクロトロン２は、例えば、ビーム半径４０ｍｍ、６０ｋＷ（＝３０ＭｅＶ×２ｍＡ）の荷電粒子線Ｒを生成する能力を有している。中性子捕捉療法装置１は、加速器として、サイクロトロン２に限られず、シンクロトロン、シンクロサイクロトロン、ライナックなどを用いてもよい。

サイクロトロン２から出射された荷電粒子線Ｒは、ビームダクト３を通り、ターゲット６へ向かって進行する。このビームダクト３に沿って複数の四極電磁石４及び走査電磁石５が設けられている。走査電磁石５は、荷電粒子線Ｒを走査し、ターゲット６に対する荷電粒子線Ｒの照射位置を制御する。

中性子捕捉療法装置１は、制御部（算出手段）Ｓを備える。制御部Ｓは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する電子制御ユニットであり、中性子捕捉療法装置１を総合的に制御する。

制御部Ｓは、ターゲット６に照射される荷電粒子線Ｒの電流値（すなわち、電荷、照射線量率）をリアルタイムで測定する電流モニタＭに接続されており、その測定結果に応じて中性子捕捉療法装置１の各部の制御を行う。電流モニタＭとしては、例えば、荷電粒子線Ｒに影響を与えずに測定可能な非破壊型のＤＣＣＴ（Direct Current Current Transformer）を用いることができる。

ターゲット６は、荷電粒子線Ｒの照射を受けて中性子線Ｎを生成する。ターゲット６は、例えば、直径１６０ｍｍの円板状を呈する。ターゲット６は、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）、リチウム（Ｌｉ）、タンタル（Ｔａ）、又はタングステン（Ｗ）で形成してもよい。ターゲット６は、板状（固体）に限られず、液状であってもよい。

遮蔽体７は、発生した中性子線Ｎや、当該中性子線Ｎの発生に伴って生じたガンマ線等が、中性子捕捉療法装置１の外部へ放出されないように遮蔽する。減速材８は、中性子線Ｎを減速（中性子線Ｎのエネルギーを減衰）させる機能を有する。減速材８は、第１及び第２の減速材８Ａ，８Ｂが積層されて構成されている。第１の減速材８Ａは、中性子線Ｎに含まれる速中性子を主に減速させる。第２の減速材８Ｂは、中性子線Ｎに含まれる熱外中性子を主に減速させる。

コリメータ９は、中性子線Ｎの照射野（中性子線Ｎの進行方向に直交する平面における照射範囲）を成形するものであり、中性子線Ｎが通過する開口９ａを有している。ターゲット６で発生した中性子線Ｎは、減速材８を通り抜けた後、一部がコリメータ９の開口９ａを通過する一方で、残部がコリメータ９の開口９ａを確定する周辺部により遮蔽される。その結果、コリメータ９を通過した中性子線Ｎは、開口９ａの形状に対応した形状に成形される。

中性子線量測定装置１０は、治療台５１上の患者５０に照射される中性子線Ｎの線量及び線量分布を測定する装置である。

続いて、負イオン源装置１００の構成について、図２を参照しつつ説明する。負イオン源装置１００は、負イオン源１０２と、真空ボックス１０４とを備える。負イオン源１０２と真空ボックス１０４とは、絶縁フランジ１０６によって接続されている。

負イオン源１０２は、チャンバ１０８と、磁石１１０と、プラズマ生成部１１２と、セシウム導入部１１４と、プラズマ電極１１６と、温度調整部１２８とを有する。

チャンバ１０８は、図示しない真空ポンプと接続されており、内部を真空状態に保持可能である。チャンバ１０８は、円筒状を呈する本体部１０８ａと、本体部１０８ａの一端側に設けられた蓋部１０８ｂとを有する。本体部１０８ａは、チャンバ１０８の側壁をなしている。本体部１０８ａの両端には、外方に向けて突出する鍔部１０８ｃ，１０８ｄがそれぞれ設けられている。蓋部１０８ｂは、本体部１０８ａの一端側に位置する鍔部１０８ｃに着脱自在に取り付けられており、本体部１０８ａの一端（開放端）を開放又は閉塞する。

磁石１１０は、チャンバ１０８内で生成されたプラズマをチャンバ１０８に閉じ込める機能を有する。磁石１１０は、本体部１０８ａの外周面側に複数配置されている。より詳しくは、磁石１１０は、本体部１０８ａの外周面とは離間した状態でチャンバ１０８の外周側に位置する。磁石１１０と本体部１０８ａの外周面との間には、図示しない冷却路（冷却部）が設けられている。磁石１１０又は本体部１０８ａの壁部を冷却するために、当該冷却路内には水などの冷媒が循環される。

プラズマ生成部１１２は、本体部１１２ａと、本体部１１２ａの端面から外方（チャンバ１０８の他端側、プラズマ電極１１６側）に延びる一対のフィラメント１１２ｂとを有する。本体部１１２ａは、蓋部１０８ｂの内壁面に取り付けられている。本体部１１２ａには、図示しない直流電源が接続されている。当該直流電源は、フィラメント１１２ｂに電圧及び電流を印加し、フィラメント１１２ｂを発熱させると共に、フィラメント１１２ｂとチャンバ１０８（本体部１０８ａ）との間に電位差を生じさせる。

セシウム導入部１１４は、蓋部１０８ｂを貫通するように蓋部１０８ｂに設けられている。セシウム導入部１１４の先端は、チャンバ１０８内に位置している。セシウム導入部１１４には、セシウム供給源１１８が接続されており、本実施形態では、セシウムが気体（蒸気）の状態でチャンバ１０８に供給される。

プラズマ電極１１６は、本体部１０８ａの他端側に位置する鍔部１０８ｄに設けられた絶縁フランジ１２０と、真空ボックス１０４側の絶縁フランジ１０６との間に配置されている。プラズマ電極１１６は、電圧が可変の電源（図示せず）に接続されている。当該電源を制御してプラズマ電極１１６に印加される電圧の大きさを制御することにより、チャンバ１０８内のプラズマ分布を制御し、チャンバ１０８から引き出される負イオンの量を制御する。プラズマ電極１１６は、チャンバ１０８内で生成された負イオンをチャンバ１０８外（本実施形態では真空ボックス１０４側）に引き出すことが可能な貫通孔１１６ａを有している。プラズマ電極１１６は、通電により、例えば２５０℃程度に発熱する。

プラズマ電極１１６の近傍には、ガス供給源１２２に接続された配管１１６ｂが設けられている。すなわち、配管１１６ｂは、チャンバ１０８の他端側に位置している。ガス供給源１２２は、原料ガス源（水素ガス源）及び不活性ガス源（アルゴンガス源）を含む。すなわち、ガス供給源１２２の原料ガスや不活性ガスは、配管１１６ｂを通じて本体部１０８ａの他端側からチャンバ１０８内に供給される。

温度調整部１２８は、チャンバ１０８（本体部１０８ａ）の内壁面に配置されている。温度調整部１２８は、例えば、水などの冷媒が内部を流れる冷却管である。温度調整部１２８は、チャンバ１０８の一端側における壁部の温度よりも低い温度を、チャンバ１０８の他端側において生じさせる機能を有する。温度調整部１２８は、チャンバ１０８（本体部１０８ａ）の軸方向における中央よりもチャンバ１０８の他端側（プラズマ電極１１６又は真空ボックス１０４側）に位置している。すなわち、温度調整部１２８は、チャンバ１０８（本体部１０８ａ）の軸方向における全長の１／２よりもチャンバ１０８の他端側に位置している。温度調整部１２８は、当該全長の１／３よりもチャンバ１０８の他端側に位置していてもよいし、当該全長の１／４よりもチャンバ１０８の他端側に位置していてもよい。あるいは、温度調整部１２８は、プラズマ電極１１６から直線距離で２ｃｍ以内に位置していてもよいし、１ｃｍ以内に位置していてもよい。

温度調整部１２８は、本体部１０８ａの内周面に沿って周方向に延びる円環状を呈していてもよい。この場合、温度調整部１２８は、プラズマ生成部１１２とプラズマ電極１１６の貫通孔１１６ａとを結ぶ仮想直線を囲んでいる。

真空ボックス１０４は、チャンバ１０８のうち負イオンビームが引き出される下流側（チャンバ１０８の他端側）に位置している。真空ボックス１０４は、チャンバ１０８と同様に、内部を真空状態に保持可能である。真空ボックス１０４内には、引出電極等の電極１２４、負イオンビームのビーム量を計測するファラデーカップ（図示せず）、負イオンビームの軌道を変化させるステアリングコイル（図示せず）等が配置されている。

上記の負イオン源装置１００において、負イオンを生成する際には、まずチャンバ１０８及び真空ボックス１０４内を真空ポンプにより真空引きする。次に、ガス供給源１２２により原料ガス（水素ガス）をチャンバ１０８内に供給すると共に、セシウム供給源１１８によりセシウムガスをチャンバ１０８内に供給する。セシウム供給源１１８によるセシウムの供給量は、引き出したい負イオンビームのビーム量に応じて調整してもよい。セシウムが付着した物質の表面においては仕事関数が低下するので、セシウムは、負イオンの生成を促進する機能を有する。

次に、プラズマ生成部１１２に電流を流し、プラズマ生成部１１２とチャンバ１０８との間に電圧が印加される。電流が流れることにより加熱されたフィラメント１１２ｂとチャンバ１０８との間に電圧が印加されることにより、フィラメント１１２ｂからチャンバ１０８へ熱電子が放出され、アーク放電が起きる。当該熱電子は、チャンバ１０８内に充満している水素ガスと衝突して電子を弾き出し、当該水素ガスをプラズマ化させる。

プラズマ中に存在する電子のうち高速電子と低速電子とが、磁石によって弁別される。低速電子又はプラズマ電極１１６表面の電子と、プラズマ中の水素分子、水素原子、又は水素イオンと、が反応することにより、負イオンが生成される。こうして生成された負イオンは、プラズマ電極１１６の開口部を通じてチャンバ１０８の外に引き出され、真空ボックス１０４を介してサイクロトロン２に導入される。

以上の工程を通じて、温度調整部１２８の内部には水などの冷媒が流される。そのため、温度調整部１２８により、チャンバ１０８の一端側における壁部の温度よりも低い温度が、チャンバ１０８の他端側において生ずる。例えば、温度調整部１２８の近傍における温度は１００℃以下であってもよい。チャンバ１０８の一端側における壁部の温度は、チャンバ内に生成されたプラズマからの熱などを受けて、２００℃程度であってもよい。そのため、セシウム供給源１１８からチャンバ１０８内に供給されたセシウムガスは、チャンバ１０８の内壁面には付着し難い一方、温度調整部１２８の近傍には堆積しやすくなっている。

以上のような本実施形態では、温度調整部１２８が、チャンバ１０８の一端側における壁部の温度よりも低い温度を、チャンバ１０８の他端側において生じさせている。そのため、セシウム供給源１１８によりチャンバ１０８内に供給されたセシウムガスは、温度調整部１２８により低温となった領域（低温領域）において液化又は固化しやすくなり、その結果当該低温領域に集まりやすくなる。当該低温領域は、プラズマ電極１１６が位置するチャンバ１０８の他端側にあるため、低温領域におけるセシウムが熱を周囲から受けて蒸発すると、セシウムガスがプラズマ電極１１６に供給されることとなる。これにより、プラズマ電極１１６において負イオンの生成が促進される。以上により、チャンバ１０８の壁面に付着しがちであったセシウムがプラズマ電極１１６の近傍に集められ、負イオンの生成促進に供せられる。その結果、セシウムの利用効率を高めることが可能となる。

本実施形態では、温度調整部１２８が、プラズマ生成部１１２とプラズマ電極１１６の貫通孔１１６ａとを結ぶ仮想直線を囲むように配置されている。そのため、チャンバ１０８の内周面にセシウムがバランスよく集まりやすくなる。

本実施形態では、磁石１１０が、チャンバ１０８の外周面とは離間した状態でチャンバ１０８の外周側に位置しており、図示しない冷却路（冷却部）により磁石１１０を冷却している。そのため、当該冷却部により、負イオン源装置１００の稼働時に磁石１１０が過剰に発熱することを抑制できる。加えて、磁石１１０とチャンバ１０８の外周面とは離間しているので、チャンバ１０８の熱が磁石１１０に伝達して磁石１１０が過剰に発熱することを抑制できる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、図２に示される温度調整部１２８とは異なる形態の温度調整部１３０〜１３４（図３〜図６参照）を利用してもよい。以下に、それぞれ具体的に説明する。

図３に示される温度調整部１３０は、チャンバ１０８の本体部１０８ａと一体的に形成されている。温度調整部１３０は、所定の軸に沿って延びる外側管と、外側管の内側において当該軸に沿って延びる内側管とを有する二重管構造をなしている。図３に示される例では、温度調整部１３０の先端がチャンバ１０８（本体部１０８ａ）内に位置している。このような温度調整部１３０においては、内側管及び外側管の一方から他方へと冷媒が流れることで、チャンバ１０８（本体部１０８ａ）と熱交換を行う。こうして、温度調整部１３０は、チャンバ１０８の一端側における壁部の温度よりも低い温度を、チャンバ１０８の他端側において生じさせる。

本体部１０８ａに複数の温度調整部１３０が設けられていてもよい。複数の温度調整部１３０のうち隣り合うもの同士が、本体部１０８ａの周方向において互いに略等間隔で配列されていてもよい。この場合、チャンバ１０８の内周面にセシウムがバランスよく集まりやすくなる。

図４及び図５に示される温度調整部１３２は、チャンバ１０８の本体部１０８ａと一体的に形成されている。温度調整部１３２は、その先端がチャンバ１０８（本体部１０８ａ）の内部まで延びている点で、図３における温度調整部１３０と相違する。本体部１０８ａに複数の温度調整部１３２が設けられていてもよい。図５には、本体部１０８ａに４つの温度調整部１３２を設けた様子を示している。

図６に示される温度調整部１３４は、チャンバ１０８の本体部１０８ａと一体的に形成されている。温度調整部１３２は、その先端がチャンバ１０８（本体部１０８ａ）の内部まで延びると共に、その先端にフランジが設けられている点で、図３における温度調整部１３０と相違する。本体部１０８ａに複数の温度調整部１３４が設けられていてもよい。

本実施形態に係る負イオン源装置１００は、チャンバ１０８の壁部を加熱する加熱部（例えば、ヒータ）をさらに備えてもよい。この場合、加熱部がチャンバ１０８（本体部１０８ａ）の温度を調整することで、チャンバ１０８（本体部１０８ａ）の温度が所定の目標値よりも低くなることを抑制できる。そのため、チャンバ１０８内のプラズマの温度を所定の値に保持することが可能となる。

１…中性子捕捉療法装置、１００…負イオン源装置、１０８…チャンバ、１０８ａ…本体部、１０８ｂ…蓋部、１１０…磁石、１１２…プラズマ生成部、１１２ｂ…フィラメント、１１６…プラズマ電極、１１６ａ…貫通孔、１１８…セシウム供給源、１２２…ガス供給源、１２８，１３０，１３２，１３４…温度調整部。

Claims (5)

1. チャンバと、
   前記チャンバ内に原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
   前記チャンバの一端側に位置すると共に、前記原料ガス供給部により供給された原料ガスを用いてプラズマを生成するプラズマ生成部と、
   負イオンの生成を促進すると共に大気との反応性を有する促進物質を前記チャンバ内に供給する促進物質供給部と、
   前記チャンバの他端側に位置していると共に、前記チャンバ内で生成された負イオンを前記チャンバ外に引き出すことが可能な貫通孔を有する電極と、
   前記チャンバの一端側における壁部の温度よりも低い温度を、前記チャンバの他端側において生じさせる温度調整部とを備える、負イオン源装置。
2. 前記温度調整部は、冷媒が内部を流通する冷却管である、請求項１に記載の負イオン源装置。
3. 前記冷却管は、前記プラズマ生成部と前記貫通孔とを結ぶ仮想直線を囲むように配置されている、請求項２に記載の負イオン源装置。
4. 前記チャンバの外周面とは離間した状態で前記チャンバの外周側に位置すると共に、前記チャンバ内に所定の磁場を形成する磁石と、
   前記磁石を冷却する冷却部とをさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の負イオン源装置。
5. 前記チャンバの壁部を加熱する加熱部をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の負イオン源装置。

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