JP6538005B2 - Negative ion source device - Google Patents
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Description
本発明の一形態は、負イオン源装置に関する。 One aspect of the present invention relates to a negative ion source device.
加速器など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。 As an ion source device used for an accelerator etc., for example, a plasma sputter type negative ion source device using a solid as a raw material and a negative ion source device generating a negative ion beam using a gas (for example, hydrogen gas) as a raw material ing. The latter negative ion source device includes, for example, a chamber, a filament for generating plasma in the chamber, a hydrogen gas supply unit for supplying hydrogen gas in the chamber, and a cesium supply for supplying cesium in the chamber A source and a plasma electrode for drawing negative ions generated in the chamber out of the chamber. Since current flows through the filament, the heated filament emits thermal electrons and collides with hydrogen gas in the chamber to generate plasma. Then, negative ions are generated by the reaction of low-speed electrons in the plasma or electrons on the surface of the plasma electrode with hydrogen molecules, hydrogen atoms, or hydrogen ions.
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。 Cesium has a function to promote the formation of negative ions because the work function is lowered on the surface of the substance to which cesium is attached. Therefore, when cesium is supplied into the chamber by the cesium source, the amount of negative ions extracted from the negative ion source is increased. The cesium thus supplied in the vapor state in the chamber gradually deposits in the solid or liquid state on the wall of the chamber as the negative ion source device operates.
特許文献1には、チャンバを加熱することによって、チャンバの壁部に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堆積することを抑制し、プラズマ電極へのセシウムの堆積を促進することが可能な負イオン源装置が記載されている。 Patent Document 1 discloses that heating of the chamber suppresses deposition of a promoter promoting formation of negative ions such as cesium on the wall of the chamber, and promotes deposition of cesium on the plasma electrode. Negative ion source devices capable of
しかしながら、プラズマ電極に堆積する促進物質の量が多過ぎると、負イオン源から引き出される負イオン量が減少する。上述の負イオン源装置は、プラズマ電極に堆積する促進物質の量を調整することができないため、負イオン源から引き出される負イオン量が減少する可能性があった。 However, if the amount of promoter deposited on the plasma electrode is too large, the amount of negative ions extracted from the negative ion source will decrease. The above-described negative ion source device can not adjust the amount of promoting substance deposited on the plasma electrode, which may reduce the amount of negative ions extracted from the negative ion source.
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、負イオン源から引き出される負イオン量の減少を抑制できる負イオン源装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a negative ion source device capable of suppressing a decrease in the amount of negative ions extracted from the negative ion source.
本発明の一形態に係る負イオン源装置は、内部で負イオンが生成される中空状のチャンバと、チャンバ内に負イオンの原料となる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設けられ、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、プラズマ内の電子をチャンバの他端側へ導き、電子及び負イオンの原料から負イオンを生成する負イオン生成部と、負イオンの生成を促進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設けられ、チャンバ内で生成された負イオンをチャンバの外に引き出すことが可能な貫通孔を有する電極と、加熱及び冷却の少なくとも一方を行うことによりチャンバの壁部の温度を調整する温度調整部と、温度調整部を制御する温度制御部と、を備え、温度制御部は、前記電極に堆積した促進物質の量に応じて変化する値に基づいて温度調整部を制御する。 A negative ion source device according to one aspect of the present invention includes a hollow chamber in which negative ions are generated inside, a source gas supply unit that supplies a source gas serving as a source of negative ions in the chamber, and one end of the chamber Side of the plasma generation unit that generates plasma using the source gas supplied by the source gas supply unit, the electrons in the plasma are guided to the other end of the chamber, and negative ions are A negative ion generating unit to be generated, an accelerating agent supply unit for supplying an accelerating agent for accelerating the generation of negative ions into the chamber, and the other end of the chamber are provided on the other end side of the chamber. A temperature control unit for controlling the temperature of the chamber wall by performing at least one of heating and cooling, and a temperature control unit for controlling the temperature control unit. Comprising a control unit, a temperature control unit controls the temperature adjustment portion based on the value that changes according to the amount of promoter material deposited on the electrode.
一形態に係る負イオン源装置は温度調整部を備えているので、チャンバの壁部の温度を調整することが可能である。チャンバ内に供給された促進物質の状態(気体、液体、又は固体)は温度に応じて変化するので、チャンバの壁部の温度を調整することにより、チャンバの壁部及び電極に堆積する促進物質の量を制御することが可能である。例えば、温度調整部によってチャンバの壁部を加熱した場合、促進物質はチャンバの壁部に堆積しにくくなるので、電極に促進物質が堆積しやすくなる。反対に、温度調整部によってチャンバの壁部を冷却又は加熱量を低下させた場合、促進物質はチャンバの壁部に堆積しやすくなるので、電極に促進物質が堆積しにくくなる。また、温度制御部は、促進物質の量に応じて変化する値に基づいて温度調整部を制御するので、電極に堆積する促進物質の量を間接的に把握し、適切な量に調整することができる。したがって、負イオン源から引き出される負イオン量の減少を抑制することが可能である。 Since the negative ion source device according to one aspect includes the temperature control unit, it is possible to control the temperature of the wall of the chamber. Since the state (gas, liquid, or solid) of the promoter substance supplied into the chamber changes with temperature, the promoter substance deposited on the chamber wall and electrode by adjusting the temperature of the chamber wall It is possible to control the amount of For example, when the temperature control unit heats the wall of the chamber, the promoter is less likely to deposit on the wall of the chamber, and thus the promoter is likely to be deposited on the electrode. On the other hand, when the temperature control unit cools or reduces the amount of heating of the chamber wall, the promoter is likely to be deposited on the chamber wall, so the promoter is less likely to be deposited on the electrode. In addition, since the temperature control unit controls the temperature control unit based on the value that changes in accordance with the amount of the promoting substance, indirectly grasp the amount of the promoting substance deposited on the electrode and adjust it to an appropriate amount. Can. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the amount of negative ions extracted from the negative ion source.
一形態では、負イオン源装置は、電極より下流側に設けられ、電極によって引き出された負イオンの電流値を測定する電流測定部を更に備え、温度制御部は、電流測定部で測定された電流値の変動に基づいて温度調整部を制御してもよい。電流値は、電極に堆積する促進物質の量に応じて変化するので、電流値を測定することによって、電極に堆積する促進物質の量を知ることができる。また、この構成によれば、電流値の変動に基づいて温度調整部を制御するので、電極に堆積する促進物質の量を間接的に適切な量に調整することができる。したがって、負イオン源から引き出される負イオン量の減少を抑制することが可能である。 In one form, the negative ion source device further includes a current measurement unit provided downstream of the electrode and measuring a current value of negative ions extracted by the electrode, and the temperature control unit is measured by the current measurement unit. The temperature adjustment unit may be controlled based on the fluctuation of the current value. Since the current value changes in accordance with the amount of promoter deposited on the electrode, the amount of promoter deposited on the electrode can be known by measuring the current value. Further, according to this configuration, since the temperature control unit is controlled based on the fluctuation of the current value, the amount of the promoting substance deposited on the electrode can be indirectly adjusted to an appropriate amount. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the amount of negative ions extracted from the negative ion source.
一形態では、温度制御部は、電流値が低下した場合に、温度調整部による加熱量を低下させてもよい。この構成によれば、チャンバの壁部に促進物質が堆積しやすくなるので、電極に堆積する促進物質の量を減少させることができる。したがって、電極に堆積する促進物質の量が適切な量を越えた場合であっても、促進物質の量を適切な量に調整することができ、負イオン源から引き出される負イオン量の減少を抑制することが可能である。 In one form, the temperature control unit may reduce the amount of heating by the temperature adjustment unit when the current value decreases. According to this configuration, since the promoting substance is easily deposited on the wall of the chamber, the amount of the promoting substance deposited on the electrode can be reduced. Therefore, even if the amount of promoter deposited on the electrode exceeds the appropriate amount, the amount of promoter can be adjusted to an appropriate amount, and the amount of negative ions extracted from the negative ion source can be reduced. It is possible to suppress.
一形態では、温度調整部は、チャンバの延伸方向に沿って複数の分割温度調整部に分割され、各々の分割温度調整部は、独立して温度調整が可能であってもよい。熱を発するプラズマ生成部はチャンバの一端側に設けられているので、チャンバ内の温度分布は、チャンバの延伸方向においてばらつきが生じやすい。この構成によれば、各々の分割温度調整部を独立して調整することができるので、チャンバ内の温度分布をより均一に保つことができる。また、チャンバの延伸方向において任意の温度分布を形成することができるので、チャンバの壁部の特定の箇所に促進物質を堆積させることが可能である。 In one form, the temperature control unit may be divided into a plurality of divided temperature control units along the extension direction of the chamber, and each divided temperature control unit may be capable of temperature control independently. Since the plasma generating unit that emits heat is provided on one end side of the chamber, the temperature distribution in the chamber is likely to vary in the extending direction of the chamber. According to this configuration, the temperature distribution in the chamber can be maintained more uniformly because each divided temperature control unit can be adjusted independently. In addition, since any temperature distribution can be formed in the extension direction of the chamber, it is possible to deposit a promoter on a specific part of the wall of the chamber.
一形態では、促進物質供給部は、チャンバの一端側の中心部に設けられてもよい。この構成によれば、促進物質供給部と、チャンバの一端側及び他端側を繋ぐ側壁との間に所定の距離が保たれるので、促進物質供給部から供給された促進物質がチャンバの側壁に付着することを抑制できる。したがって、促進物質の利用効率をより高めることが可能である。 In one form, the promoter supply may be provided at the center of one end of the chamber. According to this configuration, a predetermined distance is maintained between the promoting substance supply unit and the side wall connecting the one end side and the other end side of the chamber, so the accelerating substance supplied from the promoting substance supply unit is the side wall of the chamber. Can be suppressed from adhering to Therefore, it is possible to further improve the utilization efficiency of the promoting substance.
本発明によれば、負イオン源から引き出される負イオン量の減少を抑制できる負イオン源装置が提供される。 According to the present invention, a negative ion source device is provided which can suppress a decrease in the amount of negative ions extracted from the negative ion source.
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付すこととする。 Hereinafter, various embodiments will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts will be denoted by the same reference numerals.
まず、本発明の一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。
First, taking a neutron capture therapy apparatus 1 provided with a negative
中性子捕捉療法装置1は、加速器2を備える。加速器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を生成する。この加速器2としてサイクロトロンを適用した場合、加速器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2として、サイクロトロンに限られず、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。
The neutron capture therapy device 1 comprises an accelerator 2. The accelerator 2 accelerates negative ions (also referred to as negative ions) generated by the negative
加速器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。
The charged particle beam R emitted from the accelerator 2 travels toward the target 6 through the
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。 The neutron capture therapy apparatus 1 includes a control unit (calculation unit) S. The control unit S is an electronic control unit having a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and controls the neutron capture therapy apparatus 1 comprehensively.
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(即ち、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、その計測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に接触することなく電流を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。 The control unit S is connected to a current monitor M that measures in real time the current value (that is, the charge, irradiation dose rate) of the charged particle beam R irradiated to the target 6, and the neutron capture therapy is performed according to the measurement result. Control of each part of the device 1 is performed. As the current monitor M, for example, a nondestructive DCCT (Direct Current Current Transformer) capable of measuring the current without contacting the charged particle beam R can be used.
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。 The target 6 is irradiated with the charged particle beam R to generate a neutron beam N. The target 6 has, for example, a disk shape having a diameter of 160 mm. The target 6 may be formed of, for example, beryllium (Be), lithium (Li), tantalum (Ta), or tungsten (W). The target 6 is not limited to a plate (solid), and may be liquid.
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。
The
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)を形成するものであり、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。
The collimator 9 forms an irradiation field (irradiation range in a plane orthogonal to the traveling direction of the neutron beam N) of the neutron beam N, and has an
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。
The
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。
Subsequently, the configuration of the negative
負イオン源102は、中空状のチャンバ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、温度制御部130とを有する。
The
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とを有している。本体部108aは円筒状を呈しており、チャンバ108の側壁をなしている。本体部108aには、温度調整部128を配置するための複数の溝部109が形成されている。溝部109(図3参照)は、本体部108aの周方向に延び、本体部108aの軸方向において離間して設けられている。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(解放端)を開放又は閉塞する。蓋部108bにも、温度調整部128を配置するための複数の溝部109が形成されていてもよい。
The
磁石110は、第1磁石110Aと第2磁石(負イオン生成部)110Bとから構成されている。第1磁石110Aは、チャンバ108内で生成されたプラズマをチャンバ108に閉じ込める磁場を生成する機能を有する。第2磁石110Bは、所定のエネルギー以上の電子を遮断する磁場を生成する機能を有する。第1磁石110A及び第2磁石110Bは、本体部108aの外周面に配置されており、本体部108aの軸方向において、一端側(プラズマ生成部112が設けられている側)に第1磁石110Aが設けられ、他端側(プラズマ電極116が設けられている側)に第2磁石110Bが設けられている。磁石110は、磁石ホルダー(図示せず)によって保持されており、磁石ホルダーには、磁石110を冷却するための冷却管(図示せず)が配置されている。冷却管内には水などの冷媒が循環される。なお、冷却管を用いず、磁石110が直接冷媒と接触して冷却される構成としてもよい。
The
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。
The
セシウム導入部(促進物質供給部)114は、チャンバ108の一端側の中心部に設けられている。本実施形態では、セシウム導入部114は、蓋部108bを貫通するように蓋部108bの中心部に設けられている。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。なお、供給されるセシウムの状態は気体に限定されず、固体のセシウムをチャンバ内に配置することにより供給されてもよい。また、促進物質の種類はセシウムに限定されず、付着した物質の表面において仕事関数を低下させる機能を有する物質であればよい。また、セシウム導入部114が設けられる位置はチャンバ108の一端側の中心部に限定されず、チャンバ108の任意の部分に設けることができる。
The cesium introduction unit (promoting substance supply unit) 114 is provided at the center of one end side of the
プラズマ電極116は、チャンバ108の他端側に設けられる。本実施形態では、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。当該電源を制御することにより、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ができる。これにより、チャンバ108内のプラズマ分布を調整し、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。
The
プラズマ電極116の近傍には、ガス供給源(原料ガス供給部)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。
In the vicinity of the
温度調整部128は、加熱及び冷却の少なくとも一方を行うことによりチャンバ108の壁部108eの温度を調整する。温度調整部128は、壁部108eに設けられている。なお、温度調整部128の詳細な説明については後述する。
The
温度制御部130は、CPU、ROM、RAM等を有する電子制御ユニットであり、温度調整部128を制御する。なお、温度制御部130は、中性子捕捉療法装置1全体の制御を行う制御部S(図1参照)に含まれていてもよく、制御部Sとは別体で設けられていてもよい。なお、温度制御部130の詳細な説明については後述する。
The
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、引出電極などの電極124、負イオンビームの電流値を測定する電流測定部132、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。
The
電流測定部132は真空ボックス104内に配置されており、チャンバ108から引き出された負イオンビームの電流値を測定する。電流測定部132は可動部を有しており、負イオンビームの電流値を測定する際には、プラズマ電極116の貫通孔116aの延長線(負イオンビームが引き出される射線)CL上に配置される。電流値の測定を行わない場合には、電流測定部132は、負イオンビームと干渉しない位置に収納される。つまり、電流値の測定を行わない場合には、電流測定部132は、貫通孔116aの延長線CLから離間する位置へ退避する。負イオンビームの電流値の測定には、例えば、ファラデーカップなどが用いられ得る。
The
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。
In the negative
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。生成されたプラズマは、第1磁石110Aが生成する磁場により、チャンバ108内に閉じ込められる。
Next, current is supplied to the
プラズマ内には、エネルギーの高い電子である高速電子と、エネルギーが低い低速電子とが混在している。第2磁石110Bは、所定のエネルギー以上のエネルギーを有する高速電子を遮断する磁場を生成し、高速電子をチャンバ108における一端側(プラズマ生成部112が設けられている側)に留まらせる。また、第2磁石110Bは、所定のエネルギーよりも低いエネルギーを有する低速電子が、チャンバ108における他端側(プラズマ電極116が設けられている側)へ進入することを許容する。このように、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、第2磁石110Bによって弁別される。なお、プラズマ中には電子だけでなく、水素原子や水素分子等も存在するが、水素原子や水素分子は磁石110が生成する磁場の影響を受けづらいため、チャンバ108内を自由に行き来できる。チャンバ108の他端側において、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の貫通孔116aを通じてチャンバ108の外に引き出され、真空ボックス104を介して加速器2に導入される。
In the plasma, high speed electrons, which are high energy electrons, and low speed electrons, which have low energy, are mixed. The
次に、温度調整部128及び温度制御部130について詳細に説明する。
Next, the
本実施形態において、温度調整部128は、加熱部及び冷却部を両方備えている。温度調整部128は、加熱部及び冷却部を用いて、壁部108eに対する加熱量を調整することができる。加熱量を低下させる場合、温度調整部128は、加熱部の出力を低下させ(又は停止)、冷却部による出力を増加させる。逆に、加熱量を増加させる場合、温度調整部128は、加熱部の出力を増加させ、冷却部による出力を低下(又は停止)させればよい。なお、温度調整部128は、加熱部及び冷却部のいずれか一方のみを備えていてもよい。この場合でも、加熱部の出力を低下又は停止させることで加熱量を低下させることができ、冷却部による出力を低下又は停止させることで加熱量を増加させることができる。
In the present embodiment, the
ここで、図3を参照して、温度調整部128について詳細に説明する。図3は、負イオン源装置100のチャンバ108及び温度調整部128を概略的に示す斜視図である。
Here, the
図3に示すように、温度調整部128は、加熱部として、チャンバ108の壁部108eを加熱する複数のヒータ128aと、冷却部として、チャンバ108の壁部108eを冷却する複数の冷却管128bと、チャンバ108の壁部108eの温度を検知する複数の温度センサ128cとを有している。ヒータ128a、冷却管128b、及び温度センサ128cは、それぞれチャンバ108の本体部108aに形成された溝部109に配置されている。ヒータ128a及び冷却管128bは本体部108aの周方向を一巻きするように伸びており、チャンバ108の延伸方向において一定の距離離間した状態で交互に配置されている。温度センサ128cは、ヒータ128aと冷却管128bとの間に配置されている。ヒータ128aとしては、例えば、シースヒータなどを用いることができる。冷却管128bには、例えば、冷却水などの冷媒を流すことができる。また、温度センサ128cには、例えば、熱電対などを用いることができる。温度調整部128は、例えば、10℃〜250℃程度の範囲内において、チャンバ108の壁部108eの温度を調整することができる。
As shown in FIG. 3, the
温度調整部128は、チャンバ108の延伸方向に沿って、複数の分割温度調整部129に分割することができる。各分割温度調整部129は、少なくとも一組のヒータ128a及び冷却管128bを有しており、後述の温度制御部130によって独立して制御され得る。ここで、温度調整部128が「分割」された状態とは、一の分割温度調整部129が他の分割温度調整部129の影響を受けることなく、固有の温度調整条件を設定することができる状態である。具体的に、ヒータ128aが分割されている状態とは、分割された部分に対して電流が独立して供給され、他の部分と電気的に接続されていない状態をいう。冷却管128bが分割されている状態とは、分割された各々の部分が、独立した冷媒の流入口及び流出口を有している状態をいう。また、「独立して制御」とは、一つの分割温度調整部129のみを所定の条件で温度調整できることをいう。例えば、一つの分割温度調整部129ではヒータ128aによってチャンバ108の壁部108eを加熱し、他の分割温度調整部129では冷却管128bによってチャンバ108の壁部108eを冷却するなどの制御が可能である。
The
また、温度調整部128はチャンバ108の蓋部108bにも配置されている(図2参照)。蓋部108bにおいては、例えば、直線状に伸びるヒータ128a及び冷却管128bを交互に配置し、ヒータ128aと冷却管128bとの間に温度センサ128cを配置することができる。なお、蓋部108bにおける温度調整部128の配置は上記に限定されず、例えば、環状のヒータ128a及び冷却管128bを同心円状に配置してもよい。
The
温度制御部130は、プラズマ電極116に堆積した促進物質(セシウム)の量に応じて変化する値に基づいて温度調整部128を制御する。より具体的には、温度制御部130は、電流測定部132によって測定された負イオンビームの電流値の変動、及び、温度センサ128cによって測定されたチャンバの壁部108eの温度に基づいてヒータ128a及び冷却管128bを制御する。すなわち、本実施形態では、「プラズマ電極116に堆積した促進物質の量に応じて変化する値」として、負イオンビームの電流値を用いている。ここで、「電流値の変動」とは、電流値が増大又は減少することである。温度制御部130は、例えば、電流値が所定の閾値を超えて増大又は減少した場合に、温度調整の制御を行ってよい。閾値は、例えば、具体的な数値で定められてもよく、目標の電流値から増大又は減少する割合によって定められてもよい。その他、温度制御部130は、次のような制御を行ってよい。負イオンビームの電流値は、アーク放電パワーによって増減させることができるので、負イオンビーム電流の変動は、アーク放電パワーを調整することによって抑制することができる。しかしながら、プラズマ電極116表面の促進物質の堆積量が最適量から外れた場合、負イオンビームの電流値は目標値から減少していき、アーク放電パワーに対する負イオンビームの電流値の応答性は悪くなる。すなわち、減少した負イオンビームの電流値を再び目標値まで増加させるためにアーク放電パワーを高い値に設定しても、負イオンビームの電流値の増加率が小さくなる。プラズマ電極116表面の促進物質の堆積量が最適量からさらに大きく外れれば、アーク放電パワーを高い値に設定しても負イオンビームの電流値は増加せず、時間とともに減少する一方となる。そこで、アーク放電パワーによる負イオンビームの電流値の増加率に閾値を設けておき、この増加率が当該閾値を下回った際に、プラズマ電極116表面の促進物質の堆積量が最適量から外れたと判断し、温度調整の制御を実施する。
The
ここで、温度制御部130が、電流測定部132によって計測された負イオンビームの電流値の変動に基づいて温度調整部128を制御する場合の制御内容について説明する。プラズマ生成部112における放電量及びガス供給源122から供給されるガスの流量が一定である場合、チャンバ108から引き出される負イオンビームのビーム量は、プラズマ電極116に堆積するセシウムの量の変化によって増減する。したがって、負イオンビームのビーム量を一定に保つために、プラズマ電極116に堆積するセシウムの量を適切な量に保つ必要がある。プラズマ電極116に堆積するセシウムの量が多くなり過ぎると、負イオンビームのビーム量が低下し、電流測定部132によって測定された電流値が低下する。このようなときに、プラズマ電極116に堆積するセシウムの量を減少させる場合には、プラズマ電極116の温度を高くして余分なセシウムをプラズマ電極116から離脱させると共に、温度調整部128によってチャンバ108の壁部108eの温度を低下させる。これにより、プラズマ電極116に堆積した余分なセシウムはプラズマ電極116から離脱し、チャンバ108の壁部108eに堆積しやすくなる。
Here, the control content in the case where the
一方、プラズマ電極116に堆積するセシウムの量が少なくなり過ぎると、負イオンビームのビーム量が低下し、電流測定部132によって測定された電流値が低下する。このようなときに、プラズマ電極116に堆積するセシウムの量を増加させる場合には、温度調整部128によってチャンバ108の壁部108eの温度を高くする。これにより、壁部108eに堆積したセシウムを離脱させ、プラズマ電極116にセシウムを供給することができるので、プラズマ電極116にセシウムが堆積しやすくなる。このように、温度調整部128によってチャンバ108の壁部108eの温度を調整することにより、間接的にプラズマ電極116に堆積するセシウムの量を適切な量に調整することができる。また、チャンバ108の壁部108eとプラズマ電極116との間でセシウムを循環させることができるので、セシウムの利用効率が高まり、セシウム供給源118から供給するセシウムの量を低減することができる。更に、チャンバ108の壁部108eに堆積するセシウムを離脱させることが可能となったことにより、チャンバ108のメンテナンスの頻度を低下させることができる。
On the other hand, when the amount of cesium deposited on the
なお、電流測定部132によって測定された電流値の増減と、プラズマ電極116に堆積するセシウムの量の増減とは、必ずしも一致しない。例えば、電流測定部132によって測定された電流値が減少した場合、プラズマ電極116に堆積するセシウムの量を増加させることによって減少した電流値が増加する場合と、プラズマ電極116に堆積するセシウムの量を減少させることによって減少した電流値が増加する場合とがある。したがって、実際の制御においては、温度制御部130は、まず温度調整部128によってチャンバ108の壁部108eの温度を上昇又は低下させ、電流測定部132によって測定される電流値が変化する傾向を確認する。その後、温度制御部130は、減少した電流値を増加させるために壁部108eの温度を上昇させるべきか、又は低下させるべきかを決定し、温度調整部128を制御する。なお、この制御においては、最初に壁部108eの温度を一時的に上昇させた場合であっても、最終的に壁部108eの温度を低下させていれば、壁部108eの温度が低下するように制御したこととする。反対に、最初に壁部108eの温度を低下させた場合であっても、最終的に壁部108eの温度を上昇させていれば、壁部108eの温度が上昇するように制御したこととする。
The increase and decrease of the current value measured by the
温度制御部130は、チャンバ108の壁部108eの温度分布が均一となるように、各分割温度調整部129を独立して制御することができる。ここで、図4及び図5を参照して、上記の工程における温度調整部128の動作の一例について説明する。図4は温度調整部128によって温度調整を行わない場合のチャンバ108の壁部108eの温度分布を模式的に示す図である。図5は温度調整部128によって温度調整を行った場合のチャンバ108の壁部108eの温度分布を模式的に示す図である。
The
チャンバ108内に配置されているプラズマ生成部112は、プラズマを生成する際に高温となる。このため、例えば図4に示すように、チャンバ108の壁部108eの温度分布にばらつきが生じる。温度制御部130は、温度センサ128cが測定した温度に基づいて、温度調整部128の各分割温度調整部129を制御する。例えば、比較的高温の部分においては、冷却管128bを用いて冷却を行う、又は、ヒータ128aの出力を低下させることにより、壁部108eの温度を低下させる。また、比較的低温の部分においては、ヒータ128aの出力を高めることにより、壁部108eの温度を上昇させる。これにより、図5に示すように、チャンバ108の壁部108eの温度分布を均一にすることができる。したがって、チャンバ108の壁部108eにおいて、局所的にセシウムが集中して堆積することを抑制できる。
The
なお、温度制御部130は、チャンバ108の壁部108eの温度分布が均一となるように各分割温度調整部129を制御しなくてもよい。例えば、壁部108eの特定の箇所にセシウムを堆積させたい場合には、温度制御部130は、意図的に低温部分を形成するように各分割温度調整部129を制御してもよい。
The
以上説明したように、本実施形態に係る負イオン源装置100では、温度調整部128を備えているので、チャンバ108の壁部108eの温度を調整することが可能である。チャンバ108内に供給されたセシウムの状態は温度に応じて変化するので、チャンバ108の壁部108eの温度を調整することにより、チャンバ108の壁部108e及びプラズマ電極116に堆積するセシウムの量を制御することが可能である。
As described above, in the negative
また、負イオン源装置100は、プラズマ電極116より下流側に設けられ、プラズマ電極116によって引き出された負イオンの電流値を測定する電流測定部132を備え、温度制御部130は、電流測定部132で測定された電流値の変動に基づいて温度調整部128を制御する。電流値は、プラズマ電極116に堆積するセシウムの量に応じて変化するので、電流値を測定することによって、プラズマ電極116に堆積するセシウムの量を知ることができる。また、この構成によれば、電流値の変動に基づいて温度調整部128を制御するので、プラズマ電極116に堆積するセシウムの量を間接的に適切な量に調整することができる。したがって、負イオン源102から引き出される負イオン量の減少を抑制することが可能である。
The negative
また、温度制御部130は、電流値が低下した場合に、温度調整部128による加熱量を低下させる。これにより、チャンバ108の壁部108eにセシウムが堆積しやすくなるので、プラズマ電極116に堆積するセシウムの量を減少させることができる。したがって、プラズマ電極116に堆積するセシウムの量が適切な量を越えた場合であっても、セシウムの量を適切な量に調整することができ、負イオン源102から引き出される負イオン量の減少を抑制することが可能である。
In addition, the
また、温度調整部128は、チャンバ108の延伸方向に沿って複数の分割温度調整部129に分割され、各々の分割温度調整部129は、独立して温度調整が可能である。熱を発するプラズマ生成部112はチャンバ108の一端側に設けられているので、チャンバ108内の温度分布は、チャンバ108の延伸方向においてばらつきが生じやすい。この構成によれば、各々の分割温度調整部129を独立して調整することができるので、チャンバ108内の温度分布をより均一に保つことができる。また、チャンバ108の延伸方向において任意の温度分布を形成することができるので、チャンバ108の壁部108eの特定の箇所にセシウムを堆積させることが可能である。
Further, the
また、セシウム導入部(促進物質供給部)114は、チャンバ108の一端側の中心部に設けられている。これにより、セシウム導入部114と、チャンバ108の一端側及び他端側を繋ぐ側壁との間に所定の距離が保たれるので、セシウム導入部114から供給されたセシウムがチャンバ108の側壁に付着することを抑制できる。したがって、セシウムの利用効率をより高めることが可能である。
Further, the cesium introducing unit (promoting substance supply unit) 114 is provided at the center of one end side of the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることなく種々の変形態様を採用可能である。例えば、上記の実施形態では、負イオン源装置100は中性子捕捉治療装置に用いられているが、加速器又は核融合プラズマ加熱用の中性ビーム入射装置などにも適用することができる。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention can employ | adopt a various deformation | transformation aspect, without being limited to said embodiment. For example, in the above embodiment, although the negative
また、上記の実施形態では、温度調整部128は加熱部及び冷却部を両方有しているが、何れか一方のみを有していてもよい。例えば、上述の実施形態では、温度調整部128は加熱部としてヒータ128aを有しているが、温度調整部128はヒータ128aを有していなくてもよい。この場合、ヒータ128aの代わりにプラズマ生成部112における発熱を利用し、冷却管128bに流れる冷媒の流量を制御することにより、チャンバ108の壁部108eの温度を調整することができる。
Moreover, in said embodiment, although the
あるいは、温度調整部は、加熱部と冷却部の機能を同時に備えた機構を備えていてもよい。例えば、ヒータ128aの代わりに冷却管128bと同様に配管を設け、各配管に流す流体の温度を調整可能な機構を設けることで、各配管を加熱部及び冷却部として機能させてもよい。この場合、配管を流れる流体の温度及び流量を制御することにより、チャンバ108の壁部108eの温度を調整することができる。
Alternatively, the temperature control unit may include a mechanism simultaneously provided with the functions of the heating unit and the cooling unit. For example, instead of the
また、温度調整部128の形状は上記の実施形態に限定されず、任意に変更することができる。例えば、ヒータ128a及び冷却管128bは、チャンバ108の延伸方向に沿って配置されていてもよいし、チャンバ108の周りをらせん状に巻回するように配置されていてもよい。なお、チャンバ108の壁部108eの温度分布は延伸方向においてばらつきが生じやすいので、温度分布をより均一にするためには、ヒータ128a及び冷却管128bはチャンバ108の周方向に沿って延びるように配置されていることが好ましい。更に、ヒータ128a、冷却管128b、及び温度センサ128cが配置される順番は特に限定されず、任意に変更することができる。また、温度センサ128cを省略してもよい。
Moreover, the shape of the
また、チャンバ108の延伸方向における領域のうち、一部に温度調整部128を設けて、他の部分には温度調整部128を設けなくともよい。あるいは、チャンバ108の延伸方向における領域のうち、一部に加熱部のみを設けて、他の部分には冷却部のみを設けてもよい。また、チャンバ108の延伸方向における領域のうち、一部には加熱部及び冷却部を両方設け、他の部分には冷却部及び加熱部の何れか一方のみを設けてもよい。
In addition, the
また、温度調整部128は、複数の分割温度調整部129に分割され、各分割温度調整部129は独立して温度制御可能であることが好ましいが、複数の分割温度調整部129に分割されていなくてもよい。例えば、配管がチャンバ108の延伸方向の略全長に亘って螺旋状に巻き付けられており、流体の入口と出口がそれぞれ一個であり、同一の流体しか流せないような構成は、温度調整部128が分割されておらず、独立して制御可能な構成にも該当しない。また、配管やヒータがチャンバの延伸方向に延びている構成も、温度調整部128が分割されていない構造に該当する。
The
また、上記の実施形態では、「電極に堆積した促進物質の量に応じて変化する値」として、温度制御部130は真空ボックス104内に設けられた電流測定部132によって測定された負イオンビームの電流値に基づいて温度調整部128を制御するが、ビームダクト3の途中に設けられた電流モニタMによって測定された荷電粒子線Rの電流値に基づいて温度調整部128を制御してもよい。さらに、温度制御部130は、電流値ではなく、プラズマ電極116に堆積したセシウムの厚さ、又はプラズマの発光スペクトルなどの変化に基づいて温度調整部128を制御してもよい。
In the above embodiment, the
1…中性子捕捉療法装置、2…加速器、3…ビームダクト、4…四極電磁石、5…走査電磁石、6…ターゲット、7…遮蔽体、8…減速材、9…コリメータ、10…中性子線量測定装置、50…患者、51…治療台、100…負イオン源装置、102…負イオン源、104…真空ボックス、106…絶縁フランジ、108…チャンバ、108a…本体部、108b…蓋部、108c,108d…鍔部、109…溝部、110A…第1磁石、110B…第2磁石(負イオン生成部)、112…プラズマ生成部、114…セシウム導入部(促進物質供給部)、116…プラズマ電極(電極)、116a…貫通孔、116b…配管、118…セシウム供給源、120…絶縁フランジ、122…ガス供給源(原料ガス供給部)、124…電極、128…温度調整部、128a…ヒータ、128b…冷却管、128c…温度センサ、129…分割温度調整部、130…温度制御部、132…電流測定部、M…電流モニタ、N…中性子線、R…荷電粒子線、S…制御部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... neutron capture therapy apparatus, 2 ... accelerator, 3 ... beam duct, 4 ... 4 pole electromagnet, 5 ... scanning electromagnet, 6 ... target, 7 ... shield, 8 ... moderator, 9 ... collimator, 10 ... neutron dose measurement apparatus , 50: patient, 51: treatment table, 100: negative ion source device, 102: negative ion source, 104: vacuum box, 106: insulating flange, 108: chamber, 108a, main body portion, 108b, lid portion, 108c, 108d ...
Claims (5)
前記チャンバ内に前記負イオンの原料となる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設けられ、前記原料ガス供給部により供給された前記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、
前記プラズマ内の電子を前記チャンバの他端側へ導き、前記電子及び前記負イオンの原料から前記負イオンを生成する負イオン生成部と、
負イオンの生成を促進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設けられ、前記チャンバ内で生成された負イオンを前記チャンバの外に引き出すことが可能な貫通孔を有する電極と、
加熱及び冷却の少なくとも一方を行うことにより前記チャンバの壁部の温度を調整する温度調整部と、
前記温度調整部を制御する温度制御部と、を備え、
前記温度制御部は、前記電極に堆積した前記促進物質の量に応じて変化する値に基づいて前記温度調整部を制御する、負イオン源装置。 A hollow chamber in which negative ions are generated;
A source gas supply unit configured to supply a source gas serving as a source of the negative ions into the chamber;
A plasma generation unit provided on one end side of the chamber for generating plasma using the source gas supplied by the source gas supply unit;
A negative ion generation unit which guides electrons in the plasma to the other end side of the chamber and generates the negative ions from materials of the electrons and the negative ions;
An accelerator supply unit for supplying an accelerator into the chamber for promoting the formation of negative ions;
An electrode having a through hole provided on the other end side of the chamber and capable of extracting negative ions generated in the chamber to the outside of the chamber;
A temperature control unit for controlling the temperature of the wall of the chamber by performing at least one of heating and cooling;
A temperature control unit that controls the temperature adjustment unit;
The said temperature control part controls the said temperature control part based on the value which changes according to the quantity of the said promotion substance deposited on the said electrode, Negative ion source apparatus.
前記温度制御部は、前記電流測定部で測定された電流値の変動に基づいて前記温度調整部を制御する、請求項1に記載の負イオン源装置。 And a current measuring unit provided downstream of the electrode and measuring a current value of negative ions extracted by the electrode,
The negative ion source device according to claim 1, wherein the temperature control unit controls the temperature adjustment unit based on a change in current value measured by the current measurement unit.
各々の前記分割温度調整部は、独立して温度調整が可能である、請求項1〜3の何れか一項に記載の負イオン源装置。 The temperature control unit is divided into a plurality of divided temperature control units along the extension direction of the chamber,
The negative ion source device according to any one of claims 1 to 3, wherein each of the divided temperature control units is capable of temperature control independently.
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