JP6668281B2 - Ion source and ion beam generation method - Google Patents

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  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

本発明の実施形態は、イオンビームを出力するイオン源及びイオンビーム発生方法に関する。   Embodiments described herein relate generally to an ion source that outputs an ion beam and an ion beam generating method.

炭素イオン等で構成されるイオンビームを患者の患部(がん)に照射して治療を行う粒子線治療装置やホウ素を含む薬剤が投与された患者に対して、イオンビームを介して発生させた中性子を照射することで治療を行うホウ素中性子捕捉療法(BNCT:Boron Neutron Capture Therapy)等、イオンビームを利用した治療装置の開発が活発に行われている。   An ion beam composed of carbon ions, etc., was applied to the patient's affected part (cancer) by irradiation with a particle beam therapy device or a patient who received a drug containing boron. The development of ion beam-based therapeutic devices, such as boron neutron capture therapy (BNCT), which performs treatment by neutron irradiation, is being actively conducted.

一般的に、イオンビームを利用する治療装置では、イオン源から引き出されたイオンを、線形加速器を用いて静電場で加速させてイオンビームを生成する。そして、シンクロトロン(円形加速器)等で周回加速させて所定の設定エネルギーまで高められたイオンビームを治療に用いる。   In general, in a treatment apparatus using an ion beam, ions extracted from an ion source are accelerated by an electrostatic field using a linear accelerator to generate an ion beam. Then, the ion beam that has been accelerated by a synchrotron (circular accelerator) to a predetermined set energy by orbital acceleration is used for the treatment.

イオン源から引き出された低エネルギーのイオンを電場で加速する線形加速器として、荷電粒子特有の空間電荷効果による発散を抑制しつつ高エネルギーのイオンビームを出力できる高周波四重極線形加速器が広く利用されている。   As a linear accelerator that accelerates low-energy ions extracted from an ion source with an electric field, a high-frequency quadrupole linear accelerator that can output a high-energy ion beam while suppressing divergence due to the space charge effect peculiar to charged particles is widely used. ing.

特開2011−233478号公報JP 2011-233478 A

イオン源及び線形加速器の両方の装置を備える通常の加速器施設では、施設全体が大状化するとともに複雑化する問題があった。線形加速器を必要せずにイオン源単体で高エネルギーのイオンビームを供給可能となれば、加速施設の構成を簡易かつコンパクトにすることが可能となる。   In a normal accelerator facility equipped with both an ion source and a linear accelerator, there is a problem that the entire facility becomes large and complicated. If a high-energy ion beam can be supplied by the ion source alone without using a linear accelerator, the configuration of the acceleration facility can be simplified and made compact.

また、大電流かつ高エネルギーのイオンビームを出力できれば、そのイオンビームをBNCT等の治療装置に直接利用することも可能となるが、従来の線形加速器を用いた静電加速では、耐圧性能の観点から、出力できるイオンビームの到達エネルギーには限界が存在する。   In addition, if a large current and high energy ion beam can be output, the ion beam can be directly used for a treatment device such as BNCT. However, in the conventional electrostatic acceleration using a linear accelerator, the viewpoint of the pressure resistance performance is considered. Therefore, there is a limit to the energy of the ion beam that can be output.

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、線形加速器を用いること無く、大電流かつ高エネルギーのイオンビームを出力できるイオン源及びイオンビーム発生方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to provide an ion source and an ion beam generation method capable of outputting a high-current and high-energy ion beam without using a linear accelerator.

本発明の実施形態に係るイオン源は、円筒状の外側磁気部と、前記外側磁気部の中心部に一定の空間を隔てて配置されて、前記外側磁気部との間に磁場を発生させる柱状の内側磁気部と、前記空間の閉止側に配置された陽極と、開放側に配置された陰極と、を備えて、前記磁場と直交する方向の電場を印加して、前記空間に供給されたガスを電離して発生させたプラズマ中のイオンを加速するホールスラスタと、一端が開放されて配置された柱状の内側陽極と、前記内側陽極を中心にしてその周囲に配置された外側陰極と、を備えて、前記ホールスラスタから流入したイオンビームを、両極間を流れる電流とこの電流により発生する自己磁場とで生じるローレンツ力により前記内側陽極の開放端方向に加速移動させて、前記内側陽極の開放部で圧縮させて出力するプラズマフォーカス部と、を備えることを特徴とする。   The ion source according to the embodiment of the present invention has a cylindrical outer magnetic portion, and a columnar shape that is disposed at a fixed space in the center of the outer magnetic portion and generates a magnetic field between the outer magnetic portion. An inner magnetic part, comprising an anode disposed on the closed side of the space, and a cathode disposed on the open side, applying an electric field in a direction perpendicular to the magnetic field, and supplied to the space. A hole thruster for accelerating ions in the plasma generated by ionizing the gas, a columnar inner anode arranged with one end open, and an outer cathode arranged around the inner anode, The ion beam flowing from the Hall thruster is accelerated and moved in the direction of the open end of the inner anode by Lorentz force generated by a current flowing between the electrodes and a self-magnetic field generated by the current, and the Open part A plasma focus unit for outputting by compression, characterized in that it comprises a.

本発明の実施形態により、線形加速器を用いること無く、大電流かつ高エネルギーのイオンビームを出力できるイオン源及びイオンビーム発生方法が提供される。   According to the embodiments of the present invention, an ion source and an ion beam generation method capable of outputting a high-current and high-energy ion beam without using a linear accelerator are provided.

第1実施形態に係るイオン源の構成を示す縦断面図。FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the ion source according to the first embodiment. 本実施形態におけるホールスラスタの構成を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view illustrating a configuration of a hall thruster according to the embodiment. ホールスラスタにおいて、プラズマを発生させて、このプラズマのイオンを加速する状態を示す説明図。FIG. 4 is an explanatory view showing a state in which plasma is generated in a Hall thruster and ions of the plasma are accelerated. プラズマフォーカス部において、イオンビームが加速される状態を示す説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state where an ion beam is accelerated in a plasma focus unit. 誘導管において、イオンビームが加速される状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the state where an ion beam is accelerated in a guide tube. 第1実施形態に係るイオン源の変形例の構成を示す縦断面図。FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a modification of the ion source according to the first embodiment. 第1実施形態に係るイオンビーム発生方法を示すフローチャート。4 is a flowchart illustrating an ion beam generation method according to the first embodiment. 第2実施形態に係るイオン源の構成を示す縦断面図。FIG. 6 is a longitudinal sectional view illustrating a configuration of an ion source according to a second embodiment. 第3実施形態に係るイオン源の構成を示す縦断面図。FIG. 9 is a longitudinal sectional view illustrating a configuration of an ion source according to a third embodiment.

(第1実施形態)
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1に示す第1実施形態に係るイオン源10は、ガスが供給された空間内に発生させたプラズマのイオンを加速するホールスラスタ11と、絶縁部12(12a,12b)を介してホールスラスタ11と連通されて、一端が開放された内側陽極30と外側陰極32との間に電圧を印加することでホールスラスタ11から流入したイオンビームを加速させて圧縮するプラズマフォーカス部13と、イオンビームの進行方向に対して垂直な磁場を印加して無衝突状態でイオンビームを加速する誘導管15と、を備えている。
(1st Embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
An ion source 10 according to the first embodiment shown in FIG. 1 includes a hole thruster 11 for accelerating ions of plasma generated in a space to which gas is supplied, and a hole thruster via insulating portions 12 (12a, 12b). A plasma focus unit 13 that communicates with the inner electrode 30 and applies an electric voltage between the inner anode 30 and the outer cathode 32 that are open at one end to accelerate and compress the ion beam flowing from the Hall thruster 11; And a guide tube 15 for applying a magnetic field perpendicular to the traveling direction of the ion beam and accelerating the ion beam in a collisionless state.

第1実施形態に係るイオン源10は、ホールスラスタ11で加速されたイオンビームをプラズマフォーカス部13において加速し圧縮して、誘導管15においてイオンビームを無衝突状態で加速することにより、大電流かつ高エネルギーのイオンビームを出力することができる。   The ion source 10 according to the first embodiment accelerates the ion beam accelerated by the Hall thruster 11 in the plasma focus unit 13 and compresses the ion beam. In addition, a high energy ion beam can be output.

具体的な構成について説明する。
ホールスラスタ11は、外側磁気部16と、外側誘電体19と、内側磁気部20と、内側誘電体23と、陽極25と、陰極26と、を備えている。
A specific configuration will be described.
The Hall thruster 11 includes an outer magnetic part 16, an outer dielectric 19, an inner magnetic part 20, an inner dielectric 23, an anode 25, and a cathode 26.

外側磁気部16は、鉄等で構成された円筒状の外側磁気コア18と、外側磁気コア18の内周面に沿って巻かれた円環状の外側コイル17aと、外側磁気コア18の外周面に沿って巻かれた円環状の外側コイル17bと、から構成される。外側磁気コア18内では、その軸方向に磁場を発生させる。   The outer magnetic portion 16 includes a cylindrical outer magnetic core 18 made of iron or the like, an annular outer coil 17 a wound along the inner peripheral surface of the outer magnetic core 18, and an outer peripheral surface of the outer magnetic core 18. And an annular outer coil 17b wound along. In the outer magnetic core 18, a magnetic field is generated in the axial direction.

外側誘電体19は、円環状に形成されており、外側磁気部16の内周面に、外側磁気部16と同軸に配置される。外側誘電体19は、外側コイル17に荷電粒子が流れることを防止する絶縁部材である。外側誘電体19の材料として、窒化ホウ素等のセラミック材料が例示される。   The outer dielectric 19 is formed in an annular shape, and is arranged on the inner peripheral surface of the outer magnetic part 16 coaxially with the outer magnetic part 16. The outer dielectric 19 is an insulating member that prevents charged particles from flowing through the outer coil 17. As a material of the outer dielectric 19, a ceramic material such as boron nitride is exemplified.

内側磁気部20は、円柱状に形成されており、円筒状の外側磁気部16内の中心部に、外側磁気部16と同軸かつ一定の空間を隔てて配置されている。   The inner magnetic section 20 is formed in a columnar shape, and is arranged at the center of the cylindrical outer magnetic section 16 with the outer magnetic section 16 coaxially with a certain space therebetween.

内側磁気部20は、円柱状の内側磁気コア21と、内側磁気コア21の外周面に円環状に巻かれた内側コイル22と、から構成される。内側磁気コア21内では、その軸方向に、外側磁気コア18内に発生する磁場とは逆方向の磁場を発生させる。   The inner magnetic section 20 includes a cylindrical inner magnetic core 21 and an inner coil 22 wound in an annular shape on the outer peripheral surface of the inner magnetic core 21. In the inner magnetic core 21, a magnetic field in the axial direction is generated in a direction opposite to the magnetic field generated in the outer magnetic core 18.

外側磁気コア18と内側磁気コア21とは接続されて磁気回路を形成しており、ホールスラスタ11の空間内には外側磁気部16から内側磁気部20に向かう径方向の放射状磁場が発生する。なお、外側磁気部16の代わりに永久磁石を用いても良い。   The outer magnetic core 18 and the inner magnetic core 21 are connected to form a magnetic circuit, and a radial magnetic field is generated in the space of the hole thruster 11 in the radial direction from the outer magnetic part 16 to the inner magnetic part 20. Note that a permanent magnet may be used instead of the outer magnetic portion 16.

内側誘電体23は、円環状に形成されており、内側磁気部20の外周面に、内側磁気部20と同軸に配置される。内側誘電体23は、内側コイル22に荷電粒子が流れることを防止するものであり、外側誘電体19と同様に、窒化ホウ素等のセラミック材料で構成される。   The inner dielectric 23 is formed in an annular shape, and is disposed coaxially with the inner magnetic unit 20 on the outer peripheral surface of the inner magnetic unit 20. The inner dielectric 23 prevents charged particles from flowing through the inner coil 22 and, like the outer dielectric 19, is made of a ceramic material such as boron nitride.

外側磁気部16と内側磁気部20との間に形成された環状の空間が、プラズマを発生させるプラズマ領域となる。閉止部27は、ホールスラスタ11の一方を閉止している。   An annular space formed between the outer magnetic part 16 and the inner magnetic part 20 becomes a plasma region for generating plasma. The closing portion 27 closes one of the hall thrusters 11.

陽極25は、内側磁気部20を中心に通して閉止部27の近傍に設けられた、円環状の電極(アノード)である。陽極25にはガス供給管24が接続されており、陽極25を介して電離用のガスが空間内に供給する。なお、電離に用いるガスは、利用されるイオンビームの種類によって適宜選択され、例えば水素、キセノン、アルゴンが用いられる。   The anode 25 is an annular electrode (anode) provided near the closing portion 27 through the inner magnetic portion 20 as a center. A gas supply pipe 24 is connected to the anode 25, and a gas for ionization is supplied into the space through the anode 25. The gas used for ionization is appropriately selected depending on the type of ion beam used, and for example, hydrogen, xenon, and argon are used.

陰極26は、ホールスラスタ11の開放側(ビームの出口側)で外側磁気部16に隣接して設けられた、円環状の電極(カソード)である。陽極25と陰極26との間に電圧を印加することにより、ホールスラスタ11の軸方向に電場が発生する。   The cathode 26 is an annular electrode (cathode) provided on the open side (beam exit side) of the hall thruster 11 and adjacent to the outer magnetic section 16. By applying a voltage between the anode 25 and the cathode 26, an electric field is generated in the axial direction of the Hall thruster 11.

陰極26は、ホールスラスタ11内の空間に電子を供給可能なホローカソードであることが好ましい。ホローカソードを用いることで、より低い電圧でホールスラスタ11内にプラズマを発生させることができる。   The cathode 26 is preferably a hollow cathode capable of supplying electrons to the space inside the hall thruster 11. By using the hollow cathode, plasma can be generated in the Hall thruster 11 at a lower voltage.

図2は、本実施形態におけるホールスラスタ11の構成を示す斜視図である。なお、図2では、閉止部27等の一部の構成を省略して記載している。   FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the hall thruster 11 in the present embodiment. Note that FIG. 2 omits some components such as the closing portion 27 and the like.

円環状の陽極25の側面には、ガスを空間内に供給するためのガス供給口35が周方向に複数設けられており、ガス供給管24から入力した電離用のガスを空間内に流入させる。   A plurality of gas supply ports 35 for supplying gas into the space are provided on the side surface of the annular anode 25 in the circumferential direction, and the ionization gas input from the gas supply pipe 24 flows into the space. .

陰極26(ホローカソード)は、中空円環形状に形成されており、この陰極26の空間内に複数のヒータ33が配置される。ヒータ33内には熱電子放出用の基板(図示省略)が挿入されている。   The cathode 26 (hollow cathode) is formed in a hollow annular shape, and a plurality of heaters 33 are arranged in the space of the cathode 26. A substrate (not shown) for emitting thermoelectrons is inserted into the heater 33.

電離用の2次ガスがヒータ33の内部に供給されて、ヒータ33により加熱された基板から熱電子が放出することで2次ガスが電離されて、陰極26の内部でプラズマが発生する。   A secondary gas for ionization is supplied to the inside of the heater 33, and thermal electrons are emitted from the substrate heated by the heater 33, whereby the secondary gas is ionized and plasma is generated inside the cathode 26.

陰極26の内周面には、電子供給口34が周方向に複数設けられており、2次ガスの電離より発生した電子が電子供給口34からホールスラスタ11の空間内に供給される。   A plurality of electron supply ports 34 are provided in the inner peripheral surface of the cathode 26 in the circumferential direction, and electrons generated by ionization of the secondary gas are supplied from the electron supply ports 34 into the space of the hole thruster 11.

陰極26から供給された電子は、ホールスラスタ11の空間内に供給されたガスの電離を促進する。また、陰極26から供給される電子の一部は、ホールスラスタ11で加速されて出力されるイオンビームを中和する役割を有する。   The electrons supplied from the cathode 26 promote ionization of the gas supplied into the space of the hole thruster 11. Some of the electrons supplied from the cathode 26 have a role of neutralizing the ion beam accelerated and output by the hole thruster 11.

図3は、ホールスラスタ11において、プラズマを発生させて、このプラズマ内のイオンを加速する状態を示す説明図である。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state in which plasma is generated in the hole thruster 11 and ions in the plasma are accelerated.

ホールスラスタ11では、外側磁気部16と内側磁気部20により発生させた径方向の磁場と、陽極25と陰極26との間に電圧を印加することで発生させた軸方向の電場とが発生する。陰極26から供給された電子は、磁場と電場とが直交する場(クロースフィールド)により、空間内に閉じ込められて、周方向にドリフト運動を行う。この現象をホール効果と言う。この空間内に閉じ込められた電子によって、陽極25から供給されたガスが電離されてプラズマが発生する。   In the Hall thruster 11, a radial magnetic field generated by the outer magnetic section 16 and the inner magnetic section 20 and an axial electric field generated by applying a voltage between the anode 25 and the cathode 26 are generated. . The electrons supplied from the cathode 26 are confined in the space by a field (close field) where the magnetic field and the electric field are orthogonal to each other, and perform a drift motion in the circumferential direction. This phenomenon is called the Hall effect. The gas supplied from the anode 25 is ionized by the electrons confined in this space, and plasma is generated.

そして、発生したプラズマ内の正のイオンは、電場によって静電加速されてホールスラスタ11から出力される。このとき、陰極26から供給される電子の一部は、イオンビームと共にホールスラスタ11から出力することでイオンビームを中和する。   The positive ions in the generated plasma are electrostatically accelerated by the electric field and output from the hole thruster 11. At this time, some of the electrons supplied from the cathode 26 are output from the hole thruster 11 together with the ion beam to neutralize the ion beam.

図1に戻って説明を続ける。
絶縁部12(12a,12b)は、絶縁材料を介してホールスラスタ11とプラズマフォーカス部13とを同軸となるように結合して、ホールスラスタ11とプラズマフォーカス部13とを連通させる。
Returning to FIG. 1, the description will be continued.
The insulating section 12 (12a, 12b) couples the hole thruster 11 and the plasma focus section 13 coaxially via an insulating material, and connects the hole thruster 11 and the plasma focus section 13 with each other.

具体的には、円筒状の絶縁部12aを用いて、ホールスラスタ11の陰極26とプラズマフォーカス部13の外側陰極32とを結合する。そして、柱状の絶縁部12bを用いて、ホールスラスタ11の内側磁気部20とプラズマフォーカス部13の内側陽極30とを結合する。   Specifically, the cathode 26 of the hole thruster 11 and the outer cathode 32 of the plasma focus unit 13 are connected using the cylindrical insulating part 12a. Then, the inner magnetic portion 20 of the hole thruster 11 and the inner anode 30 of the plasma focus portion 13 are coupled using the columnar insulating portion 12b.

絶縁部12の材料として、NCナイロン、テフロン(登録商標)、デルリン等の絶縁素材を用いる。また、ホールスラスタ11の外側誘電体19及び内側誘電体23と同様に、窒化ホウ素等のセラミック材料を使用しても良い。   As a material of the insulating portion 12, an insulating material such as NC nylon, Teflon (registered trademark), or Delrin is used. Further, similarly to the outer dielectric 19 and the inner dielectric 23 of the hole thruster 11, a ceramic material such as boron nitride may be used.

絶縁部12を介してホールスラスタ11とプラズマフォーカス部13との空間が連通されることで、ホールスラスタ11で加速されて出力されたイオンビームはスムーズにプラズマフォーカス部13に進行する。   Since the space between the hole thruster 11 and the plasma focus unit 13 is communicated via the insulating unit 12, the ion beam accelerated and output by the hole thruster 11 smoothly proceeds to the plasma focus unit 13.

プラズマフォーカス部13は、内側陽極30と、外側陰極32と、を備えている。
内側陽極30は、柱状に形成されており、一端は開放されており、他端は絶縁部12bに接続されている。内側陽極30の先端部31は、例えば円錐形状のように開放部方向に向かって径が小さくなるように形成する。
The plasma focus unit 13 includes an inner anode 30 and an outer cathode 32.
The inner anode 30 is formed in a column shape, one end is open, and the other end is connected to the insulating part 12b. The tip portion 31 of the inner anode 30 is formed such that its diameter decreases toward the opening portion, for example, in a conical shape.

外側陰極32は、中空円筒状に形成されており、内側陽極30を中心にしてその周囲に配置されている。外側陰極32の一端は誘導管15に接続されており、他端は絶縁部12aに接続されている。   The outer cathode 32 is formed in a hollow cylindrical shape, and is arranged around the inner anode 30. One end of the outer cathode 32 is connected to the guide tube 15, and the other end is connected to the insulating part 12a.

外側陰極32の径は、プラズマフォーカス部13の空間内を進行するイオンビームを内側陽極30の開放部(内側陽極30が途切れる部分)まで案内するために、開放部で狭まるように形成する。   The diameter of the outer cathode 32 is formed to be narrower at the opening in order to guide the ion beam traveling in the space of the plasma focus unit 13 to the opening of the inner anode 30 (the part where the inner anode 30 is cut off).

同軸に配置された内側陽極30と外側陰極32との間に電圧が印加される。内側陽極30には、絶縁部12及び内側磁気部20の内部を敷設された電流路36(図4参照)を介して電流が供給される。   A voltage is applied between the inner anode 30 and the outer cathode 32 arranged coaxially. A current is supplied to the inner anode 30 via a current path 36 (see FIG. 4) laid inside the insulating section 12 and the inner magnetic section 20.

図4は、プラズマフォーカス部13において、イオンビームが加速される状態を示す説明図である。なお、ホールスラスタ11では、電離によって生じた多量のイオンが加速されて、イオンビームの群がプラズマ状態で出力されるため、以下ではイオンビームの群を適宜「プラズマ」と称して説明する。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing a state where the ion beam is accelerated in the plasma focus unit 13. In the hole thruster 11, a large amount of ions generated by ionization are accelerated, and a group of ion beams is output in a plasma state. Therefore, the group of ion beams will be appropriately referred to as "plasma" below.

ホールスラスタ11から出力されたイオンビームは、プラズマフォーカス部13の電極間に形成された空間に進入する。   The ion beam output from the Hall thruster 11 enters a space formed between the electrodes of the plasma focus unit 13.

内側陽極30と外側陰極32に印加された電圧により、プラズマを通して放射状の電流が流れることでプラズマフォーカス部13の周方向に自己磁場が発生する。この自己磁場とプラズマを通して流れる電流とで生じるローレンツ力によりプラズマが軸方向に加速移動される。なお、この自己磁場による加速は磁気ピストンと呼ばれる。   A self-magnetic field is generated in the circumferential direction of the plasma focus unit 13 by causing a radial current to flow through the plasma by the voltage applied to the inner anode 30 and the outer cathode 32. The plasma is accelerated and moved in the axial direction by the Lorentz force generated by the self magnetic field and the current flowing through the plasma. The acceleration by the self magnetic field is called a magnetic piston.

なお、プラズマが軸方向に加速移動するとき、このプラズマの前方に圧縮ガスの薄い層(衝撃波前面)が形成されており、この層は磁気ピストンに先行する。この衝撃波前面は、プラズマフォーカス部13の空間内に存在するガスを掃引して電離させる。   As the plasma accelerates in the axial direction, a thin layer of compressed gas (shock wave front) is formed in front of the plasma, and this layer precedes the magnetic piston. The front of this shock wave sweeps the gas existing in the space of the plasma focus unit 13 to ionize it.

そして、軸方向を加速移動して内側陽極30の先端部31まで到達したプラズマは、内側陽極30が途切れた開放部でローレンツ力により径方向に圧縮(ピンチ)される。このとき、プラズマは、高温かつ高密度となり、圧縮された効果により軸方向の運動エネルギーは熱エネルギーに変換される。そして、圧縮されたプラズマは、高いエネルギー状態で誘導管15の内部に伝搬される。   Then, the plasma that has reached the distal end portion 31 of the inner anode 30 by accelerating movement in the axial direction is radially compressed (pinched) by Lorentz force at the open portion where the inner anode 30 is interrupted. At this time, the plasma becomes high temperature and high density, and the kinetic energy in the axial direction is converted into thermal energy by the compression effect. Then, the compressed plasma is propagated inside the induction tube 15 in a high energy state.

このように、プラズマフォーカス部13は、ホールスラスタ11で加速されたイオンビームをローレンツ力によりさらに加速、圧縮させて、高エネルギーのプラズマを出力する。   As described above, the plasma focus unit 13 further accelerates and compresses the ion beam accelerated by the hole thruster 11 by Lorentz force, and outputs high-energy plasma.

一般的なプラズマフォーカス装置では、陽極の表面に絶縁物が形成されており、電極間に電圧を印加することで、陽極が絶縁物と接する位置に沿面放電を起こす。そして、初速速度が無い状態のプラズマをローレンツ力により加速する。   In a general plasma focus device, an insulator is formed on the surface of the anode, and by applying a voltage between the electrodes, a creeping discharge occurs at a position where the anode is in contact with the insulator. Then, the plasma having no initial velocity is accelerated by Lorentz force.

一方、第1実施形態に係るプラズマフォーカス部13は、上流のホールスラスタ11で加速された高速のイオンビーム(例えば、80k(m/s))を流入して、ローレンツ力を用いてさらに加速するため、一般的なプラズマフォーカス装置と比較して、より高いエネルギーのイオンビームを生成できる。   On the other hand, the plasma focus unit 13 according to the first embodiment flows a high-speed ion beam (for example, 80 k (m / s)) accelerated by the upstream Hall thruster 11 and further accelerates using the Lorentz force. Therefore, an ion beam with higher energy can be generated as compared with a general plasma focus apparatus.

図1に戻ってさらに説明を続ける。
誘導管15は、プラズマフォーカス部13のビーム出口に接続されており、プラズマフォーカス部13で圧縮されたプラズマ(イオンビーム)を、圧力が低い誘導管15内との圧力差により誘導管15内に伝搬させる。
Returning to FIG. 1, the description will be continued.
The guide tube 15 is connected to a beam outlet of the plasma focus unit 13 and transfers the plasma (ion beam) compressed by the plasma focus unit 13 into the guide tube 15 due to a pressure difference from the inside of the guide tube 15 having a low pressure. Propagate.

また、ホールスラスタ11、プラズマフォーカス部13、及び誘導管15で連通された内部空間を1Pa以下の真空状態に保持して、誘導管15の長さをイオン及び電子の平均自由行程よりも短くなるように設定する。   Further, the internal space communicated with the hole thruster 11, the plasma focus unit 13, and the guide tube 15 is maintained in a vacuum state of 1 Pa or less, and the length of the guide tube 15 becomes shorter than the mean free path of ions and electrons. Set as follows.

垂直磁場発生部14は、誘導管15を挟むように設けられて、イオンビームの進行方向と垂直な磁場を発生する。   The vertical magnetic field generator 14 is provided so as to sandwich the guide tube 15, and generates a magnetic field perpendicular to the traveling direction of the ion beam.

図5は、誘導管15において、イオンビームが加速される状態を示す説明図である。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing a state in which the ion beam is accelerated in the guide tube 15.

プラズマフォーカス部13から誘導管15内に伝搬したプラズマ(イオンビーム)は、誘導管15に加えられた垂直磁場内を通過する。このとき、磁場の圧縮によって電場が誘導されて、プラズマはさらに加速する。   The plasma (ion beam) propagated from the plasma focus unit 13 into the guide tube 15 passes through the vertical magnetic field applied to the guide tube 15. At this time, an electric field is induced by the compression of the magnetic field, and the plasma is further accelerated.

誘導管15の長さをイオン及び電子の平均自由行程よりも短く設定することで、誘導管15内を伝播するプラズマは無衝突となり高エネルギー状態が維持される。   By setting the length of the guide tube 15 shorter than the mean free path of ions and electrons, the plasma propagating in the guide tube 15 has no collision, and the high energy state is maintained.

そして、誘導管15から出力されたイオンビームは、ビームを利用する治療装置や後段に設けられた加速器などに供給される。   Then, the ion beam output from the guide tube 15 is supplied to a treatment device using the beam, an accelerator provided at a subsequent stage, and the like.

図6は、第1実施形態に係るイオン源10の変形例を示す構成図である。   FIG. 6 is a configuration diagram showing a modification of the ion source 10 according to the first embodiment.

この変形例では、イオンビームと電子と分離する偏向部37が、誘導管15のビーム出口に設けられている。偏向部37としては、静電デフレクタ、静電レンズ、偏向電磁石が例示される。   In this modification, a deflecting unit 37 that separates the ion beam and the electrons is provided at the beam exit of the guide tube 15. Examples of the deflection unit 37 include an electrostatic deflector, an electrostatic lens, and a deflection electromagnet.

ホールスラスタ11の陰極26にホローカソードを用いた場合、誘導管15から出力されるビームには、イオンビームと共にイオンを中和するための電子も含まれる。電子が含まれた状態のビームのままでは制御が複雑となる。   When a hollow cathode is used as the cathode 26 of the Hall thruster 11, the beam output from the guide tube 15 includes an ion beam and electrons for neutralizing ions. Control is complicated if the beam contains electrons.

このため、偏向部37を用いて電子を分離することで、イオンビームのみを取り出すことができ、粒子線治療装置、BNCT、または中性子源にイオン源10を容易に適用できる。   Therefore, by separating electrons using the deflection unit 37, only the ion beam can be extracted, and the ion source 10 can be easily applied to a particle beam therapy system, a BNCT, or a neutron source.

図7は、第1実施形態に係るイオンビーム発生方法を示すフローチャートである(適宜、図1参照)。   FIG. 7 is a flowchart illustrating the ion beam generation method according to the first embodiment (see FIG. 1 as appropriate).

電離用のガスが、ホールスラスタ11内の空間に陽極25を介して供給される(S10)。陽極25と陰極26との間に電圧を印加して、外側磁気部16と内側磁気部20により生じた径方向の磁場と直交する方向の電場を発生させる(S11)。   A gas for ionization is supplied to the space in the hall thruster 11 via the anode 25 (S10). A voltage is applied between the anode 25 and the cathode 26 to generate an electric field in a direction orthogonal to the radial magnetic field generated by the outer magnetic section 16 and the inner magnetic section 20 (S11).

陰極26から電子が供給されることで、電子がクロースフィールドにより空間内に閉じ込められ、閉じ込められた電子によりガスが電離されてプラズマが発生する(S12、S13)。
そして、ホールスラスタ11内の電場によりイオンは加速されて、プラズマフォーカス部13に進入する(S14)。
When the electrons are supplied from the cathode 26, the electrons are confined in the space by the close field, the gas is ionized by the confined electrons, and plasma is generated (S12, S13).
Then, the ions are accelerated by the electric field in the hall thruster 11 and enter the plasma focus unit 13 (S14).

内側陽極30と外側陰極32との間に電圧が印加されて、プラズマ(イオンビーム)を介して放射状の電流が流れることでプラズマフォーカス部13の周方向に自己磁場が発生する(S15)。
自己磁場とプラズマを介して流れる電流とで生じるローレンツ力により、プラズマがプラズマフォーカス部13の軸方向に加速移動される(S16)。
When a voltage is applied between the inner anode 30 and the outer cathode 32 and a radial current flows through the plasma (ion beam), a self-magnetic field is generated in the circumferential direction of the plasma focus unit 13 (S15).
The plasma is accelerated and moved in the axial direction of the plasma focus unit 13 by the Lorentz force generated by the self magnetic field and the current flowing through the plasma (S16).

そして、内側陽極30の開放部においてプラズマは圧縮する(S17)。
誘導管15内との圧力差によってプラズマが、誘導管15に伝搬する(S18)。
Then, the plasma is compressed at the opening of the inner anode 30 (S17).
The plasma propagates to the guide tube 15 due to the pressure difference between the inside of the guide tube 15 (S18).

イオンビームが垂直磁場を通過する際に誘導される電場によってイオンビームが無衝突で加速して、イオンビームが出力される(S19、S20)。   The ion beam is accelerated without collision by the electric field induced when the ion beam passes through the vertical magnetic field, and the ion beam is output (S19, S20).

このように、大電流のビーム(数百mA程度)を出力可能であるホールスラスタ11を用いてイオンビームを発生させて、絶縁部12を介して連通されたプラズマフォーカス部13及び誘導管15により加速することで、線形加速器を用いること無く、大電流かつ高エネルギーのイオンビームを出力できる。このため、出力されたイオンビームは、大電流のイオンビームが必要となる粒子線治療装置やBNCT等の治療装置に利用することができる。   As described above, an ion beam is generated using the Hall thruster 11 capable of outputting a large current beam (about several hundred mA), and the ion beam is generated by the plasma focus unit 13 and the guide tube 15 communicated via the insulating unit 12. By accelerating, a high-current and high-energy ion beam can be output without using a linear accelerator. For this reason, the output ion beam can be used for a therapeutic device such as a particle beam therapy device or a BNCT that requires a large current ion beam.

(第2実施形態)
続いて、本実施形態に係るイオン源10を、航空宇宙の分野におけるロケットエンジンに適用する場合について説明する。
(2nd Embodiment)
Subsequently, a case where the ion source 10 according to the present embodiment is applied to a rocket engine in the field of aerospace will be described.

図8は、第2実施形態に係るイオン源10の構成図を示している。なお、図8において第1実施形態(図1)と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。   FIG. 8 shows a configuration diagram of an ion source 10 according to the second embodiment. In FIG. 8, portions having the same configuration or function as those of the first embodiment (FIG. 1) are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.

第2実施形態に係るイオン源10では、誘導管15を設けず、プラズマフォーカス部13における外側陰極32の径を、内側陽極30の開放部において狭まるように形成して、開放部からビーム出力口まで広がるように形成する。プラズマフォーカス部13は、帯電を防止するために、絶縁体38により周囲が覆われている。   In the ion source 10 according to the second embodiment, the guide tube 15 is not provided, and the diameter of the outer cathode 32 in the plasma focus unit 13 is formed so as to be narrow at the open portion of the inner anode 30, and the beam output port is opened from the open portion. Form so as to spread out. The periphery of the plasma focus unit 13 is covered with an insulator 38 to prevent electrification.

開放部で圧縮されたプラズマは、外側陰極32の径が広がる領域で発散してイオンビームが外部に排出される。   The plasma compressed in the open portion diverges in a region where the diameter of the outer cathode 32 increases, and the ion beam is discharged to the outside.

また、陰極26としてホローカソードを用いることで、ホールスラスタ11から出力されるイオンビームは中和されるため、イオン源10が適用される船体の帯電を防止することができる。   In addition, by using a hollow cathode as the cathode 26, the ion beam output from the Hall thruster 11 is neutralized, so that charging of the hull to which the ion source 10 is applied can be prevented.

一般的なロケットエンジンに用いられる推進システムとして、静電推進システムや電磁推進システムがある。静電推進システムは、ホールスラスタに例示されるように、静電的な電場を印加して、電離された推進剤を静電場により加速するシステムである。一方、電磁推進システムは、MPD(Magneto Plasma Dynamic)スラスタに例示されるように、電場と磁場の複合作用により推進剤を加速するシステムである。   As a propulsion system used for a general rocket engine, there are an electrostatic propulsion system and an electromagnetic propulsion system. The electrostatic propulsion system is a system that applies an electrostatic electric field and accelerates the ionized propellant by the electrostatic field, as exemplified by a hall thruster. On the other hand, an electromagnetic propulsion system is a system that accelerates a propellant by a combined action of an electric field and a magnetic field, as exemplified by a MPD (Magneto Plasma Dynamic) thruster.

静電推進システムは、スラスタの推進性能を高めるためには多くの電力を使用するが、宇宙空間を飛行する宇宙船では、利用可能な電力は制限されるため、大きな推力を得ることは困難となる。一方、電磁推進システムは、静電加速による推進に比べて推力密度は高いが、大規模な予備の電離装置が必要であるという課題がある。   Electrostatic propulsion systems use a lot of power to improve the thruster's propulsion performance, but spacecraft that fly in space have limited available power, making it difficult to obtain large thrust. Become. On the other hand, the electromagnetic propulsion system has a higher thrust density than propulsion by electrostatic acceleration, but has a problem that a large-scale spare ionization device is required.

一方、第2実施形態に係るイオン源10は、ホールスラスタ11を用いてイオンビームを発生させて、プラズマフォーカス部13により加速させたビームを排出可能とすることで、約100k(m/s)までの高い排気速度を有するイオンビームを低い消費電力で出力することができる。   On the other hand, the ion source 10 according to the second embodiment generates an ion beam using the hole thruster 11 and can discharge the beam accelerated by the plasma focus unit 13 to about 100 k (m / s). An ion beam having a high pumping speed up to the above can be output with low power consumption.

(第3実施形態)
図9は、第3実施形態に係るイオン源10の構成図を示している。なお、図9において第2実施形態(図8)と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 9 shows a configuration diagram of an ion source 10 according to the third embodiment. In FIG. 9, portions having the same configuration or function as those of the second embodiment (FIG. 8) are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.

第3実施形態に係るイオン源10は、プラズマフォーカス部13の外側に軸方向に沿って配置されて、軸方向に磁場を加えるソレノイド39をさらに備えている。   The ion source 10 according to the third embodiment further includes a solenoid 39 that is disposed outside the plasma focus unit 13 along the axial direction and applies a magnetic field in the axial direction.

外部磁場となるソレノイド39は、プラズマフォーカス部13内に発生する自己磁場より強くなる。このため、イオンは十分に磁化されていないときには、軸方向の磁気的な圧力差によってイオンビームはさらに加速される。   The solenoid 39 serving as an external magnetic field is stronger than a self magnetic field generated in the plasma focus unit 13. Therefore, when the ions are not sufficiently magnetized, the ion beam is further accelerated by the magnetic pressure difference in the axial direction.

一方、イオンが十分に磁化されているときに、電場線と磁場線とが垂直でない場合、軸方向の磁場に沿った運動の成分が現れる。この結果、イオンビームは軸方向に沿ったサイクロトロン運動を行う。これにより、イオンビームの発散は抑制されて排出される。   On the other hand, if the electric field lines and the magnetic field lines are not perpendicular when the ions are sufficiently magnetized, a component of the motion along the axial magnetic field appears. As a result, the ion beam performs cyclotron motion along the axial direction. Thereby, the divergence of the ion beam is suppressed and discharged.

このように、ソレノイド39により外部磁場をプラズマフォーカス部13の軸方向に加えることで、イオンビームを加速し、イオンビームの発散を抑制して出力することができる。   As described above, by applying an external magnetic field in the axial direction of the plasma focus unit 13 by the solenoid 39, the ion beam can be accelerated and the divergence of the ion beam can be suppressed and output.

以上述べた各実施形態のイオン源によれば、ホールスラスタで加速されたイオンビームを、プラズマフォーカス部において加速させて圧縮することにより、線形加速器を用いること無く、大電流かつ高エネルギーなイオンビームを出力することができる。   According to the ion source of each embodiment described above, the ion beam accelerated by the Hall thruster is accelerated and compressed in the plasma focus unit, so that a large current and high energy ion beam can be used without using a linear accelerator. Can be output.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are provided by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These new embodiments can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and their equivalents.

10…イオン源、11…ホールスラスタ、12(12a,12b)…絶縁部、13…プラズマフォーカス部、14…垂直磁場発生部、15…誘導管、16…外側磁気部、17(17a,17b)…外側コイル、18…外側磁気コア、19…外側誘電体、20…内側磁気部、21…内側磁気コア、22…内側コイル、23…内側誘電体、24…ガス供給管、25…陽極、26…陰極、27…閉止部、30…内側陽極、31…先端部、32…外側陰極、33…ヒータ、34…電子供給口、35…ガス供給口、36…電流路、37…偏向部、38…絶縁体、39…ソレノイド。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Ion source, 11 ... Hall thruster, 12 (12a, 12b) ... Insulation part, 13 ... Plasma focus part, 14 ... Vertical magnetic field generation part, 15 ... Induction tube, 16 ... Outside magnetic part, 17 (17a, 17b) ... Outer coil, 18 ... Outer magnetic core, 19 ... Outer dielectric, 20 ... Inner magnetic part, 21 ... Inner magnetic core, 22 ... Inner coil, 23 ... Inner dielectric, 24 ... Gas supply pipe, 25 ... Anode, 26 ... Cathode, 27 ... Closed part, 30 ... Inner anode, 31 ... Tip, 32 ... Outer cathode, 33 ... Heater, 34 ... Electron supply port, 35 ... Gas supply port, 36 ... Current path, 37 ... Deflection section, 38 ... insulator, 39 ... solenoid.

Claims (12)

円筒状の外側磁気部と、前記外側磁気部の中心部に一定の空間を隔てて配置されて、前記外側磁気部との間に磁場を発生させる柱状の内側磁気部と、前記空間の閉止側に配置された陽極と、開放側に配置された陰極と、を備えて、前記磁場と直交する方向の電場を印加して、前記空間に供給されたガスを電離して発生させたプラズマ中のイオンを加速するホールスラスタと、
一端が開放されて配置された柱状の内側陽極と、前記内側陽極を中心にしてその周囲に配置された外側陰極と、を備えて、前記ホールスラスタから流入したイオンビームを、両極間を流れる電流とこの電流により発生する自己磁場とで生じるローレンツ力により前記内側陽極の開放端方向に加速移動させて、前記内側陽極の開放部で圧縮させて出力するプラズマフォーカス部と、を備えることを特徴とするイオン源。
A cylindrical outer magnetic portion, a columnar inner magnetic portion disposed at a fixed space in the center of the outer magnetic portion and generating a magnetic field between the outer magnetic portion, and a closed side of the space. An anode disposed on the open side, and a cathode disposed on the open side, comprising applying an electric field in a direction orthogonal to the magnetic field, and ionizing the gas supplied to the space to generate plasma in the plasma. Hall thrusters that accelerate ions,
A column-shaped inner anode arranged with one end open, and an outer cathode arranged around the inner anode, the ion beam flowing from the Hall thruster, and a current flowing between the two electrodes And a plasma focus unit that accelerates and moves in the direction of the open end of the inner anode by Lorentz force generated by a self-magnetic field generated by the current, compresses and outputs at the open portion of the inner anode, and Ion source.
絶縁材料を介して結合して、前記ホールスラスタと前記プラズマフォーカス部とを連通させる絶縁部をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のイオン源。   The ion source according to claim 1, further comprising an insulating unit that couples the hole thruster and the plasma focus unit through an insulating material. 前記プラズマフォーカス部で圧縮された前記イオンビームを伝搬させる誘導管と、
前記誘導管に設けられて、前記イオンビームの進行方向と垂直な磁場を生成する垂直磁場発生部と、をさらに備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のイオン源。
An induction tube for propagating the ion beam compressed by the plasma focus unit,
The ion source according to claim 1, further comprising: a vertical magnetic field generation unit provided in the guide tube and configured to generate a magnetic field perpendicular to a traveling direction of the ion beam.
前記誘導管の長さは、前記イオン及び電子の平均自由行程よりも短くなるように設けられていることを特徴とする請求項3に記載のイオン源。   The ion source according to claim 3, wherein the length of the guide tube is provided to be shorter than the mean free path of the ions and electrons. 前記ホールスラスタの前記陰極は、陰極内に供給される2次ガスを電離させて、前記ホールスラスタに形成された前記空間内に電子を供給することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のイオン源。   5. The cathode according to claim 1, wherein the cathode of the Hall thruster ionizes a secondary gas supplied into the cathode to supply electrons into the space formed in the Hall thruster. 6. The ion source according to claim 1. 前記ホールスラスタの前記陰極は、電子を供給するための複数の電子供給口を有することを特徴とする請求項5に記載のイオン源。   The ion source according to claim 5, wherein the cathode of the Hall thruster has a plurality of electron supply ports for supplying electrons. 前記内側陽極の先端部は円錐形状であり、
前記外側陰極の径は、前記内側陽極の前記開放部で狭まるように形成されていることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のイオン源。
The tip of the inner anode has a conical shape,
The ion source according to any one of claims 1 to 6, wherein a diameter of the outer cathode is formed to be narrower at the open portion of the inner anode.
絶縁材料を介して結合して、前記ホールスラスタと前記プラズマフォーカス部とを連通させる絶縁部をさらに備え、
前記内側陽極は、前記絶縁部及び前記内側磁気部の内部を敷設された電流路を介して電流が供給されることを特徴とする請求項から請求項7のいずれか一項に記載のイオン源。
It further includes an insulating unit that is coupled via an insulating material and communicates the hole thruster and the plasma focus unit,
The inner anode, the insulating portion and the ions according to any one of claims 1 to 7 in which current through a current path that is laid inside the inner magnetic portion is characterized in that it is provided source.
前記プラズマフォーカス部で圧縮された前記イオンビームを伝搬させる誘導管と、
前記誘導管のビーム出口に接続されて、前記イオンビームと電子とを分離する偏向部と、さらに備えることを特徴とする請求項から請求項8のいずれか一項に記載のイオン源。
An induction tube for propagating the ion beam compressed by the plasma focus unit,
Is connected to the beam outlet of the guide tube, the ion source according to any one of claims 1 to 8, characterized in that said further and a deflection unit for separating an ion beam and an electron.
前記外側陰極の径は、前記内側陽極の前記開放部で狭まり、前記開放部からビーム出力口に向かって広がるように形成されることを特徴とする請求項1に記載のイオン源。   2. The ion source according to claim 1, wherein a diameter of the outer cathode is formed so as to be narrower at the opening of the inner anode and expand toward the beam output port from the opening. 前記プラズマフォーカス部の外側に配置されて、軸方向に対して磁場を加えるソレノイドを備えることを特徴とする請求項10に記載のイオン源。   The ion source according to claim 10, further comprising a solenoid that is disposed outside the plasma focus unit and applies a magnetic field in an axial direction. ホールスラスタを用いて、ガスが供給された空間内に発生させたプラズマのイオンを加速するステップと、
前記ホールスラスタと連通されたプラズマフォーカス部を用いて、一端が開放された内側陽極と外側陰極との間に電圧を印加することで前記ホールスラスタから出力されたイオンビームを加速させて圧縮するステップと、を含むことを特徴とするイオンビーム発生方法。
Using a Hall thruster to accelerate the plasma ions generated in the gas-supplied space;
Accelerating and compressing the ion beam output from the hole thruster by applying a voltage between the inner anode and the outer cathode, one end of which is open, using a plasma focus unit communicated with the hole thruster; And a method for generating an ion beam.
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