JP6942347B2

JP6942347B2 - イオン源装置、粒子線発生装置、およびイオンビーム生成方法

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Publication number: JP6942347B2
Application number: JP2018021802A
Authority: JP
Inventors: 康太水島; 佳之岩田; 正幸村松; 敏之白井
Original assignee: NATIONAL INSTITUTES FOR QUANTUM AND RADIOLOGICALSCIENCE AND TECHNOLOGY
Current assignee: NATIONAL INSTITUTES FOR QUANTUM AND RADIOLOGICALSCIENCE AND TECHNOLOGY
Priority date: 2018-02-09
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2021-09-29
Anticipated expiration: 2038-02-09
Also published as: EP3524320A1; JP2019139943A

Description

この発明は、例えば、高エネルギーイオンビーム（粒子線）を発生させる粒子線発生装置、イオンビームを生成するイオン源装置、およびイオンビーム生成方法に関する。

従来、がん細胞などの患部に荷電粒子を照射して治療を行う粒子線治療装置が提供されている。粒子線治療装置で使用される荷電粒子（イオン種）には、水素イオンや炭素イオンなどがある。

粒子線治療装置は、使用するイオン種を１種類に特化して使用するタイプの装置が多数であるが、複数のイオン種を組み合わせて照射することで治療効果をより一層高めることのできる方法が開示されている（非特許文献１参照）。このように、複数のイオン種を短時間で切り替えて使用することのできる小型の粒子線治療装置の開発が望まれている。

ここで、２種類以上のイオン種を切り替えて使用できるタイプの荷電粒子ビームシステムも提案されている（特許文献１参照）。この荷電粒子ビームシステムは、イオン源装置を複数設置し、必要なイオン種に応じて使用するイオン源装置を切り替えるものである。

しかしながら、このように２種類以上のイオン種を切り替えて使用できるタイプの粒子線治療装置は、複数のイオン源装置が設置されているために、装置が大型化するという欠点があった。

これに対して、粒子線治療装置を小型化するために、照射において、照射目標の深さと各イオン種の最大水中飛程を比較し、照射目標の深さが最長水中飛程以下となるイオン種を選択して照射目標に照射する方法を使用することが提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１も、水素分子のイオン源とヘリウムのイオン源といったように複数のイオン源装置を必要とするものであり、複数のイオン源装置によって装置が大型化することを解決できるものではなかった。

特開２０１５−８４８８６号公報

Taku Inaniwa et al.，"Treatment planning of intensity modulated composite particle therapy with dose and linear energy transfer optimization",Phys.Med.Biol. 62 (2017) 5180-5197.

この発明は、上述の問題に鑑みて、複数のイオン種を短時間で切り換えて生成することのできるイオン源装置、粒子線発生装置、およびイオンビーム生成方法を提供することを目的とする。

この発明は、真空中に導入したガスからイオンビームを生成するイオン源装置であって、内部が真空のチャンバーと、前記チャンバー内にガスを供給するガス供給部と前記ガスの原子をイオン化するための電離エネルギーを前記チャンバー内に供給する電離エネルギー供給部と、を備え、前記ガス供給部は、異なる種類のガスが充填された複数のガスボンベと、前記ガスボンベに接続され前記チャンバーへガスを通すガス通路と、前記ガス通路に取り付けられパルス的に開状態にできるパルス制御用ガスバルブを有し、前記電離エネルギー供給部は、前記チャンバー内に前記電離エネルギーを供給する期間を、前記パルス制御用ガスバルブの開動作および閉動作によって前記チャンバー内のガス量が変化するガス量変化曲線におけるどの期間にするかを所望のイオン種に応じて制御する電離エネルギー供給期間制御部を備えた例えばイオン源装置であることを特徴とする。

この発明により、複数のイオン種を短時間で切り換えて生成することのできるイオン源装置、粒子線発生装置、およびイオンビーム生成方法を提供できる。

粒子線発生装置の全体構成を示す構成図。イオン源装置の構成を示す構成図。粒子線発生装置の機能ブロック図。イオン源制御方法を説明するタイムチャート。イオン源制御方法を説明するタイムチャートの一部拡大図。実施例２のイオン源装置の構成を示す構成図。

以下、この発明の一実施形態を図面と共に説明する。

＜粒子線発生装置の全体構成＞
図１は、粒子線発生装置１００の全体構成を示す構成図である。粒子線発生装置１００は、イオン源装置１と、イオン分離装置２と、前段加速器３と、主加速器４と、照射装置９と、これらを制御する制御装置３０を備えている。なお、図示する例では、イオン源制御装置３１と加速器制御装置３２と照射制御装置３３とＥＣＲ制御部４１とを制御装置３０内に備えているが、これに限らず、イオン源制御装置３１と加速器制御装置３２と照射制御装置３３とＥＣＲ制御部４１を別個に備え、互いに通信して必要なデータを送受信する構成としてもよい。

イオン源装置１は、真空中に導入したガスに対して、プラズマ放電をさせたり、あるいは電子ビームを照射することにより、導入したガスの原子から電子を取り除いてイオン化し、所定の方向に射出するイオンビームを生成する装置である。

イオン分離装置２は、イオン源装置１で生成されたイオンビームの中から目的のイオンだけを分離して取り出す装置であり、磁場を用いた質量分析器（図示せず）を備えている。質量分析器は、イオン分離電磁石（図示せず）と、イオン分離電磁石によって形成される磁場印加領域の出口に設けられたイオンビームを分離するスリット（図示せず）とを有しており、イオン分離電磁石に流す電流値を調節することで磁場を調節し、目的の質量とイオン価数を有するイオン種（目的のイオン）だけを分離して取り出す。

前段加速器３は、加速器の一種である線形加速器で、イオン分離装置２によって分離され取り出された目的のイオンのイオンビームを高周波電場によって所定のエネルギーにまで加速し、主加速器４に供給する。

主加速器４は、加速器の一種であるシンクロトロンで、前段加速器３で加速されたイオンビームを入射し治療等に必要な高エネルギーにまでさらに加速する加速器である。主加速器４は、イオンビームを主加速器４に入射するための入射装置５と、入射したイオンビームを曲げて同一円軌道上を周回させるために円形に配置された偏向電磁石６と、高周波電場を印加してイオンビームを加速する加速空洞７と、所定の高エネルギーにまで加速されたイオンビームを主加速器４から取り出すための出射装置８とを備えている。主加速器４は、スタンバイ状態でイオンビームの入射を受け付ける入射モードと、入射したイオンビームを加速する加速モードと、加速したイオンビームを出射する出射モードと、スタンバイ状態に戻すための減速モードの４つの運転モードを有しており、これら４つの運転モードをこの順に繰り返して運転する。

照射装置９は、主加速器４から取り出した高エネルギーのイオンビームを患者の標的腫瘍等に照射する装置である。照射装置９は、イオンビームのＸＹ方向（イオンビームの照射方向に対する垂直平面方向）の位置を調節するＸ方向スキャニング磁石とＹ方向スキャニング磁石と、イオンビーム中のイオンのＺ方向（イオンビームの進行方向）の停止位置（照射深度）を微調整するレンジシフタと、照射スポット別のイオンビームの照射線量を計測するスキャニングモニタを備えている。

制御装置３０は、イオン源制御装置３１と、加速器制御装置３２と、照射制御装置３３とを有している。イオン源制御装置３１は、イオン源装置１の運転を制御し、加速器制御装置３２は、イオン分離装置２と前段加速器３と主加速器４の運転を制御し、照射制御装置３３は、照射されるイオンビームの照射線量等を監視しつつ、照射装置９が照射するイオンビームの照射スポットの３次元位置の制御を行う。また、照射制御装置３３は、照射深度に合わせてイオンビームのエネルギー（加速電圧）や強度、照射するイオン種の変更等の要求をイオン源制御装置３１と加速器制御装置３２に発信する。さらに、加速器制御装置３２は、主加速器４の入射モードのタイミングに合わせてイオンビームを入射させるために、ガス導入指令をイオン源制御装置３１に発信する。

＜イオン源装置の詳細＞
図２は、イオン源装置１の構成を示す構成図である。イオン源装置１は、ガスの原子をイオン化するための電離エネルギーの供給方法の違いから、イオンビームの生成方式に幾つかの方式がある。

この例では、ＥＣＲ放電方式によりガスの原子をイオン化するＥＣＲイオン源１０を用いている。ＥＣＲイオン源１０は、真空中に導入されたガスに、外部からマイクロ波パワーを印加し、プラズマ放電のトリガーとなる電子を電離させ、さらに、その電離した電子を磁場によって閉じ込め、マイクロ波との共鳴を繰り返すことによりガスの原子をイオン化するという原理を用いている。

ＥＣＲイオン源１０は、内部が中空の横に寝かせた略円柱体で、真空用素材で形成されたプラズマチャンバー１２を備えている。

プラズマチャンバー１２は、一方（図示右側）にガス導入用のガスノズル１９が設けられ、他方（図示左側）にイオンビーム１５を射出する電極１４が設けられ、前記一方から他方への供給射出方向の外周に当該外周部を取り囲むようにして電磁石１３が設けられている。

プラズマチャンバー１２の前記一方（図示右端部）には、真空引き用開口部１８ａが設けられている。真空引き用開口部１８ａには、プラズマチャンバー１２内の中央部にガスを導入するためのガスノズル１９と、マイクロ波電源に接続されプラズマチャンバー１２内にマイクロ波を伝送するマイクロ波導波管２０（電離エネルギー供給部）が挿入されている。そして、真空引き用開口部１８ａは、外側から覆うようにして真空フランジで蓋がされ、真空フランジには真空配管を介して真空ポンプ１６が接続されている。これにより、プラズマチャンバー１２内は真空に保持される。

プラズマチャンバー１２の前記他方（図示左端部）には、プラズマチャンバー１２内で生成されたイオンをプラズマチャンバー１２外に射出する射出口１８ｂが設けられている。また、射出口１８ｂには、プラズマチャンバー１２内のイオンを引き寄せて射出口１８ｂから引き出すための電極１４が設けられている。

ＥＣＲイオン源１０では、真空ポンプ１６により真空が保持されたプラズマチャンバー１２内にガスノズル１９からガスを導入し、プラズマチャンバー１２内に導入したガスにマイクロ波導波管２０からマイクロ波パワーを印加し、プラズマ放電のトリガーとなる電子を電離させ、さらに、その電離した電子をプラズマチャンバー１２の側面部を取り囲む電磁石１３の磁場によって閉じ込め、マイクロ波との共鳴を繰り返してプラズマ１１を発生させることで、ガスの原子をイオン化している。そして、プラズマチャンバー１２内で生成されたイオンを電極１４がプラズマチャンバー１２内から引き出し、所定のエネルギーを付与してイオンビーム１５として所定の方向に射出させる。

ＥＣＲイオン源１０における上述の一連の動作は、イオン源制御装置３１によって制御される。

なお、イオン源装置１は、上述のＥＣＲイオン源１０の方式に限るものではなく、これ以外に、ＰＩＧ型イオン源やＥＢＩＳ（電子ビームイオン源）などの方式を用いることもできる。例えば、ＰＩＧ型イオン源は、円筒状の陽極の両端に陰極が配置され、軸方向に強い磁場を加えた構造で、陰極から出た電子を、半径方向には磁場により、また、軸方向には両端の陰極により閉じ込めて、高密度のプラズマを生成するという原理を用いている。また、ＥＢＩＳ（電子ビームイオン源）は、高エネルギーの電子ビームを繰り返し同じ原子（イオン）に衝突させることによりイオン化を進めるという原理を用いている。

イオン源装置１は、ＥＣＲイオン源１０にガスを供給するガス供給部２６を備えている。

ガス供給部２６は、複数種類のガスをＥＣＲイオン源１０に供給する複数のガス供給系を有しており、この例では、酸素（Ｏ_２）ガス供給系、メタン（ＣＨ_４）ガス供給系、及びヘリウム（Ｈｅ）ガス供給系の３種類のガス供給系を有している。

例えば、酸素ガス供給系は、酸素ガスが充填された酸素ガスボンベ１７Ａと、一端が酸素ガスボンベ１７Ａに接続され酸素ガスをＥＣＲイオン源１０に供給する酸素ガス供給パイプ２４Ａ（ガス通路）を有している。酸素ガス供給パイプ２４Ａには、酸素ガスパルス制御用ガスバルブ２１Ａと、酸素ガス遮断用ガスバルブ２２Ａと、酸素ガス流量調整用ガスバルブ２３Ａとが設けられている。

酸素ガス遮断用ガスバルブ２２Ａは、酸素ガス供給パイプ２４Ａを通る酸素ガスの供給を遮断することができ、酸素ガス流量調整用ガスバルブ２３Ａは、酸素ガス供給パイプ２４Ａを通る酸素ガスの流量を調整する。

酸素ガスパルス制御用ガスバルブ２１Ａは、高速応答性のガスバルブで、例えば、圧電素子を用いたバルブやソレノイドバルブを用いる。酸素ガスパルス制御用ガスバルブ２１Ａは、閉状態と開状態の切り替えが速く、パルス的に短時間だけ開状態にできる。酸素ガスパルス制御用ガスバルブ２１Ａは、保持可能な開状態のパルス幅が１ミリ秒以下であることが好ましく、１００マイクロ秒以下であることがより好ましく、１０マイクロ秒以下であることがさらに好ましい。なお、「パルス的に」とは、１ミリ秒以下、１００マイクロ秒以下、または１０マイクロ秒以下等の微小時間の間だけＯＮにしてその前後はＯＦＦであることを指している。

同様にして、メタンガス供給系は、メタンガスボンベ１７Ｂと、メタンガス供給パイプ２４Ｂ（ガス通路）と、メタンガスパルス制御用ガスバルブ２１Ｂと、メタンガス遮断用ガスバルブ２２Ｂと、メタンガス流量調整用ガスバルブ２３Ｂを有し、ヘリウムガス供給系は、ヘリウムガスボンベ１７Ｃと、ヘリウムガス供給パイプ２４Ｃ（ガス通路）と、ヘリウムガスパルス制御用ガスバルブ２１Ｃと、ヘリウムガス遮断用ガスバルブ２２Ｃと、ヘリウムガス流量調整用ガスバルブ２３Ｃを有している。

なお、メタンガス供給系、及びヘリウムガス供給系を構成する上述のガスボンベ（１７Ｂ、１７Ｃ）、ガス供給パイプ（２４Ｂ、２４Ｃ）、各種ガスバルブ（２１Ｂ、２２Ｂ、２３Ｂ、２１Ｃ、２２Ｃ、２３Ｃ）は、酸素ガス供給系の対応するガスボンベ（１７Ａ）、ガス供給パイプ（２４Ａ）、各種ガスバルブ（２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ）と、構造及び機能が同じであるため、説明を省略する。

酸素ガス供給パイプ２４Ａ、メタンガス供給パイプ２４Ｂ、及びヘリウムガス供給パイプ２４Ｃのそれぞれの他端は、一端にガスノズル１９が接続されたガス導入パイプ２５（ガス通路）に接続されている。

イオン源制御装置３１は、酸素ガス供給系、メタンガス供給系、及びヘリウムガス供給系の各種ガスバルブ（２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ、２１Ｂ、２２Ｂ、２３Ｂ、２１Ｃ、２２Ｃ、２３Ｃ）による開閉切替や流量調整の制御を行う。

＜粒子線発生装置の機能ブロック＞
図３は、粒子線発生装置１００の機能ブロック図である。上述のように、粒子線発生装置１００は、制御装置３０として、イオン源制御装置３１と、加速器制御装置３２と、照射制御装置３３を有している。

＜イオン源制御装置の機能ブロック＞
イオン源制御装置３１は、ＥＣＲ制御部４１、真空ポンプ／バルブ開閉制御部４２、マイクロ波パワーＯＮ／ＯＦＦ制御部４３、パルス制御用ガスバルブ開閉制御部４４、ガス導入指令受信部４５、及びイオン種変更要求受信部４６として機能する。

ＥＣＲ制御部４１は、その機能はさらに細分化され、引き出し電圧設定部４１ａ、マイクロ波パワー設定部４１ｂ、及び電磁石電流設定部４１ｃとして機能する。

電磁石電流設定部４１ｃは、ＥＣＲイオン源１０において、電磁石１３による磁場の回りを円運動する電子の周波数を、マイクロ波導波管２０を通して印加するマイクロ波の周波数の近傍値に選定して、プラズマチャンバー１２内に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）現象によるプラズマ１１が生成しやすいように、電磁石１３に流す電流値（閉じ込め磁場用電磁石電流値）を設定する。

マイクロ波パワー設定部４１ｂは、ＥＣＲイオン源１０のマイクロ波電源に対して、マイクロ波導波管２０を通してプラズマチャンバー１２内に入力するマイクロ波パワー（加速電場用入力パワー）の設定をする。この設定により、プラズマチャンバー１２内に生成するプラズマ１１の密度を変えることができる。

引き出し電圧設定部４１ａは、ＥＣＲイオン源１０において、プラズマチャンバー１２内に生成されたプラズマ１１から、目的のイオンを所定のエネルギーで引き出すために、電極１４に印加する所定の引き出し電圧を設定する。ここで、イオン種に応じた引き出し電圧等の設定例を［表１］に示す。

この表１は、例として、ＥＣＲイオン源１０において、酸素３価イオン、炭素２価イオン、及びヘリウム２価イオンを、核子当たりのエネルギーを８ｋｅＶ／ｎで引き出す場合に、引き出し電圧設定部４１ａ、マイクロ波パワー設定部４１ｂ、及び電磁石電流設定部４１ｃがそれぞれ設定する、引き出し電圧、加速電場用入力パワー、及び閉じ込め磁場用電磁石電流値（磁場）を示している。

真空ポンプ／バルブ開閉制御部４２は、その機能はさらに細分化され、真空ポンプ制御部４２ａ、遮断用ガスバルブ開閉制御部４２ｂ、及び流量調整用ガスバルブ開閉制御部４２ｃとして機能する。

真空ポンプ制御部４２ａは、プラズマチャンバー１２内を高真空に保持するように、真空ポンプ１６の運転を制御する。

遮断用ガスバルブ開閉制御部４２ｂは、例えば、目的のイオンが酸素３価イオンの場合、酸素ガス供給系の酸素ガス遮断用ガスバルブ２２Ａだけを開状態にし、他のメタンガス供給系のメタンガス遮断用ガスバルブ２２Ｂとヘリウムガス供給系のヘリウムガス遮断用ガスバルブ２２Ｃを閉状態にするように制御する（図２参照）。これにより、目的のイオンを生成するための原料ガスだけをＥＣＲイオン源１０に供給することができる。

流量調整用ガスバルブ開閉制御部４２ｃは、同様に、例えば、目的のイオンが酸素３価イオンの場合、酸素ガス供給系の酸素ガス流量調整用ガスバルブ２３Ａの開度の制御を行い、これにより、酸素ガス供給パイプ２４Ａ内を流動する酸素ガスの流量を調整できる。

マイクロ波パワーＯＮ／ＯＦＦ制御部４３（電離エネルギー供給期間制御部）は、ＥＣＲイオン源１０のマイクロ波電源に対して、設定されたマイクロ波パワー（加速電場用入力パワー）の出力の制御（ＯＮ／ＯＦＦ制御）をする。このマイクロ波パワーＯＮ／ＯＦＦ制御部４３は、加速器制御装置３２のイオン種変更要求発信部５６から受信したイオン種のイオンを生成するために適切なタイミングとして、パルス制御用ガスバルブ開閉制御部４４によるガスバルブの開閉タイミングから所定のタイミングにマイクロ波パワーをＯＮにして所定期間経過後にマイクロ波パワーをＯＦＦにする。なお、マイクロ波パワーをＯＮにする所定のタイミングは、図５の例ではガスバルブが閉じた時期を基準に定めているが、ガスバルブを開いた時点を基準に定めてもよい。

パルス制御用ガスバルブ開閉制御部４４は、例えば、目的のイオンが酸素３価イオンの場合、酸素ガスパルス制御用ガスバルブ２１Ａがパルス的に開閉動作するよう制御する。これにより、酸素ガスパルス制御用ガスバルブ２１Ａは、閉状態から開状態になり、また元の閉状態に戻るという一連の状態の切り替えが素早く行え、このため、パルス的に短時間だけ開状態にできる。これにより、目的のイオンを生成するためにＥＣＲイオン源１０に供給する原料ガスの供給量を必要最小限に抑えて調整でき、かつ当該原料ガスを短時間に供給できる。

ガス導入指令受信部４５は、主加速器４の入射モードのタイミングに合わせてイオンビームを入射するために加速器制御装置３２が発信するガス導入指令を受信する。

イオン種変更要求受信部４６は、照射装置９が照射するイオンビームのイオン種（目的のイオン）を変更するに際して照射制御装置３３が発信するイオン種変更要求と、主加速器４の出射モードから減速モードへの切替りのタイミングに合わせて加速器制御装置３２が発信するトリガーとなるイオン種変更要求を受信する。

＜加速器制御装置の機能ブロック＞
加速器制御装置３２は、イオン種変更要求発信部５６、ガス導入指令発信部４７、イオン分離電磁石電流設定部４８、前段加速器運転制御部４９、主加速器運転制御部５０、イオン種変更要求受信部５１、及び加速電圧設定要求受信部５２として機能する。

イオン種変更要求発信部５６は、主加速器４の出射モードから減速モードへの切替りのタイミングに合わせてトリガーとなるイオン種変更要求をイオン源制御装置３１に発信する。

ガス導入指令発信部４７は、主加速器４の入射モードのタイミングに合わせてイオンビームが入射するようにイオン源制御装置３１にガス導入指令を発信する。

イオン分離電磁石電流設定部４８は、イオン分離装置２において、イオンビームの中から目的の質量とイオン価数を有するイオン種（目的のイオン）をイオンビームの中から分離して取り出すために、目的のイオンに合わせてイオン分離電磁石に流す電流値を設定し、イオンビームに印加する磁場を制御する。

前段加速器運転制御部４９は、前段加速器３の高周波電場を制御し、これにより、イオン分離装置２によって分離され取り出された目的のイオンのイオンビームを所定のエネルギーにまで加速する。

主加速器運転制御部５０は、主加速器４の４つの各運転モード（入射モード、加速モード、出射モード、及び減速モード）において、それぞれ個別の運転を制御すると共に、これら４つの運転モードをこの順に繰り返して運転するように制御する。なお、入射モードから減速モードまでの１周期の時間は、数秒〜数十秒である。これにより、前段加速器３から繰り返し入射する目的のイオンのイオンビームを、その都度、治療等に必要な高エネルギーにまで加速する。

イオン種変更要求受信部５１は、照射装置９が照射するイオンビームのイオン種（目的のイオン）を変更するに際して照射制御装置３３が発信するイオン種変更要求を受信する。

加速電圧設定要求受信部５２は、照射装置９が照射深度に合わせてイオンビームのエネルギー（加速電圧）や強度を変更するに際して照射制御装置３３が発信する加速電圧設定要求を受信する。

＜照射制御装置の機能ブロック＞
照射制御装置３３は、イオン種変更要求発信部５３、加速電圧設定要求発信部５４、ビーム照射ゲート開閉制御部５５、及び照射野形成制御部５７として機能する。
イオン種変更要求発信部５３は、照射装置９が照射するイオンビームのイオン種（目的のイオン）を変更するに際してイオン源制御装置３１と加速器制御装置３２にイオン種変更要求を発信する。

加速電圧設定要求発信部５４は、照射装置９が照射深度に合わせてイオンビームのエネルギー（加速電圧）や強度を変更するに際して加速器制御装置３２に加速電圧設定要求を発信する。

ビーム照射ゲート開閉制御部５５は、照射装置９が照射するイオンビームの射出口であるゲートの開閉を制御する。これにより、照射装置９が照射するイオンビームのそれぞれの照射スポットの３次元位置における照射線量を制御できる。
また、照射野形成制御部５７は、照射装置９が照射するイオンビームの偏向角度を制御する。これにより、照射装置９がそれぞれの照射スポットに合わせてイオンビームの照射位置を制御できる。

＜粒子線発生装置の動作＞
図４は、粒子線発生装置１００の動作を説明するタイムチャートである。
ここでは、照射装置９が、イオンビームとして酸素３価イオン（酸素ガスによる）を２回照射し、その後、炭素２価イオン（メタンガスによる）を１回、最後にヘリウム２価イオン（ヘリウムガスによる）を１回照射する場合を示している。

照射装置９は、主加速器４が繰り返し運転する入射モードから減速モードまでの一連の運転モードに同期させてイオンビームの照射を行う。そして、上述の照射装置９によるイオンビームの各回の照射は、主加速器４の出射モードの時に行われ、照射装置９のビーム照射ゲートを、所定のスパンを開けて断続的に数回所定の時間（開放時間）開状態にすることにより行われる。この時の開放時間は、数ミリ秒から数秒に設定されている。これにより、照射するイオンビームの強度が調整される。

図示するように、主加速器運転パターンが出射モードの間に照射装置ビーム照射ゲート開閉を行い、照射装置ビーム照射ゲート開閉が閉状態となり、かつ、次の入射モードに入るより前にイオン種変更要求を行う構成となっている。

また、イオン種変更要求の後、入射モードになるまでの間に、引出電圧、加速電場用入力パワー、閉じ込め磁場用電磁石電流、およびイオン分離電磁石電流は、次のイオン種に対応した値に設定される。

また、イオン種変更要求の後、導入ガスの切り替えに必要な時間が経過するまでは、ステータスを導入ガス種切替中とし、ステータスが導入ガス種切替中では無くなるまでガス導入指令を出さないようにしている。

なお、この図４の下方に示す「ガス導入指令」、「チャンバー真空度」、「加速電場用入力パワーＯＮ指令」は、他の項目に比べてＯＮ（開）となっている時間が極めて短い（１／１０以下や１／１００以下といった単位である）。このため、図示では、ＯＮ（開）になっている部分の時間軸を拡大して表記しており、ＯＦＦ（閉）になっている部分を一部カットして表記している。実際には、この部分は図５に示すような時間軸となる。

≪イオンビーム生成動作≫
図５は、図４に示した動作を詳細に説明するタイムチャートの一部拡大図である。

イオン源装置１は、主加速器４が入射モードの時にイオンビームが主加速器４に入射できるようにイオンビームの生成を行う。

イオン源装置１の運転モードには、アイドリング状態の待機モードと、目的のイオンのイオンビームを生成するための条件設定をする条件設定モードと、現にイオンビームを生成する生成モードがある。

［待機モード］
待機モードでは、イオン源装置１は、イオン源制御装置３１（真空ポンプ／バルブ開閉制御部４２）の制御により、真空ポンプ１６が作動しプラズマチャンバー１２が真空引きの状態になっている。

［条件設定モード］
待機モードから条件設定モードへの移行は、照射制御装置３３が発信するイオン種変更要求（ここでは、イオン種設定要求）をイオン源制御装置３１が受信することにより開始される。ここでのイオン種設定要求は、例えば、酸素３価イオンを目的のイオン（イオン種）として設定することを要求するものとする。
なお、照射制御装置３３が発信するイオン種設定要求は、加速器制御装置３２にも発信される。

イオン源装置１では、酸素３価イオンのイオン種設定要求を受信したイオン源制御装置３１（真空ポンプ／バルブ開閉制御部４２）の制御により、酸素ガス遮断用ガスバルブ２２Ａが閉状態から開状態に切り替わり、酸素ガス流量調整用ガスバルブ２３Ａの開度が所定の値に調整される。これにより、ガス供給部２６は、残りの酸素ガスパルス制御用ガスバルブ２１Ａを開状態にすれば、酸素ガスボンベ１７Ａから酸素ガス供給パイプ２４Ａ、ガス導入パイプ２５、及びガスノズル１９を介してプラズマチャンバー１２内に所定の流量で酸素ガスを供給することのできる酸素ガス供給の準備態勢に入る。

また、イオン源装置１では、酸素３価イオンのイオン種設定要求を受信したイオン源制御装置３１（ＥＣＲ制御部４１）の制御により、酸素３価イオンをプラズマチャンバー１２内に閉じ込めるために電磁石１３に流す所定の電流値（閉じ込め磁場用電磁石電流値）と、マイクロ波電源からプラズマチャンバー１２内に入力する所定のマイクロ波パワーと、電極１４に印加する所定の引き出し電圧が設定される（表１参照）。そして、電磁石１３には設定された電流値の電流が流され、電極１４には設定された引き出し電圧が印加される。ただし、この時点では、マイクロ波電源は、所定のマイクロ波パワーを設定して出力の準備をするだけで、プラズマチャンバー１２内への実際の出力は行わない。

［生成モード］
次に、条件設定モードから生成モードへの移行は、加速器制御装置３２が発信するガス導入指令をイオン源制御装置３１が受信することにより開始される。加速器制御装置３２は、主加速器４の入射モードのタイミングに合わせてイオンビームを入射させるために、ガス導入指令をイオン源制御装置３１に発信する（図５参照）。

なお、加速器制御装置３２は、照射制御装置３３が発信するイオン種設定要求（ここでは、酸素３価イオンを目的のイオン（イオン種）として設定することを要求）を事前に受信しているため、イオン源制御装置３１には酸素ガスを導入する旨のガス導入指令を発信する。

イオン源装置１では、ガス導入指令を受信したイオン源制御装置３１（パルス制御用ガスバルブ開閉制御部４４）の制御により、酸素ガスパルス制御用ガスバルブ２１Ａがパルス的に開閉する。なお、開状態が保持されるこの時のパルス幅Ｔｇは１ミリ秒以下であることが好ましく、１００マイクロ秒以下であることがより好ましく、１０マイクロ秒以下であることがさらに好ましい。これにより、プラズマチャンバー１２内に少量の酸素ガスを供給することができる。この際、プラズマチャンバー１２内の圧力は、この酸素ガスの供給開始と同時に急上昇し、その後、下降に転じ徐々に下がっていく。プラズマチャンバー１２内の真空度が、主加速器４が運転する入射モードから減速モードまでの１周期の時間内、あるいは２秒以内、好ましくは１秒以内に、酸素ガスを供給する以前の真空度に戻るように、プラズマチャンバー１２内への酸素ガスの供給量を少量に調整し、かつ短時間に酸素ガスを供給する。

イオン源装置１では、イオン源制御装置３１（マイクロ波パワーＯＮ／ＯＦＦ制御部４３）の制御により、酸素ガスパルス制御用ガスバルブ２１Ａのパルス的な開閉動作終了後、僅かにインターバルＩｇｐを置いて、マイクロ波電源が、設定されていた所定のマイクロ波パワー（加速電場用入力パワー）をプラズマチャンバー１２内に出力する。インターバルＩｇｐは、プラズマチャンバー１２内の酸素ガスによる圧力が、上昇から下降に転じて安定して下がり始めるまでの時間に設定するのが好ましい。これにより、プラズマチャンバー１２内の酸素ガス量が高くしかも安定している時にマイクロ波パワーが出力されるため、安定して高密度のプラズマ１１を生成することができる。また、マイクロ波パワー（加速電場用入力パワー）の出力時間Ｔｐは、プラズマチャンバー１２内の酸素ガス量が低下しすぎて、安定してプラズマ１１が生成できなくなる時を終期の限界とした期間に設定する。すなわち、チャンバー内のガス量が増加を始めてから真空状態となるまでの期間Ｔｃの間、言い換えれば変化するガス量変化曲線Ｇ１が存在する間のイオン生成に適した期間に出力時間Ｔｐを設定する。これにより、多量のプラズマ１１を生成することができる。同時に、当該プラズマ１１中に多量の酸素３価イオン（目的のイオン）を発生させることができる。

プラズマチャンバー１２内に生成されたプラズマ１１中の酸素３価イオンは、電極１４によりプラズマチャンバー１２内から引き出された後、イオンビーム１５となってイオン源装置１から射出され、そして、イオン分離装置２及び前段加速器３を経由して主加速器４に入射する。

以上で、イオン源装置１における生成モードでの運転は終了し、その後、酸素３価イオンの条件設定モードに戻る。その際、種々の設定はそのまま維持される。

なお、イオン分離装置２では、イオン種設定要求を受信した加速器制御装置３２（イオン分離電磁石電流設定部４８）の制御により、酸素３価イオン（目的のイオン）に合わせてイオン分離電磁石に流す電流値が設定され、イオンビームに印加する磁場が制御されている。

また、主加速器４では、加速器制御装置３２（主加速器運転制御部５０）の制御により、入射モードの最終段階で、イオンビームが前段加速器３を経由して入射するタイミングに合わせて、開放時間Ｔｉの間だけ、イオンビーム入射ゲートが開状態となり、入射する酸素３価イオンのイオンビームを受け入れる。ここで、開放時間Ｔｉは、照射制御装置３３が加速器制御装置３２に発信したイオン種設定要求の中で要求している酸素３価イオンの要求量に基づいて決定される。

なお、続けて、同じ酸素３価イオンのイオンビームを生成する場合には、この維持された酸素３価イオンの条件設定モードから、再度上述の酸素３価イオンの生成モードに移行すればよい（図４参照）。

≪イオン種変更動作≫
≪イオンビーム生成動作≫では、酸素３価イオンのイオンビームの生成動作を説明した。次に、イオン種を、例えば、酸素３価イオンから炭素２価イオンに変更する場合の動作を説明する（図４参照）。

イオン種の変更は、照射制御装置３３がイオン種変更要求（ここでは、酸素３価イオンから炭素２価イオンへの変更要求）をイオン源制御装置３１と加速器制御装置３２とに発信することにより開始される。

加速器制御装置３２は、照射制御装置３３が発信するイオン種変更要求を受信した後で、主加速器４が出射モードから減速モードへ移行する時に、イオン源制御装置３１にトリガーとなるイオン種変更要求を発信する。

イオン源制御装置３１は、照射制御装置３３からのイオン種変更要求に加えて、加速器制御装置３２からのトリガーとなるイオン種変更要求を受信することで、イオン源装置１を酸素３価イオンの条件設定モードから炭素２価イオンの条件設定モードへの切り替えを開始する。

なお、イオン源制御装置３１は、加速器制御装置３２が発信するトリガーとなるイオン種変更要求の受信後の一定期間を、導入ガス種切替中として、イオン源装置１を生成モードに移行させないように制御する。

［条件設定モードの切替］
酸素３価イオンの条件設定モードから炭素２価イオンの条件設定モードへの移行に際しては、まず、酸素３価イオンの条件設定モードでの設定をすべてリセットする。そして、改めて炭素２価イオンの条件設定モードの設定を上述の酸素３価イオンの場合の設定と同様に行う。

すなわち、イオン源装置１では、炭素２価イオンへのイオン種変更要求を受信したイオン源制御装置３１（真空ポンプ／バルブ開閉制御部４２）の制御により、ガス供給部２６のメタンガス遮断用ガスバルブ２２Ｂが閉状態から開状態に切り替わり、メタンガス流量調整用ガスバルブ２３Ｂの開度が所定の値に調整される。

また、イオン源装置１では、炭素２価イオンへのイオン種変更要求を受信したイオン源制御装置３１（ＥＣＲ制御部４１）の制御により、炭素２価イオンをプラズマチャンバー１２内に閉じ込めるために電磁石１３に流す所定の電流値（閉じ込め磁場用電磁石電流値）と、マイクロ波電源からプラズマチャンバー１２内に入力する所定のマイクロ波パワーと、電極１４に印加する所定の引き出し電圧が設定される（表１参照）。そして、電磁石１３には設定された電流値の電流が流され、電極１４には設定された引き出し電圧が印加される。

なお、イオン分離装置２では、イオン種変更要求を受信した加速器制御装置３２（イオン分離電磁石電流設定部４８）の制御により、炭素２価イオンに合わせてイオン分離電磁石に流す電流値が設定され、イオンビームに印加する磁場が制御される。

［条件設定モードの切替後の生成モード］
生成モードへの移行は、主加速器４に入射モードのタイミングに合わせてイオンビームを入射させるために加速器制御装置３２が発信するメタンガスのガス導入指令を、上述の導入ガス種切替中の期間外にイオン源制御装置３１が受信することにより開始される。

イオン源装置１では、ガス導入指令を受信したイオン源制御装置３１（パルス制御用ガスバルブ開閉制御部４４）の制御により、メタンガスパルス制御用ガスバルブ２１Ｂがパルス的に開閉する。これにより、プラズマチャンバー１２内の圧力は、メタンガスの供給前は十分に低下しており、供給開始と同時に急上昇し、その後、下降に転じ徐々に下がっていく。なお、プラズマチャンバー１２内の真空度が、主加速器４が運転する入射モードから減速モードまでの１周期の時間内、あるいは２秒以内、好ましくは１秒以内に、メタンガスを供給する以前の真空度に戻るように、プラズマチャンバー１２内へのメタンガスの供給量は少量に調整される。

イオン源装置１では、イオン源制御装置３１（マイクロ波パワーＯＮ／ＯＦＦ制御部４３）の制御により、メタンガスパルス制御用ガスバルブ２１Ｂのパルス的な開閉動作終了後、僅かにインターバルＩｇｐを置いて、マイクロ波電源が、設定されていた所定のマイクロ波パワー（加速電場用入力パワー）をプラズマチャンバー１２内に出力し、プラズマ１１を生成する。

プラズマチャンバー１２内に生成されたプラズマ１１中の炭素２価イオンは、電極１４によりプラズマチャンバー１２内から引き出された後、イオンビーム１５となってイオン源装置１から射出され、そして、イオン分離装置２及び前段加速器３を経由して主加速器４に入射する。

以上で、イオン源装置１における炭素２価イオンの生成モードでの運転は終了し、その後、条件設定モードに戻る。その際、種々の設定はそのまま維持される。

上述の≪イオン種変更動作≫では、例として、酸素３価イオンから炭素２価イオンにイオン種を変更する場合の動作を説明したが、同様にして、炭素２価イオンからヘリウム２価イオンにイオン種を変更することができる。

以上の構成及び動作により、複数種類のガスのうち任意のガスをプラズマチャンバー１２内に供給し、供給されたガスの種類に応じた種類のイオンを生成することができる。そして、複数種類のイオン種を生成するために、複数のＥＣＲイオン源１０（プラズマチャンバー１２）を必要としないため、イオン源装置１及び粒子線発生装置１００の大型化を防止できる。

また、ガス供給部２６は、複数種類のガスをそれぞれパルス的に短時間（１ミリ秒以下）だけ開状態にできるパルス制御用ガスバルブ（２１Ａ、２１Ｂ，２１Ｃ）を有している。

このため、プラズマチャンバー１２内に少量のガスを短時間に供給することができる。これにより、主加速器４が繰り返し運転する入射モードから減速モードまでの１周期の時間（数秒〜数十秒）内に、プラズマチャンバー１２内の圧力を、当該ガスを供給する以前の低い値（初期値）に戻すことができる。すなわち、プラズマチャンバー１２内にガスを供給するタイミングで、プラズマチャンバー１２内の圧力は、常にほぼ初期値に戻っているようにすることができる。そのため、複数種類のガスを短時間で切り替えて供給することができる。これにより、当該ガス供給部２６を有するイオン源装置１は、複数種類のイオン種を短時間に切り替えて生成することができ、必要なイオン種を必要に応じて生成することができる。また、パルス制御用ガスバルブ（２１Ａ、２１Ｂ，２１Ｃ）は小さな部品であるため、これらを設けることによりイオン源装置１が大型化することもない。

マイクロ波電源（電離エネルギー供給部）は、パルス制御用ガスバルブが開状態から閉状態への移行後にプラズマチャンバー１２内に電離エネルギー（マイクロ波パワー）の供給を開始するようになっている。

これにより、パルス制御用ガスバルブの開閉動作により供給されたガスにより急上昇したプラズマチャンバー１２内の圧力が、ゆっくりと下降に転じて安定している状況下で、マイクロ波パワーの印加ができる。このため、供給するガス量が少量であっても、安定したプラズマ放電を生じさせることができる。また、プラズマチャンバー１２内のガス量が比較的高い状態でプラズマ放電が開始されるため、高密度のプラズマ１１が生成される。よって、当該プラズマ１１中に、目的のイオンを高濃度でかつ多量に生成できる。

加速器制御装置３２は、イオンビームを所定のタイミングで主加速器４へ入射するように所定の入射タイミングに合わせて、イオン源装置１のプラズマチャンバー１２内にガスを供給させるガス導入指令を発信し、そして、イオン源制御装置３１は、当該ガス導入指令を受信し、当該ガス導入指令に基づいてイオン源装置１のパルス制御用ガスバルブ（２１Ａ、２１Ｂ，２１Ｃ）をパルス的に短時間だけ開状態にするように制御する。

このため、主加速器４はイオン源装置１と連動して動作し、イオン源装置１で生成した目的のイオンの全てまたはその多くを確実に主加速器４に入射することができる。これにより、生成した目的のイオンや生成のために供給するガスの無駄が小さくなる。

また、プラズマチャンバー１２内にガスを充填させた状態でプラズマ放電させてイオンを生成させてからガスを抜くのではなく、真空ポンプ１６によりプラズマチャンバー１２内のガスを吸引している環境下においてパルス的にガスを供給し、このパルス的なガスの供給によるプラズマチャンバー１２内のガス量の変化（ガス量変化曲線Ｇ１）を想定し、そのガス量の変化の適宜のタイミング（出力時間Ｔｐ）でプラズマ放電させてイオンを生成されることにより、必要なイオンを生成しつつプラズマチャンバー１２内のガスを短時間に排気できる。

従って、ガスの種類を変更して異なるイオンを生成するまでの時間を短縮することができる。また、イオン生成に用いたガスをプラズマチャンバー１２内から短時間で十分に排気することで、イオン化した元素よりも重い元素がガスとして混ざっている状態を防止できる。これにより、軽いイオンの閉じ込め時間が短くなってしまって価数の大きいイオンの強度が上げ難いという状況を防止でき、短時間で十分に残留ガスを排気して価数の大きいイオンの強度を上げることが可能となる。

また、１回のガス供給で得られたイオンでは不足する場合、再度プラズマチャンバー１２内に同じガスを供給してプラズマ放電させて同じイオンを生成することができる。これにより、必要なイオンの量が多い場合でも十分に対応できる。

図６は、他の例のイオン源装置１０１の構成を示す構成図である。以下、実施例１のイオン源装置１との相違点のみを説明する。

実施例１のイオン源装置１では、ガス供給部２６において、酸素ガス供給系、メタンガス供給系、及びヘリウムガス供給系の各ガス供給パイプ（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ）にパルス制御用ガスバルブ（２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ）が各１つ合計３つ設けられていた。

一方、この例のイオン源装置１０１は、ガス供給部１２６において、一端にガスノズル１９が接続されたガス導入パイプ１２５にパルス制御用ガスバルブ２１が１つ設けられている。

このため、部品点数が少なく小型化し、また、イオン源制御装置３１によるパルス制御用ガスバルブ２１の制御が容易になる。すなわち、実施例１のイオン源装置１では、供給するガス種別に、動作させるパルス制御用ガスバルブ（２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ）を変更する必要があったが、この例のイオン源装置１０１では、供給するガス種にかかわらず、１つのパルス制御用ガスバルブ２１を動作させればよくなる。

この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。
例えば、上述した実施例では加速器として前段加速器３と主加速器４を用いるシンクロトロンとしたが、これに限らず、円形加速器のみを用いるサイクロトロンとするなど、適宜の加速器を用いることができる。この場合も、任意の種類のガスをパルス的にプラズマチャンバー１２内に供給して所望のイオンを得ることができ、上述した実施例と同一の作用効果を奏することができる。

この発明は、荷電粒子を照射する粒子線発生装置に利用することができる。

１…イオン源装置
２…イオン分離装置
３…前段加速器
４…主加速器
５…入射装置
６…偏向電磁石
７…加速空洞
８…出射装置
９…照射装置
１０…ＥＣＲイオン源
１１…プラズマ
１２…プラズマチャンバー
１３…電磁石
１４…電極
１５…イオンビーム
１６…真空ポンプ
１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ…ガスボンベ
１９…ガスノズル
２０…マイクロ波導波管
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ…パルス制御用ガスバルブ
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ…遮断用ガスバルブ
２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ…流量調整用ガスバルブ
２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ…ガス供給パイプ
２５…ガス導入パイプ
２６…ガス供給部
３０…制御装置
３１…イオン源制御装置
３２…加速器制御装置
３３…照射制御装置
１００…粒子線発生装置

Claims

真空中に導入したガスからイオンビームを生成するイオン源装置であって、
内部が真空のチャンバーと、
前記チャンバー内にガスを供給するガス供給部と
前記ガスの原子をイオン化するための電離エネルギーを前記チャンバー内に供給する電離エネルギー供給部と
を備え、
前記ガス供給部は、異なる種類のガスが充填された複数のガスボンベと、前記ガスボンベに接続され前記チャンバーへガスを通すガス通路と、前記ガス通路に取り付けられパルス的に開状態にできるパルス制御用ガスバルブを有し、
前記電離エネルギー供給部は、前記チャンバー内に前記電離エネルギーを供給する期間を、前記パルス制御用ガスバルブの開動作および閉動作によって前記チャンバー内のガス量が変化するガス量変化曲線におけるどの期間にするかを所望のイオン種に応じて制御する電離エネルギー供給期間制御部を備えた
イオン源装置。
前記電離エネルギー供給期間制御部は、
前記電離エネルギーを供給する前記期間を、前記パルス制御用ガスバルブが開状態から閉状態へ移行した後とする制御も実行する構成である
請求項１記載のイオン源装置。
イオンビームを生成するイオン源装置と、
前記イオン源装置で生成されたイオンビームから目的のイオン以外を取り除くイオン分離装置と、
前記イオン分離装置で目的のイオン以外を取り除いたイオンビームを加速して出射する主加速器と、
前記主加速器から出射された高エネルギーイオンビームを標的に照射する照射装置とを備えた粒子線発生装置であって、
前記イオン源装置は、請求項１または２記載のイオン源装置であり、
前記照射装置から照射するイオン種の変更を要求するイオン種変更要求発信部と、
前記イオン種変更要求発信部によるイオン種の変更の要求に従って、前記イオン源装置の前記複数のガスボンベのうち一部のガスボンベから前記ガスを前記チャンバー内に供給するよう前記パルス制御用ガスバルブの開閉を制御するガスバルブ開閉制御部とを有する
粒子線発生装置。
前記主加速器は、イオンを加速する加速モードと、加速したイオンを出射する出射モードと、減速を行う減速モードと次の加速モードまで待機する入射モードの４モードの運転を実施する構成であり、
前記イオン種変更要求発信部によるイオン種の変更要求は前記出射モードまたは前記減速モードまたは前記入射モード中に実行し、
前記イオン源装置によるイオンの生成を前記入射モード中に実行する構成である
請求項３記載の粒子線発生装置。
内部が真空のチャンバーと、前記チャンバー内にガスを供給するガス供給部と、前記ガスの原子をイオン化するための電離エネルギーを前記チャンバー内に供給する電離エネルギー供給部とを備えたイオン源装置により真空中に導入したガスからイオンビームを生成するイオンビーム生成方法であって、
前記ガス供給部は、異なる種類のガスが充填された複数のガスボンベと、前記ガスボンベに接続され前記チャンバーへガスを通すガス通路と、前記ガス通路に取り付けられパルス的に開状態にできるパルス制御用ガスバルブを有しており、
異なる種類のガスが充填された前記複数のガスボンベのうちの一部のガスボンベに対応するパルス制御用ガスバルブを動作させて前記チャンバー内に前記ガスをパルス的に導入する
イオンビーム生成方法。