JP7361092B2 - サイクロトロンのための低エロージョン内部イオン源 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

〔発明の分野〕
本発明は、粒子加速器用のためのイオン源に関する。

〔発明の背景〕
イオン源は、ガスをイオン化し、プラズマに変換し、そして荷電粒子を抽出して加速する粒子加速器の構成要素である。イオン源は、軽量の正イオンおよび負水素を生成するために、サイクロトロンの内部源として主に使用される。これらのタイプの機器は、多分野において使用される多目的ビームマシンとして、研究の分野において伝統的に使用されている。それらは最近、放射性医薬用途における放射性同位元素合成のために使用されており、また腫瘍処置のためのプロトン／ハドロン治療機器において使用されている。

イオン源は、粒子加速器での使用、物質や物質構造の研究など、さまざまな分野の研究の世界で伝統的に非常に存在している。イオンを生成するために、まずイオン化される物質（一般に気体）から始め、電子衝撃（直接イオン化および／または電荷交換）、光イオン化、および表面イオン化のうちの１つ以上のプロセスによって、電子を原子から除去するかあるいは原子に添加する。

最も単純な手法では、イオン源は、プロセスが行われる主チャンバ、イオン化するための（事前にまたは連続的に導入される）材料、イオン化のためのエネルギー源、および抽出システムによって、構成される。それに続くプロセスによれば、異なるタイプのイオン源の一般的な分類を行うことができる：
・電子衝撃：典型的には、特定の温度で陰極内で生成され、加速される電子を使用する。当該電子は材料に衝突し、材料中の原子および／または分子をイオン化する。

・ＤＣ／パルスプラズマ放電：陰極によって発生した電子ビームを使用するという点で、先述した各源に類似する。しかしこの場合、作動圧力がより高い。このため、高速電子が衝突の形でエネルギーを堆積させることによって維持する役割を果たすプラズマが生成される。このカテゴリーには、プラズマトロン源、デュオプラズマトロン源、マグネトロン源、およびペニング源が含まれる。これらは通常、高速電子の経路を制限しかつイオン化を増加させるために、磁界を使用する。これらの源の欠点は、電子を加速するために必要な、陰極の高い電位差による陰極上のエロージョンである。エロージョンは、イオンを逆方向に加速し、陰極に対して衝撃を与え、材料を除去（スパッタリング）し、陰極の寿命を短くする。

・無線周波放電：連続的なものではなく、電子を加速するために交流電界を使用するため、ＤＣ源の進化である。プラズマおよび電場の発生の仕方に依存して、これらの源には容量結合プラズマ（ＣＣＰ）放電と誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）放電との２つのタイプがある。低い周波数では、プラズマと金属媒体との間の高い電位のために、「陰極」上にスパッタリングを発生し続ける；しかし高い周波数では、この電位は、ある閾値以下に低下し、スパッタリングは実用上存在しなくなり、前述した「陰極」の寿命を著しく増加させる。

・電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ／ＥＣＲＩＳ）：適切な円偏波を持つ波で磁界中に位置する電子のサイクロトロン共鳴を励起することに基づいているので、高周波放電の特別な設計である。高いイオン化をもたらす共鳴領域において、電磁界エネルギーの高効率な吸収を引き起こす。

・レーザー：レーザーイオン源で使用される方法は、いくつかの高出力レーザーによる光イオン化である。その波長は、異なる電子遷移に同調し、イオン化される原子の電子の連続的励起を達成する。

・表面イオン化：イオンを生成するための方法は、高仕事関数材料を加熱し、イオン化されるべき材料を注入することを含む。

・電荷交換：このタイプの供給源は、所望の原子のイオンを通過させて負に帯電させる高い電子移動速度を有する金属蒸気を使用する。

サイクロトロン用の内部イオン源の場合、本発明の好ましい応用分野、サイクロトロンの内部構成のために、イオン源を内部的に結合するために利用可能な空間が非常に少なく、電子の経路を捕捉し自由に動かすことができない垂直方向の非常に高い磁場を有し、サイクロトロン用に今まで使用されてきた唯一の内部源は、ペニング源である。ペニングイオン源は、垂直端に配置された２つの陰極と、それらを取り囲む磁場に並列する中空管とを有する。陰極は、外部から加熱されるか、または最初は冷却されたままであり、それから放電からのイオン衝撃で加熱され得る。陰極の対称的な配置および磁場のために、電子は放出されかつ加速され、イオン化を増大させる螺旋状の経路を移動し、反対側の端に到達すると電場のために反射される。高速電子が注入ガスに衝突すると、プラズマが生成され、そこから正イオンおよび負イオンの両方を抽出することができる。ペニングイオン源には、陰極がスパッタされる欠点がある。陰極が一般的に高抵抗で電子放出の高い材料（タンタルなど）で作られているにもかかわらず、過度の摩耗を受け、頻繁な交換が必要となる。

ペニングイオン源は、ＤＣ放電を用いる非常に単純でコンパクトな構成である。外部源を使用すると、他の方法を使用してプラズマを生成することが可能になるが、システムがより複雑になる。そのため、製造業者は通常それらを市販のサイクロトロンに含めない。ＤＣ放電を使用する全ての源に関する問題は、プラズマがアクティブである間にこのタイプの放電が陰極を腐食することである。これは、陰極が定期的に交換されなければならないことと、医療用途に使用されるこれらの機器では、一般に、中断なしに可能な限り陰極を長く動作させることが望ましいこととを、意味する。また、Ｈ^－を生成する際には、直流放電による高エネルギー電子がＨ^－の分解に最も寄与する粒子となり、その結果、引き込まれる電流が減少する。

したがって、これらの欠点を解決するサイクロトロン用の内部イオン源を有することが必要である。

〔発明の説明〕
本発明は、低侵食高周波イオン源に関し、特にサイクロトロン用の内部イオン源として使用する際に有用である。

イオン源は、以下のものを備えている：
－内壁が円筒形の空洞を規定する中空体。中空体は、プラズマ形成ガスが空洞内に導入されるガス供給口を有する。中空体は、高周波エネルギーが空洞内に注入される電源口を有する。中空体の内壁は導電性である（好ましくは全体が導電性である）。

－中空体に設けられたプラズマ出口孔を通して空洞に接続された膨張室。

－膨張室と接続するイオン抽出開口。

－中空体の空洞内に配置される同軸導体であって、空洞の長手方向の軸に平行に配置される同軸導体。同軸導体の端部の少なくとも１つは、中空体の少なくとも１つの円形の内壁に接触し、同軸共振空洞を形成する。同軸導体は、空洞内に半径方向に延びる導電性突起を有する。導電性突起は、プラズマ出口孔と反対にある。

一実施形態では、イオン源は、共振空洞の周波数を微調整するために、中空体内に作られた開口を通して空洞内に半径方向に部分的に導入される可動部分を備える。可動部は、好ましくは導電材料または誘電性材料からなる。

無線周波エネルギーは、容量結合または誘導結合を介して供給される。容量結合は、内部導体が電源入力を通して空洞に部分的に導入された同軸導波管によって行われる。誘導結合は、中空体の内壁を、電源入力を通して導入された同軸導波管の内部導線と短絡させるループによって行われる。

一実施形態では、同軸導体の第１の端部は、中空体の円形の内壁に接触しており、同軸導体の第２の端部は、自由である。この実施形態では、導電性突起が同軸導体の第２の端部に配置されることが好ましい。膨張室は好ましくは円筒形であり、その長手方向の軸が空洞の長手方向の軸に対して垂直になるように、配置される。あるいは、膨張室は、その縦軸が空洞の縦軸と平行になるように構成され得る。

他の実施形態では、同軸導体の２つの端部が、中空体の２つの円形の内壁にそれぞれ接触している。この実施形態において、導電性突起部は、同軸導体の中央部に配置されていることが好ましい。

イオン源は、第２の同軸共振空洞を形成する第２の中空体と第２の導体とを備える２つの空洞を有し得る。両中空体の空洞は、共通の膨張室を介して互いに接続されている。

本発明のイオン源は、サイクロトロンに使用されるペニング内部イオン源における、プラズマが生成され導電材料に腐食を引き起こすという欠点を解決することを可能にする。プラズマが正に帯電し、電子がプラズマに引き寄せられ、一方、正イオンはプラズマと壁との間の電位差によって遮断されかつ加速されるために、エロージョンが生じる。したがって、壁との衝突時のイオンのエネルギーが十分に高い場合（＞＞１ｅＶ）、イオンが導電材料に衝突すると、材料から原子が除去される。除去される原子の数は、導電材料に依存する。

本案のイオン源では、イオン源に使用される導電材料（すなわち、電極）上にエロージョンを発生させることなくプラズマが生成されるので、イオン源の動作中に発生するメンテナンスおよび中断は、ペニング源の場合よりもはるかに少ない。したがって、十分な高周波（例えば、２．４５ＧＨｚ）で動作する容量性放電によって無線周波エネルギーが供給される実施形態では、源材料にエロージョンが発生しない。プラズマ放電は、２つの異なるモード、すなわち、陰極（またはその時点で陰極として機能した部分）によって放出される二次電子によって放電が維持されるアルファモードと、プラズマを加熱する機構が無衝突加熱であるガンマモードとで動作し得る。アルファモードは、ＤＣ放電およびＲＦにおいて低周波数で発生し、ガンマモードへの遷移は、プラズマの特性に依存する特定の周波数で開始される。

共振器または同軸共振室の形成は、電場を増加させ、点火を容易にすることを可能にする。その結果、本発明のイオン源は、はるかに低いエネルギー消費をさらに達成する。

本発明のイオン源では、２０００Ｋオーダーの温度の熱陰極を有する必要もない。したがって、タンタルのような高抵抗で電子放出の高い導電材料を使用する代わりに、銅のような他のより安価な材料を使用することができる。イオンが陰極と衝突することにより、その運動エネルギーは熱エネルギーに変換され、陰極の温度を上昇させ、熱電子効果によって電子を放出する。この熱エネルギーは、ペニング源におけるＤＣ放電を維持するために必要である。本発明では、陰極との衝突ははるかに低エネルギーであり、陰極の加熱ははるかに低く、熱制限の少ない銅などの導電材料（すなわち、溶融温度がより低く、導電率がより高い）を使用することができる。

また、Ｈ－を生成する場合、本イオン源はプラズマ中に高エネルギーの電子を生成しないため、引込電流が著しく増加する。田原らの「水素分子と分子との電子コリジョンに関する断面と関連データ」で詳しく説明されるように、Ｈ－を生成するための断面は低エネルギー（１－１０ｅＶ）で最高であり、Ｈ－を破壊するための断面は、顕著に増加する。

〔図面の簡単な説明〕
以下は、本発明をより良く理解するための一助になる一連の図面の非常に簡単な説明である。これらの図面は、本発明の非限定的な例として提示される本発明の実施形態に明確に関連する。

図１は、最新技術による、ダブル空洞型のペニングイオン源の縦断面の正面図を示す。

図２は、最新技術による、ダブル空洞型のペニングイオン源の縦断面の斜視図を示す。

図３、図４、図５、および図６は、本発明の可能な実施形態に係るイオン源の断面図を示す。

図７および図８は、本発明の可能な実施形態に係るダブル空洞型のイオン源の断面図を示す。

図９は、軸方向構成のサイクロトロンに特に適したイオン源の別の可能な実施形態を示す。

図１０および１１は、イオン源を導入するための軸方向構成を有するサイクロトロンを示す。

図１２および図１３は、イオン源を導入するための半径方向構成を有するサイクロトロンを示す。

図１４は、図６に示されたイオン源と同様で、容量結合を誘導結合に置き換えたイオン源の実施形態を示す。

図１５および図１６は、異なる種類の結合（方形導波管結合）を有するイオン源の実施形態を示す。

図１７、図１８、図１９、および図２０は、本発明の他の可能な実施形態に係るイオン源の部分断面図を示す。

図２１は、一例として、本発明のイオン源を使用することができる完全な無線周波数システムを示す。

〔発明の詳細な説明〕
本発明は、サイクロトロンの内部源として主に使用するように設計されたイオン源に関する。

現在、ペニングイオン源は例えば、図１（縦断面正面図）および図２（縦断面斜視図）に示すようなサイクロトロンのための内部源として使用され、これらは二重空洞オン源に対応する。

二重空洞ペニングイオン源は、２つの中空体を含む。各中空体は、２つの部分、導電性部分（１，１’）および絶縁部分（２，２’）から構成される。これらは、その内壁が円筒空洞（３，３’）を画定するように、互いに嵌合する。導電性部分１のうちの少なくとも１つは、ガス接続口４を有し、そこを通って、プラズマ形成ガスがそのそれぞれの空洞３に導入される。各空洞（３，３’）には、円筒空洞（３，３’）の長手方向の軸に平行に配置された、中空体（１，１’）の空洞（３，３’）内に配置された同軸導体（５，５’）がある。

両方の空洞（３，３’）は、導電性部分（１，１’）の壁に形成されたそれぞれの孔（７、７’）を介して、一般的な円筒形膨張室（６）によって互いに接続される。膨張室（６）を画定する壁に配置されたイオン抽出開口（８）は、その中央部分において、空洞（３，３’）に導入されたガスから生成されたプラズマからイオンを抽出することを可能にする。

導電性要素（９，９’）は、各空洞（３，３’）内に導入され、絶縁部分（２，２’）を貫通し、空洞の同軸導体（５，５’）と電気的に接触する。導電性要素（９，９’）は、約３０００ＶのＤＣ電圧で励起される。放電を開始するためには、ガス流を開き、陽極と陰極（すなわち、導電性部分１／１’および同軸導体５／５’）との間に数千ボルトの電位差を印加する必要がある。プラズマを点火した後、電源は数百ミリアンペアの電流で５００～１０００Ｖの間の電位差を維持することにより安定化する。確立される放電はＤＣ型であり、（高温でなければならず、電子放射率の高い材料でなければならないように）導電材料からの二次電子の発光を必要とし、プラズマから放たれるイオンは高エネルギーで加速され、陰極のエロージョンを引き起こす。

図３は、本発明の装置目的の一実施形態の垂直断面を示す。イオン源１０は、Ｘ軸に垂直な切断面に従い、（通常、イオン源が設置され走行しているときに電磁石または永久磁石によって生成される）外部磁場Ｂは、基準システムの垂直なＺ軸に対して整列される。

イオン源１０の動作は、同軸共振空洞に基づいている。図４は、共振空洞の軸を通る、ＸＹ水平面におけるイオン源１０の断面を示す。中空体１１の内壁（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）は導電性であり、円筒形の空洞１３を規定する。一実施形態では、中空体１１の全体が導電性であり、好ましくは銅で作られている。

中空体１１は、円形の第１の内壁１１ａと、第１の内壁１１ａに対向する円形の第２の内壁１１ｂと、円形の両内壁（１１ａ，１１ｂ）を連結する円筒形の第３の内壁１１ｃとを有する。

同軸導体１５は、中空体１１の空洞部１３に配置され、円筒空洞部１３の方向軸と平行になっている。同軸導体１５の少なくとも一方の端部（１５ａ，１５ｂ）は、中空体１１の円形の内壁（１１ａ，１１ｂ）の１つと接触し、同軸の共振空洞を形成する。このようにして、同軸導体１５は、λ／２の同軸共振空洞を得るために両方の内壁（１１ａ，１１ｂ）を短絡させることができ、中心部の最大電界を得るか、またはλ／４の同軸共振空洞（導体の反対側の端部に最大電界を有する）を得るために単一の内壁を短絡させる。図３および図４の実施例では、同軸導体１５の端部のうちの１つのみ、具体的には第１の端部１５ａ、中空体１１の円形の内壁（特に第１の内壁１１ａ）、中空体１１および同軸導体１５のうちの１つを短絡させて、λ／４の同軸共振空洞を形成し、同軸導体１５の第２の端部１５ｂに最大電界がある。

中空体１１は、プラズマ形成ガスが空洞１３内に導入されるガス供給ポートまたは供給口１４（即ち、その壁の１つに形成された孔または開口）を有する。図４は、ガス接続口１４に気密結合されたチューブ２０を示し、このチューブ２０を通してガスが空洞１３に導入される。これらのタイプのイオン源は通常、抽出されるイオンに応じて、水素と、またより少ない程度では重水素およびヘリウムと、協働する。

中空体１１はまた、電源口２１を有する。電源口２１を通じて、高周波エネルギーが空洞１３に注入される。

膨張室１６は、中空体１１の壁のうちの１つに作られたプラズマ出口孔１７を通じて、空洞１３に接続されている。イオン抽出開口１８は、膨張室１６の壁のうちの１つに配置される。イオン源１０はサイクロトロンの室内に真空下で導入され、注入されたガスは部分的にプラズマに変換され、残りはイオン抽出開口１８を通じて逃げる。

同軸導体１５は、円筒空洞の軸に対して（すなわち軸に対して垂直に）空洞１３内に半径方向に延在する導電性突起２２を有する。導電性突起２２は、空洞１３を膨張室１６に接続する中空体１１のプラズマ出口孔１７の反対側にある（すなわち、導電性突起２２は膨張室１６の反対側にある）。導電性突起部２２は、中空体１１の内壁に通常は５ミリメートル未満にまで非常に近付いているが、中空体１１の内壁とは接触しない。この分離距離は、共振空洞の寸法に強く依存する。点火電圧、ＲＦの場合の注入電力は、分離距離および注入ガスの密度に依存する。

中空体１１は、プラズマの発生場所に応じて、一端１５ａまたは両端（１５ａ，１５ｂ）において内部同軸導体１５によって短絡される。同軸導体１５は、外部導体とは反対の電極のように機能する内部導体である。中空体１１の内壁は、電力が注入されると、空洞１３が共振状態に入り、２つの導体（１１，１５）の間のギャップに確立される電場が、符号を変えるようになっている。

図３および図４の実施例では、同軸導体電体１５の自由端の一部である第２の端部１５ｂは、プラズマが生成される領域（プラズマ生成領域）に濃度および電場の増大を生じさせるために、膨張室１６に向けられた導電性突起または突起２２によって変更されている。生成されたプラズマは、空洞１３からプラズマ出口孔１７を通じて膨張室１６に向かって逃げ、磁界Ｂに沿ったプラズマカラム２３を形成し、そこからイオン抽出開口１８を使用してイオンが抽出される。膨張室１６は空洞であり、また、好ましくは円筒形状であり、プラズマカラム２３のための膨張室の機能を果たす。サイクロトロンに適用されるイオン源では、膨張室１６は小さな半径の円筒空洞であり、その結果、イオン抽出開口１８を通じて粒子を引き出し最初のターンで加速した後、粒子は源に衝突せずに失われる。膨張室１６はまた、二重空洞イオン源である場合、イオン源の２つの対称部分を別々に保つ機械的支持体として機能する（図１および図２に示す）。

図４の実施形態に示すように、無線周波数／マイクロ波エネルギーを搬送する同軸導波管２４は、電源アクセスポートまたは電源アクセス口２１を介して結合され、この結合は電気的（容量性）または磁気的（誘導性）型である。図４は、典型的な容量結合を示し、同軸導波管２４の内部導体２６を取り囲む誘電体２５は、（注入されたガスの一部が該入口を通って逃げることがないように）電源口２１の気密封止を可能にし、同軸導波管２４の内部導体２６は、誘電体２５から突出し、空洞１３内に部分的に入る。この容量結合とは異なり、典型的な誘導結合は、共振空洞と同軸導波管の内部とを短絡するループを使用する。

共振空洞の振動数は、空洞１３内に部分的に導入された挿入部または可動部２７によって調整することができる。可動部２７は、イオン源１０の初期構成の瞬間（すなわち、円筒空洞１３の軸に対して垂直）に半径方向に変位させることができ、したがって、空洞１３内に導入される可動部２７の体積に基づいて共振周波数を微調整することができる。可動部２７は、任意の要素であり、イオン源の動作に厳密には必要ではないが、共振周波数の調整を容易にすることによって動作を改善する。可動部２７は、達成されるべき挙動および周波数の変動に応じて、導電材料（好ましくは銅）または誘電性材料（例えばアルミナ）で作ることができる。

図５および図６は、１つの可能な実施形態によるイオン源１０の２つの追加の図を示す。図５は、空洞１３の軸の上方の部分が中央断面で示されるイオン源１０の正面図を示す。図６は、イオン源１０の三次元図を示す。ガス接続口１４は中空体１１の後部に配置されているので、図６では見ることができない。図６に示す突起部７０は、図４の可動部２７と同様の機能を有し、共振空洞の振動数を微調整する要素である。この場合、突起７０は、イオン源の中空体に一体化される。しかし、別体として設計することもできる。

図７および図８はそれぞれ、別の実施形態による、ダブル空洞オン源３０の正面断面および斜視断面を示す。イオン抽出開口１８の中央部分には対称面３１があり、両空洞（１３，１３’）は、共通膨張室１６によって接続され、これによって、各空洞（１３，１３’）内に生成されたプラズマカラム２３の膨張が可能になる。２つの各空洞（１３，１３’）のためのイオン源３０の要素は、単一の空洞（第１の中空体１１および第２の中空体１１’、第１の同軸導体１５および第２の同軸導体１５’、第１の導電性隆起部２２および第２の導電性隆起部２２’、第１のプラズマ出口孔１７および第２のプラズマ出口孔１７’など）を有するイオン源１０のための、図３～６に示されるものと同じである。この場合、両空洞（１３，１３’）は互いに対向しかつ膨張室１６を共有することが、特に顕著である。ダブル空洞イオン源３０は、対称面３１の高さに収束する２つのプラズマジェットが両端にあり、中央部分に単一のプラズマカラム２３を形成し、イオン抽出開口１８が、それらが正イオンであろうと負イオンであろうと所望の粒子を除去するように配置されるように、プラズマをより容易に得るために使用されかつ粒子の生成を増加させる。

（Ｙ軸に沿った）共振空洞の長さは、一端において短絡された共振空洞（４分の１波長空洞）の場合、λ／４以下のオーダーである（λは比λ＝ｆ／ｃによって与えられる発振電磁場に関連する波長であり、ｆは発振周波数であり、ｃ光速度である）。両端が短絡され、内部導体の中央部分にプラズマが形成された半波長共振空洞の場合、共振空洞の長さはλ／２以下のオーダーである。横方向の寸法は、電場を集中させるための導電性突起２２の寸法と同様に、得られる共振空洞の特定のパラメータ、主に品質係数Ｑおよび特性インピーダンスＲ／Ｑによって決まり、それらは空洞の共振周波数にも影響を及ぼす。

中空体１１の内壁は、Ｑ値を高くしかつ壁上に堆積された電力が急速に消散されることが望まれるので、電気抵抗率が低くかつ熱伝導率が高い導電材料で作られ、一般に、銅であるか、あるいは別の金属上に堆積された銅である。

イオン源（１０；３０）を作動させるために、空洞１３または空洞（１３，１３’）内にエネルギーが存在しない初期状態から開始する。空洞内に導入される無線周波数エネルギーは、周波数、生成器、および必要な動作モードに応じて、固体、電子管（マグネトロン、ＴＷＴ、ジャイロトロン、クライストロンなど）、またはコイルおよびコンデンサ共振回路とすることができる発電機内で生成される。電力は一般に同軸または中空（例えば方形）の導波路を通って空洞に移動し、そこで、電力は、結合（電気的、誘導的、または貫通孔）を通って共振空洞に伝達され、反射および電力損失を最小限に抑える。電磁エネルギーが、（空洞の共振周波数に等しい周波数を有する）空洞に導入されると、電場の値の大きさは、プラズマの点火時に電場の値がある点に達するように、増加する（振動電磁場に対するパッシェン曲線）。電磁石または永久磁石によって生成される磁力線に沿って広がるプラズマ出口孔１７を通って広がるプラズマが形成されると、空洞の共振周波数がシフトし、空洞に供給される電磁界の周波数が一定のままである場合、インピーダンスの差によって電力が反射され始め、放電を維持し、空洞の壁の損失を補償するのに必要な電力を除く全ての電力が反射される時点に達し、システムを定常状態に安定化する。

可能な実施形態によれば、本発明の特定の設計は２．４５ＧＨｚの周波数に対して長さ約３ｃｍのλ／４同軸共振空洞を使用し、一方の端が短絡して他方が開放され、銅で作られている。内部同軸導体１５の開口端の部分には、プラズマ出口孔１７と反対の磁場と同じ方向（垂直方向Ｚ）に突出する導電性の突出部２２があり、これによって、その領域の電場を増加させて、より少ない電力でプラズマ形成を達成することができる。プラズマはプラズマ出口孔１７を通って膨張室１６に入り、そこでプラズマカラム２３を形成する磁力線（Ｚ軸に並行）の方向に主に広がり、イオン抽出開口１８の近くを通過し、電場によってイオンが抽出される。

図示の実施例では、給気口１４は、管２０に接続された簡単な正孔によって実現され、高周波システムの結合は、同軸導波管２４の内部導線２６に接続された突出円筒（誘電体２５）による電気的結合によって行われる。電力を導入するための他の代替案は、導波管に作られたループまたは正孔を通る磁気結合である。空洞の共振周波数は、可動部２７によって調整される。

図９は、別の可能な実施形態によるイオン源４０を図示する。プラズマ出口孔１７の位置（この場合、円形の第２の内壁１１ｂ内に位置する）および膨張室１６の方位は、空洞１３に対して変化する。さらに、この実施形態のためのイオン源４０の導電性突起２２は好ましくは円形断面を有し、それによって、空洞１３内で内部対称性を維持する（図９の導電性突起２２は、同軸導体１５の各側面、上面、および下面に突出する）。しかし、図３の導電性突起部２２は、空洞、同軸導体、およびプラズマ出口孔の幾何学的形状および寸法に応じて、異なった種類の断面を有し得る（断面はプラズマの生成および安定性を好むプラズマ出口孔１７の反対側の電場のより大きな濃度を得るためにシミュレーションによって最適化され得る）。その結果、導電性突起２２は、頂部において、一方の側にのみ突出する。図９に図示されている上側の円は、イオン源４０が作動中の場合に形成される共振器１２（すなわち同軸共振空洞）を表している。

図３から図６のイオン源１０では、膨張室１６の主軸が円筒空洞１３の軸に対して垂直に配置されているが、図９のイオン源４０では、両軸が平行であり（図９の実施例ではそれらが一致する）、これにより、イオン源をサイクロトロン内で軸方向に結合させることができる。

サイクロトロン用の内部イオン源は、サイクロトロンに半径方向または軸方向に導入することができる。図１０および図１１は、それぞれ、イオン源を導入するための軸方向構成を有するサイクロトロン４１（サイクロトロンの図において、磁石コイル、高周波加速システム、抽出システムおよび鉄の真空および開口システムなどの構成要素を省略した）の（部分的に切断された）正面図および斜視図を示す。図１０および図１１のサイクロトロン４１において、イオン源は図９の軸方向構成で導入され、イオン源の電磁的および機械的設計はより簡単である。図１２および図１３は、イオン源を導入するための半径方向構成を有するサイクロトロン４６を示し、イオン源の設計はより複雑である（図３から図６に表されるイオン源に対応する）。図１０、図１１、図１２および図１３では、以下の参照符号が使用されている：
４１および４６－サイクロトロン。

４２および４７－イオン源フランジ。ガスブッシング、導波路および（必要に応じて）液体冷却部を備えている。それはまた真空シールを作り出す。

４３－ガス管、導波管および冷却部。それらは、イオン源のための機械的支持体として作用し、一体化されていても、独立していてもよい。必要であれば、専用のスタンドを含むことができる。半径方向の挿入の場合、それらは通常、失われる粒子の衝撃に耐えるために遮蔽される。

４４－磁石鉄。磁界を導き、放射線を減衰させるために使用される。

４５－磁極（円形部分は磁界を修正するために機械加工することができる）。

４８－イオン源。

図４の説明において上述したように、無線周波数／マイクロ波エネルギーを輸送する同軸導波管２４は、電源入力２１を介して結合される。カップリングは、電気的／容量性または磁気的／誘導性であり得る。図１４は、図６に示すような実施形態を示すが、容量結合が磁気結合に置き換わっており、ループ４９は、同軸導波管２４の内部導体２６を中空体１１の内壁と短絡させる。図１５および図１６は、２つの異なる図（部分的な断面を有する平面図および斜視図）において、矩形導波管７１による結合である別のタイプの結合を示す。結合は、空洞１３を矩形導波管７１の真空圧に結合する孔７２によって行われる。それは、両側に放射する電気双極子と磁気双極子として働く。その結果、一方の側により高いエネルギー密度があれば、エネルギーが平衡状態に達するまで、もう一方の側に伝達される。この実施形態では、イオン源１０が方形導波管７１のためにより大きな寸法を有し、これも真空下になければならない。

図１７、図１８、図１９、および図２０は、同軸導体１５の２つの端部（１５ａ，１５ｂ）が中空体１１の２つの円形の内壁（１１ａ，１１ｂ）にそれぞれ接触し、したがってλ／２同軸共振室を得る、イオン源１０の実施形態の部分断面（特に、正面図、平面図、正面斜視図、および背面斜視図）における異なる図を示す。

図２１は、一例として、本発明のイオン源（１０；３０；４０）を使用することができる完全な無線周波数システム５０を示す。高周波システムは、プラズマの点火を達成するのに十分な電力および調整可能なパラメータの発生器５１と、反射電力を吸収するための負荷５３を有するサーキュレータ５２と、入射電力および反射電力を監視するための電力計５５を有する方向性結合器５４とを備える。

イオン源（１０；３０；４０）は、電磁石または永久磁石５６によって生成される磁場に浸漬される。磁力線の方向は、それらの動きだけでは重要ではない。イオン源（１０；３０；４０）は、ガス貯蔵庫またはタンク５８を構成し、規制システム５９によって線量されるガス接続口１４を通してガス注入システム５７に接合される。イオン源（１０；３０；４０）は、イオンが残留ガスによって中和されず、後の使用のために加速され得るように、十分な真空を有するチャンバ６０内に配置される。

必要な高周波電力は、生成器５１によって供給され、送信電力は、電力メータ５５が方向性結合器５４に接続された状態で測定される。発生器５１は、イオン源（１０；３０；４０）によって反射された電力を負荷５３に向けるサーキュレータ５２によって保護されている。

最新技術による、ダブル空洞型のペニングイオン源の縦断面の正面図である。 最新技術による、ダブル空洞型のペニングイオン源の縦断面の斜視図である。 本発明の可能な実施形態に係るイオン源の断面図である。 本発明の可能な実施形態に係るイオン源の断面図である。 本発明の可能な実施形態に係るイオン源の断面図である。 本発明の可能な実施形態に係るイオン源の断面図である。 本発明の可能な実施形態に係るダブル空洞型のイオン源の断面図である。 本発明の可能な実施形態に係るダブル空洞型のイオン源の断面図である。 軸方向構成のサイクロトロンに特に適したイオン源の別の可能な実施形態を示す図である。 イオン源を導入するための軸方向構成を有するサイクロトロンを示す図である。 イオン源を導入するための軸方向構成を有するサイクロトロンを示す図である。 イオン源を導入するための半径方向構成を有するサイクロトロンを示す図である。 イオン源を導入するための半径方向構成を有するサイクロトロンを示す図である。 図６に示されたイオン源と同様で、容量結合を誘導結合に置き換えたイオン源の実施形態を示す図である。 異なる種類の結合（方形導波管結合）を有するイオン源の実施形態を示す図である。 異なる種類の結合（方形導波管結合）を有するイオン源の実施形態を示す図である。 本発明の他の可能な実施形態に係るイオン源の部分断面図である。 本発明の他の可能な実施形態に係るイオン源の部分断面図である。 本発明の他の可能な実施形態に係るイオン源の部分断面図である。 本発明の他の可能な実施形態に係るイオン源の部分断面図である。 一例として、本発明のイオン源を使用することができる完全な無線周波数システムを示す図である。

Claims (13)

1. サイクロトロンのための低エロージョン内部イオン源であって、
   内壁（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）が円筒形の空洞（１３）を規定する中空体（１１）であって、プラズマ形成ガスが前記空洞（１３）内に導入されるガス供給口（１４）を有する中空体（１１）と、
   前記中空体（１１）の前記空洞（１３）内に配置され、前記空洞（１３）の長手方向の軸に平行に配置された同軸導体（１５）と、
   前記中空体（１１）に設けられたプラズマ出口孔（１７）を介して前記空洞（１３）に接続された膨張室（１６）と、
   前記膨張室（１６）と接続するイオン抽出開口（１８）と、を備え、
   前記中空体（１１）は、無線周波数エネルギーを前記空洞（１３）に注入する電源入力（２１）を有し、
   前記中空体（１１）の前記内壁は導電性であり、
   前記同軸導体（１５）の少なくとも１つの端部（１５ａ，１５ｂ）は、前記中空体（１１）の少なくとも１つの円形の内壁（１１ａ，１１ｂ）と接続し、同軸共振空洞を形成し、
   前記同軸導体（１５）は、前記空洞（１３）内に半径方向に延びる導電性突起部（２２）を有し、前記導電性突起部（２２）は、前記プラズマ出口孔（１７）に対向することを特徴とするサイクロトロンのための低エロージョン内部イオン源。
2. 前記共振空洞の周波数を微調整するために前記中空体（１１）内に設けられた開口を介して前記空洞（１３）内に半径方向に部分的に挿入された可動部（２７）を含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
3. 前記可動部（２７）は、導電性材料からなることを特徴とする請求項２に記載のイオン源。
4. 前記可動部（２７）は、誘電体材料からなることを特徴とする請求項２に記載のイオン源。
5. 前記無線周波数エネルギーの供給は、内部導体（２６）が前記電源入力（２１）を介して前記空洞（１３）内に部分的に挿入される同軸導波管（２４）による容量結合を介して提供されることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のイオン源。
6. 前記無線周波数エネルギーの供給は、前記中空体（１１）の内壁を、前記電源入力（２１）を介して挿入された同軸導波管（２４）の内部導体（２６）と短絡するループ（４９）による誘導結合を介して提供されることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のイオン源。
7. 前記同軸導体（１５）の第１の端部（１５ａ）は、前記中空体（１１）の円形の内壁（１１ａ）に接続し、前記同軸導体の第２の端部（１５ｂ）は自由であり、前記導電性突起部（２２）は、前記同軸導体（１５）の前記第２の端部（１５ｂ）に配置されることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載のイオン源。
8. 前記膨張室（１６）は円筒状であり、前記空洞（１３）の長手方向の軸は前記膨張室（１６）の長手方向の軸に対して垂直となることを特徴とする請求項７記載のイオン源。
9. 前記膨張室（１６）は円筒状であり、前記空洞（１３）の長手方向の軸が前記膨張室（１６）の長手方向の軸と平行になることを特徴とする請求項７記載のイオン源。
10. 前記同軸導体（１５）の前記２つの端部（１５ａ，１５ｂ）のそれぞれは、前記中空体（１１）の円形の２つの内壁（１１ａ，１１ｂ）それぞれに接続していることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載のイオン源。
11. 前記導電性突起部（２２）は、前記同軸導体（１５）の中央部に配置されることを特徴とする請求項１０に記載のイオン源。
12. 前記中空体（１１）の全体が導電性であることを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載のイオン源。
13. 第２の同軸共振空洞を形成する第２の中空体（１１’）および第２の導体（１５’）を備え、双方の中空体（１１，１１’）の空洞（１３，１３’）は、共通の膨張室（１６）を介して互いに接続されていることを特徴とする請求項１～１２のいずれか１項に記載のイオン源。

Images