WO2019058511A1 - イオン源装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an ion source device.
- a particle acceleration system that includes an ion source device that generates ions, an accelerator that accelerates ions, and a transport unit that transports ions from the ion source device to the accelerator (for example, Patent Literature 1).
- a magnetic field is formed in the container of the ion source device, and electrons and gas molecules are introduced into the container.
- the intensity of the magnetic field is properly adjusted, electrons are confined in the container by the action of the magnetic field.
- the electrons confined in the container collide with gas molecules, and as a result, ions in the plasma state are generated in the container.
- an extraction voltage is applied to an extraction electrode provided at a position separated from the container, ions are extracted from the inside of the container with energy corresponding to the extraction voltage.
- the extracted ions are transported by the transport unit to the accelerator.
- the extraction current value of the ion source device is determined by parameters such as the distance between the vessel in which the ions are generated and the extraction electrode and the potential difference. However, these parameters are determined from other performance requirements of the ion source device, such as extraction energy and ion beam emittance. Therefore, it is difficult to increase the extraction current value because the parameter can not be freely set to increase the extraction current value.
- an object of the present invention is to provide an ion source device capable of increasing the extraction current value while satisfying the required performance of the ion source device.
- An ion source device defines a pair of first electrodes emitting electrons, and a region where electrons are confined and a source gas is supplied between the pair of first electrodes. Ions extracted from the second electrode so as to form a potential difference between the second electrode and the second electrode having a hole from which ions generated by collision of the source gas and the source gas are extracted.
- An extraction electrode disposed apart from the second electrode along the extraction direction, and an intermediate electrode provided between the second electrode and the extraction electrode, and the second electrode and the intermediate electrode The first potential difference therebetween is larger than the second potential difference between the second electrode and the extraction electrode.
- ions generated in the area defined by the second electrode are extracted from the hole with an extraction current value and extraction energy corresponding to the potential difference between the second electrode and the intermediate electrode. Then, although the extraction energy changes to correspond to the potential difference between the intermediate electrode and the extraction electrode between the intermediate electrode and the extraction electrode, the extraction current value is maintained. Thus, the extraction energy is determined based on the second potential difference between the second electrode and the extraction electrode. This second potential difference can be determined to satisfy the required extraction energy.
- the extraction current value is determined based on the first potential difference between the second electrode and the intermediate electrode. Therefore, the potential difference that determines the extraction current value can be set independently of the potential difference that determines the extraction energy. And since the first potential difference is larger than the second potential difference, it can be made larger than the extraction current value determined by the potential difference based on the extraction energy. Thereby, the amount of extraction current can be increased while satisfying the required extraction energy.
- the potential of the second electrode may be a positive potential
- the potential of the intermediate electrode may be a negative potential
- the potential of the extraction electrode may be a ground potential. According to this configuration, it is possible to extract positive ions having a desired extraction energy and a desired extraction current value.
- a position adjustment unit may be further provided to adjust the position of the intermediate electrode. According to this configuration, it is possible to adjust the distance between the second electrode and the intermediate electrode. This distance determines the extraction current value. Therefore, the magnitude of the extraction current value can be controlled.
- an ion source device capable of increasing the extraction current value while satisfying the required performance is provided.
- FIG. 1 is a view showing a particle acceleration system provided with an ion source device according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a cross-sectional view of the internal structure of the ion source device according to the first embodiment as viewed from the positive Z-axis direction.
- FIG. 3 is a figure which shows typically the relationship of arrangement
- FIG. 4 is a cross-sectional view of the internal structure of the ion source device according to the second embodiment as viewed from the positive Z-axis direction.
- FIG. 1 is a front view showing a particle acceleration system having an ion source device according to the first embodiment.
- the particle acceleration system 1A includes an ion source device 10A, an accelerator 30, a transport unit 40, and a support unit 50.
- the vertical direction of the apparatus with the particle acceleration system 1A mounted on a horizontal surface is taken as the Z-axis direction, and a direction perpendicular to the Z-axis direction is a plane including the ion transport path P described later.
- the direction is the X axis direction, and the direction perpendicular to the Z axis direction and the X axis direction is the Y axis direction.
- the particle acceleration system 1A generates and accelerates ions such as ⁇ particles, protons and deuterons, for example.
- the particle acceleration system 1A supplies the accelerated ions to an apparatus that performs, for example, Positron Emission Tomography (PET), Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), or the like.
- PET Positron Emission Tomography
- BNCT Boron Neutron Capture Therapy
- the ion source device 10A and the accelerator 30 are connected to each other by the transport unit 40.
- the ion source device 10A, the accelerator 30, and the transport unit 40 are disposed on the ZX plane.
- the transport unit 40 is disposed on the X-axis positive direction side with respect to the ion source device 10A, and the accelerator 30 is disposed on the Z-axis positive direction side of the transport unit 40.
- the support part 50 is provided in the downward direction (Z-axis negative direction) side of 10 A of ion source apparatuses.
- the particle acceleration system 1A is mounted on the pedestal S.
- the ion source device 10A is a device that generates ions in a plasma state from gas molecules.
- the ion source device 10A can generate a plurality of types of ions.
- the ion source device 10A can generate alpha particles from helium, for example, and can generate protons from hydrogen.
- the ion source device 10A may not necessarily be able to generate ⁇ particles and protons. The specific configuration of the ion source device 10A will be described later.
- the accelerator 30 accelerates the ions generated by the ion source device 10A to produce charged particle beams.
- a cyclotron is illustrated as the accelerator 30.
- the accelerator 30 is not limited to a cyclotron, and may be a synchrotron, a synchro cyclotron, a linac or the like.
- the accelerator 30 has a substantially cylindrical shape, and the central axis L2 of the accelerator 30 is disposed so as to extend in the Z-axis direction.
- the accelerator 30 is disposed at a higher position in the Z-axis direction than the ion source device 10A.
- the accelerator 30 accelerates the ion to be accelerated when it is incident on a predetermined position of the accelerator 30.
- the ions to be accelerated are incident on the incident portion 30a opened at the central portion on the lower surface (surface in the negative direction of the Z-axis) of the accelerator 30.
- the central axis L2 of the accelerator 30 does not have to extend in the Z-axis direction.
- the entire particle acceleration system 1A shown in the figure is rotated 90 ° around the Y-axis,
- the axis L2 may extend in the X-axis direction.
- the entire particle acceleration system 1A shown in the drawing may be rotated by 90 ° around the X axis, and the central axis L2 may extend in the Y axis direction.
- the central axis L1 of the ion source device 10A is located in the XY plane.
- the transport unit 40 transports the ions generated by the ion source device 10A from the ion source device 10A to the accelerator 30.
- the transport unit 40 has an einzel lens 41, a deflection electromagnet 42 and a bellows 43.
- the Einzel lens 41 focuses the ions to be transported.
- the deflection electromagnet 42 generates a magnetic field, and the magnetic field bends the transport direction of the ions having passed through the einzel lens 41 in the ZX plane.
- the deflection electromagnet 42 guides the ions to the incident part 30 a of the accelerator 30.
- the support unit 50 is a mechanism for supporting the ion source device 10A.
- the support portion 50 is a plurality of mounts that can be attached to and detached from the ion source device 10A. Note that each of the plurality of gantry configuring the support unit 50 may support the ion source device 10A such that the ion source device 10A has different attachment angles and attachment positions with respect to the transport unit 40. That is, the support unit 50 can adjust the attachment angle and attachment position of the ion source device 10A with respect to the transport unit 40 by replacing the plurality of detachable mounts.
- the support portion 50 is supported by the pedestal S on the side opposite to the side connected to the ion source device 10A.
- the ion source device 10A is an external ion source provided outside the accelerator 30.
- the ion source device 10A has a substantially cylindrical shape, and its central axis L1 is located in the ZX plane.
- the ion source device 10A has an end face 10a obliquely inclined to the central axis L1 at one end in the extending direction.
- the ion source device 10A is disposed such that the end face 10a is substantially vertical.
- the end surface 10 a faces the outer surface of the housing 41 a of the einzel lens 41 of the transport section 40 in the negative X-axis direction.
- the central axis L1 is disposed to be inclined such that one end side on the end face 10a side is higher in the Z-axis direction than the other end side in the ZX plane.
- FIG. 2 is a cross-sectional view of the internal structure of the ion source device 10A of FIG. 1 as viewed in the positive Z-axis direction.
- the ion source device 10A has a vacuum box 11, a gas molecule channel 12, an electrode 13, an electromagnet 14, an extraction electrode 15, and an intermediate electrode 16.
- the vacuum box 11 is disposed inside the ion source device 10A.
- the vacuum box 11 is connected to a vacuum pump (not shown) and holds the inside in a vacuum state.
- the vacuum box 11 introduces gas molecules as a source gas into the inside through the gas molecule flow channel 12. For example, when alpha particles are generated as ions, helium is used as the gas molecule. When ions other than ⁇ particles are generated, gas molecules corresponding to the ions are used.
- the electromagnet 14 forms a magnetic field in the vacuum box 11.
- the electromagnets 14 are provided in pairs so as to sandwich the vacuum box 11 in the Y-axis direction. Thereby, the electromagnet 14 forms a magnetic field in a direction substantially along the Y-axis direction in the vacuum box 11.
- the electromagnet 14 confines electrons in the vacuum box 11 by the action of the magnetic field by appropriately adjusting the strength of the magnetic field formed in the vacuum box 11.
- the electrode 13 has an anode electrode 13a (second electrode) and a pair of cathode electrodes 13b and 13b (first electrode).
- the anode electrode 13a is provided near the center of the vacuum box 11 when viewed in the Y-axis direction.
- the pair of cathode electrodes 13 b and 13 b are provided so as to sandwich the anode electrode 13 a in a direction intersecting the central axis L 1 (that is, in the Y-axis direction).
- the anode electrode 13a has a cylindrical shape having a central axis L3 along the Y-axis direction, is supported by the support 17 with respect to the vacuum box 11, and is provided in the vacuum box 11.
- the direction of the central axis L3 of the anode electrode 13a may be a direction along the central axis L1 of the ion source device 10A.
- the tip of the gas molecule flow channel 12 provided on the support 17 is connected to the cylindrical surface of the anode electrode 13a, and gas molecules are introduced to the anode electrode 13a via the gas molecule flow channel 12. Further, a predetermined potential is applied to the anode electrode 13 a through the electrical wiring 17 a provided on the support 17.
- +16 kV which is a positive potential is applied to the anode electrode 13a.
- Both end surfaces of the anode electrode 13a along the Y-axis direction face the cathode electrodes 13b and 13b.
- a receiving hole 13ab is provided at approximately the center of each end face.
- the cylindrical surface of the anode electrode 13a is provided with a slit 13aa (hole) for extracting ions.
- the slit 13aa is provided on the central axis L1.
- the cathode electrode 13 b supplies electrons into the vacuum box 11 by, for example, thermionic emission. Specifically, electrons are supplied to the inside of the anode electrode 13a through the receiving hole 13ab of the anode electrode 13a.
- the cathode electrode 13 b is connected to the cooling pipe 18 and supported by the cooling pipe 18 with respect to the vacuum box 11.
- the cathode electrode 13 b is cooled by the refrigerant flowing in the cooling pipe 18.
- a vacuum seal 19 is disposed at the contact point between the cooling pipe 18 and the vacuum box 11. Further, a predetermined potential is applied to the cathode electrodes 13 b and 13 b through the electrical wiring 18 a provided in the cooling pipe 18.
- the extraction electrode 15 extracts ions from the inside of the vacuum box 11 by applying an extraction voltage.
- the extraction electrode 15 is, for example, a flat plate made of tungsten and having a thickness of about 4 mm, and has holes 15a through which ions extracted from the anode electrode 13a are allowed to pass.
- the hole 15a is, for example, in the form of a rectangle having a height of 10 mm and a width of 20 mm.
- the central axis of the hole 15a coincides with the central axis L1.
- the extraction electrode 15 is disposed in the vacuum box 11 via the support 21 so as to be separated from the anode electrode 13a by a second distance (D2: see FIG. 3) along the central axis L1.
- the support 21 has an extraction electrode 15 attached to one end, and the other end is led to the outside of the vacuum box 11 through the vacuum seal 19.
- the support 21 is provided with an electrical wiring 21 a for applying a predetermined potential to the extraction electrode 15.
- the ions extracted from 11 have extraction energy corresponding to this second potential difference ( ⁇ V2).
- the intermediate electrode 16 is, for example, a flat plate made of tungsten and having a thickness of about 3 mm, and has holes 16 a for passing ions extracted from the anode electrode 13 a.
- the hole 16a is, for example, in the form of a rectangle having a height of 10 mm and a width of 20 mm.
- the central axis of the hole 16a coincides with the central axis L1.
- the intermediate electrode 16 is disposed in the vacuum box 11 via the supports 21 and 22 so as to be separated from the anode electrode 13a by a first distance (D1: see FIG. 3) along the central axis L1.
- the third distance (D3: see FIG. 3) from the extraction electrode 15 to the intermediate electrode 16 is about 3.5 mm.
- the first distance (D1) is 7 mm as an example.
- the support 22 to which the intermediate electrode 16 is attached is attached to the support 21 to which the lead-out electrode 15 is attached through the insulating sheath 23. Further, the other end of the support 22 is led to the outside of the vacuum box 11 through the vacuum seal 19.
- the support 22 is provided with an electrical wiring 22 a for applying a predetermined potential to the intermediate electrode 16. For example, a negative potential is applied to the intermediate electrode 16.
- the potential (Vm) of the intermediate electrode 16 can have a value of -16 kV or more and 46 kV or less based on the potential (Va) of the anode electrode 13a.
- FIG. 3 is a view schematically showing the relationship between the arrangement of the anode electrode 13a, the extraction electrode 15, and the intermediate electrode 16 included in the ion source device 10A according to the embodiment, and the potential.
- the extraction electrode 15 is separated from the anode electrode 13a by a second distance (D2) along the central axis L1.
- the intermediate electrode 16 is separated from the anode electrode 13a by a first distance (D1) along the central axis L1.
- the potential (Va) of the anode electrode 13a is +16 kV as an example
- the potential (Vp) of the lead electrode 15 is zero as an example
- the potential (Vm) of the intermediate electrode 16 is -30 kV as an example.
- the first potential difference ( ⁇ V1) between the anode electrode 13a and the intermediate electrode 16 is 46 kV
- the second potential difference ( ⁇ V2) between the anode electrode 13a and the extraction electrode 15 is 16 kV.
- the extraction electrode 15 and the third potential difference ( ⁇ V3) are 30 kV.
- the first potential difference ( ⁇ V1) is set to satisfy the extraction current value required for the ion source device 10A.
- the second potential difference ( ⁇ V2) is set to satisfy the extraction energy required for the ion source device 10A.
- ions generated inside the anode electrode 13a are extracted from the slit 13aa of the anode electrode 13a based on the first potential difference ( ⁇ V1).
- the extracted ions have extraction energy and extraction current value based on the first potential difference ( ⁇ V1).
- the extraction energy may also be referred to as velocity energy corresponding to the velocity possessed by each ion.
- the extraction current value is the number of ions extracted from the slit 13aa.
- ions given a predetermined velocity energy by being accelerated based on the first potential difference ( ⁇ V1) are extracted from the anode electrode 13a by a number based on the first potential difference ( ⁇ V1).
- the first potential difference ( ⁇ V1) is larger than the second potential difference ( ⁇ V2). Therefore, the extraction energy and the extraction current value are larger than in the case where the intermediate electrode 16 is not provided.
- the ions pass through the holes 16 a of the intermediate electrode 16 to reach the region between the intermediate electrode 16 and the extraction electrode 15. In this region, the characteristics of the ions change based on the second potential difference ( ⁇ V2).
- the number of ions extracted from the vacuum box 11 through the hole 15a of the extraction electrode 15 does not increase or decrease due to the third potential difference ( ⁇ V3). Therefore, since the extraction current value is affected by the first potential difference ( ⁇ V1) but not affected by the third potential difference ( ⁇ V3), the presence of the extraction electrode 15 indicates the magnitude of the final extraction current value. It does not affect For this reason, the extraction current value made larger than the case where the intermediate electrode 16 is not provided is maintained.
- the individual ions are decelerated based on the third potential difference ( ⁇ V3), and finally converge to the velocity based on the second potential difference ( ⁇ V2). That is, the extraction energy consequently converges to a magnitude based on the second potential difference ( ⁇ V2). For this reason, the extraction energy made larger than the required value by the intermediate electrode 16 converges to the required value. Therefore, in terms of the extraction energy, the presence of the intermediate electrode 16 does not consequently affect the magnitude of the extraction energy.
- the extraction current value can be increased while satisfying the required value of the extraction energy.
- the extraction current value of the ion source device 1 depends on the space charge limited current density.
- the space charge limited current density is expressed by the following equation (1) according to Child-Langmuir's law (Child-Langmuir's law). According to equation (1), the space charge limited current density is 3/2 times the voltage value.
- J CL space charge limited current density
- V extraction voltage d: inter-electrode distance
- the interelectrode distance (d) is decreased or the extraction voltage It is conceivable to increase V).
- the interelectrode distance (d) is limited in terms of dielectric breakdown and the emittance of the ion beam.
- the extraction voltage (V) corresponds to the second potential difference ( ⁇ V2) in the present embodiment.
- the second potential difference ( ⁇ V2) is determined from the extraction energy.
- ions generated in the region defined by the anode electrode 13a are slit with an extraction current value and extraction energy corresponding to the potential difference (.DELTA.V1) between the anode electrode 13a and the intermediate electrode 16. It is pulled out from 13aa.
- the extraction energy changes between the intermediate electrode 16 and the extraction electrode 15 so as to correspond to the potential difference ( ⁇ V3) between the intermediate electrode 16 and the extraction electrode 15, but the extraction current value varies between the intermediate electrode 16 and the extraction electrode 15. Is maintained regardless of the potential difference (.DELTA.V3). Therefore, the extraction energy is determined based on the second potential difference ( ⁇ V 2) between the anode electrode 13 a and the extraction electrode 15.
- This second potential difference ( ⁇ V2) can be determined to satisfy the required extraction energy.
- the extraction current value is determined based on the first potential difference ( ⁇ V1) between the anode electrode 13 a and the intermediate electrode 16. Therefore, the potential difference ( ⁇ V1) that determines the extraction current value can be set independently of the potential difference ( ⁇ V2) that determines the extraction energy. Since the first potential difference ( ⁇ V1) is larger than the second potential difference ( ⁇ V2), it can be made larger than the extraction current value determined by the potential difference ( ⁇ V2) based on the extraction energy. Thereby, the amount of extraction current can be increased while satisfying the required extraction energy.
- the ion source device 10B is different from the ion source device 10A of the first embodiment in that the extraction current value can be adjusted.
- the ion source device 10B includes a potential adjustment unit 24 and a position adjustment unit 26.
- the potential adjustment unit 24 is provided in the middle of the electric wiring 22 a connecting the power supply 60 and the intermediate electrode 16.
- the potential adjustment unit 24 adjusts the potential applied to the intermediate electrode 16.
- the potential (Vm) of the intermediate electrode 16 changes, the first potential difference ( ⁇ V1) changes.
- the first potential difference ( ⁇ V1) affects the extraction current value as described above. Therefore, the potential adjustment unit 24 can control the extraction current value.
- the extraction current value can be controlled in a range of about 1 to 3 times that in the case where the intermediate electrode 16 is not provided.
- the extraction current value depends on the space charge limited current density as described above. According to Child's Langmuir's law indicating space charge limited current density, the extraction current value is between the anode electrode 13a and the intermediate electrode 16 in addition to the anode electrode 13a, the intermediate electrode 16, and the first potential difference ( ⁇ V1). It also depends on the distance (D1) of Specifically, to increase the extraction current value, the distance (D1) may be decreased, and to decrease the extraction current value, the distance (D1) may be increased. Therefore, the position adjustment unit 26 is used to adjust the position of the intermediate electrode 16 with respect to the anode electrode 13a. The position adjustment unit 26 has a stroke of about 10 mm in the direction along the central axis L1 as an example. According to the position adjustment unit 26, the extraction current value can be controlled within a certain range of magnification with respect to the case where the intermediate electrode 16 is not provided.
- the case where positive ions are extracted is described as an example.
- the ion source device of the embodiment may be configured to extract negative ions.
- a negative potential is applied to the anode electrode 13a
- a positive potential is applied to the intermediate electrode 16
- a zero potential is applied to the extraction electrode 15.
- the extraction current value can be increased while satisfying the required value of the extraction energy, as in the above embodiment.
- the potential of the anode electrode 13a is +16 kV
- the potential of the intermediate electrode 16 is ⁇ 30 kV
- the potential of the extraction electrode 15 is zero.
- the potential (Va) of the anode electrode 13a, the potential (Vm) of the intermediate electrode 16, and the potential (Vp) of the extraction electrode 15 have a relationship ( ⁇ V1>) between the first potential difference ( ⁇ V1) and the second potential difference ( ⁇ V2) It may be a desired value that satisfies ⁇ V 2).
- SYMBOLS 1A Particle acceleration system, 10A, 10B ... Ion source apparatus, 11 ... Vacuum box, 12 ... Gas molecule flow path, 13 ... Electrode, 13a ... Anode electrode, 13aa ... Slit, 13ab ... Receiving hole part, 13b ... Cathode electrode, 14: electromagnet, 15: extraction electrode, 15a: hole, 16: intermediate electrode, 16a: hole, 17, 21, 22: support, 17a, 18a, 21a, 22a: electrical wiring, 18: cooling pipe, 19: vacuum seal , 23: insulating insulator, 24: potential adjustment unit, 26: position adjustment unit, 30: accelerator, 40: transport unit, 50: support unit, 60: power supply.
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Abstract
イオン源装置10Aは、電子を放出するカソード電極13b,13bと、イオンが引き出されるスリット13aaを有するアノード電極13aと、アノード電極13aとの間で電位差を形成するように、アノード電極13aから引き出されたイオンの引出方向に沿ってアノード電極13aから離間して配置された引出電極15と、アノード電極13aと引出電極15との間に設けられた中間電極16と、を備える。アノード電極13aと中間電極16との間の第1の電位差(ΔV1)は、アノード電極13aと引出電極15との間の第2の電位差(ΔV2)よりも大きい。
Description
本発明は、イオン源装置に関する。
従来、粒子加速システムとして、イオンを生成するイオン源装置と、イオンを加速させる加速器と、イオン源装置から加速器へイオンを輸送する輸送部と、を備えるものが知られている(例えば、特許文献1参照)。このような粒子加速システムでは、イオン源装置の容器内に磁場が形成されると共に、当該容器内に電子及び気体分子が導入される。このとき、磁場の強度が適切に調整されていれば、磁場の作用によって電子が容器内に閉じ込められる。容器内に閉じ込められた電子は気体分子に衝突し、その結果、容器内においてプラズマの状態のイオンが生成する。そして、容器から離間した位置に設けられた引出電極に引出電圧が印加されると、引出電圧に対応したエネルギにてイオンが容器内から引き出される。引き出されたイオンは、輸送部によって加速器に輸送される。
イオン源装置においては、引出電流値の増加が望まれている。イオン源装置の引出電流値は、イオンが生成される容器と引出電極との間の距離や電位差といったパラメータにより決定される。しかし、これらのパラメータは、引出エネルギやイオンビームのエミッタンスといったイオン源装置へ要求される別の性能から決定されてしまう。従って、引出電流値を増大させるためにパラメータを自由に設定することができないので、引出電流値を増大させることが難しかった。
そこで、本発明では、イオン源装置への要求性能を満たしつつ、引出電流値を増大させることが可能なイオン源装置を提供することを目的とする。
本発明の一形態に係るイオン源装置は、電子を放出する一対の第1の電極と、電子が閉じ込められると共に原料ガスが供給される領域を一対の第1の電極の間に画成し、電子と原料ガスとが衝突して発生したイオンが引き出される孔部を有する第2の電極と、第2の電極との間で電位差を形成するように、第2の電極から引き出されたイオンの引出方向に沿って第2の電極から離間して配置された引出電極と、第2の電極と引出電極との間に設けられた中間電極と、を備え、第2の電極と中間電極との間の第1の電位差は、第2の電極と引出電極との間の第2の電位差よりも大きい。
この装置によれば、第2の電極が画成する領域で生成されたイオンは、第2の電極と中間電極との電位差に対応する引出電流値と引出エネルギをもって孔部から引き出される。そして、中間電極と引出電極との間において、引出エネルギが中間電極と引出電極との電位差に対応するように変化するが、引出電流値は維持される。従って、引出エネルギは、第2の電極と引出電極との間の第2の電位差に基づいて決定される。この第2の電位差は、要求される引出エネルギを満たすように決定することができる。一方、引出電流値は、第2の電極と中間電極との間の第1の電位差に基づいて決定される。従って、引出電流値を決定する電位差を、引出エネルギを決定する電位差に左右されることなく設定することが可能になる。そして、第1の電位差は、第2の電位差よりも大きいので、引出エネルギに基づく電位差により決定される引出電流値よりも増大させることができる。これにより、要求される引出エネルギを満たしつつ、引出電流量を増大させることができる。
第2の電極の電位は、正の電位であり、中間電極の電位は、負の電位であり、引出電極の電位は、接地電位であってもよい。この構成によれば、所望の引出エネルギと所望の引出電流値とを有する正のイオンを引き出すことができる。
中間電極の電位を調整する電位調整部をさらに備えてもよい。この構成によれば、第2の電極と中間電極との間の第1の電位差を調整することが可能になる。第1の電位差は、引出電流値を決定する。従って、引出電流値の大きさを制御することができる。
第2の電極と中間電極との間の距離を制御するために、中間電極の位置を調整する位置調整部をさらに備えてもよい。この構成によれば、第2の電極と中間電極との間の距離を調整することが可能になる。この距離は、引出電流値を決定する。従って、引出電流値の大きさを制御することができる。
本発明によれば、要求性能を満たしつつ、引出電流値を増大させることが可能なイオン源装置が提供される。
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態に係るイオン源装置を有する粒子加速システムを示す正面図である。図1に示すように、粒子加速システム1Aは、イオン源装置10A、加速器30、輸送部40及び支持部50を備える。以下の説明においては、粒子加速システム1Aを水平面に載置した状態における装置の上下方向をZ軸方向とし、後述するイオンの輸送経路Pを含む平面内、且つ、Z軸方向に垂直な方向をX軸方向とし、Z軸方向及びX軸方向に垂直な方向をY軸方向とする。粒子加速システム1Aは、例えばα粒子、陽子、重陽子等のイオンを生成すると共に加速させる。粒子加速システム1Aは、加速させたイオンを、例えば陽電子放出断層撮影(PET:Positron Emission Tomography)、中性子捕捉療法(BNCT:Boron Neutron Capture Therapy)等を行う装置に供給する。
図1は、第1実施形態に係るイオン源装置を有する粒子加速システムを示す正面図である。図1に示すように、粒子加速システム1Aは、イオン源装置10A、加速器30、輸送部40及び支持部50を備える。以下の説明においては、粒子加速システム1Aを水平面に載置した状態における装置の上下方向をZ軸方向とし、後述するイオンの輸送経路Pを含む平面内、且つ、Z軸方向に垂直な方向をX軸方向とし、Z軸方向及びX軸方向に垂直な方向をY軸方向とする。粒子加速システム1Aは、例えばα粒子、陽子、重陽子等のイオンを生成すると共に加速させる。粒子加速システム1Aは、加速させたイオンを、例えば陽電子放出断層撮影(PET:Positron Emission Tomography)、中性子捕捉療法(BNCT:Boron Neutron Capture Therapy)等を行う装置に供給する。
粒子加速システム1Aにおいて、イオン源装置10Aと加速器30とは、輸送部40によって互いに接続される。イオン源装置10A、加速器30及び輸送部40は、ZX平面上に配置される。イオン源装置10Aに対してX軸正方向側に輸送部40が配置され、輸送部40のZ軸正方向側に加速器30が配置される。また、イオン源装置10Aの下方(Z軸負方向)側に支持部50が設けられる。粒子加速システム1Aは、台座S上に載置される。
イオン源装置10Aは、気体分子からプラズマの状態のイオンを生成する装置である。イオン源装置10Aは、複数種類のイオンを生成可能である。イオン源装置10Aは、例えばヘリウムからα粒子を生成可能であり、また、水素から陽子を生成可能である。なお、イオン源装置10Aは、必ずしもα粒子及び陽子を生成可能でなくてもよい。イオン源装置10Aの具体的な構成については後述する。
加速器30は、イオン源装置10Aによって生成されたイオンを加速して、荷電粒子線を作り出す。本実施形態においては、加速器30として、サイクロトロンを例示している。なお、加速器30は、サイクロトロンに限定されず、シンクロトロン、シンクロサイクロトロン、ライナック等であってもよい。
加速器30は、略円筒形状を呈し、その中心軸線L2がZ軸方向に延在する向きに配置される。加速器30は、イオン源装置10Aよりも、Z軸方向において高い位置に配置される。加速器30は、加速されるべきイオンが加速器30の所定位置に入射されると、そのイオンを加速する。この加速器30では、加速されるべきイオンは、加速器30の下面(Z軸負方向の面)側の中心部に開口した入射部30aに入射される。なお、加速器30の中心軸線L2は、Z軸方向に延在していなくてもよく、例えば、図中に示す粒子加速システム1A全体がY軸を中心として90°回転した状態とされて、中心軸線L2がX軸方向に延在してもよい。また、図中に示す粒子加速システム1A全体がX軸を中心として90°回転した状態とされて、中心軸線L2がY軸方向に延在してもよい。この場合、イオン源装置10Aの中心軸線L1はXY平面内に位置する。
輸送部40は、イオン源装置10Aによって生成されたイオンを、イオン源装置10Aから加速器30へ輸送する。輸送部40は、アインツェルレンズ41、偏向電磁石42及びベローズ43を有する。アインツェルレンズ41は、輸送されるイオンを収束させる。偏向電磁石42は、磁場を生成し、当該磁場によって、アインツェルレンズ41を通過したイオンの輸送方向をZX平面内において曲げる。偏向電磁石42は、イオンを加速器30の入射部30aへ案内する。
支持部50は、イオン源装置10Aを支持する機構である。支持部50は、イオン源装置10Aに対して着脱可能な複数の架台である。なお、支持部50を構成する複数の架台のそれぞれは、輸送部40に対してイオン源装置10Aが互いに異なる取付角度及び取付位置となるように、イオン源装置10Aを支持してもよい。すなわち、支持部50は、これら着脱可能な複数の架台を交換することにより、輸送部40に対するイオン源装置10Aの取付角度及び取付位置を調整可能である。支持部50は、イオン源装置10Aと接続される側とは反対側において、台座Sに支持されている。
以下、イオン源装置10Aの構成について詳細に説明する。
イオン源装置10Aは、加速器30の外部に設けられた外部イオン源である。イオン源装置10Aは、略円筒形状を呈し、その中心軸線L1はZX平面内に位置する。イオン源装置10Aは、延在方向における一端において、中心軸線L1に対して斜めに傾斜した端面10aを有する。イオン源装置10Aは、端面10aが略垂直となるように配置される。端面10aは、輸送部40のアインツェルレンズ41における筐体41aのX軸負方向側の外面に対向する。イオン源装置10Aは、ZX平面内において、端面10a側である一端側が他端側よりもZ軸方向において高い位置となるように、中心軸線L1が傾いて配置される。
図2は、図1のイオン源装置10Aの内部構造をZ軸正方向から見た断面図である。図2に示すように、イオン源装置10Aは、真空箱11、気体分子流路12、電極13、電磁石14、引出電極15及び中間電極16を有する。
真空箱11は、イオン源装置10Aの内部に配置される。真空箱11は、図示しない真空ポンプと接続されており、その内部を真空状態に保持する。真空箱11は、気体分子流路12を介して、内部に原料ガスとしての気体分子を導入する。例えば、イオンとしてα粒子が生成される場合には、気体分子としてヘリウムを用いる。なお、α粒子以外のイオンが生成される場合には、そのイオンに対応した気体分子を用いる。
電磁石14は、真空箱11内に磁場を形成する。電磁石14は、Y軸方向において真空箱11を挟むように対を成して設けられる。これにより、電磁石14は、真空箱11内に、Y軸方向に概略沿った方向の磁場を形成する。電磁石14は、真空箱11内に形成する磁場の強度を適切に調整することにより、磁場の作用によって真空箱11内に電子を閉じ込める。
電極13は、アノード電極13a(第2の電極)と、一対のカソード電極13b,13b(第1の電極)とを有する。アノード電極13aは、Y軸方向視における真空箱11の中央付近に設けられる。一対のカソード電極13b,13bは、中心軸線L1と交差する方向(即ちY軸方向)にアノード電極13aを挟むように設けられる。
アノード電極13aは、Y軸方向に沿った中心軸線L3を有する円筒状を成し、サポート17によって真空箱11に対し支持されて真空箱11内に設けられる。なお、アノード電極13aの中心軸線L3の方向は、イオン源装置10Aの中心軸線L1に沿った方向としてもよい。アノード電極13aの円筒面には、サポート17に設けられた気体分子流路12の先端が接続され、気体分子流路12を介してアノード電極13aに気体分子が導入される。また、アノード電極13aには、サポート17に設けられた電気配線17aを介して所定の電位が与えられる。例えば、アノード電極13aには、正の電位である+16kVが与えられる。アノード電極13aのY軸方向に沿った両端面は、カソード電極13b,13bと対面する。それぞれの両端面の略中央には、カソード電極13bから放出された電子を受け入れるための受入孔部13abが設けられる。アノード電極13aの円筒面には、イオンを引き出すためのスリット13aa(孔部)が設けられる。スリット13aaは、中心軸線L1上に設けられる。
カソード電極13bは、例えば熱電子放出によって真空箱11内に電子を供給する。具体的には、アノード電極13aの受入孔部13abを介して、アノード電極13aの内部に電子を供給する。カソード電極13bは、冷却配管18に接続され、冷却配管18によって真空箱11に対し支持されている。カソード電極13bは、冷却配管18中を流通する冷媒によって冷却される。冷却配管18と真空箱11との接点には真空シール19が配置されている。また、カソード電極13b,13bには、冷却配管18に設けられた電気配線18aを介して所定の電位が与えられる。
電極13においては、一方のカソード電極13bから電子(e-)が放出され、一対のカソード電極13b,13b間で電子が往復する。この際、電磁石14により、アノード電極13aの円筒軸方向(Y軸方向)に磁場が生成されると、電子は、螺旋運動をしながら、アノード電極13aに衝突することなくアノード電極13a内に閉じ込められる。アノード電極13a内において一対のカソード電極13b,13b間を往復する電子が、気体分子流路12により導入されたヘリウム等の気体分子と衝突することで、α粒子等のイオンが生成される。
引出電極15は、引出電圧が印加されることによって、真空箱11内からイオンを引き出す。引出電極15は、印加される引出電圧に対応した引出エネルギで、真空箱11内からイオンを引き出す。すなわち、真空箱11から引き出されたイオンは、アノード電極13aの電位(Va)と引出電極15の電位(Vp)との電位差(ΔV2=Va-Vp)に対応した引出エネルギを有する。
引出電極15は、一例として、タングステン製の厚さが4mm程度である平板であり、アノード電極13aから引き出されたイオンを通過させる孔15aを有する。孔15aは、一例として、高さ10mm、幅20mmの矩形状である。この孔15aの中心軸線は、中心軸線L1に一致する。引出電極15は、中心軸線L1に沿ってアノード電極13aから第2の距離(D2:図3参照)だけ離間するようにサポート21を介して真空箱11内に配置される。サポート21は、一端に引出電極15が取り付けられ、他端は真空シール19を介して真空箱11の外部に導かれる。サポート21には、引出電極15に所定の電位を与えるための電気配線21aが設けられる。引出電極15には、例えば、接地電位(すなわちゼロ電位)が与えられる。従って、アノード電極13aの電位(Va=+16kV)と引出電極15の電位(Vp=0kV)との間において、アノード電極13aから見た第2の電位差(ΔV2)は、-16kVであり、真空箱11から引き出されるイオンはこの第2の電位差(ΔV2)に応じた引出エネルギを有する。
中間電極16は、一例として、タングステン製の厚さが3mm程度である平板であり、アノード電極13aから引き出されたイオンを通過させる孔16aを有する。孔16aは、一例として、高さ10mm、幅20mmの矩形状である。この孔16aの中心軸線は、中心軸線L1に一致する。中間電極16は、中心軸線L1に沿ってアノード電極13aから第1の距離(D1:図3参照)だけ離間するようにサポート21,22を介して真空箱11内に配置される。一例として、引出電極15から中間電極16までの第3の距離(D3:図3参照)は、3.5mm程度である。第1の距離(D1)は、一例として7mmである。中間電極16が取り付けられたサポート22は、絶縁ガイシ23を介して引出電極15が取り付けられたサポート21に取り付けられる。また、サポート22の他端は、真空シール19を介して真空箱11の外部に導かれる。サポート22には、中間電極16に所定の電位を与えるための電気配線22aが設けられる。中間電極16には、例えば、負の電位が与えられる。中間電極16の電位(Vm)は、アノード電極13aの電位(Va)を基準にすると-16kV以上46kV以下の値を取り得る。また、中間電極16の電位(Vm)は、グランド電位を基準にすると0kV以上30kV以下の値を取り得る。一例として、中間電極16の電位(Vm)が-30kVであるとする。この場合、アノード電極13aの電位(Va=+16kV)と中間電極16の電位(Vm=-30kV)との第1の電位差(ΔV1)は、46kVであり、真空箱11から引き出されるイオンはこの第1の電位差(ΔV1)に応じた引出電流値を有する。
以下、イオン源装置10Aの作用効果について詳細に説明する。図3は、実施形態に係るイオン源装置10Aが備えるアノード電極13a、引出電極15及び中間電極16の配置と、電位との関係を模式的に示す図である。
図3に示されるように、引出電極15は、アノード電極13aに対して中心軸線L1に沿って第2の距離(D2)だけ離間する。中間電極16は、アノード電極13aに対して中心軸線L1に沿って第1の距離(D1)だけ離間する。そしてアノード電極13aの電位(Va)は一例として+16kVであり、引出電極15の電位(Vp)は一例としてゼロであり、中間電極16の電位(Vm)は一例として-30kVである。従って、アノード電極13aと中間電極16との第1の電位差(ΔV1)は、46kVであり、アノード電極13aと引出電極15との第2の電位差(ΔV2)は、16kVであり、中間電極16と引出電極15と第3の電位差(ΔV3)は、30kVである。ここで、第1の電位差(ΔV1)は、イオン源装置10Aに要求される引出電流値を満たすように設定される。また、第2の電位差(ΔV2)は、イオン源装置10Aに要求される引出エネルギを満たすように設定される。
まず、アノード電極13aの内部で生成されたイオンは、第1の電位差(ΔV1)に基づいて、アノード電極13aのスリット13aaから引き出される。この引き出されたイオンは、第1の電位差(ΔV1)に基づく引出エネルギと引出電流値とを有する。ここで、引出エネルギとは、個々のイオンが有する速度に対応する速度エネルギとも言える。また、引出電流値とは、スリット13aaから引き出されるイオンの数であるとも言える。換言すると、第1の電位差(ΔV1)に基づいて加速されることにより所定の速度エネルギが与えられたイオンが、第1の電位差(ΔV1)に基づく数だけアノード電極13aから引き出される。ここで、第1の電位差(ΔV1)は、第2の電位差(ΔV2)よりも大きい。従って、引出エネルギ及び引出電流値は、中間電極16を設けない場合よりも大きくなる。
イオンは、中間電極16の孔16aを通過して、中間電極16と引出電極15との間の領域に到達する。この領域では、第2の電位差(ΔV2)に基づいてイオンの特性が変化する。
まず、孔16aを通過した後に引出電極15の孔15aを通過して真空箱11から引き出されるイオンの数は、第3の電位差(ΔV3)よって増減することはない。従って、引出電流値は、第1の電位差(ΔV1)の影響を受けるが、第3の電位差(ΔV3)の影響は受けないので、引出電極15の存在は、最終的な引出電流値の大きさに影響を与えない。このため、中間電極16を設けない場合よりも大きくされた引出電流値は維持される。
一方、個々のイオンは第3の電位差(ΔV3)に基づいて減速され、最終的に、第2の電位差(ΔV2)に基づく速度に収束する。すなわち、引出エネルギは、結果的に第2の電位差(ΔV2)に基づく大きさに収束する。このため、中間電極16によって要求値よりも大きくされた引出エネルギは、要求値に収束する。従って、引出エネルギの点からみれば、中間電極16の存在は、結果的に引出エネルギの大きさに影響を与えない。
従って、中間電極16を設けることにより、引出エネルギの要求値を満たしながら、引出電流値を増加させることができる。
ここで、イオン源装置1の引出電流値は、空間電荷制限電流密度に依存する。空間電荷制限電流密度は、チャイルド・ラングミュアーの法則(Child-Langmuirの法則)によれば、下記式(1)により示される。式(1)によれば、空間電荷制限電流密度は、電圧値の3/2乗倍である。
JCL:空間電荷制限電流密度
V:引出電圧
d:電極間距離
式(1)によれば、引出電流値を大きくするためには、電極間距離(d)を小さくする、或いは、引出電圧(V)を大きくすることが考えられる。しかし、電極間距離(d)は、絶縁破壊やイオンビームのエミッタンスの点から取り得る値は制限される。また、引出電圧(V)は、本実施形態における第2の電位差(ΔV2)に対応する。第2の電位差(ΔV2)は、引出エネルギから決定される。
V:引出電圧
d:電極間距離
式(1)によれば、引出電流値を大きくするためには、電極間距離(d)を小さくする、或いは、引出電圧(V)を大きくすることが考えられる。しかし、電極間距離(d)は、絶縁破壊やイオンビームのエミッタンスの点から取り得る値は制限される。また、引出電圧(V)は、本実施形態における第2の電位差(ΔV2)に対応する。第2の電位差(ΔV2)は、引出エネルギから決定される。
そこで、このイオン源装置10Aによれば、アノード電極13aが画成する領域で生成されたイオンは、アノード電極13aと中間電極16との電位差(ΔV1)に対応する引出電流値と引出エネルギをもってスリット13aaから引き出される。そして、中間電極16と引出電極15との間において、引出エネルギが中間電極16と引出電極15との電位差(ΔV3)に対応するように変化するが、引出電流値は中間電極16と引出電極15との電位差(ΔV3)に関係なく維持される。従って、引出エネルギは、アノード電極13aと引出電極15との間の第2の電位差(ΔV2)に基づいて決定される。この第2の電位差(ΔV2)は、要求される引出エネルギを満たすように決定することができる。一方、引出電流値は、アノード電極13aと中間電極16との間の第1の電位差(ΔV1)に基づいて決定される。従って、引出電流値を決定する電位差(ΔV1)を、引出エネルギを決定する電位差(ΔV2)に左右されることなく設定することが可能になる。そして、第1の電位差(ΔV1)は、第2の電位差(ΔV2)よりも大きいので、引出エネルギに基づく電位差(ΔV2)により決定される引出電流値よりも増大させることができる。これにより、要求される引出エネルギを満たしつつ、引出電流量を増大させることができる。
<第2実施形態>
次に、第2実施形態に係るイオン源装置について説明する。図4に示されるように、イオン源装置10Bは、引出電流値を調整可能な点で、第1実施形態のイオン源装置10Aと相違する。イオン源装置10Bは、電位調整部24と、位置調整部26とを有する。
次に、第2実施形態に係るイオン源装置について説明する。図4に示されるように、イオン源装置10Bは、引出電流値を調整可能な点で、第1実施形態のイオン源装置10Aと相違する。イオン源装置10Bは、電位調整部24と、位置調整部26とを有する。
電位調整部24は、電源60と中間電極16とを接続する電気配線22aの途中に設けられる。電位調整部24は、中間電極16に与える電位を調整する。中間電極16の電位(Vm)が変わると、第1の電位差(ΔV1)が変わる。第1の電位差(ΔV1)は、既に述べたように引出電流値に影響する。従って、電位調整部24によれば、引出電流値を制御することができる。例えば、電位調整部24によれば、中間電極16を設けない場合に対して、引出電流値を1倍以上3倍以下程度の範囲において制御することができる。
引出電流値は、既に述べたように空間電荷制限電流密度に依存する。空間電荷制限電流密度を示すチャイルド・ラングミュアーの法則によると、引出電流値は、アノード電極13aと中間電極16と第1の電位差(ΔV1)に加えて、アノード電極13aと中間電極16との間の距離(D1)にも依存する。具体的には、引出電流値を増加させるためには、距離(D1)を小さくすればよく、引出電流値を減少させるためには、距離(D1)を大きくすればよい。そこで、位置調整部26を用いてアノード電極13aに対する中間電極16の位置を調整する。位置調整部26は、一例として中心軸線L1に沿った方向に10mm程度のストロークを有する。位置調整部26によれば、中間電極16を設けない場合に対して、引出電流値をある程度の倍率の範囲において制御することができる。
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、正のイオンが引き出される場合を例に説明した。実施形態のイオン源装置は、負のイオンが引き出される構成であってもよい。この場合には、アノード電極13aに負の電位が与えられ、中間電極16に正の電位が与えられ、引出電極15にはゼロの電位が与えられる。このような構成であっても、上記実施形態と同様に、引出エネルギの要求値を満たしながら、引出電流値を増加させることができる。
また、上記実施形態では、アノード電極13aの電位を+16kVとし、中間電極16の電位を-30kVとし、引出電極15の電位をゼロとしたが、これらの大きさに限定されない。アノード電極13aの電位(Va)、中間電極16の電位(Vm)、及び引出電極15の電位(Vp)は、第1の電位差(ΔV1)と第2の電位差(ΔV2)との関係(ΔV1>ΔV2)を満たす所望の値としてよい。
1A…粒子加速システム、10A,10B…イオン源装置、11…真空箱、12…気体分子流路、13…電極、13a…アノード電極、13aa…スリット、13ab…受入孔部、13b…カソード電極、14…電磁石、15…引出電極、15a…孔、16…中間電極、16a…孔、17,21,22…サポート、17a,18a,21a,22a…電気配線、18…冷却配管、19…真空シール、23…絶縁ガイシ、24…電位調整部、26…位置調整部、30…加速器、40…輸送部、50…支持部、60…電源。
Claims (4)
- 電子を放出する一対の第1の電極と、
前記電子が閉じ込められると共に原料ガスが供給される領域を前記一対の第1の電極の間に画成し、前記電子と前記原料ガスとが衝突して発生したイオンが引き出される孔部を有する第2の電極と、
前記第2の電極との間で電位差を形成するように、前記第2の電極から引き出された前記イオンの引出方向に沿って前記第2の電極から離間して配置された引出電極と、
前記第2の電極と前記引出電極との間に設けられた中間電極と、を備え、
前記第2の電極と前記中間電極との間の第1の電位差は、前記第2の電極と前記引出電極との間の第2の電位差よりも大きい、イオン源装置。 - 前記第2の電極の電位は、正の電位であり、
前記中間電極の電位は、負の電位であり、
前記引出電極の電位は、接地電位である、請求項1に記載のイオン源装置。 - 前記中間電極の電位を調整する電位調整部をさらに備える、請求項1又は2に記載のイオン源装置。
- 前記第2の電極と前記中間電極との間の距離を制御するために、前記中間電極の位置を調整する位置調整部をさらに備える、請求項1~3の何れか一項に記載のイオン源装置。
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