WO2020203186A1 - イオン源と、それを備えた多種イオン生成装置 - Google Patents

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ion source
drift tube
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健 片桐
崇志 涌井
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国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
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    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K5/00—Irradiation devices
    • G21K5/04—Irradiation devices with beam-forming means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/20—Ion sources; Ion guns using particle beam bombardment, e.g. ionisers

Definitions

  • the present invention relates to an ion source and a multi-ion ion generator including the ion source.
  • the present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2019-071409 filed in Japan on April 3, 2019, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • Non-Patent Document 1 a method of switching the ion species by controlling the gas supply system of one ECR ion source has been tried, but it has been confirmed by experiments that it takes several minutes to switch the ion species.
  • Non-Patent Document 2 an EBIS ion source having a completely different structure from the ECR ion source is known, but since the conventional EBIS ion source is designed for the purpose of generating heavy element multivalent ions, small ECR ions for heavy ion beam therapy are used. Larger than the source (Non-Patent Document 2).
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an ion source miniaturized so that the ion species to be supplied can be switched in a short time, and a multi-ion ion generator equipped with the ion source. To do.
  • the present invention employs the following means.
  • the ion source includes an electron source, an anode electrode and a cathode electrode that draw out a hollow electron beam from the electron source, and a drift tube that surrounds a passing region of the drawn hollow electron beam.
  • the electron source and the anode electrode are provided with a repeater that reverses the traveling direction of the hollow electron beam that has passed through the passing region toward the electron source side, and a gas supply means that supplies a raw material gas to the passing region.
  • the repeller and the gas supply means are both arranged outside the drift tube.
  • the anode electrode forms an ion trap in the central axis direction of the drift tube with the first anode electrode that adjusts the amount of the hollow electron beam generated. It may include a bi-anode electrode.
  • the ion source according to any one of (1) or (2) may further include a magnetic field generating means arranged around the outer wall surface of the drift tube.
  • the multi-ion generator according to one aspect of the present invention is a multi-ion generator provided with a plurality of ion sources according to any one of (1) to (3), and each of the above.
  • An ion flow path that further comprises an ion extraction means for extracting the generated ions from the ion source, and the ion extraction means connects at least one of the plurality of the ion sources to a predetermined ion extraction unit, and the ions. It is composed of a connected ion source changing means for changing the ion source to which the flow path is connected.
  • the connected ion source changing means is fixed to one end side of the ion flow path connected to the ion extraction unit and rotates the ion flow path.
  • One of the plurality of ion sources having a rotation axis to be rotated so that the distances from the rotation axes are equal to each other and the other end of the ion flow path is rotated. It may be arranged so as to be connected to the passing region.
  • the multi-ion ion generator includes the ion source according to any one of (1) to (3) above and the ion source via the first gas flow path.
  • the conduction C of the first gas flow path includes the connected exhaust means and the gas supply means connected to each of the plurality of second gas flow paths branched from the first gas flow path.
  • the exhaust time ⁇ t is preferably 1 second or less.
  • a mass flow controller for adjusting the gas flow rate may be provided in each of the plurality of second gas flow paths.
  • the present invention it is possible to provide an ion source that has been miniaturized so that the ion species to be supplied can be switched in a short time, and a multi-ion ion generator equipped with the ion source.
  • FIG. 2 It is a block diagram of the popular type small-sized therapeutic apparatus including the multi-ion generation apparatus of this invention. It is sectional drawing of the ion source which concerns on 1st and 2nd Embodiment of this invention.
  • (A), (b) is a side view and a cross-sectional view of the multi-ion generation apparatus according to the first embodiment of the present invention. It is a figure which compared the ion source of FIG. 2 and the small ECR ion source for heavy ion beam therapy. It is a figure which shows the relationship of the operation timing of a synchrotron, an injector, and the multi-ion generator of this invention. It is a block diagram of the multi-ion generation apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention.
  • (A) It is a graph which shows the ionization cross-sectional area data table of the generated various ions as an Example of this invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a popular small-sized treatment device including the multi-ion generation device 150 according to the first embodiment of the present invention.
  • the popular-type small-sized treatment device is mainly composed of a multi-ion ion generation device 150, a popular-type small-sized injector 160, and a popular-type synchrotron 170.
  • the multi-product ion generation device 150 mainly includes a plurality of ion sources 100 and an ion extraction means (device) 120 for extracting the generated ions from each ion source 100.
  • a small electron beam type ion source (EBIS) for generating light ions is used.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the ion source 100.
  • the ion source 100 mainly includes an electron source 101, an anode electrode 102 and a cathode electrode 103 that draw out a hollow electron beam EB from the electron source 101, and a drift tube 105 that surrounds a passing region 104 of the drawn hollow electron beam EB. It includes a repeater 106 that reverses the traveling direction of the hollow electron beam EB that has passed through the passage region 104 toward the electron source 101, and a vacuum chamber 110.
  • the electron source 101, the anode electrode 102, the cathode electrode 103, and the repeater 106 are all arranged in the vacuum chamber 110 outside the space surrounded by the drift tube 105.
  • the space surrounded by the drift tube 105 is hollow.
  • a magnetic field generating means (magnetic field generator) 107 such as an electromagnet or a permanent magnet is arranged outside the drift tube 105 so as to surround the drift tube 105.
  • the anode electrode 102 may include a first anode electrode that adjusts the amount of hollow electron beam EB generated, and a second anode electrode that forms an ion trap in the direction of the central axis of the drift tube 105.
  • the electron beam EB drawn from the electron source 101 on the cathode electrode (cathode) 103 by the anode electrode (anode) 102 moves in the drift tube 105 along the direction of the magnetic field generated from the magnetic field generating means 107.
  • a hollow (annular) -shaped electron beam EB can be formed by appropriately designing an electron gun provided with an annular electron source 101, a cathode electrode 103, and an anode electrode 102.
  • the hollow-shaped electron beam EB suppresses the potential drop in the drift tube 105 caused by the space charge effect, and makes it possible to store more electrons than in the case of the linear beam.
  • the kinetic energy of the generated electron beam EB can be adjusted by changing the potential difference between the cathode electrode 103 and the drift tube 105.
  • the hollow electron beam EB passes the liberer anode 108 and reaches the repeller 106 set to the same or lower voltage as the electron source 101, it is inverted and starts moving in the opposite direction, and the electron source 101 again. Reach the area around. By repeating this process, electrons having favorable energy for generating ions are accumulated in the drift tube 105.
  • a potential distribution is formed in the radial direction (r direction) in the hollow portion in the drift tube 105, and the potential on the central axis 105C penetrating the hollow portion becomes the potential of the drift tube 105. It is lower than that.
  • the potential distribution in the r direction by setting the potentials of the anode electrode 103 and the repeater anode 108 to higher potentials than the drift tube 105, the potential distribution is also given in the axial direction (s direction), and the ions The potential well required for confinement is formed.
  • the gas to be ionized is supplied into the drift tube 105 from the outside of the ion source 100.
  • the supplied gas collides with the electrons accumulated there, and monovalent ions are generated.
  • the generated monovalent ion is confined in the potential well formed in the drift tube 105.
  • FIG. 3A is a side view of the multi-ion ion generator 150 of the present embodiment viewed from the ion outlet side of the ion source 100 in a plan view.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view of the multi-ion generation device 150 of FIG. 3A when the multi-ion generation device 150 is cut along a surface containing ⁇ - ⁇ rays.
  • the multi-product ion generation device 150 mainly includes a plurality of (four in this case) ion sources 100, and an ion extraction means 120 for extracting the ions generated from each of the ion sources 100. It is assumed that the same number of ion sources 100 as the number of ion species required to be generated are installed. Examples of the ion species to be generated include He, C, O, Ne and the like.
  • the ion extraction means 120 changes the ion flow path (deflector) 122 in which at least one of the plurality of ion sources 100 is connected to the predetermined ion extraction unit 121 and the ion source 100 in which the ion flow path 122 is connected. It is composed of a connected ion source changing means 123.
  • the connected ion source changing means 123 is not particularly limited, but is fixed to one end 122a side of the ion flow path connected to the ion extraction section 121, for example, as shown in FIG. 3, and the ion flow path 122.
  • An example has a rotating shaft 124 for rotating the ion.
  • the distances of the plurality of ion sources 100 from the rotation axis 124 are equal to each other, and the other end 122b of the rotated ion flow path is the passage region of any one of the plurality of ion sources 100. It is assumed that it is arranged so that it can be connected to 104.
  • a magnetically coupled rotary introducer can be used as a manipulator, and a stepping motor can be used for the rotary drive.
  • the time required for switching the ions is within about 1 second required for rotating the ion flow path 122. It is assumed that the ion flow path 122 is designed so that the downstream dispersion function does not change depending on the selected ion source.
  • FIG. 4 (a) and 4 (b) are cross-sectional views of the ion source 100 and the small ECR ion source for heavy ion beam therapy of FIG. 2, respectively. Since the dimension L1 of the ion source 100 in the passing direction of the electron beam EB is about 1/4 of the maximum dimension L2 of the ECR ion source 500, the installation space can be significantly reduced when the ion source 100 is used. it can.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the operation timings of the synchrotron, the injector, and the multi-ion generator 150 of the present invention.
  • the synchrotron is operated in a cycle on the order of 10 seconds, and ions are supplied from the injector during the time width of 100 ⁇ s at the start of the cycle. With this time width of 100 ⁇ s, the small multi-ion generation system supplies ions to the downstream injector.
  • the supply ions can be switched between the end of the supply of a certain ion and the timing of the next supply (10 seconds corresponding to one cycle of the synchrotron). Then, at the timing of the next supply, it becomes possible to supply ions different from the previous cycle.
  • the ion source according to the present embodiment is miniaturized by arranging the electron source 101, the anode electrode 103, the repeater 106, etc. outside the drift tube and making the inside of the drift tube hollow. is there. Therefore, it is possible to install a plurality of ion sources 100 according to the present embodiment in the installation space for one conventional ECR ion source, and it is possible to easily realize a multi-purpose ion generation device 150 having a plurality of ion sources 100. be able to. By driving each of the plurality of ion sources 100, it is possible to simultaneously generate a plurality of different ions. Therefore, according to the multi-ion ion generator of the present embodiment, it is possible to switch the type of ions to be supplied in a shorter time than in the case where a plurality of ions are sequentially generated by one ion source.
  • FIG. 6 is a block diagram of the multi-ion generation device 210 according to the second embodiment of the present invention.
  • the multi-product ion generator 210 includes an ion source 200, an exhaust means 212 connected to the ion source 200 via the first gas flow path 211, and a plurality of second gas flow paths branched from the first gas flow path 211.
  • a gas supply means 214 connected to each of the 213 is provided.
  • Each of the plurality of gas supply means 214 has a function of supplying a source gas of ions different from each other. It is assumed that the ion source 200 is configured in the same manner as the ion source 100 of the first embodiment.
  • the multi-product ion generator 210 is configured to be able to switch the generated ions by quickly performing vacuum exhaust in the gas line and the ion source 200. Specifically, first, when changing the generated ions, the valves V2, V3, V4, and V5 in front of the cylinder are closed, V1 is opened, and the gas line and the vacuum chamber 110 in the ion source 200 are evacuated. .. In order to quickly perform vacuum exhaust, a conduit having a large inner diameter is used as the conduit serving as the first gas flow path 211 and the second gas flow path 213, and the vacuum chamber 110 is maintained in an ultra-high vacuum. After the vacuum exhaust is completed, the valve of the gas cylinder to be used is opened, V1 is closed, and the supply gas is switched.
  • Each of the plurality of second gas flow paths is provided with a mass flow controller that adjusts the gas flow rate.
  • Valves V2, V3, V4, V5 may have the function of this mass flow controller.
  • the ion switching time performed by this valve operation is about the same as the exhaust time constant ⁇ evac determined by the volume of the inter-valve conduit (first gas flow path 211, second gas flow path 213) and the volume of the ion source 200. It becomes.
  • the time constant ⁇ evac is, for example, 1 second when the volume of the ion source 200 is 0.4 L, the inner diameter of the valve-to-valve conduit is 9 mm, and the length is 200 mm.
  • the intake / exhaust performance of the vacuum chamber 110 depends mainly on the conductance C of the first gas flow path 211.
  • the conductance C of the first gas flow path 211 is the volume V of the ion source 200 (volume of the vacuum chamber 110) and the exhaust time of the ion source 200 (vacuum chamber 110). It has the relationship of the following equation (1) with ⁇ t.
  • the conductance C of the first gas flow path 211 is equal to or greater than the ratio V / ( ⁇ t) of the volume V of the ion source 200 and the exhaust time ⁇ t of the ion source 200.
  • the exhaust time ⁇ t in this embodiment is preferably about 1 second or less.
  • FIG. 7A is a diagram showing electron orbitals in a state where the ion source is driven.
  • the magnetic field distribution obtained by numerically analyzing the solenoid is used. With 10 7 particles calculated plots the trajectory of 10 two particles of them.
  • FIG. 7B is a graph showing the r ((x 2 + z 2 ) 1/2 ) direction dependence of the electron beam current density j in the cross section of the ion source. From these results, it can be seen that the ion source of the present invention can form a hollow electron beam.
  • FIG. 9A is a graph showing the ionization cross-sectional areas of various ions generated as an embodiment of the present invention.
  • 9 (b) and 9 (c) are graphs showing simulation results of valence distribution ratios of various generated ions as an example of the present invention.
  • cathode 0V
  • first anode electrode 1.5kV
  • second anode electrode 1.7kV
  • drift tube 1.3kV
  • liberer anode 1.7kV
  • liberer -100V
  • extraction electrode -4 kV.
  • the average electron beam energy in the drift tube obtained under this condition was 660 eV. As shown in FIG. 9A, this energy is sufficient for generation by sequential ionization of He 2+ , C 4+ , C 5+ , Q 6+ , and Ne 7+ .
  • j ⁇ 0.2-2C / cm 2
  • this is a general value in EBIS and can be realized without any problem even with the ion source of the present invention.
  • Injector 170 ... Popular synchrotron, 180 ... Treatment room, 211 ... First gas flow path 212 . Exhaust means, 213 ... Second gas flow path, 214 ... Gas supply means 500 ... ECR ion source, EB ... Hollow electron beam

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Abstract

本発明のイオン源は、電子源（１０１）と、電子源（１０１）からホロー電子ビーム（ＥＢ）を引き出すアノード電極（１０２）およびカソード電極（１０３）と、引き出されたホロー電子ビーム（ＥＢ）の通過領域（１０４）を囲むドリフトチューブ（１０５）と、通過領域（１０４）を通過したホロー電子ビーム（ＥＢ）の進行方向を、電子源（１０１）側に反転させるリペラー（１０６）と、通過領域（１０４）に、原料ガスを供給するガス供給手段と、を備え、電子源（１０１）、アノード電極（１０２）、リペラー（１０６）、ガス供給手段が、いずれもドリフトチューブ（１０５）の外に配置されている。

Description

イオン源と、それを備えた多種イオン生成装置
　本発明は、イオン源と、それを備えた多種イオン生成装置に関する。
　本願は、２０１９年４月３日に、日本に出願された特願２０１９－０７１４０９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　重粒子線がん治療のさらなる治療効果の向上のため、数種類のイオンを用いて治療を行うマルチイオン照射法が提案されている。全国に普及しつつある小型治療装置を備えた重粒子線がん治療施設にて、この方法を展開するためには、４種類のイオン（Ｈｅ、Ｃ、Ｏ、Ｎｅ）の生成と、その切り替えを素早く行える、小型のマルチイオン生成システムが必要となる。
K. Takahashi et al., Proc. of the 15th Annual Meeting of ParticleAccelerator Society of Japan, Nagaoka, Japan, 2018, p.408 E. D. Donets, E. E. Donets, and D. E. Donets, Review of Scientific Instruments, Volume73, Number2, 2002, p.696
　これまでに、１台のＥＣＲイオン源のガス供給系の制御により、イオン種の切り替えを行う方法が試されているが、イオン種の切り替えには数分間の時間を要することが実験により確認されている（非特許文献１）。また、ＥＣＲイオン源と構造が全く異なるＥＢＩＳイオン源が知られているが、従来のＥＢＩＳイオン源は重元素多価イオンの生成を目的として設計されているため、重粒子線治療用小型ＥＣＲイオン源より大きい（非特許文献２）。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、供給するイオン種の切り替えを、短い時間で行えるように小型化したイオン源と、それを備えた多種イオン生成装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
（１）本発明の一態様に係るイオン源は、電子源と、前記電子源からホロー電子ビームを引き出すアノード電極およびカソード電極と、引き出された前記ホロー電子ビームの通過領域を囲むドリフトチューブと、前記通過領域を通過した前記ホロー電子ビームの進行方向を、前記電子源側に反転させるリペラーと、前記通過領域に、原料ガスを供給するガス供給手段と、を備え、前記電子源、前記アノード電極、前記リペラー、前記ガス供給手段が、いずれも前記ドリフトチューブの外に配置されている。
（２）前記（１）に記載のイオン源において、前記アノード電極が、発生する前記ホロー電子ビームの量を調整する第一アノード電極と、前記ドリフトチューブの中心軸方向にイオントラップを形成する第二アノード電極と、を含んでいてもよい。
（３）前記（１）または（２）のいずれかに記載のイオン源において、前記ドリフトチューブの外壁面の周囲に配置された、磁場発生手段をさらに備えていてもよい。
（４）本発明の一態様に係る多種イオン生成装置は、前記（１）～（３）のいずれか一つに記載のイオン源を、複数備えた多種イオン生成装置であって、それぞれの前記イオン源から、生成されたイオンを取り出すイオン取り出し手段をさらに備え、前記イオン取り出し手段が、複数の前記イオン源のうち少なくとも一つを、所定のイオン取り出し部と連結させるイオン流路と、前記イオン流路が連結される前記イオン源を変更する被連結イオン源変更手段と、で構成されている。
（５）前記（４）に記載の多種イオン生成装置において、前記被連結イオン源変更手段が、前記イオン取り出し部と接続される前記イオン流路の一端側に固定され、前記イオン流路を回転させる回転軸を有し、複数の前記イオン源が、前記回転軸からの距離が互いに等しくなるように、かつ回転した前記イオン流路の他端が、複数の前記イオン源のうち、いずれかの前記通過領域と連結できるように配置されていてもよい。
（６）本発明の他の一態様に係る多種イオン生成装置は、前記（１）～（３）のいずれか一つに記載のイオン源と、第一ガス流路を介して前記イオン源と連結された排気手段と、前記第一ガス流路から分岐した、複数の第二ガス流路のそれぞれに連結されたガス供給手段と、を備え、前記第一ガス流路のコンダクタンスＣが、前記イオン源の体積Ｖと前記イオン源の排気時間Δｔとの比Ｖ／（Δｔ）以上である。
（７）前記（６）に記載の多種イオン生成装置において、前記排気時間Δｔが１秒以下であることが好ましい。
（８）前記（６）または（７）のいずれかに記載の多種イオン生成装置において、複数の前記第二ガス流路のそれぞれに、ガス流量を調整するマスフローコントローラーが設けられていてもよい。
　本発明によれば、供給するイオン種の切り替えを、短い時間で行えるように小型化したイオン源と、それを備えた多種イオン生成装置を提供することができる。
本発明の多種イオン生成装置を含む、普及型小型治療装置の構成図である。 本発明の第一、第二実施形態に係るイオン源の断面図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の第一実施形態に係る多種イオン生成装置の側面図、断面図である。 図２のイオン源と、重粒子線治療用小型ＥＣＲイオン源とを比較した図である。 シンクロトロン、入射器、本発明の多種イオン生成装置の動作タイミングの関係を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る多種イオン生成装置の構成図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の実施例として、イオン源内における電子軌道、電子分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の実施例として、イオン源内の蓄積電子数の時間変化のシミュレーション結果を示すグラフである。 （ａ）本発明の実施例として、生成させた各種イオンの電離断面積データテーブルを示すグラフである。（ｂ）、（ｃ）本発明の実施例として、生成させた各種イオンの価数分布比のシミュレーション結果を示すグラフである。
　以下、本発明を適用した実施形態に係るイオン源と、それを備えた多種イオン生成装置について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
＜第一実施形態＞
　図１は、本発明の第一実施形態に係る多種イオン生成装置１５０を含む、普及型小型治療装置の構成図である。普及型小型治療装置は、主に、多種イオン生成装置１５０と、普及型小型入射器１６０と、普及型シンクロトン１７０と、で構成されている。
　多種イオン生成装置１５０は、主に、複数のイオン源１００と、それぞれのイオン源１００から、生成されたイオンを取り出すイオン取り出し手段（装置）１２０と、を備えている。イオン源１００としては、軽イオン生成用の小型電子ビーム型イオン源（ＥＢＩＳ）が用いられる。
　図２は、イオン源１００の断面図である。イオン源１００は、主に、電子源１０１と、電子源１０１からホロー電子ビームＥＢを引き出すアノード電極１０２およびカソード電極１０３と、引き出されたホロー電子ビームＥＢの通過領域１０４を囲むドリフトチューブ１０５と、通過領域１０４を通過したホロー電子ビームＥＢの進行方向を、電子源１０１側に反転させるリペラー１０６と、真空チャンバー１１０と、を備えている。電子源１０１、アノード電極１０２、カソード電極１０３、リペラー１０６は、いずれも、真空チャンバー１１０内において、ドリフトチューブ１０５に囲まれた空間の外に配置されている。ドリフトチューブ１０５に囲まれた空間は、空洞となっている。
　ドリフトチューブ１０５の外には、さらに、電磁石または永久磁石等の磁場発生手段（磁場発生装置）１０７が、ドリフトチューブ１０５の周りを囲むように配置されている。
アノード電極１０２は、発生するホロー電子ビームＥＢの量を調整する第一アノード電極と、ドリフトチューブ１０５の中心軸方向にイオントラップを形成する第二アノード電極と、を含んでいてもよい。
　カソード電極（陰極）１０３上の電子源１０１から、アノード電極（陽極）１０２によって引き出された電子ビームＥＢは、磁場発生手段１０７から発生した磁場の方向に沿って、ドリフトチューブ１０５内を運動する。円環状の電子源１０１、カソード電極１０３、アノード電極１０２を備えた電子銃の設計を適切に行うことにより、ホロー（円環）形状の電子ビームＥＢを形成することができる。このホロー形状の電子ビームＥＢにより、空間電荷効果により生じるドリフトチューブ１０５内の電位低下を抑制し、線状ビームの場合に比べてより多くの電子を蓄えることが可能となる。発生させる電子ビームＥＢの運動エネルギーは、カソード電極１０３とドリフトチューブ１０５との間の電位差を変えることで調整することができる。
　ホロー電子ビームＥＢは、リベラーアノード１０８を過ぎ、電子源１０１と同じ、もしくはそれよりも低い電圧に設定されたリペラー１０６まで辿り着くと、反転されて逆方向への運動を始め、再び電子源１０１の周辺まで辿り着く。この繰り返しにより、ドリフトチューブ１０５内には、イオンを生成する上で、好ましいエネルギーを有する電子が蓄積される。
　蓄積された電子の空間電荷効果により、ドリフトチューブ１０５内の中空部分において、径方向（ｒ方向）に電位分布が形成され、中空部分を貫く中心軸１０５Ｃ上の電位は、ドリフトチューブ１０５の電位に比べて低下する。このｒ方向の電位分布に加えて、アノード電極１０３及びリペラーアノード１０８の電位を、ドリフトチューブ１０５よりも高い電位に設定することで、軸方向（ｓ方向）にも電位分布を与え、イオンの閉じ込めに必要なポテンシャル井戸が形成される。
　イオン化させるガスは、イオン源１００の外部からドリフトチューブ１０５内に供給される。供給されたガスは、そこに蓄積された電子と衝突し、一価イオンが生成される。生成された一価イオンは、ドリフトチューブ１０５内に形成されたポテンシャル井戸に閉じ込められる。閉じ込め時間τが長ければ長いほど、多くの一価イオンが、逐次電離によって多価イオンへと変化する。
　目的の多価イオンを生成する上で、必要な閉じ込め時間τ（２０～２００ｍｓ）を達成するためには、イオン源１００内のドリフトチューブ１０５周辺を、高い真空度に保つ必要がある。そのために、ＮＥＧ（Ｎｏｎ・ｅｖａｐｏｒａｔｅｄ　ｇｅｔｔｅｒ）ポンプを、ドリフトチューブ周囲に配置する。生成された多価イオンは、引き出し電極１０９により、イオン源１０１外に取り出される。
　図３（ａ）は、本実施形態の多種イオン生成装置１５０を、イオン源１００における、イオンの取り出し口側から平面視した側面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の多種イオン生成装置１５０を、α－α線を含む面で切断した際の断面図である。多種イオン生成装置１５０は、主に、複数（ここでは４つ）のイオン源１００と、それぞれのイオン源１００から、生成されたイオンを取り出すイオン取り出し手段１２０と、を備えている。生成が必要なイオン種の数と同数のイオン源１００が、設置されるものとする。生成するイオン種としては、例えば、Ｈｅ、Ｃ、Ｏ、Ｎｅ等が挙げられる。
　イオン取り出し手段１２０は、複数のイオン源１００のうち少なくとも一つを、所定のイオン取り出し部１２１と連結させるイオン流路（偏向器）１２２と、イオン流路１２２が連結されるイオン源１００を変更する被連結イオン源変更手段１２３と、で構成されている。
　被連結イオン源変更手段１２３としては、特に限定されることはないが、例えば図３に示すように、イオン取り出し部１２１と接続されるイオン流路の一端１２２ａ側に固定され、イオン流路１２２を回転させる回転軸１２４を有するものが挙げられる。この場合には、複数のイオン源１００が、回転軸１２４からの距離が互いに等しくなるように、かつ回転したイオン流路の他端１２２ｂが、複数のイオン源１００のうち、いずれかの通過領域１０４と連結できるように配置されているものとする。
　回転軸１２４を真空中で回転駆動させる場合には、マニピュレータとして磁気結合式回転導入器を用い、その回転駆動にはステッピングモーターを用いることができる。イオンの切り替えに必要となる時間は、イオン流路１２２を回転させるのに必要な約１秒以内となる。イオン流路１２２は、選択したイオン源によって、下流の分散関数に変化が生じないように設計されているものとする。
　図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図２のイオン源１００、重粒子線治療用小型ＥＣＲイオン源の断面図である。電子ビームＥＢの通過方向におけるイオン源１００の寸法Ｌ１は、ＥＣＲイオン源５００の最大寸法Ｌ２の１／４程度であるため、イオン源１００を用いる場合には、設置スペースを大幅に削減することができる。
　図５は、シンクロトロン、入射器、本発明の多種イオン生成装置１５０の動作タイミングの関係を示す図である。シンクロトロンでは、１０秒オーダーの周期で運転が行われており、その周期の始まりの時間幅１００μｓの間に、入射器よりイオンが供給される。この時間幅１００μｓで、小型マルチイオン生成システムは、下流の入射器に対してイオンを供給する。あるイオンの供給が終わり、次の供給のタイミングが来るまでの間（シンクロトロンの１周期に相当する１０秒間）に、供給イオンの切り替えを行うことができる。
そして、次の供給のタイミングでは、前の周期とは異なるイオンを供給することが可能となる。
　以上のように、本実施形態に係るイオン源は、電子源１０１、アノード電極１０３、リペラー１０６等をドリフトチューブの外に配置し、ドリフトチューブ内を中空にすることによって、小型化されたものである。したがって、従来のＥＣＲイオン源一つ分の設置スペースに、本実施形態に係るイオン源１００を複数設置することが可能となり、複数のイオン源１００を備えた多種イオン生成装置１５０を容易に実現することができる。複数のイオン源１００をそれぞれ駆動させることにより、異なる複数のイオンの生成を同時に行うことができる。そのため、本実施形態の多種イオン生成装置によれば、供給するイオン種の切り替えを、一つのイオン源で複数のイオンを順番に生成させる場合に比べて、短い時間で行うことが可能となる。
＜第二実施形態＞
　図６は、本発明の第二実施形態に係る多種イオン生成装置２１０の構成図である。多種イオン生成装置２１０は、イオン源２００と、第一ガス流路２１１を介してイオン源２００と連結された排気手段２１２と、第一ガス流路２１１から分岐した、複数の第二ガス流路２１３のそれぞれに連結されたガス供給手段２１４と、を備えている。複数のガス供給手段２１４は、それぞれ、互いに異なるイオンの原料ガスを供給する機能を有する。イオン源２００は、第一実施形態のイオン源１００と同様に構成されているものとする。
　多種イオン生成装置２１０は、ガスラインおよびイオン源２００内の真空排気を素早く行うことにより、生成イオンの切り替えを行えるように構成されている。具体的には、まず、生成イオンの変更の際に、シリンダー前のバルブＶ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５を閉めて、Ｖ１を開け、ガスラインおよびイオン源２００内の真空チャンバ１１０の真空排気を行う。真空排気を素早く行うために、第一ガス流路２１１、第二ガス流路２１３となる導管として、内径の大きいものが用いられ、かつ真空チャンバー１１０は超高真空に保たれるようにする。真空排気が終了した後に、使用するガスシリンダーのバルブを開け、Ｖ１を閉じ、供給ガスの切り替えを行う。
　複数の前記第二ガス流路のそれぞれには、ガス流量を調整するマスフローコントローラーが設けられている。バルブＶ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５が、このマスフローコントローラーの機能を有していてもよい。このバルブ操作で行うイオン切り替えの時間は、バルブ間導管（第一ガス流路２１１、第二ガス流路２１３）の体積と、イオン源２００の体積とによって定まる排気の時定数τｅｖａｃと同程度となる．この時定数τｅｖａｃは、例えば、イオン源２００の体積を０．４Ｌとし、バルブ間導管の内径を９ｍｍとし、その長さを２００ｍｍとしてより見積もると、１秒である。この排気の時定数であれば、イオン源２００の排気を開始して４．７秒後には、残留ガスの量を、排気開始する前の１／１００に減らすことができるので、イオンの切り替えも可能となる。真空チャンバ１１０の吸排気の性能は、主に、第一ガス流路２１１のコンダクタンスＣによって左右される。時定数τevac以下の時間で真空排気を行う場合、第一ガス流路２１１のコンダクタンスＣは、イオン源２００の体積Ｖ（真空チャンバ１１０の容積）、イオン源２００（真空チャンバ１１０）の排気時間Δｔとの間に、下記（１）式の関係を有する。
Ｃ≧Ｖ／（Δｔ）・・・（１）
すなわち、第一ガス流路２１１のコンダクタンスＣは、イオン源２００の体積Ｖとイオン源２００の排気時間Δｔとの比Ｖ／（Δｔ）以上である。本実施形態での排気時間Δｔは、約１秒以下であることが好ましい。
　以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
　本発明の実施例として、イオン源内における電子軌道、電子分布について、3次元PICコードを用いたシミュレーションを行った。図７（ａ）は、イオン源を駆動した状態での電子軌道を示す図である。ソレノイドを数値解析して得た磁場分布を用いている。１０７個の粒子を用いて計算し、そのうちの１０２個の粒子の軌道をプロットしている。図７（ｂ）は、イオン源の断面における、電子ビーム電流密度ｊのｒ（（ｘ２＋ｚ２）１／２）方向依存性を示すグラフである。これらの結果から、本発明のイオン源において、ホロー形状の電子ビームの形成が可能であることが分かる。
　本発明の実施例として、イオン源内の蓄積電子数の時間変化のシミュレーションを行った。図８は、その結果を示すグラフである。イオン源内の蓄積電子数の時間変化より、ドリフトチューブ内の電子数は１．５×１０１１に達することが分かる。この結果は、イオンの価数が最大のＮｅ７＋イオン（ｑ＝７）の場合でも、ドリフトチューブ内に最大でＮ～１０１０個蓄えられることを示している。また、マルチイオン生成システムから、マルチターン入射を行うシンクロトロンまでの輸送効率を１０％とすれば、シンクロトロンにはＮ～１０９個のイオンを供給できることが分かる。
　図９（ａ）は、本発明の実施例として、生成させた各種イオンの電離断面積を示すグラフである。図９（ｂ）、（ｃ）は、本発明の実施例として、生成させた各種イオンの価数分布比のシミュレーション結果を示すグラフである。
　各電極の電位については、陰極：０Ｖ、第一アノード電極：１．５ｋＶ、第二アノード電極：１．７ｋＶ、ドリフトチューブ：１．３ｋＶ，リベラーアノード：１．７ｋＶ，リベラー：－１００Ｖ、引き出し電極：－４ｋＶとした。この条件で得られたドリフトチューブ内の平均の電子ビームエネルギーは、６６０ｅＶであった。このエネルギーは、図９（ａ）に示す通り、Ｈｅ２＋、Ｃ４＋、Ｃ５＋，Ｑ６＋、Ｎｅ７＋の逐次電離による生成に十分である。
　図９（ｂ）は、炭素イオンに関する全生成イオン数ｎｏに対する、各イオンの生成数ｎｑの割合であるｎｑ／ｎ０を、電子ビーム電流密度ｊと閉じ込め時間τの積であるｊτの関数として示したものである。ｊτの値を図中のターゲット領域で調整すると、Ｃ４＋はｎｑ／ｎ０＝０．８３、Ｃ５＋はｎｑ／ｎｏ＝０．６２の値を最大で得ることができる。
　同様に、図９（ｃ）に示す通り、Ｈｅ２＋はｎｑ／ｎ０＝１．０、Ｏ６＋はｎｑ／ｎ０＝１．０（６６０ｅＶではＫ核は電離できず、ｑ＝６に溜まる）、Ｎｅ７＋はｎｑ／ｎ０＝０．４９の値を最大で得ることができる。このターゲット領域のｊτの値（＝０．２－２Ｃ／ｃｍ２）を達成するためには、図７（ｂ）から、ｊ＝１０Ａ／ｃｍ２であるので、閉じ込め時間はτ＝２０－２００ｍｓに設定する必要があるが、これはＥＢＩＳでは一般的な値であり、本発明のイオン源でも問題なく実現することができる。
１００、２００・・・イオン源、１０１・・・電子源、１０２・・・アノード電極
１０３・・・カソード電極、１０４・・・通過領域、１０５・・・ドリフトチューブ
１０５Ｃ・・・中心軸、１０６・・・リペラー、１０７・・・磁場発生手段
１０８・・・リベラーアノード、１０９・・・引き出し電極、
１１０・・・真空チャンバー、１２０・・・イオン取り出し手段
１２１・・・イオン取り出し部、１２２・・・イオン流路
１２２ａ・・・イオン流路の一端、１２２ｂ・・・イオン流路の他端、
１２３・・・被連結イオン源変更手段
１２４・・・回転軸、１５０、２１０・・・多種イオン生成装置、１６０・・・入射器
１７０・・・普及型シンクロトン、１８０・・・治療室、２１１・・・第一ガス流路
２１２・・・排気手段、２１３・・・第二ガス流路、２１４・・・ガス供給手段
５００・・・ＥＣＲイオン源、ＥＢ・・・ホロー電子ビーム

Claims (8)

  1. 　電子源と、
    　前記電子源からホロー電子ビームを引き出すアノード電極およびカソード電極と、
    　引き出された前記ホロー電子ビームの通過領域を囲むドリフトチューブと、
    　前記通過領域を通過した前記ホロー電子ビームの進行方向を、前記電子源側に反転させるリペラーと、
    　前記通過領域に、原料ガスを供給するガス供給手段と、を備え、
    　前記電子源、前記アノード電極、前記リペラー、前記ガス供給手段が、いずれも前記ドリフトチューブの外に配置されていることを特徴とするイオン源。
  2. 　前記アノード電極が、発生する前記ホロー電子ビームの量を調整する第一アノード電極と、前記ドリフトチューブの中心軸方向にイオントラップを形成する第二アノード電極と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
  3. 　前記ドリフトチューブの外壁面の周囲に配置された、磁場発生手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のイオン源。
  4. 　請求項１～３のいずれか一項に記載のイオン源を、複数備えた多種イオン生成装置であって、
    　それぞれの前記イオン源から、生成されたイオンを取り出すイオン取り出し手段をさらに備え、
    　前記イオン取り出し手段が、複数の前記イオン源のうち少なくとも一つを、所定のイオン取り出し部と連結させるイオン流路と、前記イオン流路が連結される前記イオン源を変更する被連結イオン源変更手段と、で構成されていることを特徴とする多種イオン生成装置。
  5. 　前記被連結イオン源変更手段が、前記イオン取り出し部と接続される前記イオン流路の一端側に固定され、前記イオン流路を回転させる回転軸を有し、
    　複数の前記イオン源が、前記回転軸からの距離が互いに等しくなるように、かつ回転した前記イオン流路の他端が、複数の前記イオン源のうち、いずれかの前記通過領域と連結できるように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の多種イオン生成装置。
  6. 　請求項１～３のいずれか一項に記載のイオン源と、
    　第一ガス流路を介して前記イオン源と連結された排気手段と、
    　前記第一ガス流路から分岐した、複数の第二ガス流路のそれぞれに連結されたガス供給手段と、を備え、
    　前記第一ガス流路のコンダクタンスＣが、前記イオン源の体積Ｖと前記イオン源の排気時間Δｔとの比Ｖ／（Δｔ）以上であることを特徴とする多種イオン生成装置。
  7. 　前記排気時間Δｔが１秒以下であることを特徴とする請求項６に記載の多種イオン生成装置。
  8. 　複数の前記第二ガス流路のそれぞれに、ガス流量を調整するマスフローコントローラーが設けられていることを特徴とする請求項６または７のいずれかに記載の多種イオン生成装置。
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