(57)【要約】【課題】イオンビームの出力時に無衝突条件を満たす真空度できるイオンビーム発生装置の制御技術を提供する。【解決手段】イオンビーム発生装置１は、プラズマＰの発生源となるガスＧの分子を電離させてプラズマＰを間欠的に発生させるプラズマ発生室２１と、プラズマ発生室２１で発生させたプラズマＰが導入される主放電室９と、主放電室９に設けられ、間欠的な放電によりプラズマＰを加速させる加速用電極４と、主放電室９にプラズマＰが導入されるタイミングと加速用電極４の放電のタイミングとを同期させる制御部３１とを備える。【選択図】図１
2020091968.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマの発生源となるガスの分子を電離させて前記プラズマを間欠的に発生させるプラズマ発生室と、
前記プラズマ発生室で発生させた前記プラズマが導入される主放電室と、
前記主放電室に設けられ、間欠的な放電により前記プラズマを加速させる加速用電極と、
前記主放電室に前記プラズマが導入されるタイミングと前記加速用電極の放電のタイミングとを同期させる制御部と、
を備えるイオンビーム発生装置。
【請求項２】
時間の経過をカウントする計時部を備え、
前記制御部は、前記計時部がカウントする特定時間の経過に基づいて、前記プラズマが前記主放電室に導入されるタイミングを取得する請求項１に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項３】
前記主放電室の前記プラズマを検出する検出センサを備え、
前記制御部は、前記検出センサによる前記プラズマの検出に基づいて、前記プラズマが前記主放電室に導入されるタイミングを取得する請求項１に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記プラズマ発生室で前記プラズマを発生させるタイミングを前記加速用電極の放電が終了するタイミングに対応付けて設定する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項５】
時間の経過をカウントする計時部を備え、
前記制御部は、前記計時部がカウントする待機時間の経過に基づいて、前記プラズマ発生室で前記プラズマを発生させるタイミングを取得する請求項４に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項６】
前記プラズマ発生室に前記ガスを間欠的に供給するガス供給部を備え、
前記制御部は、前記プラズマ発生室に前記ガスを供給するタイミングを前記加速用電極の放電が終了するタイミングに対応付けて設定する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項７】
時間の経過をカウントする計時部を備え、
前記制御部は、前記計時部がカウントする待機時間の経過に基づいて、前記ガス供給部から前記プラズマ発生室に前記ガスを供給するタイミングを取得する請求項６に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項８】
プラズマ発生室でプラズマの発生源となるガスの分子を電離させて前記プラズマを間欠的に発生させるステップと、
前記プラズマ発生室で発生させた前記プラズマが主放電室に導入されるステップと、
前記主放電室に設けられた加速用電極により間欠的な放電により前記プラズマを加速させるステップと、
前記主放電室に前記プラズマが導入されるタイミングと前記加速用電極の放電のタイミングとを同期させるステップと、
を含むイオンビーム発生装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、イオンビーム発生装置およびイオンビーム発生装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、筒状の外側陰極の軸心に棒状の内側陽極が配置され、内側陽極の基部が絶縁体により外側陰極から絶縁されたプラズマフォーカス装置がある。このようなプラズマフォーカス装置では、内側陽極が絶縁体と接する位置から沿面放電が起こり、プラズマシートが生成される。プラズマシートを通して電流が流れることにより自己磁場が発生するため、この自己磁場と電流によるローレンツ力によってプラズマシートを軸方向に加速し、イオンビームとして放出させる技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０１−１００３８７号公報
【特許文献２】特開昭６２−２９４７７８号公報
【特許文献３】特開昭６３−１２４８７８号公報
【特許文献４】特開平０２−２２３３８５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】K. Masugata, et.al., University of Toyama (材料プロセスに向けたプラズマフォーカス装置の応用)
【非特許文献２】D.L. Willenborg, C.D. Hendricks, Charged Particle Laboratory Report No. 2-76 United States Airforce (Design and Construction of a Dense Plasma Focus)
【非特許文献３】R.P. Drake, Physics of Plasmas, Volume 7, Number 11 (The Design of Laboratory Experiments to Produce Collisionless Shocks of Cosmic Relevance)
【非特許文献４】D. Haberberger, S. Tochitsky, F. Fiuza, C. Gong, R.A. Fonseca, L.O. Silva, W.B. Mori, C. Joshi. Nature Physics Vol.8, January 2012 (Collisionless shocks in Laser-Produced Plasma Generate Monoenergetic High-Energy Protom Beams)
【非特許文献５】星野真弘、天野孝伸、日本物理学会誌、64(6),412,2009（宇宙における衝撃波粒子加速機構の親展開）
【非特許文献６】稲垣領太、佐々木徹、菊池崇志、原田信弘（長岡技術科学大学）（パルスパワー装置を用いた無衝突衝撃波の形成実験）
【非特許文献７】T.Takezaki, et.al., Physics of Plasmas 23,062904(2016)(Accelerated ions from pulsed-power-driven fast plasma flow in perpendicular magnetic field)
【非特許文献８】K.Kondo, et.al., Review of Scientific Instruments 77, 036104(2006)(Compact pulse power device for generation of one-dimensional strong shock waves)
【非特許文献９】Robert G. Jahn, DOVER PUBLICATIONS (Physics of Electric Propulsion)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
プラズマフォーカス装置では、プラズマ中の荷電粒子が有する運動エネルギーを落とさずに加速させるために、荷電粒子の平均自由行程が装置系の大きさより長くなるように、その内部を真空にしてある。特に、荷電粒子間の衝突が殆ど起きない無衝突条件を満たす高真空にする必要がある。
【０００６】
本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、イオンビームの出力時に無衝突条件を満たす真空度できるイオンビーム発生装置の制御技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態に係るイオンビーム発生装置は、プラズマの発生源となるガスの分子を電離させて前記プラズマを間欠的に発生させるプラズマ発生室と、前記プラズマ発生室で発生させた前記プラズマが導入される主放電室と、前記主放電室に設けられ、間欠的な放電により前記プラズマを加速させる加速用電極と、前記主放電室に前記プラズマが導入されるタイミングと前記加速用電極の放電のタイミングとを同期させる制御部と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態により、イオンビームの出力時に無衝突条件を満たす真空度できるイオンビーム発生装置の制御技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態のイオンビーム発生装置を示す斜視断面図。
【図２】第１実施形態のイオンビーム発生装置を示す側断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図。
【図４】予備電離ユニットを示す側断面図。
【図５】第１実施形態のイオンビーム発生装置のシステム構成を示すブロック図。
【図６】主放電室の主放電タイミングを示すタイミングチャート。
【図７】第１実施形態のイオンビーム発生装置の制御方法を示すフローチャート。
【図８】変形例１のイオンビーム発生装置の制御方法を示すフローチャート。
【図９】第２実施形態のイオンビーム発生装置を示す側断面図。
【図１０】第２実施形態のイオンビーム発生装置のシステム構成を示すブロック図。
【図１１】第２実施形態のイオンビーム発生装置の制御方法を示すフローチャート。
【図１２】変形例２のイオンビーム発生装置の制御方法を示すフローチャート。
【図１３】変形例３の予備電離ユニットを示す側断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。まず、イオンビーム発生装置およびその産業上の利用可能性について説明する。なお、イオンビーム発生装置は、プラズマ状態のイオンを加速して出力する。この加速されて出力されるプラズマをイオンビームと称して以下に説明する。
【００１１】
イオンビーム発生装置は、炭素イオンなどで構成されるイオンビームを患者の患部（がん）に照射して治療を行う粒子線治療装置、または、ホウ素を含む薬剤が投与された患者に対して、イオンビームを介して発生させた中性子を照射することで治療を行うホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Boron Neutron Capture Therapy）などのイオンビームを利用した治療装置のイオン源として用いられる。
【００１２】
また、イオンビーム発生装置は、Ｘ線源、中性子源、核融合の高密度プラズマ、または、材料プロセスなどの幅広い範囲で用いられている。特に、イオンビーム発生装置の一種として、プラズマ物理学の分野における多様な用途に用いられるアークジェットがある。このアークジェットは、宇宙用電気推進（ＭＰＤスラスタ、直流アークジェット）、プラズマ化学反応用熱源としての直流アークジェット（プラズマトーチ）、核融合用プラズマガンなどの幅広い範囲で用いられている。
【００１３】
また、イオンビームを利用する治療装置では、イオン源から引き出されたイオンを、線形加速器を用いて静電場で加速させる。そして、シンクロトロン（円形加速器）で周回加速させて所定の設定エネルギーまで高められたイオンビームを治療に用いる。
【００１４】
また、イオン源から引き出された低エネルギーのイオンを電場で加速する線形加速器として、荷電粒子特有の空間電荷効果による発散を抑制しつつ、高エネルギーのイオンビームを出力できる高周波四重極線形加速器が広く利用されている。
【００１５】
従来の加速器施設では、イオン源および線形加速器の両方の装置を備える。そのため、施設全体が大型化するとともに複雑化している。ここで、線形加速器を必要せずにイオン源単体で高エネルギーのイオンビームを供給可能となれば、施設の構成を簡易かつコンパクトにすることが可能となる。また、大電流かつ高エネルギーのイオンビームを出力できれば、そのイオンビームをＢＮＣＴなどの治療装置に直接利用することも可能となる。
【００１６】
また、イオンビーム発生装置による無衝突衝撃波を用いた加速は、宇宙空間における探査機などの加速手段として広く受け入れられるようになっている。宇宙探査機などの加速に用いる場合は、地上で人類が現在利用している加速器よりも加速エネルギーを遥かに高くする必要がある。そのため、加速器中性子源などのイオン加速器を用いたものが主流となる可能性がある。
【００１７】
イオンビーム発生装置は、電極を用いた沿面放電でプラズマが生成されるため、超高真空である宇宙空間における加速方法として用いることができる。しかし、制御方法が適切でなければ放出される衝撃波が広がってしまい、推力が減衰されてしまう。そのため、電極の断面は、一対のテーパー状となるように構成される。さらに、電極の出口側の端部には誘導管が設けられる。
【００１８】
テーパー状の電極の先端部に到達するプラズマは、３０ｋｍ／ｓ程度の速度に達する。そして、ピンチ効果により軸方向の運動エネルギーが熱エネルギーに変換される。さらに、真空条件では、プラズマを構成するイオンと中性子のとの間の平均自由行程が誘導管の長さよりも大きくなるため、テーパー状の電極で形成された衝撃波が無衝突条件を維持しつつ、誘導管の先端まで伝播される。なお、誘導管の伝播方向に対して垂直方向に外部磁場を印加することで、この磁場と無衝突衝撃波との相互作用によって、プラズマがより加速される。さらに、無衝突衝撃波では、波動粒子の相互作用によって、高エネルギー粒子の生成が期待される。
【００１９】
第１実施形態のイオンビーム発生装置について図１から図７を用いて説明する。図１の符号１は、本実施形態のイオンビーム発生装置である。以下に説明するイオンビーム発生装置１は、所謂プラズマフォーカス装置であり、線形加速器を用いること無く、大電流かつ高エネルギーのイオンビーム（荷電粒子ビーム）を出力できる。
【００２０】
図１および図２に示すように、本実施形態のイオンビーム発生装置１は、プラズマＰを発生させる複数の予備電離ユニット２と、予備電離ユニット２で発生させたプラズマＰを加速する主放電ユニット３とを備える。
【００２１】
以下、図１および図２の紙面左側をイオンビーム発生装置１の基端側（後方側、上流側）とし、紙面右側をイオンビーム発生装置１の先端側（前方側、下流側）として説明する。プラズマＰ（荷電粒子）は、イオンビーム発生装置１の基端側から先端側に向かって進行する。そして、プラズマＰがイオンビームとして外部に出力される。
【００２２】
主放電ユニット３は、プラズマＰを加速する加速用電極４を備える。この加速用電極４は、基端側が閉塞されるとともに先端側が開放された筒状のカソードとしての外側陰極５と、この外側陰極５の軸心に配置された棒状のアノードとしての内側陽極６とから成る。つまり、加速用電極４は、外側陰極５と内側陽極６とが同心に配置された同心電極である。
【００２３】
さらに、主放電ユニット３は、外側陰極５の基端側を閉塞する隔壁部７と、外側陰極５の先端側に設けられた筒状の誘導管８とを備える。なお、外側陰極５と隔壁部７で囲まれた内部空間が、主放電室９となっている。
【００２４】
主放電室９および誘導管８の内部空間は、真空にされる。なお、イオンビーム発生装置１を真空チェンバの内部に配置することで、主放電室９および誘導管８の内部空間を真空にしても良い。つまり、イオンビーム発生装置１は、主放電室９および誘導管８の内部空間を真空にするための真空ポンプなどの装置を備えても良い。
【００２５】
加速用電極４を構成する外側陰極５および内側陽極６は、電力線１１，１２を介して加速用電源１０に接続される。なお、外側陰極５は、電力線１１を介して加速用電源１０の負極に接続される。また、内側陽極６は、電力線１２を介して加速用電源１０の正極に接続される。
【００２６】
本実施形態では、加速用電源１０から加速用電極４に電力を供給し、主放電を発生させるときの電圧波形がパルス状の電圧波形となっている（図６参照）。つまり、加速用電極４は、オンとオフを繰り返す間欠的な電力供給を行う。この電力供給により間欠的な主放電が生じ、プラズマＰが加速される。
【００２７】
外側陰極５は、中空円筒形状を成す電極である。この外側陰極５は、基端側から延びる円筒形状を成す部分と、この円筒形状を成す部分の先端側に設けられ、先端側にゆくに従って窄まる形状を成す部分とを有する。また、外側陰極５の内周面の形状も、円筒形状を成す部分と、その先端側の窄まる形状を成す部分とを有する。
【００２８】
外側陰極５は、内側陽極６を中心として、その周囲に配置される。そして、外側陰極５の内部の主放電室９は、進行するプラズマＰを内側陽極６の円錐形状の先端に案内するために、途中から狭まるように形成される。
【００２９】
なお、外側陰極５の窄まった先端部分の中央の円形の開口に、この開口とほぼ同じ内径を有する円筒形状を成す誘導管８が接続される。
【００３０】
内側陽極６は、円柱形状を成す電極である。この内側陽極６は、基端側から延びる円柱形状を成す部分と、この円柱形状を成す部分の先端側に設けられ、先端側にゆくに従って窄まる円錐形状を成す部分とを有する。
【００３１】
図２および図３に示すように、外側陰極５の基端側を閉塞する隔壁部７は、円盤状の部材である。この隔壁部７は、絶縁体で形成される。例えば、ＮＣナイロン、テフロン（登録商標）、デルリン（登録商標）などの合成樹脂系の絶縁材料を用いて隔壁部７が形成される。また、窒化ホウ素などのセラミック材料を用いて隔壁部７を形成しても良い。
【００３２】
隔壁部７の中央部には、内側陽極６が設けられる中央孔１３が開口されている。また、隔壁部７には、中央孔１３の周囲に複数の導入孔１４が開口されている。これらの導入孔１４は、内側陽極６の周方向に沿って均等に並んで配置される。本実施形態では、４つの導入孔１４が設けられている。
【００３３】
これらの導入孔１４には、それぞれに対応する予備電離ユニット２が接続される。本実施形態では、４つの導入孔１４のそれぞれに対応する４つの予備電離ユニット２が設けられる。なお、予備電離ユニット２で発生したプラズマＰは、導入孔１４を介して主放電室９に導入される。つまり、プラズマＰが外側陰極５の基端側に導入される。
【００３４】
そして、加速用電源１０により外側陰極５と内側陽極６との間に電圧を印加することで、予備電離ユニット２から外側陰極５の基端側に導入されたプラズマＰが、この外側陰極５の先端側に向かって軸方向に加速される。このようにすれば、プラズマＰを安定的に加速させることができる。
【００３５】
図１および図２に示すように、外側陰極５と内側陽極６に印加された電圧により、プラズマＰを通して放射状の電流Ｃが流れる。そのため、主放電室９において、内側陽極６の周方向に自己磁場Ｍ１が発生する。ここで、放射状の電流Ｃと周方向に自己磁場Ｍ１とは、互いに垂直に交わる。
【００３６】
自己磁場Ｍ１とプラズマＰを通して流れる電流Ｃとで生じるローレンツ力により、プラズマＰが加速用電極４の軸方向に加速移動される。なお、この自己磁場Ｍ１による加速は、磁気ピストンと呼ばれる。
【００３７】
なお、プラズマＰが加速移動されるときに、このプラズマＰの前方に圧縮ガスの薄い層である衝撃波前面Ｗが形成される。この衝撃波前面Ｗは、磁気ピストンに先行し、主放電室９の空間内に存在するガスを掃引して電離させる。
【００３８】
そして、内側陽極６の先端の円錐部まで到達されたプラズマＰは、内側陽極６が途切れた部分で、ローレンツ力（Ｊ×Ｂ）により径方向に圧縮（ピンチ）される。つまり、内側陽極６の先端を過ぎると、内側陽極６から先端方向に向けて電流が流れることで、自己磁場Ｍ１によりプラズマＰが圧縮される。このとき、プラズマＰは、高温かつ高密度となり、圧縮された効果により軸方向の運動エネルギーは熱エネルギーに変換される。
【００３９】
そして、圧縮されたプラズマＰは、高いエネルギー状態で誘導管８の内部に伝搬される。なお、誘導管８の内部は、主放電室９よりも圧力が低いので、この圧力差によりプラズマＰが誘導管８の内部に伝搬される。
【００４０】
イオンビーム発生装置１は、誘導管８の内部を通過するプラズマＰの進行方向に対して垂直な磁場Ｍ２を印加する垂直磁場発生部１５を備える。この垂直磁場発生部１５は、誘導管８を径方向に挟むように設けられ、プラズマＰの進行方向に対して垂直な磁場Ｍ２を発生させる。
【００４１】
主放電室９から誘導管８の内部に伝搬されたプラズマＰは、誘導管８に加えられた垂直磁場Ｍ２を通過する。このとき、垂直磁場Ｍ２によって電場が誘導されて、プラズマＰがさらに加速される。
【００４２】
本実施形態では、主放電室９および誘導管８の内部空間を１Ｐａ以下の真空状態に保持する。さらに、誘導管８の長さを、イオンおよび電子の平均自由行程よりも短くなるように設定している。このようにすれば、誘導管８の内部を伝播するプラズマＰが、無衝突条件を満たすようになる。そして、プラズマＰは、その高エネルギー状態が維持されつつ、誘導管８から出力される。
【００４３】
このように、プラズマＰを主放電室９において加速し、かつ圧縮する。さらに、誘導管８においてプラズマＰを外部磁場との相互作用により無衝突状態で加速することにより、大電流かつ高エネルギーのイオンビームが出力される。
【００４４】
次に、予備電離ユニット２について詳述する。本実施形態のイオンビーム発生装置１が備える複数の予備電離ユニット２は、同一構成であるので、１つの予備電離ユニット２のみを用いて説明する。
【００４５】
図４に示すように、予備電離ユニット２は、高周波の予備電離放電によりガスＧの分子を電離させてプラズマＰを発生させる電離用電極１６と、電離用電極１６の両電極１７，１８間に電圧が印加されたときにプラズマＰが発生される予備電離部１９と、予備電離部１９と主放電室９とを繋ぐプラズマ流通管２０とを備える。なお、予備電離部１９の内部空間が、プラズマ発生室２１となっている。本実施形態の予備電離ユニット２では、バリアー放電によりプラズマＰを発生させる。
【００４６】
さらに、予備電離ユニット２は、プラズマ発生室２１にガスＧを供給するガス供給部２６を備える。このガス供給部２６は、予備電離部１９の上流側に接続されている。なお、ガス供給部２６は、プラズマ発生室２１に対するガスＧの供給を制御するバルブを備える。
【００４７】
予備電離部１９は、石英ガラスなどの誘電体で形成される管である。この予備電離部１９には、ガス供給部２６からプラズマＰの発生源となる電離用のガスＧが供給される。なお、電離用のガスＧは、利用されるイオンビームの種類によって適宜選択される。例えば、水素、キセノン、アルゴンなどのガスが用いられる。プラズマ発生室２１は、電離用のガスＧで満たされる。
【００４８】
予備電離部１９の内部には、電離用電極１６の棒状の電極１７が配置される。予備電離部１９の外周には、電離用電極１６の円環状の電極１８が配置される。つまり、予備電離部１９は、電離用電極１６の一方の電極１７と他方の電極１８とを隔てる誘電体である。予備電離部１９の内部の電極１７は、ガスＧに曝される。一方、予備電離部１９の外周の電極１８は、ガスＧに曝されることがない。
【００４９】
なお、予備電離部１９の内部の棒状の電極１７を誘電体の部材で覆っても良い。つまり、電離用電極１６の両電極１７，１８がガスＧに曝されないようにしても良い。また、予備電離部１９の内部の棒状の電極１７を誘電体の部材で覆い、円環状の電極１８を予備電離部１９の内周に配置しても良い。
【００５０】
電離用電極１６の両電極１７，１８は、電力線２２，２３を介して電離用電源２４に接続される。なお、予備電離部１９の外周の電極１８は、接地２５を介して電離用電源２４に接続される。電離用電源２４は、高周波電流を発生させる。例えば、１３ｋＨｚの周波数の電流を発生させる。この高周波は、１０ｋＨｚから３００ｋＨｚまでの周波数であれば良い。
【００５１】
電離用電極１６に高周波の交流電流が供給されると、予備電離部１９でガスＧの分子が電離し、プラズマＰが発生する。予備電離部１９の内部は、ガスＧで満たされているので、その密度が主放電室９よりも高くなっている。そのため、ガスＧが電離したときに、この電離された分子または電子が他の分子に衝突し易くなる。この衝突された他の分子も電離されるので、さらにプラズマＰが発生する。このように、プラズマＰを安定的に発生させることができる。
【００５２】
主放電室９の内部体積よりも小さい内部体積を有するプラズマ発生室２１において、予備電離部１９の内部のガスＧを電離させるだけで良いので、電離用電極１６の小型化を図ることができる。さらに、電離用電極１６の両電極１７，１８に印加される電力が低電圧でもプラズマＰを発生させることができる。なお、イオンビーム発生装置１の全体構成を小型化できるので、初期コストを低減させることができる。
【００５３】
本実施形態では、電離用電源２４から電離用電極１６に電力を供給し、高周波の予備電離放電を発生させる。なお、電離用電源２４は、オンとオフを繰り返す間欠的な電力供給を行う。この電力供給により間欠的な予備電離放電が生じ、プラズマＰが間欠的に発生する。そして、プラズマ発生室２１で発生したプラズマＰがプラズマ流通管２０を介して主放電室９に導入される。
【００５４】
プラズマ流通管２０は、合成樹脂系の絶縁材料またはセラミック材料などの絶縁体で形成された管である。このプラズマ流通管２０の上流側の端部が予備電離部１９に接続される。さらに、プラズマ流通管２０の下流側の端部が導入孔１４に接続される。また、予備電離部１９の内径よりもプラズマ流通管２０の内径が小さくなっている。なお、予備電離部１９の内径よりもプラズマ流通管２０の内径が大きくても良いし、予備電離部１９の内径とプラズマ流通管２０の内径が同一であっても良い。
【００５５】
また、予備電離部１９で発生したプラズマＰに基づいて、プラズマ流通管２０にて、さらにプラズマＰが発生する。つまり、プラズマ流通管２０にて、プラズマＰが進展される。そして、進展されたプラズマＰがプラズマ流通管２０から主放電室９に導入される。このようにすれば、プラズマ流通管２０でプラズマＰが進展されるので、プラズマＰの生成量を安定させることができる。
【００５６】
なお、隔壁部７は、主放電室９の基端側を閉鎖する部材である。導入孔１４は、プラズマ発生室２１から主放電室９にプラズマＰを導入させる開口である。導入孔１４の開口寸法は、主放電室９の内径寸法よりも小さいので、主放電室９が真空状態であっても、プラズマ発生室２１の内圧が下がり難くなっている。このようにすれば、プラズマ発生室２１のガスＧの密度を高めつつ、主放電室９の真空度を高めることができる。
【００５７】
なお、予めプラズマ流通管２０の長さと導入孔１４の径を調整することで、プラズマ発生室２１と主放電室９との圧力差を調整することができる。
【００５８】
主放電室９は、真空であるので、ガスＧの密度がプラズマ発生室２１よりも低くなっている。つまり、プラズマＰが有するエネルギーを落とさずに加速させることができる。これに対してプラズマ発生室２１は、電離用のガスＧで満たされるので、プラズマＰを安定的に発生させることができる。
【００５９】
また、主放電ユニット３では、プラズマＰを生成しなくても済むので、加速用電極４に加える電圧が、従来よりも低い電圧で済むようになる。さらに、主放電室９の基端側をプラズマＰで満たすことができるので、この基端側において、外側陰極５と内側陽極６との間を流れる電流Ｃを安定させることができる。さらに、この基端側においても、充分な強さのローレンツ力を発生させることができるので、プラズマＰの加速効率が向上される。
【００６０】
次に、イオンビーム発生装置１のシステム構成を図５に示すブロック図を参照して説明する。
【００６１】
イオンビーム発生装置１は、イオンビームの出力を制御する制御ユニット３０を備える。この制御ユニット３０により加速用電源１０と電離用電源２４と垂直磁場発生部１５とガス供給部２６とが制御される。
【００６２】
制御ユニット３０は、制御部３１と設定記憶部３２と計時部３３とを備える。これらは、メモリまたはＨＤＤに記憶されたプログラムがＣＰＵによって実行されることで実現される。
【００６３】
制御部３１は、イオンビームの出力を制御する。設定記憶部３２は、イオンビームの出力に必要な各種設定情報を記憶する。計時部３３は、時間の経過をカウントする。
【００６４】
本実施形態の制御ユニット３０は、プロセッサおよびメモリなどのハードウェア資源を有し、ＣＰＵが各種プログラムを実行することで、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。さらに、本実施形態のイオンビーム発生装置１の制御方法は、プログラムをコンピュータに実行させることで実現される。
【００６５】
制御ユニット３０の制御部３１は、イオンビームを出力するときに、主放電室９にプラズマＰが導入されるタイミングと加速用電極４の主放電のタイミングとを同期させる制御を行う。
【００６６】
電離用電極１６が間欠的に予備電離放電を行うことで、プラズマ発生室２１でプラズマＰが間欠的に発生する。このプラズマＰは、プラズマ流通管２０を介して主放電室９に間欠的に導入される。そして、この間欠的に導入されるプラズマＰに合わせて、主放電室９で加速用電極４が間欠的に主放電を行うようにする。
【００６７】
例えば、イオンビーム発生装置１の設計時に、プラズマＰの進行速度に基づいてプラズマ流通管２０の長さを調整することで、所定のタイミングでプラズマＰが主放電室９に導入されるように調整することができる。
【００６８】
図２に示すように、主放電室９において隔壁部７の近傍位置をトリガ位置Ｑとして設定する。なお、隔壁部７の内面と一致する位置をトリガ位置Ｑとして設定しても良い。そして、プラズマ流通管２０の長さを調整することで、プラズマ発生室２１から主放電室９のトリガ位置Ｑまでの距離Ｌが設定される。
【００６９】
ここで、プラズマＰの進行速度が一定であると仮定すると、プラズマ発生室２１で発生したプラズマＰがプラズマ流通管２０を通ってトリガ位置Ｑに到達されるまでの特定時間Ｔｄ（図６参照）は、プラズマＰの進行速度に基づいて予め取得可能である。例えば、距離ＬをプラズマＰの進行速度Ｖで割った値（距離Ｌ／進行速度Ｖ）が、プラズマＰがプラズマ発生室２１から主放電室９に到達するまでの特定時間Ｔｄとなる。なお、イオンビーム発生装置１を事前にテスト運用することで、プラズマ発生室２１から主放電室９までの特定時間Ｔｄを取得しても良い。
【００７０】
第１実施形態では、先のプラズマＰが主放電室９に導入されると、加速用電極４が主放電を開始し、所定の主放電時間Ｔｅ（図６参照）に亘って主放電を継続する。そして、主放電の終了後、次のプラズマＰを発生させる前に、所定の待機時間Ｔｓ（図６参照）が設けられる。
【００７１】
なお、待機時間Ｔｓは、プラズマ発生室２１で次のプラズマＰを発生させる前、または主放電室９で次の主放電を開始する前までに、主放電室９に残ったプラズマＰが一掃され、主放電室９が無衝突条件に必要な真空度に復帰されるまでの時間を設定する。この設定情報は、設定記憶部３２に記憶される。
【００７２】
図６のタイミングチャートは、プラズマＰの特定時間Ｔｄと、主放電室９の主放電時間Ｔｅと、待機時間Ｔｓとの関係を示す。このタイミングチャートでは、プラズマ発生室２１からプラズマＰが出力されるタイミングをＴ１とし、主放電室９のトリガ位置ＱにプラズマＰが到達して主放電が開始されるタイミングをＴ２とし、主放電が終了するタイミングをＴ３としている。特定時間Ｔｄは、Ｔ１からＴ２までの時間であり、主放電時間Ｔｅは、Ｔ２からＴ３までの時間であり、待機時間Ｔｓは、Ｔ３から次のＴ１までの時間である。
【００７３】
なお、制御部３１は、計時部３３がカウントする時間に基づいて、各タイミングで所定の制御を行う。また、設定記憶部３２には、特定時間Ｔｄと主放電時間Ｔｅと待機時間Ｔｓとが予め設定され、これらの設定に基づいて、制御部３１が各タイミングを取得する。
【００７４】
本実施形態では、理解を助けるために、プラズマ発生室２１で電離用電極１６が予備電離放電を開始するタイミングをＴ１とする。そして、予備電離放電の開始と同時に生成されたプラズマＰがプラズマ発生室２１から出力されるものとする。なお、予め主放電が開始されるタイミングＴ２を設定し、このタイミングＴ２から逆算して予備電離放電の開始タイミングＴ１を設定しても良い。
【００７５】
また、電離用電極１６による予備電離放電の開始タイミングと、実際にプラズマＰが生成されるタイミングまたはプラズマ発生室２１からプラズマＰが出力されるタイミングとの間に、タイムラグがある場合は、Ｔ１が予備電離放電の開始タイミングと一致してなくても良い。つまり、Ｔ１は、プラズマ発生室２１からプラズマＰが出力されるタイミングであれば良い。
【００７６】
Ｔ１で開始された予備電離放電は、プラズマＰの特定時間Ｔｄの経過時のＴ２で終了する。このＴ２のタイミングにおいて、主放電室９にて加速用電極４が主放電を開始する。そして、主放電は、主放電時間Ｔｅの経過時のＴ３で終了する。つまり、加速用電極４のオンのタイミングがＴ２と一致し、オフのタイミングがＴ３と一致している。なお、主放電時間Ｔｅの経過期間中に、プラズマ発生室２１で生成されたプラズマＰは全て主放電室９に導入され、イオンビームとして出力される。
【００７７】
また、主放電の終了タイミングのＴ３から待機時間Ｔｓが開始される。そして、この待機時間Ｔｓの経過時の次のＴ１で予備電離放電が再び開始される。なお、第１実施形態では、常時、ガスＧがガス供給部２６からプラズマ発生室２１に供給される。つまり、ガスＧは、電離用電極１６の間欠的な予備電離放電とは無関係に継続的に供給される。
【００７８】
第１実施形態の制御部３１は、計時部３３がカウントする特定時間Ｔｄの経過に基づいて、プラズマＰが主放電室９に導入されるタイミングＴ２を取得する。このようにすれば、特定時間Ｔｄの経過に基づいて主放電室９に導入されるタイミングＴ２を取得する処理が行えるため、制御部３１の処理を簡素化することができる。
【００７９】
また、制御部３１は、プラズマ発生室２１でプラズマＰを発生させるタイミングＴ１を加速用電極４の主放電が終了するタイミングＴ３に対応付けて設定する。本実施形態では、Ｔ３の後に、さらに待機時間Ｔｓが経過した後に、プラズマ発生室２１でプラズマＰを発生させる。つまり、先のプラズマＰを加速するための主放電の実行中に、次のプラズマＰをプラズマ発生室２１で発生させないようにしている。このようにすれば、加速用電極４より先のプラズマＰを加速する主放電が終了し、主放電室９の真空条件が復帰した後に、次のプラズマＰをプラズマ発生室２１で発生させることができる。
【００８０】
制御部３１は、計時部３３がカウントする待機時間Ｔｓの経過に基づいて、プラズマ発生室２１でプラズマＰを発生させるタイミングを取得する。このようにすれば、加速用電極４より先のプラズマＰを加速する主放電が終了し、真空条件が成立する待機時間Ｔｓが経過した後に、次のプラズマＰをプラズマ発生室２１で発生させることができる。そのため、イオンビームの出力時に無衝突条件を満たす真空度できる。
【００８１】
次に、第１実施形態のイオンビーム発生装置１が実行する制御方法について図７のフローチャートを用いて説明する。このイオンビーム発生装置１の動作によって受動的に生じる作用を含めて説明する。なお、図１から図６を適宜参照する。また、この処理は、一定時間毎に繰り返される処理である。この処理が繰り返されることで、プラズマ発生室２１でプラズマＰが間欠的に発生する。さらに、加速用電極４により主放電が間欠的に行われる。
【００８２】
図７に示すように、まず、ステップＳ１１において、制御部３１は、ガス供給部２６を制御し、このガス供給部２６からプラズマ発生室２１に電離用のガスＧを供給する。このガスＧの供給は常時行われる。そして、プラズマ発生室２１がガスＧで満たされる。
【００８３】
次のステップＳ１２において、制御部３１は、計時部３３による待機時間Ｔｓのカウントに基づいて、予備電離放電の開始タイミングＴ１であるか否かを判定する。ここで、予備電離放電の開始タイミングＴ１でない場合（ステップＳ１２がＮＯ）は、処理を終了する。一方、予備電離放電の開始タイミングＴ１である場合（ステップＳ１２がＹＥＳ）は、ステップＳ１３に進む。
【００８４】
次のステップＳ１３において、制御部３１は、電離用電源２４を制御し、この電離用電源２４から電離用電極１６に電力を供給する。ここで、供給される電力は高周波の交流であり、この電流が電離用電極１６に供給されることで、電離用電極１６で予備電離放電が生じる。この予備電離放電により、ガスＧの分子が電離されてプラズマ発生室２１でプラズマＰが発生する。
【００８５】
次のステップＳ１４において、プラズマ発生室２１で発生したプラズマＰがプラズマ流通管２０を通って隔壁部７の導入孔１４から主放電室９に導入される。
【００８６】
次のステップＳ１５において、制御部３１は、計時部３３による特定時間Ｔｄのカウントに基づいて、プラズマＰが主放電室９に導入されたか否か、つまり、主放電の開始タイミングＴ２であるか否かを判定する。ここで、主放電の開始タイミングＴ２でない場合（ステップＳ１５がＮＯ）は、前述のステップＳ１３に戻る。一方、主放電の開始タイミングＴ２である場合（ステップＳ１５がＹＥＳ）は、ステップＳ１６に進む。
【００８７】
次のステップＳ１６において、制御部３１は、電離用電源２４を制御し、電離用電極１６に対する電力の供給を停止し、プラズマ発生室２１の予備電離放電を終了する。
【００８８】
次のステップＳ１７において、制御部３１は、加速用電源１０を制御し、加速用電極４に電力を供給し、主放電室９で主放電を発生させる。この主放電によりプラズマＰが加速される。
【００８９】
より詳しくは、外側陰極５と内側陽極６に印加された電圧により、プラズマＰを通して放射状の電流Ｃが流れる。そして、自己磁場Ｍ１とプラズマＰを通して流れる電流Ｃとで生じるローレンツ力により、プラズマＰが加速用電極４の軸方向に加速移動される。そして、内側陽極６の先端の円錐部まで到達されたプラズマＰは、ローレンツ力により径方向に圧縮される。また、プラズマＰが誘導管８の内部に伝搬され、誘導管８に加えられた磁場Ｍ２との相互作用によりプラズマＰがさらに加速される。そして、高エネルギー状態のイオンビームが誘導管８から出力される。
【００９０】
次のステップＳ１８において、制御部３１は、計時部３３による主放電時間Ｔｅのカウントに基づいて、主放電の終了タイミングＴ３であるか否かを判定する。ここで、主放電の終了タイミングＴ３でない場合（ステップＳ１８がＮＯ）は、前述のステップＳ１６に戻る。一方、主放電の終了タイミングＴ３である場合（ステップＳ１８がＹＥＳ）は、ステップＳ１９に進む。
【００９１】
次のステップＳ１９において、制御部３１は、加速用電源１０を制御し、加速用電極４に対する電力の供給を停止し、主放電室９の主放電を終了する。
【００９２】
次のステップＳ２０において、制御部３１は、待機時間Ｔｓのカウント処理を実行する。この待機時間Ｔｓが設けられることで、主放電室９に残ったプラズマＰが一掃される時間を確保することができる。
【００９３】
次のステップＳ２１において、制御部３１は、計時部３３による待機時間Ｔｓのカウントに基づいて、待機時間Ｔｓが経過したか否かを判定する。ここで、待機時間Ｔｓが経過していない場合（ステップＳ２１がＮＯ）は、前述のステップＳ２０に戻る。一方、待機時間Ｔｓが経過した場合（ステップＳ２１がＹＥＳ）は、処理を終了する。
【００９４】
第１実施形態では、制御部３１が計時部３３による時間のカウントに基づいて、イオンビームの出力に関する制御を行うことができる。また、主放電室９の主放電が終了したタイミングから、適切な待機時間Ｔｓを保留することで、主放電室９から下流側の誘導管８にプラズマＰが流れる真空条件に戻すことができる。そのため、主放電の度に主放電室９および誘導管８の無衝突条件を保つことができる。
【００９５】
次に、変形例１のイオンビーム発生装置１の制御方法について図８のフローチャートを用いて説明する。このイオンビーム発生装置１の動作によって受動的に生じる作用を含めて説明する。なお、図１から図６を適宜参照する。また、この処理は、一定時間毎に繰り返される処理である。この処理が繰り返されることで、プラズマ発生室２１でプラズマＰが間欠的に発生する。さらに、加速用電極４により主放電が間欠的に行われる。
【００９６】
なお、変形例１のイオンビーム発生装置１の制御方法では、前述の第１実施形態とは異なり、ガス供給部２６からプラズマ発生室２１に電離用のガスＧを常時供給しないようにする。この変形例１のイオンビーム発生装置１の制御方法では、ガス供給部２６がプラズマ発生室２１に電離用のガスＧを間欠的に供給する。
【００９７】
この変形例１では、理解を助けるために、ガスＧが供給されるタイミングが予備電離放電の開始タイミングＴ１と一致させている。なお、ガス供給部２６からガスＧの供給を開始して、プラズマ発生室２１がガスＧで満たされるまでに、タイムラグがある場合は、ガスＧが供給されるタイミングと予備電離放電の開始タイミングＴ１とが一致してなくても良い。つまり、予備電離放電の開始タイミングＴ１以前に、ガスＧが供給されるタイミングを設けても良い。
【００９８】
変形例１の制御部３１は、プラズマ発生室２１に電離用のガスＧを供給するタイミングを加速用電極４の放電が終了するタイミングに対応付けて設定する。このようにすれば、加速用電極４より先のプラズマＰを加速する主放電が終了し、主放電室９の真空条件が復帰するまでの間に、不要なガスＧが主放電室９に流入されないようにできるため、イオンビームの出力時に無衝突条件を満たす真空度できる。なお、ガスＧを供給するタイミングを示す設定情報は、設定記憶部３２に記憶される。
【００９９】
また、制御部３１は、計時部３３がカウントする待機時間Ｔｓの経過に基づいて、ガス供給部２６からプラズマ発生室２１にガスＧを供給するタイミングを取得する。このようにすれば、加速用電極４より先のプラズマＰを加速する主放電が終了し、真空条件が成立する待機時間Ｔｓが経過した後に、プラズマ発生室２１に次のプラズマＰを発生させるためのガスＧを供給することができる。
【０１００】
図８に示すように、まず、ステップＳ１２において、制御部３１は、計時部３３による待機時間Ｔｓのカウントに基づいて、予備電離放電の開始タイミングＴ１であるか否かを判定する。ここで、予備電離放電の開始タイミングＴ１でない場合（ステップＳ１２がＮＯ）は、処理を終了する。一方、予備電離放電の開始タイミングＴ１である場合（ステップＳ１２がＹＥＳ）は、ステップＳ１３Ａに進む。
【０１０１】
次のステップＳ１３Ａにおいて、制御部３１は、ガス供給部２６を制御し、このガス供給部２６からプラズマ発生室２１に電離用のガスＧを供給する。そして、プラズマ発生室２１がガスＧで満たされる。
【０１０２】
次のステップＳ１３Ｂにおいて、制御部３１は、電離用電源２４を制御し、この電離用電源２４から電離用電極１６に電力を供給する。ここで、供給される電力は高周波の交流であり、この電流が電離用電極１６に供給されることで、電離用電極１６で予備電離放電が生じる。この予備電離放電により、ガスＧの分子が電離されてプラズマ発生室２１でプラズマＰが発生する。
【０１０３】
次のステップＳ１４において、プラズマ発生室２１で発生したプラズマＰがプラズマ流通管２０を通って隔壁部７の導入孔１４から主放電室９に導入される。
【０１０４】
次のステップＳ１５において、制御部３１は、計時部３３による特定時間Ｔｄのカウントに基づいて、プラズマＰが主放電室９に導入されたか否か、つまり、主放電の開始タイミングＴ２であるか否かを判定する。ここで、主放電の開始タイミングＴ２でない場合（ステップＳ１５がＮＯ）は、前述のステップＳ１３に戻る。一方、主放電の開始タイミングＴ２である場合（ステップＳ１５がＹＥＳ）は、ステップＳ１６Ａに進む。
【０１０５】
次のステップＳ１６Ａにおいて、制御部３１は、ガス供給部２６を制御し、プラズマ発生室２１に対するガスＧの供給を停止する。
【０１０６】
次のステップＳ１６Ｂにおいて、制御部３１は、電離用電源２４を制御し、電離用電極１６に対する電力の供給を停止し、プラズマ発生室２１の予備電離放電を終了する。
【０１０７】
次のステップＳ１７において、制御部３１は、加速用電源１０を制御し、加速用電極４に電力を供給し、主放電室９で主放電を発生させる。この主放電によりプラズマＰが加速される。
【０１０８】
次のステップＳ１８において、制御部３１は、計時部３３による主放電時間Ｔｅのカウントに基づいて、主放電の終了タイミングＴ３であるか否かを判定する。ここで、主放電の終了タイミングＴ３でない場合（ステップＳ１８がＮＯ）は、前述のステップＳ１６に戻る。一方、主放電の終了タイミングＴ３である場合（ステップＳ１８がＹＥＳ）は、ステップＳ１９に進む。
【０１０９】
次のステップＳ１９において、制御部３１は、加速用電源１０を制御し、加速用電極４に対する電力の供給を停止し、主放電室９の主放電を終了する。
【０１１０】
次のステップＳ２０において、制御部３１は、待機時間Ｔｓのカウント処理を実行する。この待機時間Ｔｓが設けられることで、主放電室９に残ったプラズマＰが一掃される時間を確保することができる。
【０１１１】
次のステップＳ２１において、制御部３１は、計時部３３による待機時間Ｔｓのカウントに基づいて、待機時間Ｔｓが経過したか否かを判定する。ここで、待機時間Ｔｓが経過していない場合（ステップＳ２１がＮＯ）は、前述のステップＳ２０に戻る。一方、待機時間Ｔｓが経過した場合（ステップＳ２１がＹＥＳ）は、処理を終了する。
【０１１２】
なお、変形例１のガス供給部２６において、ガスＧの供給量が所定値以上または所定値以下でなければ、プラズマ発生室２１でプラズマＰを発生させないように制御しても良い。このようにすれば、ガスＧの供給量に応じてプラズマＰの発生の有無が制御されるため、より適切なイオンビームの出力の制御を行うことができる。
【０１１３】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態のイオンビーム発生装置１Ａについて図９から図１１を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
【０１１４】
図９に示すように、第２実施形態のイオンビーム発生装置１Ａでは、主放電室９のプラズマＰを検出する検出センサ３４が設けられる。この検出センサ３４の探針（トリガーピン）の先端は、主放電室９において隔壁部７の近傍位置に設けられる。なお、隔壁部７の内面と一致する位置に検出センサ３４の探針を設けても良い。
【０１１５】
図１０に示すように、検出センサ３４の検出信号は、制御ユニット３０に入力される。第２実施形態では、制御部３１は、検出センサ３４によるプラズマＰの検出に基づいて、プラズマＰが主放電室９に導入されるタイミングを取得する。
【０１１６】
次に、第２実施形態のイオンビーム発生装置１Ａが実行する制御方法について図１１のフローチャートを用いて説明する。なお、第２実施形態のイオンビーム発生装置１Ａの制御方法は、ステップＳ１５Ａのみが、前述の第１実施形態のフローチャート（図７参照）と異なり、他のステップは、第１実施形態のフローチャートと同様である。
【０１１７】
図１１に示すように、ステップＳ１５Ａにおいて、制御部３１は、検出センサ３４によるプラズマＰの検出に基づいて、プラズマＰが主放電室９に導入されたか否か、つまり、主放電室９でプラズマＰが検出されたか否かを判定する。ここで、主放電室９でプラズマＰが検出されていない場合（ステップＳ１５ＡがＮＯ）は、前述のステップＳ１３に戻る。一方、主放電室９でプラズマＰが検出された場合（ステップＳ１５ＡがＹＥＳ）は、ステップＳ１６に進む。
【０１１８】
次に、変形例２のイオンビーム発生装置１Ａが実行する制御方法について図１２のフローチャートを用いて説明する。なお、変形例２のイオンビーム発生装置１Ａの制御方法は、ステップＳ１５Ａのみが、前述の変形例１のフローチャート（図８参照）と異なり、他のステップは、変形例１のフローチャートと同様である。
【０１１９】
図１２に示すように、ステップＳ１５Ａにおいて、制御部３１は、検出センサ３４によるプラズマＰの検出に基づいて、プラズマＰが主放電室９に導入されたか否か、つまり、主放電室９でプラズマＰが検出されたか否かを判定する。ここで、主放電室９でプラズマＰが検出されていない場合（ステップＳ１５ＡがＮＯ）は、前述のステップＳ１３Ａに戻る。一方、主放電室９でプラズマＰが検出された場合（ステップＳ１５ＡがＹＥＳ）は、ステップＳ１６Ａに進む。
【０１２０】
第２実施形態および変形例２では、実際にプラズマＰが主放電室９に導入されたことを検出センサ３４で検出できるため、プラズマＰが主放電室９に導入されるタイミングを制御部３１が正確に取得することができる。よって、制御部３１は、高精度に各タイミングで制御を行うことができる。
【０１２１】
本実施形態に係るイオンビーム発生装置を第１実施形態から第２実施形態に基づいて説明したが、いずれか１の実施形態において適用された構成を他の実施形態に適用しても良いし、各実施形態において適用された構成を組み合わせても良い。
【０１２２】
なお、本実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。
【０１２３】
本実施形態のシステムは、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、またはＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）またはＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスまたはキーボードなどの入力装置と、通信インターフェースとを備える。このシステムは、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。
【０１２４】
なお、本実施形態のシステムで実行されるプログラムは、ＲＯＭなどに予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）などのコンピュータで読み取り可能な非一過性の記憶媒体に記憶されて提供するようにしても良い。
【０１２５】
また、このシステムで実行されるプログラムは、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしても良い。また、このシステムは、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワークまたは専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。
【０１２６】
なお、本実施形態では、隔壁部７に複数の導入孔１４が開口されているが、その他の形態であっても良い。例えば、隔壁部７に１つの導入孔１４が開口されていても良い。
【０１２７】
なお、本実施形態では、複数の導入孔１４のそれぞれに対応する複数の予備電離ユニット２が設けられているが、その他の形態であっても良い。例えば、１つの予備電離ユニット２を設けるようにし、この予備電離ユニット２の予備電離部１９に繋がるプラズマ流通管２０を複数に分岐し、分岐されたそれぞれの端部を、複数の導入孔１４にそれぞれ接続しても良い。
【０１２８】
本実施形態の予備電離ユニット２では、バリアー放電によりプラズマＰを発生させているがその他のプラズマ発生方式でも良い。例えば、誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma）によりプラズマＰを発生させても良い。誘導結合プラズマとは、ガスＧに高電圧をかけてプラズマ化するとともに、高周波数の変動磁場を付与することで、プラズマ内部に渦電流によるジュール熱を発生させて高温のプラズマＰを生成するものである。例えば、図１３に示す変形例３の予備電離ユニット２Ａのように、予備電離部１９の周囲にコイル３５を巻き付ける。このコイル３５に電離用電源２４で発生させた高周波電流を流すことで、高電圧と高周波数の変動磁場とが同時にガスＧに与えられる。このようにして、プラズマＰを発生させても良い。
【０１２９】
なお、本実施形態では、主放電室９および誘導管８の内部空間を１Ｐａ以下の真空状態に保持しているが、０.１Ｐａ以下、１０Ｐａ以下、または１００Ｐａ以下に保持しても良い。
【０１３０】
なお、本実施形態のイオンビーム発生装置１を、航空宇宙の分野におけるロケットエンジンに適用しても良い。
【０１３１】
なお、本実施形態では、待機時間Ｔｓを先の主放電の終了後（Ｔ３）から次の予備電離放電の開始時（Ｔ１）までの期間としているが、その他の態様であっても良い。例えば、先の主放電の終了後（Ｔ３）から次の主放電の開始時（Ｔ２）までに、主放電室９に残ったプラズマＰが一掃され、主放電室９が無衝突条件に必要な真空度に復帰するのであれば、待機時間Ｔｓをゼロに設定しても良い。
【０１３２】
なお、待機時間Ｔｓと特定時間Ｔｄとを合わせた時間で主放電室９に残ったプラズマＰが一掃されても良いし、待機時間Ｔｓのみで主放電室９に残ったプラズマＰが一掃されても良いし、特定時間Ｔｄのみで主放電室９に残ったプラズマＰが一掃されても良い。
【０１３３】
なお、本実施形態では、電離用電極１６が予備電離放電を行うことで、プラズマ発生室２１でプラズマＰを発生させているが、その他の態様であっても良い。例えば、高出力のレーザを用いてプラズマ発生室２１でプラズマＰを発生させても良い。
【０１３４】
以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、主放電室にプラズマが導入されるタイミングと加速用電極の放電のタイミングとを同期させる制御部を備えることにより、イオンビームの出力時に無衝突条件を満たす真空度できる。
【０１３５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１３６】
１（１Ａ）…イオンビーム発生装置、２（２Ａ）…予備電離ユニット、３…主放電ユニット、４…加速用電極、５…外側陰極、６…内側陽極、７…隔壁部、８…誘導管、９…主放電室、１０…加速用電源、１１，１２…電力線、１３…中央孔、１４…導入孔、１５…垂直磁場発生部、１６…電離用電極、１７，１８…電極、１９…予備電離部、２０…プラズマ流通管、２１…プラズマ発生室、２２，２３…電力線、２４…電離用電源、２５…接地、２６…ガス供給部、３０…制御ユニット、３１…制御部、３２…設定記憶部、３３…計時部、３４…検出センサ、３５…コイル、Ｃ…電流、Ｇ…ガス、Ｌ…距離、Ｍ１…自己磁場、Ｍ２…垂直磁場、Ｐ…プラズマ、Ｑ…トリガ位置、Ｗ…衝撃波前面。
【図１】
2020091968.tif 000003
【図２】
2020091968.tif 000004
【図３】
2020091968.tif 000005
【図４】
2020091968.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2020091968.tif 000009
【図８】
2020091968.tif 000010
【図９】
2020091968.tif 000011
【図１０】
2020091968.tif 000012
【図１１】
2020091968.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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