(57)【要約】【課題】  フィラメントの長寿命化を図ることができる内部イオン源のサイクロトロンを提供する。【解決手段】本発明は、中空のヨーク７内に設けられたイオン源２で生じたイオンを磁場により加速するサイクロトロン１であって、イオン源２は、導電性のチムニ１０と、チムニ１０内に配置されたフィラメント１１と、を有し、フィラメント１１には電源１４から電流が供給され、フィラメント１１に供給される電流の向きが変更される。このサイクロトロン１によれば、フィラメント１１に供給される電流の向きが変更されることでローレンツ力の向きが変わるので、フィラメント１１の変形を抑制してフィラメント１１の長寿命化を図ることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空のヨーク内に設けられたイオン源で生じたイオンを磁場により加速するサイクロトロンであって、
前記イオン源は、導電性の筒体と、前記筒体内に配置されたフィラメントと、を有し、前記フィラメントには電源から電流が供給され、前記フィラメントに供給される電流の向きが変更される、サイクロトロン。
【請求項２】
前記電流は直流であり、
前記電流の向きを変更する制御手段を備える、請求項１に記載のサイクロトロン。
【請求項３】
前記フィラメントには、その先端において磁場に直交する向きに電流が流れる、請求項１又は２に記載のサイクロトロン。
【請求項４】
前記フィラメントは、金属板を湾曲して形成される、請求項１〜３のうち何れか一項に記載のサイクロトロン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部イオン源のサイクロトロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、サイクロトロンに関する技術文献として、例えば特許文献１が知られている。特許文献１には、フィラメントを有するイオン源を備え、イオン源で生じたイオンを磁場によって加速するサイクロトロンが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５８-２０９８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、サイクロトロンのイオン源には、中空のヨーク内に配置される内部イオン源と、ヨーク外に配置される外部イオン源がある。このうち、内部イオン源においては、サイクロトロンが発生させる強い磁場の影響を受けるため、フィラメントの性能劣化が早く、頻繁なフィラメント交換が必要になるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、フィラメントの長寿命化を図ることができる内部イオン源のサイクロトロン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】
【０００６】
本発明者らは、フィラメントの性能劣化について鋭意研究を重ねた結果、フィラメントに生じる変形が性能劣化の原因であることを新たに突き止めた。すなわち、フィラメントに電流が流れると、サイクロトロンが発生させる１Ｔ［テスラ］〜３Ｔ［テスラ］の強い磁場の影響を受けて、フィラメントに強いローレンツ力が作用する。フィラメントは通常、ある程度の強度を確保して設計されるが、使用中のフィラメントは高温状態にあること、また電子によるスパッタリングでフィラメントが減肉することにより強度が次第に低下してしまう。その結果、ローレンツ力に対する強度を保てずにフィラメントの変形が生じていることが見出された。
【０００７】
そこで、本発明は、中空のヨーク内に設けられたイオン源で生じたイオンを磁場により加速するサイクロトロンであって、イオン源は、導電性の筒体と、筒体内に配置されたフィラメントと、を有し、フィラメントには電源から電流が供給され、フィラメントに供給される電流の向きが変更されることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るサイクロトロンによれば、強い磁場の影響によってフィラメントにローレンツ力が加わっても、フィラメントに供給される電流の向きが変更されることでローレンツ力の向きが変わるので、ローレンツ力が一定の向きに加わり続ける場合と比べて、フィラメントの変形を抑制してフィラメントの長寿命化を図ることができる。その結果、フィラメントの交換頻度を少なくすることができるので、サイクロトロンのメンテナンスの労力及びメンテナンスコストを大幅に低減することができる。
【０００９】
本発明に係るサイクロトロンにおいて、電流は直流であり、電流の向きを変更する制御手段を備えてもよい。
このサイクロトロンによれば、直流電流の向きを制御手段によって変更することで、交流電流を用いて常に電流の向きが変更される場合と比べて、フィラメントの状態を考慮した効果的な電流制御を行うことができる。
【００１０】
本発明に係るサイクロトロンにおいて、フィラメントには、その先端において磁場に直交する向きに電流が流れてもよい。
このサイクロトロンによれば、フィラメント先端で磁場に直交する向きに電流が流れる、いわゆるホットカソードＰＩＧイオン源を採用することにより、他のイオン源と比べてスペース削減を図ることができるので、サイクロトロンの小型化に有利である。
【００１１】
本発明に係るサイクロトロンにおいて、フィラメントは、金属板を湾曲して形成されてもよい。
この構成によれば、金属板の幅方向とローレンツ力を受ける方向とを対応させることで、ローレンツ力に対する強度を確保しつつ、フィラメントの構成を簡素にすることができる。このことはフィラメントの製造コストの低減に有利である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、フィラメントの長寿命化を図ることができる内部イオン源のサイクロトロンを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るサイクロトロンの一実施形態を示す断面図である。
【図２】（ａ）イオン源における電子の発生を説明するための図である。（ｂ）イオン源における電子の運動を説明するための図である。
【図３】（ａ）イオン源における電子の衝突を説明するための図である。（ｂ）イオン源における水素イオンの発生を説明するための図である。
【図４】矢印ＩＡ方向に電流を流した場合にフィラメントが受けるローレンツ力ＦＡを説明するための斜視図である。
【図５】（ａ）変形前のフィラメントを示す側面図である。（ｂ）変形後のフィラメントを示す側面図である。
【図６】矢印ＩＢ方向に電流を流した場合にフィラメントが受けるローレンツ力ＦＢを説明するための斜視図である。
【図７】極性切り換えによるフィラメントの曲がり量の変化を示す箱ひげ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１に示されるように、本実施形態に係るサイクロトロン１は、イオン源２から供給されるイオンを磁場により加速して荷電粒子線（荷電粒子ビーム）を出力する円形加速器である。イオン源２から供給されるイオンとしては、例えば陽子、重粒子（重イオン）、電子などが挙げられる。サイクロトロン１は、例えば荷電粒子線治療用の加速器として用いられる。
【００１６】
イオン源２は、円盤形状のサイクロトロン１の中心に位置しており、サイクロトロン１の中心軸Ｃに沿って延在する柱状の支持体３によって支持されている。
【００１７】
サイクロトロン１は、中心軸Ｃを中心として配置された円環状のコイル４と、コイル４の空芯部位に配置されたＲＦキャビティ５と、中空のヨーク７と、制御部（制御手段）８と、を備えている。ヨーク７は、磁性体の金属からなる中空の円盤型ブロックであり、内部にコイル４及びＲＦキャビティ５が配置されている。
【００１８】
制御部８は、ＣＰＵ[Central  Processing  Unit]、ＲＯＭ[Read  Only  Memory]、ＲＡＭ[Random  Access  Memory]などからなる電子制御ユニットである。制御部８は、サイクロトロン１を統括的に制御する。
【００１９】
サイクロトロン１は、コイル４に電流を供給して強力な磁場（矢印Ｂ）を生じさせることにより、イオン源２から供給されるイオンをＲＦキャビティ５の内部の空間Ｇで加速させ、イオン線を出力する。強力な磁場とは、例えば１Ｔ［テスラ］以上の磁場である。サイクロトロン１の内部では、例えば１Ｔ〜３Ｔ程度の磁場が形成される。
【００２０】
図２及び図３は、イオン源２を説明するための図である。まず、図２（ａ）を参照してイオン源２の構成について説明する。図２（ａ）に示されるように、イオン源２は、導電性のチムニ（筒体）１０と、チムニ１０内に配置されたフィラメント１１及びアンチカソード１２と、イオンをチムニ１０内から引き出すための引出電極１３と、を有している。
【００２１】
チムニ１０は、上端が閉じられた導電性の円筒部材である。チムニ１０内の上端側には、アンチカソード１２が配置されている。チムニ１０の下端側は開口しており、下端側から挿入されてフィラメント１１が配置されている。
【００２２】
チムニ１０の側面には、水素イオン（プロトン）Ｈ＋を引き出すためのスリット１０ａが形成されている。スリット１０ａから引き出された水素イオンＨ＋は、チムニ１０の周りを回転する軌道を進みながら加速する。チムニ１０は、水素イオンＨ＋の回転軌道に応じて、スリット１０ａの位置する中腹部分がくびれた形状に形成されている。なお、チムニ１０の形状は上述したものに限られない。
【００２３】
フィラメント１１は、電流を流して発熱させることにより、チムニ１０内に電子（熱電子）ｅを放出するための部材である。フィラメント１１は、例えばＴａ（タンタル）製の金属板から構成され、一枚の金属板を湾曲して形成されている。
【００２４】
具体的には、フィラメント１１は、一枚の金属板を下向きに開口するΩ字状に湾曲して形成されている。フィラメント１１先端の湾曲部分を湾曲部１１ａと呼ぶ。なお、フィラメント１１の形状は上述したものに限られない。フィラメント１１は、例えば一枚の金属板を下向きに開口するＵ字状に湾曲したものであってもよい。
【００２５】
アンチカソード１２は、チムニ１０内に電子ｅを維持するための電極である。アンチカソード１２は、チムニ１０内において磁場方向でフィラメント１１と対向するように配置され、図示しない環状の絶縁体を介してチムニ１０に固定されている。アンチカソード１２は、フィラメント１１との間で電子ｅを磁場方向に往復運動させることで、チムニ１０内に電子ｅを維持する。
【００２６】
引出電極１３は、チムニ１０内に生成された水素イオンＨ＋をスリット１０ａから引き出すための電極である。引出電極１３は、スリット１０ａの外側に設けられ、引出電圧がチムニ１０との間に印加されることで、水素イオンＨ＋を引き出す。
【００２７】
また、イオン源２には、フィラメント１１に電流を供給する電源１４が接続されている。電源１４は、直流電源であり、フィラメント１１に対して直流電流を供給する。
【００２８】
電源１４は、制御部８によって制御されており、制御部８からの信号に応じて、フィラメント１１に対する電流の向きを変更する。すなわち、電源１４は、フィラメント１１に対する直流電流の向き（矢印ＩＡ又は矢印ＩＢ）を変更可能に構成されている。電源１４はヨーク７の外部に配置されている。なお、チムニ１０には専用の電源が設けられている。
【００２９】
また、イオン源２の外部には、チムニ１０内に水素ガスを導入するための水素タンク１５が設けられている（図３（ｂ）参照）。水素タンク１５はヨーク７の外部に配置されており、支持体３の内部を通じてチムニ１０内に水素ガスが導入される。
【００３０】
次に、イオン源２におけるイオンの発生について説明する。図２（ａ）は、イオン源２における電子ｅの発生を説明するための図である。図２（ａ）に示されるように、まず、イオン源２では、制御部８が電源１４を制御してフィラメント１１に電流を供給する。フィラメント１１は、電流の供給により発熱し、湾曲部１１ａ等から電子（熱電子）ｅを放出する。
【００３１】
図２（ｂ）は、イオン源２における電子ｅの運動を説明するための図である。制御部８は、チムニ１０用の電源を制御してチムニ１０とフィラメント１１との間に電圧（アーク電圧）を印加する。これにより、フィラメント１１から放出された電子ｅはチムニ１０に引き寄せられるが、イオン源２の内外にはコイル４によって生成された強力な磁場が存在するので、電子ｅは磁場に捕らわれて磁場方向（矢印Ｂの方向）に加速しながら運動する。
【００３２】
図３（ａ）は、イオン源２における電子ｅの衝突を説明するための図である。図３（ａ）に示されるように、イオン源２では、矢印Ｂの方向に運動する電子ｅがアンチカソード１２に衝突することで、アンチカソード１２から新たな電子ｅが発生する。アンチカソード１２から発生した電子ｅは、磁場方向に沿って矢印Ｂと反対の向きに加速しながら運動する。このようにして電子ｅは、フィラメント１１とアンチカソード１２との間を往復運動する。
【００３３】
図３（ｂ）は、イオン源における水素イオンの発生を説明するための図である。図３（ｂ）に示されるように、イオン源２では、チムニ１０内を電子ｅが往復運動している状態で、水素ガスを水素タンク１５からチムニ１０内に導入する。制御部８は、水素ガスの導入も制御する。これにより、チムニ１０内では、電子ｅと水素分子Ｈ２との衝突により、水素イオンＨ＋が生成され、水素イオンＨ＋と電子ｅとが混在するプラズマＰが発生する。
【００３４】
引出電極１３は、引出電圧が印加されることでチムニ１０内のプラズマＰの中から水素イオンＨ＋を引き出す。水素イオンＨ＋はスリット１０ａを通じて引き出され、チムニ１０の周囲を回転しながら加速される。サイクロトロン１は、引出電極１３によってチムニ１０内から連続的に水素イオンＨ＋を引き出し、磁場及び電場によって加速することでイオン線を形成する。
【００３５】
ここで、図４は、矢印ＩＡ方向に電流を流した場合にフィラメント１１が受けるローレンツ力ＦＡを説明するための斜視図である。図２〜図４に示されるように、フィラメント１１に対して矢印ＩＡ方向に電流を流した場合、強力な磁場（例えば１Ｔ以上の磁場）の影響を受けてフィラメント１１の湾曲部１１ａにローレンツ力ＦＡが加わる。ローレンツ力ＦＡは、電流を流し続ける限り、フィラメント１１に加わるため、フィラメント１１には徐々に変形が生じる。
【００３６】
図５（ａ）は、変形前のフィラメントを示す側面図であり、図５（ｂ）は、変形後のフィラメントを示す側面図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されるように、フィラメント１１は、使用時間が長くなるにつれてローレンツ力ＦＡの影響により、先端の湾曲部１１ａが倒れ込む方向に変形する。このため、所定期間ごとにフィラメント１１を交換する必要が生じていた。
【００３７】
そこで、制御部８は、変形を抑制するためにフィラメント１１における電流の向きを変更する。図６は、矢印ＩＢ方向に電流を流した場合にフィラメント１１が受けるローレンツ力ＦＢを説明するための斜視図である。図６に示されるように、フィラメント１１に対する電源１４の極性切り換えを行い、電流の向きを矢印ＩＡから矢印ＩＢに変更することで、フィラメント１１が受けるローレンツ力ＦＡが反対向きのローレンツ力ＦＢへと切り替わる。これにより、フィラメント１１に加わる力の向きが変わるのでフィラメント１１の一方向への変形を抑制することができる。
【００３８】
制御部８は、所定時間ごとにフィラメント１１に対する電流の向きを変更する。制御部８は、電流の向きを変更する時間間隔をサイクロトロン１の運転条件等に応じて変えてもよい。制御部８が電流の向きを変更する条件は、上述したものに限られない。例えば、制御部８は、チムニ１０から引き出したイオンの検出状態などに基づいて、電流の向きを変更してもよい。
【００３９】
以上説明した本実施形態に係るサイクロトロン１によれば、強い磁場の影響によってフィラメント１１にローレンツ力が加わっても、フィラメント１１に供給される電流の向きが変更されることでローレンツ力の向きが変わるので、ローレンツ力が一定方向に加わり続ける場合と比べて、フィラメント１１の変形を抑制してフィラメント１１の長寿命化を図ることができる。その結果、フィラメント１１の交換頻度を少なくすることができるので、サイクロトロン１のメンテナンスの労力及びメンテナンスコストを大幅に低減することができる。
【００４０】
また、このサイクロトロン１では、直流の電源１４を採用し、制御部８によって直流電流の向きを変更することで、交流電流を用いて常に電流の向きが変更される場合と比べて、フィラメント１１の状態を考慮した効果的な電流制御を行うことができる。
【００４１】
更に、このサイクロトロン１によれば、フィラメント１１の先端側で磁場に直交する向きに電流が流れる、いわゆるホットカソードＰＩＧイオン源を採用することにより、他のイオン源と比べて、スペース削減を図ることができるので、サイクロトロンの小型化に有利である。また、ホットカソードＰＩＧイオン源は、小スペースであっても安定的な運転を実現することができ、サイクロトロン１の信頼性を高めることができる。
【００４２】
また、このサイクロトロン１では、一枚の金属板を湾曲してフィラメント１１を形成し、金属板の幅方向とローレンツ力を受ける方向とを対応させることで、ローレンツ力に対する強度を確保しつつ、フィラメント１１の構成を簡素にすることができる。このことは、フィラメント１１の製造コストの低減に有利である。
【００４３】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、電源は、直流電源である必要はなく、交流電源であってもよい。電流を交流電流とすることにより電流の向きが変更されるので、フィラメントに加わるローレンツ力の向きが変わり、フィラメントの長寿命化を図ることができる。
【００４４】
また、イオン源の構成は上述したものに限定されない。チムニやフィラメントの形状は、上述したものに限定されず、チムニは、円筒形状ではなく角筒形状であってもよく、必ずしも中腹部位にくびれを設ける必要はない。また、フィラメントは、角張った形状に曲げられていてもよい。
【実施例】
【００４５】
以下、本発明に係るサイクロトロンにおける電流の向きの変更（極性切り換え）について、実施例及び比較例を示して説明する。
【００４６】
実施例では、フィラメントの材料としてＴａ（タンタル）を採用し、図４に示す形状のフィラメントにおいて高さ２５ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み０．５ｍｍのものを用いた。フィラメントに供給される直流電流を２００Ａ［アンペア］、磁場を１．７５Ｔ［テスラ］とした。フィラメント及びチムニの間に印加するアーク電圧を１８５Ｖ［ボルト］とした。
【００４７】
サイクロトロンを運転させた状態で、一時間ごとにフィラメントに供給される電流の向きを変更し、四時間の試験を行った。その後、フィラメントの曲がり量（フィラメントの頂点の変位）を計測した。
【００４８】
比較例では、実施例と同じフィラメントについて、電流の向きの変更を行うことなく、四時間の試験を行い、その曲がり量を計測した。
【００４９】
図７は、極性切り換えによるフィラメントの曲がり量の変化を示す箱ひげ図である。図７に示されるように、極性切り換え（電流の向きの変更）が「有」の実施例では、フィラメントの曲がり量は約０．２ｍｍとなった。一方、極性切り換え（電流の向きの変更）が「無」の実施例では、フィラメントの曲がり量は約１ｍｍとなった。実施例は、比較例と比べて曲がり量が約５分の１になっている。
【符号の説明】
【００５０】
１…サイクロトロン  ２…イオン源  ４…コイル  ５…ＲＦキャビティ  ７…ヨーク  ８…制御部（制御手段）  １０…チムニ  １０ａ…スリット  １１…フィラメント  １１ａ…湾曲部  １２…アンチカソード  １３…引出電極  １５…水素タンク  Ｃ…中心軸  ＦＡＦＢ…ローレンツ力  Ｇ…空間  Ｐ…プラズマ
【図１】
2014049414.tif 000003
【図２】
2014049414.tif 000004
【図３】
2014049414.tif 000005
【図４】
2014049414.tif 000006
【図５】
2014049414.tif 000007
【図６】
2014049414.tif 000008
【図７】
2014049414.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成25年9月19日(2013.9.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
図７は、極性切り換えによるフィラメントの曲がり量の変化を示す箱ひげ図である。図７に示されるように、極性切り換え（電流の向きの変更）が「有」の実施例では、フィラメントの曲がり量は約０．２ｍｍとなった。一方、極性切り換え（電流の向きの変更）が「無」の比較例では、フィラメントの曲がり量は約１ｍｍとなった。実施例は、比較例と比べて曲がり量が約５分の１になっている。