(57)【要約】【課題】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を出力できるイオン源及びイオンビーム発生方法を提供する。【解決手段】イオン源１０は、円筒状の外側磁気部１６と、この外側磁気部１６と一定の空間を隔てて配置された内側磁気部２０と、空間の閉止側に配置された陽極２５と、陰極２６と、を備えて、磁場と直交する方向の電場を印加し、プラズマ中のイオンを加速するホールスラスタ１１と、一端が開放された内側陽極３０と、内側陽極３０の周囲に配置された外側陰極３２と、を備えて、流入したイオンビームを、両極間を流れる電流とこの電流により発生する自己磁場とで生じるローレンツ力により内側陽極３０の開放端方向に加速させて、内側陽極３０の開放部で圧縮させ出力するプラズマフォーカス部１３と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の外側磁気部と、前記外側磁気部の中心部に一定の空間を隔てて配置されて、前記外側磁気部との間に磁場を発生させる柱状の内側磁気部と、前記空間の閉止側に配置された陽極と、開放側に配置された陰極と、を備えて、前記磁場と直交する方向の電場を印加して、前記空間に供給されたガスを電離して発生させたプラズマ中のイオンを加速するホールスラスタと、
一端が開放されて配置された柱状の内側陽極と、前記内側陽極を中心にしてその周囲に配置された外側陰極と、を備えて、前記ホールスラスタから流入したイオンビームを、両極間を流れる電流とこの電流により発生する自己磁場とで生じるローレンツ力により前記内側陽極の開放端方向に加速移動させて、前記内側陽極の開放部で圧縮させて出力するプラズマフォーカス部と、を備えることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
絶縁材料を介して結合して、前記ホールスラスタと前記プラズマフォーカス部とを連通させる絶縁部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記プラズマフォーカス部で圧縮された前記イオンビームを伝搬させる誘導管と、
前記誘導管に設けられて、前記イオンビームの進行方向と垂直な磁場を生成する垂直磁場発生部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオン源。
【請求項４】
前記誘導管の長さは、前記イオン及び電子の平均自由行程よりも短くなるように設けられていることを特徴とする請求項３に記載のイオン源。
【請求項５】
前記ホールスラスタの前記陰極は、陰極内に供給される２次ガスを電離させて、前記ホールスラスタに形成された前記空間内に電子を供給することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のイオン源。
【請求項６】
前記ホールスラスタの前記陰極は、電子を供給するための複数の電子供給口を有することを特徴とする請求項５に記載のイオン源。
【請求項７】
前記内側陽極の先端部は円錐形状であり、
前記外側陰極の径は、前記内側陽極の前記開放部で狭まるように形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のイオン源。
【請求項８】
前記内側陽極は、前記絶縁部及び前記内側磁気部の内部を敷設された電流路を介して電流が供給されることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか一項に記載のイオン源。
【請求項９】
前記誘導管のビーム出口に接続されて、前記イオンビームと電子とを分離する偏向部を備えることを特徴とする請求項３から請求項８のいずれか一項に記載のイオン源。
【請求項１０】
前記外側陰極の径は、前記内側陽極の前記開放部で狭まり、前記開放部からビーム出力口に向かって広がるように形成されることを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項１１】
前記プラズマフォーカス部の外側に配置されて、軸方向に対して磁場を加えるソレノイドを備えることを特徴とする請求項１０に記載のイオン源。
【請求項１２】
ホールスラスタを用いて、ガスが供給された空間内に発生させたプラズマのイオンを加速するステップと、
前記ホールスラスタと連通されたプラズマフォーカス部を用いて、一端が開放された内側陽極と外側陰極との間に電圧を印加することで前記ホールスラスタから出力されたイオンビームを加速させて圧縮するステップと、を含むことを特徴とするイオンビーム発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、イオンビームを出力するイオン源及びイオンビーム発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素イオン等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や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）等、イオンビームを利用した治療装置の開発が活発に行われている。
【０００３】
一般的に、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てイオンビームを生成する。そして、シンクロトロン（円形加速器）等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。 
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２３３４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
イオン源及び線形加速器の両方の装置を備える通常の加速器施設では、施設全体が大状化するとともに複雑化する問題があった。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、加速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。
【０００７】
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等の治療装置に直接利用することも可能となるが、従来の線形加速器を用いた静電加速では、耐圧性能の観点から、出力できるイオンビームの到達エネルギーには限界が存在する。
【０００８】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、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を出力できるイオン源及びイオンビーム発生方法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】
【０００９】
本発明の実施形態に係るイオン源は、円筒状の外側磁気部と、前記外側磁気部の中心部に一定の空間を隔てて配置されて、前記外側磁気部との間に磁場を発生させる柱状の内側磁気部と、前記空間の閉止側に配置された陽極と、開放側に配置された陰極と、を備えて、前記磁場と直交する方向の電場を印加して、前記空間に供給されたガスを電離して発生させたプラズマ中のイオンを加速するホールスラスタと、一端が開放されて配置された柱状の内側陽極と、前記内側陽極を中心にしてその周囲に配置された外側陰極と、を備えて、前記ホールスラスタから流入したイオンビームを、両極間を流れる電流とこの電流により発生する自己磁場とで生じるローレンツ力により前記内側陽極の開放端方向に加速移動させて、前記内側陽極の開放部で圧縮させて出力するプラズマフォーカス部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態により、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を出力できるイオン源及びイオンビーム発生方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係るイオン源の構成を示す縦断面図。
【図２】本実施形態におけるホールスラスタの構成を示す斜視図。
【図３】ホールスラスタにおいて、プラズマを発生させて、このプラズマのイオンを加速する状態を示す説明図。
【図４】プラズマフォーカス部において、イオンビームが加速される状態を示す説明図。
【図５】誘導管において、イオンビームが加速される状態を示す説明図。
【図６】第１実施形態に係るイオン源の変形例の構成を示す縦断面図。
【図７】第１実施形態に係るイオンビーム発生方法を示すフローチャート。
【図８】第２実施形態に係るイオン源の構成を示す縦断面図。
【図９】第３実施形態に係るイオン源の構成を示す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示す第１実施形態に係るイオン源１０は、ガスが供給された空間内に発生させたプラズマのイオンを加速するホールスラスタ１１と、絶縁部１２（１２ａ，１２ｂ）を介してホールスラスタ１１と連通されて、一端が開放された内側陽極３０と外側陰極３２との間に電圧を印加することでホールスラスタ１１から流入したイオンビームを加速させて圧縮するプラズマフォーカス部１３と、イオンビームの進行方向に対して垂直な磁場を印加して無衝突状態でイオンビームを加速する誘導管１５と、を備えている。
【００１３】
第１実施形態に係るイオン源１０は、ホールスラスタ１１で加速されたイオンビームをプラズマフォーカス部１３において加速し圧縮して、誘導管１５においてイオンビームを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を出力することができる。
【００１４】
具体的な構成について説明する。
ホールスラスタ１１は、外側磁気部１６と、外側誘電体１９と、内側磁気部２０と、内側誘電体２３と、陽極２５と、陰極２６と、を備えている。
【００１５】
外側磁気部１６は、鉄等で構成された円筒状の外側磁気コア１８と、外側磁気コア１８の内周面に沿って巻かれた円環状の外側コイル１７ａと、外側磁気コア１８の外周面に沿って巻かれた円環状の外側コイル１７ｂと、から構成される。外側磁気コア１８内では、その軸方向に磁場を発生させる。
【００１６】
外側誘電体１９は、円環状に形成されており、外側磁気部１６の内周面に、外側磁気部１６と同軸に配置される。外側誘電体１９は、外側コイル１７に荷電粒子が流れることを防止する絶縁部材である。外側誘電体１９の材料として、窒化ホウ素等のセラミック材料が例示される。
【００１７】
内側磁気部２０は、円柱状に形成されており、円筒状の外側磁気部１６内の中心部に、外側磁気部１６と同軸かつ一定の空間を隔てて配置されている。
【００１８】
内側磁気部２０は、円柱状の内側磁気コア２１と、内側磁気コア２１の外周面に円環状に巻かれた内側コイル２２と、から構成される。内側磁気コア２１内では、その軸方向に、外側磁気コア１８内に発生する磁場とは逆方向の磁場を発生させる。
【００１９】
外側磁気コア１８と内側磁気コア２１とは接続されて磁気回路を形成しており、ホールスラスタ１１の空間内には外側磁気部１６から内側磁気部２０に向かう径方向の放射状磁場が発生する。なお、外側磁気部１６の代わりに永久磁石を用いても良い。
【００２０】
内側誘電体２３は、円環状に形成されており、内側磁気部２０の外周面に、内側磁気部２０と同軸に配置される。内側誘電体２３は、内側コイル２２に荷電粒子が流れることを防止するものであり、外側誘電体１９と同様に、窒化ホウ素等のセラミック材料で構成される。
【００２１】
外側磁気部１６と内側磁気部２０との間に形成された環状の空間が、プラズマを発生させるプラズマ領域となる。閉止部２７は、ホールスラスタ１１の一方を閉止している。
【００２２】
陽極２５は、内側磁気部２０を中心に通して閉止部２７の近傍に設けられた、円環状の電極（アノード）である。陽極２５にはガス供給管２４が接続されており、陽極２５を介して電離用のガスが空間内に供給する。なお、電離に用いるガスは、利用されるイオンビームの種類によって適宜選択され、例えば水素、キセノン、アルゴンが用いられる。
【００２３】
陰極２６は、ホールスラスタ１１の開放側（ビームの出口側）で外側磁気部１６に隣接して設けられた、円環状の電極（カソード）である。陽極２５と陰極２６との間に電圧を印加することにより、ホールスラスタ１１の軸方向に電場が発生する。
【００２４】
陰極２６は、ホールスラスタ１１内の空間に電子を供給可能なホローカソードであることが好ましい。ホローカソードを用いることで、より低い電圧でホールスラスタ１１内にプラズマを発生させることができる。
【００２５】
図２は、本実施形態におけるホールスラスタ１１の構成を示す斜視図である。なお、図２では、閉止部２７等の一部の構成を省略して記載している。
【００２６】
円環状の陽極２５の側面には、ガスを空間内に供給するためのガス供給口３５が周方向に複数設けられており、ガス供給管２４から入力した電離用のガスを空間内に流入させる。
【００２７】
陰極２６（ホローカソード）は、中空円環形状に形成されており、この陰極２６の空間内に複数のヒータ３３が配置される。ヒータ３３内には熱電子放出用の基板（図示省略）が挿入されている。
【００２８】
電離用の２次ガスがヒータ３３の内部に供給されて、ヒータ３３により加熱された基板から熱電子が放出することで２次ガスが電離されて、陰極２６の内部でプラズマが発生する。
【００２９】
陰極２６の内周面には、電子供給口３４が周方向に複数設けられており、２次ガスの電離より発生した電子が電子供給口３４からホールスラスタ１１の空間内に供給される。
【００３０】
陰極２６から供給された電子は、ホールスラスタ１１の空間内に供給されたガスの電離を促進する。また、陰極２６から供給される電子の一部は、ホールスラスタ１１で加速されて出力されるイオンビームを中和する役割を有する。
【００３１】
図３は、ホールスラスタ１１において、プラズマを発生させて、このプラズマ内のイオンを加速する状態を示す説明図である。
【００３２】
ホールスラスタ１１では、外側磁気部１６と内側磁気部２０により発生させた径方向の磁場と、陽極２５と陰極２６との間に電圧を印加することで発生させた軸方向の電場とが発生する。陰極２６から供給された電子は、磁場と電場とが直交する場（クロースフィールド）により、空間内に閉じ込められて、周方向にドリフト運動を行う。この現象をホール効果と言う。この空間内に閉じ込められた電子によって、陽極２５から供給されたガスが電離されてプラズマが発生する。
【００３３】
そして、発生したプラズマ内の正のイオンは、電場によって静電加速されてホールスラスタ１１から出力される。このとき、陰極２６から供給される電子の一部は、イオンビームと共にホールスラスタ１１から出力することでイオンビームを中和する。
【００３４】
図１に戻って説明を続ける。
絶縁部１２（１２ａ，１２ｂ）は、絶縁材料を介してホールスラスタ１１とプラズマフォーカス部１３とを同軸となるように結合して、ホールスラスタ１１とプラズマフォーカス部１３とを連通させる。
【００３５】
具体的には、円筒状の絶縁部１２ａを用いて、ホールスラスタ１１の陰極２６とプラズマフォーカス部１３の外側陰極３２とを結合する。そして、柱状の絶縁部１２ｂを用いて、ホールスラスタ１１の内側磁気部２０とプラズマフォーカス部１３の内側陽極３０とを結合する。
【００３６】
絶縁部１２の材料として、ＮＣナイロン、テフロン（登録商標）、デルリン等の絶縁素材を用いる。また、ホールスラスタ１１の外側誘電体１９及び内側誘電体２３と同様に、窒化ホウ素等のセラミック材料を使用しても良い。
【００３７】
絶縁部１２を介してホールスラスタ１１とプラズマフォーカス部１３との空間が連通されることで、ホールスラスタ１１で加速されて出力されたイオンビームはスムーズにプラズマフォーカス部１３に進行する。
【００３８】
プラズマフォーカス部１３は、内側陽極３０と、外側陰極３２と、を備えている。
内側陽極３０は、柱状に形成されており、一端は開放されており、他端は絶縁部１２ｂに接続されている。内側陽極３０の先端部３１は、例えば円錐形状のように開放部方向に向かって径が小さくなるように形成する。
【００３９】
外側陰極３２は、中空円筒状に形成されており、内側陽極３０を中心にしてその周囲に配置されている。外側陰極３２の一端は誘導管１５に接続されており、他端は絶縁部１２ａに接続されている。
【００４０】
外側陰極３２の径は、プラズマフォーカス部１３の空間内を進行するイオンビームを内側陽極３０の開放部（内側陽極３０が途切れる部分）まで案内するために、開放部で狭まるように形成する。
【００４１】
同軸に配置された内側陽極３０と外側陰極３２との間に電圧が印加される。内側陽極３０には、絶縁部１２及び内側磁気部２０の内部を敷設された電流路３６（図４参照）を介して電流が供給される。
【００４２】
図４は、プラズマフォーカス部１３において、イオンビームが加速される状態を示す説明図である。なお、ホールスラスタ１１では、電離によって生じた多量のイオンが加速されて、イオンビームの群がプラズマ状態で出力されるため、以下ではイオンビームの群を適宜「プラズマ」と称して説明する。
【００４３】
ホールスラスタ１１から出力されたイオンビームは、プラズマフォーカス部１３の電極間に形成された空間に進入する。
【００４４】
内側陽極３０と外側陰極３２に印加された電圧により、プラズマを通して放射状の電流が流れることでプラズマフォーカス部１３の周方向に自己磁場が発生する。この自己磁場とプラズマを通して流れる電流とで生じるローレンツ力によりプラズマが軸方向に加速移動される。なお、この自己磁場による加速は磁気ピストンと呼ばれる。
【００４５】
なお、プラズマが軸方向に加速移動するとき、このプラズマの前方に圧縮ガスの薄い層（衝撃波前面）が形成されており、この層は磁気ピストンに先行する。この衝撃波前面は、プラズマフォーカス部１３の空間内に存在するガスを掃引して電離させる。
【００４６】
そして、軸方向を加速移動して内側陽極３０の先端部３１まで到達したプラズマは、内側陽極３０が途切れた開放部でローレンツ力により径方向に圧縮（ピンチ）される。このとき、プラズマは、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。そして、圧縮されたプラズマは、高いエネルギー状態で誘導管１５の内部に伝搬される。
【００４７】
このように、プラズマフォーカス部１３は、ホールスラスタ１１で加速されたイオンビームをローレンツ力によりさらに加速、圧縮させて、高エネルギーのプラズマを出力する。
【００４８】
一般的なプラズマフォーカス装置では、陽極の表面に絶縁物が形成されており、電極間に電圧を印加することで、陽極が絶縁物と接する位置に沿面放電を起こす。そして、初速速度が無い状態のプラズマをローレンツ力により加速する。
【００４９】
一方、第１実施形態に係るプラズマフォーカス部１３は、上流のホールスラスタ１１で加速された高速のイオンビーム（例えば、８０ｋ（ｍ／ｓ））を流入して、ローレンツ力を用いてさらに加速するため、一般的なプラズマフォーカス装置と比較して、より高いエネルギーのイオンビームを生成できる。
【００５０】
図１に戻ってさらに説明を続ける。
誘導管１５は、プラズマフォーカス部１３のビーム出口に接続されており、プラズマフォーカス部１３で圧縮されたプラズマ（イオンビーム）を、圧力が低い誘導管１５内との圧力差により誘導管１５内に伝搬させる。
【００５１】
また、ホールスラスタ１１、プラズマフォーカス部１３、及び誘導管１５で連通された内部空間を１Ｐａ以下の真空状態に保持して、誘導管１５の長さをイオン及び電子の平均自由行程よりも短くなるように設定する。
【００５２】
垂直磁場発生部１４は、誘導管１５を挟むように設けられて、イオンビームの進行方向と垂直な磁場を発生する。
【００５３】
図５は、誘導管１５において、イオンビームが加速される状態を示す説明図である。
【００５４】
プラズマフォーカス部１３から誘導管１５内に伝搬したプラズマ（イオンビーム）は、誘導管１５に加えられた垂直磁場内を通過する。このとき、磁場の圧縮によって電場が誘導されて、プラズマはさらに加速する。
【００５５】
誘導管１５の長さをイオン及び電子の平均自由行程よりも短く設定することで、誘導管１５内を伝播するプラズマは無衝突となり高エネルギー状態が維持される。
【００５６】
そして、誘導管１５から出力されたイオンビームは、ビームを利用する治療装置や後段に設けられた加速器などに供給される。
【００５７】
図６は、第１実施形態に係るイオン源１０の変形例を示す構成図である。
【００５８】
この変形例では、イオンビームと電子と分離する偏向部３７が、誘導管１５のビーム出口に設けられている。偏向部３７としては、静電デフレクタ、静電レンズ、偏向電磁石が例示される。
【００５９】
ホールスラスタ１１の陰極２６にホローカソードを用いた場合、誘導管１５から出力されるビームには、イオンビームと共にイオンを中和するための電子も含まれる。電子が含まれた状態のビームのままでは制御が複雑となる。
【００６０】
このため、偏向部３７を用いて電子を分離することで、イオンビームのみを取り出すことができ、粒子線治療装置、ＢＮＣＴ、または中性子源にイオン源１０を容易に適用できる。
【００６１】
図７は、第１実施形態に係るイオンビーム発生方法を示すフローチャートである（適宜、図１参照）。
【００６２】
電離用のガスが、ホールスラスタ１１内の空間に陽極２５を介して供給される（Ｓ１０）。陽極２５と陰極２６との間に電圧を印加して、外側磁気部１６と内側磁気部２０により生じた径方向の磁場と直交する方向の電場を発生させる（Ｓ１１）。
【００６３】
陰極２６から電子が供給されることで、電子がクロースフィールドにより空間内に閉じ込められ、閉じ込められた電子によりガスが電離されてプラズマが発生する（Ｓ１２、Ｓ１３）。
そして、ホールスラスタ１１内の電場によりイオンは加速されて、プラズマフォーカス部１３に進入する（Ｓ１４）。
【００６４】
内側陽極３０と外側陰極３２との間に電圧が印加されて、プラズマ（イオンビーム）を介して放射状の電流が流れることでプラズマフォーカス部１３の周方向に自己磁場が発生する（Ｓ１５）。
自己磁場とプラズマを介して流れる電流とで生じるローレンツ力により、プラズマがプラズマフォーカス部１３の軸方向に加速移動される（Ｓ１６）。
【００６５】
そして、内側陽極３０の開放部においてプラズマは圧縮する（Ｓ１７）。
誘導管１５内との圧力差によってプラズマが、誘導管１５に伝搬する（Ｓ１８）。
【００６６】
イオンビームが垂直磁場を通過する際に誘導される電場によってイオンビームが無衝突で加速して、イオンビームが出力される（Ｓ１９、Ｓ２０）。
【００６７】
このように、大電流のビーム（数百ｍＡ程度）を出力可能であるホールスラスタ１１を用いてイオンビームを発生させて、絶縁部１２を介して連通されたプラズマフォーカス部１３及び誘導管１５により加速することで、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を出力できる。このため、出力されたイオンビームは、大電流のイオンビームが必要となる粒子線治療装置やＢＮＣＴ等の治療装置に利用することができる。
【００６８】
（第２実施形態）
続いて、本実施形態に係るイオン源１０を、航空宇宙の分野におけるロケットエンジンに適用する場合について説明する。
【００６９】
図８は、第２実施形態に係るイオン源１０の構成図を示している。なお、図８において第１実施形態（図１）と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００７０】
第２実施形態に係るイオン源１０では、誘導管１５を設けず、プラズマフォーカス部１３における外側陰極３２の径を、内側陽極３０の開放部において狭まるように形成して、開放部からビーム出力口まで広がるように形成する。プラズマフォーカス部１３は、帯電を防止するために、絶縁体３８により周囲が覆われている。
【００７１】
開放部で圧縮されたプラズマは、外側陰極３２の径が広がる領域で発散してイオンビームが外部に排出される。
【００７２】
また、陰極２６としてホローカソードを用いることで、ホールスラスタ１１から出力されるイオンビームは中和されるため、イオン源１０が適用される船体の帯電を防止することができる。
【００７３】
一般的なロケットエンジンに用いられる推進システムとして、静電推進システムや電磁推進システムがある。静電推進システムは、ホールスラスタに例示されるように、静電的な電場を印加して、電離された推進剤を静電場により加速するシステムである。一方、電磁推進システムは、ＭＰＤ（Magneto Plasma Dynamic）スラスタに例示されるように、電場と磁場の複合作用により推進剤を加速するシステムである。
【００７４】
静電推進システムは、スラスタの推進性能を高めるためには多くの電力を使用するが、宇宙空間を飛行する宇宙船では、利用可能な電力は制限されるため、大きな推力を得ることは困難となる。一方、電磁推進システムは、静電加速による推進に比べて推力密度は高いが、大規模な予備の電離装置が必要であるという課題がある。
【００７５】
一方、第２実施形態に係るイオン源１０は、ホールスラスタ１１を用いてイオンビームを発生させて、プラズマフォーカス部１３により加速させたビームを排出可能とすることで、約１００ｋ（ｍ／ｓ）までの高い排気速度を有するイオンビームを低い消費電力で出力することができる。
【００７６】
（第３実施形態）
図９は、第３実施形態に係るイオン源１０の構成図を示している。なお、図９において第２実施形態（図８）と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００７７】
第３実施形態に係るイオン源１０は、プラズマフォーカス部１３の外側に軸方向に沿って配置されて、軸方向に磁場を加えるソレノイド３９をさらに備えている。
【００７８】
外部磁場となるソレノイド３９は、プラズマフォーカス部１３内に発生する自己磁場より強くなる。このため、イオンは十分に磁化されていないときには、軸方向の磁気的な圧力差によってイオンビームはさらに加速される。
【００７９】
一方、イオンが十分に磁化されているときに、電場線と磁場線とが垂直でない場合、軸方向の磁場に沿った運動の成分が現れる。この結果、イオンビームは軸方向に沿ったサイクロトロン運動を行う。これにより、イオンビームの発散は抑制されて排出される。
【００８０】
このように、ソレノイド３９により外部磁場をプラズマフォーカス部１３の軸方向に加えることで、イオンビームを加速し、イオンビームの発散を抑制して出力することができる。
【００８１】
以上述べた各実施形態のイオン源によれば、ホールスラスタで加速されたイオンビームを、プラズマフォーカス部において加速させて圧縮することにより、線形加速器を用いること無く、大電流かつ高エネルギーなイオンビームを出力することができる。
【００８２】
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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。
【符号の説明】
【００８３】
１０…イオン源、１１…ホールスラスタ、１２（１２ａ，１２ｂ）…絶縁部、１３…プラズマフォーカス部、１４…垂直磁場発生部、１５…誘導管、１６…外側磁気部、１７（１７ａ，１７ｂ）…外側コイル、１８…外側磁気コア、１９…外側誘電体、２０…内側磁気部、２１…内側磁気コア、２２…内側コイル、２３…内側誘電体、２４…ガス供給管、２５…陽極、２６…陰極、２７…閉止部、３０…内側陽極、３１…先端部、３２…外側陰極、３３…ヒータ、３４…電子供給口、３５…ガス供給口、３６…電流路、３７…偏向部、３８…絶縁体、３９…ソレノイド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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