(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部で負イオンが生成される中空状のチャンバと、
前記チャンバ内に前記負イオンの原料となる原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記チャンバの一端側に設けられ、前記原料ガス供給部により供給された前記原料ガスを用いてプラズマを生成するプラズマ生成部と、
前記プラズマ内の電子を前記チャンバの他端側へ導き、前記電子及び前記負イオンの原料から前記負イオンを生成する負イオン生成部と、
負イオンの生成を促進する促進物質を前記チャンバ内に供給する促進物質供給部と、
前記チャンバの他端側に設けられ、前記チャンバ内で生成された負イオンを前記チャンバの外に引き出すことが可能な貫通孔を有する電極と、
加熱及び冷却の少なくとも一方を行うことにより前記チャンバの壁部の温度を調整する温度調整部と、
前記温度調整部を制御する温度制御部と、を備え、
前記温度制御部は、前記電極に堆積した前記促進物質の量に応じて変化する値に基づいて前記温度調整部を制御する、負イオン源装置。
【請求項２】
前記電極より下流側に設けられ、前記電極によって引き出された負イオンの電流値を測定する電流測定部を更に備え、
前記温度制御部は、前記電流測定部で測定された電流値の変動に基づいて前記温度調整部を制御する、請求項１に記載の負イオン源装置。
【請求項３】
前記温度制御部は、前記電流値が低下した場合に、前記温度調整部による加熱量を低下させる、請求項２に記載の負イオン源装置。
【請求項４】
前記温度調整部は、前記チャンバの延伸方向に沿って複数の分割温度調整部に分割され、
各々の前記分割温度調整部は、独立して温度調整が可能である、請求項１〜３の何れか一項に記載の負イオン源装置。
【請求項５】
前記促進物質供給部は、前記チャンバの前記一端側の中心部に設けられている、請求項１〜４の何れか一項に記載の負イオン源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一形態は、負イオン源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速器などに用いられるイオン源装置として、例えば、固体を原料とするプラズマスパッタ型の負イオン源装置や、気体（例えば、水素ガス）を原料として負イオンビームを生成する負イオン源装置が知られている。後者の負イオン源装置は、例えば、チャンバと、チャンバ内にプラズマを生成するためのフィラメントと、チャンバ内に水素ガスを供給する水素ガス供給部と、チャンバ内にセシウムを供給するためのセシウム供給源と、チャンバ内で生成された負イオンをチャンバ外に引き出すプラズマ電極と、を備える。フィラメントには電流が流れているので、加熱されたフィラメントからは熱電子が放出され、チャンバ内の水素ガスと衝突してプラズマが生成される。そして、プラズマ中の低速電子又はプラズマ電極表面の電子と、水素分子、水素原子、又は水素イオンと、が反応することにより、負イオンが生成される。
【０００３】
セシウムが付着した物質の表面においては仕事関数が低下するので、セシウムは、負イオンの生成を促進する機能を有する。そのため、セシウムがセシウム供給源によってチャンバ内に供給されると、負イオン源から引き出される負イオン量の増大が図られる。こうしてチャンバ内に蒸気の状態で供給されたセシウムは、負イオン源装置の稼働に伴い、徐々にチャンバの壁面に固体又は液体の状態で堆積していく。
【０００４】
特許文献１には、チャンバを加熱することによって、チャンバの壁部にセシウムのような負イオンの生成を促進する促進物質が堆積することを抑制し、プラズマ電極へのセシウムの堆積を促進することが可能な負イオン源装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１３８６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、プラズマ電極に堆積する促進物質の量が多過ぎると、負イオン源から引き出される負イオン量が減少する。上述の負イオン源装置は、プラズマ電極に堆積する促進物質の量を調整することができないため、負イオン源から引き出される負イオン量が減少する可能性があった。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、負イオン源から引き出される負イオン量の減少を抑制できる負イオン源装置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】
【０００８】
本発明の一形態に係る負イオン源装置は、内部で負イオンが生成される中空状のチャンバと、チャンバ内に負イオンの原料となる原料ガスを供給する原料ガス供給部と、チャンバの一端側に設けられ、原料ガス供給部により供給された原料ガスを用いてプラズマを生成するプラズマ生成部と、プラズマ内の電子をチャンバの他端側へ導き、電子及び負イオンの原料から負イオンを生成する負イオン生成部と、負イオンの生成を促進する促進物質をチャンバ内に供給する促進物質供給部と、チャンバの他端側に設けられ、チャンバ内で生成された負イオンをチャンバの外に引き出すことが可能な貫通孔を有する電極と、加熱及び冷却の少なくとも一方を行うことによりチャンバの壁部の温度を調整する温度調整部と、温度調整部を制御する温度制御部と、を備え、温度制御部は、前記電極に堆積した促進物質の量に応じて変化する値に基づいて温度調整部を制御する。
【０００９】
一形態に係る負イオン源装置は温度調整部を備えているので、チャンバの壁部の温度を調整することが可能である。チャンバ内に供給された促進物質の状態（気体、液体、又は固体）は温度に応じて変化するので、チャンバの壁部の温度を調整することにより、チャンバの壁部及び電極に堆積する促進物質の量を制御することが可能である。例えば、温度調整部によってチャンバの壁部を加熱した場合、促進物質はチャンバの壁部に堆積しにくくなるので、電極に促進物質が堆積しやすくなる。反対に、温度調整部によってチャンバの壁部を冷却又は加熱量を低下させた場合、促進物質はチャンバの壁部に堆積しやすくなるので、電極に促進物質が堆積しにくくなる。また、温度制御部は、促進物質の量に応じて変化する値に基づいて温度調整部を制御するので、電極に堆積する促進物質の量を間接的に把握し、適切な量に調整することができる。したがって、負イオン源から引き出される負イオン量の減少を抑制することが可能である。
【００１０】
一形態では、負イオン源装置は、電極より下流側に設けられ、電極によって引き出された負イオンの電流値を測定する電流測定部を更に備え、温度制御部は、電流測定部で測定された電流値の変動に基づいて温度調整部を制御してもよい。電流値は、電極に堆積する促進物質の量に応じて変化するので、電流値を測定することによって、電極に堆積する促進物質の量を知ることができる。また、この構成によれば、電流値の変動に基づいて温度調整部を制御するので、電極に堆積する促進物質の量を間接的に適切な量に調整することができる。したがって、負イオン源から引き出される負イオン量の減少を抑制することが可能である。
【００１１】
一形態では、温度制御部は、電流値が低下した場合に、温度調整部による加熱量を低下させてもよい。この構成によれば、チャンバの壁部に促進物質が堆積しやすくなるので、電極に堆積する促進物質の量を減少させることができる。したがって、電極に堆積する促進物質の量が適切な量を越えた場合であっても、促進物質の量を適切な量に調整することができ、負イオン源から引き出される負イオン量の減少を抑制することが可能である。
【００１２】
一形態では、温度調整部は、チャンバの延伸方向に沿って複数の分割温度調整部に分割され、各々の分割温度調整部は、独立して温度調整が可能であってもよい。熱を発するプラズマ生成部はチャンバの一端側に設けられているので、チャンバ内の温度分布は、チャンバの延伸方向においてばらつきが生じやすい。この構成によれば、各々の分割温度調整部を独立して調整することができるので、チャンバ内の温度分布をより均一に保つことができる。また、チャンバの延伸方向において任意の温度分布を形成することができるので、チャンバの壁部の特定の箇所に促進物質を堆積させることが可能である。
【００１３】
一形態では、促進物質供給部は、チャンバの一端側の中心部に設けられてもよい。この構成によれば、促進物質供給部と、チャンバの一端側及び他端側を繋ぐ側壁との間に所定の距離が保たれるので、促進物質供給部から供給された促進物質がチャンバの側壁に付着することを抑制できる。したがって、促進物質の利用効率をより高めることが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、負イオン源から引き出される負イオン量の減少を抑制できる負イオン源装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一形態に係る負イオン源装置を備える中性子捕捉療法装置を概略的に示す図である。
【図２】本発明の一形態に係る負イオン源装置を概略的に示す図である。
【図３】負イオン源装置のチャンバ及び温度調整部を概略的に示す斜視図である。
【図４】温度調整部によって温度調整を行わない場合のチャンバの壁部の温度分布を模式的に示す図である。
【図５】温度調整部によって温度調整を行った場合のチャンバの壁部の温度分布を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付すこととする。
【００１７】
まず、本発明の一形態に係る負イオン源装置１００を備える中性子捕捉療法装置１を例にとり、中性子捕捉療法装置１の概要について図１を参照しつつ説明する。中性子捕捉療法装置１は、ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Boron  Neutron  Capture  Therapy）を用いたがん治療などを行うために用いられる装置であり、ホウ素（１０Ｂ）が投与された患者５０の腫瘍へ中性子線Ｎを照射する。
【００１８】
中性子捕捉療法装置１は、加速器２を備える。加速器２は、負イオン源装置１００で生成された負イオン（陰イオンともいう）を加速して、荷電粒子線Ｒを生成する。この加速器２としてサイクロトロンを適用した場合、加速器２は、例えば、ビーム半径４０ｍｍ、６０ｋＷ（＝３０ＭｅＶ×２ｍＡ）の荷電粒子線Ｒを生成する能力を有している。中性子捕捉療法装置１は、加速器２として、サイクロトロンに限られず、シンクロトロン、シンクロサイクロトロン、ライナックなどを用いてもよい。
【００１９】
加速器２から出射された荷電粒子線Ｒは、ビームダクト３を通り、ターゲット６へ向かって進行する。このビームダクト３に沿って複数の四極電磁石４及び走査電磁石５が設けられている。走査電磁石５は、荷電粒子線Ｒを走査し、ターゲット６に対する荷電粒子線Ｒの照射位置を制御する。
【００２０】
中性子捕捉療法装置１は、制御部（算出手段）Ｓを備える。制御部Ｓは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する電子制御ユニットであり、中性子捕捉療法装置１を総合的に制御する。
【００２１】
制御部Ｓは、ターゲット６に照射される荷電粒子線Ｒの電流値（即ち、電荷、照射線量率）をリアルタイムで測定する電流モニタＭに接続されており、その計測結果に応じて中性子捕捉療法装置１の各部の制御を行う。電流モニタＭとしては、例えば、荷電粒子線Ｒに接触することなく電流を測定可能な非破壊型のＤＣＣＴ（Direct Current Current Transformer）を用いることができる。
【００２２】
ターゲット６は、荷電粒子線Ｒの照射を受けて中性子線Ｎを生成する。ターゲット６は、例えば、直径１６０ｍｍの円板状を呈する。ターゲット６は、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）、リチウム（Ｌｉ）、タンタル（Ｔａ）、又はタングステン（Ｗ）で形成してもよい。ターゲット６は、板状（固体）に限られず、液状であってもよい。
【００２３】
遮蔽体７は、発生した中性子線Ｎや、当該中性子線Ｎの発生に伴って生じたガンマ線等が、中性子捕捉療法装置１の外部へ放出されないように遮蔽する。減速材８は、中性子線Ｎを減速（中性子線Ｎのエネルギーを減衰）させる機能を有する。減速材８は、第１及び第２の減速材８Ａ,８Ｂが積層されて構成されている。第１の減速材８Ａは、中性子線Ｎに含まれる速中性子を主に減速させる。第２の減速材８Ｂは、中性子線Ｎに含まれる熱外中性子を主に減速させる。
【００２４】
コリメータ９は、中性子線Ｎの照射野（中性子線Ｎの進行方向に直交する平面における照射範囲）を形成するものであり、中性子線Ｎが通過する開口９ａを有している。ターゲット６で発生した中性子線Ｎは、減速材８を通り抜けた後、一部がコリメータ９の開口９ａを通過する一方で、残部がコリメータ９の開口９ａを確定する周辺部により遮蔽される。その結果、コリメータ９を通過した中性子線Ｎは、開口９ａの形状に対応した形状に成形される。
【００２５】
中性子線量測定装置１０は、治療台５１上の患者５０に照射される中性子線Ｎの線量及び線量分布を測定する装置である。
【００２６】
続いて、負イオン源装置１００の構成について、図２を参照しつつ説明する。負イオン源装置１００は、負イオン源１０２と、真空ボックス１０４とを備える。負イオン源１０２と真空ボックス１０４とは、絶縁フランジ１０６によって接続されている。
【００２７】
負イオン源１０２は、中空状のチャンバ１０８と、磁石１１０と、プラズマ生成部１１２と、セシウム導入部１１４と、プラズマ電極１１６と、温度調整部１２８と、温度制御部１３０とを有する。
【００２８】
チャンバ１０８は、図示しない真空ポンプと接続されており、内部を真空状態に保持可能である。チャンバ１０８は、円筒状を呈する本体部１０８ａと、本体部１０８ａの一端側に設けられた蓋部１０８ｂとを有している。本体部１０８ａは円筒状を呈しており、チャンバ１０８の側壁をなしている。本体部１０８ａには、温度調整部１２８を配置するための複数の溝部１０９が形成されている。溝部１０９（図３参照）は、本体部１０８ａの周方向に延び、本体部１０８ａの軸方向において離間して設けられている。本体部１０８ａの両端には、外方に向けて突出する鍔部１０８ｃ，１０８ｄがそれぞれ設けられている。蓋部１０８ｂは、本体部１０８ａの一端側に位置する鍔部１０８ｃに着脱自在に取り付けられており、本体部１０８ａの一端（解放端）を開放又は閉塞する。蓋部１０８ｂにも、温度調整部１２８を配置するための複数の溝部１０９が形成されていてもよい。
【００２９】
磁石１１０は、第１磁石１１０Ａと第２磁石（負イオン生成部）１１０Ｂとから構成されている。第１磁石１１０Ａは、チャンバ１０８内で生成されたプラズマをチャンバ１０８に閉じ込める磁場を生成する機能を有する。第２磁石１１０Ｂは、所定のエネルギー以上の電子を遮断する磁場を生成する機能を有する。第１磁石１１０Ａ及び第２磁石１１０Ｂは、本体部１０８ａの外周面に配置されており、本体部１０８ａの軸方向において、一端側（プラズマ生成部１１２が設けられている側）に第１磁石１１０Ａが設けられ、他端側（プラズマ電極１１６が設けられている側）に第２磁石１１０Ｂが設けられている。磁石１１０は、磁石ホルダー（図示せず）によって保持されており、磁石ホルダーには、磁石１１０を冷却するための冷却管（図示せず）が配置されている。冷却管内には水などの冷媒が循環される。なお、冷却管を用いず、磁石１１０が直接冷媒と接触して冷却される構成としてもよい。
【００３０】
プラズマ生成部１１２は、本体部１１２ａと、本体部１１２ａの端面から外方（チャンバ１０８の他端側、プラズマ電極１１６側）に延びる一対のフィラメント１１２ｂとを有する。本体部１１２ａは、蓋部１０８ｂの内壁面に取り付けられている。本体部１１２ａには、図示しない直流電源が接続されている。当該直流電源は、フィラメント１１２ｂに電圧及び電流を印加し、フィラメント１１２ｂを発熱させると共に、フィラメント１１２ｂとチャンバ１０８（本体部１０８ａ）との間に電位差を生じさせる。
【００３１】
セシウム導入部（促進物質供給部）１１４は、チャンバ１０８の一端側の中心部に設けられている。本実施形態では、セシウム導入部１１４は、蓋部１０８ｂを貫通するように蓋部１０８ｂの中心部に設けられている。セシウム導入部１１４の先端は、チャンバ１０８内に位置している。セシウム導入部１１４には、セシウム供給源１１８が接続されており、本実施形態では、セシウムが気体（蒸気）の状態でチャンバ１０８に供給される。なお、供給されるセシウムの状態は気体に限定されず、固体のセシウムをチャンバ内に配置することにより供給されてもよい。また、促進物質の種類はセシウムに限定されず、付着した物質の表面において仕事関数を低下させる機能を有する物質であればよい。また、セシウム導入部１１４が設けられる位置はチャンバ１０８の一端側の中心部に限定されず、チャンバ１０８の任意の部分に設けることができる。
【００３２】
プラズマ電極１１６は、チャンバ１０８の他端側に設けられる。本実施形態では、プラズマ電極１１６は、本体部１０８ａの他端側に位置する鍔部１０８ｄに設けられた絶縁フランジ１２０と、真空ボックス１０４側の絶縁フランジ１０６との間に配置されている。プラズマ電極１１６は、電圧が可変の電源（図示せず）に接続されている。当該電源を制御することにより、プラズマ電極１１６に印加される電圧の大きさを制御することができる。これにより、チャンバ１０８内のプラズマ分布を調整し、チャンバ１０８から引き出される負イオンの量を制御する。プラズマ電極１１６は、チャンバ１０８内で生成された負イオンをチャンバ１０８外（本実施形態では真空ボックス１０４側）に引き出すことが可能な貫通孔１１６ａを有している。プラズマ電極１１６は、通電により、例えば２５０℃程度に発熱する。
【００３３】
プラズマ電極１１６の近傍には、ガス供給源（原料ガス供給部）１２２に接続された配管１１６ｂが設けられている。すなわち、配管１１６ｂは、チャンバ１０８の他端側に位置している。ガス供給源１２２は、原料ガス源（水素ガス源）及び不活性ガス源（アルゴンガス源）を含む。すなわち、ガス供給源１２２の原料ガスや不活性ガスは、配管１１６ｂを通じて本体部１０８ａの他端側からチャンバ１０８内に供給される。
【００３４】
温度調整部１２８は、加熱及び冷却の少なくとも一方を行うことによりチャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度を調整する。温度調整部１２８は、壁部１０８ｅに設けられている。なお、温度調整部１２８の詳細な説明については後述する。
【００３５】
温度制御部１３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する電子制御ユニットであり、温度調整部１２８を制御する。なお、温度制御部１３０は、中性子捕捉療法装置１全体の制御を行う制御部Ｓ（図１参照）に含まれていてもよく、制御部Ｓとは別体で設けられていてもよい。なお、温度制御部１３０の詳細な説明については後述する。
【００３６】
真空ボックス１０４は、チャンバ１０８のうち負イオンビームが引き出される下流側（チャンバ１０８の他端側）に位置している。真空ボックス１０４は、チャンバ１０８と同様に、内部を真空状態に保持可能である。真空ボックス１０４内には、引出電極などの電極１２４、負イオンビームの電流値を測定する電流測定部１３２、負イオンビームの軌道を変化させるステアリングコイル（図示せず）等が配置されている。
【００３７】
電流測定部１３２は真空ボックス１０４内に配置されており、チャンバ１０８から引き出された負イオンビームの電流値を測定する。電流測定部１３２は可動部を有しており、負イオンビームの電流値を測定する際には、プラズマ電極１１６の貫通孔１１６ａの延長線（負イオンビームが引き出される射線）ＣＬ上に配置される。電流値の測定を行わない場合には、電流測定部１３２は、負イオンビームと干渉しない位置に収納される。つまり、電流値の測定を行わない場合には、電流測定部１３２は、貫通孔１１６ａの延長線ＣＬから離間する位置へ退避する。負イオンビームの電流値の測定には、例えば、ファラデーカップなどが用いられ得る。
【００３８】
上記の負イオン源装置１００において、負イオンを生成する際には、まずチャンバ１０８及び真空ボックス１０４内を真空ポンプにより真空引きする。次に、ガス供給源１２２により原料ガス（水素ガス）をチャンバ１０８内に供給すると共に、セシウム供給源１１８によりセシウムガスをチャンバ１０８内に供給する。セシウム供給源１１８によるセシウムの供給量は、引き出したい負イオンビームのビーム量に応じて調整してもよい。セシウムが付着した物質の表面においては仕事関数が低下するので、セシウムは、負イオンの生成を促進する機能を有する。
【００３９】
次に、プラズマ生成部１１２に電流を流し、プラズマ生成部１１２とチャンバ１０８との間に電圧が印加される。電流が流れることにより加熱されたフィラメント１１２ｂとチャンバ１０８との間に電圧が印加されることにより、フィラメント１１２ｂからチャンバ１０８へ熱電子が放出され、アーク放電が起きる。当該熱電子は、チャンバ１０８内に充満している水素ガスと衝突して電子を弾き出し、当該水素ガスをプラズマ化させる。生成されたプラズマは、第１磁石１１０Ａが生成する磁場により、チャンバ１０８内に閉じ込められる。
【００４０】
プラズマ内には、エネルギーの高い電子である高速電子と、エネルギーが低い低速電子とが混在している。第２磁石１１０Ｂは、所定のエネルギー以上のエネルギーを有する高速電子を遮断する磁場を生成し、高速電子をチャンバ１０８における一端側（プラズマ生成部１１２が設けられている側）に留まらせる。また、第２磁石１１０Ｂは、所定のエネルギーよりも低いエネルギーを有する低速電子が、チャンバ１０８における他端側（プラズマ電極１１６が設けられている側）へ進入することを許容する。このように、プラズマ中に存在する電子のうち高速電子と低速電子とが、第２磁石１１０Ｂによって弁別される。なお、プラズマ中には電子だけでなく、水素原子や水素分子等も存在するが、水素原子や水素分子は磁石１１０が生成する磁場の影響を受けづらいため、チャンバ１０８内を自由に行き来できる。チャンバ１０８の他端側において、低速電子又はプラズマ電極１１６表面の電子と、プラズマ中の水素分子、水素原子、又は水素イオンと、が反応することにより、負イオンが生成される。こうして生成された負イオンは、プラズマ電極１１６の貫通孔１１６ａを通じてチャンバ１０８の外に引き出され、真空ボックス１０４を介して加速器２に導入される。
【００４１】
次に、温度調整部１２８及び温度制御部１３０について詳細に説明する。
【００４２】
本実施形態において、温度調整部１２８は、加熱部及び冷却部を両方備えている。温度調整部１２８は、加熱部及び冷却部を用いて、壁部１０８ｅに対する加熱量を調整することができる。加熱量を低下させる場合、温度調整部１２８は、加熱部の出力を低下させ（又は停止）、冷却部による出力を増加させる。逆に、加熱量を増加させる場合、温度調整部１２８は、加熱部の出力を増加させ、冷却部による出力を低下（又は停止）させればよい。なお、温度調整部１２８は、加熱部及び冷却部のいずれか一方のみを備えていてもよい。この場合でも、加熱部の出力を低下又は停止させることで加熱量を低下させることができ、冷却部による出力を低下又は停止させることで加熱量を増加させることができる。
【００４３】
ここで、図３を参照して、温度調整部１２８について詳細に説明する。図３は、負イオン源装置１００のチャンバ１０８及び温度調整部１２８を概略的に示す斜視図である。
【００４４】
図３に示すように、温度調整部１２８は、加熱部として、チャンバ１０８の壁部１０８ｅを加熱する複数のヒータ１２８ａと、冷却部として、チャンバ１０８の壁部１０８ｅを冷却する複数の冷却管１２８ｂと、チャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度を検知する複数の温度センサ１２８ｃとを有している。ヒータ１２８ａ、冷却管１２８ｂ、及び温度センサ１２８ｃは、それぞれチャンバ１０８の本体部１０８ａに形成された溝部１０９に配置されている。ヒータ１２８ａ及び冷却管１２８ｂは本体部１０８ａの周方向を一巻きするように伸びており、チャンバ１０８の延伸方向において一定の距離離間した状態で交互に配置されている。温度センサ１２８ｃは、ヒータ１２８ａと冷却管１２８ｂとの間に配置されている。ヒータ１２８ａとしては、例えば、シースヒータなどを用いることができる。冷却管１２８ｂには、例えば、冷却水などの冷媒を流すことができる。また、温度センサ１２８ｃには、例えば、熱電対などを用いることができる。温度調整部１２８は、例えば、１０℃〜２５０℃程度の範囲内において、チャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度を調整することができる。
【００４５】
温度調整部１２８は、チャンバ１０８の延伸方向に沿って、複数の分割温度調整部１２９に分割することができる。各分割温度調整部１２９は、少なくとも一組のヒータ１２８ａ及び冷却管１２８ｂを有しており、後述の温度制御部１３０によって独立して制御され得る。ここで、温度調整部１２８が「分割」された状態とは、一の分割温度調整部１２９が他の分割温度調整部１２９の影響を受けることなく、固有の温度調整条件を設定することができる状態である。具体的に、ヒータ１２８ａが分割されている状態とは、分割された部分に対して電流が独立して供給され、他の部分と電気的に接続されていない状態をいう。冷却管１２８ｂが分割されている状態とは、分割された各々の部分が、独立した冷媒の流入口及び流出口を有している状態をいう。また、「独立して制御」とは、一つの分割温度調整部１２９のみを所定の条件で温度調整できることをいう。例えば、一つの分割温度調整部１２９ではヒータ１２８ａによってチャンバ１０８の壁部１０８ｅを加熱し、他の分割温度調整部１２９では冷却管１２８ｂによってチャンバ１０８の壁部１０８ｅを冷却するなどの制御が可能である。
【００４６】
また、温度調整部１２８はチャンバ１０８の蓋部１０８ｂにも配置されている（図２参照）。蓋部１０８ｂにおいては、例えば、直線状に伸びるヒータ１２８ａ及び冷却管１２８ｂを交互に配置し、ヒータ１２８ａと冷却管１２８ｂとの間に温度センサ１２８ｃを配置することができる。なお、蓋部１０８ｂにおける温度調整部１２８の配置は上記に限定されず、例えば、環状のヒータ１２８ａ及び冷却管１２８ｂを同心円状に配置してもよい。
【００４７】
温度制御部１３０は、プラズマ電極１１６に堆積した促進物質（セシウム）の量に応じて変化する値に基づいて温度調整部１２８を制御する。より具体的には、温度制御部１３０は、電流測定部１３２によって測定された負イオンビームの電流値の変動、及び、温度センサ１２８ｃによって測定されたチャンバの壁部１０８ｅの温度に基づいてヒータ１２８ａ及び冷却管１２８ｂを制御する。すなわち、本実施形態では、「プラズマ電極１１６に堆積した促進物質の量に応じて変化する値」として、負イオンビームの電流値を用いている。ここで、「電流値の変動」とは、電流値が増大又は減少することである。温度制御部１３０は、例えば、電流値が所定の閾値を超えて増大又は減少した場合に、温度調整の制御を行ってよい。閾値は、例えば、具体的な数値で定められてもよく、目標の電流値から増大又は減少する割合によって定められてもよい。その他、温度制御部１３０は、次のような制御を行ってよい。負イオンビームの電流値は、アーク放電パワーによって増減させることができるので、負イオンビーム電流の変動は、アーク放電パワーを調整することによって抑制することができる。しかしながら、プラズマ電極１１６表面の促進物質の堆積量が最適量から外れた場合、負イオンビームの電流値は目標値から減少していき、アーク放電パワーに対する負イオンビームの電流値の応答性は悪くなる。すなわち、減少した負イオンビームの電流値を再び目標値まで増加させるためにアーク放電パワーを高い値に設定しても、負イオンビームの電流値の増加率が小さくなる。プラズマ電極１１６表面の促進物質の堆積量が最適量からさらに大きく外れれば、アーク放電パワーを高い値に設定しても負イオンビームの電流値は増加せず、時間とともに減少する一方となる。そこで、アーク放電パワーによる負イオンビームの電流値の増加率に閾値を設けておき、この増加率が当該閾値を下回った際に、プラズマ電極１１６表面の促進物質の堆積量が最適量から外れたと判断し、温度調整の制御を実施する。
【００４８】
ここで、温度制御部１３０が、電流測定部１３２によって計測された負イオンビームの電流値の変動に基づいて温度調整部１２８を制御する場合の制御内容について説明する。プラズマ生成部１１２における放電量及びガス供給源１２２から供給されるガスの流量が一定である場合、チャンバ１０８から引き出される負イオンビームのビーム量は、プラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量の変化によって増減する。したがって、負イオンビームのビーム量を一定に保つために、プラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量を適切な量に保つ必要がある。プラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量が多くなり過ぎると、負イオンビームのビーム量が低下し、電流測定部１３２によって測定された電流値が低下する。このようなときに、プラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量を減少させる場合には、プラズマ電極１１６の温度を高くして余分なセシウムをプラズマ電極１１６から離脱させると共に、温度調整部１２８によってチャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度を低下させる。これにより、プラズマ電極１１６に堆積した余分なセシウムはプラズマ電極１１６から離脱し、チャンバ１０８の壁部１０８ｅに堆積しやすくなる。
【００４９】
一方、プラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量が少なくなり過ぎると、負イオンビームのビーム量が低下し、電流測定部１３２によって測定された電流値が低下する。このようなときに、プラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量を増加させる場合には、温度調整部１２８によってチャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度を高くする。これにより、壁部１０８ｅに堆積したセシウムを離脱させ、プラズマ電極１１６にセシウムを供給することができるので、プラズマ電極１１６にセシウムが堆積しやすくなる。このように、温度調整部１２８によってチャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度を調整することにより、間接的にプラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量を適切な量に調整することができる。また、チャンバ１０８の壁部１０８ｅとプラズマ電極１１６との間でセシウムを循環させることができるので、セシウムの利用効率が高まり、セシウム供給源１１８から供給するセシウムの量を低減することができる。更に、チャンバ１０８の壁部１０８ｅに堆積するセシウムを離脱させることが可能となったことにより、チャンバ１０８のメンテナンスの頻度を低下させることができる。
【００５０】
なお、電流測定部１３２によって測定された電流値の増減と、プラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量の増減とは、必ずしも一致しない。例えば、電流測定部１３２によって測定された電流値が減少した場合、プラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量を増加させることによって減少した電流値が増加する場合と、プラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量を減少させることによって減少した電流値が増加する場合とがある。したがって、実際の制御においては、温度制御部１３０は、まず温度調整部１２８によってチャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度を上昇又は低下させ、電流測定部１３２によって測定される電流値が変化する傾向を確認する。その後、温度制御部１３０は、減少した電流値を増加させるために壁部１０８ｅの温度を上昇させるべきか、又は低下させるべきかを決定し、温度調整部１２８を制御する。なお、この制御においては、最初に壁部１０８ｅの温度を一時的に上昇させた場合であっても、最終的に壁部１０８ｅの温度を低下させていれば、壁部１０８ｅの温度が低下するように制御したこととする。反対に、最初に壁部１０８ｅの温度を低下させた場合であっても、最終的に壁部１０８ｅの温度を上昇させていれば、壁部１０８ｅの温度が上昇するように制御したこととする。
【００５１】
温度制御部１３０は、チャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度分布が均一となるように、各分割温度調整部１２９を独立して制御することができる。ここで、図４及び図５を参照して、上記の工程における温度調整部１２８の動作の一例について説明する。図４は温度調整部１２８によって温度調整を行わない場合のチャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度分布を模式的に示す図である。図５は温度調整部１２８によって温度調整を行った場合のチャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度分布を模式的に示す図である。
【００５２】
チャンバ１０８内に配置されているプラズマ生成部１１２は、プラズマを生成する際に高温となる。このため、例えば図４に示すように、チャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度分布にばらつきが生じる。温度制御部１３０は、温度センサ１２８ｃが測定した温度に基づいて、温度調整部１２８の各分割温度調整部１２９を制御する。例えば、比較的高温の部分においては、冷却管１２８ｂを用いて冷却を行う、又は、ヒータ１２８ａの出力を低下させることにより、壁部１０８ｅの温度を低下させる。また、比較的低温の部分においては、ヒータ１２８ａの出力を高めることにより、壁部１０８ｅの温度を上昇させる。これにより、図５に示すように、チャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度分布を均一にすることができる。したがって、チャンバ１０８の壁部１０８ｅにおいて、局所的にセシウムが集中して堆積することを抑制できる。
【００５３】
なお、温度制御部１３０は、チャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度分布が均一となるように各分割温度調整部１２９を制御しなくてもよい。例えば、壁部１０８ｅの特定の箇所にセシウムを堆積させたい場合には、温度制御部１３０は、意図的に低温部分を形成するように各分割温度調整部１２９を制御してもよい。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態に係る負イオン源装置１００では、温度調整部１２８を備えているので、チャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度を調整することが可能である。チャンバ１０８内に供給されたセシウムの状態は温度に応じて変化するので、チャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度を調整することにより、チャンバ１０８の壁部１０８ｅ及びプラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量を制御することが可能である。
【００５５】
また、負イオン源装置１００は、プラズマ電極１１６より下流側に設けられ、プラズマ電極１１６によって引き出された負イオンの電流値を測定する電流測定部１３２を備え、温度制御部１３０は、電流測定部１３２で測定された電流値の変動に基づいて温度調整部１２８を制御する。電流値は、プラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量に応じて変化するので、電流値を測定することによって、プラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量を知ることができる。また、この構成によれば、電流値の変動に基づいて温度調整部１２８を制御するので、プラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量を間接的に適切な量に調整することができる。したがって、負イオン源１０２から引き出される負イオン量の減少を抑制することが可能である。
【００５６】
また、温度制御部１３０は、電流値が低下した場合に、温度調整部１２８による加熱量を低下させる。これにより、チャンバ１０８の壁部１０８ｅにセシウムが堆積しやすくなるので、プラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量を減少させることができる。したがって、プラズマ電極１１６に堆積するセシウムの量が適切な量を越えた場合であっても、セシウムの量を適切な量に調整することができ、負イオン源１０２から引き出される負イオン量の減少を抑制することが可能である。
【００５７】
また、温度調整部１２８は、チャンバ１０８の延伸方向に沿って複数の分割温度調整部１２９に分割され、各々の分割温度調整部１２９は、独立して温度調整が可能である。熱を発するプラズマ生成部１１２はチャンバ１０８の一端側に設けられているので、チャンバ１０８内の温度分布は、チャンバ１０８の延伸方向においてばらつきが生じやすい。この構成によれば、各々の分割温度調整部１２９を独立して調整することができるので、チャンバ１０８内の温度分布をより均一に保つことができる。また、チャンバ１０８の延伸方向において任意の温度分布を形成することができるので、チャンバ１０８の壁部１０８ｅの特定の箇所にセシウムを堆積させることが可能である。
【００５８】
また、セシウム導入部（促進物質供給部）１１４は、チャンバ１０８の一端側の中心部に設けられている。これにより、セシウム導入部１１４と、チャンバ１０８の一端側及び他端側を繋ぐ側壁との間に所定の距離が保たれるので、セシウム導入部１１４から供給されたセシウムがチャンバ１０８の側壁に付着することを抑制できる。したがって、セシウムの利用効率をより高めることが可能である。
【００５９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることなく種々の変形態様を採用可能である。例えば、上記の実施形態では、負イオン源装置１００は中性子捕捉治療装置に用いられているが、加速器又は核融合プラズマ加熱用の中性ビーム入射装置などにも適用することができる。
【００６０】
また、上記の実施形態では、温度調整部１２８は加熱部及び冷却部を両方有しているが、何れか一方のみを有していてもよい。例えば、上述の実施形態では、温度調整部１２８は加熱部としてヒータ１２８ａを有しているが、温度調整部１２８はヒータ１２８ａを有していなくてもよい。この場合、ヒータ１２８ａの代わりにプラズマ生成部１１２における発熱を利用し、冷却管１２８ｂに流れる冷媒の流量を制御することにより、チャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度を調整することができる。
【００６１】
あるいは、温度調整部は、加熱部と冷却部の機能を同時に備えた機構を備えていてもよい。例えば、ヒータ１２８ａの代わりに冷却管１２８ｂと同様に配管を設け、各配管に流す流体の温度を調整可能な機構を設けることで、各配管を加熱部及び冷却部として機能させてもよい。この場合、配管を流れる流体の温度及び流量を制御することにより、チャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度を調整することができる。
【００６２】
また、温度調整部１２８の形状は上記の実施形態に限定されず、任意に変更することができる。例えば、ヒータ１２８ａ及び冷却管１２８ｂは、チャンバ１０８の延伸方向に沿って配置されていてもよいし、チャンバ１０８の周りをらせん状に巻回するように配置されていてもよい。なお、チャンバ１０８の壁部１０８ｅの温度分布は延伸方向においてばらつきが生じやすいので、温度分布をより均一にするためには、ヒータ１２８ａ及び冷却管１２８ｂはチャンバ１０８の周方向に沿って延びるように配置されていることが好ましい。更に、ヒータ１２８ａ、冷却管１２８ｂ、及び温度センサ１２８ｃが配置される順番は特に限定されず、任意に変更することができる。また、温度センサ１２８ｃを省略してもよい。
【００６３】
また、チャンバ１０８の延伸方向における領域のうち、一部に温度調整部１２８を設けて、他の部分には温度調整部１２８を設けなくともよい。あるいは、チャンバ１０８の延伸方向における領域のうち、一部に加熱部のみを設けて、他の部分には冷却部のみを設けてもよい。また、チャンバ１０８の延伸方向における領域のうち、一部には加熱部及び冷却部を両方設け、他の部分には冷却部及び加熱部の何れか一方のみを設けてもよい。
【００６４】
また、温度調整部１２８は、複数の分割温度調整部１２９に分割され、各分割温度調整部１２９は独立して温度制御可能であることが好ましいが、複数の分割温度調整部１２９に分割されていなくてもよい。例えば、配管がチャンバ１０８の延伸方向の略全長に亘って螺旋状に巻き付けられており、流体の入口と出口がそれぞれ一個であり、同一の流体しか流せないような構成は、温度調整部１２８が分割されておらず、独立して制御可能な構成にも該当しない。また、配管やヒータがチャンバの延伸方向に延びている構成も、温度調整部１２８が分割されていない構造に該当する。
【００６５】
また、上記の実施形態では、「電極に堆積した促進物質の量に応じて変化する値」として、温度制御部１３０は真空ボックス１０４内に設けられた電流測定部１３２によって測定された負イオンビームの電流値に基づいて温度調整部１２８を制御するが、ビームダクト３の途中に設けられた電流モニタＭによって測定された荷電粒子線Ｒの電流値に基づいて温度調整部１２８を制御してもよい。さらに、温度制御部１３０は、電流値ではなく、プラズマ電極１１６に堆積したセシウムの厚さ、又はプラズマの発光スペクトルなどの変化に基づいて温度調整部１２８を制御してもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１…中性子捕捉療法装置、２…加速器、３…ビームダクト、４…四極電磁石、５…走査電磁石、６…ターゲット、７…遮蔽体、８…減速材、９…コリメータ、１０…中性子線量測定装置、５０…患者、５１…治療台、１００…負イオン源装置、１０２…負イオン源、１０４…真空ボックス、１０６…絶縁フランジ、１０８…チャンバ、１０８ａ…本体部、１０８ｂ…蓋部、１０８ｃ，１０８ｄ…鍔部、１０９…溝部、１１０Ａ…第１磁石、１１０Ｂ…第２磁石（負イオン生成部）、１１２…プラズマ生成部、１１４…セシウム導入部（促進物質供給部）、１１６…プラズマ電極（電極）、１１６ａ…貫通孔、１１６ｂ…配管、１１８…セシウム供給源、１２０…絶縁フランジ、１２２…ガス供給源（原料ガス供給部）、１２４…電極、１２８…温度調整部、１２８ａ…ヒータ、１２８ｂ…冷却管、１２８ｃ…温度センサ、１２９…分割温度調整部、１３０…温度制御部、１３２…電流測定部、Ｍ…電流モニタ、Ｎ…中性子線、Ｒ…荷電粒子線、Ｓ…制御部。
【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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