(57)【要約】【課題】水素ガスが、プラズマ生成部から負イオン引き出し孔を通して引き出し部及びこれに続く初段加速部に流出するため、このビーム通過領域の圧力をも上げてしまい、水素負イオンがこの残留ガスとの衝突によって電子を失って中性化する反応断面積が大きいため、生成した負イオンのうち大半がビーム引き出し、初段加速の過程で失われてしまう。【解決手段】負イオン源における引き出し部及び初段加速部と負イオン源外部との真空境界を構成する絶縁管を大口径とし、ビーム通過領域と絶縁管の間に大きなガス排気経路を用意することによって、ビーム通過領域のガス圧を低減し、高い電流密度の負イオンを高効率で生成する負イオン源。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負イオン源における引き出し部及び初段加速部と負イオン源外部との真空境界を構成する絶縁管を大口径とし、ビーム通過領域と絶縁管の間に大きなガス排気経路を用意することによって、ビーム通過領域のガス圧を低減し、高い電流密度の負イオンを高効率で生成する負イオン源。
【請求項２】
ポスト碍子により引き出し電極、接地電極の各電極を大口径絶縁管から切り離して支持し、ポスト碍子と絶縁管との間の排気経路を最大限広く設け、引き出し部及び初段加速部のガスを請求項１のガス排気経路へ速やかに排気してビーム通過領域のガス圧を低減することを特徴とする請求項１記載の負イオン源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素（及びその同位体）の負イオンを高い電流密度で効率よく生成する負イオン源に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
高エネルギー物理学や原子核物理学で広く用いられている水素負イオン源における負イオン生成機構には、次の２つの物理機構、すなわち体積生成機構と表面生成機構がある。
【０００３】
ａ）  体積生成機構については、まず負イオン源に水素ガス（水素分子）を導入し、放電を点弧してプラズマを生成する。プラズマ中で水素分子に数ｅＶ以上のエネルギーを持つ高速電子が衝突すると、水素分子が「振動励起状態」に励起される（反応１）。次に、この振動励起状態にある水素分子に１ｅＶ程度の低速電子が近づくと、水素分子はこの電子を取り込む（電子付着）ととも分子間の結合を断ち切って（解離）、１つの水素原子（陽子１個と電子１個）と水素負イオン（陽子１個と電子２個）を生成する（反応２）。
【０００４】
Ｈ２  ＋  ｅｆａｓｔ   →    Ｈ２（ｖ”）＋  ｅ              反応１
Ｈ２（ｖ”）  ＋  ｅｓｌｏｗ   →    Ｈ０  ＋  Ｈ−            反応２
この体積生成機構では、水素分子が反応１に直接関わるため、負イオン源への水素ガス供給量を増して負イオン源内の水素ガス圧力を１Ｐａ以上まで高くするほど、生成する負イオン密度は高くなる。
【０００５】
ｂ）  表面生成機構については、体積生成機構と同様に負イオン源内に水素プラズマを生成し、その中に発生する水素原子を利用する。この水素原子がセシウム等の金属で表面を覆われている仕事関数の低下した表面にぶつかると、水素原子は表面から電子を１つもらって負イオンとなり、再度プラズマ中に戻って来る。小型のプラズマ生成部で水素原子の生成量を増大させて高い負イオン密度を得るためには、１Ｐａ以上の高いガスが必要である。
【０００６】
従来の負イオン源では、上記負イオン生成機構を用いて負イオンを得るために、主に以下２つの工夫が成されてきた。
【０００７】
１）  負イオン源のプラズマ生成部を大型とし、かつ幾何学的形状、磁場配位等を工夫して低ガス圧時の負イオン生成効率を改善し、低ガス圧で高電流密度の負イオンを得ることを目指す方法がある。この方法によって、０．１Ｐａという低い負イオン源内ガス圧での運転が可能である。しかしながら得られる負イオン電流密度は３００Ａ／ｍ２程度に限られる（非特許文献１）。
【０００８】
２）  引き出し部、初段加速部側面に大容量真空ポンプを設置し、１Ｐａ程度の高い圧力で負イオン源を運転し、流出するガスを速やかに排気する方法（非特許文献２）があり、この方法では、１．４ｋＡ／ｍ２程度の負イオン電流密度を得ている（非特許文献３）。しかしながら、構造が複雑化して高価となる。また速やかにガスを排気するために、真空ポンプは高電位部の直近に設置されることとなり、引き出し、初段加速部に印加される高電圧の放電破壊時に発生するノイズにより、真空ポンプが破損する等の不具合を生じやすい。
【０００９】
【非特許文献１】
第１２回  粒子線の先端的応用技術に関するシンポジウム、第１２回粒子線シンポジウム組織委員会、平成１３年１１月１９−２０日、ｐ．３２−３６
【非特許文献２】
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  Ｈ−  ｉｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｈｉｇｈ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｐｒｏｔｏｎ  ｌｉｎａｃ  ａｔ  Ｊａｐａｎ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＲＥＶＩＥＷ  ＯＦ  ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ  ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ，ＶＯＬＵＭＥ  ７１，ＮＵＭＢＥＲ  ２，ＦＥＢＲＵＡＲＹ  ２００２，ｐ．９７５−９７７
【非特許文献３】
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  Ｈ−  ｉｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｈｉｇｈ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｐｒｏｔｏｎ  ｌｉｎａｃ，ＲＥＶＩＥＷ  ＯＦ  ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ  ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ，ＶＯＬＵＭＥ  ７３，ＮＵＭＢＥＲ  ２，ＦＥＢＲＵＡＲＹ  ２００２，ｐ．１０２１−１０２３
【非特許文献４】
Ｎｅｕｔｒａｌ  ｂｅａｍｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｒｅａｃｔｏｒ，ＲＥＶＩＥＷ  ＯＦ  ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ  ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ，ＶＯＬＵＭＥ  ７１，ＮＵＭＢＥＲ  ２，ＦＥＢＲＵＡＲＹ  ２０００，ｐ．７４４−７４６
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の負イオン生成機構により負イオン源のプラズマ生成部で発生した負イオンは、引き出し部の電極孔を通して引き出され、初段加速部で加速されて負イオンビームとして取り出される。一方、負イオン源に導入された水素ガスも、プラズマ生成部から引き出し電極孔を通して引き出し部及びこれに続く初段加速部に流出するため、このビーム通過領域の圧力を上げてしまう。水素負イオンはこの残留ガスとの衝突によって電子を失う下記の反応によって中性化して失われてしまうという問題があった。
【００１１】
Ｈ−  ＋  Ｈ２−  →  Ｈ０  ＋  ｅ  ＋  Ｈ２ （反応３）
即ち、従来の負イオン源は、負イオン生成を促進して高い負イオン密度を得るために負イオン源の圧力を１Ｐａ程度まで上げると、この反応断面積が大きいために、せっかく生成した負イオンのうち５０％程度の負イオンがビーム引き出し、初段加速の過程で失われてしまう（電子剥離損失）という問題があった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、これらの問題を解決する負イオン源であり、負イオン源へ多量のガス導入を行って負イオン生成を促進しても、引き出し・加速部における電子剥離損失を抑制することによって、引き出し部・加速部内で失われる負イオン電流を低減し、高い電流密度の負イオンを高効率で負イオン源から取り出すことができるものである。具体的には、非特許文献２のような高いガス圧で負イオンを生成する負イオン源でも簡便にビーム通過領域のガス圧を低減することによって高い負イオン電流密度を得、又非特許文献１のような低ガス圧で限られた負イオン電流密度を得る負イオン源では、さらに高い負イオン電流密度を得ることができるものである。
【００１３】
本発明は、図１に示されるように、負イオン源における引き出し部、初段加速部の真空境界を成す絶縁管を大口径とし、ビーム通過領域（真空）と絶縁管の間に大きなガス排気経路を用意することによって、ビーム通過領域のガス圧を低減し、高い電流密度の負イオンを高効率で生成する負イオン源を提供するものである。
【００１４】
即ち、本発明においては、図１に示されるように、イオン原料である水素ガスが負イオン源の頂部からプラズマ生成部に導入され、水素の負イオンが形成される。この負イオンは、引き出し部に設けられた引き出し電極により、負イオン引き出し孔を経て初段加速部のビーム通過領域へ負イオンビームとして取り出される。この引き出し電極は、負イオン生成部を支持するフランジから吊り下げられた複数のポスト碍子の底部に固定された支持板を介して碍子に固定される。又接地電極は、引き出し電極支持板から吊り下げられた碍子の底部に固定された支持板を介して引き出し電極の下方に設置される。本発明の一例として図１では、引き出し電極及び接地電極からなる電極構造の外径（ＯＤ）は、４００ｍｍであり、この電極構造の外側に離れて内径（ＩＤ）６００ｍｍの大口径の絶縁管が設けられ、電極構造と絶縁管との間に大きな排気経路が形成される。
【００１５】
本発明においては、この大きな排気経路を設けることにより、水素ガスが、プラズマ生成部から負イオン引き出し孔を通して引き出し部及びこれに続く初段加速部に流出する際に、このビーム通過領域の圧力を上げることがないので、水素負イオンが残留水素ガスと衝突して電子を失って中性化する電子剥離損失反応が抑制され、生成した負イオンが初段加速部の過程を低減することができるという、本発明に特有の顕著な効果が生ずる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明による負イオン源の特長とその効果は以下のとおりである。
【００１７】
１）  本発明による負イオン源の第一の特徴は、負イオン源外部の大気あるいは絶縁ガスと隔絶する真空境界となる絶縁管を大口径のもの（大口径絶縁管）とし、ビーム通過領域と絶縁管の間に大きなガス排気経路を用意することである。
【００１８】
２）  従来、ビーム通過領域に設置される引き出し電極、初段加速部の接地電極等は、支持板を介して絶縁管によって支持される。しかし、本発明では、円筒形のポスト碍子により引き出し電極、接地電極の各電極を大口径絶縁管から切り離して支持し、ポスト碍子と絶縁管との間の排気経路を最大限広く設けることによって効果的な排気を実現する。
【００１９】
３）  上記円筒形ポスト碍子で各電極を絶縁管から切り離して支持する構造は、排気経路となる電極構造物と絶縁管の間の真空ギャップを通して放電破壊が生じるおそれが予想されたことから、従来用いられず、電極構造と絶縁管をつないで排気経路を意図的に塞ぐ構造が取られてきた。しかしながら、イオン源に関連する動作圧力範囲、絶縁距離における真空及びガス放電特性は、本願の発明者により明らかにされ（非特許文献４）、信頼性の高い絶縁設計が可能である。
【００２０】
４）  絶縁管の口径は、必要な排気経路の大きさによって決定されるが、必要とあれば従来負イオン源で用いられてきたセラミック製絶縁管に代わってＦＲＰ等の大口径絶縁管を用いて安価な負イオン源とすることも可能である。
【００２１】
５）  以上の構造上の特徴により、本発明はビーム通過領域と絶縁管の間に大きなガス排気経路を確保して、ビーム通過領域のガス圧低減を実現する。
【００２２】
例えば、非特許文献２、３の負イオン源で、絶縁管の内径を拡大して６００ｍｍ、長さ２５０ｍｍとし、その内部に外径４００ｍｍの電極構造を配置する。引き出し電極及び接地電極の各電極はビーム通過領域外でできるだけ間隔を開けるようにしてポスト碍子で支持する構造とし、電極間のガスコンダクタンス（通過率）を確保する。このとき、ガス排気経路のコンダクタンスは、２２ｍ３／ｓとなり、非特許文献２の真空ポンプ容量（１．３ｍ３／ｓ×２台）よりも十分大きな排気速度を確保できる。すなわち、負イオン源を十分大きな真空容器に接続すれば、同容量の真空ポンプを真空容器の高電位部から離れた位置に接続して排気しても、ビーム通過領域のガス圧を低く保つことができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、本発明により負イオンの電子剥離損失を抑制し、高電流密度負イオンの高効率生成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による負イオン源の構造を示す図である。
【図１】
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