(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源の内部で発生させたプラズマからイオンビームを引き出して線形加速器に入射し、線形加速器内に入射されたイオンビームを該線形加速器のビーム加速電極が生成する加速電場によって加速するイオンビーム引出加速方法において、
接地電位の真空容器内に絶縁状態に設置した容器状の高電圧ターミナルから筒状電極を外側に伸ばし、この筒状電極の先端を前記ビーム加速電極の開口端の位置に一致、または開口内に進入するように設置することにより、前記高電圧ターミナル内に設置したプラズマ発生ターゲットにレーザー光を照射することによって発生したプラズマを前記筒状電極によってプラズマ状態を保ったまま前記ビーム加速電極の開口端または開口内まで導き、前記ビーム加速電極が生成するビーム加速・集束空間内に直接イオンビームを引き出すことを特徴とするイオンビーム引出加速方法。
【請求項２】
内部で発生させたプラズマからイオンビームを引き出すイオン源と、前記イオン源のプラズマから引き出されたイオンビームを加速・集束するための加速・集束電場を生成するビーム加速電極を有する線形加速器とを備えたイオンビーム引出加速装置において、
前記イオン源は、接地電位の真空容器内に絶縁状態に設置した容器状の高電圧ターミナル内にプラズマ発生ターゲットを設置し、前記プラズマ発生ターゲットから発生した前記高電圧ターミナル内のプラズマを前記線形加速器のビーム加速電極まで導く筒状電極を前記高電圧ターミナルに設けて、前記筒状電極の先端位置が前記線形加速器のイオンビーム加速・集束空間を形成するビーム加速電極の開口端の位置に一致または開口内に進入するように設置することにより、前記高電圧ターミナル内に発生したプラズマを前記筒状電極によって前記線形加速器における前記ビーム加速電極の開口端の位置に一致または開口内までプラズマ状態で導くように構成したことを特徴とするイオンビーム引出加速装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン源プラズマからイオンビームを引き出して線形加速器に入射して加速するイオンビーム引出加速方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオンビームを加速器で加速する際には、通常、イオン源のプラズマからイオンビームを引き出して線形加速器まで輸送した後に該線形加速器に入射して加速する方法が採られている。
【０００３】
しかしながら、このようなイオンビーム引出加速方法では、レーザーイオン源等をイオン源に用いた場合に得られる高強度イオンビームでは、空間電荷効果が低強度イオンビームの場合よりも大きいために、イオンビームが線形加速器内部のビーム加速電極に到達する前に拡散して損失してしまうという問題があった。
【０００４】
このような空間電荷効果による拡散（損失）を軽減するために、線形加速器の直前でイオンビームを引き出す方法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３２９６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、線形加速器の直前でイオンビームを引き出す方法でも、線形加速器に入射されたイオンビームは、線形加速器内部においてビーム加速電極に到達するまでに空間電荷効果によって拡散し、ビーム加速電極による加速可能領域から外れる粒子が多くなり、結果的に多大なビーム損失を引き起こすことが問題となっている。
【０００７】
本発明の目的は、イオン源のプラズマから引き出したイオンビームがビーム加速電極による加速・集束空間領域に入射するまでの間に空間電荷効果によって拡散して損失する問題を改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のイオンビーム引出加速方法は、イオン源の内部で発生させたプラズマからイオンビームを引き出して線形加速器に入射し、線形加速器内に入射されたイオンビームを該線形加速器のビーム加速電極が生成する加速電場によって加速するイオンビーム引出加速方法において、
接地電位の真空容器内に絶縁状態に設置した容器状の高電圧ターミナルから筒状電極を外側に伸ばし、この筒状電極の先端を前記ビーム加速電極の開口端の位置に一致、または開口内に進入するように設置することにより、前記高電圧ターミナル内に設置したプラズマ発生ターゲットにレーザー光を照射することによって発生したプラズマを前記筒状電極によってプラズマ状態を保ったまま前記ビーム加速電極の開口端または開口内まで導き、前記ビーム加速電極が生成するビーム加速・集束空間内に直接イオンビームを引き出すことを特徴とするものであり、
イオンビーム引出加速装置は、内部で発生させたプラズマからイオンビームを引き出すイオン源と、前記イオン源のプラズマから引き出されたイオンビームを加速・集束するための加速・集束電場を生成するビーム加速電極を有する線形加速器とを備えたイオンビーム引出加速装置において、
前記イオン源は、接地電位の真空容器内に絶縁状態に設置した容器状の高電圧ターミナル内にプラズマ発生ターゲットを設置し、前記プラズマ発生ターゲットから発生した前記高電圧ターミナル内のプラズマを前記線形加速器のビーム加速電極まで導く筒状電極を前記高電圧ターミナルに設けて、前記筒状電極の先端位置が前記線形加速器のイオンビーム加速・集束空間を形成するビーム加速電極の開口端の位置に一致または開口内に進入するように設置することにより、前記高電圧ターミナル内に発生したプラズマを前記筒状電極によって前記線形加速器における前記ビーム加速電極の開口端の位置に一致または開口内までプラズマ状態で導くように構成したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、イオン源で生成したプラズマを筒状電極によって線形加速器内のビーム加速電極の入射側開口端までプラズマ状態を保ったまま輸送することから、従来のようにイオンビームを引き出してから加速電極に到達するまでの領域で該イオンビームが空間電荷効果により発散するという問題がなく、イオンビーム損失の問題を改善することができる。
【００１０】
従って、従来よりも高い効率でイオンビームを線形加速器に入射することができ、従来よりも高強度のイオンビーム加速を実現することができる。
【００１１】
また、イオン源は、接地電位の真空容器内に絶縁支持により設置した高電圧ターミナル内でプラズマを発生させ、このプラズマを筒状電極によって線形加速器内に導くように構成しているので、イオン源の周囲を電気的に保護する防護柵などが不要となることから、装置を小型に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明のイオンビーム引出加速方法は、イオン源の内部で発生させたプラズマからイオンビームを引き出して線形加速器に入射し、線形加速器内に入射されたイオンビームを該線形加速器のビーム加速電極が生成する加速電場によって加速するイオンビーム引出加速方法において、
接地電位の真空容器内に絶縁状態に設置した容器状の高電圧ターミナルから筒状電極を外側に伸ばし、この筒状電極の先端を前記ビーム加速電極の開口端の位置に一致、または開口内に進入するように設置することにより、前記高電圧ターミナル内に設置したプラズマ発生ターゲットにレーザー光を照射することによって発生したプラズマを前記筒状電極によってプラズマ状態を保ったまま前記ビーム加速電極の開口端または開口内まで導き、前記ビーム加速電極が生成するビーム加速・集束空間内に直接イオンビームを引き出すように行い、
また、イオンビーム引出加速装置は、内部で発生させたプラズマからイオンビームを引き出すイオン源と、前記イオン源のプラズマから引き出されたイオンビームを加速・集束するための加速・集束電場を生成するビーム加速電極を有する線形加速器とを備えたイオンビーム引出加速装置において、
前記イオン源は、接地電位の真空容器内に絶縁状態に設置した容器状の高電圧ターミナル内にプラズマ発生ターゲットを設置し、前記プラズマ発生ターゲットから発生した前記高電圧ターミナル内のプラズマを前記線形加速器のビーム加速電極まで導く筒状電極を前記高電圧ターミナルに設けて、前記筒状電極の先端位置が前記線形加速器のイオンビーム加速・集束空間を形成するビーム加速電極の開口端の位置に一致または開口内に進入するように設置することにより、前記高電圧ターミナル内に発生したプラズマを前記筒状電極によって前記線形加速器における前記ビーム加速電極の開口端の位置に一致または開口内までプラズマ状態で導く構成とする。
【実施例１】
【００１３】
本発明は、イオン源で発生したプラズマをプラズマ状態を保ったままビーム加速電極まで輸送する筒状電極を設置することにより、通常は加速器外で行うプラズマからのイオンビーム引き出しを線形加速器内のビーム加速電極先端及びその内部で行い、イオンビームを引き出した直後にビーム加速電極が生成する集束電場によって集束させて高効率のビーム入射を行うことにより、数十ミリアンペア以上の高強度のイオンビーム生成を実現するものである。
【００１４】
この実施例１におけるイオンビーム引出加速装置は、図１に示すように、レーザー発生装置１、反射鏡２ａ，２ｂ、レーザーイオン源３およびＲＦＱ線形加速器（もしくはドリフトチューブ型線形加速器）４によって構成される。
【００１５】
レーザーイオン源３は、その内部を真空状態とすることができるように構成した接地電位の真空容器３ａ内に、碍子によって前記真空容器３ａに対して絶縁状態に容器状の高電圧ターミナル３ｂを設置し、この高電圧ターミナル３ｂ内にレーザー集光反射鏡３ｃとプラズマ発生ターゲット３ｄを設置している。前記高電圧ターミナル３ｂは、外部の高電圧電源（図示省略）によって昇圧する。前記レーザー集光反射鏡３ｃは、中心にプラズマの通過を許容する穴を形成した反射鏡支持部材３ｅによって支持する。また、前記真空容器３ａは該真空容器３ａ内にレーザー光５を入射可能にする気密状態のレーザー光入射窓３ａ１を備え、高電圧ターミナル３ｂは前記真空容器３ａのレーザー光入射窓３ａ１から入射したレーザー光５を前記レーザー集光反射鏡３ｃまで到達させるための通過穴３ｂ１を備える。
【００１６】
また、このレーザーイオン源３は、前記プラズマ発生ターゲット３ｄから発生して前記反射鏡支持部材３ｅの穴を通過してきたプラズマをプラズマ状態を保ったままの状態で前記線形加速器４のビーム加速電極４ｃの位置まで輸送するための円筒形の筒状電極３ｆを真空容器３ａの外側まで突出するように備える。
【００１７】
このレーザーイオン源３は、その真空容器３ａにおける筒状電極３ｆの突出側をＲＦＱ線形加速器４の容器４ａにおけるビーム入射部に直に結合するようにして設置し、前記筒状電極３ｆの先端が前記ＲＦＱ線形加速器４の容器４ａ内に挿入されるように構成する。
【００１８】
前記ＲＦＱ線形加速器４は、その内部にイオンビーム加速・集束空間４ｂを形成するビーム加速電極４ｃを備える。イオンビーム加速・集束空間４ｂのイオンビーム入射側を形成するビーム加速電極４ｃの開口端部４ｃ１は、図３に拡大して示すように、開口端に向って前記イオンビーム加速・集束空間４ｂの開口径を順次拡大するように形成しており、前記筒状電極３ｆの先端位置が前記イオンビーム加速・集束空間４ｂを形成する前記ビーム加速電極４ｃの開口端の位置に一致し、または開口内に進入するように構成する。
【００１９】
前記筒状電極３ｆは、その内径を大きくすることが望ましいが、この筒状電極３ｆの外径は、ＲＦＱ線形加速器４におけるビーム加速電極４ｃに接近することになるので該ビーム加速電極４ｃとの間に放電が起こらない程度の寸法に制限することが必要である。例えば、筒状電極３ｆの電圧を６０ｋＶ、ビーム加速電極４ｃ間の電圧を１２０ｋＶとすると、筒状電極３ｆの先端位置をビーム加速電極４ｃの開口端位置に一致させる形態では、筒状電極３ｆの外径を８ｍｍに制限して、内径を６ｍｍとして実施することができる。
【００２０】
このように構成したイオンビーム引出加速装置は、レーザー発生装置１によって発生したレーザー光５を平面反射鏡２ａ，２ｂで反射させてレーザーイオン源３の内部に入射する。レーザーイオン源３に入射したレーザー光５は、レーザー集光反射鏡３ｃによってプラズマ発生ターゲット３ｄ上に集光する。
【００２１】
プラズマ発生ターゲット３ｄは、集光されたレーザー光５により表面が加熱されてプラズマを発生する。プラズマ発生ターゲット３ｄから発生するプラズマは、発生場所から全体としてターゲット垂直方向に重心速度をもって膨張し、反射鏡支持部材３ｅに形成された穴を通過して筒状電極３ｆの先端まで到達する。プラズマ発生部から筒状電極３ｆの先端までは同電位であることからプラズマ状態が保たれており、空間電荷効果によるイオンの拡散は起こらない。筒状電極３ｆの先端には高電圧ターミナル３ｂに印加した電圧に基づいた電場が存在することからプラズマからビーム加速・集束空間４ｂ内にイオンビームが引き出される。
【００２２】
筒状電極３ｆの先端はＲＦＱ線形加速器４のビーム加速電極４ｃの端と同じ位置にあることから、図４に示すように、筒状電極３ｆの先端から引き出されてＲＦＱ線形加速器４のイオンビーム加速・集束空間４ｂ内に入射されるイオンビーム６は、直ちにビーム加速電極４ｃによるビーム集束・加速電場の力を受けて集束・加速されることになる。
【００２３】
したがって、レーザーイオン源３で発生させたプラズマがＲＦＱ線形加速器４のビーム加速電極４ｃまでプラズマ状態のまま輸送されるため、空間電荷効果による拡散はなく、また、イオンビームは引き出された直後にイオンビーム加速・集束空間４ｂによって集束力をうけるため、従来に比べて高効率なビーム入射が実現する。
【００２４】
因みに、図５に示すように、線形加速器４に対する筒状電極３ｆの進入の程度が容器４ａの内側と一致する程度であると、図６に示すように、筒状電極３ｆの先端から容器４ａ内に入射するイオンビーム６は、ビーム加速電極４ｃによって形成されるイオンビーム加速・集束空間４ｂに到達するまでの間に空間電荷効果によって拡散して損失することから、ビーム加速電極４ｃによるイオンビーム加速・集束空間４ｂに入射して集束・加速される量が大幅に減少してしまうことになる。
【００２５】
前述したように、線形加速器４におけるビーム加速電極４ｃ間の電圧を１２０ｋＶ、筒状電極３ｆの外径を８ｍｍ、内径を６ｍｍとし、プラズマ発生ターゲット３ｄにアルミニウムを使用し、線形加速器４に対する前記筒状電極３ｆの進入の程度を容器４ａの内側と一致（突出量が０ｍｍ）させた構成、容器４ａの内側から５ｍｍ突出させた構成、容器４ａの内側から１０ｍｍ突出させてビーム加速電極４ｃの端と一致する位置まで進入させた構成の３種類の装置について、前記筒状電極３ｆに印加する電圧を変えて線形加速器４から出力する総ての価数を含む全ビームのピーク電流値を計測した実験では、図７に示すように、筒状電極３ｆに印加する引出電圧を増加させると線形加速器４から出力する全ビームの電流値が増加し、６０ｋＶにおいて各実験装置で最大値となった。ここで、各実験装置における全ビームの電流値は、筒状電極３ｆの進入量が多いほど大きく、容器４ａの内側から１０ｍｍ突出させてビーム加速電極４ｃの端と一致する位置まで進入させた構成の装置において最も大きく（従来の突出量０ｍｍの構成に対して約２０％増加）なっており、この本発明の有用性を示している。
【００２６】
また、この実施例におけるレーザーイオン源３は、ＲＦＱ線形加速器４の容器４ａに結合した接地電位の真空容器３ａ内に絶縁支持により設置した高電圧ターミナル３ｂ内でプラズマを発生させ、このプラズマを高電圧ターミナル３ｂと同電位の筒状電極３ｆによってＲＦＱ線形加速器４内のイオンビーム加速・集束空間４ｂまで導いてイオンビームを入射するように構成しているので、レーザーイオン源３の周囲を電気的に保護する防護柵などが不要となることから、装置を小型に構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明のイオンビーム引出加速方法及び装置は、イオンビーム癌治療装置、イオン注入装置、材料表面改質装置、物理実験用加速器等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施例１を示すイオンビーム引出加速装置の外観図である。
【図２】実施例１におけるレーザーイオン源とＲＦＱ線形加速器の縦断側面図である。
【図３】実施例１におけるレーザーイオン源とＲＦＱ線形加速器の結合部分を拡大して示す縦断側面図である。
【図４】実施例１におけるレーザーイオン源とＲＦＱ線形加速器の結合部分におけるイオンビームの移動状態を示す模式図である。
【図５】従来装置におけるレーザーイオン源とＲＦＱ線形加速器の結合部分を拡大して示す縦断側面図である。
【図６】従来装置におけるレーザーイオン源とＲＦＱ線形加速器の結合部分におけるイオンビームの移動状態を示す模式図である。
【図７】ＲＦＱ線形加速器に対する筒状電極の進入の程度と線形加速器から出力する全ビームのピーク電流値の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…レーザー発生装置、３…レーザーイオン源、３ａ…真空容器、３ｂ…高電圧ターミナル、３ｃ…レーザー集光反射鏡、３ｄ…プラズマ発生ターゲット、３ｆ…筒状電極、４…ＲＦＱ線形加速器、４ａ…容器、４ｂ…イオンビーム加速・集束空間、４ｃ…ビーム加速電極、４ｃ１…開口端部、５…レーザー光、６…イオンビーム。
【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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