(57)【要約】      （修正有）【課題】一定の電気的入力パワーに対して、（１）単位体積あたりのイオン強度が高いこと。（２）イオン源の寿命が長いこと。特に負水素イオン源の寿命が長いこと。（３）イオン源の大きさが小さくても実用的であること。（４）イオンとなる元素類の供給が容易であること。等の性能をもつイオン源を提供すること。【解決手段】液体又は固体からの蒸気をイオン化する方法である。特に水蒸気のイオン化による負水素イオン源を大量に発生することが特徴的である。水蒸気をイオン化するには何種類かの方法があるがいずれの場合でも特定のエネルギー（６．５ｅＶ近傍）の電子が生成するような構造をとることによってこの電子の衝突によって共鳴的に負イオンが大量に発生する物理現象を利用するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高エネルギー物理、原子核物理、医療および診断用の粒子加速器また核融合加熱、質量分析等で必要とされる長寿命、高強度、高安定度の荷電粒子ビームを生成するに液体または固体の蒸気圧を温度等で制御することで蒸気圧力・流量等を制御してイオン源室に導入・供給することを特徴とする蒸気からイオン化するイオン生成方法。
【請求項２】
請求項１において特に水蒸気を用いることを特徴とする負水素イオン、正水酸基イオン、正水素イオン、正酸素イオン、負酸素イオンを発生する方法。
【請求項３】
本発明は請求項１で説明するように液体あるいは固体一般から蒸気をとりだすことを特徴としており、請求項２の水以外に水に炭酸ガスを溶解させ、また水のかわりにアルコールをもちいるなどで負炭素イオンを発生したりでき、液体の種類は水にとどまるものではなくその種類はアセチレン、二硫化硫黄、エーテル、クロロホルム、酢酸、二酸化炭素、二硫化炭素、ベンゼン、アセトン、アニリン、オリーブ油、過酸化水素、ギ酸、キシレン、グリセリン、クロロホルム、シアン化水素、硝酸、ショウノウ、プロパン、硫酸、ナフタリン等、蒸気圧をもつあらゆる物質に及ぶ。また単体では水銀、臭素、ヒ素、ヨウ素、ラドン、リン、ルビジウム等にも及ぶ。
【請求項４】
請求項１、２、３において、電極材料にアルミニウムを用いることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】この出願の発明は主に先端科学技術分野での粒子加速器・プラズマ・核融合・イオン打ち込み・質量分析装置等のイオン源・イオン化法に関するものである。
【背景技術】各種の最も軽い水素から重いウランにいたるまで種々の元素は通常は電気的に中性であるが、これらの原子・分子に電子を付着したり、あるいは逆に剥ぎ取ったりすると中性粒子は負イオンあるいは正イオンとなる。この研究は歴史も古く大気物理の研究（ａｔｏｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ｐｈｙｓｉｃｓ）、放射線物理学（ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｐｈｙｓｉｃｓ），放射線化学（ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）、放射線生物学（ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｂｉｏｌｏｇｙ）などで広く研究されてきた。そしてこれらのイオンは物理・化学の研究を越えて最近では先端科学技術の分野での応用分野で急速に発展している。イオン打ち込みの分野では新電子材料の開発が、また質量分析科学の分野では化合物等のイオン化あるいはタンパク質にいたるまで発展が著しい。そして核融合の分野では負水素イオンはプラズマの中性入射加熱法の有力な方法として利用されている。粒子加速器においては陽子を含むさまざまなイオン加速のイオン源としてその開発は重要性が高い。特に陽子加速器で高いビーム強度を必要とする場合は大電流の負水素イオン源は必要不可欠である。
また、本発明の方法を使えば、以上の分野以外に従来では困難であったイオン種も生成できることが期待されるの全く新しい予期できない分野の応用が期待される。
【文献１】
Ｍ．Ｂａｃａｌ，“Ｖｏｌｕｍｅ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｉｏｎｓ”，ＮＩＭ，Ｂ３７／３８（１９８９）２８−３２、
発明者である体積生成型負水素イオン源の原理解説の論文。セシウムを使用しない最初の大電流負水素イオン源。セシウムを利用する方法では表面生成型とよばれる電極の表面でセシウムをもちいたものが使用されていた。ちなみにセシウムをもちいる方式はロシアのＢＩＮＰ（Ｂｕｄｋｅｒ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｐｈｙｓｉｃｓ）で発明された。
【文献２】
Ｅ．Ｗ．ＭｃＤａｎｉｅｌ，“Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ  ｐｈｅｎｏｍｅｎａ  ｉｎ  ｉｏｎｉｚｅｄ  ｇａｓｅｓ”，Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，ｉｎｃ．，Ｗｉｌｅｙ  Ｓｅｒｉｅｓ  ｉｎ  Ｐｌａｓｍａ  ｐｈｙｓｉｃｓ．
イオン化の衝突断面積等についての専門教科書。水蒸気の衝突断面積についてのデータが豊富に引用されている。
【文献３】
Ｇ．Ｊ．Ｓｃｈｕｌｚ，”Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈ−ｉｏｎｓ  ｂｙ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｉｍｐａｃｔ  ｏｎ  Ｈ２”，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．，１１３，８１６（１９５９）．
電子と水素ガスとの衝突断面積のデータがある。
【発明の開示】
通常イオン化する物質には三種類の相が存在する。固体・気体・液体である。最も多く利用されるのは気体である。固体をイオン化する方法はスパッタリングと呼ばれるが、これは気体（アルゴンガス）をイオン化して固体に衝突させる。液体は電気分解などによってイオン化も可能であるが、一般的な意味では使われない。
この出願の発明は従来のイオン源の主流であった気体（ガス）をイオン化する方法に代わる新しい方法として、液体又は固体からの蒸気をイオン化する方法であり、従来のいずれの方法とも異なる。特に水蒸気のイオン化による負水素イオン源を大量に発生することが特徴的である。水は水蒸気がイオン源室中に少しでも含まれることは従来では禁止事項とされていたので、本方法は従来の常識の逆をいくものである。本方法は従来の方式と全く異なるので、従来は困難であったイオン種も十分な量発生できるので新しい予想し得なかった応用が開ける可能性がある。
水蒸気をイオン化するには何種類かの方法があるがいずれの場合でも特定のエネルギー（６．５ｅＶ近傍）の電子が生成するような構造をとることによってこの電子の衝突によって共鳴的に負イオンが大量に発生する物理現象を利用するものである。このときの電子と水蒸気の衝突断面積の共鳴での積分値は７．７ｘ１０−１８ｃｍ２ｅＶである。これにたいして水素ガスでは電子のエネルギーが１３．６ｅＶのところに大きな共鳴があり約７．７ｘ１０−１８ｃｍ２ｅＶで負水素イオンの衝突断面積では約２００倍だけ水蒸気のほうが大きい。この水蒸気をイオン化したときは負水素イオンのほかに、正水酸基イオン、正水素イオン、正酸素イオン、負酸素イオンなどが発生し、いずれのイオン源としても使用可能である。また水に炭酸を溶解したソーダ水の類では負の炭素イオンの生成も可能である。エチルアルコール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）からも負炭素イオンを生成することが可能である。
またアンモニア液（ＮＨ４）の蒸気を用いれば正負のアンモニアイオン、正負の水素イオン、正窒素イオンの生成が可能である。このように液体の成分のほかに生成したい元素を溶液に溶解することで希望のイオン種を生成することが可能である
さらにアセチレン（Ｃ２Ｈ２）、二硫化硫黄（ＳＯ２）、エーテル（（Ｃ２Ｈ５）２Ｏ、クロロホルム（ＣＨＣｌ３）、酢酸（ＣＨ３ＣＯ２Ｈ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、二硫化炭素（ＣＳ２）、ベンゼン（Ｃ６Ｈ６）等と幅広く液体等が使用でき、硫黄や塩素などのイオンも生成可能である。
また他の化合物、アセトン、アニリン、オリーブ油、過酸化水素、ギ酸、キシレン、グリセリン、クロロホルム、シアン化水素、硝酸、ショウノウ、プロパン、硫酸、ナフタレン等も使用可能である。
また単体としては水銀、臭素、ヒ素、ヨウ素、ラドン、リン、ルビジウム等のイオン化が使用可能である。
このように液体・固体と温度の制御で蒸気ができるものであればどんな種類のイオン種でも簡便に水蒸気ができイオン源となりうるのが本発明の特徴である。
これら希望のイオン種はそれぞれ固有の電子エネルギーで共鳴するので目的に応じた電子エネルギーを調整する。
【発明が解決しようとした問題】
性能の高いイオン源に要求される項目は一定の入力パワーに対して、
（１）  単位体積あたりのイオン強度が高いこと。
（２）  イオン源の寿命が長いこと。特に負水素イオン源の寿命が長いこと。
（３）  イオン源の大きさが小さくても実用になりうるイオン強度がだせること。
（４）  イオンとなる元素類の供給が容易であること。
などがあげられる。
従来の負水素イオン源はビーム強度を増加するためにセシウムを触媒として用いていた。ところがセシウムはイオン源内部と直結している真空装置内部を汚染することが問題点として指摘されている。またセシウムそのものの毒性についても指摘されており、セシウムを触媒として用いるイオン源はビーム強度は上がるもののその取り扱いが簡単でない。またセシウムを必ずしも必要としない強度の高いイオン源に体積生成負イオン源がある。このイオン源は１ｅＶ程度と２０ｅＶ程度の二種類のエネルギーの電子を機能分けして使う。すなわち２０ｅＶの電子では水素ガスを励起状態にし、１ｅＶの電子でこれから負イオンを作るものである、これは低エネルギー（１ｅＶ）での共鳴の物理現象を利用したものである。ただし、体積生成負イオン源はビーム電流は高くとれるもののサイズが大きい。
この点、水の水蒸気を用いる負水素イオン源は上記の問題点のすべてを解決することができる。
【発明の効果】
本出願による発明は任意の種類のイオン種を容易にかつ大量に生成できるので
（１）  小型イオン源、あるいは
（２）  大型大強度イオン源に最適である。
小型イオン源は小型サイクロトロン用の負水素イオン源として特に有効である。小型サイクロトロンはＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）のための放射性薬剤のＦＤＧアイソトープなどの生産に有効である。近年、ＰＥＴでのＦＤＧはガン細胞の検出に使用されはじめ、最近は癌の治療には不可欠な診断法になるのではないかと期待されている。また大型大強度イオン源は大型大強度陽子加速器、核融合の中性粒子加熱などに有効である。リン、窒素などはイオン注入イオン源として有効である。
（３）液体の蒸気を用いるイオン源はその蒸気を用いるのでガスからの供給に比べて圧倒的に寿命が長いという利点がある。このため、小さな容量の容器をセットするだけで、交換する頻度が極端に少なくてすむという利点がある。
【実施形態】
本出願による発明の液体・固体蒸気イオン源は
（１）  通常のイオン源でガスボンベからガスを供給する水蒸気導入パイプ（６）を液体等（水（３））をいれた容器（ボトル（４））から水蒸気を供給するラインに置き換える。
（２）  電子のエネルギーが共鳴エネルギー（水の場合で６．５ｅＶ）近傍になるような構成とする。
の二つの条件が満たされればよい。電子の供給はフィラメントなどによる熱陰極（ホットカソード）かあるいは単に電極間に５００ボルト程度の直流電圧を印加する冷陰極（コールドカソード）放電のどちらでもよい。冷陰極（コールドカソード）放電の場合、カソード（１）とアノード（２）もいずれもアルミニウムが好ましい。アルミニウムの表面が酸化され水酸化アルミニウムの膜が生成され、かつ生成と分解により、水素イオンが供給され、電極の保護も期待でき長寿命となる。水蒸気は簡単な方法ではガラスのボトル（４）にいれてこれを小型の真空ポンプで空気を抜いて、イオン源室とガラスのボトル（４）との間にニードルバルブ（５）を挿入しこれで流量を制御する。水蒸気の圧力の調整はイオン源室が大型の場合はニードルバルブ（５）で十分な調整ができる。
取り出すべき負水素イオンはビーム引き出し穴（７）より電場により取り出される。
あるいは温度制御回路により液体の等の温度制御により蒸気圧等を制御する。
イオン源が小型イオン源の場合は精密な微量流量調整弁を必要とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１には水蒸気供給によるＰＩＧイオン源の模式図一例を示す。模式図であるので電気回路、冷却系、磁石は省略してある。我々の実際に行ったＰＩＧイオン源ではニードルバルブの部分は精密微量流量調節装置を使用した。カソード（１）、アノード（２）の材料はアルミニウムである。
【符号の説明】
１．カソード
２．アノード
３．水
４．ボトル
５．ニードルバルブ
６．水蒸気導入パイプ
７．ビーム引き出し穴
Ｂ．外部磁場
【図１】
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