(57)【要約】【課題】軸方向磁場の強度変化によるプラズマ密度或いはイオンビーム電流の変化を低減し、精密な磁場調整なしでビーム電流を安定化するマイクロ波イオン源或いはプラズマ源と、それを利用した線形加速器システム、医療用加速器システム等の機器等の応用装置を提供する。【解決手段】永久磁石６を放電容器４の周囲に１６個、隣り合う磁石の極性が異なるように設置し、放電で発生するプラズマを閉じ込める多極磁場Ｂ２を放電容器壁近傍に局部的に発生させる。また、この多極磁場により軸方向磁場Ｂ１の変化によるプラズマ密度の変化が低減され、電極９ａ〜９ｃの孔より引き出されるイオンビームの電流の変化も低減される。これにより磁場Ｂ１の精密な調整なしでイオンビーム電流を安定化できる。また、軸方向磁場Ｂ１を永久磁石１５で発生させた場合でも、大電流のイオンビームが安定に得られる。【選択図】図８
2007165250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波発生源と、このマイクロ波発生源から導波管を介してマイクロ波が導入され、マイクロ波放電によってプラズマを生成する放電容器と、前記放電容器内に軸方向磁場を印加する第１磁場発生手段と、前記放電容器の周囲に設置された１４極以上、３２極以下の多極磁石を有する第２磁場発生手段と、前記放電容器内で生成されたプラズマからイオンを引き出しイオンビームを生成する引き出し電極部とを有することを特徴とするマイクロ波イオン源。
【請求項２】
マイクロ波発生源と、このマイクロ波発生源から導波管を介してマイクロ波が導入され、マイクロ波放電によってプラズマを生成する放電容器と、前記放電容器内に軸方向磁場を印加し前記放電容器内に導入されたマイクロ波を前記放電容器内の軸方向へと伝搬させる第１磁場発生手段と、前記放電容器の周囲に設置され、前記マイクロ波放電によりプラズマが生成される際の前記軸方向磁場の変動によるプラズマ密度の変動を低減する多極磁石を有する第２磁場発生手段と、前記放電容器内で生成されたプラズマからイオンを引き出しイオンビームを生成する引き出し電極部とを有することを特徴とするマイクロ波イオン源。
【請求項３】
マイクロ波発生源と、このマイクロ波発生源から導波管を介してマイクロ波が導入され、マイクロ波放電によって水素ガスを電離しプラズマを生成する放電容器と、前記放電容器内に軸方向磁場を印加する第１磁場発生手段と、前記放電容器の周囲に設置された多極磁石を有する第２磁場発生手段と、前記放電容器内で生成されたプラズマからイオンを引き出しイオンビームを生成する引き出し電極部とを有することを特徴とするマイクロ波イオン源。
【請求項４】
前記多極磁石の極数は１４極以上、３２極以下であることを特徴とする請求項２又は３記載のマイクロ波イオン源。
【請求項５】
前記引き出し電極部は少なくとも１つのイオンビームの引き出し孔を有し、前記放電容器内で生成されたプラズマから１つの引き出し孔当たり５ｍＡ以上のイオン電流を引き出してイオンビームを生成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のマイクロ波イオン源。
【請求項６】
前記第１磁場発生手段は、前記多極磁石の径方向外側に多極磁石を取り囲むよう設置された永久磁石を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のマイクロ波イオン源。
【請求項７】
前記第１磁場発生手段の永久磁石は、その磁化方向を軸方向又は軸方向から±１０度以内の傾きを持った方向としたことを特徴とする請求項６記載のマイクロ波イオン源。
【請求項８】
前記第１磁場発生手段の永久磁石は、前記放電容器の中心軸心を含む断面形状で見て、軸方向中心部分の径方向厚みよりも軸方向両端部分の径方向厚みの方が厚くなる形状を有することを特徴とする請求項７記載のマイクロ波イオン源。
【請求項９】
前記第１磁場発生手段の永久磁石は、少なくとも軸方向中心付近で２分割した複数の分割磁石で構成し、前記複数の分割磁石の間にそれらの間隔を調整する非磁性体製スペーサーを設置し、この非磁性体製スペーサのサイズにより前記軸方向磁場の分布形状及び強度を調整することを特徴とする請求項７又は８記載のマイクロ波イオン源。
【請求項１０】
前記複数の分割磁石は、軸方向中心付近以外の箇所で更に再分割し、軸方向中心に近い磁石部分ほど径方向の厚みが薄くなるように構成されていることを特徴とする請求項９記載のマイクロ波イオン源。
【請求項１１】
前記第１磁場発生手段は、前記多極磁石の径方向外側に多極磁石を取り囲むよう設置された永久磁石と、前記永久磁石の中心軸と前記放電容器の中心軸の位置関係を微調整するとともに、前記永久磁石と前記放電容器の軸方向の位置関係を微調整する位置調整装置とを有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載のマイクロ波イオン源。
【請求項１２】
前記第１磁場発生手段の前記永久磁石の内径を前記複数の多極磁石及び引き出し電極部の外径より大きくし、前記位置調整装置により前記永久磁石と前記放電容器の軸方向の位置関係を調整するときの前記永久磁石と他の部分との干渉をなくしたことを特徴とする請求項１１記載のマイクロ波イオン源。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項記載のマイクロ波イオン源と、このマイクロ波イオン源で生成されたイオンビームを加速する高周波加速器とを備えることを特徴とする線形加速器システム。
【請求項１４】
請求項１３記載の線形加速器システムと、この線形加速器システムにより出射されたイオンビームを加速するシンクロトロン加速器とを備えることを特徴とする加速器システム。
【請求項１５】
請求項１３記載の線形加速器システムと、この線形加速器システムにより出射されたイオンビームを加速するシンクロトロン加速器と、このシンクロトロン加速器で加速した高エネルギーイオンビームを取り出して、患者に照射することによって治療を行うビーム照射装置とを備えることを特徴とする医療用加速器システム。
【請求項１６】
請求項１３記載の線形加速器システムと、この線形加速器システムにより加速したイオンビームを試料に照射することによって放射性同位体又は半導体の生成、材料改質を行う処理室とを備えることを特徴とする高エネルギービーム応用装置。
【請求項１７】
請求項１３記載の線形加速器システムと、この線形加速器システムにより加速したイオンビームを試料に照射することによって中性子を発生する処理室とを備えることを特徴とする中性子発生装置。
【請求項１８】
請求項１〜１２のいずれか１項記載のマイクロ波イオン源と、このマイクロ波イオン源で生成されたイオンビームを試料に照射し、試料を処理する処理室とを備えることを特徴とするイオンビームプロセス装置。
【請求項１９】
マイクロ波発生源と、このマイクロ波発生源から導波管を介してマイクロ波が導入され、マイクロ波放電によってプラズマを生成する放電容器と、前記放電容器内に軸方向磁場を印加する第１磁場発生手段と、前記放電容器の周囲に設置された１４極以上、３２極以下の多極磁石を有する第２磁場発生手段とを有することを特徴とするマイクロ波プラズマ源。
【請求項２０】
マイクロ波発生源と、このマイクロ波発生源から導波管を介してマイクロ波が導入され、マイクロ波放電によってプラズマを生成する放電容器と、前記放電容器内に軸方向磁場を印加し前記放電容器内に導入されたマイクロ波を前記放電容器内の軸方向へと伝搬させる第１磁場発生手段と、前記放電容器の周囲に設置され、前記マイクロ波放電によりプラズマが生成される際の前記軸方向磁場の変動によるプラズマ密度の変動を低減する多極磁石を有する第２磁場発生手段とを有することを特徴とするマイクロ波プラズマ源。
【請求項２１】
マイクロ波発生源と、このマイクロ波発生源から導波管を介してマイクロ波が導入され、マイクロ波放電によって水素ガスを電離しプラズマを生成する放電容器と、前記放電容器内に軸方向磁場を印加する第１磁場発生手段と、前記放電容器の周囲に設置された多極磁石を有する第２磁場発生手段とを有することを特徴とするマイクロ波プラズマ源。
【請求項２２】
前記多極磁石の極数は１４極以上、３２極以下であることを特徴とする請求項２０又は２１記載のマイクロ波プラズマ源。
【請求項２３】
前記放電容器内にマイクロ波放電により生成されるプラズマのイオン飽和電流密度は２５ｍＡ／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか１項記載のマイクロ波プラズマ源。
【請求項２４】
前記第１磁場発生手段は、前記多極磁石の径方向外側に多極磁石を取り囲むよう設置された永久磁石を有することを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか１項記載のマイクロ波プラズマ源。
【請求項２５】
前記第１磁場発生手段の永久磁石は、その磁化方向を軸方向又は軸方向から±１０度以内の傾きを持った方向としたことを特徴とする請求項２４記載のマイクロ波プラズマ源。
【請求項２６】
前記第１磁場発生手段の永久磁石は、前記放電容器の中心軸心を含む断面形状で見て、軸方向中心部分の径方向厚みよりも軸方向両端部分の径方向厚みの方が厚くなる形状を有することを特徴とする請求項２５記載のマイクロ波プラズマ源。
【請求項２７】
前記第１磁場発生手段の永久磁石は、少なくとも軸方向中心付近で２分割した複数の分割磁石で構成し、前記複数の分割磁石の間にそれらの間隔を調整する非磁性体製スペーサーを設置し、この非磁性体製スペーサのサイズにより前記軸方向磁場の分布形状及び強度を調整することを特徴とする請求項２５又は２６記載のマイクロ波プラズマ源。
【請求項２８】
前記複数の分割磁石は、軸方向中心付近以外の箇所で更に再分割し、軸方向中心に近い磁石部分ほど径方向の厚みが薄くなるように構成されていることを特徴とする請求項２７記載のマイクロ波プラズマ源。
【請求項２９】
前記第１磁場発生手段は、前記多極磁石の径方向外側に多極磁石を取り囲むよう設置された永久磁石と、前記永久磁石の中心軸と前記放電容器の中心軸の位置関係を微調整するとともに、前記永久磁石と前記放電容器の軸方向の位置関係を調整する位置調整装置とを有することを特徴とする請求項１９〜２８のいずれか１項記載のマイクロ波プラズマ源。
【請求項３０】
請求項１９〜２９のいずれか１項記載のマイクロ波プラズマ源と、このマイクロ波プラズマ源で生成されたプラズマを試料に照射し、試料を処理する処理室とを有することを特徴とするプラズマプロセス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波放電で生成したプラズマ中よりイオンビームを引出すマイクロ波イオン源、マイクロ波イオン源から引き出されたイオンビームを加速する線形加速器システム及び加速器システム、その加速したイオンビームを人体等に照射することにより医学的応用(治療，滅菌他)を行う医療用加速器システム、その加速したイオンビームを被処理物に照射することによって半導体の生成、材料の改質、加工、ラジオアイソトープの製造等を行う高エネルギービーム応用装置、中性子発生装置及びイオンビームプロセス装置、マイクロ波放電でプラズマを生成するマイクロ波プラズマ源、及びマイクロ波放電で生成したプラズマを被処理物に照射することによって半導体の生成、材料の改質、加工等を行うプラズマプロセス装置に関する。また、本発明は、特に、高密度水素プラズマ生成、大電流陽子ビーム生成に適し、かつ他の多くのイオン種のプラズマとビームの生成に適用可能であるマイクロ波イオン源、線形加速器システム、加速器システム、医療用加速器システム、高エネルギービーム応用装置、中性子発生装置、イオンビームプロセス装置、マイクロ波プラズマ源及びプラズマプロセス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波による放電で陽子イオンビームを生成する従来のマイクロ波イオン源としては非特許文献１及び２に記載のものがある。
【０００３】
非特許文献１に記載のイオン源では、マグネトロンで発生したマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）が導波管で輸送され、導入窓を通して円筒形の放電容器に導入される。放電容器の周囲にはソレノイドコイルが設置され、軸方向に磁場（最大磁束密度=９０〜１００ ｍＴ）が印加される。電子はマイクロ波電場により加速され、電子によるイオン化物質の電離により放電が発生し、放電容器内にプラズマが生成される。マイクロ波は生成されたプラズマ中を伝搬可能な固有モードの波動として伝搬し、放電容器中で定常的にプラズマを発生できる。イオン化物質としては水素ガスが用いられ、放電容器の側面の導入管より水素ガスが供給される。放電容器内で生成したイオンは、３枚の電極のビーム引出し孔を通して引出され、数十ｍＡの大電流のイオンビームが生成される。
【０００４】
非特許文献２に記載のイオン源では、非特許文献１と同種のイオン源において、放電容器内に軸方向磁場を形成する手段としてソレノイドコイルに代えて永久磁石を用いている。また、イオン源の作動中に磁場の微調整が行えるようにイオン源本体（放電容器）と永久磁石との間に小さな補助ソレノイドコイル（補助コイル）を配置している。非特許文献２の図６には、マイクロ波エネルギと水素ガスの供給量を一定にして補助コイルの電流を変えた場合のビーム電流の変化についての測定結果が示されている。この測定結果によれば、補助コイル電流を±１０Ａの範囲で変えるとビーム電流が２０ｍＡ〜５３ｍＡの範囲で大きく変動している。また、補助コイル電流が５Ａのときにビーム電流は最小の２０ｍＡを示し、補助コイル電流が８Ａに増えるとビーム電流は最大の５３ｍＡまで大きく変化している。
【０００５】
マイクロ波による放電で多価イオンビーム（例えば炭素イオンビーム）を生成する従来のマイクロ波イオン源としては非特許文献３に記載のものがある。
【０００６】
非特許文献２に記載のイオン源では、電子サイクロトロン共鳴周波数と一致するマイクロ波が外部からプラズマチャンバーに導入され、プラズマチャンバー内で電子を高エネルギーに加速して主に炭素の多価イオンを生成し、イオンビームとして引き出される。プラズマチャンバ内にプラズマを封じ込めるため、プラズマチャンバの周囲に永久磁石（６極の多極磁石）が配置されている。マイクロ波の周波数は８〜１１ＧＨｚであり、Ｃ４＋のビーム強度は３４０ｅμＡである。
【０００７】
一方、他のプラズマ生成方式として、特許文献１には、マイクロ波プラズマカソードを用いたバケット型のイオン源装置が記載されている。このイオン源装置では、電子放出源としてのマイクロ波プラズマカソードによるマイクロ波放電のプラズマ生成により電子を発生し、このカソードの蓋板に形成された電子放出孔から電子をバケット型の主プラズマ室に供給し、この電子の直流放電により主プラズマ室に主プラズマを生成し、その種プラズマからイオンビームが引き出される。主プラズマ室の周囲にはカスプ磁場発生用の永久磁石が配置され、主プラズマ室に生成された主プラズマがカスプ磁場により封じ込められる。カスプ磁場は主プラズマ室の周囲に配置した永久磁石により発生する。また、特許文献１では、このようなイオン源装置の主プラズマ室の外側に、イオンビームの中心軸方向の磁場を主プラズマ室に導入するコイルを配置し、引き出し電極近傍での主プラズマの高密度化を図っている。
【０００８】
【非特許文献１】リビューオブサイエンティフィックインストゥルメンツ  ７５巻 (2004年)  第1894〜1896頁（Review of Scientific Instruments, Vol.75 (2004) P. 1894-1896)、"Development of a high-current microwave ion source for proton linac application systems"
【非特許文献２】リビューオブサイエンティフィックインストゥルメンツ  ６９（１）巻 (1998年1月)  第65〜68頁（Review of Scientific Instruments, 69(1), January 1998 P. 65-68)、"A compact high-current microwave-driven ion source"
【非特許文献３】第１４回加速器科学技術シンポジウム  於いて筑波市  2003年11月（The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003）、「炭素イオン生成用永久磁石形小型ＥＣＲイオン源」
【特許文献１】特開平５−８２０４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１記載のマイクロ波イオン源においては、ソレノイドコイルによって放電容器内に軸方向に磁場を印加し、マイクロ波放電によりプラズマを生成する。この場合、放電容器内に軸方向磁場を印加することにより、放電容器内に導入されたマイクロ波を軸方向前方へと誘導してマイクロ波放電の効率を高め、プラズマ密度を高めて大電流を高効率で生成することが可能となる。一方、この軸方向磁場については、磁場強度のわずかな変化により生成されるプラズマ密度が大きく変化し、イオンビーム電流が大きく変動するという問題がある（図４参照）。また、この軸方向磁場には、放電が不安定で安定なビーム発生ができない磁場強度も存在する。特に、非特許文献１記載のイオン源のように、水素ガスを用いて陽子イオンビームを得るイオン源では、イオンビームの電流値が数十ｍＡの大電流であるため、軸方向磁場の変動によるプラズマ密度の変化（イオンビーム電流）は顕著となる。このため従来は、安定に大電流ビームを得るために、コイル電流を制御して、精密な磁場調整を行うことが必要であり、大電流直流電源と冷却システムが必要であった。また、その結果、コイルで数ＫＷの高い電力が消費されるとともに、コイル及び冷却システムのためイオン源をコンパクト化することが困難であった。
【００１０】
非特許文献１記載のマイクロはイオン源においては、放電容器内に軸方向磁場を形成する手段としてソレノイドコイルに代えて永久磁石を用いている。しかし、非特許文献１の図６に示されるように、永久磁石を用いた場合であっても、補助コイル電流（磁場強度）のわずかな変化によりビーム電流（プラズマ密度）が大きく変化しており、ソレノイドコイルに代えて永久磁石を用いても上記の課題は解決されていないことが分かる。つまり、ソレノイドコイルに代えて永久磁石を用いただけでは、磁場調整ができないため、軸方向磁場を発生させ安定に大電流ビームを得ることは難しい。
【００１１】
一方、イオン源等のプラズマ発生技術においては、一般に、プラズマチャンバ内にプラズマを封じ込めて損失を低減するため、プラズマチャンバの周囲に多極磁石（永久磁石）を配置することが知られている。非特許文献３や特許文献１記載のイオン源においても、その目的のため、プラズマチャンバの周囲に永久磁石を配置している。しかし、非特許文献３では、軸方向磁場の変動によるプラズマ密度の変化（イオンビーム電流）を低減するという観点からの検討はなされておらず、永久磁石に上記のような課題（マイクロ波放電によりプラズマが生成される際の軸方向磁場の変動によるプラズマ密度（イオンビーム電流）の変化）に係わる機能を持たせることは考えられていない。特許文献１では、主プラズマ室内にマイクロ波が導入されないタイプであるため、主プラズマ室にマイクロ波が導入されることを前提とする上記のような課題（マイクロ波放電によりプラズマが生成される際の軸方向磁場の変動によるプラズマ密度（イオンビーム電流）の変化）は存在せず、また、カスプ磁場発生用の永久磁石にそのような課題に係わる機能を持たせることも考えられていない。
【００１２】
本発明の目的は、放電容器内にマイクロ波発生源からのマイクロ波を導入し、マイクロ波放電によってプラズマを生成する方式のものにおいて、軸方向磁場の強度変化によるプラズマ密度の変化或いはイオンビーム電流の変化を低減することで、精密な磁場調整なしでビーム電流を安定化するマイクロ波イオン源と、そのマイクロ波イオン源を利用した線形加速器システム、加速器システム、医療用加速器システム、高エネルギービーム応用装置、中性子発生装置、イオンビームプロセス装置、並びに同方式でプラズマを生成するもので、軸方向磁場の強度変化によるプラズマ密度の変化を低減したマイクロ波プラズマ源及びプラズマプロセス装置を提供することである。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、放電容器内にマイクロ波発生源からのマイクロ波を導入し、マイクロ波放電によってプラズマを生成する方式のものにおいて、軸方向磁場を生成する手段としてソレノイドコイルに代えて永久磁石を用いて安定な高密度のプラズマ或いは安定な大電流ビームを発生可能とし、コイル及びコイルに必要な電源、冷却システム、電力消費を無くしてイオン源をコンパクト化することができるマイクロ波イオン源と、そのマイクロ波イオン源を利用した線形加速器システム、加速器システム、医療用加速器システム、高エネルギービーム応用装置、中性子発生装置、イオンビームプロセス装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記目的を達成するために、マイクロ波イオン源或いはプラズマ源において放電容器の周囲に１４極以上、３２極以下の多極磁石を設置したものであり、これによりプラズマの損失を低減するとともに、放電容器内に軸方向に印加される磁場の強度変化によるプラズマ密度の変化或いはイオンビーム電流の変化を低減し、精密な磁場調整が不要となる。また、イオン源にあっては、ビーム電流を安定化することができる。
【００１５】
また、本発明は、上記目的を達成するために、マイクロ波イオン源或いはプラズマ源において放電容器の周囲に、マイクロ波放電によりプラズマが生成される際の軸方向磁場の変動によるプラズマ密度の変動を低減する多極磁石を設置したものであり、これによりプラズマの損失を低減するとともに、放電容器内に軸方向に印加される磁場の強度変化によるプラズマ密度の変化或いはイオンビーム電流の変化を低減し、精密な磁場調整が不要となる。また、イオン源にあってはビーム電流を安定化することができる。
【００１６】
更に、本発明は、上記目的を達成するために、マイクロ波イオン源或いはプラズマ源において放電容器内でマイクロ波放電によって水素ガスを電離しプラズマを生成するもので、放電容器の周囲に多極磁石を設置したものであり、これによりプラズマの損失を低減するとともに、放電容器内に軸方向に印加される磁場の強度変化によるプラズマ密度の変化或いはイオンビーム電流の変化を低減し、精密な磁場調整が不要となる。また、イオン源にあっては安定に大電流のイオンビームを発生することができる。
【００１７】
また、本発明は、好ましくは、放電容器内で生成されたプラズマから引き出し電極部の１つの引き出し孔当たり５ｍＡ以上のイオン電流を引き出してイオンビームを生成するか、或いは放電容器内にマイクロ波放電により生成されるプラズマのイオン飽和電流密度が２５ｍＡ／ｃｍ２以上であるものであり、本発明は、このような大電流のイオンビームを生成するイオン源或いは高密度のプラズマを生成するプラズマ源に適用して特に効果があり、大電流ビーム又は高密度プラズマを安定に生成でき、イオン源或いはプラズマ源の信頼性を向上することができる。
【００１８】
また、本発明は、好ましくは、多極磁石の径方向外側に多極磁石を取り囲むように永久磁石を設置して軸方向の磁場を発生するものであり、これにより従来のソレノイドコイル及びコイルに必要な電源、冷却システム、電力消費が不要となる。
【００１９】
また、本発明は、好ましくは、その永久磁石の磁化方向を軸方向又は軸方向から±１０度以内の傾きを持った方向としたものであり、これにより永久磁石により発生する軸方向磁場の軸方向均一性が向上する。
【００２０】
また、本発明は、好ましくは、永久磁石を、放電容器の中心軸心を含む断面形状で見て、軸方向中心部分の径方向厚みよりも軸方向両端部分の径方向厚みの方が厚くなるような形状としたものであり、これによりコンパクトな永久磁石により軸方向均一性の良い磁場を発生することができる。
【００２１】
また、本発明は、好ましくは、永久磁石を、少なくとも軸方向中心付近で２分割した複数の分割磁石で構成し、複数の分割磁石の間にそれらの間隔を調整する非磁性体製スペーサーを設置し、そのサイズにより軸方向磁場の分布形状及び強度を調整し、また、より好ましくは、複数の分割磁石を軸方向中心付近以外の箇所で更に再分割し、軸方向中心に近い磁石部分ほど径方向の厚みが薄くなるように構成したものであり、これにより軸方向磁場の分布を最適化し、プラズマの高密度化とイオンビームの大電流化を達成することができる。
【００２２】
また、本発明は、好ましくは、軸方向磁場を発生する永久磁石の中心軸と前記放電容器の中心軸の位置関係を微調整するとともに、永久磁石と放電容器の軸方向の位置関係を微調整する位置調整装置を設置したものであり、これにより軸方向磁場を発生する永久磁石と放電容器、マイクロ波導入窓及び引き出し電極部の位置関係を最適化するとともに、軸を合わせプラズマの高密度化、ビームの大電流化、ビーム偏向の低減を図ることができる。
【００２３】
また、本発明は、好ましくは、永久磁石の内径を複数の多極磁石及び引き出し電極部の外径より大きくしたものであり、これにより位置調整装置により永久磁石と放電容器の軸方向の位置関係を調整するときの永久磁石と他の部分との干渉がなくなる。
【００２４】
また、本発明は、以上のマイクロ波イオン源或いはプラズマ源を用いて、イオンビームを加速する高周波加速器とを備える線形加速器システム、この線形加速器システムにより出射されたイオンビームを加速するシンクロトロン加速器を備える加速器システム、そのシンクロトロン加速器で加速した高エネルギーイオンビームを取り出して、患者に照射することによって治療を行うビーム照射装置を備える医療用加速器システム、前記線形加速器システムにより加速したイオンビームを試料に照射することによって放射性同位体又は半導体の生成、材料改質を行う処理室を備える高エネルギービーム応用装置、前記線形加速器システムにより加速したイオンビームを試料に照射することによって中性子を発生する処理室を備える中性子発生装置、イオンビームを試料に照射し、試料を処理する処理室を備えるイオンビームプロセス装置、前記プラズマ源で生成されたプラズマを試料に照射し、試料を処理する処理室を有するプラズマプロセス装置を構成したものであり、これにより装置の信頼性、スループット、安定性の向上や装置の小型化、低コスト化が可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、マイクロ波イオン源或いはマイクロ波プラズマ源において、放電容器内における軸方向磁場の強度変化によるプラズマ密度又はビーム電流の変動が低減され、精密な軸方向磁場の制御なしに、大電流ビーム又は高密度プラズマを安定に生成でき、イオン源或いはプラズマ源の信頼性を向上することができる。また、精密な磁場調整が必要でないため、軸方向磁場発生手段として永久磁石を使用した場合でも、安定に大電流のイオンビームを生成できる。
【００２６】
また、本発明によれば、マイクロ波イオン源或いはプラズマ源を用いて構成した線形加速器システム、加速器システム、医療用加速器システム、高エネルギービーム応用装置、中性子発生装置、イオンビームプロセス装置、プラズマプロセス装置において、大電流ビーム又は高密度プラズマを安定に生成できるので、装置の信頼性、スループット、安定性を向上することができる。また、マイクロ波イオン源或いはプラズマ源において永久磁石で軸方向磁場を発生することによって、装置の小型化、低コスト化、装置構成の単純化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（実施形態１）
本発明のマイクロ波イオン源の第１の実施の形態を図１〜図７を用いて説明する。なお、本実施の形態はマイクロ波プラズマ源の実施の形態を兼ねている。
【００２８】
図１は本実施の形態のマイクロ波イオン源の中心軸を含む縦断面図であり、図２はそのプラズマ源部分の中心軸に垂直な横断面図である。本実施の形態のマイクロ波イオン源１０１は、マイクロ波プラズマ源１０２と、イオンビーム引き出し電極部１０３とを備えている。プラズマ源１０２は、マイクロ波源であるマイクロ波発信器１、導波管２、導入窓３、円筒形の放電容器４、第１磁場発生手段としてのソレノイドコイル５、第２磁場発生手段としての複数の永久磁石６を有し、引き出し電極部１０３は、３枚の電極８ａ，８ｂ，８ｃ(プラズマ電極８ａ，減速電極８ｂ，接地電極８ｃ）、絶縁筒９、電源１１，１２を有している。電極８ａ〜８ｃの中央には少なくとも１つのイオンビームの引き出し孔が形成されている。イオンビームの引き出し孔は複数個あってもよい。
【００２９】
プラズマ源１０２において、マイクロ波発振器１で発生したマイクロ波１０５は導波管２と導入窓３を通して放電容器４内に入射する。放電容器４には、周囲に設置した第１磁場発生手段であるソレノイドコイル５によって軸方向磁場Ｂ１（マイクロ波周波数が2.45GHzの場合，最大磁束密度=８７．５〜１００ ｍＴ）が印加され、放電容器４内の電子がマイクロ波電界により加速され、ガスを衝突電離することによって放電が点孤し、プラズマが発生する。マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚの場合、円筒形の放電容器４の内径は約５０ｍｍ〜１００ｍｍである。内径を約７０ｍｍ〜９０ｍｍに設定すると、円形導波管の基本伝搬モード(ＴＥ１１) のマイクロ波のみが放電容器４内を軸方向に伝搬し、放電容器４内で効率良くマイクロ波電界によりプラズマが発生する。
【００３０】
ソレノイドコイル５によって放電容器４内に印加される軸方向磁場Ｂ１は、ＥＣＲ共鳴磁場より高い磁場（マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚの場合で最大磁束密度＝８７．５ｍＴ以上）であることが必要であり、好ましくは、最大磁束密度=９０〜１００ ｍＴである。これにより放電容器４内にマイクロ波放電によって効率良くプラズマが生成される。マイクロ波周波数２．４５ＧＨｚは工業用の標準周波数であり、この周波数を使用することによりイクロ波発振器１、導波管２等の部品を標準部品で構成でき、製作コストが安価になる。マイクロ波周波数を増加することも可能であるが(例えば１０ＧＨｚ)、その場合、周波数に比例してＥＣＲ共鳴磁場が上昇し，それに対応して必要な磁場Ｂ１は上昇する。
【００３１】
放電容器４内で発生したプラズマ中のイオンは、引き出し電極部１０３において、絶縁筒９で絶縁支持した３枚の電極８ａ〜８ｃの中央に形成された孔（イオンビームの引き出し孔）を通して、電極８ａ〜８ｃ間に印加された電界で引き出され、イオンビーム１０６が生成される。
【００３２】
図には記していないが、イオン源１０２の内部は下流に設置された真空ポンプで真空引きされており、放電容器４の導入ポートを通して必要な種類のイオンを発生するための微量のガス又は蒸気が導入される。本実施の形態では、好ましくは、イオン化物質として導入されるガスは水素ガスであり、水素ガスをプラズマ化し、その中のイオンを引き出し電極部１０３から引き出すことにより、イオンビームが生成される。イオンビーム中の陽子イオンの成分は全体のイオンの８０〜９０％程度である。
【００３３】
放電容器４の外壁上には第２磁場発生手段である複数の永久磁石６が配置されている。永久磁石６は１６極の多極磁石（１６個の磁石）であり、図２に示すように、放電容器４の外周上の円周方向に一定の間隔で配置されている。永久磁石６の磁化方向は図２の磁石断面の長手方向（放電容器４の径方向）であり、隣り合った磁石の極性は互いに逆となるよう設定する。これにより、放電容器４内壁上には同図に示すように壁近傍に局在した多極磁場Ｂ２が発生する。磁場Ｂ２は、放電容器４の内壁上より中心に近づくに従って低下し、放電容器内半径の半分の距離内壁から離れた位置での磁場Ｂ２は内壁上の磁場の１％程度以下になる。この位置付近より内部の磁場Ｂ２の弱い領域に一様なプラズマが生成され、内壁への拡散によるプラズマ損失が内壁近傍の磁場Ｂ２により低減される。
【００３４】
また、永久磁石６を設置することにより、マイクロ波によるプラズマの生成が安定化して、磁場Ｂ１による電流Ｉの変動が大幅に低減する。これは、本発明者等が得た知見であり、これにより精密な軸方向磁場Ｂ１の制御なしに、高密度プラズマと大電流ビームを安定に生成でき、イオン源の信頼性を向上できる。以下、このことを従来技術と比較しつつより詳細に説明する。
【００３５】
図３は、マイクロ波による放電でイオンビームを生成する従来のイオン源の一例を比較例として示す図である。図中、図１に示した部分と同等のものには同じ符号を付している。
【００３６】
マグネトロン１で発生したマイクロ波１０５は導波管２で輸送され、導入窓３を通して円筒形の放電容器４内に導入される。放電容器４の周囲にはコイル５が設置され、軸方向に磁場Ｂ１（最大磁束密度=９０〜１００ ｍＴ）を印加する。電子はマイクロ波電場により加速され、電子によるイオン化物質の電離により放電が発生し、放電容器４内にプラズマが生成される。マイクロ波は生成されたプラズマ中を伝搬可能な固有モードの波動として伝搬し、放電容器４中で定常的にプラズマを発生できる。イオン化物質（例えば酸素ガス）は、放電容器４の側面の導入管より供給される。放電容器４で生成したイオンは、３枚の電極８ａ〜８ｃのビーム引出し孔を通して引出され、イオンビームを生成する。
【００３７】
図３の従来技術では、放電容器４の軸方向に印加する磁場Ｂ１のわずかな変化により生成されるプラズマ密度が大きく変化し、イオンビーム電流が大きく変動することが、大電流ビームの安定な生成に対する課題であった。
【００３８】
図４に従来技術のイオン源でイオンビーム電流と軸方向磁場Ｂ１の関係を計測した実験結果を示す。軸方向磁場Ｂ１の変化に対して電流の３つの極大値があり、極大値の磁場からわずか数パーセントの磁場変動により電流は極大値の１／３以下まで低下した。また、同図には明記していないが、電流が得られても放電が不安定で安定なビーム発生ができない磁場強度も存在する。すなわち、従来技術では、安定に大電流ビームを得るにはコイル５による精密な磁場調整が必要であった。
【００３９】
図１及び図２に示した本実施の形態において、永久磁石６を設置した場合の軸方向磁場Ｂ１とイオンビーム電流Ｉの関係を実験で計測した結果を図５に示す。図４の従来のイオン源の結果と比較すると、軸方向磁場Ｂ１による電流Ｉの変動が大幅に低減されることが分かる。また、従来のイオン源のように放電が不安定で安定なビーム発生ができないＢ１の磁場強度も存在しない。したがって、本実施の形態では、コイル５による精密な軸方向磁場Ｂ１の制御なしに、高密度プラズマと大電流ビームを安定に生成でき、イオン源の信頼性を向上できる。
【００４０】
本実施の形態では、永久磁石６を１６極の多極磁石で構成している。永久磁石６の極数１６を減少させた場合、極数の減少と共に多極磁石間隔が広がるため、永久磁石６による磁場Ｂ２の領域が放電容器４の内部に広がり、磁場Ｂ２の弱いプラズマ生成領域が狭くなる。本発明者等の検討によれば、永久磁石６を構成する多極磁石の極数を１４極以上にすると、従来技術に比べマイクロ波によるプラズマの生成が安定化して、磁場Ｂ１による電流Ｉの変動を低減する効果が顕著となることが分かった。以下、このことを図６及び図７を用いて説明する。
【００４１】
図６に多極磁石の極数と、磁場Ｂ２が軸方向磁場Ｂ１の１％以下に低下する領域（プラズマ生成領域）の直径ａと放電容器４の内径Ａの比（ａ／Ａ）との関係を解析した結果を示す。１６極でのａ／Ａの値は約５０％であるが、極数の減少と共にａ／Ａの値は低下し、１２極でのａ／Ａの値は４０％未満まで低下する。プラズマ生成領域が狭くなるほど（ａ／Ａの値が小さくなるほど）、プラズマ生成効率と閉じ込め効率が悪くなるため、極数は図６の範囲では多いほど望ましいと考えられる。
【００４２】
図７に多極磁石の極数と、磁石間の放電容器４の内面の磁場Ｂ２ｔと軸方向磁場Ｂ１との比（Ｂ２ｔ／Ｂ１）との関係を解析した結果を示す。極数が減少すると、磁石と磁石の間の放電容器内壁のプラズマを閉じ込める磁場Ｂ２ｔが低下する。図７より、１６極では磁場Ｂ２tは軸方向磁場Ｂ１の約１.３倍であるが、１２極では磁場Ｂ２ｔは軸方向磁場Ｂ１より低くなり、８極では軸方向磁場Ｂ１の半分以下に低下する。
【００４３】
以上の解析結果より、ａ／Ａの下限値を４０％、Ｂ２ｔ／Ｂ１の下限値を１とすると、極数の下限値は１４極となる。極数８においては、実験結果より、ビーム電流が磁場の変化に依存して図４に示すように急激に変化し、ビーム電流安定化には磁場の精密調整が必要であることが分かっている。
【００４４】
一方、永久磁石６の極数を１６極よりさらに増加した場合、極数の増加に応じて磁石間隔が狭くなり、下記のような問題を生じる。
【００４５】
（１）極数が増加するほど永久磁石６を設置するためのスペースが小さくなる。
【００４６】
（２）放電容器４の物理的強度のため容器厚みは数ｍｍ程度必要である。このため、磁石間隔が容器厚みと同程度になると、容器内面のプラズマ閉じ込めに必要な磁場が低下する。
【００４７】
以上の理由により永久磁石６の極数を増加させることには限界があり、永久磁石６の極数は３２極以下とすることが好ましい。
【００４８】
本実施の形態では、放電容器４に導入されるガス（イオン化物質）は好ましくは水素ガスであり、この水素ガスをプラズマ化して引き出すことにより主成分が陽子のイオンビーム（陽子の割合８０〜９０％）が生成される。この場合、現状のイオン源技術では、電極８ａ〜８ｃの１つの引き出し孔当たり１０〜３００ｍＡの大電流のイオンビームを生成可能であり、将来的には１Ａ程度の大電流イオンビームも生成可能であると予測される。また、１つの引き出し孔当たり１０〜３００ｍＡのイオンビーム電流は放電容器４内で生成されるプラズマのイオン飽和電流密度に換算すると、５０ｍＡ／ｃｍ２（引き出し孔の直径５ｍｍ）〜４００ｍＡ／ｃｍ２（引き出し孔の直径１０ｍｍ）の電流密度に相当し、１つの引き出し孔当たり１Ａのイオンビーム電流は１Ａ／ｃｍ２（引き出し孔の直径１０ｍｍ）の電流密度に相当する。本発明は、このような大電流のイオンビームを生成するイオン源或いは高密度のプラズマを生成するプラズマ源に適用して特に効果があり、大電流ビーム又は高密度プラズマを安定に生成でき、イオン源或いはプラズマ源の信頼性を向上することができる。なお、水素ガスを重水素ガスに変え、重水素のイオンビームを発生することも可能である。
【００４９】
以上のように本実施の形態によれば、マイクロ波イオン源或いはマイクロ波プラズマ源において、放電容器４内における軸方向磁場の強度変化によるプラズマ密度又はビーム電流の変動が低減され、精密な軸方向磁場の制御なしに、大電流ビーム又は高密度プラズマを安定に生成でき、イオン源或いはプラズマ源の信頼性を向上することができる。
（実施形態２）
本発明のマイクロ波イオン源の第２の実施の形態を図８及び図９を用いて説明する。図中、図１に示した部分と同等のものには同じ符号を付している。本実施の形態もマイクロ波プラズマ源の実施の形態を兼ねている。
【００５０】
図８は本実施の形態のマイクロ波イオン源の中心軸を含む縦断面図であり、図２はそのプラズマ源部分の中心軸に垂直な横断面図である。本実施の形態のマイクロ波イオン源１１１は、マイクロ波プラズマ源１１２と、イオンビームの引き出し電極部１０３とを備えている。プラズマ源１１２は、第１の実施の形態におけるコイル５に代えて永久磁石１５を有している。永久磁石１５は、放電容器４の周囲に設置した円筒状の磁石であり、磁化方向を放電容器４の軸方向としている。なお、円筒状の磁石を中心軸の周りの周回方向に分割して矩形の小型磁石片としてもよい。この場合は、汎用の小型矩形磁石を使用できるので、円筒形の特殊な磁石を使用する場合と比較して、磁石コストを大幅に低減することができる。
【００５１】
本実施の形態では、放電容器周囲に設置した円筒状の永久磁石１５によって軸方向磁場Ｂ１を発生する。この場合、永久磁石１５の断面形状の最適設計によって、図１のコイル５により発生する軸方向磁場Ｂ１の分布に類似した磁場分布を永久磁石１５で実現することができる。ただし、永久磁石１５であるためソレノイドコイルのような磁場Ｂ１の微調整はできない。しかし、本実施の形態では、第１の実施の形態で説明したように多極磁石からなる永久磁石６の効果により、放電容器内における軸方向磁場の強度変化によるプラズマ密度又はビーム電流の変動が低減されるので、第１の実施の形態と同様の安定な高密度プラズマと大電流ビームを発生することが可能である。
【００５２】
また、本実施の形態では、永久磁石１５の磁化方向を軸方向とすることによって、磁場Ｂ１の軸方向均一性を向上でき、コイル５の場合に近い磁場Ｂ１の軸方向分布を得易い。ここで、永久磁石１５の磁化方向を中心軸方向に傾け過ぎた場合、軸方向中心付近の軸方向磁場Ｂ１の最大値は上昇するが、放電容器４の端部の導入窓３部分での軸方向磁場Ｂ１が低下し、マイクロ波１０５が放電容器４内に導入されず、放電容器４内での高密度プラズマ生成が困難となる可能性がある。マイクロ波を放電容器４の高密度プラズマ内に導入してマイクロ波による高密度プラズマ生成を維持するには、放電容器４内の軸方向磁場Ｂ１をプラズマ中の波動の伝搬条件を満たす一定値以上に設定する必要がある。原理的には軸方向磁場Ｂ１の下限値は、マイクロ波の周波数ｆと電子サイクロトロン周波数が一致する値である。なお、永久磁石１５の磁化方向は、厳密に軸方向である必要はなく、磁化方向がある程度傾いていても、結果として、そのような条件を満たす軸方向磁場Ｂ１を生成できればよい。本発明者等の検討によれば、軸方向から±１０度以内の傾きを持った方向であれば十分そのような条件を満たす軸方向磁場Ｂ１を生成できる。
【００５３】
本実施の形態によれば、ソレノイドコイル及びコイルに必要な電源、冷却システム、電力消費が不要であり、プラズマ源及びイオン源の小型化、低コスト化、装置構成の単純化が可能である。また、特に本実施形態は、小型、低コスト型のマイクロ波イオン源による数十ｍＡの大電流の陽子ビーム生成に適している。
（実施形態３）
本発明のマイクロ波イオン源の第３の実施の形態を図１０〜図１２を用いて説明する。図中、図１に示した部分と同等のものには同じ符号を付している。本実施の形態もマイクロ波プラズマ源の実施の形態を兼ねている。
【００５４】
図１０は本実施の形態のマイクロ波イオン源の中心軸を含む縦断面図であり、図１１はそのプラズマ源部分の中心軸に垂直な横断面図である。本実施の形態のマイクロ波イオン源１２１は、マイクロ波プラズマ源１２２と、イオンビームの引き出し電極部１０３とを備えている。プラズマ源１２２は、第１の実施の形態におけるコイル５及び第２の実施の形態の永久磁石１５に代えて永久磁石組立体２５を有している。永久磁石組立体２５は、放電容器４の周囲に設置した円筒状の磁石組立体であり、全体の磁化方向を放電容器４の軸方向としている。
【００５５】
永久磁石組立体２５は、軸方向磁場Ｂ１の分布を調整するため、図８の円筒状の永久磁石１５を軸方向に４分割して、円筒状の４個の磁石片２５ＰＬ１，２５ＰＲ１，２５ＰＬ２，２５ＰＲ２とするとともに、分割した４個の磁石片２５ＰＬ１，２５ＰＲ１，２５ＰＬ２，２５ＰＲ２の位置をスペーサー２５S１，２５３S２で調整し、それらを磁石ホルダー２５Hに収容し固定する構造としている。両端の磁石片２５ＰＬ１，２５ＰＲ１は同形状、同サイズであり、中央の磁石片２５ＰＬ２，２５ＰＲ２も同形状、同サイズである。しかし、中央の磁石片２５ＰＬ２，２５ＰＲ２は両端の磁石片２５ＰＬ１，２５ＰＲ１よりも径方向の厚みが薄い。スペーサー２５S１は中央の磁石片２５ＰＬ２，２５ＰＲ２の内周側で中央の磁石片２５ＰＬ２，２５ＰＲ２を支持しかつ両端の磁石片２５ＰＬ１，２５ＰＲ１の間隔を保持している。スペーサー２５Ｓ２は中央の磁石片２５ＰＬ２，２５ＰＲ２の間に位置し、それらの間隔を保持している。これにより、図示左側の磁石片２５ＰＬ１，２５ＰＬ２の組及び図示右側の２５ＰＲ１，２５ＰＲ２の組の断面形状はそれぞれＬ字型となり、軸方向の中心付近の磁石厚みが端部より薄くなり、またスペーサー２５S１の厚み分、中心付近の磁石（磁石片２５ＰＬ２，２５ＰＲ２）の内半径が端部の磁石（磁石片２５ＰＬ１，２５ＰＲ１）より大きくなる。更に、スペーサー２５S２により中心付近に磁石のない領域ができる。このため、図８の単純形状の永久磁石１５の場合と比較して、中心付近の軸方向磁場Ｂ１が低く、端部の軸方向磁場Ｂ１が高くなる。また、スペーサー２５S２の厚みを変えることによって磁場分布と強度を調整できる。
【００５６】
図１２にコイル５（図１）、単純な円筒形状の永久磁石１５（図８）、Ｌ字型永久磁石(単純円筒と軸方向長さが同じ)を包含した永久磁石組立体２５（図１０）の３つの場合について、放電容器４内の軸方向磁場Ｂ１の軸方向位置依存性の概要を示す。単純形状の永久磁石１５の場合、軸方向中心の磁場Ｂ１に対し端部の磁場Ｂ１が低下するので、端部の磁場がマイクロ波を高密度プラズマ中に導入するために必要な磁場強さ閾値ｂより低くなる。この場合に、端部の磁場Ｂ１の低下を抑制するためには、単純形状の永久磁石１５の軸方向長さを放電容器４より十分に長くする必要があった。これに対して、本実施の形態のＬ字型永久磁石の場合、図１２に示すように磁石端部での磁場Ｂ１の低下が抑制されてコイル５の場合と同様の磁場分布となり、均一性改善のため磁石長さを長くする必要がない。
【００５７】
したがって、本実施の形態によれば、単純形状磁石の場合と比較して必要な磁石長さを短縮でき、イオン源を小型化できる。また、この場合、磁石片２５ＰＬ１，２５ＰＲ１，２５ＰＬ２，２５ＰＲ２の磁化方向を軸方向に設定することによって、第２の実施形態の場合と同様に磁場均一性が向上されている。
【００５８】
なお、本実施の形態では、４個の磁石片２５ＰＬ１，２５ＰＲ１，２５ＰＬ２，２５ＰＲ２を円筒状の磁石としたが、磁石片２５ＰＬ１，２５ＰＲ１，２５ＰＬ２，２５ＰＲ２を更に中心軸の周りの周回方向に再分割して矩形の小型磁石片としてもよい。この場合は、汎用の小型矩形磁石を使用できるので、円筒形の特殊な磁石を使用する場合と比較して、磁石コストを大幅に低減することができる。
（実施形態４）
本発明のマイクロ波イオン源の第４の実施の形態を図１３を用いて説明する。図中、図１及び図８に示した部分と同等のものには同じ符号を付している。本実施の形態もマイクロ波プラズマ源の実施の形態を兼ねている。
【００５９】
図１３は本実施の形態のマイクロ波イオン源の中心軸を含む縦断面図である。本実施の形態のマイクロ波イオン源１３１は、マイクロ波プラズマ源１１２と、イオンビームの引き出し電極部１０３と、真空容器１６と、位置調整装置１０７とを備えている。位置調整装置１０７は、プラズマ源１１２の放電容器４と軸方向磁場Ｂ１を発生する永久磁石１５との相対位置関係を調整するためのものであり、永久磁石１５と放電容器４の中心軸心を合わせるとともに、永久磁石１５と放電容器４の軸方向の位置関係を調整する機能を有している。永久磁石１５そのものが発生する軸方向磁場Ｂ１は調整することはできないが、永久磁石１５と放電容器４の相対位置関係を調整することによって、放電容器４内の軸方向磁場Ｂ１の分布を調整することができる。位置調整装置１０７の具体的な構成は次のようである。
【００６０】
位置調整装置１０７は、永久磁石１５を固定支持する絶縁支持体３１と、絶縁支持体３１を軸方向（Ｚ方向）に直線移動可能に支持するガイド部３２を有するリニアガイド台３３とを備え、リニアガイド台３３によって永久磁石１５の軸方向（Ｚ方向）の位置を調整する。永久磁石１５の内径は、永久磁石６及びイオンビームの引き出し電極部１０３の各部の外径より大きく設定され、軸方向位置調整における永久磁石１５と他の部分との干渉はなく、調整範囲が広い。プラズマ源１１２の放電容器４と引き出し電極部１０３の電極８ａ〜８ｃは、真空容器１６に固定され、真空容器１６は支持台３５に固定支持されている。絶縁支持体３１には永久磁石１５の傾きとＺ方向に垂直な方向（径方向）の位置を調整する機構が内蔵され、永久磁石１５と放電容器４の中心軸を合わせることができる。
【００６１】
本実施の形態では、このような永久磁石１５の位置調整によって、放電容器４内の軸方向磁場Ｂ１の分布を調整し、放電容器４内のプラズマ生成効率と安定性の調整が可能である。永久磁石１５の適切な位置調整により高密度プラズマと大電流ビームを安定に発生することができる。
【００６２】
放電容器４と永久磁石１５には、それぞれ、相対位置検出センサー３６Ａ，３６Ｂが設けられている。センサー３６Ａ，３６Ｂによって永久磁石１５の相対位置をモニターすることにより、位置調整が容易となる。また、このセンサー３６Ａ，３６Ｂの位置モニター信号を制御装置（図示せず）に入力するとともに、当該制御装置により支持体３１を駆動する駆動装置（図示せず）を取り付けることによって、相対位置を自動調整することが可能である。また、イオンビーム１０６の電流をモニターし、そのモニター信号を上記制御装置に入力することによって、ビーム電流が適切な値となるように相対位置をフィードバック制御することもできる。
【００６３】
なお、本実施の形態では、図８に示した第２の実施の形態に係わるマイクロ波プラズマ源１１２の永久磁石１５の相対位置を調整可能としたが、図１０に示す実施の形態にその考えを適用し、永久磁石組立体２５の相対位置を調整可能としてもよいし、図１に示す実施の形態にその考えを適用し、ソレノイドコイル５の相対位置を調整可能にしてもよい。
(実施形態５)
本発明のマイクロ波イオン源を用いた線形加速器システムの実施の形態を図１４を用いて説明する。図１４は本実施の形態の線形加速器システムの中心軸を含む縦断面図である。
【００６４】
本実施の形態の線形加速器システム１５０は、マイクロ波イオン源Ｉと、ビーム集束レンズシステムＬと、高周波４重極加速装置（ＲＦＱ）Ｒと、ドリフトチューブ加速器（ＤＴＬ）Ｄと、電源制御装置１７〜２０と、加速器制御装置２１とを備えている。マイクロ波イオン源Ｉは、例えば図８に示したイオン源１１１である。マイクロ波イオン源Ｉは、イオン源１０１，１２１，１３１のいずれかであってもよい。ビーム集束レンズシステムＬ、高周波４重極加速装置（ＲＦＱ）Ｒ、ドリフトチューブ加速器（ＤＴＬ）Ｄは線形加速器を構成する。
【００６５】
本実施の形態の線形加速器システム１５０は、イオン源Ｉで発生するイオンビーム１０６Ｌをビーム集束レンズシステムＬ、高周波４重極加速装置（ＲＦＱ）Ｒ、ドリフトチューブ加速器（ＤＴＬ）Ｄにより構成される線形加速器によって加速するシステムである。イオンビーム１０６Ｌはビーム集束レンズシステムＬで集束され、高周波４重極加速装置（ＲＦＱ）Ｒに入射され、３ＭｅＶまで加速され、さらにドリフトチューブ加速器（ＤＴＬ）Ｄで加速され、１０ＭｅＶの高エネルギービーム１０H６が生成される。電源制御装置１７〜２０は、それぞれ、マイクロ波イオン源Ｉ、ビーム集束レンズシステムＬ、高周波４重極加速装置（ＲＦＱ）Ｒ、ドリフトチューブ加速器（ＤＴＬ）Ｄに与えられる電源電流を制御するものであり、加速器制御装置２１により集中制御し、各機器の動作パラメーターをイオンビームの加速に最適に調整する。
【００６６】
本実施の形態によれば、イオン源Ｉより安定に大電流ビームを加速器に入射できるので、加速器から出射するビーム１０６Hの安定化と大電流化が可能である。また、イオン源Ｉの放電の不安定性により加速器と整合しないビームが加速器に入射され加速器に損傷を与えることが少なく、また、加速器動作の安定化、加速器の長寿命化を図れる。イオン源Ｉの軸方向磁場Ｂ１を永久磁石１５（図８参照）で発生した場合、加速器システムの小型化と低コスト化につながる。
【００６７】
本実施形態では、１０ＭｅＶ程度の高エネルギー加速のためドリフトチューブ加速器Ｄを用いたが、３MV程度以下の加速の場合はドリフトチューブ加速器Ｄを使用せずに、高周波４重極加速装置Ｒのみを使用してビームを加速するシステム構成としてもよい。また、特に本実施の形態は、陽子ビーム加速器の大電流化、安定化に適する。
(実施形態６)
本発明のマイクロ波イオン源を用いた線形加速器システムを医療用シンクロトロン加速器システムに応用した実施の形態を図１５を用いて説明する。本実施の形態は、線形加速器システムを備えた加速器システムの実施の形態を兼ねている。
【００６８】
図１５は本実施の形態の医療用シンクロトロン加速器システムの構成図である。本実施の形態の医療用加速器システムは、図１４に示したのと同様な線形加速器システム１５０と、シンクロトロン加速器Ｓと、シンクロトロンシステム制御装置４０と、ビーム輸送系４１と、ビーム照射装置４２とを備えている。線形加速器システム１５０は、図１４に示したように、マイクロ波イオン源Ｉと、ビーム集束レンズシステムＬと、高周波４重極加速装置（ＲＦＱ）Ｒと、ドリフトチューブ加速器（ＤＴＬ）Ｄと、電源制御装置１７〜２０と、加速器制御装置２１とを備えている。マイクロ波イオン源Ｉは、例えば図８に示したイオン源１１１である。マイクロ波イオン源Ｉは、イオン源１０１，１２１，１３１のいずれかであってもよい。
【００６９】
線形加速器システム１５０で加速されたイオンビーム１０６H１は、シンクロトロン加速器Ｓのビーム入射装置４５を介してシンクロトロン加速器Ｓに入射される。入射されたイオンビームは、シンクロトロン加速器Ｓの加速リング内の偏向磁石Ｓ１で偏向されリング内を周回するので、イオンビームが数回周回するまでイオンビームの入射を続けるようにシンクロトロンシステム制御装置４０により加速器制御装置２１、ビーム入射装置４５、偏向磁石Ｓ１を制御することによって必要な量のイオンビームをリング内に蓄積できる。蓄積されたイオンビームは制御装置４０の制御信号に従って加速空洞Ｓ２で加速されることによって、偏向磁石Ｓ１で偏向され周回しながら高エネルギー(例えば２５０ＭｅＶ)に加速された後、ビーム出射装置４６によってビーム輸送系４１へ出射される。ビーム輸送系４１を通った高エネルギーイオンビーム１０６H２を偏向器４７を含むビーム照射装置４２で偏向、整形、位置調整した後、その高エネルギーイオンビーム１０６H３を治療ベッド４８上の患者４９に照射することによって治療を行う。
【００７０】
本実施の形態によれば、イオン源Ｉで大電流のイオンビームを安定に発生し加速器に供給できるので、治療の信頼性向上、高スループット化が可能である。また、マイクロ波放電でプラズマを生成しフィラメントと電極が不要なため、フィラメント交換などのメインテナンス無しに長時間安定に使用することができ、システムの稼働率を向上できる。
【００７１】
本実施の形態は特に陽子線治療装置用加速器システムの大電流化、稼働率向上に適するが、他のイオンの加速器にも適用可能である。また、本実施の形態では、シンクロトロン加速器Ｓを用いた医療用加速器システムに本発明を適用したが、サイクロトロン加速器を用いた医療用加速器システムに本発明を適用してもよい。
(実施形態７)
本発明のマイクロ波イオン源を用いた線形加速器システムをポジトロンエミッショントモグラフィー（ＰＥＴ）等に使用するラジオアイソトープ製造装置、分析装置、中性子発生装置、半導体製造装置等の高エネルギーイオンビームの応用装置に適用した実施の形態を図１６を用いて説明する。図１６は本実施の形態のラジオアイソトープ製造装置、その他の高エネルギーイオンビーム応用装置の構成図である。
【００７２】
本実施の形態の高エネルギーイオンビーム応用装置は、図１４に示したのと同様な線形加速器システム１５０と、ビーム照射室５１とを備えている。ビーム照射室５１は線形加速システム１５０の線形加速器のビーム出射端に接続され、応用装置の照射試料５２にイオンビームを照射する。線形加速器システム１５０は、図１４に示したように、マイクロ波イオン源Ｉと、ビーム集束レンズシステムＬと、高周波４重極加速装置（ＲＦＱ）Ｒと、ドリフトチューブ加速器（ＤＴＬ）Ｄと、電源制御装置１７〜２０と、加速器制御装置２１とを備えている。マイクロ波イオン源Ｉは、例えば図８に示したイオン源１１１である。マイクロ波イオン源Ｉは、イオン源１０１，１２１，１３１のいずれかであってもよい。
【００７３】
応用装置がラジオアイソトープ製造装置である場合、線形加速器で加速されたイオンビーム１０６Ｈは試料５２に照射され、ターゲット内部の材料が核反応を起こし、ラジオアイソトープが製造される。
【００７４】
応用装置が分析装置である場合、同様にイオンビーム１０６Ｈが試料５２に照射され、材料から発生する特性Ｘ線などにより材料分析を行う。
【００７５】
応用装置が中性子発生装置である場合、同様にイオンビーム１０６Ｈが試料５２に照射され、試料５２上で核反応を起こさせて中性子発生を行う。この場合、中性子をボロンニュートロンキャプチャーセラピー（ＢＮＣＴ）等の医療応用装置に応用できる。
【００７６】
応用装置が半導体製造装置である場合、同様にイオンビーム１０６Ｈが試料５２に照射され、半導体材料にイオン注入を行う等のプロセスが実行される。
【００７７】
以上の本実施の形態による応用装置では、イオン源Ｉで大電流のイオンビームを安定に発生できるので、装置の信頼性向上、高スループット化が可能である。軸方向磁場Ｂ１の発生のためのコイルを使用せずに永久磁石を使用した場合、装置を低コスト化、小型化できる。また、マイクロ波放電でプラズマを生成しフィラメントと電極が不要なため、フィラメント交換などのメインテナンス無しに長時間安定に使用することができる。
(実施形態８)
本発明のマイクロ波プラズマ源を用いたプラズマプロセス装置の実施の形態を図１７を用いて説明する。図１７は、本実施の形態のプラズマプロセス装置の中心線を含む縦断面図である。
【００７８】
本実施の形態のプラズマプロセス装置１６０は、図８に示したのと同様なマイクロ波プラズマ源１１２と、処理室６１とを備えている。マイクロ波プラズマ源１１２は、図１に示したマイクロ波プラズマ源１０２であってもよいし、図１０に示したマイクロ波プラズマ源１２２であってもよい。処理室６１はプラズマ源１１２の端部に接続されている。プラズマ源１１２の放電容器４で生成したプラズマが処理室６１に設置した試料６２に照射され、薄膜生成、加工、スパッタ他のプラズマプロセスにより半導体の生成、材料の改質、加工、滅菌、その他を行う。
【００７９】
本実施の形態によれば、高密度プラズマを安定に発生できるので、装置の信頼性向上、高スループット化が可能である。軸方向磁場Ｂ１の発生のためのコイルを使用せずに永久磁石を使用した場合、プラズマプロセス装置を低コスト化、小型化できる。マイクロ波放電でプラズマを生成しフィラメントと電極が不要なため、フィラメント交換などのメインテナンス無しに長時間安定に使用することができる。また、フィラメントと電極から発生する金属による試料の汚損の問題が無い。
(実施形態９)
本発明のマイクロ波イオン源を用いたイオンビームプロセス装置の実施の形態を図１８を用いて説明する。図１８は、本実施の形態のイオンビームプロセス装置の中心線を含む縦断面図である。
【００８０】
本実施の形態のイオンビームプロセス装置１７０は、図８に示したのと同様なマイクロ波イオン源１１１と、処理室７１とを備えている。マイクロ波イオン源１１１は、図１に示したマイクロ波イオン源１０１であってもよいし、図１０に示したマイクロ波イオン源１２１であってもよい。処理室７１はイオン源１１１のイオンビーム引き出し電極部１０３の端部に接続されている。イオン源１１１で生成したイオンビーム１０６が処理室７１に設置した試料７２に照射され、薄膜生成、加工（ミリング、エッチング他）、スパッタ、イオン注入、その他のイオンビームプロセスにより半導体の生成、材料の改質、加工、滅菌他を行う。
【００８１】
本実施の形態によれば、大電流のイオンビームを安定に発生できるので、装置の信頼性向上、高スループット化が可能である。軸方向磁場Ｂ１の発生のためのコイルを使用せずに永久磁石を使用した場合、イオンビームプロセス装置を低コスト化、小型化できる。また、マイクロ波放電でプラズマを生成しフィラメントと電極が不要なため、フィラメント交換などのメインテナンス無しに長時間安定に使用することができる。また、フィラメントと電極から発生する金属による試料の汚損の問題が無い。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わるマイクロ波イオン源の中心軸を含む縦断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係わるマイクロ波イオン源の中心軸に垂直な横断面図である。
【図３】マイクロ波による放電でイオンビームを生成する従来のイオン源の一例を比較例として示す図である。
【図４】従来技術のイオン源でイオンビーム電流と軸方向磁場の関係を計測した実験結果を示す図である。
【図５】本実施の形態において、永久磁石を設置した場合の軸方向磁場とイオンビーム電流の関係を実験で計測した結果を示す図である。
【図６】多極磁石の極数と、多極磁石による磁場Ｂ２が軸方向磁場Ｂ１の１％以下に低下する領域（プラズマ生成領域）の直径ａと放電容器の内径Ａの比（ａ／Ａ）との関係を解析した結果を示す図である。
【図７】多極磁石の極数と、多極磁石間の放電容器の内面の磁場Ｂ２ｔと軸方向磁場Ｂ１との比（Ｂ２ｔ／Ｂ１）との関係を解析した結果を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係わるマイクロ波イオン源の中心軸を含む縦断面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係わるマイクロ波イオン源の中心軸に垂直な横断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係わるマイクロ波イオン源の中心軸を含む縦断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係わるマイクロ波イオン源の中心軸に垂直な横断面図である。
【図１２】コイル、単純な円筒形状の永久磁石、Ｌ字型永久磁石(単純円筒と軸方向長さが同じ)を包含した永久磁石組立体の３つの場合について、放電容器内の軸方向磁場Ｂ１の軸方向位置依存性の概要を示す図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態に係わるマイクロ波イオン源の中心軸を含む縦断面図である。
【図１４】本発明のマイクロ波イオン源を用いた線形加速器システムの実施の形態を示す線形加速器システムの中心線を含む縦断面図である。
【図１５】本発明のマイクロ波イオン源を用いた線形加速器システムを医療用シンクロトロン加速器システムに応用した実施の形態を示す医療用シンクロトロン加速器システムの構成図である。
【図１６】本発明のマイクロ波イオン源を用いた線形加速器システムをポジトロンエミッショントモグラフィー（ＰＥＴ）等に使用するラジオアイソトープ製造装置、分析装置、中性子発生装置、半導体製造装置等の高エネルギーイオンビームの応用装置に適用した実施の形態を示す当該応用装置の構成図である。
【図１７】本発明のマイクロ波プラズマ源を用いたプラズマプロセス装置の実施の形態を示すプラズマプロセス装置の中心線を含む縦断面図である。
【図１８】本発明のマイクロ波イオン源を用いたイオンビームプロセス装置の実施の形態を示すイオンビームプロセス装置の中心線を含む縦断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１  マイクロ波発信器
２  導波管
３  導入窓
４  放電容器
５  コイル（第１磁場発生手段：軸方向磁場発生用）
６  永久磁石（第２磁場発生手段：多極磁場発生用）
８ａ  プラズマ電極
８ｂ  減速電極
８ｃ  接地電極
９  絶縁筒
１１  電源１１，１２
１５  永久磁石（第１磁場発生手段：軸方向磁場発生用）
１６  真空容器
１７〜２０  電源制御装置
２１  加速器制御装置
２５  永久磁石組立体（第１磁場発生手段：軸方向磁場発生用）
２５ＰＬ１，２５ＰＲ１，２５ＰＬ２，２５ＰＲ２  磁石片
２５S１，２５S２  スペーサー
２５Ｈ  ホルダー
３１  絶縁支持体
３２  ガイド部
３３  リニアガイド台
３５  支持台
３６Ａ，３６Ｂ  相対位置検出センサー
４０  シンクロトロンシステム制御装置
４１  ビーム輸送系
４２  ビーム照射装置
４５  ビーム入射装置
４６  ビーム出射装置
４８  治療ベッド
４９  患者
５１  ビーム照射室
５２  試料
６１  処理室
６２  試料
７１  処理室
７２  試料
１０１，１１１，１２１，１３１  マイクロ波イオン源
１０２，１１２，１２２  マイクロ波プラズマ源
１０３  イオンビーム引き出し電極部
１０５  マイクロ波
１０６  イオンビーム
１０７  位置調整装置
１５０  線形加速器システム
１６０  プラズマプロセス装置
１７０  イオンビームプロセス装置
Ｂ１  軸方向磁場
Ｂ２  多極磁石による磁場
Ｉ  マイクロ波イオン源
Ｌ  ビーム集束レンズシステム
Ｒ  高周波４重極加速装置（ＲＦＱ）
Ｄ  ドリフトチューブ加速器（ＤＴＬ）
Ｓ  シンクロトロン加速器
Ｓ１  偏向磁石
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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