(57)【要約】【課題】小型で簡素なイオンビーム伝送システムを実現する。【解決手段】イオンビーム照射ヘッド７内に、高強度レーザー光４ａを照射してイオン２を発生させるテープターゲット３と、イオン発生位置の直後に位置するように設置され、テープターゲットから発生したイオンをコリメートしてヘッド外に発出させるキャピラリー基盤１を設けるように構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー加速によって発生したイオンをコリメートして伝送するイオンビーム伝送システムにおいて、
イオン発生位置の直後に、貫通孔を有するキャピラリー基盤を設置し、レーザー加速によって発生したイオンを前記貫通孔を通過させることによりコリメートするように構成したことを特徴とするイオンビーム伝送システム。
【請求項２】
請求項１において、前記キャピラリー基盤は複数の貫通孔を備え、この貫通孔は、イオンの進行方向に放射状に広がるように貫通孔軸を配列し、かつ、前記貫通孔軸は、キャピラリー基盤内の途中からイオンの進行方向に平行となるように形成されていることを特徴とするイオンビーム伝送システム。
【請求項３】
レーザー加速によって発生したイオンをコリメートしてマニピュレータの先端に設けたイオンビーム照射ヘッドから発出させてイオン照射対象物に照射するイオンビーム照射装置において、
前記イオンビーム照射ヘッド内に、レーザー光を照射してイオンを発生させるテープターゲットと、イオン発生位置の直後に位置するように設置され、テープターゲットから発生したイオンをコリメートしてヘッド外に発出させるキャピラリー基盤を設けたことを特徴とするイオンビーム照射装置。
【請求項４】
請求項３において、前記キャピラリー基盤は複数の貫通孔を備え、この貫通孔は、イオンの進行方向に放射状に広がるように貫通孔軸を配列し、かつ、前記貫通孔軸は、キャピラリー基盤内の途中からイオンの進行方向に平行となるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載のイオンビーム照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンビーム伝送システム及びイオンビーム照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高強度レーザー光を用いた高速イオン発生技術は、粒子線加速をコンパクトな装置で実現することができるため、従来の大型加速器施設に代わる新たな加速器として注目されている。近年では、テーブルトップサイズの高繰り返しレーザー装置を用いて、百万電子ボルト（ＭｅＶ：メガエレクトロンボルト）以上のエネルギーを持つイオンビームを発生させている。将来的なレーザーイオン発生装置（加速器）の更なる小型化・高出力化は確実であり、粒子線がん治療などの医療に用いる新たな粒子線加速器として期待されている。
【０００３】
しかしながら、レーザー光によるレーザーイオンイオン発生・加速部（レーザーイオン加速器）については飛躍的な技術革新がもたらされているにもかかわらず、レーザー加速したイオンの伝送技術の開発が遅れている。一般に、荷電粒子の収束・伝送には電磁石が用いられるが、陽子などのイオンビームは電子と比較して質量数が大きいために、大型・高出力の電磁石装置を必要とする。レーザー装置によってイオン発生・加速部を小型化しても、イオン伝送装置が大型のままでは、小型な加速器としての優位性は半減してしまうことから、小型のレーザーイオン加速器に適した小型のイオン伝送技術の開発が望まれている。
【０００４】
また、粒子線を医学治療に利用する際の重要な条件の１つに、真空で加速される粒子線を大気中に取り出す技術がある。一般には、薄膜窓を介してイオンビームを大気中に伝送するが、この方法では、イオンビームが高エネルギー（陽子ならば２０ＭｅＶ程度以上）であることが必要である。また、薄膜窓を用いない方法では、大型の差動排気系が必要である。従って、数ＭｅＶ程度のイオンビームを大気中に伝送することができる小型な装置が求められている。
【０００５】
【特許文献１】特表２００４−５２５７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーザーイオン加速器によって発生したＭｅＶ級エネルギーの粒子線の伝送においては、以下に述べる２つの課題がある。
（１）イオンビームの発散角度が数十度程度と広いために、粒子線を収束・コリメートする必要があるが、イオンビームのエネルギーは幅広い連続分布をとるために、電場・磁場による伝送ではエネルギーの違いによって収束距離や偏向半径が異なり、そのために、全エネルギーで一様に伝送することができない。
（２）現在発生しているエネルギーが数ＭｅＶ程度のイオンビームを真空から大気中へ伝送する新しい技術を開発することが必要である。
【０００７】
本発明の1つの目的は、以上のような課題を、小型のレーザーイオン加速器の特長を損なうことなく解決する小型で簡素なイオンビーム伝送システム（伝送手段）を提案することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、小型で簡素なイオンビーム伝送手段を用いて使い勝手の良いイオンビーム照射装置を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のイオンビーム伝送システムは、イオン発生位置の直後にキャピラリー基盤を設置し、レーザー加速によって発生したイオンをコリメートするように構成したことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のイオンビーム照射装置は、マニピュレータの先端に設けたイオンビーム照射ヘッド内に、レーザー光を照射してイオンを発生させるテープターゲットと、イオン発生位置の直後に位置するように設置され、テープターゲットから発生したイオンをコリメートしてヘッド外に発出させるキャピラリー基盤を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発生したイオンをキャピラリー基盤によってコリメートしてイオンビームにするように構成したことにより、イオンビーム伝送システムを実現することができ、また、使い勝手の良いイオンビーム照射装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
マニピュレータの先端に設けたイオンビーム照射ヘッド内に、レーザー光を照射してイオンを発生させるテープターゲットと、イオン発生位置の直後に位置するように設置され、テープターゲットから発生したイオンをコリメートしてヘッド外に発出させる複数の貫通孔を備えたキャピラリー基盤を設け、前記レーザー光は、外部からマニピュレータ内を通して前記イオンビーム照射ヘッド内に導くように構成する。
【実施例１】
【００１３】
本発明のマイクロキャピラリーによるレーザー加速イオンビーム伝送について、図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、レーザーイオン加速によってイオンビームを発生させた位置の直後にマイクロキャピラリーを設置することによりイオンビームの発生方向を選別して出力するレーザー加速イオンビーム伝送システムの構成を示す模式図である。
【００１５】
この実施例１におけるレーザー加速イオンビーム伝送システムにおいて、キャピラリー基盤１は、直径数センチメートル、厚さ数ミリメートルから数センチメートルの基盤上に、直径が５〜１０ミクロンメートル程度のキャピラリーを無数に並列に並べて配置して構成したものである。
【００１６】
イオン２の発生は、イオン発生薄膜テープターゲット３上に焦点を結ぶようにレーザー光４を照射するように構成することによって実現する。このようにイオン発生薄膜テープターゲット３に対して高強度のレーザー光４を照射することにより、ＭｅＶ以上のエネルギーを持ったイオン２が発生する。
【００１７】
そして、レーザー加速によってイオン２が発生する位置の直後（レーザー光４が照射される薄膜テープターゲット３のレーザー光照射スポット形成位置の背面から約１ｃｍ離れた位置）に前記キヤピラリー基盤１を設置することにより、レーザー加速によって発生したイオン２をコリメートして平行なイオンビーム２ａにして出力するように機能させ、電磁石を用いた伝送装置に比べて小型の伝送装置を実現する。イオン発生位置（薄膜テープターット３のレーザー光照射スポット形成位置）とキャピラリー基盤１の間隔は、レーザー光照射によって薄膜テープターゲット３から発生する微小片（デブリ）がキャピラリーに付着して微細孔を目詰まりさせてしまうのを防止する観点から、前述した距離（約１ｃｍ）が好適である。
【００１８】
図２は、このようなマイクロキャピラリーによるレーザー加速イオンビーム伝送システムを使用して構成したイオンビーム照射装置の模式図である。
【００１９】
このイオンビーム照射装置は、基礎部５に設置した多関節マニピュレータ６の先端に設けたイオンビーム照射ヘッド７内でレーザー加速によってイオン２を発生させ、コリメートしたイオンビーム２ａを発出させてイオンビーム照射対象物である加工対象物８に照射する構成である。ここで、図示説明は省略するが、基礎部５、多関節マニピュレータ６、イオンビーム照射ヘッド７内は、排気装置によって真空状態に排気するように構成する。
【００２０】
レーザー光発生装置９は、大気中に設置され、発出した低強度のレーザー光４を基礎部５に設けた透明窓（図示省略）を通して該基礎部５内に設置したパルス圧縮部１０に入力する。パルス圧縮部１０は、入力した低強度のレーザー光４をパルス圧縮して高強度レーザー光４ａとした後に多関節マニピュレータ６の導光路に向けて出力する。低強度のレーザー光４は、大気中のレーザー光発生装置９から大気中を介して基礎部５内に伝送するのに好都合である。
【００２１】
多関節マニピュレータ６は、中空の複数のアーム部材６ａ〜６ｅと、これらのアーム部材６ａ〜６ｅ間を折曲可能に接続する中空の複数の関節部材６ｆ〜６ｉと、各関節部材６ｆ〜６ｉ内に設置した複数のレーザー光反射鏡６ｊ〜６ｎを備え、その内部にレーザービーム導光路を形成する。この多関節マニピュレータ６の基端部に位置するアーム部材６ａの外端は前記基礎部５に取り付けて固定し、先端部に位置するアーム部材６ｅの外端にはイオンビーム照射ヘッド７を取り付ける。
【００２２】
そして、前記多関節マニピュレータ６は、基礎部５内のレーザー光発生装置９で発生した高強度のレーザー光４ａを、アーム部材６ａの外端から該アーム部材６ａの中空内部のレーザービーム導光路に受入れ、関節部材６ｆ内の反射鏡６ｊ−アーム部材６ｂ−関節部材６ｇ内の反射鏡６ｋ−アーム部材６ｃ−関節部材６ｈ内の反射鏡６ｍ−アーム部材６ｄ−関節部材６ｉ内の反射鏡６ｎ−アーム部材６ｅを介して導いてイオンビーム照射ヘッド７内に入力するように機能する。
【００２３】
イオンビーム照射ヘッド７は、ヘッド筐体７ａ内に、収束ミラー７ｂと、前記イオン発生薄膜テープターゲット３を巻回したテープ供給リール７ｃと、前記テープ供給リール７ｃから繰り出したイオン発生薄膜テープターゲット３を巻き取るテープ巻き取りリール７ｄと、前記キャピラリー基盤１を備える。イオン発生薄膜テープターゲット３における高強度レーザー光照射スポットの位置とキャピラリー基盤１の間の間隔は、約１ｃｍとする。
【００２４】
そして、前記イオンビーム照射ヘッド７は、アーム部材６ｅから入力した高強度レーザー光４ａを、テープ供給ルール７ｃから繰り出したイオン発生薄膜テープターゲット３上に焦点を結ぶように収束ミラー７ｂによって収束し、高強度レーザー光４ａが照射されたイオン発生薄膜テープターゲット３から発生するレーザー加速イオン２をイオン発生部の直後に位置するように設けたキャピラリー基盤１によってコリメートして平行なイオンビーム２ａにしてヘッド外に発出するように構成する。従って、キャピラリー基盤１は、イオンビーム２ａをイオンビーム照射ヘッド７からヘッド外に発出させるためのイオンビーム発出窓としても機能する。
【００２５】
このようにイオン発生薄膜テープターゲット３に高強度レーザー光４ａを照射して発生させたレーザー加速イオンをイオン発生位置の直後に設置したキャピラリー基盤１を使用してコリメートすることによって発出するイオンビーム照射ヘッド７は、数センチメートル〜数１０センチメートルの奥行き寸法に小型化・軽量化することができるので、イオンビーム照射ヘッド７をイオン照射対象物８の直近まで近づけてイオン照射対象物８にイオンビームを照射することができるようになる。
【００２６】
このように構成したイオンビーム照射装置は、多関節マニピュレータ６によって支持したイオンビーム照射ヘッド７をイオン照射対象物８の近くまで移動させてキャピラリー基盤１をイオン照射対象物８に対面させることにより、イオンビーム照射ヘッド７内で発生させたイオン２をキャピラリー基盤１によってコリメートして発出させてイオン照射対象物８の所望の照射対象部位に容易に照射することができる。
【００２７】
このようなイオンビーム照射装置によれば、従来のイオン照射装置では手の届かないようなイオン照射対象位置にまで、きめ細かなイオン照射を実現することができるようになり、使い勝手の良いイオンビーム照射装置となる。
【００２８】
ここで、キャピラリー基盤１について図３を参照して説明する。
【００２９】
一般的なキャピラリー基盤１は、キャピラリー基盤１の軸線（テープターゲット３でのイオン発生点３ａからキャピラリー基盤１の中心を通る仮想線）に平行な多数の孔を保持した構成（図３のａ））となっているが、本実施例１において発生するイオンビームは、その特性上、放射状に放射するイオンビーム２であるため、キャピラリー基盤１へのイオンビーム２の入射角の関係で一部のイオンビーム２ａのみの利用となってしまうことから、加工対象物８への照射効率が非常に悪くなる。
【００３０】
図３において、イオンビーム２の破線は、キャピラリー基盤１で収束されず、加工対象物８への照射に繋がらなかったイオンビーム２を示している。
【００３１】
そこで、本実施例１では、キャピラリー基盤１の軸線に平行な多数の孔を、放射するイオンビーム２の放射角度に沿って、イオンビーム２の中心軸線を中心として傾斜した孔を多数保有する構造（図３のｂ））とすることで、イオンビーム２の収束効率を高め、加工対象物８への照射効率を高める構成としている。孔の傾斜角度は、過去の平板基盤を用いた実験例から推定すると、０．６度が好ましい角度である。
【００３２】
この場合、キャピラリー基盤１の孔は丸穴に限定されるものではなく、傾斜を持った穴を製造するための膜生成、エッチング等の観点から、角孔形状としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のレーザー加速イオンビーム伝送システムの模式図である。
【図２】本発明の実施例1のイオンビーム照射装置の模式図である。
【図３】本発明の実施例１のキャピラリー基盤の模式図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…キャピラリー基盤、２…イオン、２ａ…イオンビーム、３…薄膜テープターゲット、４…レーザー光、４ａ…高強度レーザー光、６…多関節マニピュレータ、７…イオンビーム照射ヘッド、９…レーザー光発生装置、１０…パルス圧縮部。
【図１】
2009276315.tif 000003
【図２】
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【図３】
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