JP5684171B2 - レーザイオン源 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光の照射によりイオンを発生させるレーザイオン源に関する。

近年、高エネルギーの炭素イオン照射によるがんの治療法が開発され、イオンビームを生成するイオン源を用いた治療が開始されている。

このイオン源の更なる性能向上のためには、高密度の６価の炭素イオンを生成することが不可欠である。しかしながら、例えばμ波放電プラズマを用いたイオン源では、この点で非力であるので、新たなイオン源の開発が望まれている。

そこで、高密度のイオンビームを生成する能力を有するレーザイオン源が知られている。このレーザイオン源は、所定の真空条件を満たす空間内に配置された固体ターゲットにレーザ光を集光照射し、当該レーザ光のエネルギーによってイオン化し、当該イオンを静電的に引き出してイオンビームを生成する装置である。なお、特許文献１及び２には、レーザイオン源に関する技術が開示されている。

レーザイオン源の特徴は、イオンの発生源として固体ターゲットを用いる点にある。このように固体ターゲットを用いることによって、レーザイオン源では、高密度のイオン電流を引き出すことが可能となる。

ところで、レーザイオン源を継続的に動作させる場合には、当該レーザイオン源においてイオンの発生源（つまり、固体ターゲット）を補給する必要がある。

例えば放電プラズマを用いたイオン源では、イオンの発生源としてガスを供給するだけでよい。これに対して、レーザイオン源では、イオンの発生源（つまり、固体ターゲット）の補給の都度、当該レーザイオン源を大気解放して当該固定ターゲットを補給（交換）するのが一般的である。なお、引用文献３及び４には、ＵＶ光源向けの技術であるが、ターゲットの供給に関する技術が開示されている。

特開２００９−０３７７６４号公報 特許第３７１３５２４号公報 特開２００８−０９８０８１号公報 特開２０１１−００３８８７号公報

レーザイオン源の医療への適用を考えると、当該レーザイオン源には長時間の安定動作が要求されるため、イオンの発生源である固体ターゲット（以下、単にターゲットと表記）が配置される空間内の真空条件を損なわずに当該ターゲットの補給（交換）を行うことが求められている。

換言すれば、レーザイオン源では、真空条件を大きく損ねることのない連続的なターゲットの補給方法を確立することが重要である。

しかしながら、上記したようにターゲットの補給の度に当該レーザイオン源を大気解放すると、当該ターゲットが配置される空間内の真空条件が損なわれてしまう。

したがって、レーザイオン源においては、ターゲットを補給するための特別な工夫が必要である。

そこで、本発明の目的は、真空条件を損なうことなくターゲットの補給を行うことが可能なレーザイオン源を提供することにある。

本発明の１つの態様によれば、真空排気され、レーザ光の照射によりイオンを発生するターゲットが輸送されて配置される真空容器と、前記真空容器の側面に設けられ、前記真空容器内へのターゲットの輸送時に開き、前記輸送時以外は閉じるバルブと、前記バルブを介して前記真空容器に取り付けられ、前記ターゲットを移動可能に保持し、前記真空容器とは独立して真空排気されるターゲット補給容器と、前記バルブを閉じた状態で前記ターゲット補給容器が真空排気された後に、前記バルブを開いた状態で前記ターゲット補給容器に保持されたターゲットを前記真空容器に輸送する輸送手段とを具備し、前記輸送手段は、前記ターゲット補給容器から前記真空容器までの間に設置された前記ターゲットの輸送方向を規定するガイドレールに沿って前記ターゲットを輸送し、この輸送される補給用ターゲット及びガイドレールは、当該補給用ターゲットが当該補給用ターゲットの構造に応じたガイドレールに嵌め込まれることを特徴とするレーザイオン源が提供される。

本発明は、真空条件を損なうことなくターゲットの補給を行うことを可能とする。

本発明の第１の実施形態に係るレーザイオン源の概略構成を示す見取り図。 本実施形態に係るレーザイオン源においてターゲットを補給する際の動作について説明するための側面図。 本発明の第２の実施形態に係るレーザイオン源においてターゲットを補給する際の動作について説明するための側面図。 補給用ターゲット及びガイドレールの組み合わせの一例を示す断面図。 補給用ターゲット及びガイドレールの組み合わせの一例を示す断面図。 補給用ターゲット及びガイドレールの組み合わせの一例を示す断面図。 補給用ターゲット及びガイドレールの組み合わせの一例を示す断面図。 補給用ターゲット及びガイドレールの組み合わせの一例を示す断面図。 本発明の第３の実施形態に係るレーザイオン源に用いられるターゲットホルダ及び輸送棒の一例を示す見取り図。 本発明の第４の実施形態に係るレーザイオン源に用いられるターゲットを固定する固定機構の一例を示す概略図。

以下、図面を参照して、本発明の各実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザイオン源の概略構成を示す見取り図である。

図１に示すレーザイオン源１００は、イオン生成真空容器１１０、ターゲット補給容器１２０及びバルブ（ゲートバルブ）１３０を備える。

イオン生成真空容器１１０内には、ターゲット移動装置１１１が備えられている。ターゲット移動装置１１１上には、イオンとなる元素を含有するターゲット１１２が輸送されて配置される。ターゲット移動装置１１１は、ターゲット１１２に対するレーザ光の照射位置を変更するように当該ターゲット１１２を移動させる機能を有する。なお、ターゲット１１２は、例えばカーボン系の板状部材である。

なお、図１においては省略されているが、イオン生成真空容器１１０には、レーザ光２００をターゲット１１２の表面に集光する光学系、生成されたイオンを加速させる加速電極及びイオン生成真空容器１１０内を真空排気するための排気系が備えられている。

ターゲット補給容器１２０は、バルブ１３０を介して、イオン生成真空容器１１０に取り付けられる。ターゲット補給容器１２０は、排気系（図示せず）によって、イオン生成真空容器１１０と独立して真空排気可能である。

バルブ１３０は、イオン生成真空容器１１０の一部（側面）に設けられ、当該イオン生成真空容器１１０とターゲット補給容器１２０との間で流路を開閉する機能を有する。バルブ１３０は、例えばイオン生成真空容器１１０内へのターゲットの輸送時に開き、当該輸送時以外は閉じられる。なお、バルブ１３０では、例えば真空遮断弁によって開閉が行われる。

上記したレーザイオン源１００によれば、レーザ光２００をターゲット１１２に集光照射して当該レーザ光のエネルギーによってイオン３００を発生し、当該イオン３００を静電的に引き出してイオンビームが生成される。

具体的には、レーザイオン源１００においては、イオン生成真空容器１１０内に配置されたターゲット１１２に対してレーザ光２００が集光照射されることにより、当該レーザ光が集光照射された点（以下、照射点と表記）では、ターゲット１１２の微小部分が高温に熱せられ、プラズマ化し、空間に向かって放出される。このプラズマ中のイオンがレーザ光２００からもエネルギーを受け取ることによって、多価イオンが生成される。レーザイオン源１００においては、このように生成されたイオン３００が上記した加速電極で加速されて、高エネルギーイオンビームとして引き出される。

なお、ターゲット１１２には高エネルギーのレーザ光２００が集光照射されるため、１回のレーザ照射でターゲット１１２の表面にはクレータができる。レーザイオン源１００におけるイオン生成の安定化のためには、レーザ光２００の集光照射の都度、ターゲット１１２の新しい面にレーザ光２００を照射することが好ましい。このため、レーザイオン源１００では、上記したターゲット移動装置１１１により、使用済みの照射点（レーザ光２００が集光照射された点）を避けるようにターゲット１１２を少しずつ移動させることができる。

また、ターゲット１１２に対してレーザ光２００を集光照射した際に噴出するアブレーションプルームの中心は、照射点（照射面）の法線方向である。つまり、レーザ光２００の照射点におけるターゲット１１２の面は、照射点から立てた法線がレーザイオン源１００において機械的に決定された軸方向（イオン３００を発生させる方向）に一致するように配置（設定）される。以下、レーザイオン源１００において機械的に決定された軸をイオン軸と称する。

上記したようにターゲット移動装置１１１によって少しずつ移動させることによって例えばターゲット１１２の全ての表面に対してレーザ光２００が照射された場合、イオン生成真空容器１１０内（のターゲット移動装置１１１上）に配置されたターゲット１１２を交換する（つまり、新しいターゲット１１２を補給する）必要がある。

以下、図２を参照して、本実施形態に係るレーザイオン源１００においてターゲット１１２を補給する際の動作について説明する。なお、図２は、図１に示すレーザイオン源１００をイオン３００の発生（放出）方向から示した側面図である。なお、図２においては、レーザ光２００の輸送系及びイオンの加速電極等については省略されている。

ここでは、イオン生成真空容器１１０内に配置されたターゲット１１２ａの全ての面がレーザ光２００によって集光照射された場合（つまり、ターゲット１１２ａの交換が必要な場合）を想定する。この場合、イオン生成真空容器１１０内は、当該イオン生成真空容器１１０に備えられている真空排気装置１４０によって真空排気されているものとする。また、バルブ１３０は閉じられた状態（以下、閉状態と表記）であるものとする。

以下、交換される使用済みのターゲット１１２ａを使用済みターゲット１１２ａと称する。

この場合、ターゲット補給容器１２０は、当該ターゲット補給容器１２０に備えられた真空排気装置１５０によって真空排気される。

次に、イオン生成真空容器１１０とターゲット補給容器１２０とを接続するバルブ１３０を開いた状態（以下、開状態と表記）とした後、イオン生成真空容器１１０内に配置されている使用済みターゲット１１２ａは、例えばターゲット補給容器１２０からイオン生成真空容器１１０に挿入された輸送棒によって、当該ターゲット補給容器１２０まで引き出される。

その後、バルブ１３０を閉状態とし、ターゲット補給容器１２０が大気解放される。ターゲット補給容器１２０まで引き出された使用済みターゲット１１２ａは、イオン生成真空容器１１０内に新たに補給されるターゲット（以下、補給用ターゲットと表記）１１２ｂと交換される。これにより、ターゲット補給容器１２０内には、補給用ターゲット１１２ｂが移動可能に保持（配置）される。この補給用ターゲット１１２ｂには、輸送棒（棒状部材）１２１の先端が取り付けられている。また、輸送棒１２１の他端には、補給用ターゲット１１２ｂをイオン生成真空容器１１０に輸送するためのターゲット輸送装置１６０が接続されている。

なお、上記したようにバルブ１３０は閉状態であるので、このように補給用ターゲット１１２ｂがターゲット補給容器１２０に配置される作業の間であっても、イオン生成真空容器１１０の内部では真空排気された状態が維持される。

上記したように補給用ターゲット１１２ｂがターゲット補給容器１２０に配置された場合、ターゲット補給容器１２０は、上記した真空排気装置１５０によって真空排気される。

次に、真空排気装置１５０の真空排気によってターゲット補給容器１２０の内部の圧力がイオン生成真空容器１１０の内部の圧力以下になった時点でバルブ１３０を開状態として、補給用ターゲット１１２ｂがターゲット輸送装置１６０及び輸送棒１２１によりイオン生成真空容器１１０内に輸送される。

ここで、イオン生成真空容器１１０には上述したようにターゲット移動装置１１１が備えられており、当該ターゲット移動装置１１１には、ターゲット移動台１１３が設置されている。

イオン生成真空容器１１０に輸送された補給用ターゲット１１２ｂは、ターゲット移動台１１３に固定され、照射点（照射面）の法線方向が上記したイオン軸方向に一致するようにターゲット移動装置１１１によって精度よく移動される。

つまり、本実施形態に係るレーザイオン源１００において補給用ターゲット１１２ｂを補給する際には、イオン生成真空容器１１０及びターゲット補給容器１２０が真空排気された状態でバルブ１３０が閉状態とされ、ターゲット補給容器１２０のみを大気解放する。補給用ターゲット１１２ｂがターゲット補給容器１２０に配置されると、再び、ターゲット補給容器１２０が真空排気された後、バルブ１３０を開状態とし、補給用ターゲット１１２ｂがイオン生成真空容器１１０内に輸送される。これにより、イオン生成真空容器１１０を大気解放することなく、補給用ターゲット１１２ｂをイオン生成真空容器１１０に補給することができる。

なお、イオン生成真空容器１１０に備えられるターゲット移動装置１１１は、例えば電動アクチュエータを含む。イオン生成真空容器１１０内に電動アクチュエータのモータを設置する場合は、当該イオン生成真空容器１１０の外部から電力が供給され、当該モータの回転が制御（コントロール）される。また、イオン生成真空容器１１０に設置されたターゲット１１２（の面）は、上記したレーザイオン源１００において機械的に決定されているイオン軸に垂直な面内にあればよく、ターゲット移動装置１１１による当該ターゲットの１１２の移動方向は１方向であってもよいし２方向であってもよい。

更に、ターゲット１１２の移動は、イオン生成真空容器１１０の外部から操作可能な直線導入機によって行われてもよいし、当該イオン生成真空容器１１０の外部から操作可能な回転導入機と当該イオン生成真空容器１１０内に設置された歯車等によって行われても構わない。

上記したように本実施形態においては、真空排気され、レーザ光２００の照射によりイオンを発生するターゲットが輸送されて配置されるイオン生成真空容器１１０と、イオン生成真空容器１１０の側面に設けられ、当該イオン生成真空容器１１０内へのターゲット１１２の輸送時に開き、当該輸送時以外は閉じるバルブ１３０と、バルブ１３０を介してイオン生成真空容器１１０に取り付けられ、ターゲット１１２を移動可能に保持し、当該イオン生成真空容器１１０とは独立して真空排気可能なターゲット補給容器１２０と、バルブ１３０を閉じた状態でターゲット補給容器１２０が真空排気された後に、当該バルブ１３０を開いた状態でターゲット補給容器１２０に保持されたターゲット１１２をイオン生成真空容器１１０に輸送するターゲット輸送装置１６０とを備える構成により、真空条件を損なうことなくターゲット１１２の補給を行うことが可能となる。

なお、本実施形態においては、図１及び図２に示すように四角柱（板状部材）のターゲット１１２（１１２ａ及び１１２ｂ）が用いられるものとして説明したが、ターゲット１１２は、四角柱以外の多角柱であってもよいし、例えば円柱のような形状であっても構わない。

（第２の実施形態）
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図３においては、前述した図２（及び図１）と同様の部分には同一参照符号を付してその詳しい説明を省略する。ここでは、図２と異なる部分について主に説明する。

なお、図３は、本実施形態に係るレーザイオン源４００をイオンの発生（放出）方向から示した側面図である。

図３に示すように、本実施形態に係るレーザイオン源４００においては、ターゲット補給容器１２０からイオン生成真空容器１１０までの間にガイドレール４１０が設置される。このガイドレール４１０は、補給用ターゲット１１２ｂの輸送方向を規定するために設けられる。なお、ガイドレール４１０は、バルブ１３０の開閉を妨げないように当該バルブ１３０の位置で分割されている。

本実施形態においては、このようなガイドレール４１０が設けられていることによって、補給用ターゲット１１２ｂがガイドレール４１０に沿ってイオン生成真空容器１１０に輸送される。これにより、補給用ターゲット１１２ｂは、ターゲット移動装置１１１に設置されているターゲット移動台１１３に正確に装着される。

なお、本実施形態における補給用ターゲット１１２ｂ及びガイドレール４１０は、当該補給用ターゲット１１２ｂを安定した状態で確実に輸送可能な構造の組み合わせで用いられることが好ましい。

ここで、図４〜図８は、補給用ターゲット１１２ｂ及びガイドレール４１０の組み合わせ（つまり、取り付け方法）の一例を示す。なお、図４〜図８は、補給用ターゲット１１２ｂの進行方向に対する垂直な面での補給用ターゲット１１２ｂ及びガイドレール４１０の断面図である。

図４〜図８に示すように、補給用ターゲット１１２ｂ及びガイドレール４１０は、当該補給用ターゲット１１２ｂが当該補給用ターゲット１１２ｂの構造に応じたガイドレール４１０に嵌め込まれることによって例えば水平方向の位置ずれを生じないように構成されていればよい。

なお、本実施形態においては、補給用ターゲット１１２ｂがガイドレール４１０に沿って輸送される点以外については前述した第１の実施形態と同様であるため、その詳しい説明を省略する。

上記したように本実施形態においては、ターゲット補給容器１２０からイオン生成真空容器１１０までの間に設置されたガイドレール４１０に沿って補給用ターゲット１１２ｂを輸送する構成により、補給用ターゲット１１２ｂを安定した状態で正確にターゲット移動台１１３に装着（輸送）することができる。

また、本実施形態においては、ガイドレール４１０がバルブ１３０の位置で分割されている構成により、ガイドレール４１０を設けた場合であっても当該ガイドレール４１０がバルブ１３０の開閉の妨げとなることを回避できる。

（第３の実施形態）
次に、図９を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、本実施形態に係るレーザイオン源の構成の概略は、前述した第１の実施形態と同様であるため、適宜、図１及び図２を用いて説明する。

本実施形態においては、図９に示すように補給用ターゲット１１２ｂがターゲットホルダ５１０に保持され、当該ターゲットホルダ５１０がイオン生成真空容器１１０に輸送される点が、前述した第１の実施形態とは異なる。

図９に示すターゲットホルダ５１０の輸送棒５２０との接合部分５１１は、例えば磁性材からなる。一方、輸送棒５２０のターゲットホルダ５１０（の輸送棒５２０との接合部分５１１）との接合部分５２１（つまり、先端）には、磁界発生装置が組み込まれる。

このような輸送棒５２０を用いることによって、補給用ターゲット１１２ｂを保持するターゲットホルダ５１０を磁気的に捕獲（吸引）して輸送することができる。

また、上記したようにターゲットホルダ５１０がイオン生成真空容器１１０に輸送されることによって、イオン生成真空容器１１０に設けられているターゲット移動台１１３には、補給用ターゲット１１２ｂが装着されればよい。

なお、本実施形態においては、図９に示すように補給用ターゲット１１２ｂを保持するターゲットホルダ５１０が輸送棒５２０を用いて輸送される点以外については、前述した第１の実施形態と同様であるため、その詳しい説明を省略する。

上記したように本実施形態においては、補給用ターゲット１１２ｂを保持するターゲットホルダ５１０を備え、当該ターゲットホルダ５１０をイオン生成真空容器１１０に輸送する構成により、補給用ターゲット１１２ｂの補給作業の安定性を向上させることができる。

なお、本実施形態においては、ターゲットホルダ５１０の接合部分５１１が磁性材からなるものとして説明したが、ターゲットホルダ５１０全体を磁性材としてもよい。

また、本実施形態においては、ターゲットホルダ５１０の接合部分５１１が磁性材からなり、輸送棒５２０の接合部分５２１に磁界発生装置が組み込まれるものとして説明したが、ターゲットホルダ５１０の接合部分５１１において磁性材の代わりに誘電体を用い、輸送棒５２０の接合部分５２１において静電界を発生させる構成としても構わない。この場合、補給用ターゲット１１２ｂを保持するターゲットホルダ５１０を静電的に捕獲（吸引）して輸送することができる。

更に、本実施形態においては、ターゲットホルダ５１０の接合部分５１１が磁性材からなり、輸送棒５２０の接合部分５２１に磁界発生装置が組み込まれることにより、ターゲットホルダ５１０を磁気的に捕獲するものとして説明したが、例えばイオン生成真空容器１１０内にターゲットホルダ５１０を輸送する際には輸送棒５２０を用い、一方、イオン生成真空容器１１０からターゲットホルダ５１０を引き出す際には例えばフック等を用いて機械的に捕獲するような構成であっても構わない。

また、本実施形態におけるターゲットホルダ５１０の輸送の際に、前述した第２の実施形態におけるガイドレールを用いても構わない。

（第４の実施形態）
次に、図１０を参照して、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、本実施形態に係るレーザイオン源の構成の概略は、前述した第１の実施形態と同様であるため、適宜、図１及び図２を用いて説明する。

本実施形態においては、ターゲット移動装置１１１（に設けられているターゲット移動台１１３）が補給用ターゲット１１２ｂを固定する固定機構を有する点が、前述した第１の実施形態とは異なる。

前述したようにターゲット補給容器１２０からイオン生成真空容器１１０に対して輸送された補給ターゲット１１２ｂは、ターゲット移動台１１３に装着される。この場合、補給ターゲット１１２ｂは、レーザ光２００が集光照射される当該補給ターゲット１１２ｂの照射点（照射面）の法線方向がイオン軸方向（レーザイオン源１００において機械的に決定された軸方向）と一致するようにターゲット移動台１１３上で固定されなければならない。

このため、本実施形態においては、図１０に示すようにターゲット移動台１１３にはイオン軸に対して直角となる面（以下、基準面と表記）６１０が設けられ、例えばばねのような弾性体６２０によって当該基準面６１０と補給用ターゲット１１２ｂが密着される。換言すれば、補給用ターゲット１１２ｂは、弾性体６２０によって基準面６１０の方向に対して押さえ込まれる。これにより、補給用ターゲット１１２ｂの面は、ターゲット移動台１１３上でイオン軸に対して直角となるように固定されることができる。

上記したように本実施形態においては、輸送された補給用ターゲット１１２ｂの面（照射点）がイオン軸方向（イオンを発生させる方向）に対して直角となるようにターゲット移動台１１３上で固定される構成により、イオンビームの生成の安定性を向上させることができる。

なお、本実施形態においては、補給用ターゲット１１２ｂがターゲット移動台１１３に固定されるものとして説明したが、前述した第３の実施形態において説明したような補給用ターゲット１１２ｂを保持するターゲットホルダを基準面６１０に密着させることによって補給用ターゲット１１２ｂを固定する構成であっても構わない。

なお、本願発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組合せてもよい。

１００，４００…レーザイオン源、１１０…イオン生成真空容器、１１１…ターゲット移動装置、１１２，１１２ａ，１１２ｂ…ターゲット、１１３…ターゲット移動台、１２０…ターゲット補給容器、１２１…輸送棒、１３０…バルブ、１４０，１５０…真空排気装置、１６０…ターゲット輸送装置、４１０…ガイドレール、５１０…ターゲットホルダ、５２０…輸送棒、６１０…基準面、６２０…弾性体。

Claims (5)

1. 真空排気され、レーザ光の照射によりイオンを発生するターゲットが輸送されて配置される真空容器と、
   前記真空容器の側面に設けられ、前記真空容器内へのターゲットの輸送時に開き、前記輸送時以外は閉じるバルブと、
   前記バルブを介して前記真空容器に取り付けられ、前記ターゲットを移動可能に保持し、前記真空容器とは独立して真空排気されるターゲット補給容器と、
   前記バルブを閉じた状態で前記ターゲット補給容器が真空排気された後に、前記バルブを開いた状態で前記ターゲット補給容器に保持されたターゲットを前記真空容器に輸送する輸送手段と
   を具備し、
   前記輸送手段は、前記ターゲット補給容器から前記真空容器までの間に設置された前記ターゲットの輸送方向を規定するガイドレールに沿って前記ターゲットを輸送し、この輸送される補給用ターゲット及びガイドレールは、当該補給用ターゲットが当該補給用ターゲットの構造に応じたガイドレールに嵌め込まれることを特徴とするレーザイオン源。
2. 前記ガイドレールは、前記バルブの開閉を妨げないように当該バルブの位置で分割されていることを特徴とする請求項１記載のレーザイオン源。
3. 前記真空容器は、前記輸送されたターゲットに対する前記レーザ光の照射位置を変更するように当該ターゲットを移動させるターゲット移動手段を備える、請求項１記載のレーザイオン源。
4. 前記ターゲット移動手段は、前記輸送されたターゲットの面が前記イオンを発生させる方向に対して直角となるように当該ターゲットを固定する固定手段を含むことを特徴とする請求項３記載のレーザイオン源。
5. 前記輸送手段は、前記ターゲット補給容器の圧力が前記真空容器の圧力以下になった場合に、前記バルブを開いた状態で前記ターゲット補給容器に保持されたターゲットを前記真空容器に輸送することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザイオン源。

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