JP7778615B2 - イオン源、及び加速器 - Google Patents

Description

本発明は、イオン源、及び加速器に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載のイオン源が知られている。このイオン源は、コールドカソードのペニングイオンゲージ（ＰＩＧ）形状のイオン源であり、筒状の陽極と、陽極の両端に設けられる陰極と、を備える。

特表２０１１－５０５６７０号公報

上述のイオン源は、両方の陰極に対して電源からの配線部を接続する必要があった。そのため、配線部の取り回しが複雑になることにより、大型化してしまうという問題が生じる。

上記の問題に鑑み、本発明は、小型化を図ることができるイオン源、及び加速器を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係るイオン源は、第１の極性を有する筒状の第１の電極と、第２の極性を有し、第１の電極の両端に設けられる第２の電極と、を備え、第１の電極の一端側の第２の電極には電源からの配線部が接続され、第１の電極の他端側の第２の電極には電源からの配線部が接続されない。

このイオン源は、第１の極性を有する筒状の第１の電極と、第２の極性を有し、第１の電極の両端に設けられる第２の電極と、を備える。第１の電極の軸方向に磁界を与えた状態で、第２の電極に電源から電流を流すことで、第１の電極の筒内空間では放電が行われ、イオンが生成される。ここで第１の電極の一端側の第２の電極には電源からの配線部が接続され、第１の電極の他端側の第２の電極には電源からの配線部が接続されない。そのため、電源からの配線部を一端側の第２の電極のみにまとめることで、配線部の取り回しの複雑化を抑制できる。以上より、イオン源の小型化を図ることができる。

イオン源は、一端側の第２の電極から、他端側の第２の電極へ向かって、第１の電極の筒内空間を延びる導電性部材を更に備えてよい。この場合、一端側の第２の電極と他端側の第２の電極とを導電性部材で結合することができる。また、第１の電極の筒内空間の内周面と近接する位置に、第２の電極に接続された導電性部材を配置することで、放電電圧を低くすることができる放電であるマグネトロン放電を筒内空間で引き起こしやすい構造とすることができる。

他端側の第２の電極は、弾性変形可能な支持部にて支持されてよい。この場合、一端側の第２の電極から延びる導電性部材を他端側の第２の電極に押し付けることで、支持部が弾性変形する。これにより、支持部は、各部材の寸法誤差などを吸収しながら、導電性部材と他端側の第２の電極の接触状態を維持することができる。

他端側の第２の電極は、導電性部材の他端側の端部を収容する収容部を有してよい。この場合、導電性部材の他端側の端部を収容部へ収容することで、他端側の第２の電極と導電性部材との接触状態を維持し易くなる。

導電性部材の他端側の端部は、他端側の第２の電極に対して非接触であってよい。この場合、導電性部材を非接触で他端側の第２の電極に近接させておくことで、両者を電気的に結合することができる。

本発明に係る加速器は、粒子加速に必要な磁場を形成するための一対の磁極と、磁極に設けられたイオン源と、を備える加速器であって、イオン源は、第１の極性を有する筒状の第１の電極と、第２の極性を有し、第１の電極の両端に設けられる第２の電極と、を備え、第１の電極の一端側の第２の電極には電源からの配線部が接続され、第１の電極の他端側の第２の電極には電源からの配線部が接続されない。

この加速器によれば、上述のイオン源と同様な作用・効果を得ることができる。また、イオン源の配線部の取り回しの複雑化を抑制することで、加速器に対して容易に組み込むことができ、加速器のメンテナンスも容易となる。

イオン源は、一方の磁極のみに対して配置されてよい。この場合、加速器に対して容易に組み込むことができ、加速器のメンテナンスも容易となる。

本発明によれば、小型化を図ることができるイオン源、及び加速器を提供することができる。

本発明に係る加速器の内部の平面図である。 図１の加速器が備える一対の磁極の模式図である。 本発明に係るイオン源の断面図である。 他端側の陰極に対する導電性部材の結合態様を示す断面図である。 他端側の陰極に対する導電性部材の結合態様を示す断面図である。 他端側の陰極に対する導電性部材の結合態様を示す断面図である。 比較例に係るイオン源の断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るイオン源、及び加速器の実施形態について詳細に説明する。なお、本実施形態では、加速器としてサイクロトロンを例示する。図１に示される本実施形態のサイクロトロン１では、荷電粒子の螺旋状の周回軌道Ｂが水平面上にあるものとする。

図１に示されるように、サイクロトロン１は、真空容器３、ディ電極５Ａ，５Ｂ、及びマグネティックチャンネル９を有する。真空容器３は、荷電粒子の加速空間を高真空状態に保持するための容器である。真空容器３内には、粒子加速に必要な磁場を形成するための一対の磁極２１及び磁極２３（図２参照）が設けられている。磁極２１，２３は、平面視で円形をなし、加速平面であるメディアンプレーンに対して上下面対称の形状を成している。また、磁極２１，２３は、荷電粒子の周回軌道Ｂを挟んで、上下方向（図１の紙面に直交する方向）に対面して配置されている。磁極２１，２３のそれぞれの周囲にコイルが配置され、磁極２１と磁極２３との間に磁場が発生される。

図２は、磁極２１，２３のみを模式的に示す斜視図である。図に示されるように、磁極２１，２３は円柱状をなしている。以下で用いる「径方向」及び「周方向」との文言は、図１の方向から見た磁極２１，２３の輪郭形状である円の径方向及び周方向を意味するものとする。磁極２１の上面には、螺旋状に湾曲した４つの凸部２１ａと、４つの凹部２１ｂとが、周方向に交互に配列され形成されている。そして、磁極２３の下面にも、螺旋状に湾曲した４つの凸部２３ａと、４つの凹部２３ｂとが、周方向に交互に配列され形成されている。凸部２１ａと凸部２３ａ、凹部２１ｂと凹部２３ｂは、互いにメディアンプレーンに対して面対称をなすようにギャップをあけて配置されている。なお、ここで磁極２１，２３の凸部２１ａ，２３ａとは、メディアンプレーンに向けて突出している部分であり、凹部２１ｂ，２３ｂとは、メディアンプレーンから離れるように凹んでいる部分である。また、メディアンプレーンとは、荷電粒子ビームが加速して進行する周回軌道Ｂが位置する平面である。厳密には、荷電粒子ビームは、磁極２１，２３が対向する方向（図３における上下方向）に振動しながら進行するので、振動する荷電粒子ビームの、磁極２１，２３が対向する方向の位置のおよそ中央値を取った平面がメディアンプレーンとなる。なお、凸部２１ａ，２３ａ及び凹部２１ｂ，２３ｂの形状は、上記のような螺旋状に湾曲した形状に限られず、扇形であってもよい。

磁極２１と磁極２３との間には、凸部２１ａと凸部２３ａとで挟まれた狭いギャップのヒル領域２５ｈと、凹部２１ｂと凹部２３ｂとで挟まれた広いギャップのバレー領域２５ｖとが形成されている。磁極２１，２３との対称面上に、荷電粒子の螺旋状の周回軌道Ｂが形成される。

ディ電極５Ａ，５Ｂは、真空容器３の内部で荷電粒子を加速するための電場を発生させるキャビティー部の一部である。ディ電極５Ａ，５Ｂは、両方ともバレー領域２５ｖに配置され、互いに径方向に対向するように配置されている。ディ電極５Ａ，５Ｂは、平面視でバレー領域２５ｖの形状に沿った形状に形成されている。磁極２１の中心部には、イオン源１１が配置される。イオン源１１は、メディアンプレーン上に荷電粒子を供給する。イオン源１１は、下側の磁極２１のみに対して配置されており、上側の磁極２３には固定されていない。

図1に示す静電デフレクタ９０は、磁場中で周回軌道Ｂを周回する荷電粒子を偏向させて、引出軌道に引き出す機能を有する。マグネティックチャンネル９は、静電デフレクタ９０で引き出された荷電粒子を更に外に曲げる機能と、荷電粒子を水平方向に収束する機能を有している。マグネティックチャンネル９として、マグネティックチャンネル９Ａ、及びマグネティックチャンネル９Ｂが設けられている。

マグネティックチャンネル９Ａは、ディ電極５Ａの内部に設けられる。マグネティックチャンネル９Ａは、ディ電極５Ａの外周側の端部に設けられており、周回軌道Ｂの最外周部に対応する位置に設けられている。マグネティックチャンネル９Ａは、静電デフレクタ９０で引き出された荷電粒子を更に外に曲げる機能と、荷電粒子を水平方向に収束する機能の両方を有している。マグネティックチャンネル９Ｂは、荷電粒子の周回軌道Ｂにおいて、マグネティックチャンネル９Ａから下流側へ離間して設けられている。マグネティックチャンネル９Ｂは、平面視において磁極２１，２３の外側に設けられる。マグネティックチャンネル９Ｂは、真空容器３の壁部内に配置される。マグネティックチャンネル９Ｂは、荷電粒子を水平方向に収束する機能を有する。

サイクロトロン１では、磁極２１と磁極２３との間に磁場を発生させると共に、ディ電極５Ａ，５Ｂとアース板１３の間で高周波電場が付与されることで、荷電粒子が、加速されつつ、メディアンプレーン上の螺旋状の周回軌道Ｂを進行する。径方向の外周側に達した荷電粒子は、静電デフレクタ９０で周回軌道から分けられ、マグネティックチャンネル９Ａの導入ギャップを通過することで、偏向と収束を繰り返し、更にマグネティックチャンネル９Ｂの導入ギャップを通過することで収束されながら、ビーム引出ダクトを通じて外部に引き出される。

図３を参照して、イオン源１１について詳細に説明する。図３はイオン源１１の断面図である。図３に示すように、イオン源１１は、陽極１２（第１の電極）と、一対の陰極１３Ａ，１３Ｂ（第２の電極）と、導電性部材１４と、配線構造３０と、を備える。

陽極１２は、筒状の部材である。なお、陽極１２の中心軸が延びる方向を軸方向Ｄ１と称する場合がある。本実施形態では、軸方向Ｄ１は上下方向と平行になる。陽極１２は、下端１２ａ（一端）と、上端１２ｂ（他端）と、内周面１２ｃと、を有する。陽極１２は、下端１２ａと上端１２ｂとの間で軸方向Ｄ１に延びる筒内空間１７を有する。なお、陽極１２には、下端１２ａ側に陰極１３Ａを支持するための絶縁部材１８Ａが設けられる。陽極１２には、上端１２ｂ側に陰極１３Ｂを支持するための絶縁部材１８Ｂが設けられる。

一対の陰極１３Ａ，１３Ｂは、陽極１２の両端に設けられる。これにより、陰極１３Ａと陰極１３Ｂは、軸方向Ｄ１に互いに離間した状態で対向するように配置される。陰極１３Ａは、陽極１２の下端１２ａ側に設けられる。陰極１３Ａは、絶縁部材１８Ａを介して陽極１２の下端１２ａ側に支持される。陰極１３Ａは、絶縁部材１８Ａを軸方向Ｄ１に貫通した状態で、絶縁部材１８Ａに支持される。陰極１３Ａの下端側の部分は、絶縁部材１８Ａの下端から露出している。陰極１３Ａの上端側の部分は、絶縁部材１８Ａの上端から筒内空間１７へ露出している。陰極１３Ｂは、陽極１２の上端１２ｂ側に設けられる。陰極１３Ｂは、絶縁部材１８Ｂを介して陽極１２の上端１２ｂ側に支持される。陰極１３Ｂは、絶縁部材１８Ｂの下端から筒内空間１７へ露出している。

導電性部材１４は、下端１２ａ側の陰極１３Ａから、上端１２ｂ側の陰極１３Ｂへ向かって、陽極１２の筒内空間１７を延びる。導電性部材１４は、下端１２ａ側の陰極１３Ａの上端に固定され、上方へ向かって延びる柱状の部材である。導電性部材１４と陽極１２の内周面との間には、放電のための隙間が形成される。導電性部材１４の上端は、上端１２ｂ側の陰極１３Ｂと電気的に結合される。結合態様については後述する。

配線構造３０は、電源３１と、配線部３２と、配線部３３と、接地部３４と、を備える。電源３１は、陽極１２と陰極１３Ａ，１３Ｂとの間に放電電圧を印加する。配線部３２は、電源３１と陽極１２とを電気的に接続する。配線部３２は、陽極１２の何れかの位置に接続される。配線部３２は、接地部３４と接続される。これにより、陽極１２は接地電位となる。

配線部３３は、電源３１と陰極１３Ａ，１３Ｂとを電気的に接続する。ここで、下端１２ａ側の陰極１３Ａには電源３１からの配線部３３が接続されている。一方、上端１２ｂ側の陰極１３Ｂには電源３１からの配線部３３が接続されない。上端１２ｂ側の陰極１３Ｂは、導電性部材１４を介して下端１２ａ側の陰極１３Ａと電気的に結合される。従って、上端１２ｂ側の陰極１３Ｂは、配線部３３、下端１２ａ側の陰極１３Ａ、及び導電性部材１４を介して電源３１と電気的に接続される。

次に、図４～図６を参照して、導電性部材１４と上端１２ｂ側の陰極１３Ｂとの結合態様の一例について説明する。図４に示すように、上端１２ｂ側の陰極１３Ｂは、弾性変形可能な支持部４１にて支持されてよい。支持部４１は、板バネ等によって構成される。陽極１２の上端１２ｂ側には、陰極１３Ｂを支持する絶縁部材１８Ｂを収容する収容部４２が形成される。収容部４２は、絶縁部材１８Ｂを軸方向Ｄ１へ移動可能に支持する。収容部４２の上端にはフランジ部４３が形成される。支持部４１は、絶縁部材１８Ｂとフランジ部４３との間に配置される。これにより、組立時において、陰極１３Ａに固定された導電性部材１４を下端１２ａ側の１８Ａを介して筒内空間１７へ下方から上方へ向けて挿入すると、導電性部材１４の上端が上端１２ｂ側の陰極１３Ｂに当接する。導電性部材１４を更に上方へ押し込むと、陰極１３Ｂ及び絶縁部材１８Ｂが上方へ押し付けられ、支持部４１が弾性変形する。これにより、支持部４１は、導電性部材１４と陰極１３Ｂとが互いに接触して押し付けられた状態を維持することができる。

次に、本実施形態に係るイオン源１１、及びサイクロトロン１の作用・効果について説明する。

本実施形態に係るイオン源１１は、陽極性（第１の極性）を有する筒状の陽極１２と、陰極性（第２の極性）を有し、陽極１２の両端に設けられる陰極１３Ａ，１３Ｂと、を備える。陽極１２の軸方向Ｄ１に磁界を与えた状態で、陰極１３Ａ，１３Ｂに電源３１から電流を流すことで、陽極１２の筒内空間１７では放電が行われ、イオンが生成される。ここで、イオン源１１は、軸方向Ｄ１に延びる導電性部材１４を有する。そのため、筒内空間１７内では、磁場と直交する方向に同心円状に電場が形成される。これにより、導電性部材１４の周りを回るようにプラズマが発生し、イオンが生成される。このように、磁場と直交する方向に電場を形成して放電を行う方式は、マグネトロン放電という。マグネトロン放電は、放電効率が高い放電であるため、ＰＩＧ放電などに比べて放電電圧を低くすることができる。

ここで、図７を参照して、比較例に係るイオン源１００について説明する。図７に示すように、比較例に係るイオン源１００は、コールドカソードのペニングイオンゲージ（ＰＩＧ）形状のイオン源である。イオン源１００は、上述の導電性部材１４を有していない。従って、陰極１３Ａ，１３Ｂ同士は導電性部材１４を介して結合されていない。従って、陰極１３Ａ，１３Ｂの両方に対して電源３１からの配線部３３Ａ，３３Ｂが接続される。そのため、イオン源１００は、配線部３３Ａ，３３Ｂの取り回しが複雑になることにより、大型化してしまうという問題が生じる。例えば、ラジアル型のサイクロトロンなどであれば、イオン源を半径方向から挿入することができるが、本実施形態のようなスパイラル型のサイクロトロン１では、イオン源１１を半径方向から挿入することができないため、上下方向からイオン源１１を挿入する必要がある。ここで、配線部３３Ａ，３３Ｂはメディアンプレーンを横切ることができないため、各磁極２１，２３において適切にはい回す必要がある。従って、下端１２ａ側の陰極１３Ａを下側の磁極２１に固定して配線部３３Ａをはい回し、上端１２ｂ側の陰極１３Ｂを上側の磁極２３に固定して配線部３３Ｂをはい回す構造となる。当該構造では、サイクロトロン１の真空を破らずにメンテナンスを行うことができないため、メンテナンス性が低下する。

これに対し、本実施形態に係るイオン源１１において、下端１２ａ側の陰極１３Ａには電源３１からの配線部３３が接続され、上端１２ｂ側の陰極１３Ｂには電源３１からの配線部が接続されない。そのため、電源３１からの配線部３３を下端１２ａ側の陰極１３Ａのみにまとめることで、配線部３３の取り回しの複雑化を抑制できる。以上より、イオン源の小型化を図ることができる。このようなイオン源１１は、下側の磁極２１にだけ固定して配線部３３をはい回せばよく、上側の磁極２３に上側の陰極１３Ｂを固定する必要がない。そのため、サイクロトロン１の真空を破らずにメンテナンスを行うことができるため、メンテナンス性が低下する。

イオン源１１は、下端１２ａ側の陰極１３Ａから、上端１２ｂ側の陰極１３Ｂへ向かって、陽極１２の筒内空間１７を延びる導電性部材１４を更に備えてよい。この場合、下端１２ａ側の陰極１３Ａと上端１２ｂ側の陰極１３Ｂとを導電性部材１４で結合することができる。また、陽極１２の筒内空間１７の内周面１２ｃと近接する位置に、陰極１３Ａ，１３Ｂに接続された導電性部材１４を配置することで、放電電圧を低くすることができる放電であるマグネトロン放電を筒内空間１７で引き起こしやすい構造とすることができる。

上端１２ｂ側の陰極１３Ｂは、弾性変形可能な支持部４１にて支持されてよい。この場合、下端１２ａ側の陰極１３Ａから延びる導電性部材１４を上端１２ｂ側の陰極１３Ｂに押し付けることで、支持部４１が弾性変形する。これにより、支持部４１は、各部材の寸法誤差などを吸収しながら、導電性部材１４と上端１２ｂ側の陰極１３Ｂの接触状態を維持することができる。

本実施形態に係るサイクロトロン１は、粒子加速に必要な磁場を形成するための一対の磁極２１，２３と、磁極２１に設けられたイオン源１１を、を備えるサイクロトロン１である。イオン源１１は、陽極性（第１の極性）を有する筒状の陽極１２と、陰極性（第２の極性）を有し、陽極１２の両端に設けられる陰極１３Ａ，１３Ｂと、を備える。下端１２ａ側の陰極１３Ａには電源３１からの配線部３３が接続され、上端１２ｂ側の陰極１３Ｂには電源３１からの配線部が接続されない。

このサイクロトロン１によれば、上述のイオン源１１と同様な作用・効果を得ることができる。また、イオン源１１の配線部３３の取り回しの複雑化を抑制することで、サイクロトロン１に対して容易に組み込むことができ、サイクロトロン１のメンテナンスも容易となる。

イオン源１１は、一方の磁極２１のみに対して配置されてよい。この場合、サイクロトロン１に対して容易に組み込むことができ、サイクロトロン１のメンテナンスも容易となる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

導電性部材１４を上端１２ｂ側の陰極１３Ｂに対してどのように結合するかは特に限定されない。例えば、図５に示すように、上端１２ｂ側の陰極１３Ｂは、導電性部材１４の上端側の端部を収容する収容部４４を有してよい。この場合、導電性部材１４の上端側の端部を収容部４４へ収容することで、部材間の誤差の偏心や倒れなどにより、導電性部材１４の外周面と収容部４４の内周面とを互いに接触させることができる。これにより、上端側の陰極１３Ｂと導電性部材１４との接触状態を維持し易くなる。

図６に示すように、導電性部材１４の上端側の端部は、上端１２ｂ側の陰極１３Ｂに対して非接触であってよい。この場合、導電性部材１４を非接触で上端１２ｂ側の陰極１３Ｂに近接させておき、陰極１３Ｂを浮遊状態としておく。当該状態で両者に高圧の放電電圧を印加すると、両者を電気的に結合することができる。

上述の実施形態では、軸方向Ｄ１が上下方向であったが、使用状態におけるイオン源１１の姿勢は特に限定されず加速器の向きなどに合わせて適宜変更されてよい。また、下端１２ａ側の陰極１３Ａに配線部３３を接続したが、上端１２ｂ側の陰極１３Ｂに配線部３３を接続してもよい。

スパイラル型に限定されず、ラジアル型でもよい。加速器の種類もサイクロトロンに限定されず、マイクロトロン、ベータトロン等であってもよい。

１…サイクロトロン（加速器）、１１…イオン源、１２…陽極（第１の電極）、１３Ａ，１３Ｂ…陰極（第２の電極）、１４…導電性部材、２１，２３…磁極、３１…電源、３３…配線部、４１…支持部、４４…収容部。

Claims (6)

1. 第１の極性を有する筒状の第１の電極と、
   第２の極性を有し、前記第１の電極の両端に設けられる第２の電極と、を備え、
   前記第１の電極の一端側の前記第２の電極には電源からの配線部が接続され、
   前記第１の電極の他端側の前記第２の電極には前記電源からの前記配線部が接続されず、
   前記一端側の前記第２の電極から、前記他端側の前記第２の電極へ向かって、前記第１の電極の筒内空間を延び、前記他端側の端部が前記他端側の前記第２の電極と電気的に結合される導電性部材を更に備える、イオン源。
2. 前記他端側の前記第２の電極は、弾性変形可能な支持部にて支持される、請求項１に記載のイオン源。
3. 前記他端側の前記第２の電極は、前記導電性部材の前記他端側の端部を収容する収容部を有する、請求項１に記載のイオン源。
4. 前記導電性部材の前記他端側の端部は、前記他端側の前記第２の電極に対して非接触である、請求項１に記載のイオン源。
5. 粒子加速に必要な磁場を形成するための一対の磁極と、
   前記磁極に設けられたイオン源と、を備える加速器であって、
   前記イオン源は、
   第１の極性を有する筒状の第１の電極と、
   第２の極性を有し、前記第１の電極の両端に設けられる第２の電極と、を備え、
   前記第１の電極の一端側の前記第２の電極には電源からの配線部が接続され、
   前記第１の電極の他端側の前記第２の電極には前記電源からの前記配線部が接続されず、
   前記一端側の前記第２の電極から、前記他端側の前記第２の電極へ向かって、前記第１の電極の筒内空間を延び、前記他端側の端部が前記他端側の前記第２の電極と電気的に結合される導電性部材を更に備える、加速器。
6. 前記イオン源は、一方の前記磁極のみに対して配置される、請求項５に記載の加速器。