イオンビーム生成方法及びイオンビーム生成装置
【課題】サイクロトロンが用いられるイオンビーム生成装置を小型化する。
【解決手段】図１の右側には、中心軸方向の磁場の強度を、図１の左側に示された構成に対応させて示す。サイクロトロン５０からＥＣＲイオン源（イオン源）２０までの磁場の強度が連続的に一定値以上に保たれている（零とならない）点である。Ｗｉｅｎフィルター３０やＥＣＲイオン源２０においては磁場が利用されるため、それぞれにはコイルが用いられているが、これらにおいて用いられる磁場は、これらのコイルによって生成された磁場とサイクロトロンの磁場が重畳した磁場となっている。すなわち、このイオンビーム生成方法においては、ＥＣＲイオン源２０からサイクロトロン５０に至るまでのイオンビームが通過する経路の中心軸方向において、連続的に分布する磁場を形成する。各構成要素における軸方向の磁場強度を微調整するためにもソレノイドコイル４１は使用される。
【解決手段】図１の右側には、中心軸方向の磁場の強度を、図１の左側に示された構成に対応させて示す。サイクロトロン５０からＥＣＲイオン源（イオン源）２０までの磁場の強度が連続的に一定値以上に保たれている（零とならない）点である。Ｗｉｅｎフィルター３０やＥＣＲイオン源２０においては磁場が利用されるため、それぞれにはコイルが用いられているが、これらにおいて用いられる磁場は、これらのコイルによって生成された磁場とサイクロトロンの磁場が重畳した磁場となっている。すなわち、このイオンビーム生成方法においては、ＥＣＲイオン源２０からサイクロトロン５０に至るまでのイオンビームが通過する経路の中心軸方向において、連続的に分布する磁場を形成する。各構成要素における軸方向の磁場強度を微調整するためにもソレノイドコイル４１は使用される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高エネルギーのイオンビームを生成するイオンビーム生成方法及びイオンビーム生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種の物理学実験用、癌治療等の医療用においては、ＭｅＶ以上の高エネルギーのイオン（陽子、重イオン等）ビームを生成し、試料に照射する技術が必要である。こうしたイオンビームを生成するイオンビーム生成装置は、主にイオン源、イオン種フィルター、加速器で構成される。
【０００３】
イオン源としては、印加された磁場を用いたＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を利用して原料のイオン化効率を向上させたＥＣＲイオン源が特に好ましく用いられている。ここでは、両端で特に高強度の磁場（ミラー磁場）が形成され、この間でプラズマが閉じこめられることによってイオン化が進み、１価だけでなく多価のイオンも生成される。ただし、所望のイオン種以外にも同時に多数種のイオンが生成される。
【０００４】
このため、イオン種フィルターは、この中から所望のイオン（所望の元素（質量）、価数のイオン）のみを選別して出力する。イオン種フィルターとしては、ある決まったエネルギーをもつイオンビームに対して磁場を印加した際の、イオン種による偏向度合いの違いを利用し、所望のイオン種のみを特定の方向に出力させる双極の分析電磁石が好ましく用いられている。これによって、所望のエネルギーをもつ所望のイオン種のみを次段の加速器に入射させることができる。
【０００５】
加速器としては、各種のものがあるが、例えば１０ＭｅＶ程度以上のエネルギーをもつイオンビームの形成には、サイクロトロンが特に好ましく用いられている。
【０００６】
上記の構成のイオンビーム生成装置を概念的に示したのが図７である。図７（ａ）はその平面構造を示し、図７（ｂ）はその中心軸上の断面構造を示す図である。このイオンビーム発生装置１１０においては、ＥＣＲイオン源１２０、分析電磁石１３０、ビーム輸送装置１４０、サイクロトロン１５０が図７（ｂ）に示されるように接続される。ここで、サイクロトロン１５０の中心軸上にビーム輸送装置１４０、分析電磁石（イオン種フィルター）１３０が接続され、ビーム輸送装置１４０から角度を９０°変えた方向にＥＣＲイオン源１２０が設置される。
【０００７】
イオンはＥＣＲイオン源１２０で生成されるが、この際には、単一のイオン種ではなく、多数種（異なる原子種、価数）のイオンが同時に生成される。このイオンは図７（ａ）（ｂ）中で低エネルギーで右側に進行した後に、分析電磁石１３０に達する。分析電磁石１３０は、このイオンの進行方向に垂直な磁場を用いてこのイオンを図７（ｂ）中で下側に偏向させることにより、ビーム輸送装置１４０を介してイオンをサイクロトロン１５０に導く。この際、生成された多数種のイオンのうち、所望のイオン種（所望の原子種、価数）のみをサイクロトロン１５０に導くように設定する。ビーム輸送装置１４０は、分析電磁石１３０で選別されて出力された低エネルギーのイオンビームをサイクロトロン１５０まで導くビームラインであるが、このイオンビームを集束させるために多重極磁場が印加される場合もある。
【０００８】
サイクロトロン１５０においては、コイル１５１（図７（ｂ）中では断面のみが示されている）によって、中心軸と平行な方向に例えば数Ｔ（テスラ）程度の磁場が生成される。入射したイオンはこの磁場の回りにおいて軌道面１５２上を周回運動をするが、その際に、ディー電極１５３、１５４間で、図７（ａ）中で示されるような加速電界１５５を受ける。図７（ａ）中において中心軸よりも上側で左向き、下側で右向きとなる加速電界１５５を形成するためには、イオンがディー電極１５３、１５４間を通過する際にこうした位相となるような高周波がディー電極１５３、１５４間に印加される。これにより、特定の入射エネルギーをもった特定のイオンは、ディー電極１５３、１５４間を通過する度に加速され、図７（ａ）に示される螺旋形状のイオン軌道１５６で出力され、高エネルギーのイオンビームが得られる。なお、図７では単純化のためにその記載を省略しているが、ビーム輸送装置１４０とサイクロトロン１５０の接続部においては、イオンビームの進行方向を垂直から水平に偏向するための偏向電極が設置されている。
【０００９】
こうしたイオンビーム生成装置を例えば医療用として普及させるためには、装置全体を小型化して医療機関等に設置することが必要となる。上記の構成要素において最も大型となるのは、強い磁場がイオンビームの軌道全面にわたり必要とされるサイクロトロン１５０である。このため、例えば特許文献１に記載されるように、サイクロトロン１５０を小型化する努力がなされてきた。また、小型化する方法の一つとして、コイル１５１を超伝導コイルとした構成（超伝導サイクロトロン）とすることもなされている。この場合、最大磁場強度を３Ｔ以上にもすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−１０６３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
こうした技術を用いることによって、サイクロトロン１５０自身の小型化は可能である。しかしながら、サイクロトロン１５０の内部においては、前記の通りの軸方向における強い磁場が必要となる。この磁場はサイクロトロン１５０の内部に形成されるだけでなく、その外部に漏れる。こうした状況は、磁場強度が高い超伝導サイクロトロンでは特に著しい。
【００１２】
一方で、分析電磁石１３０やＥＣＲイオン源１２０においても、磁場が使用される。前者においてはイオン種の選別のため、後者においては原料ガスをプラズマ化してイオンを生成するために磁場が用いられる。上記の漏れ磁場が分析電磁石１３０やＥＣＲイオン源１２０にまで達した場合、これらの動作に悪影響を与えることは明らかである。
【００１３】
こうした影響を低減するために、従来のイオンビーム生成装置１１０においては、図７におけるビーム輸送装置１４０を充分長くして、漏れ磁場が分析電磁石１３０やＥＣＲイオン源１２０に与える影響が無視できる程度とした構成とされた。しかしながら、この構成においては、たとえサイクロトロン１５０を小型化した場合であっても、特にその中心軸方向においてイオンビーム生成装置１１０全体が大型化することは明らかである。
【００１４】
すなわち、サイクロトロンが用いられるイオンビーム生成装置を小型化することは困難であった。
【００１５】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明のイオンビーム生成方法は、イオン源で生成されたイオンビームをサイクロトロンの中心軸上に入射させ、当該サイクロトロンで前記イオンビームを加速して出力するイオンビーム生成方法であって、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの前記イオンビームが通過する経路の中心軸方向において、連続的に分布する磁場を形成することを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成方法は、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間における前記磁場の最低強度を０．０１Ｔ以上とすることを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成方法は、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間の前記イオンビームの経路を直線形状とすることを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成方法は、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間の前記イオンビームの経路にソレノイドコイルを設置することを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成方法は、前記イオン源と前記サイクロトロンの間にイオン種フィルターを設置することを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成方法において、前記イオン種フィルターはＷｉｅｎフィルターであることを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成方法において、前記イオン源はＥＣＲイオン源であることを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成装置は、イオンビームを生成するイオン源と、その中心軸上に前記イオンビームを入射させてから加速して出力するサイクロトロンと、を具備するイオンビーム生成装置であって、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの前記イオンビームが通過する経路の中心軸方向において、連続的に分布する磁場が形成されたことを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成装置は、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間における前記磁場の最低強度が０．０１Ｔ以上であることを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成装置は、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間の前記イオンビームの経路が直線形状であることを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成装置は、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの低エネルギーイオンビームが通過する経路を巻回するソレノイドコイルを具備することを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成装置は、前記イオン源と前記サイクロトロンの間にイオン種フィルターを具備することを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成装置において、前記イオン種フィルターはＷｉｅｎフィルターであることを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成装置において、前記イオン源はＥＣＲイオン源であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は以上のように構成されているので、サイクロトロンが用いられるイオンビーム生成装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態となるイオンビーム生成装置の構成の概略を示す中心軸上の断面図（左側）、中心軸上の磁場強度の分布（右側）である。
【図２】ＥＣＲイオン源における中心軸上の磁場強度分布の一例である。
【図３】Ｗｉｅｎフィルターの動作原理を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態となるイオンビーム生成装置の第１の変形例の構成の概略を示す中心軸上の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態となるイオンビーム生成装置の第２、第３の変形例の構成の概略を示す中心軸上の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態となるイオンビーム生成装置の第４の変形例の構成の概略を示す中心軸上の断面図である。
【図７】従来のイオンビーム生成装置の構成の概略を示す平面図（ａ）、その中心軸上の断面図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係るイオンビーム生成方法を実現するイオンビーム生成装置の構成について説明する。図１の左側に、このイオンビーム生成装置１０の中心軸上の断面構造を示す。なお、このイオンビーム生成装置１０におけるサイクロトロンの平面図における構成は図７（ａ）と同様であるため、その記載は省略する。また、サイクロトロン５０中におけるディー電極やイオンビームの軌道等は図７に記載の場合と同様であるため、その記載も省略する。
【００２０】
図１の右側には、中心軸方向の磁場の強度を、図１の左側に示された構成に対応させて示す。その特徴は、サイクロトロン５０からＥＣＲイオン源（イオン源）２０までの磁場の強度が連続的に一定値以上に保たれている（零とならない）点である。Ｗｉｅｎフィルター（イオン種フィルター）３０やＥＣＲイオン源２０においては磁場が利用されるため、それぞれにはコイルが用いられているが、これらにおいて用いられる磁場は、これらのコイルによって生成された磁場とサイクロトロンの磁場が重畳した磁場となっている。すなわち、このイオンビーム生成方法においては、ＥＣＲイオン源２０からサイクロトロン５０に至るまでのイオンビームが通過する経路の中心軸方向において、連続的に分布する磁場を形成する。この構成においては、ＥＣＲイオン源２０からサイクロトロン５０までの間で各種のコイルが同時に使用されているが、サイクロトロン５０において用いられるコイル（超伝導コイル）５１によって生成される磁場の強度が最も高い。
【００２１】
ＥＣＲイオン源２０の構成は、従来より知られるものと同様である。その原理は、図１中の黒矢印で示されるように入射した原料ガスに高周波（マイクロ波）を印加してプラズマ化する際に磁場を印加し、この磁場によるＥＣＲ周波数とマイクロ波の周波数を一致させることにより、特に高いイオン化効率を得るというものである。ここで、高いイオン化効率を得るためには、プラズマを一定領域に閉じこめることが有効である。このためには、この領域の両端で特に高強度の磁場（ミラー磁場）を形成することにより、外側に広がるプラズマを反射させることが有効である。周知のように、ＥＣＲイオン源２０によって原料ガスをイオン化することが可能であり、特に１価の正イオンだけでなく、多価の正イオンも生成することができる。その後、生成されたイオンは引出電極２１で一定のエネルギー（低エネルギー）に加速されて出力される。
【００２２】
このため、サイクロトロン５０やＷｉｅｎフィルター３０が存在せずにＥＣＲイオン源だけが独立して存在する場合には、ＥＣイオン源２０における軸方向の磁場強度分布は、図２に示すように、２つのピークをもつ構成とされる。この２つのピークの間にプラズマは閉じこめられ、この領域での磁場強度が、使用するマイクロ波の周波数（例えば１８ＧＨｚ）と等しいＥＣＲ周波数に対応する磁場強度（０．６４Ｔ）となるように設定されている。サイクロトロン５０やＷｉｅｎフィルター３０が存在せずにＥＣＲイオン源２０だけが独立して存在する場合には、ＥＣＲイオン源２０を軸方向に巻回するミラーコイル２２のみによってこの磁場は形成される。例えば癌治療用に有効である１２Ｃ６＋を生成するために必要となる磁場強度は０．５〜２Ｔ程度である。なお、図１の構成における６極コイル２３は径方向のプラズマの閉じ込めを強めるためのものである。
【００２３】
上記のイオンビーム生成装置１０においては、この磁場は、ミラーコイル２２のみによって生成された磁場（図２）に、サイクロトロン５０からの漏れ磁場等も加わったものとして、図１の右側に示されたような分布をもって生成される。この分布は、サイクロトロン５０からの漏れ磁場等が存在する状況下でソレノイドコイル４１の位置や電流を制御することによって実現することが可能である。この際、サイクロトロン５０からの漏れ磁場を用いることによって、特にＷｉｅｎフィルター３０側のミラーコイル２２を小型化することが可能である。また、サイクロトロン５０からの漏れ磁場の強度が高すぎるために図１の右側に示されるような２つのピーク（あるいは極小部）をもった磁場の強度分布が得られない場合には、例えばＷｉｅｎフィルター３０側のミラーコイル２２に逆方向の電流を流し、この箇所における磁場強度を低下させることも可能である。
【００２４】
ここでイオン化されるのは所望の元素だけではなく、ガス中に含まれる他の元素も同時に区別なくイオン化される。これらのイオンは、引出電極２１によって一定のエネルギーを得てから低エネルギーのビームとなって出力される。このビームの中から所望のイオン種のみを取り出すためにＷｉｅｎフィルター３０が用いられる。
【００２５】
Ｗｉｅｎフィルター３０が単体で存在する際におけるその簡略化した構成図が図３である。Ｗｉｅｎフィルター３０においては、低エネルギーイオンビーム６１に対して垂直方向の電界３１を印加するためのＷｉｅｎフィルター電極３２、３３が用いられる。また、低エネルギーイオンビーム６１の進行方向と垂直、かつ電界３１と垂直方向となる磁場３４も印加される。磁場３４は、図１の構成においてはＷｉｅｎフィルターコイル３５によって生成される。この構成においては、イオンが電界３１によって受ける力と磁場３４によって受ける力（ローレンツ力）は逆向きとなる。この際、所望のエネルギー、質量、電荷をもったイオンに対しては、電界３１によって受ける力と磁場３４によって受ける力とが釣り合うように電界３１の強度と磁場３４の強度を設定する。これにより、所望のエネルギー、質量、電荷をもったイオンのみが直進し、他のイオンは偏向して進むことになる。そこで、Ｗｉｅｎフィルター３０の出力側にバッフル板３６を設け、このバッフル板３６の中心に小さな開口３７を設けることにより、この開口３７から所望のエネルギー、質量、電荷をもったイオンのみを取り出すことができる。
【００２６】
単体で存在するＷｉｅｎフィルター３０においては、低エネルギーイオンビーム６１の進行方向及び電界３１と垂直な方向に磁場３４を印加するが、ここでも、サイクロトロン５０からの漏れ磁場等が重畳した磁場を用いることが可能である。サイクロトロン５０からの漏れ磁場は低エネルギーイオンビーム６１の進行方向と等しくなる。この場合には、図１におけるＷｉｅｎフィルターコイル３５の電流を制御し、かつＷｉｅｎフィルター電極３２、３３の電圧を制御することにより、所望のエネルギー、質量、電荷をもったイオンのみを直進させることが可能である。この場合には、Ｗｉｅｎフィルター３０が単体で存在する場合と同様に、開口３７が設けられたバッフル板３６を用いて所望のエネルギー、質量、電荷をもったイオンで構成される単色イオンビーム（低エネルギーイオンビーム）６２のみを図１に示されるように取り出すことができる。
【００２７】
この際、サイクロトロン５０からの漏れ磁場は、軸上でサイクロトロン５０から離れるに従って減衰するため、Ｗｉｅｎフィルター電極３２、３３に挟まれた領域間において、軸方向で一定値とはならない。このため、ソレノイドコイル４１の設置個所、電流を調整することにより、Ｗｉｅｎフィルター３０が単独で存在した場合と同様に、磁界３４の強度を、均一化することが可能である。
【００２８】
前記の１２Ｃ６＋を選択的に取り出す場合、Ｗｉｅｎフィルター３０の軸方向の長さを０．５ｍとし、電界３１の強度を１８ｋＶ／ｃｍ、磁場３４の強度を１Ｔとした場合に、１２Ｃ６＋との間で分離が最も困難である１２Ｃ５＋の軌道は、Ｗｉｅｎフィルター電極３２、３３の出口から１ｍの点において、直進する１２Ｃ６＋の軌道から２．４ｃｍだけ離れる。従って、開口部３７の内径（半径）をこれよりも小さくしたバッフル板３６をこの点に設置することにより、１２Ｃ６＋からなる単色イオンビーム（低エネルギーイオンビーム）６２を、図１に示されるように得ることができる。
【００２９】
ビーム輸送装置４０は、単色イオンビーム６２をサイクロトロン５０まで輸送するビームラインである。図１の右側に示されるように、ここでも軸方向において一定値以上の磁場強度が保たれている。単色イオンビーム６２は、この磁場中をサイクロトロン５０に向かって進むが、この際に、この軸方向の磁場に対して周回運動をするため、磁場に巻き付いた形態となって進む（図１においては便宜上直進しているように記載している）。この磁場としては、サイクロトロン５０の漏れ磁場をその一部として用いることも可能であるが、図１の構成のようにソレノイドコイル４１を周囲に設置して磁場の強度分布の形状を最適な形状に成形し、磁場への巻き付き方を制御する方式が有用である。このように、軸方向の磁場は、単色イオンビーム６２をサイクロトロン５０に高効率で導くためにも用いられている。
【００３０】
なお、上記の構成においては、各構成要素における軸方向の磁場強度を微調整するためにもソレノイドコイル４１は使用される。この調整が可能となるように、ソレノイドコイル４１の設置箇所及び電流は適宜調整される。
【００３１】
サイクロトロン５０の構成は、従来より知られるものと同様であり、その内部にディー電極が設置され、軸方向に強い磁場を印加するためのコイル（超伝導コイル）５１がその周囲に設置されている。コイル５１が生成する軸方向の磁場の強度はサイクロトロン５０の内部で３Ｔ程度であり、この磁場はサイクロトロン５０内部だけでなく、その外部にも漏れ出す。従来のイオンビーム生成装置においては、イオン源やフィルターに対してこの漏れ磁場の影響が無視できるような大型の構成とされたのに対し、上記の構成においては、この漏れ磁場を積極的に利用している。
【００３２】
このため、サイクロトロン５０とＷｉｅｎフィルター（イオン種フィルター）３０、ＥＣＲイオン源（イオン源）２０の間隔を近づけることが可能であり、ビーム輸送装置４０の軸方向の長さを短くすることが可能である。従って、このイオンビーム生成装置１０全体を小型化することが可能である。特に、図７に示されるように、従来は偏向電磁石を用いてその経路を曲げる必要があったことから、イオン源からサイクロトロンまでの距離が長かったのに対し、イオン源からサイクロトロンまでの経路を短く直線的な構成とすることができる。
【００３３】
このように、上記の構成においては、ＥＣＲイオン源２０からサイクロトロン５０間での間でイオンビームの光軸方向の磁場が、連続的に形成されている。この磁場の軸方向の最低強度は、例えば０．０１Ｔ以上である。
【００３４】
また、上記の構成においては、ビーム輸送装置４０が用いられていたが、Ｗｉｅｎフィルター３０内の磁場を均一にし、かつＥＣＲイオン源２０において図１と同様の磁場を形成できる限りにおいて、図４に示されるように、ビーム輸送装置４０を省略した構成とすることもできる。この場合においても、Ｗｉｅｎフィルター３０においてソレノイドコイル４１を設けることにより、Ｗｉｅｎフィルター３０、ＥＣＲイオン源２０における磁場の分布を調整することが可能である。
【００３５】
更に、ＥＣＲイオン源２０において特定のイオン種が充分に選択的に生成される場合には、図５（ａ）に示されるように、Ｗｉｅｎフィルター３０とビーム輸送装置４０を除いた構成も可能である。この場合には、ソレノイドコイル４１を使用せずに、ＥＣＲイオン源２０近傍における磁場強度を図１と同様にすることが可能である。また、図５（ｂ）に示されるように、Ｗｉｅｎフィルター３０を使用せず、ＥＣＲイオン源２０とビーム輸送装置４０のみを用いることも可能である。この場合においては、ビーム輸送装置４０においてソレノイドコイル４１を用いて、ＥＣＲイオン源２０近傍における磁場強度を図１と同様にすることが可能である。
【００３６】
また、上記の例では、特に多価のイオンを高効率で生成するために、強い磁場を用いるＥＣＲイオン源２０をイオン源として用いていた。しかしながら、１価などの低い価数のイオンからなるイオンビームを生成する場合には、軸方向における弱い磁場（０．０１〜０．１Ｔ程度）を用いる他のイオン源（デュオプラズマトロン型イオン源、ＰＩＧ型イオン源）を用いることも可能である。この場合においても、上記と同様の構成を用いることが可能である。図６は、ＰＩＧ型イオン源６０を用いた場合における構成（左側）とその軸方向における磁場強度の分布（右側）を示す。ここで、サイクロトロン５０及びその接続については図１の場合と同様であるため、その記載は省略している。
【００３７】
この場合には、ＥＣＲイオン源２０の場合よりも磁場の強度を低くした状態で、サイクロトロン５０から連続して形成された軸方向の磁場をＰＩＧ型イオン源６０中において用いることが可能である。また、ソレノイドコイル４１の構成や電流を調整することにより、こうした磁場の分布を形成することができる。
【００３８】
この場合においても、図４、５と同様にビーム輸送装置４０やＷｉｅｎフィルター３０を用いない構成をとることができることは明らかである。ただし、イオン源とサイクロトロン５０の間の間隔が短いほどサイクロトロン５０からの漏れ磁場は強くなるため、より高い磁場を必要とするＥＣＲイオン源を用いる構成が、小型化という観点からは有効である。
【００３９】
なお、上記の例においては、イオン種フィルターとしてＷｉｅｎフィルターが用いられていたが、所望のイオン種の軌道を偏向させない構成とする他のイオン種フィルターを用いた場合であっても同様であることは明らかである。また、イオン種についても、イオン源で生成することが可能でありかつサイクロトロンで加速することのできるものであれば、任意である。
【符号の説明】
【００４０】
１０、１１０ イオンビーム生成装置
２０、１２０ ＥＣＲイオン源（イオン源）
２１ 引出電極
２２ ミラーコイル
２３ ６極コイル
３０ Ｗｉｅｎフィルター（イオン種フィルター）
３１ 電界
３２、３３ Ｗｉｅｎフィルター電極
３４ 磁場
３５ Ｗｉｅｎフィルターコイル
３６ バッフル板
３７ 開口
４０、１４０ ビーム輸送装置
４１ ソレノイドコイル
５０、１５０ サイクロトロン
５１、１５１ コイル（超伝導コイル）
６０ ＰＩＧ型イオン源（イオン源）
６１ 低エネルギーイオンビーム
６２ 単色イオンビーム（低エネルギーイオンビーム）
１３０ 分析電磁石（イオン種フィルター）
１５２ 軌道面
１５３、１５４ ディー電極
１５５ 加速電界
１５６ イオン軌道
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高エネルギーのイオンビームを生成するイオンビーム生成方法及びイオンビーム生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種の物理学実験用、癌治療等の医療用においては、ＭｅＶ以上の高エネルギーのイオン（陽子、重イオン等）ビームを生成し、試料に照射する技術が必要である。こうしたイオンビームを生成するイオンビーム生成装置は、主にイオン源、イオン種フィルター、加速器で構成される。
【０００３】
イオン源としては、印加された磁場を用いたＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を利用して原料のイオン化効率を向上させたＥＣＲイオン源が特に好ましく用いられている。ここでは、両端で特に高強度の磁場（ミラー磁場）が形成され、この間でプラズマが閉じこめられることによってイオン化が進み、１価だけでなく多価のイオンも生成される。ただし、所望のイオン種以外にも同時に多数種のイオンが生成される。
【０００４】
このため、イオン種フィルターは、この中から所望のイオン（所望の元素（質量）、価数のイオン）のみを選別して出力する。イオン種フィルターとしては、ある決まったエネルギーをもつイオンビームに対して磁場を印加した際の、イオン種による偏向度合いの違いを利用し、所望のイオン種のみを特定の方向に出力させる双極の分析電磁石が好ましく用いられている。これによって、所望のエネルギーをもつ所望のイオン種のみを次段の加速器に入射させることができる。
【０００５】
加速器としては、各種のものがあるが、例えば１０ＭｅＶ程度以上のエネルギーをもつイオンビームの形成には、サイクロトロンが特に好ましく用いられている。
【０００６】
上記の構成のイオンビーム生成装置を概念的に示したのが図７である。図７（ａ）はその平面構造を示し、図７（ｂ）はその中心軸上の断面構造を示す図である。このイオンビーム発生装置１１０においては、ＥＣＲイオン源１２０、分析電磁石１３０、ビーム輸送装置１４０、サイクロトロン１５０が図７（ｂ）に示されるように接続される。ここで、サイクロトロン１５０の中心軸上にビーム輸送装置１４０、分析電磁石（イオン種フィルター）１３０が接続され、ビーム輸送装置１４０から角度を９０°変えた方向にＥＣＲイオン源１２０が設置される。
【０００７】
イオンはＥＣＲイオン源１２０で生成されるが、この際には、単一のイオン種ではなく、多数種（異なる原子種、価数）のイオンが同時に生成される。このイオンは図７（ａ）（ｂ）中で低エネルギーで右側に進行した後に、分析電磁石１３０に達する。分析電磁石１３０は、このイオンの進行方向に垂直な磁場を用いてこのイオンを図７（ｂ）中で下側に偏向させることにより、ビーム輸送装置１４０を介してイオンをサイクロトロン１５０に導く。この際、生成された多数種のイオンのうち、所望のイオン種（所望の原子種、価数）のみをサイクロトロン１５０に導くように設定する。ビーム輸送装置１４０は、分析電磁石１３０で選別されて出力された低エネルギーのイオンビームをサイクロトロン１５０まで導くビームラインであるが、このイオンビームを集束させるために多重極磁場が印加される場合もある。
【０００８】
サイクロトロン１５０においては、コイル１５１（図７（ｂ）中では断面のみが示されている）によって、中心軸と平行な方向に例えば数Ｔ（テスラ）程度の磁場が生成される。入射したイオンはこの磁場の回りにおいて軌道面１５２上を周回運動をするが、その際に、ディー電極１５３、１５４間で、図７（ａ）中で示されるような加速電界１５５を受ける。図７（ａ）中において中心軸よりも上側で左向き、下側で右向きとなる加速電界１５５を形成するためには、イオンがディー電極１５３、１５４間を通過する際にこうした位相となるような高周波がディー電極１５３、１５４間に印加される。これにより、特定の入射エネルギーをもった特定のイオンは、ディー電極１５３、１５４間を通過する度に加速され、図７（ａ）に示される螺旋形状のイオン軌道１５６で出力され、高エネルギーのイオンビームが得られる。なお、図７では単純化のためにその記載を省略しているが、ビーム輸送装置１４０とサイクロトロン１５０の接続部においては、イオンビームの進行方向を垂直から水平に偏向するための偏向電極が設置されている。
【０００９】
こうしたイオンビーム生成装置を例えば医療用として普及させるためには、装置全体を小型化して医療機関等に設置することが必要となる。上記の構成要素において最も大型となるのは、強い磁場がイオンビームの軌道全面にわたり必要とされるサイクロトロン１５０である。このため、例えば特許文献１に記載されるように、サイクロトロン１５０を小型化する努力がなされてきた。また、小型化する方法の一つとして、コイル１５１を超伝導コイルとした構成（超伝導サイクロトロン）とすることもなされている。この場合、最大磁場強度を３Ｔ以上にもすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−１０６３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
こうした技術を用いることによって、サイクロトロン１５０自身の小型化は可能である。しかしながら、サイクロトロン１５０の内部においては、前記の通りの軸方向における強い磁場が必要となる。この磁場はサイクロトロン１５０の内部に形成されるだけでなく、その外部に漏れる。こうした状況は、磁場強度が高い超伝導サイクロトロンでは特に著しい。
【００１２】
一方で、分析電磁石１３０やＥＣＲイオン源１２０においても、磁場が使用される。前者においてはイオン種の選別のため、後者においては原料ガスをプラズマ化してイオンを生成するために磁場が用いられる。上記の漏れ磁場が分析電磁石１３０やＥＣＲイオン源１２０にまで達した場合、これらの動作に悪影響を与えることは明らかである。
【００１３】
こうした影響を低減するために、従来のイオンビーム生成装置１１０においては、図７におけるビーム輸送装置１４０を充分長くして、漏れ磁場が分析電磁石１３０やＥＣＲイオン源１２０に与える影響が無視できる程度とした構成とされた。しかしながら、この構成においては、たとえサイクロトロン１５０を小型化した場合であっても、特にその中心軸方向においてイオンビーム生成装置１１０全体が大型化することは明らかである。
【００１４】
すなわち、サイクロトロンが用いられるイオンビーム生成装置を小型化することは困難であった。
【００１５】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明のイオンビーム生成方法は、イオン源で生成されたイオンビームをサイクロトロンの中心軸上に入射させ、当該サイクロトロンで前記イオンビームを加速して出力するイオンビーム生成方法であって、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの前記イオンビームが通過する経路の中心軸方向において、連続的に分布する磁場を形成することを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成方法は、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間における前記磁場の最低強度を０．０１Ｔ以上とすることを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成方法は、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間の前記イオンビームの経路を直線形状とすることを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成方法は、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間の前記イオンビームの経路にソレノイドコイルを設置することを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成方法は、前記イオン源と前記サイクロトロンの間にイオン種フィルターを設置することを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成方法において、前記イオン種フィルターはＷｉｅｎフィルターであることを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成方法において、前記イオン源はＥＣＲイオン源であることを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成装置は、イオンビームを生成するイオン源と、その中心軸上に前記イオンビームを入射させてから加速して出力するサイクロトロンと、を具備するイオンビーム生成装置であって、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの前記イオンビームが通過する経路の中心軸方向において、連続的に分布する磁場が形成されたことを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成装置は、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間における前記磁場の最低強度が０．０１Ｔ以上であることを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成装置は、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間の前記イオンビームの経路が直線形状であることを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成装置は、前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの低エネルギーイオンビームが通過する経路を巻回するソレノイドコイルを具備することを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成装置は、前記イオン源と前記サイクロトロンの間にイオン種フィルターを具備することを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成装置において、前記イオン種フィルターはＷｉｅｎフィルターであることを特徴とする。
本発明のイオンビーム生成装置において、前記イオン源はＥＣＲイオン源であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は以上のように構成されているので、サイクロトロンが用いられるイオンビーム生成装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態となるイオンビーム生成装置の構成の概略を示す中心軸上の断面図（左側）、中心軸上の磁場強度の分布（右側）である。
【図２】ＥＣＲイオン源における中心軸上の磁場強度分布の一例である。
【図３】Ｗｉｅｎフィルターの動作原理を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態となるイオンビーム生成装置の第１の変形例の構成の概略を示す中心軸上の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態となるイオンビーム生成装置の第２、第３の変形例の構成の概略を示す中心軸上の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態となるイオンビーム生成装置の第４の変形例の構成の概略を示す中心軸上の断面図である。
【図７】従来のイオンビーム生成装置の構成の概略を示す平面図（ａ）、その中心軸上の断面図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係るイオンビーム生成方法を実現するイオンビーム生成装置の構成について説明する。図１の左側に、このイオンビーム生成装置１０の中心軸上の断面構造を示す。なお、このイオンビーム生成装置１０におけるサイクロトロンの平面図における構成は図７（ａ）と同様であるため、その記載は省略する。また、サイクロトロン５０中におけるディー電極やイオンビームの軌道等は図７に記載の場合と同様であるため、その記載も省略する。
【００２０】
図１の右側には、中心軸方向の磁場の強度を、図１の左側に示された構成に対応させて示す。その特徴は、サイクロトロン５０からＥＣＲイオン源（イオン源）２０までの磁場の強度が連続的に一定値以上に保たれている（零とならない）点である。Ｗｉｅｎフィルター（イオン種フィルター）３０やＥＣＲイオン源２０においては磁場が利用されるため、それぞれにはコイルが用いられているが、これらにおいて用いられる磁場は、これらのコイルによって生成された磁場とサイクロトロンの磁場が重畳した磁場となっている。すなわち、このイオンビーム生成方法においては、ＥＣＲイオン源２０からサイクロトロン５０に至るまでのイオンビームが通過する経路の中心軸方向において、連続的に分布する磁場を形成する。この構成においては、ＥＣＲイオン源２０からサイクロトロン５０までの間で各種のコイルが同時に使用されているが、サイクロトロン５０において用いられるコイル（超伝導コイル）５１によって生成される磁場の強度が最も高い。
【００２１】
ＥＣＲイオン源２０の構成は、従来より知られるものと同様である。その原理は、図１中の黒矢印で示されるように入射した原料ガスに高周波（マイクロ波）を印加してプラズマ化する際に磁場を印加し、この磁場によるＥＣＲ周波数とマイクロ波の周波数を一致させることにより、特に高いイオン化効率を得るというものである。ここで、高いイオン化効率を得るためには、プラズマを一定領域に閉じこめることが有効である。このためには、この領域の両端で特に高強度の磁場（ミラー磁場）を形成することにより、外側に広がるプラズマを反射させることが有効である。周知のように、ＥＣＲイオン源２０によって原料ガスをイオン化することが可能であり、特に１価の正イオンだけでなく、多価の正イオンも生成することができる。その後、生成されたイオンは引出電極２１で一定のエネルギー（低エネルギー）に加速されて出力される。
【００２２】
このため、サイクロトロン５０やＷｉｅｎフィルター３０が存在せずにＥＣＲイオン源だけが独立して存在する場合には、ＥＣイオン源２０における軸方向の磁場強度分布は、図２に示すように、２つのピークをもつ構成とされる。この２つのピークの間にプラズマは閉じこめられ、この領域での磁場強度が、使用するマイクロ波の周波数（例えば１８ＧＨｚ）と等しいＥＣＲ周波数に対応する磁場強度（０．６４Ｔ）となるように設定されている。サイクロトロン５０やＷｉｅｎフィルター３０が存在せずにＥＣＲイオン源２０だけが独立して存在する場合には、ＥＣＲイオン源２０を軸方向に巻回するミラーコイル２２のみによってこの磁場は形成される。例えば癌治療用に有効である１２Ｃ６＋を生成するために必要となる磁場強度は０．５〜２Ｔ程度である。なお、図１の構成における６極コイル２３は径方向のプラズマの閉じ込めを強めるためのものである。
【００２３】
上記のイオンビーム生成装置１０においては、この磁場は、ミラーコイル２２のみによって生成された磁場（図２）に、サイクロトロン５０からの漏れ磁場等も加わったものとして、図１の右側に示されたような分布をもって生成される。この分布は、サイクロトロン５０からの漏れ磁場等が存在する状況下でソレノイドコイル４１の位置や電流を制御することによって実現することが可能である。この際、サイクロトロン５０からの漏れ磁場を用いることによって、特にＷｉｅｎフィルター３０側のミラーコイル２２を小型化することが可能である。また、サイクロトロン５０からの漏れ磁場の強度が高すぎるために図１の右側に示されるような２つのピーク（あるいは極小部）をもった磁場の強度分布が得られない場合には、例えばＷｉｅｎフィルター３０側のミラーコイル２２に逆方向の電流を流し、この箇所における磁場強度を低下させることも可能である。
【００２４】
ここでイオン化されるのは所望の元素だけではなく、ガス中に含まれる他の元素も同時に区別なくイオン化される。これらのイオンは、引出電極２１によって一定のエネルギーを得てから低エネルギーのビームとなって出力される。このビームの中から所望のイオン種のみを取り出すためにＷｉｅｎフィルター３０が用いられる。
【００２５】
Ｗｉｅｎフィルター３０が単体で存在する際におけるその簡略化した構成図が図３である。Ｗｉｅｎフィルター３０においては、低エネルギーイオンビーム６１に対して垂直方向の電界３１を印加するためのＷｉｅｎフィルター電極３２、３３が用いられる。また、低エネルギーイオンビーム６１の進行方向と垂直、かつ電界３１と垂直方向となる磁場３４も印加される。磁場３４は、図１の構成においてはＷｉｅｎフィルターコイル３５によって生成される。この構成においては、イオンが電界３１によって受ける力と磁場３４によって受ける力（ローレンツ力）は逆向きとなる。この際、所望のエネルギー、質量、電荷をもったイオンに対しては、電界３１によって受ける力と磁場３４によって受ける力とが釣り合うように電界３１の強度と磁場３４の強度を設定する。これにより、所望のエネルギー、質量、電荷をもったイオンのみが直進し、他のイオンは偏向して進むことになる。そこで、Ｗｉｅｎフィルター３０の出力側にバッフル板３６を設け、このバッフル板３６の中心に小さな開口３７を設けることにより、この開口３７から所望のエネルギー、質量、電荷をもったイオンのみを取り出すことができる。
【００２６】
単体で存在するＷｉｅｎフィルター３０においては、低エネルギーイオンビーム６１の進行方向及び電界３１と垂直な方向に磁場３４を印加するが、ここでも、サイクロトロン５０からの漏れ磁場等が重畳した磁場を用いることが可能である。サイクロトロン５０からの漏れ磁場は低エネルギーイオンビーム６１の進行方向と等しくなる。この場合には、図１におけるＷｉｅｎフィルターコイル３５の電流を制御し、かつＷｉｅｎフィルター電極３２、３３の電圧を制御することにより、所望のエネルギー、質量、電荷をもったイオンのみを直進させることが可能である。この場合には、Ｗｉｅｎフィルター３０が単体で存在する場合と同様に、開口３７が設けられたバッフル板３６を用いて所望のエネルギー、質量、電荷をもったイオンで構成される単色イオンビーム（低エネルギーイオンビーム）６２のみを図１に示されるように取り出すことができる。
【００２７】
この際、サイクロトロン５０からの漏れ磁場は、軸上でサイクロトロン５０から離れるに従って減衰するため、Ｗｉｅｎフィルター電極３２、３３に挟まれた領域間において、軸方向で一定値とはならない。このため、ソレノイドコイル４１の設置個所、電流を調整することにより、Ｗｉｅｎフィルター３０が単独で存在した場合と同様に、磁界３４の強度を、均一化することが可能である。
【００２８】
前記の１２Ｃ６＋を選択的に取り出す場合、Ｗｉｅｎフィルター３０の軸方向の長さを０．５ｍとし、電界３１の強度を１８ｋＶ／ｃｍ、磁場３４の強度を１Ｔとした場合に、１２Ｃ６＋との間で分離が最も困難である１２Ｃ５＋の軌道は、Ｗｉｅｎフィルター電極３２、３３の出口から１ｍの点において、直進する１２Ｃ６＋の軌道から２．４ｃｍだけ離れる。従って、開口部３７の内径（半径）をこれよりも小さくしたバッフル板３６をこの点に設置することにより、１２Ｃ６＋からなる単色イオンビーム（低エネルギーイオンビーム）６２を、図１に示されるように得ることができる。
【００２９】
ビーム輸送装置４０は、単色イオンビーム６２をサイクロトロン５０まで輸送するビームラインである。図１の右側に示されるように、ここでも軸方向において一定値以上の磁場強度が保たれている。単色イオンビーム６２は、この磁場中をサイクロトロン５０に向かって進むが、この際に、この軸方向の磁場に対して周回運動をするため、磁場に巻き付いた形態となって進む（図１においては便宜上直進しているように記載している）。この磁場としては、サイクロトロン５０の漏れ磁場をその一部として用いることも可能であるが、図１の構成のようにソレノイドコイル４１を周囲に設置して磁場の強度分布の形状を最適な形状に成形し、磁場への巻き付き方を制御する方式が有用である。このように、軸方向の磁場は、単色イオンビーム６２をサイクロトロン５０に高効率で導くためにも用いられている。
【００３０】
なお、上記の構成においては、各構成要素における軸方向の磁場強度を微調整するためにもソレノイドコイル４１は使用される。この調整が可能となるように、ソレノイドコイル４１の設置箇所及び電流は適宜調整される。
【００３１】
サイクロトロン５０の構成は、従来より知られるものと同様であり、その内部にディー電極が設置され、軸方向に強い磁場を印加するためのコイル（超伝導コイル）５１がその周囲に設置されている。コイル５１が生成する軸方向の磁場の強度はサイクロトロン５０の内部で３Ｔ程度であり、この磁場はサイクロトロン５０内部だけでなく、その外部にも漏れ出す。従来のイオンビーム生成装置においては、イオン源やフィルターに対してこの漏れ磁場の影響が無視できるような大型の構成とされたのに対し、上記の構成においては、この漏れ磁場を積極的に利用している。
【００３２】
このため、サイクロトロン５０とＷｉｅｎフィルター（イオン種フィルター）３０、ＥＣＲイオン源（イオン源）２０の間隔を近づけることが可能であり、ビーム輸送装置４０の軸方向の長さを短くすることが可能である。従って、このイオンビーム生成装置１０全体を小型化することが可能である。特に、図７に示されるように、従来は偏向電磁石を用いてその経路を曲げる必要があったことから、イオン源からサイクロトロンまでの距離が長かったのに対し、イオン源からサイクロトロンまでの経路を短く直線的な構成とすることができる。
【００３３】
このように、上記の構成においては、ＥＣＲイオン源２０からサイクロトロン５０間での間でイオンビームの光軸方向の磁場が、連続的に形成されている。この磁場の軸方向の最低強度は、例えば０．０１Ｔ以上である。
【００３４】
また、上記の構成においては、ビーム輸送装置４０が用いられていたが、Ｗｉｅｎフィルター３０内の磁場を均一にし、かつＥＣＲイオン源２０において図１と同様の磁場を形成できる限りにおいて、図４に示されるように、ビーム輸送装置４０を省略した構成とすることもできる。この場合においても、Ｗｉｅｎフィルター３０においてソレノイドコイル４１を設けることにより、Ｗｉｅｎフィルター３０、ＥＣＲイオン源２０における磁場の分布を調整することが可能である。
【００３５】
更に、ＥＣＲイオン源２０において特定のイオン種が充分に選択的に生成される場合には、図５（ａ）に示されるように、Ｗｉｅｎフィルター３０とビーム輸送装置４０を除いた構成も可能である。この場合には、ソレノイドコイル４１を使用せずに、ＥＣＲイオン源２０近傍における磁場強度を図１と同様にすることが可能である。また、図５（ｂ）に示されるように、Ｗｉｅｎフィルター３０を使用せず、ＥＣＲイオン源２０とビーム輸送装置４０のみを用いることも可能である。この場合においては、ビーム輸送装置４０においてソレノイドコイル４１を用いて、ＥＣＲイオン源２０近傍における磁場強度を図１と同様にすることが可能である。
【００３６】
また、上記の例では、特に多価のイオンを高効率で生成するために、強い磁場を用いるＥＣＲイオン源２０をイオン源として用いていた。しかしながら、１価などの低い価数のイオンからなるイオンビームを生成する場合には、軸方向における弱い磁場（０．０１〜０．１Ｔ程度）を用いる他のイオン源（デュオプラズマトロン型イオン源、ＰＩＧ型イオン源）を用いることも可能である。この場合においても、上記と同様の構成を用いることが可能である。図６は、ＰＩＧ型イオン源６０を用いた場合における構成（左側）とその軸方向における磁場強度の分布（右側）を示す。ここで、サイクロトロン５０及びその接続については図１の場合と同様であるため、その記載は省略している。
【００３７】
この場合には、ＥＣＲイオン源２０の場合よりも磁場の強度を低くした状態で、サイクロトロン５０から連続して形成された軸方向の磁場をＰＩＧ型イオン源６０中において用いることが可能である。また、ソレノイドコイル４１の構成や電流を調整することにより、こうした磁場の分布を形成することができる。
【００３８】
この場合においても、図４、５と同様にビーム輸送装置４０やＷｉｅｎフィルター３０を用いない構成をとることができることは明らかである。ただし、イオン源とサイクロトロン５０の間の間隔が短いほどサイクロトロン５０からの漏れ磁場は強くなるため、より高い磁場を必要とするＥＣＲイオン源を用いる構成が、小型化という観点からは有効である。
【００３９】
なお、上記の例においては、イオン種フィルターとしてＷｉｅｎフィルターが用いられていたが、所望のイオン種の軌道を偏向させない構成とする他のイオン種フィルターを用いた場合であっても同様であることは明らかである。また、イオン種についても、イオン源で生成することが可能でありかつサイクロトロンで加速することのできるものであれば、任意である。
【符号の説明】
【００４０】
１０、１１０ イオンビーム生成装置
２０、１２０ ＥＣＲイオン源（イオン源）
２１ 引出電極
２２ ミラーコイル
２３ ６極コイル
３０ Ｗｉｅｎフィルター（イオン種フィルター）
３１ 電界
３２、３３ Ｗｉｅｎフィルター電極
３４ 磁場
３５ Ｗｉｅｎフィルターコイル
３６ バッフル板
３７ 開口
４０、１４０ ビーム輸送装置
４１ ソレノイドコイル
５０、１５０ サイクロトロン
５１、１５１ コイル（超伝導コイル）
６０ ＰＩＧ型イオン源（イオン源）
６１ 低エネルギーイオンビーム
６２ 単色イオンビーム（低エネルギーイオンビーム）
１３０ 分析電磁石（イオン種フィルター）
１５２ 軌道面
１５３、１５４ ディー電極
１５５ 加速電界
１５６ イオン軌道
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源で生成されたイオンビームをサイクロトロンの中心軸上に入射させ、当該サイクロトロンで前記イオンビームを加速して出力するイオンビーム生成方法であって、
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの前記イオンビームが通過する経路の中心軸方向において、連続的に分布する磁場を形成することを特徴とするイオンビーム生成方法。
【請求項２】
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間における前記磁場の最低強度を０．０１Ｔ以上とすることを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項３】
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間の前記イオンビームの経路を直線形状とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項４】
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間の前記イオンビームの経路にソレノイドコイルを設置することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項５】
前記イオン源と前記サイクロトロンの間にイオン種フィルターを設置することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項６】
前記イオン種フィルターはＷｉｅｎフィルターであることを特徴とする請求項５に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項７】
前記イオン源はＥＣＲイオン源であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項８】
イオンビームを生成するイオン源と、その中心軸上に前記イオンビームを入射させてから加速して出力するサイクロトロンと、を具備するイオンビーム生成装置であって、
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの前記イオンビームが通過する経路の中心軸方向において、連続的に分布する磁場が形成されたことを特徴とするイオンビーム生成装置。
【請求項９】
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間における前記磁場の最低強度が０．０１Ｔ以上であることを特徴とする請求項８に記載のイオンビーム生成装置。
【請求項１０】
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間の前記イオンビームの経路が直線形状であることを特徴とする請求項８又は９に記載のイオンビーム生成装置。
【請求項１１】
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの低エネルギーイオンビームが通過する経路を巻回するソレノイドコイルを具備することを特徴とする請求項８から請求項１０までのいずれか１項に記載のイオンビーム生成装置。
【請求項１２】
前記イオン源と前記サイクロトロンの間にイオン種フィルターを具備することを特徴とする請求項８から請求項１１までのいずれか１項に記載のイオンビーム生成装置。
【請求項１３】
前記イオン種フィルターはＷｉｅｎフィルターであることを特徴とする請求項１２に記載のイオンビーム生成装置。
【請求項１４】
前記イオン源はＥＣＲイオン源であることを特徴とする請求項８から請求項１３までのいずれか１項に記載のイオンビーム生成装置。
【請求項１】
イオン源で生成されたイオンビームをサイクロトロンの中心軸上に入射させ、当該サイクロトロンで前記イオンビームを加速して出力するイオンビーム生成方法であって、
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの前記イオンビームが通過する経路の中心軸方向において、連続的に分布する磁場を形成することを特徴とするイオンビーム生成方法。
【請求項２】
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間における前記磁場の最低強度を０．０１Ｔ以上とすることを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項３】
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間の前記イオンビームの経路を直線形状とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項４】
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間の前記イオンビームの経路にソレノイドコイルを設置することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項５】
前記イオン源と前記サイクロトロンの間にイオン種フィルターを設置することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項６】
前記イオン種フィルターはＷｉｅｎフィルターであることを特徴とする請求項５に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項７】
前記イオン源はＥＣＲイオン源であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のイオンビーム生成方法。
【請求項８】
イオンビームを生成するイオン源と、その中心軸上に前記イオンビームを入射させてから加速して出力するサイクロトロンと、を具備するイオンビーム生成装置であって、
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの前記イオンビームが通過する経路の中心軸方向において、連続的に分布する磁場が形成されたことを特徴とするイオンビーム生成装置。
【請求項９】
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間における前記磁場の最低強度が０．０１Ｔ以上であることを特徴とする請求項８に記載のイオンビーム生成装置。
【請求項１０】
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの間の前記イオンビームの経路が直線形状であることを特徴とする請求項８又は９に記載のイオンビーム生成装置。
【請求項１１】
前記イオン源から前記サイクロトロンに至るまでの低エネルギーイオンビームが通過する経路を巻回するソレノイドコイルを具備することを特徴とする請求項８から請求項１０までのいずれか１項に記載のイオンビーム生成装置。
【請求項１２】
前記イオン源と前記サイクロトロンの間にイオン種フィルターを具備することを特徴とする請求項８から請求項１１までのいずれか１項に記載のイオンビーム生成装置。
【請求項１３】
前記イオン種フィルターはＷｉｅｎフィルターであることを特徴とする請求項１２に記載のイオンビーム生成装置。
【請求項１４】
前記イオン源はＥＣＲイオン源であることを特徴とする請求項８から請求項１３までのいずれか１項に記載のイオンビーム生成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１４２１３９（Ｐ２０１２−１４２１３９Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９２９５１（Ｐ２０１０−２９２９５１）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人日本原子力研究開発機構 (727)
【出願人】（０００２１３２９７）中部電力株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人日本原子力研究開発機構 (727)
【出願人】（０００２１３２９７）中部電力株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
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