イオン輸送装置、イオン輸送方法、及びイオンビーム照射装置、医療用粒子線照射装置
【課題】指向性が高く、安定して高強度のイオンビームを得る。
【解決手段】このイオンビーム照射装置１０は、レーザー駆動型のイオン・電子発生装置２０と、イオン輸送装置３０とを組み合わせた構成と考えることができ、イオン・電子発生装置２０から発した指向性の低いイオンビームを、イオン輸送装置３０において指向性を高め、あるいは集束して末端まで導く。このイオン輸送装置３０においては、多重極磁石３２よりもイオンビームの流れにおける上流側のビームライン３１の周囲に、電子吸収体３３が設置される。電子吸収体３３は、高エネルギー電子を有効に吸収できる材料（例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等）で構成される。電子吸収体３３の周囲は、例えば鉛等の重金属で構成されたＸ線遮蔽体３４で覆われている。
【解決手段】このイオンビーム照射装置１０は、レーザー駆動型のイオン・電子発生装置２０と、イオン輸送装置３０とを組み合わせた構成と考えることができ、イオン・電子発生装置２０から発した指向性の低いイオンビームを、イオン輸送装置３０において指向性を高め、あるいは集束して末端まで導く。このイオン輸送装置３０においては、多重極磁石３２よりもイオンビームの流れにおける上流側のビームライン３１の周囲に、電子吸収体３３が設置される。電子吸収体３３は、高エネルギー電子を有効に吸収できる材料（例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等）で構成される。電子吸収体３３の周囲は、例えば鉛等の重金属で構成されたＸ線遮蔽体３４で覆われている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線（イオンビーム）を通過させる際にその指向性を高めて出力することのできるイオン輸送装置、イオン輸送方法に関する。また、これを用いたイオンビーム照射装置、医療用粒子線照射装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン（プロトン：陽子を含む）を加速したイオンビームを試料に照射して加工、成膜、分析、医療行為等を行う各種の技術が知られている。こうした技術においては、高エネルギー、高強度のイオンビーム（粒子線）を安定して発生させることが必要である。一般に高エネルギーのイオンビームを発生して照射する装置においては、特にその加速機構に大がかりな設備を必要とするため、装置全体が大型化する。従って、特に医療用途等にはこうしたイオンビーム（粒子線）照射装置は有効であることは明らかであるにもかかわらず、充分に普及しているとは言い難い状況にある。
【０００３】
こうした状況の中で、小型化の可能なイオンビーム照射装置の一種として、レーザー駆動型のものが知られている。レーザー駆動型のイオンビーム照射装置は、例えば特許文献１、２に記載されているように、金属や高分子等で構成され、プロトンを多く発生することのできるターゲットを高強度の超短パルスレーザー光で照射し、これを蒸発させてプラズマ化する。このプラズマ中では、まず質量の軽い電子が加速されて高エネルギーとなり、この電子の作る電界によって重い陽子が加速される。この陽子が高エネルギーの陽子線となって試料に照射される。なお、陽子だけでなく、他のイオンの加速も同様に行うことができ、イオンビームとして照射させることもできる。このレーザー駆動型のイオンビーム照射装置は、従来より用いられている大型の加速器等と比べて、装置全体を大幅にコンパクト化できるため、医療用等、様々な分野への応用が期待されている。
【０００４】
特許文献１には、このターゲットの厚さとレーザー光の照射エネルギー密度を最適化して、高効率で高エネルギーのイオンビームを得る技術が記載されている。特許文献２には、ターゲット中の電子密度分布を調整することにより、レーザー光からイオンへのエネルギー伝達効率を高め、高エネルギーのイオンビームを得る技術が記載されている。
【０００５】
ただし、これらの方法では、発生したイオンビームの指向性は低く、イオンはある発散角をもって放出される。このため、イオンビームが照射される箇所において十分な強度を得るためには、その指向性を高める、あるいはこれを集束することが必要である。これを実現した技術が非特許文献１に記載されている。このイオンビーム照射装置の構成を図３に示す。このイオンビーム照射装置９０においては、レーザー光源９１が発したレーザー光９２は、２枚の平面鏡９３、９４を介して集光鏡９５に入射する。集光鏡９５の焦点はターゲット９６上に設定されるため、ターゲット９６上では極めてエネルギー密度の高い光となる。この照射によってターゲット９６から発生したイオンビーム（粒子線）９７は、この照射箇所からある発散角をもって発される。このイオンビーム照射装置９０においては、このイオンビーム９７に対して多重極（例えば４極や６極）磁場を印加するための多重極磁石（イオン集束用磁石）９８が複数設けられている。多重極磁石９８は、永久磁石と電磁石を用いて、電荷をもったイオンビーム９７を予め設定された出力先１００で集束させる方向にその軌道を曲げる磁場を形成するように適宜設定される。この出力先１００に例えば患者の患部を配置する設定とすれば、高エネルギー、高強度のイオンビーム（粒子線）９７を治療に用いることができる。なお、この構成では、平面鏡９４、集光鏡９５、ターゲット９６、多重極磁石９８は、真空チャンバ９９中に設けられており、レーザー光９２は光学窓を通してこの真空チャンバ９９に入射し、イオンビーム９７はビームラインを通してこの真空チャンバ９９から出射する。
【０００６】
このイオンビーム照射装置９０においては、ターゲット９６からはイオンと共に電子が発せられる。ここでは、イオンと電子との質量差により、多重極磁石９８による磁場は特にイオンビーム中のイオンの軌道を最適化することができる。これにより、イオンビーム９７のみを集束させることができ、電子ビームは発散した形態となる。前記のとおり、電子はイオンの加速においては重要な役割を果たすが、イオンビーム９７を出力先１００で利用するという観点からは、末端における電子ビームは不要であり、これを除去する（イオンビーム９７と比べて無視できる程度とする）ことが好ましい。ここでは、多重極磁石９８を用いてイオンビーム９７のみを選択的に集束させることにより、これを実現している。なお、この構成においては、多重極磁石９８が設けられた箇所をイオン輸送装置と考えることができ、上記の構成は、指向性の低いイオンビームをこのイオン輸送装置で輸送する際にその指向性を高め、出力先１００で高強度とした構成と考えることができる。
【０００７】
従って、このイオンビーム照射装置９０（イオン輸送装置）によって、指向性が高く、高強度のイオンビームを得ることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｍ．Ｎｉｓｈｉｕｃｈｉ、Ｉ．Ｄａｉｔｏ、Ｍ．Ｉｋｅｇａｍｉ、Ｈ．Ｄａｉｄｏ、Ｍ．Ｍｏｒｉ、Ｓ．Ｏｒｉｍｏ、Ｋ．Ｏｇｕｒａ、Ａ．Ｓａｇｉｓａｋａ、Ａ．Ｙｏｇｏ、Ａ．Ｓ．Ｐｉｒｏｚｈｋｏｖ、Ｈ．Ｓｕｇｉｙａｍａ，Ｈ．Ｋｉｒｉｙａｍａ、Ｈ．Ｏｋａｄａ、Ｓ．Ｋａｎａｚａｗａ、Ｓ．Ｋｏｎｄｏ、Ｔ．Ｓｈｉｍｏｍｕｒａ、Ｍ．Ｔａｎｏｕｅ、Ｙ．Ｎａｋａｉ、Ｈ．Ｓａｓａｏ、Ｄ．Ｗａｋａｉ、Ｈ．Ｓａｋａｋｉ、Ｐ．Ｂｏｌｔｏｎ、Ｉ．Ｗ．Ｃｈｏｉ，Ｊ．Ｈ．Ｓｕｎｇ、Ｊ．Ｌｅｅ、Ｙ．Ｏｉｓｈｉ、Ｔ．Ｆｕｊｉｉ、Ｋ．Ｎｅｍｏｔｏ、Ｈ．Ｓｏｕｄａ、Ａ．Ｎｏｄａ、Ｙ．Ｉｓｅｋｉ， ａｎｄ Ｔ．Ｙｏｓｈｉｙｕｋｉ、”Ｆｏｃｕｓｉｎｇ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ−ｒａｔｅｄ、ｌａｓｅｒ−ｄｒｉｖｅｎ、 ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ ｍｕｌｔｉ−ＭｅＶ ｐｒｏｔｏｎ ｂｅａｍ ｕｓｉｎｇ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｑｕａｄｐｏｌｅ ｍａｇｎｅｔｓ”、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．９４、ｉｓｓｕｅ．６、１１０７、２００９年
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２４４８６３号公報
【特許文献２】特開２００８−１９８５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、非特許文献１に記載されたイオンビーム照射装置９０においては、多重極磁場中のイオンビーム９７に対して、間接的に電子が影響を与えることがある。図４は、この構成のイオンビーム照射装置９０における多重極磁石（３台）９８付近における電子分布をシミュレーションによって求めた結果であり、電子密度が濃淡で示されており、濃部が電子密度の高い部分、淡部が電子密度の低い部分である。同図中の３つの白い矩形形状が多重極磁石９８に対応し、ターゲット９６はこの図の左方向に存在する。多重極磁場によってイオンビーム９７中のイオンの軌道は集束する方向に曲げられる一方、電子は集束されずに発散するため、特に左側（入射側）の多重極磁石９８は、高密度の電子に曝されることになる。また、電子にはターゲット９６側から直接発せられた電子だけでなく、例えば左側（入射側）にある多重極磁石９８が高エネルギーの電子に曝されることによって発した２次電子も存在する。
【００１１】
多重極磁石９８を構成する永久磁石がこうした電子に曝されると、永久磁石の表面に表面電流が流れ、この電流によって磁場が発生する。従って、本来はイオンビーム９７を集束するように設定された磁場にこの磁場が加わり、イオンビーム９７中のイオンの軌道は設定された範囲からずれることになる。こうした電子の運動は、各部の帯電の影響も受けるため、時間的にも変動する。従って、電子の影響により、イオンビーム９７の集束性が劣化する、あるいは末端におけるイオンビーム９７の強度が不安定となる、電子が曝されることによる表面電流が生じる電圧変化によって末端におけるイオンビーム計測の精度を低下させる、等の問題が発生した。
【００１２】
すなわち、指向性が高い高強度のイオンビームを安定して照射することのできるイオンビーム照射装置を得ることは困難であった。
【００１３】
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】
【００１４】
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。
本発明のイオン輸送装置は、イオンビーム及び電子ビームを発するイオン・電子発生源に接続され、イオン集束用磁石を用いて前記イオンビームを集束させて出力するイオン輸送装置であって、前記イオン・電子発生源と前記イオンビームの出力先との間に設置され、前記イオンビームを通過させ、前記イオン集束用磁石が周囲に設置されたビームラインと、前記イオン・電子発生源と前記イオン集束用磁石との間の前記ビームラインの周囲において前記電子ビームが通過する箇所に設置された電子吸収体と、を具備することを特徴とする。
本発明のイオン輸送装置は、前記電子吸収体の周囲にＸ線遮蔽体が設置されたことを特徴とする。
本発明のイオン輸送装置は、前記ビームラインにおいて、前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン・電子発生源との間、及び前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン集束用磁石が設置された箇所との間が電気的に絶縁されていることを特徴とする。
本発明のイオン輸送装置は、前記電子吸収体と前記イオン・電子発生源との間において、前記電子ビームを発散させる電子進行方向変更機構を前記ビームラインの周囲に具備することを特徴とする。
本発明のイオン輸送方法は、イオンビーム及び電子ビームを発するイオン・電子発生源から前記イオンビームを輸送し、イオン集束用磁石を用いて前記イオンビームを集束させて出力するイオン輸送方法であって、前記イオン・電子発生源と、前記イオンビームの出力先との間に、前記イオンビームを通過させるビームラインを設置し、当該ビームラインの一部において前記イオン集束用磁石を周囲に設置し、前記イオン・電子発生源と前記イオン集束用磁石との間の前記ビームラインの周囲において前記電子ビームが通過する箇所に電子吸収体を設置することを特徴とする。
本発明のイオン輸送方法は、前記電子吸収体の周囲にＸ線遮蔽体を設置することを特徴とする。
本発明のイオン輸送方法は、前記ビームラインにおいて、前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン・電子発生源との間、及び前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン集束用磁石が設置された箇所との間を電気的に絶縁することを特徴とする。
本発明のイオン輸送方法は、前記電子吸収体と前記イオン・電子発生源との間において、前記電子ビームが発散する方向に前記電子ビームの軌道を制御することを特徴とする。
本発明のイオン輸送方法は、レーザー光をターゲットに照射することによってイオンビーム及び電子ビームを発するレーザー駆動型イオン・電子発生源を前記イオン・電子発生源として前記イオンビームを出力することを特徴とする。
本発明のイオンビーム照射装置は、前記イオン輸送装置を介してイオンビームを試料に対して照射することを特徴とする。
本発明のイオンビーム照射装置は、前記イオン・電子発生源として、レーザー光をターゲットに照射することによってイオンビーム及び電子ビームを発するレーザー駆動型イオン・電子発生源が用いられることを特徴とする。
本発明の医療用粒子線照射装置は、照射すべき粒子線を前記イオンビームとし、レーザー光をターゲットに照射することによってイオンビーム及び電子ビームを発するレーザー駆動型イオン・電子発生源を前記イオン・電子発生源として用い、前記イオン輸送装置を用いて出力したイオンビームを照射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は以上のように構成されているので、指向性が高い高強度のイオンビームを安定して照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係るイオンビーム照射装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るイオンビーム照射装置における電子吸収体付近の構成を拡大した図である。
【図３】従来のイオンビーム照射装置の一例の構成を示す図である。
【図４】従来のイオンビーム照射装置におけるイオンビーム集束用磁石付近の電子分布のシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態に係るイオンビーム照射装置について説明する。図１は、このイオンビーム照射装置１０の構成を示す図である。なお、ここで、このイオンビーム照射装置１０が発生するイオンビーム（粒子線）のイオン種にはプロトン（陽子）も含むものとする。このイオンビーム照射装置１０は、レーザー駆動型のイオン・電子発生装置（イオン・電子発生源）２０と、イオン輸送装置３０とを組み合わせた構成と考えることができ、イオン・電子発生装置２０から発した指向性の低いイオンビームを、イオン輸送装置３０において指向性を高め、あるいは集束して末端まで導く。
【００１８】
レーザー駆動型のイオンビーム照射装置１０（イオン・電子発生装置２０）においては、レーザー光源２１が発した高強度・超短パルスのレーザー光２２は、２枚の平面鏡２３、２４を介して集光鏡２５に入射する。集光鏡２５の焦点はターゲット２６上に設定されるため、ターゲット２６上では極めてエネルギー密度の高いレーザー光となる。
【００１９】
レーザー光源２１としては、集光された状態でターゲットをプラズマ化できるだけの高強度の超短パルスレーザー光を発するものを用いることができる。この点は特許文献１、２、非特許文献１に記載のものと同様である。具体的には、ＹＡＧレーザーを用いることができる。この場合、ターゲット２６の上で４０フェムト秒、６３０ミリジュール程度の出力で発振させたレーザー光２２を用いる。なお、ターゲット２６上で高効率にプラズマを生成し、イオンやプロトンの加速が行われるように、集光鏡２５のレイリー長等は適宜設定される。
【００２０】
ターゲット２６は、イオン種となる元素や、プロトンを多く発生する材料（例えば金属や高分子等）で構成される。その形状は、効率的にプラズマが生成されるように適宜設定される。
【００２１】
従って、特許文献１、２、非特許文献１と同様に、レーザー光２２が集光されて照射されることによって、ターゲット２６を構成する元素が蒸発、プラズマ化し、高エネルギー電子が生成される、この高エネルギー電子が作る電界によってイオンが３．０ＭｅＶ程度のエネルギーまで加速される。イオン及び電子はレーザー光２２が照射される方向（図１中右方向）に加速されるが、その指向性は弱く、発散して放射される。なお、図１の構成において、平面鏡２４、集光鏡２５、ターゲット２６は真空チャンバ２７中に設置されており、レーザー光２２は、光学窓（図示せず）を通って真空チャンバ２７内に入射する。
【００２２】
こうして発生したイオンビーム４０、電子ビーム４１はある発散角（例えば片側１０°程度）をもってイオン輸送装置３０（ビームライン３１）に入射する。ビームライン３１は、特にこのイオンビーム４０を通過させることができるように真空チャンバ２７に接続されるが、この際に電子ビーム４１も同時にこれを通過する。金属（例えばステンレス）製のビームライン３１の周囲には、多重極（例えば４極や６極）磁場をこのイオンビーム４０に印加するための多重極磁石（イオン集束用磁石）３２が３台設けられている。この多重極磁場によって、イオンビーム４０中のイオンの軌道は、イオンビーム４０が集束する方向に曲げられる。従って、イオンビーム４０は集束され、予め設定されたビームライン端部３１１においてイオンビーム４０を集束させ、高強度とすることができる。従って、ビームライン端部３１１の箇所において集束されて高強度となったイオンビーム４０を、ビームライン端部３１１に設置された試料に照射することができるように多重極磁場を設定することができる。この点は非特許文献１に記載の技術と同様である。この例では多重極磁石３２を３台設けているが、イオンビーム４０の集束性やその制御性を考慮してその数や各々の仕様は適宜設定される。ビームライン３１内は真空チャンバ２７と同様の真空とされ、真空チャンバ２７とビームライン３１とは接続される。なお、装置構成に応じてビームライン端部３１１（試料を設置すべき箇所）は予め設定でき、これに応じてビームライン３１の長さ等は設定される。また、この例では単純化して記載しているが、他に偏向用磁石を設け、イオンビーム４０中のイオンの軌道を曲げることによりイオンビーム４０の進行方向を変えることもできる。これに応じて、高強度のイオンビーム４０が得られるビームライン端部３１１の位置や試料を設置する向きを適宜設定することも可能である。
【００２３】
このイオン輸送装置３０においては、多重極磁石３２よりもイオンビームの流れにおける上流側（以下、上流側）のビームライン３１の周囲においてイオン・電子発生装置２０が発した電子ビーム４１が通過する箇所に、電子吸収体３３が設置される。電子吸収体３３は、高エネルギー電子を有効に吸収できる材料（例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等）で構成される。そして、電子吸収体３３は、チャージアップを防止するためにその表面に高抵抗膜をつけて（蒸着など）導線により接地される。電子吸収体３３の周囲は、例えば鉛等の重金属で構成されたＸ線遮蔽体３４で覆われている。
【００２４】
電子吸収体３３（Ｘ線遮蔽体３４）よりも上流側には、電子進行方向変更機構３５が設置されている。電子進行方向変更機構３５は、イオンビーム４０に対する多重極磁石３２と同様に、例えば多重極磁場を発生する磁石で構成され、電子ビーム４１（破線）の軌道を変化させることができる。ここでは、多重極磁石３２がイオンビーム４０を集束させる機能をもつのに対し、電子進行方向変更機構３５は電子ビーム４１を逆に発散させる機能をもつ。ここでは、電子とイオンとの質量差により、弱い電磁場で特に電子ビーム４１の軌道を変化させ、イオンビーム４０の軌道には大きな影響を与えずに特に電子ビーム４１だけを発散させることが可能である。なお、この目的のため、電子進行方向変更機構３５としては、多重極磁場を発生する磁石だけでなく、ソレノイド磁場、高速パルス磁場を発生する電磁石や、パルス電場等の電場を電子ビーム２４に印加する構成とすることも可能である。
【００２５】
なお、電子吸収体３３（Ｘ線遮蔽体３４）が設置された箇所のビームライン３１の上流側及び下流側には、絶縁体３６、３７が各々挿入される。これによりこの箇所のビームライン３１．Ｘ線遮蔽体３４等は、ビームライン３１における絶縁体３６よりも上流側の箇所、絶縁体３７よりも下流側の箇所から電気的に絶縁される。
【００２６】
このイオン輸送装置３０における電子進行方向変更機構３５、電子吸収体３３付近の構成の外観を図２に示す。電子吸収体３３（Ｘ線遮蔽体３４）と電子進行方向変更機能３５は、ビームライン３１の周囲を取り囲んで設置される。絶縁体３６、３７は、金属製のビームライン３１の一部を置換した形で設置される。
【００２７】
この構成においては、真空チャンバ２７（ターゲット２６）から発生したイオンビーム４０及び電子ビーム４１は、ビームライン３１内を図１、２において左側から右側に向かって通過する。ただし、真空チャンバ２７（ターゲット２６）から発生した直後においては、イオンビーム４０、電子ビーム４１共にその指向性は低く、どちらも発散して放射される。
【００２８】
このうち、電子ビーム４１は、電子進行方向変更機構３５よりも上流ではイオンビーム４０とほぼ同様の軌道を通るものの、電子進行方向変更機構３５によって、その発散角度が更に大きくなるように制御される。前記のとおり、この際にイオンビーム４０は大きな影響を受けない。従って、電子吸収体３３をイオン・電子発生装置２０と多重極磁石３２との間においてビームライン３１の周囲に設置することにより、電子ビーム４１が電子吸収体３３に吸収される効率を高めることができる。この際、ビームライン３１やＸ線遮蔽体３４等は、電子に曝されるが、これによる電気的影響は、絶縁体３６、３７を設置したこと、及びこの部分のビームライン３１等を接地すること、等によって除去することが可能である。
【００２９】
イオンビーム４０は、電子吸収体３３等が設置された箇所を通過した後に、３台の多重極磁石３２によって集束される。従って、ビームライン３１の末端でイオンビーム４０を集束させ、高強度とすることもできる。なお、この際に、電子進行方向変更機構３５によってイオンビーム４０が受けた影響を補償することも可能である。
【００３０】
この際、電子ビーム４１の大半は電子吸収体３３や電子吸収体３３が設置された箇所のビームライン３１に吸収されるため、電子が多重極磁石３２に与える悪影響は除去される。電子を吸収した電子吸収体３３やビームライン３１からはＸ線が放射されるが、このＸ線はＸ線遮蔽体３４によって遮蔽される。
【００３１】
従って、このイオンビーム照射装置１０（あるいはイオン輸送装置３０）によって、安定して高強度のイオンビームをビームライン端部３１１で試料に照射することができる。特に、イオン・電子発生装置２０で発生した指向性の低いイオンビーム４０と電子ビームとをこのイオン輸送装置３０に通過させ、安定した高強度のイオンビームとしてビームライン端部３１１に出力することができる。こうした効果は、レーザー駆動型のイオン・電子発生装置２０のように、指向性の低いイオンビームと電子ビームとを共に発するようなイオン・電子発生源を用いた場合に顕著である。
【００３２】
こうしたイオンビーム照射装置１０におけるイオンビーム４０の軌道に対する多重極磁石３２の影響は、例えばイオン輸送装置３０の設計時に数値シミュレーション等によって正確に算出することが可能であり、イオンビーム４０をビームライン端部３１１で最適化することが可能である。しかしながら、実際には多重極磁場には電子ビームの挙動が影響を与え、多重極磁石３２に対する電子の影響は複雑であるため、これを考慮したシミュレーションを行うことは困難である。上記の構成においては、この電子の影響を低減することができるため、イオン輸送装置３０の設計が容易となる。
【００３３】
また、多重極磁石３２に対する電子の影響は時間的に一定ではないため、これによってビームライン端部３１１におけるイオンビーム４０は時間的に変動する、すなわち、不安定となる。上記の構成によれば、この不安定性が低減する。
【００３４】
また、多重極磁石３２における永久磁石（強磁性体）中においてこの電子によって流れる電流は、イオンビーム４０に対して悪影響を与えるだけでなく、強磁性体材料自身にも影響を与えるため、その耐久性、信頼性に悪影響を及ぼす。上記の構成によれば、この悪影響が除去されるため、イオン輸送装置、あるいはイオンビーム照射装置の信頼性、耐久性を高めることができる。
【００３５】
以上の構成により、試料に高強度のイオン（プロトン）ビームを安定して照射するイオンビーム照射装置を得ることができる。ここで、上記の構成においては、小型化が可能なレーザー駆動型イオン・電子発生源と、ビームラインと、ビームラインの周囲に設けられた多重極磁石、電子吸収体等を用いており、サイクロトロンや高周波空洞等を用いる従来の加速器と比べて装置全体を大幅に小型化することが容易である。従って、このイオンビーム照射装置を各種の施設、例えば医療施設等に導入することも容易であり、治療用粒子線照射装置として特に好ましく用いることができる。この際、レーザー駆動型イオン・電子発生源に用いられるターゲット等の設定により、陽子（プロトン）から重粒子に至るまでの各種の粒子をイオンとして照射することができ、どの粒子を用いる際にも上記の構成が有効であることは明らかである。また、粒子線を試料（患者の患部等）に照射する際の線量の制御や具体的な試料の形態については、従前の治療用粒子線照射装置と同様に行うことが可能である。
【００３６】
なお、前記の例において、Ｘ線遮蔽体３４は、電子吸収体３３から発せられる有害なＸ線を遮蔽するために用いられるが、イオンビーム４０の挙動には大きな影響を与えない。従って、吸収する電子の量が少ない、あるいは電子エネルギーが低いために有害なＸ線が有意に放射されない場合には、Ｘ線遮蔽体３４は不要である。この場合には、更に装置を小型化することが可能である。また、Ｘ線遮蔽体３４が用いられる場合には、その厚さ、材質は、電子ビーム４１が吸収された際に発せられるＸ線のエネルギーによって適宜設定される。
【００３７】
また、電子進行方向変更機構３５によって電子吸収体３３で電子を効率的に吸収することができる。しかしながら、例えば発散する電子の量が少ない場合には、構成を単純化するために、電子進行方向変更機構３５を用いない構成とすることもできる。この場合にも、更に装置を小型化することが可能である。この場合においても、電子吸収体３３が設置されていれば、多重極磁石３２に入射する電子量を減少させることができることは明らかである。
【００３８】
また、絶縁体３６、３７は、ビームライン３１において、電子吸収体３３が設置された箇所とイオン・電子発生装置（イオン・電子発生源）２０との間、及び電子吸収体３３が設置された箇所と多重極磁石（イオン集束用磁石）３２との間をそれぞれ電気的に絶縁するために用いられている。従って、電子吸収体３３が設置された箇所のビームライン３１を電気的に独立させ、イオンビーム４０に対する悪影響を排除するという効果を奏すれば、他の構成を用いることもできる。絶縁体３６、３７を用いる場合には、ビームライン３１の材料との整合性を考慮し、図２の構成を実現できる絶縁材料を各種用いることが可能である。
【００３９】
なお、上記の構成においては、イオン・電子発生源として、レーザー駆動型のものを用いた例について説明した。ただし、指向性の低いイオンビームを発し、このイオンビームと同時に電子ビームも発するイオン・電子発生源であれば、これ以外であっても、上記の構成のイオン輸送装置が有効であることは明らかである。すなわち、このイオン輸送装置は、上記の構成のイオンビーム照射装置の一部として用いる以外の用途においても有効である。
【符号の説明】
【００４０】
１０、９０ イオンビーム照射装置
２０ イオン・電子発生装置（イオン・電子発生源）
２１、９１ レーザー光源
２２、９２ レーザー光
２３、２４、９３、９４ 平面鏡
２５、９５ 集光鏡
２６、９６ ターゲット
２７、９９ 真空チャンバ
３０ イオン輸送装置
３１ ビームライン
３２、９８ 多重極磁石（イオン集束用磁石）
３３ 電子吸収体
３４ Ｘ線遮蔽体
３５ 電子進行方向変更機構
３６、３７ 絶縁体
４０、９７ イオンビーム
４１ 電子ビーム
１００ 出力先
３１１ ビームライン端部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線（イオンビーム）を通過させる際にその指向性を高めて出力することのできるイオン輸送装置、イオン輸送方法に関する。また、これを用いたイオンビーム照射装置、医療用粒子線照射装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン（プロトン：陽子を含む）を加速したイオンビームを試料に照射して加工、成膜、分析、医療行為等を行う各種の技術が知られている。こうした技術においては、高エネルギー、高強度のイオンビーム（粒子線）を安定して発生させることが必要である。一般に高エネルギーのイオンビームを発生して照射する装置においては、特にその加速機構に大がかりな設備を必要とするため、装置全体が大型化する。従って、特に医療用途等にはこうしたイオンビーム（粒子線）照射装置は有効であることは明らかであるにもかかわらず、充分に普及しているとは言い難い状況にある。
【０００３】
こうした状況の中で、小型化の可能なイオンビーム照射装置の一種として、レーザー駆動型のものが知られている。レーザー駆動型のイオンビーム照射装置は、例えば特許文献１、２に記載されているように、金属や高分子等で構成され、プロトンを多く発生することのできるターゲットを高強度の超短パルスレーザー光で照射し、これを蒸発させてプラズマ化する。このプラズマ中では、まず質量の軽い電子が加速されて高エネルギーとなり、この電子の作る電界によって重い陽子が加速される。この陽子が高エネルギーの陽子線となって試料に照射される。なお、陽子だけでなく、他のイオンの加速も同様に行うことができ、イオンビームとして照射させることもできる。このレーザー駆動型のイオンビーム照射装置は、従来より用いられている大型の加速器等と比べて、装置全体を大幅にコンパクト化できるため、医療用等、様々な分野への応用が期待されている。
【０００４】
特許文献１には、このターゲットの厚さとレーザー光の照射エネルギー密度を最適化して、高効率で高エネルギーのイオンビームを得る技術が記載されている。特許文献２には、ターゲット中の電子密度分布を調整することにより、レーザー光からイオンへのエネルギー伝達効率を高め、高エネルギーのイオンビームを得る技術が記載されている。
【０００５】
ただし、これらの方法では、発生したイオンビームの指向性は低く、イオンはある発散角をもって放出される。このため、イオンビームが照射される箇所において十分な強度を得るためには、その指向性を高める、あるいはこれを集束することが必要である。これを実現した技術が非特許文献１に記載されている。このイオンビーム照射装置の構成を図３に示す。このイオンビーム照射装置９０においては、レーザー光源９１が発したレーザー光９２は、２枚の平面鏡９３、９４を介して集光鏡９５に入射する。集光鏡９５の焦点はターゲット９６上に設定されるため、ターゲット９６上では極めてエネルギー密度の高い光となる。この照射によってターゲット９６から発生したイオンビーム（粒子線）９７は、この照射箇所からある発散角をもって発される。このイオンビーム照射装置９０においては、このイオンビーム９７に対して多重極（例えば４極や６極）磁場を印加するための多重極磁石（イオン集束用磁石）９８が複数設けられている。多重極磁石９８は、永久磁石と電磁石を用いて、電荷をもったイオンビーム９７を予め設定された出力先１００で集束させる方向にその軌道を曲げる磁場を形成するように適宜設定される。この出力先１００に例えば患者の患部を配置する設定とすれば、高エネルギー、高強度のイオンビーム（粒子線）９７を治療に用いることができる。なお、この構成では、平面鏡９４、集光鏡９５、ターゲット９６、多重極磁石９８は、真空チャンバ９９中に設けられており、レーザー光９２は光学窓を通してこの真空チャンバ９９に入射し、イオンビーム９７はビームラインを通してこの真空チャンバ９９から出射する。
【０００６】
このイオンビーム照射装置９０においては、ターゲット９６からはイオンと共に電子が発せられる。ここでは、イオンと電子との質量差により、多重極磁石９８による磁場は特にイオンビーム中のイオンの軌道を最適化することができる。これにより、イオンビーム９７のみを集束させることができ、電子ビームは発散した形態となる。前記のとおり、電子はイオンの加速においては重要な役割を果たすが、イオンビーム９７を出力先１００で利用するという観点からは、末端における電子ビームは不要であり、これを除去する（イオンビーム９７と比べて無視できる程度とする）ことが好ましい。ここでは、多重極磁石９８を用いてイオンビーム９７のみを選択的に集束させることにより、これを実現している。なお、この構成においては、多重極磁石９８が設けられた箇所をイオン輸送装置と考えることができ、上記の構成は、指向性の低いイオンビームをこのイオン輸送装置で輸送する際にその指向性を高め、出力先１００で高強度とした構成と考えることができる。
【０００７】
従って、このイオンビーム照射装置９０（イオン輸送装置）によって、指向性が高く、高強度のイオンビームを得ることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｍ．Ｎｉｓｈｉｕｃｈｉ、Ｉ．Ｄａｉｔｏ、Ｍ．Ｉｋｅｇａｍｉ、Ｈ．Ｄａｉｄｏ、Ｍ．Ｍｏｒｉ、Ｓ．Ｏｒｉｍｏ、Ｋ．Ｏｇｕｒａ、Ａ．Ｓａｇｉｓａｋａ、Ａ．Ｙｏｇｏ、Ａ．Ｓ．Ｐｉｒｏｚｈｋｏｖ、Ｈ．Ｓｕｇｉｙａｍａ，Ｈ．Ｋｉｒｉｙａｍａ、Ｈ．Ｏｋａｄａ、Ｓ．Ｋａｎａｚａｗａ、Ｓ．Ｋｏｎｄｏ、Ｔ．Ｓｈｉｍｏｍｕｒａ、Ｍ．Ｔａｎｏｕｅ、Ｙ．Ｎａｋａｉ、Ｈ．Ｓａｓａｏ、Ｄ．Ｗａｋａｉ、Ｈ．Ｓａｋａｋｉ、Ｐ．Ｂｏｌｔｏｎ、Ｉ．Ｗ．Ｃｈｏｉ，Ｊ．Ｈ．Ｓｕｎｇ、Ｊ．Ｌｅｅ、Ｙ．Ｏｉｓｈｉ、Ｔ．Ｆｕｊｉｉ、Ｋ．Ｎｅｍｏｔｏ、Ｈ．Ｓｏｕｄａ、Ａ．Ｎｏｄａ、Ｙ．Ｉｓｅｋｉ， ａｎｄ Ｔ．Ｙｏｓｈｉｙｕｋｉ、”Ｆｏｃｕｓｉｎｇ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ−ｒａｔｅｄ、ｌａｓｅｒ−ｄｒｉｖｅｎ、 ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ ｍｕｌｔｉ−ＭｅＶ ｐｒｏｔｏｎ ｂｅａｍ ｕｓｉｎｇ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｑｕａｄｐｏｌｅ ｍａｇｎｅｔｓ”、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．９４、ｉｓｓｕｅ．６、１１０７、２００９年
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２４４８６３号公報
【特許文献２】特開２００８−１９８５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、非特許文献１に記載されたイオンビーム照射装置９０においては、多重極磁場中のイオンビーム９７に対して、間接的に電子が影響を与えることがある。図４は、この構成のイオンビーム照射装置９０における多重極磁石（３台）９８付近における電子分布をシミュレーションによって求めた結果であり、電子密度が濃淡で示されており、濃部が電子密度の高い部分、淡部が電子密度の低い部分である。同図中の３つの白い矩形形状が多重極磁石９８に対応し、ターゲット９６はこの図の左方向に存在する。多重極磁場によってイオンビーム９７中のイオンの軌道は集束する方向に曲げられる一方、電子は集束されずに発散するため、特に左側（入射側）の多重極磁石９８は、高密度の電子に曝されることになる。また、電子にはターゲット９６側から直接発せられた電子だけでなく、例えば左側（入射側）にある多重極磁石９８が高エネルギーの電子に曝されることによって発した２次電子も存在する。
【００１１】
多重極磁石９８を構成する永久磁石がこうした電子に曝されると、永久磁石の表面に表面電流が流れ、この電流によって磁場が発生する。従って、本来はイオンビーム９７を集束するように設定された磁場にこの磁場が加わり、イオンビーム９７中のイオンの軌道は設定された範囲からずれることになる。こうした電子の運動は、各部の帯電の影響も受けるため、時間的にも変動する。従って、電子の影響により、イオンビーム９７の集束性が劣化する、あるいは末端におけるイオンビーム９７の強度が不安定となる、電子が曝されることによる表面電流が生じる電圧変化によって末端におけるイオンビーム計測の精度を低下させる、等の問題が発生した。
【００１２】
すなわち、指向性が高い高強度のイオンビームを安定して照射することのできるイオンビーム照射装置を得ることは困難であった。
【００１３】
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】
【００１４】
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。
本発明のイオン輸送装置は、イオンビーム及び電子ビームを発するイオン・電子発生源に接続され、イオン集束用磁石を用いて前記イオンビームを集束させて出力するイオン輸送装置であって、前記イオン・電子発生源と前記イオンビームの出力先との間に設置され、前記イオンビームを通過させ、前記イオン集束用磁石が周囲に設置されたビームラインと、前記イオン・電子発生源と前記イオン集束用磁石との間の前記ビームラインの周囲において前記電子ビームが通過する箇所に設置された電子吸収体と、を具備することを特徴とする。
本発明のイオン輸送装置は、前記電子吸収体の周囲にＸ線遮蔽体が設置されたことを特徴とする。
本発明のイオン輸送装置は、前記ビームラインにおいて、前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン・電子発生源との間、及び前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン集束用磁石が設置された箇所との間が電気的に絶縁されていることを特徴とする。
本発明のイオン輸送装置は、前記電子吸収体と前記イオン・電子発生源との間において、前記電子ビームを発散させる電子進行方向変更機構を前記ビームラインの周囲に具備することを特徴とする。
本発明のイオン輸送方法は、イオンビーム及び電子ビームを発するイオン・電子発生源から前記イオンビームを輸送し、イオン集束用磁石を用いて前記イオンビームを集束させて出力するイオン輸送方法であって、前記イオン・電子発生源と、前記イオンビームの出力先との間に、前記イオンビームを通過させるビームラインを設置し、当該ビームラインの一部において前記イオン集束用磁石を周囲に設置し、前記イオン・電子発生源と前記イオン集束用磁石との間の前記ビームラインの周囲において前記電子ビームが通過する箇所に電子吸収体を設置することを特徴とする。
本発明のイオン輸送方法は、前記電子吸収体の周囲にＸ線遮蔽体を設置することを特徴とする。
本発明のイオン輸送方法は、前記ビームラインにおいて、前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン・電子発生源との間、及び前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン集束用磁石が設置された箇所との間を電気的に絶縁することを特徴とする。
本発明のイオン輸送方法は、前記電子吸収体と前記イオン・電子発生源との間において、前記電子ビームが発散する方向に前記電子ビームの軌道を制御することを特徴とする。
本発明のイオン輸送方法は、レーザー光をターゲットに照射することによってイオンビーム及び電子ビームを発するレーザー駆動型イオン・電子発生源を前記イオン・電子発生源として前記イオンビームを出力することを特徴とする。
本発明のイオンビーム照射装置は、前記イオン輸送装置を介してイオンビームを試料に対して照射することを特徴とする。
本発明のイオンビーム照射装置は、前記イオン・電子発生源として、レーザー光をターゲットに照射することによってイオンビーム及び電子ビームを発するレーザー駆動型イオン・電子発生源が用いられることを特徴とする。
本発明の医療用粒子線照射装置は、照射すべき粒子線を前記イオンビームとし、レーザー光をターゲットに照射することによってイオンビーム及び電子ビームを発するレーザー駆動型イオン・電子発生源を前記イオン・電子発生源として用い、前記イオン輸送装置を用いて出力したイオンビームを照射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は以上のように構成されているので、指向性が高い高強度のイオンビームを安定して照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係るイオンビーム照射装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るイオンビーム照射装置における電子吸収体付近の構成を拡大した図である。
【図３】従来のイオンビーム照射装置の一例の構成を示す図である。
【図４】従来のイオンビーム照射装置におけるイオンビーム集束用磁石付近の電子分布のシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態に係るイオンビーム照射装置について説明する。図１は、このイオンビーム照射装置１０の構成を示す図である。なお、ここで、このイオンビーム照射装置１０が発生するイオンビーム（粒子線）のイオン種にはプロトン（陽子）も含むものとする。このイオンビーム照射装置１０は、レーザー駆動型のイオン・電子発生装置（イオン・電子発生源）２０と、イオン輸送装置３０とを組み合わせた構成と考えることができ、イオン・電子発生装置２０から発した指向性の低いイオンビームを、イオン輸送装置３０において指向性を高め、あるいは集束して末端まで導く。
【００１８】
レーザー駆動型のイオンビーム照射装置１０（イオン・電子発生装置２０）においては、レーザー光源２１が発した高強度・超短パルスのレーザー光２２は、２枚の平面鏡２３、２４を介して集光鏡２５に入射する。集光鏡２５の焦点はターゲット２６上に設定されるため、ターゲット２６上では極めてエネルギー密度の高いレーザー光となる。
【００１９】
レーザー光源２１としては、集光された状態でターゲットをプラズマ化できるだけの高強度の超短パルスレーザー光を発するものを用いることができる。この点は特許文献１、２、非特許文献１に記載のものと同様である。具体的には、ＹＡＧレーザーを用いることができる。この場合、ターゲット２６の上で４０フェムト秒、６３０ミリジュール程度の出力で発振させたレーザー光２２を用いる。なお、ターゲット２６上で高効率にプラズマを生成し、イオンやプロトンの加速が行われるように、集光鏡２５のレイリー長等は適宜設定される。
【００２０】
ターゲット２６は、イオン種となる元素や、プロトンを多く発生する材料（例えば金属や高分子等）で構成される。その形状は、効率的にプラズマが生成されるように適宜設定される。
【００２１】
従って、特許文献１、２、非特許文献１と同様に、レーザー光２２が集光されて照射されることによって、ターゲット２６を構成する元素が蒸発、プラズマ化し、高エネルギー電子が生成される、この高エネルギー電子が作る電界によってイオンが３．０ＭｅＶ程度のエネルギーまで加速される。イオン及び電子はレーザー光２２が照射される方向（図１中右方向）に加速されるが、その指向性は弱く、発散して放射される。なお、図１の構成において、平面鏡２４、集光鏡２５、ターゲット２６は真空チャンバ２７中に設置されており、レーザー光２２は、光学窓（図示せず）を通って真空チャンバ２７内に入射する。
【００２２】
こうして発生したイオンビーム４０、電子ビーム４１はある発散角（例えば片側１０°程度）をもってイオン輸送装置３０（ビームライン３１）に入射する。ビームライン３１は、特にこのイオンビーム４０を通過させることができるように真空チャンバ２７に接続されるが、この際に電子ビーム４１も同時にこれを通過する。金属（例えばステンレス）製のビームライン３１の周囲には、多重極（例えば４極や６極）磁場をこのイオンビーム４０に印加するための多重極磁石（イオン集束用磁石）３２が３台設けられている。この多重極磁場によって、イオンビーム４０中のイオンの軌道は、イオンビーム４０が集束する方向に曲げられる。従って、イオンビーム４０は集束され、予め設定されたビームライン端部３１１においてイオンビーム４０を集束させ、高強度とすることができる。従って、ビームライン端部３１１の箇所において集束されて高強度となったイオンビーム４０を、ビームライン端部３１１に設置された試料に照射することができるように多重極磁場を設定することができる。この点は非特許文献１に記載の技術と同様である。この例では多重極磁石３２を３台設けているが、イオンビーム４０の集束性やその制御性を考慮してその数や各々の仕様は適宜設定される。ビームライン３１内は真空チャンバ２７と同様の真空とされ、真空チャンバ２７とビームライン３１とは接続される。なお、装置構成に応じてビームライン端部３１１（試料を設置すべき箇所）は予め設定でき、これに応じてビームライン３１の長さ等は設定される。また、この例では単純化して記載しているが、他に偏向用磁石を設け、イオンビーム４０中のイオンの軌道を曲げることによりイオンビーム４０の進行方向を変えることもできる。これに応じて、高強度のイオンビーム４０が得られるビームライン端部３１１の位置や試料を設置する向きを適宜設定することも可能である。
【００２３】
このイオン輸送装置３０においては、多重極磁石３２よりもイオンビームの流れにおける上流側（以下、上流側）のビームライン３１の周囲においてイオン・電子発生装置２０が発した電子ビーム４１が通過する箇所に、電子吸収体３３が設置される。電子吸収体３３は、高エネルギー電子を有効に吸収できる材料（例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等）で構成される。そして、電子吸収体３３は、チャージアップを防止するためにその表面に高抵抗膜をつけて（蒸着など）導線により接地される。電子吸収体３３の周囲は、例えば鉛等の重金属で構成されたＸ線遮蔽体３４で覆われている。
【００２４】
電子吸収体３３（Ｘ線遮蔽体３４）よりも上流側には、電子進行方向変更機構３５が設置されている。電子進行方向変更機構３５は、イオンビーム４０に対する多重極磁石３２と同様に、例えば多重極磁場を発生する磁石で構成され、電子ビーム４１（破線）の軌道を変化させることができる。ここでは、多重極磁石３２がイオンビーム４０を集束させる機能をもつのに対し、電子進行方向変更機構３５は電子ビーム４１を逆に発散させる機能をもつ。ここでは、電子とイオンとの質量差により、弱い電磁場で特に電子ビーム４１の軌道を変化させ、イオンビーム４０の軌道には大きな影響を与えずに特に電子ビーム４１だけを発散させることが可能である。なお、この目的のため、電子進行方向変更機構３５としては、多重極磁場を発生する磁石だけでなく、ソレノイド磁場、高速パルス磁場を発生する電磁石や、パルス電場等の電場を電子ビーム２４に印加する構成とすることも可能である。
【００２５】
なお、電子吸収体３３（Ｘ線遮蔽体３４）が設置された箇所のビームライン３１の上流側及び下流側には、絶縁体３６、３７が各々挿入される。これによりこの箇所のビームライン３１．Ｘ線遮蔽体３４等は、ビームライン３１における絶縁体３６よりも上流側の箇所、絶縁体３７よりも下流側の箇所から電気的に絶縁される。
【００２６】
このイオン輸送装置３０における電子進行方向変更機構３５、電子吸収体３３付近の構成の外観を図２に示す。電子吸収体３３（Ｘ線遮蔽体３４）と電子進行方向変更機能３５は、ビームライン３１の周囲を取り囲んで設置される。絶縁体３６、３７は、金属製のビームライン３１の一部を置換した形で設置される。
【００２７】
この構成においては、真空チャンバ２７（ターゲット２６）から発生したイオンビーム４０及び電子ビーム４１は、ビームライン３１内を図１、２において左側から右側に向かって通過する。ただし、真空チャンバ２７（ターゲット２６）から発生した直後においては、イオンビーム４０、電子ビーム４１共にその指向性は低く、どちらも発散して放射される。
【００２８】
このうち、電子ビーム４１は、電子進行方向変更機構３５よりも上流ではイオンビーム４０とほぼ同様の軌道を通るものの、電子進行方向変更機構３５によって、その発散角度が更に大きくなるように制御される。前記のとおり、この際にイオンビーム４０は大きな影響を受けない。従って、電子吸収体３３をイオン・電子発生装置２０と多重極磁石３２との間においてビームライン３１の周囲に設置することにより、電子ビーム４１が電子吸収体３３に吸収される効率を高めることができる。この際、ビームライン３１やＸ線遮蔽体３４等は、電子に曝されるが、これによる電気的影響は、絶縁体３６、３７を設置したこと、及びこの部分のビームライン３１等を接地すること、等によって除去することが可能である。
【００２９】
イオンビーム４０は、電子吸収体３３等が設置された箇所を通過した後に、３台の多重極磁石３２によって集束される。従って、ビームライン３１の末端でイオンビーム４０を集束させ、高強度とすることもできる。なお、この際に、電子進行方向変更機構３５によってイオンビーム４０が受けた影響を補償することも可能である。
【００３０】
この際、電子ビーム４１の大半は電子吸収体３３や電子吸収体３３が設置された箇所のビームライン３１に吸収されるため、電子が多重極磁石３２に与える悪影響は除去される。電子を吸収した電子吸収体３３やビームライン３１からはＸ線が放射されるが、このＸ線はＸ線遮蔽体３４によって遮蔽される。
【００３１】
従って、このイオンビーム照射装置１０（あるいはイオン輸送装置３０）によって、安定して高強度のイオンビームをビームライン端部３１１で試料に照射することができる。特に、イオン・電子発生装置２０で発生した指向性の低いイオンビーム４０と電子ビームとをこのイオン輸送装置３０に通過させ、安定した高強度のイオンビームとしてビームライン端部３１１に出力することができる。こうした効果は、レーザー駆動型のイオン・電子発生装置２０のように、指向性の低いイオンビームと電子ビームとを共に発するようなイオン・電子発生源を用いた場合に顕著である。
【００３２】
こうしたイオンビーム照射装置１０におけるイオンビーム４０の軌道に対する多重極磁石３２の影響は、例えばイオン輸送装置３０の設計時に数値シミュレーション等によって正確に算出することが可能であり、イオンビーム４０をビームライン端部３１１で最適化することが可能である。しかしながら、実際には多重極磁場には電子ビームの挙動が影響を与え、多重極磁石３２に対する電子の影響は複雑であるため、これを考慮したシミュレーションを行うことは困難である。上記の構成においては、この電子の影響を低減することができるため、イオン輸送装置３０の設計が容易となる。
【００３３】
また、多重極磁石３２に対する電子の影響は時間的に一定ではないため、これによってビームライン端部３１１におけるイオンビーム４０は時間的に変動する、すなわち、不安定となる。上記の構成によれば、この不安定性が低減する。
【００３４】
また、多重極磁石３２における永久磁石（強磁性体）中においてこの電子によって流れる電流は、イオンビーム４０に対して悪影響を与えるだけでなく、強磁性体材料自身にも影響を与えるため、その耐久性、信頼性に悪影響を及ぼす。上記の構成によれば、この悪影響が除去されるため、イオン輸送装置、あるいはイオンビーム照射装置の信頼性、耐久性を高めることができる。
【００３５】
以上の構成により、試料に高強度のイオン（プロトン）ビームを安定して照射するイオンビーム照射装置を得ることができる。ここで、上記の構成においては、小型化が可能なレーザー駆動型イオン・電子発生源と、ビームラインと、ビームラインの周囲に設けられた多重極磁石、電子吸収体等を用いており、サイクロトロンや高周波空洞等を用いる従来の加速器と比べて装置全体を大幅に小型化することが容易である。従って、このイオンビーム照射装置を各種の施設、例えば医療施設等に導入することも容易であり、治療用粒子線照射装置として特に好ましく用いることができる。この際、レーザー駆動型イオン・電子発生源に用いられるターゲット等の設定により、陽子（プロトン）から重粒子に至るまでの各種の粒子をイオンとして照射することができ、どの粒子を用いる際にも上記の構成が有効であることは明らかである。また、粒子線を試料（患者の患部等）に照射する際の線量の制御や具体的な試料の形態については、従前の治療用粒子線照射装置と同様に行うことが可能である。
【００３６】
なお、前記の例において、Ｘ線遮蔽体３４は、電子吸収体３３から発せられる有害なＸ線を遮蔽するために用いられるが、イオンビーム４０の挙動には大きな影響を与えない。従って、吸収する電子の量が少ない、あるいは電子エネルギーが低いために有害なＸ線が有意に放射されない場合には、Ｘ線遮蔽体３４は不要である。この場合には、更に装置を小型化することが可能である。また、Ｘ線遮蔽体３４が用いられる場合には、その厚さ、材質は、電子ビーム４１が吸収された際に発せられるＸ線のエネルギーによって適宜設定される。
【００３７】
また、電子進行方向変更機構３５によって電子吸収体３３で電子を効率的に吸収することができる。しかしながら、例えば発散する電子の量が少ない場合には、構成を単純化するために、電子進行方向変更機構３５を用いない構成とすることもできる。この場合にも、更に装置を小型化することが可能である。この場合においても、電子吸収体３３が設置されていれば、多重極磁石３２に入射する電子量を減少させることができることは明らかである。
【００３８】
また、絶縁体３６、３７は、ビームライン３１において、電子吸収体３３が設置された箇所とイオン・電子発生装置（イオン・電子発生源）２０との間、及び電子吸収体３３が設置された箇所と多重極磁石（イオン集束用磁石）３２との間をそれぞれ電気的に絶縁するために用いられている。従って、電子吸収体３３が設置された箇所のビームライン３１を電気的に独立させ、イオンビーム４０に対する悪影響を排除するという効果を奏すれば、他の構成を用いることもできる。絶縁体３６、３７を用いる場合には、ビームライン３１の材料との整合性を考慮し、図２の構成を実現できる絶縁材料を各種用いることが可能である。
【００３９】
なお、上記の構成においては、イオン・電子発生源として、レーザー駆動型のものを用いた例について説明した。ただし、指向性の低いイオンビームを発し、このイオンビームと同時に電子ビームも発するイオン・電子発生源であれば、これ以外であっても、上記の構成のイオン輸送装置が有効であることは明らかである。すなわち、このイオン輸送装置は、上記の構成のイオンビーム照射装置の一部として用いる以外の用途においても有効である。
【符号の説明】
【００４０】
１０、９０ イオンビーム照射装置
２０ イオン・電子発生装置（イオン・電子発生源）
２１、９１ レーザー光源
２２、９２ レーザー光
２３、２４、９３、９４ 平面鏡
２５、９５ 集光鏡
２６、９６ ターゲット
２７、９９ 真空チャンバ
３０ イオン輸送装置
３１ ビームライン
３２、９８ 多重極磁石（イオン集束用磁石）
３３ 電子吸収体
３４ Ｘ線遮蔽体
３５ 電子進行方向変更機構
３６、３７ 絶縁体
４０、９７ イオンビーム
４１ 電子ビーム
１００ 出力先
３１１ ビームライン端部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビーム及び電子ビームを発するイオン・電子発生源に接続され、イオン集束用磁石を用いて前記イオンビームを集束させて出力するイオン輸送装置であって、
前記イオン・電子発生源と前記イオンビームの出力先との間に設置され、前記イオンビームを通過させ、前記イオン集束用磁石が周囲に設置されたビームラインと、
前記イオン・電子発生源と前記イオン集束用磁石との間の前記ビームラインの周囲において前記電子ビームが通過する箇所に設置された電子吸収体と、
を具備することを特徴とするイオン輸送装置。
【請求項２】
前記電子吸収体の周囲にＸ線遮蔽体が設置されたことを特徴とする請求項１に記載のイオン輸送装置。
【請求項３】
前記ビームラインにおいて、前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン・電子発生源との間、及び前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン集束用磁石が設置された箇所との間が電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン輸送装置。
【請求項４】
前記電子吸収体と前記イオン・電子発生源との間において、前記電子ビームを発散させる電子進行方向変更機構を前記ビームラインの周囲に具備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項に記載のイオン輸送装置。
【請求項５】
イオンビーム及び電子ビームを発するイオン・電子発生源から前記イオンビームを輸送し、イオン集束用磁石を用いて前記イオンビームを集束させて出力するイオン輸送方法であって、
前記イオン・電子発生源と、前記イオンビームの出力先との間に、前記イオンビームを通過させるビームラインを設置し、
当該ビームラインの一部において前記イオン集束用磁石を周囲に設置し、
前記イオン・電子発生源と前記イオン集束用磁石との間の前記ビームラインの周囲において前記電子ビームが通過する箇所に電子吸収体を設置することを特徴とするイオン輸送方法。
【請求項６】
前記電子吸収体の周囲にＸ線遮蔽体を設置することを特徴とする請求項５に記載のイオン輸送方法。
【請求項７】
前記ビームラインにおいて、前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン・電子発生源との間、及び前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン集束用磁石が設置された箇所との間を電気的に絶縁することを特徴とする請求項５又６に記載のイオン輸送方法。
【請求項８】
前記電子吸収体と前記イオン・電子発生源との間において、前記電子ビームが発散する方向に前記電子ビームの軌道を制御することを特徴とする請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載のイオン輸送方法。
【請求項９】
レーザー光をターゲットに照射することによってイオンビーム及び電子ビームを発するレーザー駆動型イオン・電子発生源を前記イオン・電子発生源として前記イオンビームを出力することを特徴とする請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載のイオン輸送方法
【請求項１０】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のイオン輸送装置を介してイオンビームを試料に対して照射することを特徴とするイオンビーム照射装置。
【請求項１１】
前記イオン・電子発生源として、レーザー光をターゲットに照射することによってイオンビーム及び電子ビームを発するレーザー駆動型イオン・電子発生源が用いられることを特徴とする請求項１０に記載のイオンビーム照射装置。
【請求項１２】
照射すべき粒子線を前記イオンビームとし、
レーザー光をターゲットに照射することによってイオンビーム及び電子ビームを発するレーザー駆動型イオン・電子発生源を前記イオン・電子発生源として用い、
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のイオン輸送装置を用いて出力したイオンビームを照射することを特徴とする医療用粒子線照射装置。
【請求項１】
イオンビーム及び電子ビームを発するイオン・電子発生源に接続され、イオン集束用磁石を用いて前記イオンビームを集束させて出力するイオン輸送装置であって、
前記イオン・電子発生源と前記イオンビームの出力先との間に設置され、前記イオンビームを通過させ、前記イオン集束用磁石が周囲に設置されたビームラインと、
前記イオン・電子発生源と前記イオン集束用磁石との間の前記ビームラインの周囲において前記電子ビームが通過する箇所に設置された電子吸収体と、
を具備することを特徴とするイオン輸送装置。
【請求項２】
前記電子吸収体の周囲にＸ線遮蔽体が設置されたことを特徴とする請求項１に記載のイオン輸送装置。
【請求項３】
前記ビームラインにおいて、前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン・電子発生源との間、及び前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン集束用磁石が設置された箇所との間が電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン輸送装置。
【請求項４】
前記電子吸収体と前記イオン・電子発生源との間において、前記電子ビームを発散させる電子進行方向変更機構を前記ビームラインの周囲に具備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項に記載のイオン輸送装置。
【請求項５】
イオンビーム及び電子ビームを発するイオン・電子発生源から前記イオンビームを輸送し、イオン集束用磁石を用いて前記イオンビームを集束させて出力するイオン輸送方法であって、
前記イオン・電子発生源と、前記イオンビームの出力先との間に、前記イオンビームを通過させるビームラインを設置し、
当該ビームラインの一部において前記イオン集束用磁石を周囲に設置し、
前記イオン・電子発生源と前記イオン集束用磁石との間の前記ビームラインの周囲において前記電子ビームが通過する箇所に電子吸収体を設置することを特徴とするイオン輸送方法。
【請求項６】
前記電子吸収体の周囲にＸ線遮蔽体を設置することを特徴とする請求項５に記載のイオン輸送方法。
【請求項７】
前記ビームラインにおいて、前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン・電子発生源との間、及び前記電子吸収体が設置された箇所と前記イオン集束用磁石が設置された箇所との間を電気的に絶縁することを特徴とする請求項５又６に記載のイオン輸送方法。
【請求項８】
前記電子吸収体と前記イオン・電子発生源との間において、前記電子ビームが発散する方向に前記電子ビームの軌道を制御することを特徴とする請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載のイオン輸送方法。
【請求項９】
レーザー光をターゲットに照射することによってイオンビーム及び電子ビームを発するレーザー駆動型イオン・電子発生源を前記イオン・電子発生源として前記イオンビームを出力することを特徴とする請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載のイオン輸送方法
【請求項１０】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のイオン輸送装置を介してイオンビームを試料に対して照射することを特徴とするイオンビーム照射装置。
【請求項１１】
前記イオン・電子発生源として、レーザー光をターゲットに照射することによってイオンビーム及び電子ビームを発するレーザー駆動型イオン・電子発生源が用いられることを特徴とする請求項１０に記載のイオンビーム照射装置。
【請求項１２】
照射すべき粒子線を前記イオンビームとし、
レーザー光をターゲットに照射することによってイオンビーム及び電子ビームを発するレーザー駆動型イオン・電子発生源を前記イオン・電子発生源として用い、
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のイオン輸送装置を用いて出力したイオンビームを照射することを特徴とする医療用粒子線照射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−９５０３９（Ｐ２０１１−９５０３９Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４７７２９（Ｐ２００９−２４７７２９）
【出願日】平成２１年１０月２８日（２００９．１０．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度及び平成２０年度文部科学省「先端融合領域イノベーション創出拠点の形成「光医療産業バレー」拠点創出」（委託業務）産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【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】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月２８日（２００９．１０．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度及び平成２０年度文部科学省「先端融合領域イノベーション創出拠点の形成「光医療産業バレー」拠点創出」（委託業務）産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【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】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
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