レーザ・イオン源及びレーザ・イオン源の駆動方法
【課題】 不要なイオンの放出を抑制することができ、不要なイオンによる下流の線形加速器側の汚染を低減する。
【解決手段】 レーザ光の照射によりイオンを発生させるレーザ・イオン源であって、真空排気される容器１０と、容器１０内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲット２１が収容された照射箱２０と、照射箱２０からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして容器１０の外部に導くイオンビーム引き出し部１２と、照射箱２０から引き出されたイオンビームを静電力により収束する静電レンズ５１と、静電レンズ５１の下流側の位置に設けられ、該位置で収束されたイオンビームを通過させるアパーチャ５２とを備えた。
【解決手段】 レーザ光の照射によりイオンを発生させるレーザ・イオン源であって、真空排気される容器１０と、容器１０内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲット２１が収容された照射箱２０と、照射箱２０からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして容器１０の外部に導くイオンビーム引き出し部１２と、照射箱２０から引き出されたイオンビームを静電力により収束する静電レンズ５１と、静電レンズ５１の下流側の位置に設けられ、該位置で収束されたイオンビームを通過させるアパーチャ５２とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、レーザ光の照射によりイオンを発生させるレーザ・イオン源に係わり、特に多価イオンの選別機構を備えたレーザ・イオン源及びレーザ・イオン源の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高エネルギーの炭素イオンの照射によるがん治療法が開発され、実際に、一般病院にイオン加速装置が設置されて、治療も始まっている。この種の装置の更なる性能向上には、高密度の６価の炭素イオンを生成するイオン源が不可欠である。従来のマイクロ波放電プラズマを使ったイオン源は、この点で非力なので、新たなイオン源の開発が強く望まれている。
【０００３】
高密度イオンビーム生成の能力を持つイオン源として、レーザ・イオン源が開発されている。このレーザ・イオン源は、レーザ光をターゲットに集光照射し、レーザ光のエネルギーによりターゲットをイオン化する。そして、ターゲットから生成されたイオンを静電的に引出してイオンビームを作り出す。
【０００４】
しかし、この種のレーザ・イオン源にあっては、次のような問題があった。即ち、レーザ・イオン源から輸送されるイオンには、レーザ光のエネルギーと密度に依存した複数の価数のイオンが混在している。このため、取り出したいイオンが６価の炭素イオンであるにも拘わらず、それ以外の価数のイオンも放出されてしまう。
【０００５】
下流の線形加速器に価数の選別機能を持たせることにより、６価のイオンのみを選択して用いることはできる。しかし、この場合、不要な価数のイオンは線形加速器内で汚れとして滞留することになり、電極を汚染したり、放電を起こす要因となる。これを防止するためには線形加速器内に付着したイオンを定期的に除去する必要があるが、線形加速器は非常に大型で精密な機械であり、そのメンテナンスには多大な労力が伴う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３７１３５２４号
【特許文献２】特開２００９−３７７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したレーザ・イオン源においては、複数の価数のイオンが混在したままで下流の線形加速器に入射するため、不要なイオンが線形加速器内に滞留し、電極を汚染し、放電を起こすことが課題であった。
【０００８】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、不要なイオンの放出を抑制することができ、不要なイオンによる下流の線形加速器側の汚染を低減することが可能なレーザ・イオン源及びレーザ・イオン源の駆動方法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】
【０００９】
本発明の実施形態に係わるレーザ・イオン源は、真空排気される容器と、前記容器内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲットが収容された照射箱と、前記照射箱からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして前記容器の外部に導くイオンビーム引き出し手段と、前記照射箱から引き出されたイオンビームを電磁力により収束する電磁レンズと、前記電磁レンズの下流側の位置に設けられ、該位置で収束されたイオンビームを通過させるアパーチャと、を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態によれば、不要なイオンの放出を抑制することができ、不要なイオンによる下流の線形加速器側の汚染を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図。
【図２】第１の実施形態におけるイオンビームの選別の様子を示す断面図。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は第１の実施形態におけるイオンビームの選別の原理を説明するための概略説明図。
【図４】第２の実施形態に係わるレーザ・イオン源の要部構成を示す断面図。
【図５】第３の実施形態に係わるレーザ・イオン源の要部構成を示す平面図。
【図６】（ａ）は第３の実施形態の変形例を示す平面図、（ｂ）は更に別の変形例を示す平面図と断面図。
【図７】第４の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図。
【図８】第５の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は第５の実施形態におけるイオンビームの選別の原理を説明するための概略説明図。
【図１０】第６の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図。
【図１１】第７の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図。
【図１２】（ａ）から（ｃ）は第７の実施形態におけるイオンビームの選別の原理を説明するための概略説明図。
【図１３】第８の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図である。図２は、図１の一部（破線円で囲んだ部分）を拡大して示す断面図である。
【００１４】
本実施形態のレーザ・イオン源は、イオン源本体１００とイオン源輸送系２００及び線形加速器（ＲＦＱ）３００で構成されている。
【００１５】
イオン源本体１００は、真空容器１０，引き出し電極１２，及び照射箱２０等で構成されている。容器１０はステンレス製であり、この容器１０内の中央部に、レーザ照射部を覆うための照射箱２０が設置されている。照射箱２０内には、イオンとなる元素又はそれを含有するターゲット２１が設置されている。ターゲット２１としては、例えばカーボン系の板状部材が選択される。
【００１６】
照射箱２０の上面には、レーザ光を入射するための窓２２が設けられている。そして、図示しない光学系を介してレーザ光３１が照射箱２０内に入射され、ターゲット２１に集光照射されるようになっている。レーザ光を放出する光源としては、Ｃｏ２レーザやＮｄ−ＹＡＧレーザを用いることができる。
【００１７】
照射箱２０は絶縁支柱１１によって支えられ、図示しない高電圧電源によって、高電圧が印加される。正イオンビーム生成のときは正電位を、負イオンビーム生成のときは負電位を与えるように構成されている。
【００１８】
照射箱２０の一側面（図では右側面）には、イオンを取り出すための窓２３が設けられている。照射箱２０の窓２３が設けられた一側面と対向するように、引出し電極１２が設置されている。引き出し電極１２は、中央部に円形の孔を有する円板状の導電体であり、照射箱２０内からイオンを引き出すために接地電位に保たれている。
【００１９】
容器１０の上面には排気口１３が形成され、この排気口１３に図示しない真空ポンプが接続され、容器１０内が真空排気されるようになっている。容器１０の一側面で、照射箱２０の窓２３を形成した一側面に対向する部分に、イオンビーム取り出し部（イオン源輸送部２００）が形成されている。この取り出し部は、容器１０の一側面に接続された筒体４１及び筒体４１の先端のフランジ４２から構成される。フランジ４２は、次段の線形加速器３００に接続されている。なお、加速器ではなくイオン注入装置に用いる場合は、線形加速器３００の代わりに、偏向装置や静電レンズを接続するようにすればよい。
【００２０】
ここまでの基本構成に加え本実施形態では、筒体４１の容器１０側に多価イオンビームを収束する静電レンズ５１が設けられ、線形加速器側にアパーチャ５２が設けられている。静電レンズ５１は、例えば軸方向に離間配置された３つの電極によりイオンビームを静電力により収束するものである。アパーチャ５２は、中央部に小径の開口を有するものである。また、フランジ４２と線形加速器２００との間にバルブ４３が設けられている。このバルブ４３は、例えば、ゲートバルブやビームの進行路が開口部となるように取り付けたバタフライバルブであり、ビーム通過管路の開閉を気密を保てる機能を有する。
【００２１】
次に、このように構成されたレーザ・イオン源の動作について説明する。
【００２２】
容器１０内は排気口１３に接続された真空ポンプ等により十分に排気されているものとする。照射箱２０には、例えば正電位が与えられ、引き出し電極１２には接地電位が与えられているものとする。
【００２３】
この状態で、パルス駆動のレーザ光源（図示せず）からレーザ光３１をターゲット２１に集光照射すると、ターゲット２１上に集光したレーザ光３１により、レーザ集光点では、ターゲット２１の微小部分が高温に熱せられる。高温に熱せられた部分がプラズマ化し、空間に向かって放出される。プラズマ中の原子及びイオンは、レーザ光３１からもエネルギーを受け取り、多価イオンが生成される。
【００２４】
照射箱２０内の空間に噴出したものは、アブレーション・プルーム、或いは単にプルームと呼ばれる。照射箱２０には、プルームの放出方向に窓２３が設けられ、更に窓２３の外側に接地電位の引き出し電極１２が設置されている。このため、照射箱２０と引出し電極１２との間の電界によって照射箱２０内からイオンが引出され、同時に加速されてイオンビームとなる。そして、このイオンビームは、後段の線形加速器３００によって更に加速されることになる。
【００２５】
ところで、イオン源本体１００から引き出された多価イオンビーム３３は、イオン源輸送系２００内の静電レンズ５１で収束されるが、それぞれの価数によって収束位置（焦点距離）が異なる。従って、図２に示すように、必要な価数Ｚ１のイオンビーム３３ａの焦点位置にアパーチャ５２を設置することにより、価数Ｚ１のイオンビーム３３ａのみを選択的に取り出すことが可能である。なお、価数Ｚ１以外のイオンビームで中心軸付近を通るものはアパーチャ５２で遮られることなく通過するが、その量は全体の量に比して極めて少ないため、これによる汚染は殆ど問題とならない。
【００２６】
図３に、各種の価数のイオンビームと収束の様子を示す。（ａ）はターゲット２１，レンズ５１，アパーチャ５２の位置関係を示す図、（ｂ）はレンズ中心からの距離ｘとビームの位置との関係を示す図である。
【００２７】
この図３からも分かるように、イオンビーム３３は価数が大きいものほど静電レンズ５１による電界の影響を大きく受けるために、レンズ５１に対する焦点位置がＣ1+〜Ｃ6+の順に短くなる。従って、例えばＣ6+の焦点位置（例えばｘ＝９５ｍｍ）の位置にアパーチャ５２を設置すれば、Ｃ6+のイオンビームはアパーチャ５２で殆ど遮られることなく通過し、それ以外のイオンビームはアパーチャ５２で大部分が遮られることになる。
【００２８】
このように本実施形態によれば、イオン源輸送系２００内に静電レンズ５１とアパーチャ５２を設けることにより、不要な価数のイオンビームを低減し、必要な価数のイオンビーム３３ａのみを選択的に取り出すことができる。このため、下流の線形加速器３００側への不要なイオン流入を低減して線形加速器３００の汚染を低減することができる。レーザ・イオン源は多価のイオンが放出されるので、このような価数の選別が特に有効である。
【００２９】
なお、不要のイオンビームを下流側に輸送せずにアパーチャ５２で遮るため、イオン源側の汚染が大きくなることが懸念される。しかし、イオン源のメンテナンスは線形加速器３００のメンテナンスに比して格段に容易であり、イオン源の汚染は簡単に除去することができる。また、レーザ・イオン源においては、ターゲット２１を定期的に交換する必要があり、このときに汚染除去のメンテナンスを行えばよい。
【００３０】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係わるレーザ・イオン源を説明するためのもので、イオン源輸送系の構成を示す断面図である。なお、図４において図１と同一の部分には同一の符号を付し、その部分の構成の説明は省略する。
【００３１】
この第２の実施形態において基本的な構成は先の第１の実施形態と同様であり、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、イオン源輸送系２００内のアパーチャ５２を真空中で駆動するステージ５３を設けたことにある。このステージ５３は、図示しない駆動機構を有しており、アパーチャ５２の一端を固定した状態で、筒体４１内をビーム軸方向に移動可能となっている。また、ステージ５３には真空導入端子を介して信号ケーブルが接続され、真空外でコントロール可能な構成となっている。
【００３２】
このように本実施形態においては、ステージ５３に取り付けられたアパーチャ５２をイオンビーム軸方向に移動可能である。従って、価数Ｚ１のイオンビーム３３ａの焦点位置Ｐ１にアパーチャ５２を移動すれば、価数Ｚ１のイオンビーム３３ａを選択的に輸送できる。また、価数Ｚ２のイオンビーム３３ｂの焦点位置Ｐ２にアパーチャ５２を移動すれば価数Ｚ２のイオンビーム３３ｂを選択的に輸送できる。つまり、多価イオンビームの中から、異なる価数のイオンビームを取り出したい場合に、真空を破ることなく必要な価数のイオンビームを選別し、下流の線形加速器３００側への不要なイオン流入を低減して汚染を低減することができる。
【００３３】
従って、先の第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、イオンビームの価数の選択を簡易に行うことができる利点がある。
【００３４】
なお、アパーチャ５２の駆動機構としては、直線導入機を用いてもよいし、回転導入機とギアを組み合わせてイオンビーム軸方向への移動機構とすることも可能である。さらに、ステージ５３を３軸ステージとすることで、イオンビーム軸にアパーチャ５２を遠隔で合わせる機能を持たせることも可能である。
【００３５】
また、アパーチャ５２にシャッタ絞りのような機構を設け、アパーチャ５２の開口径を可変できるようにしても良い。この場合、選択すべきイオンビームの収束位置におけるビーム径に合わせて開口径を設定することが可能となるため、より高い精度での選別制御が可能となる。
【００３６】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係わるレーザ・イオン源を説明するためのもので、イオン源輸送系内に設けるアパーチャの構成を示す平面図である。
【００３７】
基本的な構成は先の第１の実施形態と同様であり、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、イオン源輸送系２００内のアパーチャ５２に、イオンビームを通過させるための開口５２ａとは別に、真空排気のためのコンダクタンスを確保するための排気用の開口５２ｂを設けたことにある。
【００３８】
アパーチャ５２には、中央部にイオンビームを通過させるための小径の開口５２ａが設けられ、周辺部に排気用開口５２ｂが設けられている。排気用開口５２ｂは、静電レンズ５１を通過した後のイオンビーム輸送系２００での多価イオンビーム最大径５２ｃよりも外側に複数個設けられている。
【００３９】
レーザ・イオン源においては、前記図１に示すように、容器１０の上面に設けた排気口１３から排気するために、アパーチャ５２の開口５２ａが小さいと、アパーチャ５２よりも下流側を十分に排気できない場合がある。これに対し本実施形態のように、アパーチャ５２に開口５２ａ以外に比較的径の大きい開口５２ｂを設けることにより、アパーチャ５２よりも下流側の真空のコンダクタンスの低下を抑制することができる。従って本実施形態によれば、先の第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、アパーチャ５２を設けたことによるコンダクタンスの低下を抑制できる利点がある。
【００４０】
なお、アパーチャ５２に排気用開口部を設ける他の方法として、イオンビーム輸送系２００の真空ダクトのサイズよりアパーチャ５２の径を小さくしても良い。さらに、図６（ａ）に示すように、アパーチャ５２の外側に切り欠５２ｄを設けるようにしても良い。また、図６（ｂ）に示すように、径の小さなアパーチャ５２１と、中心にアパーチャ５２１より小さな開口部を設けた、アパーチャ５２１より大きな径の板５２２を組み合わせた構成としてもよい。
【００４１】
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。また、主要部分以外の構成は簡略化して示している。
【００４２】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、イオンビーム選別機構として、静電レンズ５１の代わりに電磁レンズ５５を用いたことにある。即ち、イオン源輸送系２００の筒体４１の容器１０側に多価イオンビームを電磁力により収束する電磁レンズ５５が設けられ、線形加速器３００側にアパーチャ５２が設けられている。
【００４３】
このような構成であっても、第１の実施形態と同様に、電磁レンズ５５によるイオンビームの収束位置が価数によって異なるため、必要な価数のイオンビームの収束位置にアパーチャ５２をセットすることにより、必要な価数のイオンビームのみを取り出すことができる。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４４】
また、本実施形態は第１の実施形態と同様に、第２〜第３の実施形態の構成を組み合わせることも可能である。
【００４５】
（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。また、主要部分以外の構成は簡略化して示している。
【００４６】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、イオンビーム選別機構として、偏向器とアパーチャを用いたことにある。即ち、イオン源輸送系２００の容器１０側に多価イオンビームを偏向する偏向電磁石６１が設けられ、線形加速器３００側にアパーチャ６２が設けられている。偏向電磁石６１は、イオンビームを電磁力により偏向するものであり、筒体４１の外部に設けられている。アパーチャ６２は、中央部に開口を有するものであり、第１の実施形態に用いたアパーチャ５１の開口よりは大きな径となっている。
【００４７】
このように構成された本実施形態において、イオン源本体１００から引き出された多価イオンビーム３３は偏向電磁石６１で偏向されるが、それぞれの価数によって偏向半径が異なることから、必要な価数Ｚ１のイオンビーム３３ａの軌道上にアパーチャ６２を設置することにより、価数Ｚ１のイオンビーム３３ａを選択的に輸送することが可能である。また、中性粒子は磁場強度によらず直進するため、同時に中性粒子を排除することができる。さらに、多価イオンビームの中から、異なる価数のイオンビームを取り出したい場合に、偏向電磁石１２の磁場強度を変えることにより、アパーチャ６２を通過できる価数のイオンを選択できる。さらにアパーチャ６２に第２の実施形態に記載した移動機構を設けることでもイオンを選択できる。
【００４８】
図９に、各種の価数のイオンビームと偏向の様子を示す。（ａ）は偏向電磁石６１とアパーチャ６２及びイオンビームの位置関係を示す図、（ｂ）は偏向電磁石６１の中心からの距離ｘとビームの偏向位置との関係を示す図である。
【００４９】
この図９からも分かるように、イオンビーム３３は価数が大きいものほど偏向電磁石６１による磁界の影響を大きく受けるために、Ｃ1+〜Ｃ6+の順に大きく偏向される。従って、例えばＣ6+の偏向位置にアパーチャ６２の開口が位置するように設置すれば、Ｃ6+のイオンビームはアパーチャ６２で遮られることなく通過し、それ以外のイオンビームはアパーチャ６２で遮られることになる。
【００５０】
このように本実施形態によれば、イオン源輸送系２００内に偏向電磁石６１とアパーチャ６２を設けることにより、不要な価数のイオンビームを低減し、必要な価数Ｚ１のイオンビーム３３ａのみを選択的に取り出すことができる。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５１】
また、イオンビームを収束したい場合、若しくはイオン選別の効果を高めたい場合に、イオン源輸送系２００に第１〜第３の実施形態の記載の構成と組み合わせて偏向電磁石６１を配置する構成を取ることも可能である。
【００５２】
（第６の実施形態）
図１０は、本発明の第６の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図である。なお、図８と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。また、主要部分以外の構成は簡略化して示している。
【００５３】
本実施形態が第５の実施形態と異なる点は、イオンビーム選別機構として、偏向電磁石６１の代わりに偏向電極６５を用いたことにある。即ち、イオン源輸送系２００の筒体４１の容器１０側に多価イオンビームを静電力により偏向する偏向電極６５が設けられ、線形加速器３００側にアパーチャ６２が設けられている。
【００５４】
このような構成であっても、第５の実施形態と同様に、偏向電極６５によるイオンビームの偏向位置が価数によって異なるため、必要な価数のイオンビームの偏向位置にアパーチャ６２をセットすることにより、必要な価数のイオンビームのみを取り出すことができる。従って、第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
（第７の実施形態）
図１１は、本発明の第７の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。また、主要部分以外の構成は簡略化して示している。
【００５６】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、イオンビーム選別機構として、高速偏向可能な偏向器とアパーチャを用いたことにある。即ち、イオン源輸送系２００の筒体４１内に容器１０側に多価イオンビーム３３をパルス的に偏向するパルス電極７１が設けられ、線形加速器３００側にアパーチャ７２が設けられている。アパーチャ７２はビームダンプの役割であるため、イオン源輸送系２００の下流の壁でも代用可能である。
【００５７】
このように構成された本実施形態において、イオン源本体１００から引き出された多価イオンビーム３３は、パルス電極７１に偏向電圧を印加することにより偏向され、アパーチャ７２で遮られる。多価イオンビーム３３は時間構造を持ち、価数の大きなものほど速度が速い。従って、イオンビームの通過時刻に合わせてパルス電極７１を駆動することにより、アパーチャ７２で遮られるイオンビームの価数を選択することができる。具体的には、必要な価数Ｚ１のイオンビーム３３ａが通過する時間を避けてパルス電極７１にパルス電圧を印加すれば、不要な他の価数のイオンビームはイオン源輸送系２００ａの軸から外れ、下流のアパーチャ７２に衝突して排除される。これにより、価数Ｚ１のイオンビーム３３ａのみを取り出すことができる。
【００５８】
これとは逆に、価数Ｚ１のイオンビーム３３ａが通過する時間のみにパルス電圧を印加することにより、価数Ｚ１のイオンビーム３３ａのみを取り出すことも可能である。この場合、偏向電極７１による偏向方向を線形加速器３００へのイオン輸送系２００の軸と一致させた構成とすればよい。
【００５９】
図１２に、各種の価数のイオンビームと偏向の様子を示す。（ａ）はイオンの時間分布を示し、（ｂ）はパルス電場を示し、（ｃ）はイオンビームの偏向状態を示している。
【００６０】
この図１２からも分かるように、イオンビーム３３は価数が大きいものほど速度が速く、価数の違いによりアパーチャ７２の位置に到達する時間が異なる。従って、必要な価数Ｃ6+のイオンビーム３３ａがアパーチャ７２を通過する時間のみパルス電圧を印加せず、それ以外でパルス電圧を印加するようにすれば、Ｃ6+のイオンビームはアパーチャ７２で遮られることなく通過し、それ以外のイオンビームはアパーチャ７２で遮られることになる。
【００６１】
このように本実施の形態によれば、イオン源輸送系２００内にパルス電極７１とアパーチャ７２を設けることにより、不要な価数のイオンビームを低減し、必要な価数Ｚ１のイオンビーム４ａのみを選択的に取り出すことができる。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６２】
また、イオンビームを収束したい場合、もしくはイオン選別の効果を高めたい場合に、第１〜第４の実施形態の構成と組み合わせた構成をとることも可能である。
【００６３】
（第８の実施形態）
図１３は、本発明の第８の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図である。なお、図１１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。また、主要部分以外の構成は簡略化して示している。
【００６４】
本実施形態が第７の実施形態と異なる点は、イオンビーム選別機構として、高速偏向可能な偏向器として、パルス電極７１の代わりにパルス電磁石７５を用いたことにある。即ち、イオン源輸送系２００の筒体４１内の容器１０側に多価イオンビーム３３をパルス的に偏向するパルス電磁石７５が設けられ、線形加速器３００側にアパーチャ７２が設けられている。アパーチャ７２はビームダンプの役割であるため、イオン源輸送系２００の下流の壁でも代用可能である。
【００６５】
このような構成であっても、第７の実施形態と同様に、パルス電磁石７５により不要な価数のイオンビームの通過時にパルス電圧を印加することにより、不要な価数のイオンビームを排除し、必要な価数のイオンビームのみを取り出すことができる。従って、第７の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６６】
また、イオンビームを収束したい場合、もしくはイオン選別の効果を高めたい場合に、第１〜第４の実施形態の構成と組み合わせた構成をとることも可能である。
【００６７】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、各々の実施形態を組み合わせることもできる。また、各部の構造や材料等は実施形態に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。
【００６８】
実施形態では、照射箱からイオンビームを引き出すために引き出し電極を設けているが、容器の壁面を引き出し電極として代用することも可能である。照射箱の壁面は必ずしも板状である必要はなく、メッシュ状になっていても良い。ターゲットは、必ずしもカーボン系に限るものではなく、多価のイオンとなる元素又はそれを含有するものであればよい。さらに、レーザ光源はＣｏ２レーザやＹＡＧレーザに限定されるものではなく、高エネルギーの短パルス照射（数Ｊ／パルス）が可能なものであればよい。
【００６９】
また、実施形態では用いるイオンは重粒子としての炭素を例に説明したが、場合によってはヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、ネオン（Ｎｅ）、シリコン（Ｓｉ）、アルゴン（Ａｒ）を使用することも可能である。
【００７０】
本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
１０…真空容器
１２…引き出し電極
２０…照射箱
２１…ターゲット
３１…レーザ光
４１…筒体
４２…フランジ
４３…バルブ
５１…静電レンズ
５２，６２，７２…アパーチャ
５５…電磁レンズ
６１…偏向電磁石
６５…偏向電極
７１…パルス電極
７５…パルス電磁石
１００…イオン源本体
２００…イオン源輸送系
３００…線形加速器（ＲＦＱ）
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、レーザ光の照射によりイオンを発生させるレーザ・イオン源に係わり、特に多価イオンの選別機構を備えたレーザ・イオン源及びレーザ・イオン源の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高エネルギーの炭素イオンの照射によるがん治療法が開発され、実際に、一般病院にイオン加速装置が設置されて、治療も始まっている。この種の装置の更なる性能向上には、高密度の６価の炭素イオンを生成するイオン源が不可欠である。従来のマイクロ波放電プラズマを使ったイオン源は、この点で非力なので、新たなイオン源の開発が強く望まれている。
【０００３】
高密度イオンビーム生成の能力を持つイオン源として、レーザ・イオン源が開発されている。このレーザ・イオン源は、レーザ光をターゲットに集光照射し、レーザ光のエネルギーによりターゲットをイオン化する。そして、ターゲットから生成されたイオンを静電的に引出してイオンビームを作り出す。
【０００４】
しかし、この種のレーザ・イオン源にあっては、次のような問題があった。即ち、レーザ・イオン源から輸送されるイオンには、レーザ光のエネルギーと密度に依存した複数の価数のイオンが混在している。このため、取り出したいイオンが６価の炭素イオンであるにも拘わらず、それ以外の価数のイオンも放出されてしまう。
【０００５】
下流の線形加速器に価数の選別機能を持たせることにより、６価のイオンのみを選択して用いることはできる。しかし、この場合、不要な価数のイオンは線形加速器内で汚れとして滞留することになり、電極を汚染したり、放電を起こす要因となる。これを防止するためには線形加速器内に付着したイオンを定期的に除去する必要があるが、線形加速器は非常に大型で精密な機械であり、そのメンテナンスには多大な労力が伴う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３７１３５２４号
【特許文献２】特開２００９−３７７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したレーザ・イオン源においては、複数の価数のイオンが混在したままで下流の線形加速器に入射するため、不要なイオンが線形加速器内に滞留し、電極を汚染し、放電を起こすことが課題であった。
【０００８】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、不要なイオンの放出を抑制することができ、不要なイオンによる下流の線形加速器側の汚染を低減することが可能なレーザ・イオン源及びレーザ・イオン源の駆動方法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】
【０００９】
本発明の実施形態に係わるレーザ・イオン源は、真空排気される容器と、前記容器内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲットが収容された照射箱と、前記照射箱からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして前記容器の外部に導くイオンビーム引き出し手段と、前記照射箱から引き出されたイオンビームを電磁力により収束する電磁レンズと、前記電磁レンズの下流側の位置に設けられ、該位置で収束されたイオンビームを通過させるアパーチャと、を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態によれば、不要なイオンの放出を抑制することができ、不要なイオンによる下流の線形加速器側の汚染を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図。
【図２】第１の実施形態におけるイオンビームの選別の様子を示す断面図。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は第１の実施形態におけるイオンビームの選別の原理を説明するための概略説明図。
【図４】第２の実施形態に係わるレーザ・イオン源の要部構成を示す断面図。
【図５】第３の実施形態に係わるレーザ・イオン源の要部構成を示す平面図。
【図６】（ａ）は第３の実施形態の変形例を示す平面図、（ｂ）は更に別の変形例を示す平面図と断面図。
【図７】第４の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図。
【図８】第５の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は第５の実施形態におけるイオンビームの選別の原理を説明するための概略説明図。
【図１０】第６の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図。
【図１１】第７の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図。
【図１２】（ａ）から（ｃ）は第７の実施形態におけるイオンビームの選別の原理を説明するための概略説明図。
【図１３】第８の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図である。図２は、図１の一部（破線円で囲んだ部分）を拡大して示す断面図である。
【００１４】
本実施形態のレーザ・イオン源は、イオン源本体１００とイオン源輸送系２００及び線形加速器（ＲＦＱ）３００で構成されている。
【００１５】
イオン源本体１００は、真空容器１０，引き出し電極１２，及び照射箱２０等で構成されている。容器１０はステンレス製であり、この容器１０内の中央部に、レーザ照射部を覆うための照射箱２０が設置されている。照射箱２０内には、イオンとなる元素又はそれを含有するターゲット２１が設置されている。ターゲット２１としては、例えばカーボン系の板状部材が選択される。
【００１６】
照射箱２０の上面には、レーザ光を入射するための窓２２が設けられている。そして、図示しない光学系を介してレーザ光３１が照射箱２０内に入射され、ターゲット２１に集光照射されるようになっている。レーザ光を放出する光源としては、Ｃｏ２レーザやＮｄ−ＹＡＧレーザを用いることができる。
【００１７】
照射箱２０は絶縁支柱１１によって支えられ、図示しない高電圧電源によって、高電圧が印加される。正イオンビーム生成のときは正電位を、負イオンビーム生成のときは負電位を与えるように構成されている。
【００１８】
照射箱２０の一側面（図では右側面）には、イオンを取り出すための窓２３が設けられている。照射箱２０の窓２３が設けられた一側面と対向するように、引出し電極１２が設置されている。引き出し電極１２は、中央部に円形の孔を有する円板状の導電体であり、照射箱２０内からイオンを引き出すために接地電位に保たれている。
【００１９】
容器１０の上面には排気口１３が形成され、この排気口１３に図示しない真空ポンプが接続され、容器１０内が真空排気されるようになっている。容器１０の一側面で、照射箱２０の窓２３を形成した一側面に対向する部分に、イオンビーム取り出し部（イオン源輸送部２００）が形成されている。この取り出し部は、容器１０の一側面に接続された筒体４１及び筒体４１の先端のフランジ４２から構成される。フランジ４２は、次段の線形加速器３００に接続されている。なお、加速器ではなくイオン注入装置に用いる場合は、線形加速器３００の代わりに、偏向装置や静電レンズを接続するようにすればよい。
【００２０】
ここまでの基本構成に加え本実施形態では、筒体４１の容器１０側に多価イオンビームを収束する静電レンズ５１が設けられ、線形加速器側にアパーチャ５２が設けられている。静電レンズ５１は、例えば軸方向に離間配置された３つの電極によりイオンビームを静電力により収束するものである。アパーチャ５２は、中央部に小径の開口を有するものである。また、フランジ４２と線形加速器２００との間にバルブ４３が設けられている。このバルブ４３は、例えば、ゲートバルブやビームの進行路が開口部となるように取り付けたバタフライバルブであり、ビーム通過管路の開閉を気密を保てる機能を有する。
【００２１】
次に、このように構成されたレーザ・イオン源の動作について説明する。
【００２２】
容器１０内は排気口１３に接続された真空ポンプ等により十分に排気されているものとする。照射箱２０には、例えば正電位が与えられ、引き出し電極１２には接地電位が与えられているものとする。
【００２３】
この状態で、パルス駆動のレーザ光源（図示せず）からレーザ光３１をターゲット２１に集光照射すると、ターゲット２１上に集光したレーザ光３１により、レーザ集光点では、ターゲット２１の微小部分が高温に熱せられる。高温に熱せられた部分がプラズマ化し、空間に向かって放出される。プラズマ中の原子及びイオンは、レーザ光３１からもエネルギーを受け取り、多価イオンが生成される。
【００２４】
照射箱２０内の空間に噴出したものは、アブレーション・プルーム、或いは単にプルームと呼ばれる。照射箱２０には、プルームの放出方向に窓２３が設けられ、更に窓２３の外側に接地電位の引き出し電極１２が設置されている。このため、照射箱２０と引出し電極１２との間の電界によって照射箱２０内からイオンが引出され、同時に加速されてイオンビームとなる。そして、このイオンビームは、後段の線形加速器３００によって更に加速されることになる。
【００２５】
ところで、イオン源本体１００から引き出された多価イオンビーム３３は、イオン源輸送系２００内の静電レンズ５１で収束されるが、それぞれの価数によって収束位置（焦点距離）が異なる。従って、図２に示すように、必要な価数Ｚ１のイオンビーム３３ａの焦点位置にアパーチャ５２を設置することにより、価数Ｚ１のイオンビーム３３ａのみを選択的に取り出すことが可能である。なお、価数Ｚ１以外のイオンビームで中心軸付近を通るものはアパーチャ５２で遮られることなく通過するが、その量は全体の量に比して極めて少ないため、これによる汚染は殆ど問題とならない。
【００２６】
図３に、各種の価数のイオンビームと収束の様子を示す。（ａ）はターゲット２１，レンズ５１，アパーチャ５２の位置関係を示す図、（ｂ）はレンズ中心からの距離ｘとビームの位置との関係を示す図である。
【００２７】
この図３からも分かるように、イオンビーム３３は価数が大きいものほど静電レンズ５１による電界の影響を大きく受けるために、レンズ５１に対する焦点位置がＣ1+〜Ｃ6+の順に短くなる。従って、例えばＣ6+の焦点位置（例えばｘ＝９５ｍｍ）の位置にアパーチャ５２を設置すれば、Ｃ6+のイオンビームはアパーチャ５２で殆ど遮られることなく通過し、それ以外のイオンビームはアパーチャ５２で大部分が遮られることになる。
【００２８】
このように本実施形態によれば、イオン源輸送系２００内に静電レンズ５１とアパーチャ５２を設けることにより、不要な価数のイオンビームを低減し、必要な価数のイオンビーム３３ａのみを選択的に取り出すことができる。このため、下流の線形加速器３００側への不要なイオン流入を低減して線形加速器３００の汚染を低減することができる。レーザ・イオン源は多価のイオンが放出されるので、このような価数の選別が特に有効である。
【００２９】
なお、不要のイオンビームを下流側に輸送せずにアパーチャ５２で遮るため、イオン源側の汚染が大きくなることが懸念される。しかし、イオン源のメンテナンスは線形加速器３００のメンテナンスに比して格段に容易であり、イオン源の汚染は簡単に除去することができる。また、レーザ・イオン源においては、ターゲット２１を定期的に交換する必要があり、このときに汚染除去のメンテナンスを行えばよい。
【００３０】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係わるレーザ・イオン源を説明するためのもので、イオン源輸送系の構成を示す断面図である。なお、図４において図１と同一の部分には同一の符号を付し、その部分の構成の説明は省略する。
【００３１】
この第２の実施形態において基本的な構成は先の第１の実施形態と同様であり、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、イオン源輸送系２００内のアパーチャ５２を真空中で駆動するステージ５３を設けたことにある。このステージ５３は、図示しない駆動機構を有しており、アパーチャ５２の一端を固定した状態で、筒体４１内をビーム軸方向に移動可能となっている。また、ステージ５３には真空導入端子を介して信号ケーブルが接続され、真空外でコントロール可能な構成となっている。
【００３２】
このように本実施形態においては、ステージ５３に取り付けられたアパーチャ５２をイオンビーム軸方向に移動可能である。従って、価数Ｚ１のイオンビーム３３ａの焦点位置Ｐ１にアパーチャ５２を移動すれば、価数Ｚ１のイオンビーム３３ａを選択的に輸送できる。また、価数Ｚ２のイオンビーム３３ｂの焦点位置Ｐ２にアパーチャ５２を移動すれば価数Ｚ２のイオンビーム３３ｂを選択的に輸送できる。つまり、多価イオンビームの中から、異なる価数のイオンビームを取り出したい場合に、真空を破ることなく必要な価数のイオンビームを選別し、下流の線形加速器３００側への不要なイオン流入を低減して汚染を低減することができる。
【００３３】
従って、先の第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、イオンビームの価数の選択を簡易に行うことができる利点がある。
【００３４】
なお、アパーチャ５２の駆動機構としては、直線導入機を用いてもよいし、回転導入機とギアを組み合わせてイオンビーム軸方向への移動機構とすることも可能である。さらに、ステージ５３を３軸ステージとすることで、イオンビーム軸にアパーチャ５２を遠隔で合わせる機能を持たせることも可能である。
【００３５】
また、アパーチャ５２にシャッタ絞りのような機構を設け、アパーチャ５２の開口径を可変できるようにしても良い。この場合、選択すべきイオンビームの収束位置におけるビーム径に合わせて開口径を設定することが可能となるため、より高い精度での選別制御が可能となる。
【００３６】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係わるレーザ・イオン源を説明するためのもので、イオン源輸送系内に設けるアパーチャの構成を示す平面図である。
【００３７】
基本的な構成は先の第１の実施形態と同様であり、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、イオン源輸送系２００内のアパーチャ５２に、イオンビームを通過させるための開口５２ａとは別に、真空排気のためのコンダクタンスを確保するための排気用の開口５２ｂを設けたことにある。
【００３８】
アパーチャ５２には、中央部にイオンビームを通過させるための小径の開口５２ａが設けられ、周辺部に排気用開口５２ｂが設けられている。排気用開口５２ｂは、静電レンズ５１を通過した後のイオンビーム輸送系２００での多価イオンビーム最大径５２ｃよりも外側に複数個設けられている。
【００３９】
レーザ・イオン源においては、前記図１に示すように、容器１０の上面に設けた排気口１３から排気するために、アパーチャ５２の開口５２ａが小さいと、アパーチャ５２よりも下流側を十分に排気できない場合がある。これに対し本実施形態のように、アパーチャ５２に開口５２ａ以外に比較的径の大きい開口５２ｂを設けることにより、アパーチャ５２よりも下流側の真空のコンダクタンスの低下を抑制することができる。従って本実施形態によれば、先の第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、アパーチャ５２を設けたことによるコンダクタンスの低下を抑制できる利点がある。
【００４０】
なお、アパーチャ５２に排気用開口部を設ける他の方法として、イオンビーム輸送系２００の真空ダクトのサイズよりアパーチャ５２の径を小さくしても良い。さらに、図６（ａ）に示すように、アパーチャ５２の外側に切り欠５２ｄを設けるようにしても良い。また、図６（ｂ）に示すように、径の小さなアパーチャ５２１と、中心にアパーチャ５２１より小さな開口部を設けた、アパーチャ５２１より大きな径の板５２２を組み合わせた構成としてもよい。
【００４１】
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。また、主要部分以外の構成は簡略化して示している。
【００４２】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、イオンビーム選別機構として、静電レンズ５１の代わりに電磁レンズ５５を用いたことにある。即ち、イオン源輸送系２００の筒体４１の容器１０側に多価イオンビームを電磁力により収束する電磁レンズ５５が設けられ、線形加速器３００側にアパーチャ５２が設けられている。
【００４３】
このような構成であっても、第１の実施形態と同様に、電磁レンズ５５によるイオンビームの収束位置が価数によって異なるため、必要な価数のイオンビームの収束位置にアパーチャ５２をセットすることにより、必要な価数のイオンビームのみを取り出すことができる。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４４】
また、本実施形態は第１の実施形態と同様に、第２〜第３の実施形態の構成を組み合わせることも可能である。
【００４５】
（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。また、主要部分以外の構成は簡略化して示している。
【００４６】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、イオンビーム選別機構として、偏向器とアパーチャを用いたことにある。即ち、イオン源輸送系２００の容器１０側に多価イオンビームを偏向する偏向電磁石６１が設けられ、線形加速器３００側にアパーチャ６２が設けられている。偏向電磁石６１は、イオンビームを電磁力により偏向するものであり、筒体４１の外部に設けられている。アパーチャ６２は、中央部に開口を有するものであり、第１の実施形態に用いたアパーチャ５１の開口よりは大きな径となっている。
【００４７】
このように構成された本実施形態において、イオン源本体１００から引き出された多価イオンビーム３３は偏向電磁石６１で偏向されるが、それぞれの価数によって偏向半径が異なることから、必要な価数Ｚ１のイオンビーム３３ａの軌道上にアパーチャ６２を設置することにより、価数Ｚ１のイオンビーム３３ａを選択的に輸送することが可能である。また、中性粒子は磁場強度によらず直進するため、同時に中性粒子を排除することができる。さらに、多価イオンビームの中から、異なる価数のイオンビームを取り出したい場合に、偏向電磁石１２の磁場強度を変えることにより、アパーチャ６２を通過できる価数のイオンを選択できる。さらにアパーチャ６２に第２の実施形態に記載した移動機構を設けることでもイオンを選択できる。
【００４８】
図９に、各種の価数のイオンビームと偏向の様子を示す。（ａ）は偏向電磁石６１とアパーチャ６２及びイオンビームの位置関係を示す図、（ｂ）は偏向電磁石６１の中心からの距離ｘとビームの偏向位置との関係を示す図である。
【００４９】
この図９からも分かるように、イオンビーム３３は価数が大きいものほど偏向電磁石６１による磁界の影響を大きく受けるために、Ｃ1+〜Ｃ6+の順に大きく偏向される。従って、例えばＣ6+の偏向位置にアパーチャ６２の開口が位置するように設置すれば、Ｃ6+のイオンビームはアパーチャ６２で遮られることなく通過し、それ以外のイオンビームはアパーチャ６２で遮られることになる。
【００５０】
このように本実施形態によれば、イオン源輸送系２００内に偏向電磁石６１とアパーチャ６２を設けることにより、不要な価数のイオンビームを低減し、必要な価数Ｚ１のイオンビーム３３ａのみを選択的に取り出すことができる。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５１】
また、イオンビームを収束したい場合、若しくはイオン選別の効果を高めたい場合に、イオン源輸送系２００に第１〜第３の実施形態の記載の構成と組み合わせて偏向電磁石６１を配置する構成を取ることも可能である。
【００５２】
（第６の実施形態）
図１０は、本発明の第６の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図である。なお、図８と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。また、主要部分以外の構成は簡略化して示している。
【００５３】
本実施形態が第５の実施形態と異なる点は、イオンビーム選別機構として、偏向電磁石６１の代わりに偏向電極６５を用いたことにある。即ち、イオン源輸送系２００の筒体４１の容器１０側に多価イオンビームを静電力により偏向する偏向電極６５が設けられ、線形加速器３００側にアパーチャ６２が設けられている。
【００５４】
このような構成であっても、第５の実施形態と同様に、偏向電極６５によるイオンビームの偏向位置が価数によって異なるため、必要な価数のイオンビームの偏向位置にアパーチャ６２をセットすることにより、必要な価数のイオンビームのみを取り出すことができる。従って、第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
（第７の実施形態）
図１１は、本発明の第７の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。また、主要部分以外の構成は簡略化して示している。
【００５６】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、イオンビーム選別機構として、高速偏向可能な偏向器とアパーチャを用いたことにある。即ち、イオン源輸送系２００の筒体４１内に容器１０側に多価イオンビーム３３をパルス的に偏向するパルス電極７１が設けられ、線形加速器３００側にアパーチャ７２が設けられている。アパーチャ７２はビームダンプの役割であるため、イオン源輸送系２００の下流の壁でも代用可能である。
【００５７】
このように構成された本実施形態において、イオン源本体１００から引き出された多価イオンビーム３３は、パルス電極７１に偏向電圧を印加することにより偏向され、アパーチャ７２で遮られる。多価イオンビーム３３は時間構造を持ち、価数の大きなものほど速度が速い。従って、イオンビームの通過時刻に合わせてパルス電極７１を駆動することにより、アパーチャ７２で遮られるイオンビームの価数を選択することができる。具体的には、必要な価数Ｚ１のイオンビーム３３ａが通過する時間を避けてパルス電極７１にパルス電圧を印加すれば、不要な他の価数のイオンビームはイオン源輸送系２００ａの軸から外れ、下流のアパーチャ７２に衝突して排除される。これにより、価数Ｚ１のイオンビーム３３ａのみを取り出すことができる。
【００５８】
これとは逆に、価数Ｚ１のイオンビーム３３ａが通過する時間のみにパルス電圧を印加することにより、価数Ｚ１のイオンビーム３３ａのみを取り出すことも可能である。この場合、偏向電極７１による偏向方向を線形加速器３００へのイオン輸送系２００の軸と一致させた構成とすればよい。
【００５９】
図１２に、各種の価数のイオンビームと偏向の様子を示す。（ａ）はイオンの時間分布を示し、（ｂ）はパルス電場を示し、（ｃ）はイオンビームの偏向状態を示している。
【００６０】
この図１２からも分かるように、イオンビーム３３は価数が大きいものほど速度が速く、価数の違いによりアパーチャ７２の位置に到達する時間が異なる。従って、必要な価数Ｃ6+のイオンビーム３３ａがアパーチャ７２を通過する時間のみパルス電圧を印加せず、それ以外でパルス電圧を印加するようにすれば、Ｃ6+のイオンビームはアパーチャ７２で遮られることなく通過し、それ以外のイオンビームはアパーチャ７２で遮られることになる。
【００６１】
このように本実施の形態によれば、イオン源輸送系２００内にパルス電極７１とアパーチャ７２を設けることにより、不要な価数のイオンビームを低減し、必要な価数Ｚ１のイオンビーム４ａのみを選択的に取り出すことができる。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６２】
また、イオンビームを収束したい場合、もしくはイオン選別の効果を高めたい場合に、第１〜第４の実施形態の構成と組み合わせた構成をとることも可能である。
【００６３】
（第８の実施形態）
図１３は、本発明の第８の実施形態に係わるレーザ・イオン源の概略構成を示す断面図である。なお、図１１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。また、主要部分以外の構成は簡略化して示している。
【００６４】
本実施形態が第７の実施形態と異なる点は、イオンビーム選別機構として、高速偏向可能な偏向器として、パルス電極７１の代わりにパルス電磁石７５を用いたことにある。即ち、イオン源輸送系２００の筒体４１内の容器１０側に多価イオンビーム３３をパルス的に偏向するパルス電磁石７５が設けられ、線形加速器３００側にアパーチャ７２が設けられている。アパーチャ７２はビームダンプの役割であるため、イオン源輸送系２００の下流の壁でも代用可能である。
【００６５】
このような構成であっても、第７の実施形態と同様に、パルス電磁石７５により不要な価数のイオンビームの通過時にパルス電圧を印加することにより、不要な価数のイオンビームを排除し、必要な価数のイオンビームのみを取り出すことができる。従って、第７の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６６】
また、イオンビームを収束したい場合、もしくはイオン選別の効果を高めたい場合に、第１〜第４の実施形態の構成と組み合わせた構成をとることも可能である。
【００６７】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、各々の実施形態を組み合わせることもできる。また、各部の構造や材料等は実施形態に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。
【００６８】
実施形態では、照射箱からイオンビームを引き出すために引き出し電極を設けているが、容器の壁面を引き出し電極として代用することも可能である。照射箱の壁面は必ずしも板状である必要はなく、メッシュ状になっていても良い。ターゲットは、必ずしもカーボン系に限るものではなく、多価のイオンとなる元素又はそれを含有するものであればよい。さらに、レーザ光源はＣｏ２レーザやＹＡＧレーザに限定されるものではなく、高エネルギーの短パルス照射（数Ｊ／パルス）が可能なものであればよい。
【００６９】
また、実施形態では用いるイオンは重粒子としての炭素を例に説明したが、場合によってはヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、ネオン（Ｎｅ）、シリコン（Ｓｉ）、アルゴン（Ａｒ）を使用することも可能である。
【００７０】
本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
１０…真空容器
１２…引き出し電極
２０…照射箱
２１…ターゲット
３１…レーザ光
４１…筒体
４２…フランジ
４３…バルブ
５１…静電レンズ
５２，６２，７２…アパーチャ
５５…電磁レンズ
６１…偏向電磁石
６５…偏向電極
７１…パルス電極
７５…パルス電磁石
１００…イオン源本体
２００…イオン源輸送系
３００…線形加速器（ＲＦＱ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空排気される容器と、
前記容器内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲットが収容された照射箱と、
前記照射箱からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして前記容器の外部に導くイオンビーム引き出し手段と、
前記照射箱から引き出されたイオンビームを静電力により収束する静電レンズと、
前記静電レンズの下流側の位置に設けられ、該位置で収束されたイオンビームを通過させるアパーチャと、
を具備したことを特徴とするレーザ・イオン源。
【請求項２】
真空排気される容器と、
前記容器内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲットが収容された照射箱と、
前記照射箱からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして前記容器の外部に導くイオンビーム引き出し手段と、
前記イオン源から引き出されたイオンビームを電磁力により収束する電磁レンズと、
前記電磁レンズの下流側の位置に設けられ、該位置で収束されたイオンビームを通過させるためのアパーチャと、
を具備したことを特徴とするレーザ・イオン源。
【請求項３】
前記アパーチャは、前記イオンビームの進行方向に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ・イオン源。
【請求項４】
前記アパーチャは、前記イオンビームの一部を通過させるための開口の径が可変可能に設けられていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ・イオン源。
【請求項５】
前記アパーチャに、前記イオンビームの一部を通過させるための開口とは別に、イオンビーム最大径より外側に排気用開口部を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ・イオン源。
【請求項６】
真空排気される容器と、
前記容器内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲットが収容された照射箱と、
前記照射箱からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして前記容器の外部に導くイオンビーム引き出し手段と、
前記照射箱から引き出されたイオンビームを電磁力で偏向する偏向電磁石と、
前記偏向電磁石の下流側に設けられ、前記偏向電磁石で所定量偏向されたイオンビームを通過させるアパーチャと、
を具備したことを特徴とするレーザ・イオン源。
【請求項７】
真空排気される容器と、
前記容器内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲットが収容された照射箱と、
前記照射箱からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして前記容器の外部に導くイオンビーム引き出し手段と、
前記照射箱から引き出されたイオンビームを静電的に偏向する偏向電極と、
前記偏向電極の下流側に設けられ、前記偏向電極で所定量偏向されたイオンビームを通過させるアパーチャと、
を具備したことを特徴とするレーザ・イオン源。
【請求項８】
真空排気される容器と、
前記容器内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲットが収容された照射箱と、
前記照射箱からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして前記容器の外部に導くイオンビーム引き出し手段と、
前記照射箱から引き出されたイオンビームを、該イオンビームの時間分布幅より短い間隔で偏向可能なパルス電極と、
前記パルス電極の下流側に設けられ、前記パルス電極で偏向されたイオンビームを遮るアパーチャと、
を具備したことを特徴とするレーザ・イオン源。
【請求項９】
真空排気される容器と、
前記容器内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲットが収容された照射箱と、
前記照射箱からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして前記容器の外部に導くイオンビーム引き出し手段と、
前記照射箱から引き出されたイオンビームを、該イオンビームの時間分布幅より短い間隔で偏向可能なパルス電磁石と、
前記パルス電磁石の下流側に設けられ、前記パルス電磁石で偏向されたイオンビームを遮るアパーチャと、
を具備したことを特徴とするレーザ・イオン源。
【請求項１０】
イオン源本体から引き出されたイオンビームを、該イオンビームの時間分布幅より短い間隔で偏向可能なパルス偏向器と、このパルス偏向器の下流側に設けられたアパーチャとを備えたレーザ・イオン源の駆動方法であって、
前記パルス偏向器の設置領域を必要な価数のイオンビームが通過するタイミングでは該偏向器に偏向信号は印加せず、必要な価数のイオンビームを偏向せずに前記アパーチャを通過させ、
前記パルス偏向器の設置領域を不必要な価数のイオンビームが通過するタイミングで該偏向器に偏向信号を与えることにより、不必要な価数のイオンビームを偏向して前記アパーチャで遮断する、
ことを特徴とするレーザ・イオン源の駆動方法。
【請求項１】
真空排気される容器と、
前記容器内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲットが収容された照射箱と、
前記照射箱からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして前記容器の外部に導くイオンビーム引き出し手段と、
前記照射箱から引き出されたイオンビームを静電力により収束する静電レンズと、
前記静電レンズの下流側の位置に設けられ、該位置で収束されたイオンビームを通過させるアパーチャと、
を具備したことを特徴とするレーザ・イオン源。
【請求項２】
真空排気される容器と、
前記容器内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲットが収容された照射箱と、
前記照射箱からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして前記容器の外部に導くイオンビーム引き出し手段と、
前記イオン源から引き出されたイオンビームを電磁力により収束する電磁レンズと、
前記電磁レンズの下流側の位置に設けられ、該位置で収束されたイオンビームを通過させるためのアパーチャと、
を具備したことを特徴とするレーザ・イオン源。
【請求項３】
前記アパーチャは、前記イオンビームの進行方向に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ・イオン源。
【請求項４】
前記アパーチャは、前記イオンビームの一部を通過させるための開口の径が可変可能に設けられていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ・イオン源。
【請求項５】
前記アパーチャに、前記イオンビームの一部を通過させるための開口とは別に、イオンビーム最大径より外側に排気用開口部を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ・イオン源。
【請求項６】
真空排気される容器と、
前記容器内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲットが収容された照射箱と、
前記照射箱からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして前記容器の外部に導くイオンビーム引き出し手段と、
前記照射箱から引き出されたイオンビームを電磁力で偏向する偏向電磁石と、
前記偏向電磁石の下流側に設けられ、前記偏向電磁石で所定量偏向されたイオンビームを通過させるアパーチャと、
を具備したことを特徴とするレーザ・イオン源。
【請求項７】
真空排気される容器と、
前記容器内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲットが収容された照射箱と、
前記照射箱からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして前記容器の外部に導くイオンビーム引き出し手段と、
前記照射箱から引き出されたイオンビームを静電的に偏向する偏向電極と、
前記偏向電極の下流側に設けられ、前記偏向電極で所定量偏向されたイオンビームを通過させるアパーチャと、
を具備したことを特徴とするレーザ・イオン源。
【請求項８】
真空排気される容器と、
前記容器内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲットが収容された照射箱と、
前記照射箱からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして前記容器の外部に導くイオンビーム引き出し手段と、
前記照射箱から引き出されたイオンビームを、該イオンビームの時間分布幅より短い間隔で偏向可能なパルス電極と、
前記パルス電極の下流側に設けられ、前記パルス電極で偏向されたイオンビームを遮るアパーチャと、
を具備したことを特徴とするレーザ・イオン源。
【請求項９】
真空排気される容器と、
前記容器内に配置され、レーザ光の照射により多価イオンを発生するターゲットが収容された照射箱と、
前記照射箱からイオンを静電的に引き出し、イオンビームとして前記容器の外部に導くイオンビーム引き出し手段と、
前記照射箱から引き出されたイオンビームを、該イオンビームの時間分布幅より短い間隔で偏向可能なパルス電磁石と、
前記パルス電磁石の下流側に設けられ、前記パルス電磁石で偏向されたイオンビームを遮るアパーチャと、
を具備したことを特徴とするレーザ・イオン源。
【請求項１０】
イオン源本体から引き出されたイオンビームを、該イオンビームの時間分布幅より短い間隔で偏向可能なパルス偏向器と、このパルス偏向器の下流側に設けられたアパーチャとを備えたレーザ・イオン源の駆動方法であって、
前記パルス偏向器の設置領域を必要な価数のイオンビームが通過するタイミングでは該偏向器に偏向信号は印加せず、必要な価数のイオンビームを偏向せずに前記アパーチャを通過させ、
前記パルス偏向器の設置領域を不必要な価数のイオンビームが通過するタイミングで該偏向器に偏向信号を与えることにより、不必要な価数のイオンビームを偏向して前記アパーチャで遮断する、
ことを特徴とするレーザ・イオン源の駆動方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１７４５１５（Ｐ２０１２−１７４５１５Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３５８９８（Ｐ２０１１−３５８９８）
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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